方形螺旋硅漂移探测器及其制备方法与流程

本发明属于抗辐射探测器技术领域，涉及一种方形螺旋硅漂移探测器及其制备方法。

背景技术：

探测器的种类很多，主要有正比计数器，闪烁体探测器、气体探测器、半导体探测器。各种探测器的探测原理不同。本发明的辐射探测器属于半导体探测器。辐射探测器具有广泛应用，主要应用于基础科学研究，工程探测和日常生活检测。比如，深太空成像、医学成像、粒子轨迹探测、辐射源探测。辐射被探测的原理是被探测物质与探测器相互作用并被记录。相互作用的过程主要是电离过程，在探测器内形成电子-空穴对，从而达到探测目的。

半导体探测器由正电极(阳极)、负电极(阴极)和半导体材料三部分组成。硅漂移探测器是半导体探测器之一。硅漂移探测器可以设计成各种形状，现主要是圆形螺旋硅漂移探测器，圆形探测器的结构如图1所示，由n⁺阳极1、p⁺环2和n型硅3组成，其组成的探测器阵列如图2所示，由图2可看出圆形螺旋硅漂移探测器组成的探测器阵列的阵列间隙4过大，结构不紧凑，导致探测器阵列分辨率不高，这是由于其本身的形状缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种方形螺旋硅漂移探测器，解决了圆形螺旋硅漂移探测器组成的探测器阵列结构不紧凑问题。

本发明的另一目的是提供一种方形螺旋硅漂移探测器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，方形螺旋硅漂移探测器，包括基片，基片正面设有圆形的n+收集阳极、方形螺旋阴极和形状为圆角矩形的正面保护环，方形螺旋阴极环绕n+收集阳极分布，且方形螺旋阴极的宽度由内向外逐渐变宽，正面保护环环绕螺旋阴极分布；基片反面设有反面电极、入射窗口和形状为圆角矩形的反面保护环，入射窗口和反面电极紧密相连且均位于反面保护环内，且反面电极极性为阴极。

进一步的，所述方形螺旋阴极的宽度范围为10～40μm。

进一步的，所述正面保护环的圈数为3圈；所述正面保护环相邻两圈的间隔与方形螺旋阴极的最外两圈螺旋环的间距相等。

进一步的，所述n+收集阳极与螺旋阴极掺杂类型相反，但掺杂浓度数量级相同。

进一步的，所述反面电极与方形螺旋形电极的掺杂类型和掺杂浓度数量级均相同；所述基片与n+收集阳极的掺杂类型相同。

进一步的，所述基片为n型硅，掺杂浓度为4×10¹¹cm^-3～2×10¹²cm^-3；所述n+收集阳极为掺杂硼硅，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3；所述方形螺旋阴极为掺杂磷硅，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3。

进一步的，所述反面电极四角设有极性为阴极的外部电路接触点。

本发明所采用的另一技术方案是，方形螺旋硅漂移探测器的制备方法，具体步骤如下：

步骤s1、依据方形螺旋硅漂移探测器的结构设计制备掩膜板，所述掩膜版包括做标记掩膜板、p注入掩膜板、n注入掩膜板、cut掩膜板和铝电极掩膜板；

步骤s2、在基片上做标记：先将无需做标记的区域覆盖，然后将标记区域的二氧化硅刻蚀至左右，最后进行光刻胶清洗；

步骤s3、p注入刻蚀：先将方形螺旋阴极、反面保护环、入射窗口、正面保护环和反面电极以外的区域用光刻胶覆盖，然后将未覆盖区域的二氧化硅刻蚀至刻蚀完成后注入掺杂磷硅的重掺杂p+离子，形成方形螺旋阴极、反面保护环、入射窗口、正面保护环和反面电极，最后进行光刻胶清洗；

步骤s4、n注入刻蚀：先将n⁺收集阳极以外的区域用光刻胶覆盖，然后将区域的二氧化硅全部刻蚀掉，刻蚀完成后注入掺杂硼硅的重掺杂n+离子，形成n⁺收集阳极，最后进行光刻胶清洗；

