Спосіб виготовлення cd1-xzn xte-детектора g-та х-випромінювання

Спосіб виготовлення напівпровідникового детектора γ- та X-випромінювання, який включає різку високоомного монокристала Cd1-xZnxTe на пластини, механічне шліфування та полірування, травлення зразка в поліруючому рідкофазному травнику, який містить бром, та нанесення контактів шляхом напилення контактного металу одиночним імпульсом технологічного лазера, який відрізняється тим, що як поліруючий травник використовують бромвиділяючу суміш нітратної, бромистоводневої та тартратної кислот і додатково проводять хіміко-механічне полірування напівпровідникової пластини бромвиділяючим травником на основі суміші пероксиду водню, бромистоводневої кислоти та етиленгліколю впродовж 2-4 хв. (19) (21) u201103823 (22) 30.03.2011 (24) 10.11.2011 (46) 10.11.2011, Бюл.№ 21, 2011 р. (72) ТОМАШИК ЗІНАЇДА ФЕДОРІВНА, ТОМАШИК ВАСИЛЬ МИКОЛАЙОВИЧ, СТРАТІЙЧУК ІРИНА БОРИСІВНА, ГНАТІВ ІВАН ІВАНОВИЧ, ЛОЦЬКО ОЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ, КОРБУТЯК ДМИТРО ВАСИЛЬОВИЧ, ДЕМЧИНА ЛЮБОМИР АНДРІЙОВИЧ, ВАХНЯК НАДІЯ ДМИТРІВНА, КОМАР ВІТАЛІЙ КОРНІЙОВИЧ, ДУБИНА НАТАЛІЯ ГЕОРГІЇВНА (73) ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ ІМ. В.Є. ЛАШКАРЬОВА НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ 3 випромінювання. Однак, такі детектори є недостатньо чутливими до низькоенергетичного випромінювання, наприклад, до γ-випромінювання радіоактивного ізотопу америцію, а для забезпечення їх достатньої чутливості необхідно використовувати 3 досить великі за розмірами (~5×10×2 мм ) зразки у зв'язку з тим, що поверхня детектора під контактами не є досконалою і на ній відбувається багато втрат носіїв заряду тому, що травники, які використовуються, не дають змоги точно контролювати процес зняття порушеного шару, діють занадто жорстко і недостатньо однорідно. Окрім цього стандартні травники, що містять чистий бром є надзвичайно токсичними, дуже леткими та нестійкими. Все вищевказане призводить до високої вартості детекторів та виникнення проблем при створенні мініатюрних детекторів (а, значить, відповідно, і дозиметрів на їх основі). В основу корисної моделі поставлено задачу виготовлення Cd1-xZnxTe-детектора іонізуючого випромінювання, більш чутливого до низькоенергетичного випромінювання, наприклад, до γвипромінювання радіоактивного ізотопу америцію Am, зменшення розмірів детектора і, відповідно, його здешевлення за рахунок підвищення питомої чутливості. Для вирішення поставленої задачі запропонований спосіб включає різку високоомного монокристала Cd1-xZnxTe на пластини, механічне шліфування та полірування, травлення зразка в поліруючому рідкофазному травнику, який містить бром, та нанесення контактів шляхом напилення контактного металу одиночним імпульсом технологічного лазера і відрізняється тим, що як поліруючий травник використовують бромвиділяючу суміш нітратної, бромистоводневої та тартратної кислот і додатково проводять хіміко-механічне полірування напівпровідникової пластини бромвиділяючим травником на основі суміші пероксиду водню, бромистоводневої кислоти та етиленгліколю впродовж 2-4 хв. Домінуючу роль у характеристиках напівпровідникових детекторів іонізуючого випромінювання відіграють поверхневі властивості, які досить часто переважають над об'ємними. Тому для покращення електрофізичних та спектральних характеристик напівпровідникових приладів в приладобудуванні особливу увагу звертають па травлення поверхні. Обов'язковою стадією на кінцевих етапах обробки пластин напівпровідникових матеріалів після механічного шліфування та полірування є їх обробка рідкофазним травленням з метою видалення порушеного шару і досягнення заданої товщини. При механічній обробці монокристалів телуриду кадмію утворюється порушений шар товщиною декілька десятків мікрон. Як в прототипі, так і в запропонованому способі підчас травлення відбувається поступове розчинення дефектної частини (порушеного шару) напівпровідників Cd1-xZnxTe, що є типовим прикладом гетерогенних