JP2002286905A - Method for controlling decrease in transmittance for light in transparent optical material - Google Patents
Method for controlling decrease in transmittance for light in transparent optical materialInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この出願の発明は、透明性光
学材料の光透過率低下の抑制方法に関するものである。
さらに詳しくは、この出願の発明は、結晶質あるいは非
晶質の透明光学基板材料等の光学材料について、イオン
照射損傷の動的な回復を行うことにより、母相部分の透
明性を保ち、イオン注入による非線形光学材料や照射損
傷環境における光学窓材料等の光透過率の低下抑制を可
能とする、透明性光学材料の光透過率低下の抑制方法
と、この方法によるイオン注入方法並びにイオン注入光
学材料に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for suppressing a decrease in light transmittance of a transparent optical material.
More specifically, the invention of the present application is to maintain the transparency of the parent phase by performing dynamic recovery of ion irradiation damage on optical materials such as crystalline or amorphous transparent optical substrate materials. A method for suppressing a decrease in light transmittance of a transparent optical material, which enables suppression of a decrease in light transmittance of a nonlinear optical material or an optical window material in an irradiation damage environment, and an ion implantation method and ion implantation optics by this method It is about materials.
【０００２】[0002]
【従来の技術と発明の課題】従来より、半導体の製造技
術としてレーザー照射が広く行われ、イオン照射によっ
て非晶質化された部分の結晶性を回復し、注入不純物を
電気的に活性化するのに有効な技術として知られてい
る。たとえば、特願昭５３−７１７３２の特許出願で
は、このような技術として、イオンとレーザーを同時に
照射する方法も含むものとして、提案されている。2. Description of the Related Art Conventionally, laser irradiation has been widely used as a semiconductor manufacturing technique to recover the crystallinity of an amorphous portion by ion irradiation and electrically activate implanted impurities. It is known as an effective technology. For example, a patent application of Japanese Patent Application No. 53-71732 proposes that such a technique includes a method of simultaneously irradiating ions and a laser.
【０００３】また、ガラス材料においては、光エネルギ
ーの吸収体として半導体薄膜をコートして、ガラス軟化
点を越えるレーザー加熱を行いつつイオン注入を行う方
法も特願平１−１５６３２８の特許出願として提案され
ている。しかしながら、これらの従来の技術において
は、結晶半導体あるいはガラス材料のレーザー加熱によ
る結晶の溶融あるいはガラス軟化を行うものである。In a glass material, a method of coating a semiconductor thin film as a light energy absorber and performing ion implantation while performing laser heating exceeding the glass softening point has also been proposed as a patent application of Japanese Patent Application No. 1-156328. Have been. However, these conventional techniques involve melting a crystal or softening a glass by heating a crystalline semiconductor or a glass material with a laser.
【０００４】このような溶融や軟化をともなう従来の技
術では、溶融、軟化のためのアニール等の処理手段が必
要とされ、その操作のコントロールが欠かせない等の負
担が大きいばかりでなく、溶融や軟化にともなって、光
学材料の品質や特性の変化が懸念されるという大きな問
題がある。特にこのことは、非線形光学材料に対しての
イオン注入法の適用を難しくする要因となっていた。[0004] In such a conventional technique involving melting and softening, processing means such as annealing for melting and softening is required, and not only is the burden of controlling the operation inevitable, but also a great burden. There is a major problem that the quality and characteristics of the optical material may be changed with the softening. In particular, this has made it difficult to apply the ion implantation method to nonlinear optical materials.
【０００５】このため、イオン注入による透明性光学材
料のイオンによる照射損傷に起因する光透過率の減少と
いう問題点を、光学材料の溶融や軟化をともなわずに解
消することはできないでいた。[0005] For this reason, it has not been possible to solve the problem of a decrease in light transmittance due to irradiation damage of the transparent optical material due to ions due to ion implantation without melting or softening the optical material.
