Оптический монокремний КЭФ, КДБ, КЭС
Монокристаллический кремний для оптических заготовок — это слитки или предварительно обработанные заготовки из бездислокационного монокремния, из которых методами механической обработки получают линзы, окна, обтекатели, подложки ИК-фильтров и другие оптические детали, работающие в инфракрасном диапазоне. Материал сочетает прозрачность в средней ИК-области, механическую прочность и однородность структуры по всему объёму.
Российские марки монокристаллического кремния для оптических заготовок регламентированы ГОСТ 19658-81 «Кремний монокристаллический в слитках. Технические условия». Стандарт устанавливает марки, допустимые диаметры, кристаллографические ориентации, нормы по дефектности и примесному составу.
Оптические свойства кремния в инфракрасном диапазоне
Монокристаллический кремний прозрачен для ИК-излучения с длиной волны более ~1,2 мкм. Основная рабочая область для большинства оптических приборов — от 3 до 5 мкм (средний ИК-диапазон): именно здесь поглощение наименьшее, а кремний хорошо сочетается по параметрам с тепловизионными системами и детекторами излучения. Фактически прозрачность кремния распространяется значительно шире — вплоть до миллиметрового диапазона, однако в области 6–25 мкм необходимо учитывать решёточное поглощение (зависящее от толщины элемента) и полосы поглощения кислорода (около 9,1 мкм — характерно для материала, выращенного по Чохральскому).
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Коэффициент преломления (2–10 мкм) | 3,42–3,45 |
| Основной рабочий диапазон | 3–5 мкм |
| Диэлектрическая проницаемость | 11,7–12 |
| Плотность (при 25 °С) | 2 330 кг/м³ |
| Температура плавления | 1 414 °С |
| Теплопроводность | 95,5 Вт/(м·К) |
| Твёрдость по Моосу | 7 |
Поглощение в диапазоне 3–5 мкм определяется прежде всего механизмом Друде — рассеянием на свободных носителях заряда. Чем выше концентрация носителей (чем ниже удельное электрическое сопротивление), тем сильнее поглощение. Это делает значение удельного сопротивления ρ ключевым параметром при выборе марки кремния для конкретного оптического применения.
Методы выращивания монокристаллов кремния для оптики
Метод Чохральского (CZ-кремний)
Основной промышленный метод. Кристалл вытягивается из расплава в кварцевом тигле; в процессе роста в кремний диффундирует кислород из стенок тигля. Концентрация оптически активного кислорода в слитках по ГОСТ 19658-81 составляет (2–9)×10¹⁷ см⁻³. Наличие кислорода создаёт характерную полосу поглощения около 9,1 мкм, которая ограничивает применение CZ-кремния в диапазоне 8–12 мкм. В диапазоне 3–5 мкм это поглощение не критично. Метод позволяет получать слитки диаметром до 300 мм.
Метод зонной плавки (FZ-кремний и HRFZ-кремний)
Выращивание без тигля — расплавленная зона перемещается вдоль прутка, унося примеси. Концентрация кислорода снижается до ~10¹⁶ см⁻³ — на 1–2 порядка меньше по сравнению с CZ. Кислородных пиков поглощения практически нет, что открывает использование FZ-кремния в более широком спектральном диапазоне, включая область 8–12 мкм. Высокоомный вариант (HRFZ) с удельным сопротивлением в диапазоне тысяч Ом·см применяется там, где требуется минимальное поглощение на свободных носителях. Ограничение метода — максимальный диаметр слитков около 150 мм.
Для оптических заготовок в диапазоне 3–5 мкм CZ-кремний марки КЭФ с достаточным удельным сопротивлением (ρ ≥ 5 Ом·см) полностью пригоден и наиболее распространён. FZ-кремний выбирают при необходимости работы в расширенном спектральном диапазоне или при жёстких требованиях к поглощению.
Марки монокристаллического кремния по ГОСТ 19658-81
Марка кодируется четырьмя буквами по схеме: К — кремний, тип проводимости (Э — электронный, Д — дырочный), легирующий элемент (Б — бор, Ф — фосфор, С — сурьма). Три основных марки:
| Марка | Тип проводимости | Легирующий элемент | Примечание |
|---|---|---|---|
| КЭФ | n (электронный) | Фосфор | Основная марка для оптических заготовок |
| КДБ | p (дырочный) | Бор | Применяется при особых требованиях к типу проводимости |
| КЭС | n (электронный) | Сурьма | Высокая концентрация носителей; для оптических применений используется реже |
Полное обозначение слитка содержит: марку, номинальное удельное сопротивление, группу и подгруппу по диаметру, кристаллографическую ориентацию торцевого среза, индексы дополнительных требований и обозначение стандарта. Пример: КЭФ 20/0,1 — кремний электронного типа, легированный фосфором, ρ = 17–21,5 Ом·см, длина диффузионного пробега 0,1–0,22 мм.
