CZ201775A3 - Dozimetrická dioda pro dozimetrii rychlých neutronů a způsob její výroby - Google Patents

Abstract

Dozimetrická dioda zhotovená rozčleněním křemíkové destičky (1). Křemíková destička (1) je zhotovena z materiálu Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientací (111) nebo s krystalografickou orientací (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N a tloušťce křemíkové destičky (1) 2480 až 2520 µm. Křemíková destička (1) je opatřena na jedné své ploše (2) vrstvičkou (5) s vodivostí P a na protilehlé ploše (3) vrstvičkou (6) s vodivostí N. Obě vrstvičky (5, 6) vykazují koncentraci příslušného iontu P nebo N 10až 10.cm, povrchovou koncentraci iontu P nebo N větší než 10.cma rezistivitu v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm. Na vrstvičkách (5, 6) jsou vytvořeny metalické kontakty (7) alespoň z jednoho z kovu ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr. Pod metalickými kontakty (7) a nad vrstvičkou (5) s vodivostí P může být situována první mezivrstvička (10) obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Al, Ga, In, Tl a B. Pod metalickými kontakty (7) a nad vrstvičkou (6) s vodivostí N může být situována druhá mezivrstvička (11) obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Sb, P a As. Třetí mezivrstvička (12) obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny zahrnující Au a Pt může být situována mezi metalickými kontakty (7) a vrstvičkami (5, 6) nebo mezivrstvičkami (10, 11). Dozimetrická dioda (8) může být na volných křemíkových plochách opatřena pasivační vrstvičkou (9). Jsou též nárokovány dva způsoby výroby dozimetrické diody (8), z nichž jeden je založen na papírkové difuzi a druhý na iontové implantaci.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká dozimetrické diody pro dozimetrii rychlých neutronů, zhotovené rozčleněním křemíkové destičky s protilehlými rovinnými plochami a bočními stěnami.

Vynález se týká též způsobu výroby dozimetrické diody.

Dosavadní stav techniky

BG 111 032 A (publ. 29. 3. 2013) se zabývá strukturou kovového metalického křemíkového izolátoru, obsahujícího nanokrystaly křemíku, pro detekci ionizujícího záření a jeho výrobou. Konkrétně se jedná křemíkové nanokrystaly struktury A1/c-Si SiO₂ /SiSiO₂/SiC>2typ/AI. Tyto struktury jsou určeny pro dozimetrii jako alternativa k senzorům zářeni na bázi MIS konstrukci. Způsob výroby těchto MIS struktur zahrnuje postupné nanesení vrstvy oxidu křemíku, oxidu křemičitého a suboxidu na krystalovém substrátu typu p(n)-Si(100) o odolnosti 1,0 (4 až 6) Ohm.cm, při pokojové teplotě. Tato struktura tří vrstev se zpracovává při teplotě 1000 °C. Poté se při pokojové teplotě opatří AI kontakty na zadní straně substrátu a na oxidu křemičitém (MIS). Tyto struktury obsahují krystaly křemíkového substrátu a vrstvu ležících na druhé straně, a to v posloupnosti: termální SiO₂ vrstva, vrstva SiO₂ obsahující nanokrystaly a vrstva práškového SiO₂, získaného leptáním HF. Vynález uvádí jako výhodu těchto struktur kombinaci tepelného růstu SiO₂ a vakuové techniky, která nevyžaduje použití toxických a výbušných plynů a tyto struktury jsou kompatibilní se současnými mikroelektronickými technologiemi. Za nevýhodu lze považovat očekávanou nereprodukovatelnost výsledné vrstvy nanokrystalů křemíku. Nevýhodou také je, že svodový proud uvedených nárokovaných struktur kondenzátorů ý bude nepříznivý právě vlivem nanokrystalů křemíku.

AO 226 803 (publ. 1.9.1985) popisuje způsob výroby dozimetrických diod. Na jednu stranu základní křemíkové destičky se implantují ionty B a na druhou stranu ionty P. Následně se křemíková destička rozřeže na jednotlivé systémy, které se potom žíhají při teplotě 750 až 850 °C po dobu 2 až 100 hodin Jako výhodu uvádí vynález reprodukovatelnost výroby, shodu počátečních parametrů a s možnosti zvětšení tloušťky základní křemíkové destičky. Nevýhodou je poměrně dlouhé a komplikované zpracování a žíhání jednotlivých destiček zvlášť.

AO 223 526 (publ. 1.5.1984) se zabývá způsobem difúze P a N vrstev při výrobě křemíkových dozimetrických diod. Způsob se provádí tak, že vrstva vodivosti typu P se vytváří difúzí bóru a vrstva vodivosti typu N se vytváří difúzí fosforu. V příkladu provedeni je upřesněno, jak probíhá difúze. Na jednu neoznačenou stranu křemíkové desky byla provedena difúze bóru z reakční fáze rozkladem dekaboranu v proudu nosného plynu při teplotě 910 °C. Difúze fosforu se provedla z reakční fáze rozkladem i

• · ······· · φ ♦· ·· ·· ···» ··· · oxichloridu fosforečného v proudu nosného plynu. Výhody uvedené ve vynálezu se shodují s výhodami předchozího vynálezu. Nevýhodou vynálezu je komplikovaná a poměrně zdlouhavá technologie získání křemíkových dozimetrických diod. Nevýhodou je, že implantace se provádí zvlášť na každém povrchu křemíkové desky.