【０００６】この出願の発明は、以上のとおりの従来技
術の問題点を解消して、イオン注入プロセスやイオン損
傷環境下における透明性光学材料の光透過率の減少を抑
えることのできる、新しい技術手段を提供することを課
題としている。[0006] The invention of this application solves the above-mentioned problems of the prior art and suppresses a decrease in light transmittance of a transparent optical material in an ion implantation process or an ion damage environment. The task is to provide a means.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】この出願の発明は、上記
の課題を解決するものとして、第１には、イオン注入プ
ロセスもしくはイオン照射損傷環境下における結晶質あ
るいは非晶質の透明性光学材料に対し、これら光学材料
の溶融あるいは軟化を行うことなく、イオン照射と同時
にレーザーを照射して、光学材料の光透過率の低下を抑
えることを特徴とする透明性光学材料の光透過率低下の
抑制方法を提供する。Means for Solving the Problems The present invention solves the above-mentioned problems. First, a crystalline or amorphous transparent optical material in an ion implantation process or an ion irradiation damage environment is provided. In contrast, without melting or softening these optical materials, laser irradiation is performed at the same time as ion irradiation to suppress a decrease in the light transmittance of the optical material. Provide a control method.
【０００８】また、この出願の発明は、第２には、エネ
ルギーギャップ以下の波長の高出力レーザーを照射する
ことを特徴とする前記の方法を提供する。そして、この
出願の発明は、第３には、この方法によることを特徴と
するイオン注入方法を、第４には、イオン注入光学材料
をも提供する。[0008] Secondly, the invention of the present application provides the above method characterized by irradiating a high-power laser having a wavelength equal to or less than an energy gap. Thirdly, the invention of this application provides an ion implantation method characterized by this method, and fourthly, an ion implantation optical material.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】この出願の発明は、前記のとおり
の特徴をもつものであって、結晶質あるいは非晶質の透
明光学基板材料としての色ガラスや、非線形光学材料、
硬化光学材料の作製、あるいは核融合炉等照射損傷環境
での計測診断等用光学窓材料の作製における各種光学材
料の光透過率の維持のための技術等として有用なもので
ある。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The invention of this application has the features described above, and includes colored glass as a crystalline or amorphous transparent optical substrate material, a nonlinear optical material,
It is useful as a technique for maintaining the light transmittance of various optical materials in the production of a cured optical material or the production of an optical window material for measurement and diagnosis in an irradiation damage environment such as a fusion reactor.
【００１０】光学基板材料を用いたイオン注入による材
料作製技術、あるいはイオン照射損傷環境における基板
部分（母相）材料の照射損傷による光透過率の減少（光
吸収率の上昇）という問題点は、この出願の発明によっ
て、イオン注入またはイオン照射中にレーザー光を照射
することによる非線形な同時照射効果により、基板材料
を軟化・溶融させることなく、イオン注入部の光吸収率
の上昇を低減することを可能としている。The problem of a material fabrication technique by ion implantation using an optical substrate material or a decrease in light transmittance (increase in light absorption) due to irradiation damage of a substrate portion (matrix) material in an ion irradiation damage environment is as follows. According to the invention of this application, it is possible to reduce an increase in light absorption rate of an ion implantation part without softening and melting a substrate material by a non-linear simultaneous irradiation effect by irradiating a laser beam during ion implantation or ion irradiation. Is possible.
【００１１】この出願の発明においては、対象としての
光学材料は、結晶質または非晶質より構成され、かつ透
明度の高い透明性の材料である。このような材料として
は、各種の用途のものでよく、イオン注入操作もしくは
イオン照射損傷環境への配置にともなって、光透過率が
減少（光吸収率が増大）することが問題となるものが対
象となる。用途としては、たとえば、基板であってもよ
いし、光学窓であってもよい。In the invention of this application, the target optical material is a transparent material having a high degree of transparency and composed of crystalline or amorphous. Such a material may be used for various purposes, and there is a problem that the light transmittance decreases (increases the light absorption rate) due to the ion implantation operation or the arrangement in the ion irradiation damage environment. Be eligible. For example, it may be a substrate or an optical window.
【００１２】このような特徴は、レーザーの同時照射時
に起こる非線形な欠陥回復効果によるものである。この
ため、この出願の発明の方法においては、光学材料その
ものの溶融や軟化という加熱は一切必要としない。Such a feature is due to a non-linear defect recovery effect that occurs during simultaneous laser irradiation. Therefore, in the method of the present invention, no heating such as melting or softening of the optical material itself is required.
【００１３】同時照射によって以上の効果を発揮できる
ためには、レーザーは、空間的に均一に照射することが
望ましい。イオン注入もしくはイオン照射とレーザー照
射とが時間的に許容される時間誤差を超えてズレた場合
には、この出願の発明の効果は、充分に、あるいは全く
得られないことになる。In order to achieve the above effects by simultaneous irradiation, it is desirable that the laser is irradiated uniformly and spatially. If the ion implantation or the ion irradiation and the laser irradiation deviate from each other by exceeding a time error allowable in terms of time, the effect of the invention of this application will not be sufficiently or at all obtained.
