稀有金属 2001,(03),238-240 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2001.03.026
探测器级NTD硅单晶的研制
洛阳单晶硅有限责任公司!洛阳471009
摘 要：
介绍了探测器级NTD硅单晶的制作工艺 , 并对如何保证探测器级NTD硅单晶的质量进行了讨论。
关键词：
探测器级;NTD;硅单晶;
中图分类号： TN305
收稿日期：2000-07-14
Manufacture of NTD Monocrystalline Silicon for Detectors
Abstract：
The process to manufacture the NTD monocrystalline silicon for detectors was described, and the problem how to ensure its quality was discussed.
Keyword：
NTD; monocrystalline silicon; detectors;
Received： 2000-07-14
探测器级中子嬗变掺杂 (NTD) 硅单晶要求具有高电阻率、高少子寿命、良好的端面电阻率均匀性。
运用高真空挥发提纯工艺, 可以提高硅材料纯度, 减少硅材料中的重金属杂质含量。由高真空挥发后的多晶硅生长出的硅单晶具有高少子寿命。
采用中子嬗变掺杂方法补偿具有高少子寿命的原始 p 型硅单晶, 选择合适的退火工艺, 可以得到高少子寿命、高电阻率以及良好的端面电阻率均匀性的硅单晶。该单晶是制造高性能探测器的优质材料。本文主要介绍了探测器级 NTD 硅单晶的制作工艺。
1 p型原始硅单晶的制备
1.1 多晶准备
(1) 基磷ρP≥800 Ω·cm, 基硼 ρB≥5000 Ω·cm, 氧含量[O]≤5×1015cm-3, 碳含量[C]≤1×1016cm-3;
(2) 直径Φ=45～50 mm。表面磨圆, 纵向直径差小于2 mm。头部加工成锥体, 角度为 55°～65°。
(3) 清洗方法采用洗涤剂及丙酮清洗 (主要是为了除去多晶料表面的油污) , 然后用混合酸进行表面腐蚀, 再用纯水冲洗 4～6 h, 烘干后, 用高纯聚乙烯袋双层包装。
1.2 硅多晶真空挥发提纯
(1) 设备
QⅡ 型真空区熔炉
(2) 热场
平置单匝铜质线圈, 内径为 28～32 mm。
(3) 挥发提纯工艺参数
真空度:小于 1×10-4Pa;挥发速度及挥发次数:结合实际经验, 挥发次数定为5次, 其中 2.0 mm/min 2次;1.5 mm/min 3次。
硅多晶中挥发前后的杂质浓度与挥发工艺的关系可由下面的公式来表示:
式中:
Cn—多晶硅中残存杂质浓度;
C0—多晶硅中原始杂质浓度;
E—杂质在硅中的蒸发常数;
A—熔区蒸发表面积;
L—熔区高度;
V—熔硅体积;
v—熔区移动速度;
n—挥发次数。
1.3 原始单晶制备
(1) 设备
FZ-14 型区熔炉。
(2) 热场
平置单匝铜质线圈, 内径Φ 26 mm, 外径 Φ 90 mm。
(3) 生长条件
压粗偏心生长工艺
[1]
, 单晶生长速度 3.5～4.0 mm/min, 单晶转速 8～12 r/min。
1.4 测试
(1) 型号
根据 GB/T 1550-1997 《非本征半导体材料导电类型测试方法》判断晶体型号。
(2) 电阻率
根据 GB/T 1552-1995 《硅、锗单晶电阻率测定直排四探针法》检测晶体电阻率。
(3) 少子寿命
根据 GB/T 1553-1997 《硅和锗晶体内少数载流子寿命光电导衰退法》检测晶体少子寿命。
(4) 位错
根据 GB/T 1554-1995《硅晶体完整性化学择优腐蚀检测方法》检测晶体位错密度。
2 p型原始硅单晶主要技术指标
(1) 直径:Φ50～54 mm
(2) 型号:p 型
(3) 晶向:〈111〉
(4) 电阻率:ρ≥5000 Ω·cm
(5) 少子寿命:τ≥1000 μs
(6) 位错:ND≤500 cm-2
(7) 氧含量:[O]≤5×1015 cm-3
(8) 碳含量:[C]≤1×1016 cm-3
3 NTD 硅单晶主要技术指标
硅单晶中子嬗变掺杂在中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所的轻水堆进行。NTD 硅单晶主要技术指标如下:
(1) 直径:Φ 50±1 mm
(2) 型号:n型
(3) 长度:L≥100 mm
(4) 电阻率:ρ=1000～5000 Ω·cm
(5) 端面电阻率不均匀性:Δρ≤10%
(6) 少子寿命:τ≥1000 μs
4 讨论
(1) 对于一般 NTD硅单晶, 由于掺杂量和掺杂比都比较大, 硅单晶的掺杂精度主要取决于辐照积分通量的控制。但是 NTD 工艺补偿原始 p 型硅获得特高阻硅单晶的情况则不同, 掺杂的精确度除了与积分通量有密切关系外, 还与原始硅单晶中的磷杂质含量及分布有关
[2]
。因此, 应尽量将硅中的磷杂质挥发并在单晶生长过程中控制其分布, 才能准确进行 NTD 补偿。p 型原始硅单晶控制在 5000～10000 Ω·cm 之间, 基本上满足了 NTD 工艺及产品的要求。
(2) 特高阻 (ρ≥3000 Ω·cm) 硅单晶的电阻率测量与测试条件 (测试设备、测试环境) 及测试样品表面状态有很大关系, 不同的处理会导致电阻率测试数值相差非常大。特别是研磨过程中使用含水材料会得到虚假结果
[3]
。
(3) 目前, 国产低内阻抗电阻率测试仪在测量电阻率高于2000 Ω·cm 的硅单晶时, 其电阻率测试值会产生很大的漂移, 由此产生的虚假值对于硅单晶 NTD 掺杂精度有相当大的影响。但是在测试环境相同情况下, 在同一测试设备上得出的测试结果, 其漂移是有一定规律的。可以先将硅单晶陪片辐照到较低的电阻率, 测出其准确的电阻率值, 然后根据这个电阻率值和辐照积分通量推算出硅单晶的准确原始电阻率, 通过对比原始硅单晶的测试电阻率值和推算的电阻率值, 就可以找到特高阻硅单晶电阻率测试值的漂移规律。
(4) 探测器级 NTD硅单晶要求高少子寿命 (τ≥800 μs) , 而整个工艺过程中重金属杂质的主要来源是硅多晶及过程中的沾污。通过高真空挥发及选择合适的硅单晶生长及退火工艺可以防止重金属杂质进入硅单晶中, 从而得到高少子寿命的硅单晶。
5 结论
硅多晶通过高真空挥发提纯后制作成 p 型原始硅单晶, 经过 NTD 补偿后, 选择合适的退火工艺进行退火后得到的 n 型特高阻硅单晶。该单晶具有高电阻率、高少子寿命以及良好的端面电阻率均匀性, 是制作高性能探测器的优质材料。
参考文献
[1] 沃尔夫冈·凯勒 固体材料的制备及性能 洛阳单晶硅厂技术情报档案科译 1984 10 9
[2] 张洪川 硅材料学术会议 长沙 :1986 42 1
[3] 沈复初等 硅材料学术会议 杭州 :1985 391