AO 226 141 (publ. 15.4.1986) popisuje křemíkovou dozimetrickou diodu, obsahující křemíkovou destičku vodivosti typu N, popřípadě P, o tloušťce větší než 1,5 mm s plochou přechodu menší než /²/2, kde /je tloušťka křemíkové destičky. Výhodou tohoto řešení je měření malých fluencí od rychlých neutronů. Nevýhodou řešení je poměrně komplikovaná zdlouhavá příprava k získání takovéto diody a pouze nízká výtěžnost dozimetrických diod.

AO 263 809 (publ. 15.7.1989) popisuje způsob výroby křemíkových dozimetrických diod s vysokou citlivostí. Na křemíkovou tloušťky 2,5 cm a měřeného odporu 100 Q.cm s hladkým povrchem se naimplantuje z jedné strany B, popřípadě AI nebo TI o dávce větší než 1.10¹⁶ iontů.cm^-2 s energií 160 KeV a do druhé strany se naimplantuje P nebo Sb, popřípadě As o stejné dávce a energii. Poté následuje oživení křemíkových desek žíháním při teplotě 785 až 1000 °C s následujícím pomalým chlazením po dobu 72 hodin. Jako výhodu uvádí vynález vyšší citlivost diody vůči rychlým neutronům. Nevýhodou může být nejednotnost parametrů dozimetrů.

Měření dávek rychlých neutronů se v případě osobni dozimetrie používají TLD dozimetry či IZ komory. Všechny tyto prvky obsahují konvertory, které konvertují neutrální částice na nabité. Společnou nevýhodou dosavadních vyráběných dozimetrů je neuváděný parametr, a to nutnost použití konvertorů pro filmovou dozimetrii, k převedení neutronů na nabité částice, které by bylo zapotřebí identifikovat.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody se odstraní nebo omezí dozimetrickou diodou pro dozimetrii rychlých neutronů, zhotovenou rozčleněním křemíkové destičky s protilehlými rovinnými plochami a bočními stěnami, podle tohoto vynálezu. Podstata tohoto vynálezu spočívá v tom, že křemíková destička je zhotovena z materiálu Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientaci (111) nebo (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N a o tloušťce křemíkové destičky (1) v rozmezí 2480 až 2520 pm. Křemíková destička je opatřena na jedné své ploše vrstvičkou s vodivosti P a na protilehlé ploše vrstvičkou s vodivosti N. Obě vrstvičky vykazují koncentraci příslušného iontu 10¹⁵ až 10^1/.cm ³ a rezistivitu v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm. Přitom vnější povrch obou vrstviček má povrchovou koncentraci příslušného iontu větší než 10^?Q.cm² Na takto získaných vrstvičkách jsou vytvořeny metalické kontakty z jednoho z kovů ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr.

Hlavni výhodou dozimetrické diody podle tohoto vynálezu je, že umožňuje integrální měřeni dávek od rychlých neutronů a umožňuje kdykoliv vyčíst tyto informace z dozimetrické diody za pomoci měřícího zařízeni, které umožňuje proudový impulz mA s délkou 40 ms. Senzitivita dozimetrické diody je vysoká vzhledem k dosavadnímu stavu a odpovídá hodnotám do 3Gy na 1V/Gy pro dávku od rychlých neutronů. Velkou předností tohoto vynálezu je získání kontrolovatelného dozimetru a jeho snadný odečet. Materiál křemíkové destičky Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientací (111) nebo s krystalografickou orientací (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N je optimálním dlouhodobě odzkoušeným řešením. Materiál Si Fz je vyroben technologií letmé zóny (float zone). Nárokovaná krystalografická orientace (11) nebo (100) s danou odchylkou zajišťuje kvalitní provedení dozimetrických diod a zajišťuje reprodukovatelnost difuzního procesu a iontové implantace. Nárokovaná tloušťka křemíkové destičky 2480 až 2520 pm je nejvhodnější, protože zajišťuje vysokou citlivost dozimetrů a kvalitní parametry dozimetrických diod. Když by měla křemíková destička větší tloušťku, parametry výsledných diod se zhorší. Menší tloušťka křemíkové destičky nezajistí citlivost diody. Vrstvička s vodivostí P a N je optimální volbou z hlediska kvalitních elektrických parametrů dozimetrické diody, jako je např. velikost napětí u diody pro dopředný proud 25 mA okolo 2 V. Koncentrace P nebo N v rozsahu 10¹⁵ až 10^vcm'³ zabezpečují dostatečné množství pro výslednou funkci diody. Povrch obou těchto vrstviček má zvýšenou povrchovou koncentraci P nebo N, a to nad 10²⁰.cm ², což přispívá k vytvoření velmi kvalitních elektrických kontaktů. Rezistivita (měrný odpor) v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm obou vrstviček je optimální pro spolehlivou funkci diody. Metalické kontakty jednoho z kovů ze skupiny zahrnující Ti , Ni a Cr představují napojení křemíkové destičky na přívodní drátky dozimetru. Ti přispívá k dobré adhezi kontaktu s přívodními drátky. Ni je vhodný pro kvalitní pájení. Cr napomáhá též adhezi a je výborná jeho kombinace s Ni.

Ke zlepšeni elektrických parametrů dozimetrické diody je výhodné, když mezi vrstvičkou s vodivostí P a metalickými kontakty je situována první mezivrstvička, obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující AI, Ga, In, TI a B. Dále je výhodné, když mezi vrstvičkou s vodivostí N a metalickými kontakty je situována druhá mezivrstvička, obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Sb, P, As. Toto opatření zajišťuje zkvalitnění připojení metalických kontaktů a zlepšuje adhezi.