步骤s5、激活注入的n+离子和p+离子；

步骤s6、cut刻蚀：先将n⁺收集阳极和外部电路接触点区域用光刻胶覆盖，将基体表面的二氧化硅刻蚀到底，最后进行光刻胶清洗；

步骤s7、镀铝：经过上片、抽真空，然后用磁光溅射仪对n⁺收集阳极和外部电路接触点区域进行镀铝；

步骤s8、铝刻蚀：先将需要的铝层用光刻胶覆盖，将不需要的铝层显现出来，然后用刻蚀液将不需要的铝层刻蚀掉，最后进行光刻胶清洗。

进一步的，所述步骤s5依次经过酸洗、去金属离子、去氧化层、氧化炉中退火来激活注入的n+离子和p+离子；所述步骤s2～s4、步骤s6及步骤s8，均是先将无需刻蚀的区域用光刻胶覆盖，再对需要刻蚀的区域进行相应刻蚀；将无需刻蚀的区域用光刻胶覆盖依次经过匀胶、烘干、对准相应掩膜板、曝光、显影、检查、后烘，即首先用光刻胶覆盖整面，再用相应掩膜板覆盖曝光，再进行显影、检查和后烘，将无需刻蚀的区域覆盖，将需要刻蚀的区域显现出来；所述步骤s2是对准做标记掩膜板，所述步骤s3是对准p注入掩膜板，所述步骤s4是对准n注入掩膜板，所述步骤s6是对准cut掩膜板，所述步骤s8是对准铝电极掩膜板。

进一步的，所述光刻胶清洗，是先用剥胶液去除光刻胶，再用浓硫酸进一步清洗。

本发明的有益效果是，方形螺旋硅漂移探测器及其制备方法，提供了方形螺旋硅漂移探测器的制备方法，所得方形螺旋硅漂移探测器收集电容小，在同样面积的探测器情况下，扩大了有效面积，使探测器阵列更加紧凑，相比于圆形螺旋硅漂移室探测器有更小的死区，分辨率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是圆形螺旋硅漂移探测器单元示意图；

图2是圆形螺旋硅漂移探测器阵列示意图；

图3是方形螺旋硅漂移探测器单元正面示意图；

图4是方形螺旋硅漂移探测器单元反面示意图；

图5是方形螺旋硅漂移探测器单元截面图；

图6是方形螺旋硅漂移探测器阵列示意图；

图7是方形螺旋硅漂移探测器单元正面电极放大示意图；

图8是方形螺旋硅漂移探测器单元正面右上角放大示意图；

图9是方形螺旋硅漂移探测器单元反面左上角放大示意图。

图中，1.n⁺阳极，2.p⁺环，3.n型硅，4.阵列间隙，5.n⁺收集阳极，6.方形螺旋阴极，7.反面保护环，8.入射窗口，9.基片，10.正面保护环，11.外部电路接触点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

方形螺旋硅漂移探测器，如图3～9所示，包括基片9，基片9正面设有中间n+收集阳极5、方形螺旋阴极6和正面保护环10，方形螺旋阴极6环绕中间n+收集阳极5分布，且方形螺旋阴极6的宽度由内向外逐渐变宽，宽度范围为10～40μm，正面保护环10位于方形螺旋阴极6最外环外；正面保护环10的圈数为3圈，其相邻两圈的间隔与方形螺旋阴极6的最外两圈螺旋环的间距相等；n+收集阳极5与方形螺旋阴极6掺杂类型相反，但掺杂浓度数量级相同。基片9反面设有反面保护环7、反面入射窗口8及反面电极，反面保护环7和正面保护环10为圆角矩形形状，保证两环之间的距离相等，减少死区。入射窗口8和反面电极紧密相连且均位于反面保护环7内，入射窗口8材质为硅基体，其用于接收需测量的信号，反面电极与方形螺旋形电极6的掺杂类型和掺杂浓度数量级均相同，基片9与n+收集阳极5的掺杂类型相同，但基片9的掺杂浓度远低于n+收集阳极5的掺杂浓度。反面电极为阴极，基片9为硅材料，n+收集阳极5为掺杂硅，掺杂元素为硼，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3；方形螺旋阴极6为掺杂硅，掺杂元素为磷，掺杂浓度为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3。

方形螺旋阴极6宽度逐渐变宽，这样设计是为了形成更短的电荷收集通道，有利于快速收集电荷，宽度范围为10～40μm，是优化漂移通道得到的最优宽度范围，方形螺旋阴极6宽度过大或过小均会使探测器效率降低。正面保护环10位于方形螺旋阴极6最外圈外，是为了防止击穿和减少漏电流，其圈数少于3容易导致击穿，大于3会使漏电流太大，影响探测器的性能。相邻两圈的间隔与方形螺旋阴极6最外两圈螺旋环的间距相等且入射窗口8、反面电极在反面保护环7内，是为了防止电流过大，击穿pn结。