хімічних процесів та являє собою окремий випадок розчинення твердих тіл в рідинах. Згідно сучасної дифузійно-кінетичної теорії при розчиненні твердих тіл в рідинах гетерогенна реакція включає декілька стадій [3, 4]: 64429 4 1) утворення реагуючих іонів або молекул на поверхні в результаті їх дифузії з розчину; 2) захоплення та міграція іонів або молекул на поверхні кристалу; 3) утворення поверхневого комплексу; 4) подальша адсорбція комплексу поверхнею кристалу; 5) утворення на поверхні кристалу активованого комплексу; 6) адсорбція активованого комплексу; 7) дисоціація активованого комплексу на продукти реакції; 8) адсорбціяпродуктів реакції поверхнею кристалу; 9) десорбція кінцевих продуктів реакції; 10) дифузія десорбованих продуктів в середовище розчину травника. В запропонованому способі для зняття порушеного шару замість стандартного рідкофазного поліруючого травника на основі чистого брому використовується бромвиділяюча суміш нітратної, бромистоводневої та тартратної кислот. Такий травник може зберігатись тривалий час, є більш ефективним, зручним і безпечним у використанні за рахунок меншої токсичності. Додаткове застосування хіміко-механічного полірування (ХМП) забезпечує досягнення достатньо якісної поверхні детектора завдяки керуванню швидкістю видалення матеріалу за допомогою зміни тиску на пластину і швидкості обертання полірувального пристрою. Додаткове ізотропне (поліруюче) ХМП з використанням бромвиділяючої суміші бромистоводневої кислоти, пероксиду водню та етиленгліколю, при якому розчинення напівпровідникового матеріалу відбувається з однаковою швидкістю по всіх кристалографічних площинах, дозволяє рівномірно стравлювати тонкі порушені шари та отримувати достатньо якісну, рівну та чисту поверхню, придатну для ефективного нанесення контактів. При проведенні цієї операції потрібно також враховувати, що ХМП здійснюється за допомогою як хімічного розчинення, що відбувається при взаємодії поверхні кристалу з травильним розчином, так і механічної взаємодії цієї ж поверхні з полірувальником, в результаті якої також проходить видалення шарів напівпровідника. Необхідно відмітити, що запропоновані нами травильні суміші, як показали проведені дослідження, діють надзвичайно м'яко, однорідно і рівномірно як під час зняття порушеного шару бромвиділяючою сумішшю нітратної, бромистоводневої та тартратної кислот, так і під час використання ХМП бромвиділяючим травником на основі суміші пероксиду водню, бромистоводневої кислоти та етиленгліколю для додаткового остаточного (фінішного) формування поверхні Cd1-xZnxTе-пластин, найбільш оптимальної для нанесення контактів. Загальна швидкість такого гетерогенного процесу визначається швидкостями окремих стадій, при цьому процес лімітує (обмежує) найбільш повільна стадія [3]. На швидкість розчинення найбільше впливають фактори, пов'язані з хімічною природою, типом зв'язку елементів в напівпровідниковій сполуці, наявністю домішок, що ввійшли в 5 гратку кристалу, та їх хімічною природою, кристалографічною орієнтацією поверхні, тріщинами, дислокаціями, точковими дефектами. Приклад виготовлення детектора. Для виготовлення детекторів γ- та Xвипромінювання були використані високоомні монокристали Cd1-xZnxTe. Після різки монокристала на пластини, їх механічно шліфували водними суспензіями абразивних порошків М-10, М-5 та М-1 в порядку зменшення зернистості. Процес шліфування проводили на скляному шліфувальнику, почергово обробляючи пластини з обох сторін протягом 3 хв., після чого їх ретельно промивали теплою дистильованою водою із додаванням невеликої кількості поверхнево-активних речовин, потім декілька разів дистильованою водою, ізопропіловим спиртом та висушували на повітрі. Отриманий в результаті механічного полірування поверхні порушений шар (100-150 мкм) видаляли за допомогою розробленого нами універсального рідкофазного бромвиділяючого поліруючого травника НNО3-НВr-С4Н6О6 зі швидкістю травлення (v)≈35 мкм/хв. Швидкість травлення визначали за зменшенням