Nad metalickými kontakty může být situována další třetí mezivrstvička obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Au a Pt.

Dozimetrická dioda může být na volných křemíkových plochách opatřena pasivačni vrstvičkou, představující ochrannou vrstvičku přímo na diodě ve formě SiO₂.

Dozimetrická dioda může být vyrobena dvěma možnými dále nárokovanými a neomezujícími způsoby výroby podle tohoto vynálezu.

Podstata prvního z nárokovaných způsobů výroby dozimetrických diod pro • · · · dozimetrii rychlých neutronů podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že křemíková destička se vytvoří z materiálu Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientací (111) nebo (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N, a o tloušťce křemíkové destičky 2480 až 2520 pm. Na křemíkovou destičku se působí, současně v jednom technologickém kroku, papírkovou difúzí s napuštěným dopantem fosforu pro jednu stranu a napuštěným dopantem boru B pro druhou stranu, současně, pro získání na jedné rovinné ploše vrstvičky s vodivostí P a na protilehlé ploše vrstvičky s vodivostí N. Papírková difúze se provádí do získání koncentrace obou vrstviček s koncentrací 10¹⁵až 10^1/.cm³ příslušného iontu P nebo N a do získání povrchové koncentrace příslušného iontu P nebo N větší než 1020.cm'² a rezistivity v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm. Papírková difúze se provádí zahříváním křemíkové destičky 1 rychlosti 20 K.miri¹ až 100 K.miri¹ po dobu 10 minut až 100 hodin na teplotu v rozmezí 900 až 1200 °C a pomalým chlazením rychlostí menší 2 K.miri¹ na teplotu okolí. Takto získaná křemíková destička se následně zahřívá rychlostí 20 K.min'¹ až 100 K.min¹ podobu 10 minut až 1000 hodin do získání teploty vyhojení radiačních poruch. Potom se chladí rychlostí menší než 2 K.min¹ na teplotu okolí. Po vytvořeni vrstviček s vodivostí P a N na protilehlých plochách křemíkové destičky, se těchto vrstvičkách vytvoří metalické kontakty alespoň jednoho z kovů ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr. Získaná křemíková destička se následně rozčlení na jednotlivé dozimetrické diody.

Hlavní výhodou tohoto způsobu výroby je využití papírkové difúze pro velké množství křemíkových destiček, které se vkládají mezi jednotlivé dopantem napuštěné papírky. Další předností je, že při tomto způsobu výroby lze hromadně nadifundovat více destiček a to současně pro obě plochy křemíkových destiček v jednom společném technologickém kroku, takže odpadají dosud používané dva technologické kroky difundování každé plochy zvlášť. Zahřívání a následné chlazení křemíkových destiček se může provádět pro větší množství křemíkových destiček najednou.

Podstata druhého z nárokovaných způsobů výroby dozimetrických diod pro dozimetrii rychlých neutronů podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že křemíková destička se vytvoří z materiálu Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientací (111) nebo s krystalografickou orientací (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N, a o tloušťce křemíkové destičky 2480 až 2520 pm. Následně se působí iontovou implantací iontu boru na jedné rovinné ploše a poté iontu fosforu na protilehlé rovinné ploše, vždy s energií 100.10³ eV až 3. 10³ eV. Působí se až do získání vrstvičky s vodivostí P na jedné ploše a protilehlé vrstvičky s vodivostí N na druhé ploše, o koncentraci 10¹⁵ až 1O¹⁷.crri² příslušného iontu P nebo N, a až do získání povrchové koncentrace příslušného iontu P nebo N větší než 10²°.crri² a rezistivity v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm. Následně se takto získaná křemíková destička zahřívá rychlostí 20 K.min ¹ až 100 K.min'¹ po dobu 10 minut až 1000 hodin do získáni teploty vyhojení radiačních poruch. Potom se chladí • · pomalou rychlostí menší než 2 K.min¹ na teplotu okolí. Po dosažení vrstviček s vodivostí Pas vodivostí N na protilehlých plochách křemíkové destičky, se na křemíkové destičce vytvoří metalické kontakty jednoho z kovů ze skupiny, zahrnující Ti, Ni a Cr. Nakonec se tato křemíková destička rozčlení na jednotlivé dozimetrické diody.

Hlavní výhoda nárokovaného způsobu výroby iontovou implantaci je obdobná jako u předchozího způsobu, a to v tom, že obě plochy destičky jsou zpracovávány současně, odpadne krok žíhání jednotlivých destiček zvlášť, protože se může žíhat celá křemíková destička.

U obou těchto způsobů výroby následné rozčlenění křemíkové destičky na jednotlivé dozimetrické diody je prováděno až po pokovení obou ploch, takže tím odpadá několik technologických kroků dle dosavadního stavu techniky. U obou způsobů výroby se křemíkové destičky, po získání vrstviček s vodivými ionty P a N, zahřívají nárokovanou rychlostí a chladí se nárokovanou rychlostí z důvodů zachování doby života menšinových nosičů proudu. Vyhojení radiačních poruch vzniklých v průběhu iontové implantace vyžaduje žíháni na teplotách kolem nebo vyšších než 1000 °C, při nichž dochází k jejich vyhojení (vymizení).

Před vytvořením metalických kontaktů se může vytvořit, mezi vrstvičkou s vodivostí P a metalickými kontakty, první mezivrstvička alespoň jedním z prvků ze skupiny, zahrnující AI, Ga, In , TI a B. Mezi vrstvičkou s vodivostí N a metalickými kontakty se může vytvořit druhá mezivrstvička jedním z prvků ze skupiny, zahrnující Sb, P a As. Obě vrstvičky se vytvoří technologií vakuového naparování nebo vakuového naprašování Au nebo Pt nebo jejich slitin.