【００１４】この出願の発明においては、光吸収を起こ
す欠陥準位に的を絞るために、エネルギーギャップ以下
の波長のレーザーを照射するのが望ましい。そこで以下
の実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん、以
下の例によって発明が限定されることはない。In the invention of this application, it is desirable to irradiate a laser having a wavelength equal to or less than the energy gap in order to focus on a defect level causing light absorption. Therefore, the following embodiment is shown and described in further detail. Of course, the invention is not limited by the following examples.
【００１５】[0015]
【実施例】光学基板材料として、石英ガラスａ−ＳｉＯ
2（商品名ＫＵ−１（登録商標）、８２０ｐｐｍ Ｏ
Ｈ）と、スピネルＭｇＯ−ｎ（Ａｌ2Ｏ3）（ｎ＝２．
４）を、直径１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板形状で、
両面光学研磨して用いた。照射装置としては、図１に例
示したように大電流タンデム加速器系と大出力ＹＡＧレ
ーザーより構成されるものを用いた。重イオン照射は３
ＭｅＶＣｕ2+、レーザーは、５３２ｎｍ（パルス幅２０
ｎｓｅｃ，繰り返し周波数１０Ｈｚ）のＹＡＧレーザー
２次高調波を用いた。照射時間は、イオン線量３×１０
16ｉｏｎｓ／ｃｍ 2（または３×１０15ｉｏｎｓ／ｃ
ｍ2）に対応させた。イオン電流密度及びレーザー強度
は、それぞれ２〜１０μＡ／ｃｍ2（１〜５particle−
μＡ／ｃｍ2）及び０．０５〜０．２J／ｃｍ2pulse と
した。レーザー強度の空間分布は、イメージ転送（イメ
ージ・リレイ）法により、６ｍｍ径の均一な空間分布を
得た。試料は穴空きマスク板（１２ｍｍ形）によって水
冷試料ステージへ押しつけ熱除去を確保した。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Quartz glass a-SiO was used as an optical substrate material.
Two(Product name KU-1 (registered trademark), 820 ppm O
H) and spinel MgO-n (AlTwoOThree) (N = 2.
4) is a disk shape with a diameter of 15 mm and a thickness of 0.5 mm,
Both surfaces were optically polished and used. Fig. 1 shows an example of an irradiation device.
As shown, high current tandem accelerator system and high output YAG laser
Those composed of a user were used. Heavy ion irradiation is 3
MeVCu2+532 nm (pulse width 20)
nsec, repetition frequency 10Hz) YAG laser
The second harmonic was used. The irradiation time is 3 × 10
16ions / cm Two(Or 3 × 1015ions / c
mTwo). Ion current density and laser intensity
Are 2 to 10 μA / cm respectivelyTwo(1-5 particle-
μA / cmTwo) And 0.05-0.2 J / cmTwopulse and
did. The spatial distribution of the laser intensity is determined by the image transfer (image
6-mm diameter uniform spatial distribution
Obtained. The sample is watered by a perforated mask plate (12 mm type).
Pressing against a cold sample stage ensured heat removal.
【００１６】レーザーとイオンの同時照射と、比較のた
めの順次照射とを次の条件により行った。 １）同時照射：３ＭｅＶＣｕ2+イオン及び５３２ｎｍレ
ーザーを、積算線量３×１０14ｉｏｎｓ／ｃｍ2まで照
射。Simultaneous irradiation of laser and ions and sequential irradiation for comparison were performed under the following conditions. 1) Simultaneous irradiation: Irradiation with 3MeVCu 2+ ions and a 532 nm laser to an integrated dose of 3 × 10 14 ions / cm 2 .
【００１７】２）順次照射：最初に３ＭｅＶＣｕ2+イオ
ンを同線量まで照射し、次に５３２ｎｍレーザーを、イ
オン照射に対応する時間に亘り照射。その効果を光吸収
率によって評価した。ａ−ＳｉＯ2の照射後の光学吸収
スペクトルを図２に示した。図２中においては、符号Ｉ
はイオンの照射を、Ｌはレーザーの照射を示し、Ａｂｓ
は光吸収を示している。2) Sequential irradiation: First, 3MeVCu 2+ ions are irradiated to the same dose, and then a 532 nm laser is irradiated for a time corresponding to the ion irradiation. The effect was evaluated by the light absorption. FIG. 2 shows the optical absorption spectrum after irradiation of a-SiO 2 . In FIG.
