Способ изготовления полупроводникового датчика с термоэлектрическим охлаждением

 

Назначение: ядерное приспособление, изготовление датчиков ядерного излучения с термоэлектрическим охлаждением. Цель: увеличение срока службы датчика, сокращение времени его изготовления. Сущность изобретения: способ включает независимую термовакуумную обработку предварительно очищенного кипячением в спирте термоэлектрического охладителя, вакуумной камеры и арматуры, сбоку датчика и финишное обезгаживание. При сборке в вакуумную камеру устанавливают Si (Li) детектора, в которой не проведена компенсация p-кремния литием. Затем одновременно проводят дрейф лития и финишное обезгаживание при температуре 110-120°С в течение времени, требуемого для компенсации объема детектора. 1 ил.

Изобретение относится к области ядерного приборостроения, а точнее к производству Si (Li)-датчиков ядерного излучения с термоэлектрическим охлаждением.

Изготовление такого датчика обычно ведется путем одновременного раздельного изготовления Si (Li)-детектора, включая операцию дрейфа лития в кремнии, требующую выдержки детектора при температуре 100-120^оС и напряжении 100-500 В в течение 20-30 сут. термоэлектрического охладителя (ТЭО) и вакуумной камеры. Затем производится монтаж ТЭО в вакуумную камеру, а полупроводникового Si (Li)-детектора (ППД) на ТЭО, герметизация и откачка. Для обеспечения работоспособности прибора весьма важно поддержание в нем вакуума в течение длительного времени. Это осуществляется миниатюрными автономными откачными системами небольшой производительности (сорбенты, геттеры, магниторазрядные насосы) и поэтому требуется минимизация газовыделения из объема ТЭО и деталей, находящихся в вакуумированном объеме.

Известен способ изготовления датчиков с термоэлектрическим охладителем [1] включающий предварительное кипячение ТЭО в этиловом спирте, установку его в вакуумную камеру, выдержку собранного прибора в высоком вакууме при температуре 125-150^оС и давлении не выше 10 Па в течение 12-14 ч.

Известен способ обезгаживания электровакуумного прибора с ТЭО [2] включающий независимую термовакуумную обработку предварительно очищенного кипячением в спирте ТЭО, вакуумной камеры и арматуры, дополнительную выдержку вакуумной камеры с арматурой при давлении остаточных газов (1,0-1,33)^.10 Па и температуре 450-460^оС в течение 40 ч, установку в вакуумную камеру ТЭО и выдержку собранного прибора при температуре 110-130^оС и том же давлении в течение 12-14 ч.

Однако данные способы неприменимы для производства приборов, включающих полупроводниковые датчики, не допускающие нагрева до температур 110^оС и выше, например изготовленные на основе кремния, компенсированного литием, не допускающие нагрева выше 30^оС без ухудшения их рабочих параметров.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления датчиков рентгеновского излучения с термоэлект- рическим охлаждением [3] в котором изготовление вакуумной камеры, деталей блока и термоэлектрического охладителя, включающее очистку кипячением в спирте ТЭО, предварительное обезгаживание вакуумной камеры с арматурой с помощью выдерживания их при давлении остаточных газов (1,0-1,33)^.10 Па и температуре 450-460^оС в течение 72 ч, а также выдерживания ТЭО при температуре 110^оС и том же давлении, производится параллельно с изготовлением полупроводникового детектора, конечной операцией которого является дрейф лития в кремнии, проводимый при температуре 100-130^оС в течение 7-40 сут (время дрейфа определяется расчетным путем и зависит от подвижности лития и толщины детектора); после чего осуществляют сборку датчика, т. е. устанавливают в вакуумную камеру ТЭО и детектор и проводят финишное обезгаживание объема вакуумной камеры путем нагрева прибора внешним источником тепла и выдержки при 110^оС и давлении не хуже 10 Па в течение 7-10 сут. при включенном ТЭО и поддержания на детекторе температуры не выше 30^оС.

Недостатки этого способа обусловлены снижением эффективности обезгаживания прибора из-за заполнения объема вакуумной камеры атмосферным воздухом после предварительного обезгаживания во время установки детектора и недостаточной эффективностью финишного обезгаживания при осуществлении защиты детектора путем охлаждения верхней части ТЭО, а недостаточное обезгаживание ведет к малому сроку службы датчика либо к невозможности его эксплуатации без применения внешних откачных устройств, причем допустимый перерыв составляет их в работе 2-3 дня, в течение которых давление в вакуумной камере не поднимается до величины, при которой запуск откачного устройства невозможен.

Целью изобретения является увеличение срока службы датчика при сокращении времени его изготовления.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе изготовления полупроводникового датчика излучения с термоэлектрическим охлаждением, включающем независимую термовакуумную обработку предварительно очищенного кипячением в спирте ТЭО, вакуумной камеры и арматуры, сборку датчика и его финишное обезгаживание, при сборке датчика в вакуумную камеру устанавливают заготовку Si (Li)-детектора, в которой не проведена компенсация р-кремния литием, а финишное обезгаживание проводят одновременно с дрейфом лития при температуре 110-120^оС в течение времени, необходимого для полной компенсации объема детектора.