Je výhodné, když mezi vrstvičkou s vodivostí P nebo N a metalickými kontakty, nebo mezi první a druhou mezivrstvičkou a metalickými kontakty, se vytvoří třetí mezivrstvička, z alespoň jednoho kovu ze skupiny, zahrnující Au a Pt, technologií vakuového naparování nebo vakuového naprašování.

Třetí mezivrstvička zlepšuje nastaveni parametrů dozimetru a odečtení odezvy rychlých neutronů.

Dozimetrické dioda se na volných křemíkových plochách může s výhodou podrobit plazmovému leptání po dobu 5 až 10 minut do získání pasivační vrstvičky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je dále podrobně popsán na příkladných provedeních a blíže osvětlen na připojených schematických výkresech, kde znázorňuje výřez křemíkové destičky obr. 1 v axonometrickém pohledu, obr. 2 v příčném řezu A-A z obr. 1, obr. 3 v příčném řezu A-A z obr. 1 s rozčleněnými dozimetrickými diodami, přitom obr. 4 schematicky znázorňuje dozimetrickou diodu s pasivační vrstvičkou.

• ♦ •· •· •· •·

• · · · « · • · ·· ··· ··· ·

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1 (Obr. 1, 2, 4)

Nejprve se zhotoví monokrystal křemíku speciální technologii t. zv. letmé zóny (float zone), označovaný Si Fz, čímž se současně dosahuje požadovaná krystalografická orientace (111) nebo orientace (100) s odchylkou ± 5°. U takto získaného monokrystalu křemíku se následně připraví požadovaný typ vodivosti N legováním pomoci jaderných transmutací. Požadovaná vodivost je nutná z hlediska zvýšení odporu pro využití pro dozimetrii. Monokrystal křemíku se rozčlení na jednotlivé křemíkové destičky 1 v konkrétním příkladném provedení, buď válcovitého nebo kvádrovitého tvaru s protilehlými paralelními rovinnými plochami 2, 3 a bočními stěnami 41., 42 (obr.1, 2). Křemíková destička 1 pro účely dozimetrie se rozřeže na tloušťku 2480 až 2520 pm, v konkrétním příkladném provedení na tloušťku 2,5 mm. Plochy 2, 3 měly průměr kolem

7,5 cm. Křemíková destička 1 se následně známými postupy obrousí a případně následnými známými mechanicko-chemickými postupy vyleští na obou protilehlých plochách 2, 3 do rovinných hladkých povrchů.

Vlastnosti monokrystalu Si-Fz výrazně ovlivňují jak dobu životnosti minoritních nositelů náboje, tak i výsledné technologické procesy, které mají zásadní vliv na kvalitu konečného výrobku - dozimetrické diody 8 (obr. 4).

Do povrchu takto získaných hladkých protilehlých plochách 2, 3 se provede difúze P na jedné ploše 2 a borem na druhé protilehlé ploše 3, dále popsanými neomezujícími nárokovanými způsoby, jimiž se získá křemíková destička 1, opatřená na jedné své ploše 2 vrstvičkou 5 s vodivosti P a na protilehlé ploše 3 vrstvičkou 6 s vodivosti N. Obě vrstvičky 5, 6 (obr. 2) musí vykazovat předem požadovanou koncentraci 10¹⁵až 1O¹⁷.cnT³ příslušného iontu P nebo N, povrchovou koncentraci příslušného iontu P nebo N větší než 1O^2o.cm^-2 a rezistivitu (měrný odpor) v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm. Obě tyto předem požadované koncentrace a rezistivita jsou nutné z hlediska přesné a reprodukovatelné funkce dozimetrické diody 8.

V konkrétním příkladném provedení měly obě vrstvičky 5, 6 koncentraci příslušného iontu P nebo N hodnotu kolem 1O¹⁶.cm ³, koncentraci na vnějším povrchu kolem 10²°.cm ² a rezistivitu kolem 100 Ohm.cm.

Na takto získaných vrstvičkách 5, 6 jsou vytvořeny známým postupem metalické kontakty 7 (obr. 2) z jednoho z kovů ze skupiny zahrnující Ti , Ni a Cr, čímž se získá polotovar pro získání dozimetrické diody 8.

V konkrétním příkladném provedeni byla pro metalické kontakty 7 použita kombinace slitiny Cr-Ni. Je možno využít i Ti. Všechny tyto prvky Ti , Ni a Cr splňuji požadavek na dobrou adhezi metalických kontaktů 7 k vrstvičce 5, 6.

: z. z ······· . .

·· ·· ·· ···· «·· ·

Vlastnosti křemíkového materiálu ovlivňují jak dobu života minoritních nositelů náboje, tak i technologické procesy, které mají nezanedbatelný vliv na konečný výrobek.

Příklad 2 (Obr. 2)

Alternativním provedení křemíkové destičky 1 podle tohoto vynálezu odpovídá předchozímu příkladnému provedení s tím rozdílem, že mezi vrstvičkou 5 s vodivostí P a metalickými kontakty 7 je situována první mezivrstvička 10 (obr. 2), obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující AI, Ga, In, TI a B. Mezi vrstvičkou 6 s vodivostí N a metalickými kontakty 7 je situována druhá mezivrstvička 11 (obr. 2), obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Sb, P a As. Obě mezivrstvičky 10, 11 zlepšují díky nárokovaným prvkům adhezi metalických kontaktů 7 k vrstvičkám 5, 6 .