Represents irradiation of ions, L represents irradiation of laser, and Abs
Indicates light absorption.
【００１８】この図２からは、ａ−ＳｉＯ2の光吸収率
は、イオン照射のみでも線量率によって大きく変化し、
低線量率では、紫外線域にかけてフォトンエネルギー
（波長）とともに増大し、種々の電子欠陥状態に対応す
るこぶを持つ、低線量率では、欠陥に由来する光吸収が
大きいが、順次照射：ＡｂｓＩ＋Ｌ（Ｓｑ）：破線でも
少しの効果が認められるものの、レーザー・イオン同時
照射：ＡｂｓＩ＋Ｌ（Ｃｏ）：実線では、著しい光透過
率の回復（プリーチング効果）が顕れることが確認され
る。FIG. 2 shows that the light absorptivity of a-SiO 2 greatly changes depending on the dose rate even with ion irradiation alone.
At a low dose rate, it increases with photon energy (wavelength) over the ultraviolet region and has a hump corresponding to various electron defect states. At a low dose rate, light absorption derived from defects is large. ): Simultaneous laser and ion irradiation: AbsI + L (Co): Solid line confirms remarkable recovery of light transmittance (pleating effect), although a slight effect is recognized even with a broken line.
【００１９】スピネルＭｇＯ−ｎ（Ａｌ2Ｏ3）（ｎ＝
２．４）の照射後の光吸収スペクトルを図３に示した。
同様に、同時照射において、著しいブリーチング効果が
現われる。なお、これら透明性光学基板材料にレーザー
のみを照射しても何ら変化はない。また、順次照射にお
いては、イオン照射誘起損傷が最大値に至って後にレー
ザー照射が開始されるので、同時照射の場合の累積的効
果は、順次照射における累積的効果より少ないにも拘わ
らず、その効果は大きいことから、相乗的なブリーチン
グ効果が存在することがわかる。用いたレーザー波長
は、絶縁体のエネルギーギャップより小さいエネルギー
であるため、それを吸収する電子状態はイオン照射中の
過度的欠陥である。この方法によれば、エネルギー吸収
体の照射欠陥が消失した後は、それ以上光エネルギーが
吸収されて変質等を来すことはない。Spinel MgO-n (Al 2 O 3 ) (n =
The light absorption spectrum after the irradiation in 2.4) is shown in FIG.
Similarly, in simultaneous irradiation, a significant bleaching effect appears. It should be noted that there is no change even when the transparent optical substrate material is irradiated only with a laser. In addition, in sequential irradiation, laser irradiation is started after the ion irradiation-induced damage reaches the maximum value, so the cumulative effect in the case of simultaneous irradiation is less than the cumulative effect in sequential irradiation, but the effect is smaller. Is large, which indicates that a synergistic bleaching effect exists. Since the laser wavelength used is an energy smaller than the energy gap of the insulator, the electronic state that absorbs it is a transient defect during ion irradiation. According to this method, after the irradiation defect of the energy absorber has disappeared, the light energy is absorbed no more and no alteration or the like occurs.
【００２０】[0020]
【発明の効果】以上詳しく説明したとおり、この出願の
発明によって、従来、透明光学材料のイオン注入では照
射欠陥による光吸収損失が生じ、回復させるには再溶融
または融点直下の照射後の熱的アニールによるしかなか
ったが、照射中の動的な回復により、物性や品質の変化
が懸念される加熱溶融を伴わずに、また照射後アニール
が不要となって、イオン注入技術における光透過率の低
下を防止することができる。このことによって、非線形
光学材料等への用途が広がる。As described in detail above, according to the invention of this application, light absorption loss due to irradiation defects has conventionally been caused by ion implantation of a transparent optical material, and thermal recovery after re-melting or irradiation immediately below the melting point is required for recovery. The only way to do this was by annealing.However, due to the dynamic recovery during irradiation, there was no need for annealing after heating without the need for heating and melting, which could cause changes in physical properties and quality. The drop can be prevented. As a result, applications to nonlinear optical materials and the like are expanded.
