一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置及方法与流程

本发明属于核反应堆工程，尤其涉及一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置及方法。

背景技术：

1、硅是迄今为止使用最广泛的半导体材料。在应用领域，为了提高产品性能，需要通过掺杂技术在高纯度单晶硅中添加少量的杂质。中子辐照掺杂(ntd)是一种已经在工业界广泛应用的单晶硅掺杂方法，通过将单晶硅硅碇放入反应堆辐照孔道，利用反应堆产生的中子进行辐照，将部分硅原子转变为其它核素，达到掺杂的目的。与其它方法相比，ntd最大的优势是就是掺杂的均匀性和准确率。通过ntd方法生产的硅晶片可以应用于高性能半导体能量装置及探测器等高端半导体产品中。随着半导体行业的不断发展，硅晶片的尺寸也在不断增大，早期硅晶片直径一般为2英寸、3英寸，现在主流产品已经发展到5英寸、8英寸，并且预计在不久的将来将被12英寸等更大尺寸的产品替代。

2、均匀性是衡量单晶硅产品性能的一项关键指标，对于通过ntd方法辐照的硅碇，均匀性一般分为径向(平面)和轴向(纵向)均匀性，用户通常对于径向均匀性有着更苛刻的要求。影响ntd径向均匀性的主要因素有两项：一是辐照孔道内本身中子通量的梯度变化，二是空间自屏效应引起的硅碇内部与外围的差异，其中第二项是大尺寸ntd辐照的主要难题。

3、发明人发现，当硅碇在中子场内进行辐照时，由于部分中子在硅碇外围被吸收，致使可以穿透到硅碇内部的中子会发生衰减，这就是中子辐照的空间自屏效应，该效应导致硅碇内部和外围掺杂的不均匀，当硅碇尺寸较小时，这种现象还不明显，一般通过ntd方法生产2英寸、3英寸、及5英寸的产品时都具有很好的均匀性；而随着硅碇尺寸的增大，空间自屏效应导致的不均匀性会越来越显著，因而采用传统ntd装置辐照8英寸、12英寸或更大尺寸产品时，径向的均匀性就很难满足用户实际要求。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置及方法，在单晶硅外部位置放置中子屏和反射块，从而改变中子进入硅碇的位置和方向，辐照中配合对硅碇进行转动，实现对大尺寸单晶硅辐照掺杂的径向均匀化。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，采用如下技术方案：

3、一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，包括桶体、设置在所述桶体外侧的中子屏、设置在所述桶体内的至少一个反射块以及设置在所述桶体内的旋转驱动机构；

4、所述中子屏周向上开设有缝隙，使得进入中子屏内的中子形成不同程度的中子通量区域；进行辐照时，所述旋转驱动机构带动中子屏中的硅碇不停旋转，硅碇径向外侧部分不断交替进入不同程度的中子通量区域；反射块位于硅碇的端部，进入反射块中的中子，经过散射，从端面对硅碇进行辐照。

5、进一步的，所述桶体内设置有格架，能够放置多个硅碇。

6、进一步的，所述缝隙设置在所述中子屏上对应所述反射块的位置处。

7、进一步的，硅碇的两个端面均设置有反射块。

8、进一步的，中子屏采用中子吸收材料或中子镜材料。

9、进一步的，所述中子屏采用硼、镉或钛材料。

10、进一步的，所述反射块与硅碇同轴轴设置。

11、进一步的，所述反射块采用铍、石墨或氘化合物。

12、进一步的，所述桶体下端封闭。

13、为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照方法，采用如下技术方案：

14、一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照方法，采用了如第一方面中所述的用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，包括：所述旋转驱动机构带动中子屏中的硅碇不停旋转，硅碇径向外侧部分不断交替进入不同程度的中子通量区域；反射块位于硅碇的端部，进入反射块中的中子，经过散射，从端面对硅碇进行辐照。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、本发明中，用于放置硅碇的桶体外侧的中子屏，以及在桶体内的至少一个反射块和旋转驱动机构；中子屏周向上开设有缝隙，进行辐照时，所述旋转驱动机构带动中子屏中的硅碇不停旋转，硅碇径向外侧部分不断交替进入不同程度的中子通量区域；反射块位于硅碇的端部，进入反射块中的中子，经过散射，从端面对硅碇进行辐照。中子按预设方向射入中子屏内部，可以形成不同程度的高中子通量区和低中子通量区，旋转驱动机构带动中子屏中的硅碇不停旋转，硅碇径向外侧部分不断交替进入高中子通量区和两侧低中子通量区域，这样累积的辐照量比全在高中子通量区内辐照要低，而硅碇中子部分由于一直处于高通量带内，其累积辐照量不发生变化，可以抵消由于空间自屏效应导致的硅碇内外中子辐照的不均匀，从而使硅碇周向上得到均匀的辐照，同时，中子进入反射块中，经过散射，从端面对硅碇进行均匀的辐照；通过在单晶硅外部位置放置中子屏和反射块，从而改变中子进入硅碇的位置和方向，辐照中配合对硅碇进行转动，实现对大尺寸单晶硅辐照掺杂的径向均匀化。

技术特征：

1.一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，包括桶体、设置在所述桶体外侧的中子屏、设置在所述桶体内的至少一个反射块以及设置在所述桶体内的旋转驱动机构；

2.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，所述桶体内设置有格架，能够放置多个硅碇。

3.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，所述缝隙设置在所述中子屏上对应所述反射块的位置处。

4.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，硅碇的两个端面均设置有反射块。

5.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，中子屏采用中子吸收材料或中子镜材料。

6.如权利要求5所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，所述中子屏采用硼、镉或钛材料。

7.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，所述反射块与硅碇同轴轴设置。

8.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，所述反射块采用铍、石墨或氘化合物。

9.如权利要求1所述的一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，其特征在于，所述桶体下端封闭。

10.一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照方法，其特征在于，采用了如权利要求1-9任一项所述的用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置，包括：所述旋转驱动机构带动中子屏中的硅碇不停旋转，硅碇径向外侧部分不断交替进入不同程度的中子通量区域；反射块位于硅碇的端部，进入反射块中的中子，经过散射，从端面对硅碇进行辐照。

技术总结
本发明属于核反应堆工程技术领域，提出了一种用于大尺寸单晶硅的径向匀照装置及方法，包括桶体、设置在所述桶体外侧的中子屏、设置在桶体内的至少一个反射块以及设置在桶体内的旋转驱动机构；用于放置硅碇的桶体外侧的中子屏，以及在桶体内的至少一个反射块和旋转驱动机构；中子屏周向上开设有缝隙，进行辐照时，所述旋转驱动机构带动中子屏中的硅碇不停旋转，硅碇径向外侧部分不断交替进入不同程度的中子通量区域；反射块位于硅碇的端部，进入反射块中的中子，经过散射，从端面对硅碇进行辐照。在单晶硅外部位置放置中子屏和反射块，从而改变中子进入硅碇的位置和方向，辐照中配合对硅碇进行转动，实现对大尺寸单晶硅辐照掺杂的径向均匀化。

技术研发人员：王煦嘉,汤春桃,陈其昌,赵金坤,李锦明,刘婵云,刘驰
受保护的技术使用者：上海核工程研究设计院股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16