V konkrétním příkladném uskutečnění křemíkové destičky 1 podle tohoto vynálezu byl použit pro mezivrstvičku 10 jako dopant B případně AI a na mezivrstvičku 11 byl použit dopant Sb.

Příklad 3 (Obr. 2)

Jiné alternativní provedení podle tohoto vynálezu, zlepšující odečet rychlých neutronů dozimetru, představuje uskutečnění, kdy mezi vrstvičkou 5, 6 s vodivostí P nebo N a metalickými kontakty 7, nebo mezi první a druhou mezivrstvičkou 10, 11 a metalickými kontakty 7, je situována třetí mezivrstvička 12 (obr. 2), obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Au a Pt.

Příklad 4 (Obr. 4)

Další alternativní provedení křemíkové destičky 1. podle tohoto vynálezu odpovídá předchozím příkladným provedením s tím rozdílem, že dozimetrická dioda 8 je na volných křemíkových plochách, tedy mimo metalické kontakty 7 opatřena pasivační vrstvičkou 9 tvořenou SiO₂ (obr. 4). Pasivační vrstvička 9 představuje zároveň ochrannou vrstvičku před vnějšími vlivy.

Příklad 5 (Obr. 1,2,3, 4)

Dozimetrická dioda 8 pro dozimetrii rychlých neutronů se získá z křemíkové destičky 1, odpovídající příkladnému provedení 1, dále popsaným nárokovaným způsobem.

Nejdříve je třeba dosáhnout hladkého povrchu křemíkové destičky 1 (obr. 1). Např. povrch křemíkové destičky 1 se mechanicky očisti, poté se opláchne nebo ponoří do saponátu a opláchne deionizovanou vodou. Další čištění povrchu se provádí např. v horké kyselině sírové aktivované peroxidem vodíku, poté se opláchne vodou a vysuší, např. odstředěním. Případně se může povrch křemíkové destičky 1 mechanicky obrousit a poté vyleptat vhodnou kyselinou.

Na takto získané hladké protilehlé rovinné plochy 2, 3 křemíkové destičky 1. se může deponovat neznázorněná vrstva SiO₂, např. metodou pyrolytického nanášení SiO₂ při teplotě kolem 400 °C, až se získá neznázorněná vrstvička minimální tloušťky 1,5 pm SiO₂, případně tloušťky až kolem 2,5 pm, která se může v průběhu růstu obohatit buď borem nebo fosforem a slouží pro budoucí difuzní proces. Jedná se o známé provedení, které se nazývá solid-to-solid. Tyto neznázorněné vrstvičky slouží pro selektivní difúzi boru nebo fosforu.

Takto získaná křemíková destička 1 se v jednom technologickém kroku podrobí papírkové difúzi s napuštěným dopantem fosforu na jednu, např. horní plochu 2 a papírkové difúzi s napuštěným dopantem boru B na druhou protilehlou plochu 3 křemíkové destičky 1, přičemž se transmutuje Si³⁰ na P³¹. Tento technologický krok probíhá pro obě plochy 2, 3 křemíkové destičky 1. současně. Velkou předností způsobu přípravy podle tohoto vynálezu pomocí papírkové difúze je, že se dají křemíkové destičky 1 opracovávat hromadně, a to tak, že se naskládají do sloupce, a na každou plochu 2 nebo 3 destičky 1 se přiloží papírek s příslušným požadovaným dopantem. Tak se současně získají na jedné rovinné ploše 2 vrstvičky 5 s vodivostí P a na protilehlé druhé ploše 3 vrstvičky 6 s vodivostí N (obr. 2).

Papírková difúze se provádí zahříváním křemíkových destiček 1, proložených papírky napuštěnými příslušnými dopanty, rychlostí 20 K.min¹ až 100 K.min¹ po dobu 10 minut až 1000 hodin na teplotu v rozmezí 900 až 1200 °C do získání teploty vyhojení radiačních poruch a pomalým chlazením rychlostí menší 2 K.min'¹ na teplotu okolí. Rychlost zahříváni se volí tak, aby nedošlo k aktivaci nežádoucích akceptorů, na základě absorbovaných plynů v monokrystalu Si, a též v závislosti na typu pece, kvalitě pece a její tepelné kapacitě. Doba zahřívání závisí hlavně na velikosti vsázky křemíkových destiček 1. Teplota vyhojení radiačních poruch se pohybuje mezi 900 až 1400 °C . Vyhojení lze měřit známými postupy měřeni elektrických parametrů křemíku, po vychlazení.

Papírky napuštěné dopanty při teplotě zahřívání kolem 500 až 700 °C vyhoří a dopanty z jejich popela působí tak dlouho po dobu difuzního procesu, než se dosáhne, aby obě vrstvičky 5, 6 vykazovaly koncentraci 10¹⁵ až 10¹⁷.cm'³ P nebo N v celém průřezu vrstviček 5, 6. Též je nutné, aby se papírkovou difúzí dosáhlo na povrchu obou vrstviček 5, 6 vodivosti P nebo N předem požadované povrchové koncentrace P nebo N • · · « větší než 1O^2o.cm’², čehož se dosáhne řízeným zahříváním i chlazením bezprostředně na styku povrchu ploch 2, 3 křemíkových destiček 1 a dopanty napuštěných papírků.

Následně se z teploty vyhojení radiačních poruch křemíkové destičky 1 pomalu chladí rychlostí menší než 2 K.min‘¹ na teplotu okolí, Pokud by se volila vyšší rychlost, může s vysokou pravděpodobností dojít k aktivaci termoakceptorů, termodonorů atp. Při nižší rychlosti se zvyšoval čas chlazení. Rychlost chlazení se voli též v závislosti na parametrech pece.

