基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种硅PIN辐射探测器及其制备方法，包括：器件层硅片(1)和支撑层硅片(4)，两者之间通过键合的方式连接，两者之间形成有第一二氧化硅层(2)；N

【技术实现步骤摘要】
基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器及制备方法
本专利技术涉及核辐射探测领域，尤其涉及一种基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器及制备方法。
技术介绍
硅PIN探测器通过探测辐射粒子射入探测器后产生的瞬间脉冲电流信号来测量粒子能量和鉴别粒子种类。硅PIN探测器具有结构简单、灵敏度高、线性度好、时间响应快、动态范围大、真空性能稳定等特点，在脉冲辐射场的测量与诊断等核物理研究中有重要应用价值。超薄硅PIN辐射探测器在核辐射探测中有重要应用，比如脉冲辐射探测器，其能够获得超快的信号脉冲上升时间，实现对快辐射脉冲束时间参数的测量。最直接的超薄探测器制造方法是研磨硅片减薄至所需厚度，但由于这样的薄片在制造过程中极容易碎，导致无法正常制造出超薄探测器。为了增强超薄探测器的机械性能，目前主流做法是通过挖孔减薄的方式得到具有支撑结构的超薄探测器，减薄的方法有干法刻蚀和用TMAH(四甲基氢氧化铵)腐蚀硅基片两种。干法刻蚀的空腔侧壁和底面成90°夹角，机械性能差，易导致碎片，并且干法刻蚀也容易造成表面损伤，降低探测器的性能。所以一般选用TMAH腐蚀硅基片至一定厚度得到超薄探测器。然而，采用TMAH腐蚀硅基片减薄也会带来很多问题。首先，该方法通过控制腐蚀时间和相应腐蚀条件下的腐蚀速率来得到所需厚度的探测器，但腐蚀速率受多种因素影响，难以得到一个恒定的腐蚀速率，这会导致探测器厚度难以控制，厚度均匀性差，不具有可重复性，对于生产应用是个致命的问题。因为，超薄探测器应用直接与探测器厚度相关，厚度的不一致意味着就必须为每一个探测器配备相应的处理系统，无法批量使用。其次，湿法腐蚀不可避免的会增加探测器表面的粗糙性，导致漏电流增大，进而影响探测器分辨率，尽管可以通过降低腐蚀速率来得到一个粗糙性相对较低的腐蚀表面来控制漏电流提高探测器分辨率，但无法从根本上消除这一方法的缺陷。降低腐蚀速率增加了腐蚀的时间，对生产应用不利。上述问题导致难以大批量生产特定厚度且具有相同厚度的高性能探测器。另外，对于超薄探测器的制备，减少工艺步骤有利于提高成品率。因此，有必要研发出一套更加简易的超薄探测器的制备方法。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对于现有的技术问题，本专利技术提供一种基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器及制备方法，这种硅PIN辐射探测器可应用于核辐射探测中的ΔE-E望远镜以鉴别粒子种类以及测量粒子能量、时间参数等。用于至少部分解决以上技术问题。(二)技术方案本专利技术一方面提供一种硅PIN辐射探测器，包括：器件层硅片1和支撑层硅片4，两者之间通过键合的方式连接，两者之间形成有第一二氧化硅层2；N+区3，其以掺杂的形式形成在器件层硅片1用于键合的表面；P+区6，其以掺杂的形式形成在器件层硅片1上与用于键合的表面相对的表面，P+区6上覆盖有薄金属层8，薄金属层8边缘设有场板7；第二二氧化硅层5，其形成在器件层硅片1上除所述P+区6外的表面；支撑层硅片4对应N+区3的位置形成有里窄外宽的空腔结构10，支撑层硅片4及空腔结构10表面覆盖有厚金属层11。可选地，器件层硅片1为<111>晶向的N型硅，其电阻率大于1000欧姆·厘米，厚度小于等于100微米；支撑层硅片4为<100>晶向的N型硅，电阻率小于10欧姆·厘米，厚度为300微米～600微米。可选地，薄金属层8与器件层硅片1的接触面积小于P+区6的面积；N+区3面积与器件层硅片1用于键合的表面的面积相等。可选地，薄金属层8的厚度为800埃～至1200埃；厚金属层11的厚度在0.8微米至1.4微米范围内。可选地，空腔结构10的横截面积为八边形或者圆形，支撑层硅片4上与用于键合的表面相对的表面与空腔结构10的侧壁所夹锐角为54.74°。本专利技术另一方面提供一种硅PIN辐射探测器的制备方法，包括：S1，在器件层硅片1一表面生长第一二氧化硅层2，并通过离子注入在该表面形成N+区3；S2，将器件层硅片1与支撑层硅片4通过键合的方式连接，第一二氧化硅层2处于两者之间；S3，在器件层硅片1及支撑层硅片4上与用于键合的表面相对的表面生长第二二氧化硅层5；S4，在器件层硅片1的第二二氧化硅层5上光刻正面探测窗口图形，并在正面探测窗口图形处通过离子注入形式在器件层硅片1表面形成P+区6；S5，在器件层硅片1的第二二氧化硅层5上光刻金属/硅接触窗口图形，去除金属/硅接触窗口图形内的第二二氧化硅层5；S6，在P+区6对应的器件层硅片1表面形成具有场板结构7的薄金属层8；S7，在器件层硅片1及支撑层硅片4上与用于键合的表面相对的表面沉积氮化硅层9；S8，在支撑层硅片4上的氮化硅层9上光刻背面探测窗口图形，去除背面探测窗口图形内的氮化硅层9及第二二氧化硅层5，暴露支撑层硅片4；S9，去除背面探测窗口图形内的支撑层硅片4，形成里窄外宽的空腔结构10，暴露第一二氧化硅层2；S10，去除器件层硅片1上的氮化硅层9、支撑层硅片4上的第二二氧化硅层5和氮化硅层9以及空腔结构10的第一二氧化硅层2；S11，在支撑层硅片4与用于键合表面相对的表面及空腔结构10内溅射厚金属层11；S12，进行合金处理，使金属和硅形成欧姆接触。