Детектор заряджених частинок та іонізуючих випромінювань і спосіб його виготовлення

Реферат: Винахід належить до фізики й техніки потоків заряджених частинок, рентгенівського та інших іонізуючих випромінювань, а точніше до проблеми їх реєстрації. Винахід може бути UA 111418 C2 (12) UA 111418 C2 використано для виготовлення детекторів, що дозволяють визначати інтенсивність, положення та профілі пучків заряджених частинок або рентгенівського випромінювання. Детектор заряджених частинок і іонізуючих випромінювань, складається з кремнієвої пластини, що має на тильній стороні шар металу з наскрізним отвором як в металі, так і в кремнії. З лицьового боку пластини детектор містить металеві стріпи, товщиною 1,5-2 мкм, що покривають всю площу отвору і зафіксовані кінцями на її лицьовій стороні. Шар металу з тильного боку виконаний товщиною 2,5-10 мкм, а кремнієва пластина з шаром металу на тильній стороні пластини має наскрізний отвір розділений на клітинки перемичками шириною 0,5-5 мм у вигляді решітки з шириною кожної клітинки 8-10 мм. Спосіб виготовлення детектора включає: нанесення металу на лицьову сторону кремнієвої пластини товщиною 1,5-2 мкм, нанесення металу на тильну сторону кремнієвої пластини, формування методами фотолітографії металевих стріпів на лицьовій стороні пластини, формування методами фотолітографії отвору в металевому покритті на тильній стороні пластини і формування отвору в кремнієвій пластині на всю її товщину методом плазмохімічного травлення, при якому метал тильного боку служить маскою. На тильну сторону кремнієвої пластини наносять шар металевого покриття товщиною 0,3-2 мкм, в якому формують отвір з перемичками шириною 0,5-5 мм у вигляді решітки з шириною кожної клітинки 8-10 мм. На ці перемички додатково наносять шар металу до товщини 2,5-10 мкм і формують наскрізний отвір в кремнієвій пластині з перемичками, форма і розмір яких відповідають металевим. Технічним результатом запропонованого винаходу є можливість працювати на "просвіт", не поглинаючи випромінювання, низька робоча напруга, висока роздільна здатність і відсутність деградації, що досягається завдяки малій товщині стріпів (1,5-2 мкм). UA 111418 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до фізики й техніки потоків заряджених частинок, рентгенівського та інших іонізуючих випромінювань, а точніше до проблеми їх реєстрації. Винахід може бути використано для виготовлення детекторів, що дозволяють визначати інтенсивність, положення та профілі пучків заряджених частинок або рентгенівського випромінювання. Області застосування подібних детекторів - це наукові дослідження, системи діагностики прискорювальної техніки, мас-спектрометрія, рентгеноскопія, електронно-променева мікроскопія та ін. Особливість подібних детекторів полягає в тому, що встановлені на шляху пучка частинок або випромінювання, вони повинні бути "прозорі" для досліджуваного випромінювання, мати високу роздільну здатність (від декількох мікрон), низьку робочу напругу (не більше десятків вольт), великі робочі площі і, в той же час, не повинні деградувати під впливом цих випромінювань (часток), тобто мати високу радіаційну стійкість. Відомо кілька типів детекторів потоків заряджених частинок і іонізуючих випромінювань, близьких за функціями, конструкцією і технологією виготовлення. Напівпровідникові мікростріпові детектори призначені для точного визначення координат частинок [1]. Вони являють собою пластини монокристала напівпровідникового матеріалу, як правило кремнію, на одну з поверхонь яких наносяться тонкі плівкові електроди (стріпи), віддалені один від одного на відстань 5 і більше мікрон, а інша покривається шаром металевої плівки. На електроди подається напруга кілька десятків вольт. Електронно-діркові пари, утворені зарядженою