Obvykle trvá difuzní proces mezi 2 až 5 hodinami. Koncentrace P nebo N se zjišťuje známými postupy, zejména elektrickými.

V konkrétním provedeni, při hromadné výrobě pomocí papírkové difúze, se křemíkové destičky 1, zahřívaly rychlostí 50 K.min'¹ na teplotu kolem 600 °C, při níž papírky vyhořely, čemuž je možno napomoci, např. přifouknutim kyslíkem. Křemíkové destičky 1 se dále zahřívaly na teplotu kolem 1000 °C s prodlevou po dobu cca 5 minut dosažení předem požadované tloušťky vrstviček 5, 6 a jejich parametrů, a vyhojeni radiačních poruch. Doba zahřívání křemíkových destiček 1 v tomto případě trvala kolem 30 minut do doby získání teploty potřebné k vytvoření předem požadovaných vrstviček 5, 6 a k vyhojení radiačních poruch. Poté se křemíkové destičky 1 pomalu chladily rychlostí kolem 1,5 K.miri¹. Proces papírkové difúze trval kolem 3 hodin. Obě vrstvičky 5, 6 měly tloušťku difúzní vrstvičky kolem 1,5 pm.

Křemíkové destičky 1 se po vychlazení vyjmou z pece a jsou připraveny na vytvoření metalických kontaktů 7. Na protilehlých plochách vrstviček 5, 6 křemíkové destičky 1 vytvoří metalické kontakty 7 (obr. 2) jednoho z kovů ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr.

V konkrétním příkladu provedení byly metalické kontakty 7 získány vakuovým, naprašováním kovů slitinou Ti - Ni, může se využít i slitiny Cr-Ni.

Takto získaná křemíková destička 1 se následně rozčlení, např. pomocí diamantové pily na jednotlivé dozimetrické diody 8 (obr. 3, 4).

V konkrétním příkladném provedení se křemíková destička 1 o tloušťce 2,5 cm válcovitého tvaru o maximálním rozměru 7,5 cm rozčlenila na jednotlivé dozimetrické diody 8 s plochami 2, 3 o velikosti např., 2 mm x 2 mm a tloušťky 2,5 mm. Tento rozměr dozimetrické diody 8 představuje nejvýhodnější provedení z hlediska eliminace směrovosti dozimetrických diod 8 při zachování vysoké citlivosti.

Tímto způsobem se dosáhne citlivosti několik V.Gy-1, např. kolem 3 V.Gy¹.

·· ·* ·· ·· ····· ···· · · · · · ·, ···· ·♦ · ·· ··♦···· · · ·· ···· · · · ·» ♦ · · · · · ···· · · ο ·

Příklad 6 (Obr. 1,2, 3, 4)

Další alternativní způsob výroby dozimetrických diod 8 pro dozimetrii rychlých neutronů podle tohoto vynálezu, je shodný s předchozím příkladem výroby, s tím rozdílem, že se křemíková destička 1 získá pomocí iontové implantace.

Křemíkové destičky se podrobí působení iontové implantaci, např. nejprve iontu boru na jedné, např. horní ploše 2, a poté iontu fosforu na protilehlé spodní ploše 3, vždy s energií 100.10³ eV až 3. 10³ eV. Oba procesy iontové implantace se tedy provádí zvlášť, napřed pro jednu plochu 2 a poté na protilehlou plochu 3. Oba procesy se mohou provádět hromadně pro více křemíkových destiček 1, které mohou být umístěny, např. na speciálním karuselu v implantátoru. Při využití nižší energie se získá vrstvička 5, 6 o nižší tloušťce a naopak. Parametry získané vrstvičky 5, 6 se proměřují známými způsoby, uvedenými, např. v předchozím příkladu provedení.

V konkrétním příkladném provedení byla použita energie kolem 100 KeV. Energie se volí podle požadavků na tloušťku implantované vrstvičky 5, 6.

Získané doziometrické diody 8 mají shodné příznivé vlastnosti jako v předchozím příkladném provedení.

Příklad 7 (obr. 2)

Jiný alternativní způsob přípravy křemíkové destičky 1., představující další zlepšení technologie výroby podle tohoto vynálezu, spočívá v tom, že před vytvořením metalických kontaktů 7 se vytvoří mezi vrstvičkou 5, 6 s vodivostí P a metalickými kontakty 7 první mezivrstvička 10 (obr. 2) vytvořená alespoň z jednoho prvku ze skupiny, zahrnující AI, Ga, In , Tl a B. Dále, mezi vrstvičkou 5, 6 s vodivostí N a metalickými kontakty 7 se vytvoří druhá mezivrstvička 11 (obr. 2) alespoň z jednoho prvku ze skupiny, zahrnující Sb, P a As. Mezivrstvičky 10, 11 se vytvoří, např. technologií vakuového naparování nebo vakuového naprašování příslušných kovů, respekt, jejich slitin.

Příklad 8 (Obr. 2)

Další alternativní způsob výroby křemíkové destičky 1 podle tohoto vynálezu spočívá vtom, že mezi vrstvičkou 5, 6 s vodivostí P nebo N a metalickými kontakty 7, nebo mezi mezvrstvičkou 10, 11 a metalickými kontakty 7, se vytvoří třetí mezivrstvička 12 (obr. 2) z alespoň jednoho prvku ze skupiny, zahrnující Au a P. Třetí mezivrstvička 12 se vytvoří např., technologií vakuového naparování nebo vakuového naprašování Au nebo Pt nebo jejich slitin, např. při teplotě 700 °C.