В предлагаемом способе операция дрейфа лития в детекторе совмещается с финишным обезгаживанием вакуумной камеры датчика и проводится при температуре 110-120^оС в течение всего времени дрейфа лития. Момент полной компенсации определяется из расчета или по измерениям толщины входного окна детектора. Так как продолжительность дрейфа при толщинах детектора 1 мм для всего диапазона всегда больше, чем время, необходимое для обезгаживания ТЭО, то таким способом удается достаточно эффективно снизить газовыделение ТЭО при общем сокращении срока изготовления прибора.

Диапазон температур выбран из следующих соображений: при температурах менее 110^оС не происходит достаточно эффективной очистки объема ТЭО от загрязнений и растворенных газов, к тому же заметно снижается подвижность лития, удлиняя время компенсации детектора; при температуре выше 120^оС ухудшаются термоэлектрические свойства материала ТЭО и не обеспечивается точность компенсации детектора.

Способ осуществляется следующим образом.

Проводят предварительное обезгаживание вакуумной камеры и арматуры путем нагрева их до температуры 450-460^оС при давлении остаточных газов не более 1,33^.10 Па в течение 72 ч и ТЭО путем кипячения в спирте в течение 5 мин и последующего нагрева до температуры 110^оС при таком же давлении остаточных газов в течение 12-14 ч. Параллельно изготавливают полупроводниковый детектор, проводя операции напыления и диффузии лития и создания контактов. После этого производят сборку датчика, при которой в вакуумную камеру устанавливают арматуру, ТЭО и полупроводниковый прибор, представляющий собой заготовку Si (Li)-детектора, в котором не произведена конечная операция изготовления детектора: компенсация объема с помощью дрейфа лития. Затем подается напряжение смещения на детектор и производится нагрев прибора до 110-120^оС при давлении не более 1,33˙10 Па. Прибор выдерживают в этих условиях в течение времени, необходимого для дрейфа лития и определяемого из расчета или по измерении толщины входного окна детектора. Затем окончательно герметизируют вакуумную камеру.

Пример реализации способа.

На чертеже приведена электрическая схема блока детектирования. Проводилось изготовление блока детектирования рентгеновского излучения с термоэлектрическим охлаждением. Блок представляет собой герметичную вакуумную камеру, имеющую штуцер для откачки, в которую установлен термоэлектрический охладитель (ТЭО), другие элементы блока детектирования, а также микроплата с заготовкой Si (Li)-детектора 1, закрепленная на рабочей площадке ТЭО. Последняя представляет собой поликорундовую пластину толщиной 0,5 мм с напыленными коммутационными дорожками и резистивными слоями из напыленного кремния. Резистивные слои предназначены для работы в готовом приборе в качестве резисторов фильтра 2 и обратной связи 3. Полевой транзистор 4 головного каскада усилителя также установлен на плате, а конденсатор фильтра 5 вне ее.

Заготовка детектора представляет собой диод из p-кремния с переходом диффузионного типа; со стороны p-контакта был напылен контакт толщиной 150-200 , предназначенный для ввода излучения. Компенсация p-примесей литием проведена не была.

Вакуумную камеру герметизировали, помещали в термостат и к штуцеру присоединяли вакуумный насос, с помощью которого в камере создавали давление ниже 1,33˙10^-1 Па. На резисторы 2 и 3 подавали напряжение дрейфа U_др величиной около 1 кВ, после чего температуру в термостате повышали до 110-115^оС, и эти параметры поддерживали в течение 28-30 сут. Время зависит от подвижности Li в Si и может быть оценено по формуле: W , где W глубина компенсации; μ_т подвижность; U_др напряжение дрейфа; t время. Затем контролировали положение фронта лития, например, по изменению емкости детектора. При достижении фронтом противоположного контакта сначала проводили корректировку точности компенсации (выравнивание), для чего снижали температуру до 60-70^оС при сохранении остальных параметров. Затем процесс прекращали, а блок полностью герметизировали и отсоединяли от откачного устройства.

1. Авторское свидетельство СССР N1074334/ кл. HOIL 21/477, 1982.

2. Авторское свидетельство СССР N1153735/ кл. HOIY 9/00, 1983.

3. "Технологическая карта производства прибора УДЕР-IK", Рига/ РНИИРП/ 1985.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДАТЧИКА С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ, включающий очистку кипячением в спирте термоэлектрического охладителя, вакуумной камеры, арматуры и их термовакуумную обработку, сборку датчика и его обезгаживание, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и сокращения времени изготовления, при сборке датчика в вакуумную камеру устанавливают заготовку Si(Li)-детектора, на которую предварительно напылены литий и P-контакт, при этом компенсацию кремния литием выполняют одновременно с обезгаживанием камеры при 110 120^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1