частинкою, що пролітає в кристалі, рухаються до найближчих електродів і реєструються у вигляді імпульсів струму. Просторова роздільна здатність мікростріпових детекторів поступається тільки ядерним емульсіям і досягає 5 мкм. Основними недоліками цих детекторів є сильне поглинання випромінювання напівпровідником, через який проходить випромінювання, а також деградація напівпровідникового матеріалу при інтенсивному опроміненні. Тому вони не можуть застосовуватися для аналізу пучків частинок на "просвіт". Багатодротова пропорційна камера (БПК), яка була розроблена в 1963р., являє собою систему тонких паралельних дротинок, розташованих в одній площині, які є анодами і знаходяться в газовому об'ємі між двома плоскими паралельними один одному і анода катодами (суцільними або дротяними). В типовому випадку анодні дротинки віддалені одна від одної на 2 мм і від катодів знаходяться на відстані 8 мм. Різниця потенціалів між анодом і катодом досягає кілька кіловольт [1]. БПК може використовуватися для аналізу на "просвіт". Основними недоліками БПК є складність конструкції, а значить і висока вартість, дуже висока робоча напруга і просторова роздільна здатність не краще 1-2 мм. Відома Радіаційна Моніторингова Система (РМС), заснована на технології Металевих Фольгових Детекторів (МФД) [2]. Принцип роботи її заснований на вторинній електронній емісії (BEE) з поверхні металевої фольги (шар 10-50 нм) викликаної впливом заряджених частинок. BEE викликає позитивний заряд в фользі, який зчитується дуже чутливим зарядовим інтегратором. РМС пропускає заряджені частинки і іонізуюче випромінювання, але недостатньо добре через використання досить товстої фольги (~ 50 мікрон). Основним недоліком цієї системи є використання великих розмірів окремих чутливих елементів з фольги, що не дозволяє забезпечувати високу просторову роздільну здатність. Відомі також металеві мікростріпові детектори (ММД) [3], прийняті нами за прототип, які є модифікацією МФД. Принцип роботи детектора, як і у МФД, заснований на вторинній електронній емісії з поверхні стріпів (шар 10-50 нм), викликаної впливом заряджених частинок. BEE викликає позитивний заряд у відповідному стріпі, який зчитується дуже чутливим зарядовим інтегратором і дає інформацію про просторову конфігурацію пучка випромінювання. ММД складається з кремнієвої пластини, що має на тильній стороні шар металу з наскрізним отвором як в металі так і в кремнії і містить з лицьового боку кремнієвої пластини металеві стріпи (смужки), що покривають всю площу отвору, зафіксовані кінцями на лицьовій стороні кремнієвої пластини. Стріпи (паралельні смужки металу) мають товщину 1,5-2 мікрони, ширина і відстань між стрілами може бути 5 і більше мікрон, а довжина вільної від кремнію (робочої) частини стріпа, яка практично висить у повітрі, не більше 8-1 мм. Кремній з-під робочої частини повністю видаляється методом плазмохімічного травлення. При цьому кінці стріпів залишаються зафіксованими на кремнієвій підкладці і мають контактні площадки для приєднання схеми зчитування сигналів. Спосіб виготовлення таких детекторів полягає в наступному [3]: 1. Нанесення нікелю товщиною 1,5-2 мкм на обидві сторони кремнієвої пластини вакуумним напиленням. 2. Формування нікелевих стріпів товщиною 1,5-2 мкм на лицьовій стороні пластини методами фотолітографії. 1 UA 111418 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 3. Формування вікна в нікелевому покритті на звороті пластини методами фотолітографії. 