Удельное сопротивление и поглощение в оптическом диапазоне
Для оптических заготовок, работающих в диапазоне 3–5 мкм, используют КЭФ с удельным сопротивлением ρ > 5 Ом·см — как правило, марки КЭФ с номиналом 5, 7,5, 10, 20 Ом·см и выше. При снижении ρ ниже 5 Ом·см поглощение на свободных носителях заряда в n-кремнии становится практически значимым и снижает пропускание оптического элемента. В p-кремнии (КДБ) поглощение на дырках при той же концентрации носителей выше, чем на электронах, поэтому для прозрачных оптических элементов предпочтителен n-тип (КЭФ).
ГОСТ 19658-81 устанавливает: при ρ > 3,0 Ом·см время жизни неосновных носителей заряда должно быть не менее 7,5 мкс (электронный тип) и не менее 2,5 мкс (дырочный тип).
Требования к качеству слитков по ГОСТ 19658-81
Для оптических применений принципиальны следующие параметры:
| Параметр | Норма по ГОСТ 19658-81 |
|---|---|
| Плотность дислокаций | Не более 1×10³ см⁻² (бездислокационные слитки) |
| Концентрация оптически активного кислорода (диаметр < 150 мм) | (2–9)×10¹⁷ см⁻³ |
| Концентрация каждой из микропримесей Fe, Au, Cu | Нормируется, определяется на нижнем торце слитка |
| Внешние дефекты (сколы, раковины) | Не допускаются размером более 3 мм; трещины — недопустимы |
| Угол отклонения плоскости торцевого среза | Не более 3° |
| Кристаллографическая ориентация | (111), (100) или (013) — в зависимости от марки и ρ |
Свирлевые дефекты (неоднородности в бездислокационных кристаллах) и концентрация оптически активного углерода дополнительно контролируются по технологической документации — их нормирование обеспечивается технологией выращивания.
Кристаллографические ориентации и их значение для обработки
Монокристаллический кремний — анизотропный материал. Механические свойства, скорость травления и характер скола зависят от кристаллографического направления. Для изготовления оптических элементов наиболее распространены ориентации (111) и (100). Ориентация (111) обеспечивает лучший скол по плоскости, ориентация (100) применяется там, где важна точность взаимного расположения граней при резке. Ориентация указывается в паспорте на слиток и учитывается при раскрое заготовки.
Области применения монокремния оптического качества
Из слитков и заготовок монокристаллического кремния изготавливают:
- оптические окна для тепловизоров и ИК-систем наблюдения;
- линзы и сферические элементы для объективов среднего ИК-диапазона;
- обтекатели оптических систем;
- подложки для интерференционных ИК-фильтров;
- делительные пластины и компенсаторы для ИК-интерферометров;
- детекторные элементы и окна для фотодетекторов специального назначения.
Все перечисленные применения объединяет требование к однородности удельного сопротивления по объёму слитка и минимальной дефектности кристаллической решётки — именно эти параметры определяют однородность оптических свойств готовой детали.
Формы поставки монокремния для оптических заготовок
Материал поставляется в следующих формах:
- Слитки — цилиндрической формы, диаметром от 40 до 300 мм (CZ) или до 150 мм (FZ), длиной согласно стандарту или по согласованию;
- Калиброванные слитки — с проточкой до заданного диаметра, готовые к резке на диски;
- Диски и цилиндры — нарезанные заготовки заданных габаритов, в том числе нестандартных — по чертежу заказчика.
Каждая партия сопровождается паспортом с указанием марки, удельного сопротивления (измеренного на верхнем и нижнем торцах слитка), длины диффузионного пробега, кристаллографической ориентации и диаметра. Для ответственных оптических применений запрашивают дополнительные данные по однородности ρ вдоль оси слитка.
Подробнее о пластинах, нарезанных из слитков КЭФ и готовых к механической обработке, — на странице пластины кремния монокристаллического КЭФ. Общие сведения о монокристаллическом кремнии всех марок — на странице кремний монокристаллический (монокремний).
Условия поставки
Отгрузка — по России. Минимальная партия — 1 слиток. Цены — по согласованию, зависят от марки, диаметра, удельного сопротивления и объёма заказа. Для подбора марки под конкретное применение и согласования параметров свяжитесь с менеджером.