【００２１】従って、付加価値の高い非線形光学材料等
の品質が向上し製作工程が効率化されることになる。ま
た、イオン注入プロセッシング技術に関する多様な用途
が広がる。一方、核融合炉におけるプラズマ診断用の光
学窓材料等の照射損傷環境での光透過率を回復させるこ
とは、真空解除を要せず大幅にコストを低減する。Accordingly, the quality of a non-linear optical material having a high added value is improved, and the manufacturing process is made more efficient. In addition, various applications related to the ion implantation processing technology are expanded. On the other hand, restoring light transmittance in an irradiation damage environment such as an optical window material for plasma diagnosis in a fusion reactor significantly reduces costs without requiring vacuum release.
【図１】イオン・レーザー同時照射装置の平面図であ
る。大電流重イオンタンデム系は、負イオン入射器
（Ａ）、低エネルギービームライン（Ｂ）、タンデム加
速器本体（Ｃ）より成り、ＹＡＧレーザー（Ｄ）及び材
料照射チャンバー（Ｅ）と組み合わされる。イオンは試
料面に垂直に照射され、レーザーは試料法線に対して、
約３５度の角度で照射される。FIG. 1 is a plan view of an ion / laser simultaneous irradiation apparatus. The high current heavy ion tandem system comprises a negative ion injector (A), a low energy beam line (B), a tandem accelerator main body (C), and is combined with a YAG laser (D) and a material irradiation chamber (E). The ions are irradiated perpendicular to the sample surface, and the laser is
Irradiation at an angle of about 35 degrees.
【図２】イオン・レーザー同時照射が石英ガラスａ−Ｓ
ｉＯ2の光学吸収に及ぼす効果を例示した図である。３
ＭｅＶＣｕ2+イオンと５３２ｎｍレーザーについて、イ
オン照射のみ（Ｉ）、同時照射（Ｉ＋Ｌ（Ｃｏ））、そ
して順次照射（Ｉ＋Ｌ（Ｓｑ））を比較している。FIG. 2 Simultaneous irradiation of ion laser and quartz glass aS
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the effect of iO 2 on optical absorption. 3
For MeVCu 2+ ions and a 532 nm laser, ion irradiation only (I), simultaneous irradiation (I + L (Co)), and sequential irradiation (I + L (Sq)) are compared.
【図３】イオン・レーザー同時照射ＭｇＯ−ｎ（Ａｌ2
Ｏ3）（ｎ＝２．４）の光学吸収に及ぼす効果を例示し
た図である。３ＭｅＶＣｕ2+イオンと５３２ｎｍレーザ
ーについて、イオン照射のみ（Ｉ）、同時照射（Ｉ＋Ｌ
（Ｃｏ））、そして順次照射（Ｉ＋Ｌ（Ｓｑ））を比較
している。FIG. 3 shows ion-laser simultaneous irradiation MgO-n (Al 2
FIG. 3 is a diagram illustrating the effect of O 3 ) (n = 2.4) on optical absorption. For 3MeVCu 2+ ion and 532 nm laser, ion irradiation only (I), simultaneous irradiation (I + L
(Co)) and irradiation (I + L (Sq)) in order.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2K002 AB12 FA22 FA23 GA10 HA13 2K009 BB02 BB04 DD17 EE00 4G059 AA11 AB19 AC04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2K002 AB12 FA22 FA23 GA10 HA13 2K009 BB02 BB04 DD17 EE00 4G059 AA11 AB19 AC04
Claims (4)
損傷環境下における結晶質あるいは非晶質の透明性光学
材料に対し、これら光学材料の溶融あるいは軟化を行う
ことなく、イオン照射と同時にレーザーを照射して、光
学材料の光透過率の低下を抑えることを特徴とする透明
性光学材料の光透過率低下の抑制方法。1. A crystalline or amorphous transparent optical material in an ion implantation process or an ion irradiation damage environment is irradiated with laser simultaneously with ion irradiation without melting or softening the optical material. A method for suppressing a decrease in light transmittance of a transparent optical material, comprising suppressing a decrease in light transmittance of an optical material.
レーザーを照射することを特徴とする請求項１の抑制方
法。2. The method according to claim 1, wherein a high-power laser having a wavelength smaller than the energy gap is applied.
徴とする透明性光学材料のイオン注入方法。3. A method for ion-implanting a transparent optical material according to claim 1 or 2.
特徴とするイオン注入透明性光学材料。4. An ion-implanted transparent optical material produced by the method of claim 3.
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- 2001-03-27 JP JP2001091291A patent/JP3569745B2/en not_active Expired - Lifetime
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