Příklad 9 (Obr. 4)

Alternativní způsob přípravy křemíkové destičky představující další zlepšení technologie výroby, spočívá v tom, že dozimetrická dioda 8 se na volných křemíkových plochách podrobí plazmovému leptání ve speciálním zařízení známým způsobem po dobu 5 až 10 minut do získání pasivační vrstvičky 9 (obr. 4). Pasivační vrstvička tvořená SiO₂ chrání vnější povrch dozimetrické diody 8 proti nepříznivým vlivům okolí, a tím i celou dozimetrickou diodu 8.

Uvedené příklady provedení nejsou vyčerpávající, a jsou možné i jiná řešení v rámci rozsahu patentových nároků.

Lze konstatovat, že rychlé neutrony v případě dozimetrických diod 8 pro rychlé neutrony jsou založeny na interakci rychlých neutronů s krystalovou mřížkou křemíku. Poruchy v krystalové mřížce křemíku způsobují změnu doby životnosti minoritních nositelů náboje. Tím dochází ke změně voltampérové charakteristiky, která je mírou dávky neutronového záření. Přesný postup výroby dozimetrické diody 8 pro rychlé neutrony je přímo navázán na jednotlivé technologické kroky, které je nutno s velkou technologickou pečlivostí dodržovat, protože slouží jak pro maximální výtěžnost, tak i pro přesnou a reprodukovatelnou funkčnost daného dozimetrického prvku.

Pro aplikaci v dozimetru jsou dozimetrické diody 8 opatřeny neznázorněnými elektrickými přívody, např. pájením. Tyto elektrické přívody umožňují odečet velikosti poškození krystalové mřížky křemíku od dopadajících neutronů změnou rezistivity.

Následuje zapouzdření dozimetrických diod 8 z důvodu ochrany před mechanickými vlivy a též z důvodu vlivu světla na výsledné hodnoty napětí, měřené na dozimetru. Zapouzdření dozimetrické diody 8 je provedeno známým způsobem, např. pomocí termoplastu, který dozimetrickou diodu 8 chrání jak před světelným zářením, tak i před mechanickými vlivy. Potom se provádí známé označení neznázorněné katody dozimetru zkrácením příslušného přívodního vodiče.

Kalibrační proces na dozimetrických diodách 8 se provádí na neutronovém zdroji. Nejčastěji bývá zdrojem rychlých neutronů prvek Californium²⁵².

Průmyslová využitelnost

Dozimetrickou diodu podle vynálezu lze použít v oblasti směsných polí rychlých neutronlů a gama-záření k uchováváni informací o ozáření. Řešení je možno využít pro dozimetry pro personál obsluhující jaderná zařízeni, pro detekci situace kolem jaderné exploze, pro radiační situace spojené s jadernou explozí, pro armádu a policii, pro ochranu před teroristickým útokem apod., a všude tam, kde je nutno měřit úrpveň kontaminace rychlými neutrony.

• · • · • · • ·

Vztahové značky křemíková destička horní plocha spodní plocha3

41,42 boční stěny vrstvička s vodivostí P vrstvička s vodivostí N kovové kontakty dozimetrická dioda pasivační vrstvička první mezivrstvička .

druhá mezivrstvička třetí mezivrstvička

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   Z1. Dozimetrická dioda pro dozimetrii rychlých neutronů, zhotovená rozčleněním křemíkové destičky (1) s protilehlými rovinnými plochami (2, 3) a bočními stěnami (41,42), vyznačující se tím, že křemíková destička (1)

   i) je zhotovena z materiálu Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientaci (111) nebo s krystalografickou orientací (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N a tloušťce křemíkové destičky (1) v rozmezí 2480 až 2520 pm, ii) je opatřena na jedné své ploše (2) vrstvičkou (5) s vodivostí P a na protilehlé ploše (3) vrstvičkou (6) s vodivostí N, koncentraci příslušného iontu 10¹⁵ až 115 Ohm.cm, iii) vykazuje na každém vnějším povrchu iontu P nebo N větší než 10²⁰.cm'² přitom obě vrstvičky (5, 6) vykazují 10^1z.cm ³ a rezistivitu v rozmezí 85 až vrstvičky (5,6) koncentraci příslušného iiii) má na takto získaných vrstvičkách (5,6) vytvořeny metalické kontakty (7) alespoň z jednoho z kovu ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr.
2. 2. Dozimetrická dioda podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi vrstvičkou (5, 6) s vodivostí P nebo N a metalickými kontakty (7) je situována první mezivrstvička (10) obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující AI, Ga, In, TI a B, a mezi vrstvičkou (5, 6) s vodivostí N a metalickými kontakty (7) je situována druhá mezivrstvička (11) obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Sb, Pa As.
3. 3. 10³ eV, k získání vrstvičky (5) s vodivostí P na jedné z ploch (2, 3) a vrstvičky (6) s vodivostí N na protilehlé ploše (2, 3), do získání vrstviček (5, 6) o koncentraci 10¹⁵ až 1O¹⁷.cm³ P nebo N, na vnějším povrchu vrstvičky (5, 6) zvýšené povrchové koncentraci iontu P nebo N větší než 10²°.cm ², a rezistivity v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm, ptíteniM·)·

   Vclflíkova 10/ífeŮ9ttPr-ih • · · ·

   g) načež se zahřívá se rychlostí 20 K mín¹ až 100 K.min’¹ po dobu 10 minut až 1000 hodin do získání teploty vyhojení radiačních poruch,

   h) potom se chladí rychlostí menší než 2 K.min’¹ na teplotu okolí,

   i) po takto získaném vytvoření vrstviček (5, 6) sena vrstvičkách (5,6) vytvoří metalické kontakty (7) alespoň z jednoho kovu, ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr,

   j) a takto získaná křemíková destička (1) se následně rozčlení na jednotlivé dozimetrické diody (8).