反面电极四角处设有极性为阴极的外部电路接触点11，用于连接外部电路。

本发明具有一个小的中间的n+收集阳极5，从而减少收集电容，减少电子噪声，达到更高的分辨率。n+收集阳极5被方形螺旋阴极6围绕，在方形螺旋阴极6上所加的电压产生电场使电子漂移到n+收集阳极5。在反面电极11所加电压用来耗尽基片9，牵引载流子向n+收集阳极5漂移。基片9(探测器的灵敏区)与n+收集阳极5的掺杂类型相同，但基片9的掺杂浓度远低于n+收集阳极5的掺杂浓度，基片9的掺杂浓度为4×10¹¹cm^-3～2×10¹²cm^-3，n+收集阳极5和方形螺旋阴极6的掺杂浓度为10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3，基片9的掺杂浓度过小起不到电极的作用，过大就失去半导体的特性。是为了形成电极，在高掺杂浓度的情况下半导体材料就相当于金属，掺杂浓度视情况而定，一般在10¹⁶cm^-3～10²⁰cm^-3范围内，n+收集阳极5和方形螺旋阴极6的掺杂浓度太低无法形成电极，掺杂浓度太高，掺杂原子距离太靠近，以至于它的杂质能级合并成一个能带，导致其不再具有半导体的特性。

本发明的方形螺旋硅漂移探测器，制作工艺可以总结为氧化、刻蚀、离子注入、镀铝。氧化采用吸杂氧化，使硅的纯度更高。

方形螺旋硅漂移探测器的制备方法，具体步骤如下：

步骤s1、依据方形螺旋硅漂移探测器的结构设计制备掩膜板，所述掩膜版包括做标记掩膜板、p注入掩膜板、n注入掩膜板、cut掩膜板和铝电极掩膜板；

步骤s2、在基片9上做标记，因后续工艺步骤都是层层叠加进行，步步衔接，用标记便于后续进行对准；做标记依次经过匀胶、烘干、对准标记掩膜板、曝光、显影、检查、后烘，然后将标记区域的二氧化硅刻蚀至左右，最后进行光刻胶清洗；

步骤s3、p注入刻蚀：依次经过匀胶、烘干、对准p注入掩膜板、曝光、显影、检查、后烘，将方形螺旋阴极6、反面保护环7、入射窗口8、正面保护环10和反面电极以外的区域用光刻胶覆盖，然后对方形螺旋阴极6、反面保护环7、入射窗口8、正面保护环10和反面电极区域的二氧化硅刻蚀至刻蚀完成后注入重掺杂p+离子，形成方形螺旋阴极6、反面保护环7、入射窗口8、正面保护环10和反面电极，最后进行光刻胶清洗；

步骤s4、n注入刻蚀：依次经过匀胶、烘干、对准n注入掩膜板、曝光、显影、检查、后烘，然后对n⁺收集阳极5区域进行刻蚀，刻蚀完成后注入重掺杂n+离子，形成n⁺收集阳极5；

步骤s5、通过退火激活注入的n+离子和p+离子，主要经过酸洗、去金属离子、去氧化层、氧化炉中退火；

步骤s6、cut刻蚀：为后续镀铝做准备，因为铝直接与硅接触，经过匀胶、烘干、对准cut掩膜板、曝光、显影、检查、后烘，将n⁺收集阳极5和外部电路接触点11区域用光刻胶覆盖，将基体9表面的二氧化硅刻蚀到底，最后进行光刻胶清洗；

步骤s7、镀铝：用磁光溅射仪进行镀铝，经过上片、抽真空、镀铝对n⁺收集阳极5和外部电路接触点11区域进行镀铝；

步骤s8、铝刻蚀，经过匀胶、烘干、对准铝电极掩膜板、曝光、显影、检查、后烘，将需要的铝层用光刻胶覆盖，将不需要的铝层显现出来，然后用刻蚀液将不需要的铝层刻蚀掉，最后进行光刻胶清洗。

光刻胶清洗，是先用剥胶液去除光刻胶，再用浓硫酸进一步清洗。

工作原理：在探测器正面和反面(入射面)加电场，形成电子漂移通道。当辐射或粒子从入射面射入后与半导体材料作用形成电子—空穴对，通过漂移通道被电极收集。形成一个能被外部电路测量的电流，也就是信号，从而达到测量的目的。

本发明的探测器是方形螺旋结构，在圆形螺旋结构的基础上提出。圆形螺旋结构探测器单元在组成探测器阵列时存在死区，使探测器阵列不紧凑。方形螺旋结构探测器可以解决这个问题，提高阵列的紧凑度。本发明设计螺旋宽度逐渐变宽，可以使电子漂移通道更短，有利于电荷收集，提高探测器收集效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。