4. Методом плазмохімічного травлення формування наскрізного отвору в кремнієвій основі на всю глибину пластини (450-500 мкм) із зворотного боку пластини. При цьому маскою служить нікель, що залишився на пластині. ММД можуть працювати на "просвіт", тому що стріпи мають товщину не більше 2 мкм, мають хорошу просторову роздільну здатність, яка визначається шириною стріпів і відстанню між ними і може становити величину порядку 5 мкм, мають низьку робочу напругу в декілька десятків вольт і практично не деградують з часом. Однак площа ММД, при довжині вікна у 2 кремнії 20-60 мм, обмежена довжиною стріпів 8-10 мм і не перевищує (8-10)(20-60)=600 мм . Основним недоліком пристрою і способу виготовлення ММД є неможливість виготовлення детекторів великої площі. Це пов'язано з тим, що стріли товщиною 1,5-2 мкм при довжині більш 8-10 мм обриваються під дією внутрішніх напружень і зовнішніх впливів. Тобто площа аналізу пучків частинок або випромінювань обмежена довжиною стріпів не більше 10 мм. Задачею запропонованого винаходу є збільшення площі детектора шляхом забезпечення можливості збільшення робочої довжини стріпів при збереженні всіх позитивних якостей ММД. Це мала товщина стріпів (1,5-2 мкм), що дозволяє детектору працювати на "просвіт", не поглинаючи випромінювання, низька робоча напруга, висока роздільна здатність і відсутність деградації. Поставлена задача вирішується тим, що детектор заряджених частинок і іонізуючих випромінювань складається з кремнієвої пластини, що має на тильній стороні шар металу з наскрізним отвором як в металі, так і в кремнії і містить з лицьового боку пластини металеві стріпи, товщиною 1,5-2 мкм, що покривають всю площу отвору і зафіксовані кінцями на лицьовій стороні кремнієвої пластини, при цьому шар металу з тильного боку виконаний товщиною 2,5-10 мкм, а кремнієва пластина з шаром металу на тильній стороні пластини має наскрізний отвір розділений на клітинки перемичками шириною 0,5-5 мм у вигляді решітки з шириною кожної клітинки 8-10 мм. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб виготовлення детектора включає: нанесення металу на лицьову сторону кремнієвої пластини товщиною 1,5-2 мкм, нанесення металу на тильну сторону кремнієвої пластини, формування методами фотолітографії металевих стріпів на лицьовій стороні пластини, формування методами фотолітографії отвору в металевому покритті на тильній стороні пластини і формування отвору в кремнієвій пластині на всю її товщину методом плазмохімічного травлення, при якому метал тильного боку служить маскою, при цьому на тильну сторону кремнієвої пластини наносять шар металевого покриття товщиною 0,3-2 мкм, в якому формують отвір з перемичками шириною 0,5-5 мм у вигляді решітки з шириною кожної клітинки 8-10 мм, на ці перемички додатково наносять шар металу до товщини 2,5-10 мкм і формують наскрізний отвір в кремнієвій пластині з перемичками, форма і розмір яких відповідають металевим. На кресл. зображена конструкція детектора, а - з лицьового боку, б - розріз по лінії А-А, в - з тильного боку. Металеві стріпи 1 розташовані на лицьовій стороні кремнієвої пластини 2. Ці ж стріпи показані і на розрізі А-А. Захисна металізація 3 розташована на тильній стороні пластини. 4 - це наскрізні клітинки в металі і кремнієвій пластині, що утворюють в отворі решітку з перемичками 5, форма і розмір яких відповідають перемичкам з металу. Спосіб виготовлення детектора полягає в наступному. На кремнієву пластину 2 (див. кресл.) наносять з лицьового боку шар металу товщиною, рівною товщині стріпів, а на тильну завтовшки 0,3-2 мкм. Метал наноситься методом вакуумного напилення або іншим, що забезпечує хорошу адгезію. Методами фотолітографії, формують стріпи 1 на лицьовій стороні пластини кремнію, а на тильній стороні, в шарі металізації 3, формують отвір з перемичками 5. Металізацію 3 на тильній стороні пластини потовщують до товщини 2,5-10 мкм, наприклад методом гальванічного нарощування. Після цього, методом плазмохімічного травлення формують в кремнієвій пластині наскрізні клітинки 4. При цьому маскою служить шар металу. Плазмохімічне