   3. Dozimetrická dioda podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že mezi vrstvičkou (5,6) s vodivostí P nebo N a metalickými kontakty (7), nebo mezi mezivrstvičkou (10, 11) a metalickými kontakty (7), je situována třetí mezivrstvička (12) obsahující alespoň jeden z prvků ze skupiny, zahrnující Au a Pt.
4. 4 · vyznačující se tím, že křemíková destička (1)

   a) se vytvoří z materiálu Si Fz monokrystalu s krystalografickou orientací (111) nebo s krystalografickou orientací (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N, a o tloušťce křemíkové destičky (1) 2480 až 2520 pm,

   b) poté se podrobí současně, v jednom technologickém kroku, papírkové difúzi s napuštěným dopantem fosforu pro jednu z ploch (2,3) a napuštěným dopantem boru B pro druhou z ploch (2, 3) pro získání na jedné z ploch (2,3) vrstvičky (5) s vodivostí P a na protilehlé druhé ploše (2,3) vrstvičky (6) s vodivostí N, o koncentraci P nebo N v rozmezí 10¹⁵ až 10^1/.cm'³, do získání povrchové koncentrace na vnějším povrchu každé vrstvičky (5,6) iontu P nebo N větší než 10²°.cm², a rezistivity v rozmezí 85 až 115 Ohm.cm, přičemž při papírkové difúzi se křemíková destička (1) zahřívá rychlostí 20 K.min'¹ až 100

   K.min'¹ po dobu 10 minut až 1000 hodin na teplotu v rozmezí 900 až 1200 °C, po dosažení maximální teploty následuje případné prodleva na této teplotě do získání předem požadované difuzní vrstvičky (5,6) a poté se křemíková destička (1) chladí rychlostí menší 2 K.min'¹ na teplotu okolí,

   c) poté se na protilehlých vrstvičkách (5, 6) s vodivostí P nebo N vytvoří metalické kontakty (7) alespoň z jednoho kovu, ze skupiny zahrnující Ti, Ni a Cr,

   d) získaná křemíková destička (1) se následně rozčlení na jednotlivé dozimetrické diody (8).

   4. Dozimetrická dioda nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dozimetrická dioda (8) je na volných křemíkových plochách opatřena pasivační vrstvičkou (9).
5. 5. Způsob výroby dozimetrických diod pro dozimetrii rychlých neutronů, kde dozimetrická dioda (8) zahrnuje křemíkovou destičku (1) s protilehlými rovinnými plochami (2, 3) a bočními stěnami ( 41,42), podle některého z nároků 1 až 4,_X1,řvnvÁ Inu. MarU‘SMKCKOV a

   Vclfl&oví* 1 *^{160 00 Fraba} °
6. 6. Způsob výroby dozimetrických diod pro dozimetrii rychlých neutronů, kde dozimetrická dioda (8) zahrnuje křemíkovou destičku (1) s protilehlými rovinnými plochami (2, 3) a bočními stěnami (41, 42), podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že křemíková destička (1)

   e) se vytvoří z materiálu Si Fz monokrystalu s orientací (111) nebo s orientací (100) s odchylkou ± 5°, typem vodivosti N a o tloušťce křemíkové destičky (1) 2480 až 2520 pm,

   f) následně se působí iontovou implantací iontu boru na jednu z ploch (2, 3) a iontu fosforu na protilehlou druhou plochu (2, 3), vždy s energií 100.10³eVaž
7. 7. Způsob výroby dozimetrických diod pro dozimetrii rychlých neutronů podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že před vytvořením metalických kontaktů (7) se vytvoří mezi vrstvičkou (5, 6) s vodivostí P a metalickými kontakty (7) první mezivrstvička (10) alespoň z jednoho prvku ze skupiny, zahrnující AI, Ga, In, TI a Ba mezi vrstvičkou (5, 6) s vodivostí N a metalickými kontakty (7) se vytvoří druhá mezivrstvička (11) alespoň z jednoho prvku ze skupiny, zahrnující Sb, P, As, přičemž obě mezivrstvičky (10,11) se vytvoří technologií vakuového naparování nebo vakuového naprašování Au nebo Pt nebo jejich slitin.
8. 8. Způsob výroby dozimetrických diod pro dozimetrii rychlých neutronů podle některého z předchozích nároků 4 až 6, vyznačující se tím, že mezi vrstvičkou (2,3) s vodivostí P nebo N a metalickými kontakty (7), nebo mezi mezvrstvičkou (10, 11) a metalickými kontakty (7), se vytvoří třetí mezivrstvička (12) z alespoň jednoho prvku ze skupiny, zahrnující Au a Pt, přičemž třetí mezivrstvička (12) se vytvoří technologii vakuového naparování nebo vakuového naprašování Au nebo Pt nebo jejich slitin.
9. 9. Způsob výroby dozimetrických diod pro dozimetrii rychlých neutronů podle některého z předchozích nároku 4 až 7, vyznačující se tím, že dozimetrická dioda (8) se na volných křemíkových plochách podrobí plasmovému leptání po dobu 5 až 10 minut do získáni pasivační vrstvičky (9).