可选地，器件层硅片1为<111>晶向的N型硅，其电阻率大于1000欧姆·厘米，厚度小于100微米；支撑层硅片4为<100>晶向的N型硅，电阻率小于10欧姆·厘米，厚度为300微米～600微米。可选地，第二二氧化硅层5的厚度为800埃～1200埃；氮化硅层9的厚度为800埃～2000埃。可选地，通过磷离子注入，形成N+区3，通过硼离子注入，形成P+区6。可选地，在上述操作S9中，采用四甲基氢氧化铵腐蚀背面探测窗口内的支撑层硅片4，形成里窄外宽的空腔结构10，四甲基氢氧化铵腐蚀液的浓度为10wt％到25wt％，腐蚀温度为80℃到95℃。(三)有益效果本专利技术提出一种基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器及制备方法，具有以下有益效果：a、超薄PIN辐射探测器具有厚度薄、面积大、机械性能好、探测器厚度确定的优点，应用此种结构可大批量生产同样厚度的超薄探测器，并且探测器厚度可控。而且本专利技术从根本上消除了TMAH湿法腐蚀或干法刻蚀硅带来的探测器表面的不平整性，这对于降低探测器漏电流具有重要作用。b、采用两片不同晶向、不同电阻率的硅片进行高温键合制得硅基片，用于制造超薄探测器。其中，高阻<111>晶向的器件层硅片1的应用有利于降低漏电流且进行粒子探测时可得到较强的信号；低阻<100>晶向的支撑层硅片4适用于TMAH溶液中进行腐蚀，有利于腐蚀工艺的完成，并且采用低阻硅可以降低制造成本。c、超薄PIN探测器的制备方法中采用了耐高温光刻胶作正面P+区的离子注入掩膜，只需一次光刻就可得到正面薄铝图形，形成正面薄窗结构，薄窗结构可减小探测器死层厚度，提高探测器分辨率，工艺技术简单，对于超薄探测器的制备来说，不仅可以降低成本，而且也提高了超薄探测器的成品率。附图说明图1是本专利技术实施例的基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器的结构示意图。图2是本专利技术实施例的基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器的制备方法流程图。图3A-3J是本专利技术实施例的基于键合基片的超薄硅PIN辐射探测器制备方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅PIN辐射探测器，其特征在于，包括：器件层硅片(1)和支撑层硅片(4)，两者之间通过键合的方式连接，两者之间形成有第一二氧化硅层(2)；N

【技术特征摘要】
1.一种硅PIN辐射探测器，其特征在于，包括：器件层硅片(1)和支撑层硅片(4)，两者之间通过键合的方式连接，两者之间形成有第一二氧化硅层(2)；N+区(3)，其形成在所述器件层硅片(1)用于键合的表面；P+区(6)，其形成在所述器件层硅片(1)上与用于键合的表面相对的表面，所述P+区(6)上覆盖有薄金属层(8)，所述薄金属层(8)边缘设有场板(7)；第二二氧化硅层(5)，其形成在所述器件层硅片(1)上除所述P+区(6)外的表面；所述支撑层硅片(4)对应所述N+区(3)的位置形成有里窄外宽的空腔结构(10)，所述支撑层硅片(4)及空腔结构(10)表面覆盖有厚金属层(11)。2.根据权利要求1所述的硅PIN辐射探测器，其特征在于，所述器件层硅片(1)为<111>晶向的N型硅，其电阻率大于1000欧姆·厘米，厚度小于等于100微米；所述支撑层硅片(4)为<100>晶向的N型硅，电阻率小于10欧姆·厘米，厚度为300微米～600微米。3.根据权利要求1所述的硅PIN辐射探测器，其特征在于，所述薄金属层(8)与所述器件层硅片(1)的接触面积小于所述P+区(6)的面积；所述N+区(3)面积与所述器件层硅片(1)用于键合的表面的面积相等。4.根据权利要求1所述的硅PIN辐射探测器，其特征在于，所述薄金属层(8)的厚度为800埃～至1200埃；所述厚金属层(11)的厚度在0.8微米至1.4微米范围内。5.根据权利要求1所述的硅PIN辐射探测器，其特征在于，所述空腔结构(10)的横截面积为八边形或者圆形，所述支撑层硅片(4)上与用于键合的表面相对的表面与所述空腔结构(10)的侧壁所夹锐角为54.74°。6.一种硅PIN辐射探测器的制备方法，其特征在于，包括：S1，在器件层硅片(1)一表面生长第一二氧化硅层(2)，并通过离子注入在该表面形成N+区(3)；S2，将所述器件层硅片(1)与支撑层硅片(4)通过键合的方式连接，所述第一二氧化硅层(2)处于两者之间；S3，在所述器件层硅片(1)及支撑层硅片(4)上与用于键合的表面相对的表面生长第二二氧化硅层(5)；S4，在所述器件层硅片(1)的所述第二二氧化硅层(5)上光刻正面探测窗口图形，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昉东，郝晓勇，赵江滨，张向阳，何高魁，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11