травлення кремнію, на відміну від рідинного або будь-якого іншого, використовується тому, що тільки цей метод забезпечує мінімальне механічне навантаження на дуже тонкі (1,5-2 мкм), та довгі (8-10 мм) стріпи. Порівняльний аналіз з прототипом показує, що конструкція, що заявляється відрізняється тим, що площу детектора можна зробити значно більшою, подовживши робочу частину кожного стріпа (частина, що висить в повітрі), використовуючи підтримуючі перемички з кремнію з шаром металу у вигляді решітки, шириною 0,5-5 мм через кожні 8-10 мм. Це дозволить у декілька разів збільшити робочу площу детектора, а значить і переріз пучка випромінювання, що аналізується. Однак, шар металу із зворотного боку пластини, використовуваний в прототипі, товщиною 1,5-2 мкм в процесі плазмохімічного травлення кремнію поступово руйнується, іноді приводячи до 2 UA 111418 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 підтравлювання пластини, що не суттєво для невеликого отвору і її товщини 450-500 мкм. При виготовленні ж детекторів великого розміру і використанні пластин кремнію більшої площі, а значить і більшої товщини (600 мкм і більше), шар металу, який служить маскою при травленні кремнію, особливо при наявності тонких (0,5-5 мм) перемичок, повинен бути товщиною від 2,5 мкм до 10 мкм, в залежності від товщини кремнієвої пластини. В способі реалізації такої конструкції, нанесення металу на зворотну сторону кремнієвої пластини товщиною не менше 2,5 мкм пропонується забезпечити в два етапи. На першому етапі товщину металу можна зробити всього 0,3-2 мкм, спрощуючи, таким чином, складний процес нанесення металу, що забезпечує хорошу адгезію, наприклад вакуумне напилення. На другому етапі металізації шар металу додатково можна потовщити простішим способом, наприклад гальванічним нарощуванням, від товщини 0,3-2 аж до 10 мкм, але не менше 2,5 мкм. Вакуумним напиленням або іншим способом, який забезпечує хорошу адгезію, отримати метал товщиною до 10 мкм практично неможливо. Але навіть, якщо вдасться нанести на зворотну сторону метал товщиною до 10 мкм, протравити такий шар металу після фотолітографії неможливо через слабку хімічну стійкість фоторезисту. На параметри самого детектора ця зміна технології не впливає, оскільки товщина та конфігурація стріпів залишається незмінною, а їх ширину і відстань між стріпами можна робити будь-якими, зберігаючи роздільну здатність як в прототипі. Робота детектора, як і в прототипі, заснована на вторинній електронній емісії з поверхні стріпів (шар 10-50 нм), викликаної впливом заряджених частинок. BEE викликає позитивний заряд у відповідному стріпі, який зчитується дуже чутливим зарядовим інтегратором і дає інформацію про просторову конфігурацію пучка. Практична відсутність деградації обумовлена тим, що чутливі елементи, стріпи, виконані з металу. А метали, як відомо дуже слабо змінюють свої властивості під дією різного роду випромінювань. Приклад конкретного виконання. Для випробувань були виготовлені детектор іонізуючого та рентгенівського випромінювання загальним розміром 6060 мм (см. Фіг.). Робоча частина детектора мала розмір 4040 мм або 2 1600 мм . Стріпи були виконані з розмірами 52 мм довжиною, 300 мкм шириною і 1,9 мкм завтовшки. Частини стріпів, довжиною по 6 мм з кожного боку, були зафіксовані на кремнієвій пластині. По довжині стріпи підтримувалися трьома перемичками шириною 1,5 мм з відстанню між ними 10 мм, а вздовж стріпів розташовувалася ще одна перемичка шириною 1,5 мм, ще більше посилюючи міцність конструкції. Таким чином, отримали 8 клітинок з розміром кожної приблизно 2010 мм. Детектор виконувався за такою технологією. На кремнієву пластину завтовшки 600 мкм з лицьового боку нанесли шар нікелю товщиною 1,9 мкм, а на тильну 0,5 мкм нікелю методом вакуумного