товщини пластин до і після травлення за допомогою годинникового індикатора ШИПІ з точністю ±0,5 мкм. На відміну від стандартного рідкофазного поліруючого травника на основі чистого брому, запропонована нами травильна суміш є менш токсичною та агресивною і може зберігатись тривалий час. Після цього додатково проводили хімікомеханічне полірування (ХМП) пластин впродовж 3 хв. другим розробленим нами травильним розчином Н2О2-НВr-С2H4(ОН)2 зі швидкістю полірування v≈1 мкм/хв. Процес проводили на скляному полірувальнику, обтягнутому синтетичною тканиною, стійкою до поліруючих суспензій, механічного зношування і зсування при поліруванні, який має однорідні властивості та однакову товщину по всій робочій зоні полірувальника. Після травлення зразки промивали спочатку 0,1 М водним розчином Nа2S2О3, а потім великою кількістю дистильованої води та висушували в струмені повітря [5]. Напилення контактного металу здійснювали одиночним імпульсом технологічного лазера. Після цього проводять лазерне вплавлення контактного металу одиночним імпульсом технологічного лазера з енергією кванта hv≥Eg і густиною енергії в 2 імпульсі 0,08-0,15 Дж/см , причому опромінення проводять з протилежної по відношенню до контактного шару сторони. Потім наносили електричні контакти і виготовлявся сам детектор. Для вимірювання спектрометричних властивостей детекторів з нанесеними контактами був використаний спектрометрический тракт і тестові 241 137 гамма-джерела Аm и Cs активністю приблиз 64429 6 но 1 мкКі кожний. Держак для зразків був світлозахищений а сам зразок безпосередньо опромінювався гамма-квантами. На графічному зображенні представлено спектральну чутливість до γ-випромінювання з викори241 станням радіоізотопу Am детектора на основі високоомного Cd1-xZnxTe, виготовленого запропонованим способом. Без проведення додаткового ХМП детектор взагалі був нечутливий до америцію, а після, як видно з графічного зображення, на спектрі чітко проявлялись піки, що пов'язані з γвипромінюванням америцію. При прикладанні робочої напруги 300 В відношення сигнал/шум становило 12:1. Проведені дослідження показали, що завдяки використанню як поліруючого травника бромвиділяючої суміші нітратної, бромистоводневої та тартратної кислот і додаткового проведення хімікомеханічного полірування напівпровідникової пластини бромвиділяючим травником на основі суміші пероксиду водню, бромистоводневої кислоти та етиленгліколю впродовж 2-4 хв., стало можливим виготовлення Cd1-xZnxTe-детектора іонізуючого випромінювання, більш чутливого до низькоенергетичного випромінювання, наприклад, до γвипромінювання радіоактивного ізотопу америцію 211 ( Аm), а також використання менших за розмірами напівпровідникових монокристалічних пластин Cd1-xZnxTe і, відповідно, досягнення меншої вартості детектора за рахунок підвищення його питомої чутливості. Література: 1. Корбутяк Д.В., Мельничук С.В., Корбут Є.В., Борисюк М.М.: Телурид кадмію: домішководефектні стани та детекторні властивості, К., 2000 p. - 198 с. 2. Корбутяк Д.В., Бобицький Я.В., Будзуляк С.І., Вахняк Н.Д., Демчина Л.А. Єрмаков В.М., та ін. Спосіб виготовлення детектора γ-та Хвипромінювання на основі високоомних напівпровідників CdTe та CdZnTe. Деклараційний патент па винахід № 46513А, Україна, Опубл. 15.05.02; Бюл. № 5 «Промислова власність», 6 с. 3. Сангвал К. Травление кристаллов: Теория, эксперимент, применение. М.: Мир, 1990 г. - 496 с. 4. С.Н. Никифорова-Денисова, Механическая и химическая обработка. Серия «Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники», кн. 4, М.: "Высшая школа", 1989 г. - 95 с. 5. Tomashik Z.F., Tomashik V.M., Stratiychuk I.B., Okrepka G.M., Hnativ I.I., Moravec P., Hoschl P., Bok J. Chemical-mechanical polishing of CdTe and ZnxCd1-xTe single crystals by Н2O2(HNO3)-HBrorganic solvent etchant compositions // J. Electron. Mater., 2009. V. 38, № 8. P. 1637-1644. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 64429 8 Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601