напилення. Потім, методами фотолітографії на лицьовій стороні були сформовані стріпи довжиною 52 мм, а на тильній стороні - нікелева решітка з зазначеними вище розмірами. Гальванічним нарощуванням шар нікелю із зворотного боку був потовщений до 4,5 мкм. Потім, методом плазмохімічного травлення, в кремнієвій пластині були сформовані наскрізні отвори. При цьому маскою служив шар нікелю товщиною 4,5 мкм. Детектор був випробуваний під час моніторингу профілю пучка рентгенівського 14 2 випромінювання з енергією 15 кеВ, інтенсивністю 4,10 фотон/сек/мм . Розрахований 4 конверсійний фактор складав 1,510 фотон/сек., що відповідало величині фактору, 4 одержаному при вимірюванні детектором виконаним по технології прототипу (1,6510 фотон/сек.). Використання детектора показало його здатність реєструвати випромінювання з хорошою чутливістю при використанні робочої напруги 20 В і повну відсутність деградації. Крім того, нова технологія дозволила в 3 рази зменшити час нанесення нікелю із зворотного боку пластини вакуумним напиленням, що істотно спростило цю операцію. Гальванічне дорощування нікелю до товщини 4,5 мкм не представляє складності. Така товщина нікелю достатня щоб вона не зруйнувалася при травленні кремнієвої пластини товщиною 600 мкм. Таким чином, використання винаходу дозволило в 4 рази збільшити довжину стріпів і майже в 3 рази площу аналізованого пучка випромінювання при збереженні основних параметрів прототипу. Це стосується чутливості, робочої напруги, відсутності деградації і т.д. При цьому з'явилась можливість аналізувати пучки випромінювання виготовленим детектором діаметром до 35-40 мм, що раніше взагалі було неможливо. 55 Джерела інформації: 1. Дугинов В.Н. "Детекторы ядерных излучений". Інтернет: duginov-mirea.narod.ru>off-line/. 2. Pugatch V., Aushev V., Bauer C. et al. Metal Foil Detectors and their applications. Nucl. Instr. Meth.-2004. - Vol. A535. - P. 566-569. 3 UA 111418 C2 3. Пугач В.М., Перевертайло В.Л., Федорович О.А., Борисенко А.Г., Костин Е.Г., Кругленко М.И., Полозов Б.П., Тарасенко Л.И. Мікростріпові металеві детектори. Ядерна фізика та енергетика. - 2006. - № 1 (17). - С. 95-101. Прототип. 5 10 15 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Детектор заряджених частинок і іонізуючих випромінювань, що містить кремнієву пластину, що має на тильній стороні шар металу з наскрізним отвором як в металі, так і в кремнії, і містить з лицьового боку пластини металеві стріпи, товщиною 1,5-2 мкм, що покривають всю площу отвору і зафіксовані кінцями на лицьовій стороні кремнієвої пластини, який відрізняється тим, що шар металу з тильного боку виконаний товщиною 2,5-10 мкм, а наскрізний отвір розділений на клітинки перемичками шириною 0,5-5 мм у вигляді решітки з шириною кожної клітинки 8-10 мм. 2. Спосіб виготовлення детектора заряджених частинок та іонізуючих випромінювань, який включає: нанесення металу на лицьову сторону кремнієвої пластини товщиною 1,5-2 мкм, нанесення металу на тильну сторону кремнієвої пластини, формування методами фотолітографії металевих стріпів на лицьовій стороні пластини, формування методами фотолітографії отвору в металевому покритті на тильній стороні пластини і формування отвору в кремнієвій пластині на всю її товщину методом плазмохімічного травлення, при якому метал тильного боку служить маскою, який відрізняється тим, що на тильну сторону кремнієвої пластини наносять шар металевого покриття товщиною 0,3-2 мкм, отвір в якому формують з перемичками шириною 0,5-5 мм у вигляді решітки з шириною кожної клітинки 8-10 мм, на ці перемички додатково наносять шар металу до товщини 2,5-10 мкм, а наскрізний отвір в кремнієвій пластині формують з перемичками, форма і розмір яких відповідають металевим. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4