нейтронное легирование кремния что это

Нейтронное легирование кремния что это

Ядерно-легированный кремний

ПРОИЗВОДСТВО ЯДЕРНО-ЛЕГИРОВАННОГО КРЕМНИЯ (ЯЛК)

МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ:

Легирование – процесс введения добавок в полупроводник с целью получения определенных электрофизических свойств.

Целью легирования является получение вещества с требуемыми электрофизическими характеристиками, такими как электрическая проводимость, характером p- и n- перехода и т.д.

Лидирующее место по использованию полупроводниковых материалов занимает кремний.

Наиболее распространенные легирующие добавки в кремнии – фосфор, мышьяк (проводимость n-типа) и бор (р-типа).

В настоящее время внедрение добавок производится тремя способами:

При нейтронно-трансмутационном легировании (НТЛ) легирующие примеси не вводятся в полупроводник, а образуются («трансмутируют») из атома исходного вещества (кремния) в результате ядерных реакций, вызванных облучением исходного вещества тепловыми нейтронами. НТЛ позволяет получать монокристаллический кремний с особо однородным распределением атомов примеси.

Технология НТЛ отличается от металлургической или химической тем, что легирующую добавку вводят не извне, а получают из самого облучаемого материала.

Ядерно-легированный кремний (Neutron transmutation doped silicon) представляет собой ультрачистый кремний, в котором нейтронным излучением реактора часть атомов изотопа 30 Si трансмутировалась в атомы фосфора 31 P, создав примесную проводимость n-типа. Традиционно такое легирование создается путем подмешивания очень небольшого количества фосфора в расплав кремния.

Преимущества ЯЛК перед металлургическим:

При металлургическом способе достичь высокой однородности распределения вводимой примеси очень сложно.

Только метод ЯЛК позволяет получать высококачественный монокристаллический кремний, отвечающий современным требованиям силовой электроники и электроэнергетики по точности и однородности «введения» легирующих примесей, воспроизводимости и стабильности свойств.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

Время жизни неосновных носителей заряда:

— для у.э.с. 15-100 Ом*см

— для у.э.с. 110-200 Ом*см

— для у.э.с. 210-500 Ом*см

ФОРМА ВЫПУСКА:

Исходным материалом для легирования являются слитки монокристаллического кремния в форме цилиндров различного диаметра и разной длины.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ:

— вкачестве эталонов для калибровки зондовых и бесконтактных методов измерений в метрологии.

Источник

СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/263

Описание патента на изобретение RU2089011C1

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых материалов для приборов электронной и электротехнической промышленности.

Технология нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния основана на реакции радиационного захвата нейтронов ядрами кремния, в результате которой в конечном итоге образуются ядра легирующей примеси-фосфора. Распределение этих ядер следует за распределением флюенса тепловых нейтронов по объему слитков кремния. Обычно в технологии НТЛ кремния предъявляют жесткие требования к неравномерности легирования 3-5% или менее. Если контейнер с кремнием при облучении неподвижен относительно зоны облучения (статический режим), то его длина, на которой достигают указанную неравномерность легирования, в несколько раз (или даже в десятки раз) меньше соответствующего линейного размера активной зоны. Поэтому на промышленных реакторах, имеющих большие размеры активной зоны (несколько метров), можно в статическом режиме облучать контейнеры с кремнием длиной 0,5 м и более. В то же время на исследовательских реакторах, исключая тяжеловодные, столь протяженные контейнеры в статическом режиме облучать нельзя, так как линейные размеры их активной зоны меньше метра. В связи с этим на исследовательских реакторах в процессе облучения протяженные контейнеры так или иначе перемещают относительно зоны облучения.

Известен способ НТЛ кремния [1] включающий перемещение через канал ядерного реактора с постоянной скоростью непрерывно следующих друг за другом контейнеров большой протяженности со слитками кремния. В этом способе контейнеры загружают в канал реактора с одной стороны, а выгружают с другой.

Главное достоинство этого способа это почти полное использование объема зоны облучения в канале для легирования кремния. Однако такой способ легирования можно реализовать лишь в канале реактора, к которому возможен доступ с обоих торцов.

Известен также способ НТЛ кремния [2] выбранный в качестве прототипа, включающий возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками кремния по каналу реактора через зону облучения и контроль за усредненным по длине слитков в контейнере флюенсом нейтронов. В этом способе контейнер перемещают как в прямом, так и в обратном направлениях до тех пор, пока слитки кремния полностью не выйдут за зону облучения. Поэтому при каждом пересечении зоны облучения все элементарные объемы слитков облучаются нейтронами с одним и тем же флюенсом

где F_i флюенс нейтронов, набранный при i-м пересечении зоны облучения со скоростью V₁; X₁, X₂-координаты начала и конца зоны облучения, которые выбирают так, что за их пределами облучение слитков нейтронов пренебрежимо мало.

В этом способе при каждом пересечении зоны облучения скорость перемещения контейнера должна быть постоянной, но ее величину можно менять при смене направления движения. При возвратно-поступательном перемещении контейнера через зону облучения контролируют флюенс нейтронов, набираемый слитками кремния в контейнере. Как только флюенс станет равен требуемому, облучение прекращают, контейнер выводят из зоны облучения и перемещают к месту перегрузки контейнеров. В этом способе не требуется двустороннего доступа к каналу реактора. Более того, выгрузку контейнера из канала и загрузку нового контейнера технически целесообразно осуществлять с помощью одного механизма перегрузки.

Однако в этом способе длина канала реактора должна быть достаточной, чтобы контейнер со слитками кремния мог полностью пересекать зону облучения, т. е. длина канала как за пределами зоны облучения, так и перед ней должна быть по крайней мере не меньше длины контейнера со слитками. А это условие не всегда выполняется.

Поэтому в способе НТЛ кремния, включающем, как и прототип, возвратно-поступательное перемещение контейнера со слитками кремния через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненным по длине слитков в контейнере флюенсом нейтронов, в отличие от прототипа, предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль (оси x) выбирают участок (-a≅x≅a), на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией (f(x)=f(-x)), в контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале (2a), а в процессе облучения контейнер со слитками перемещают из одного крайнего положения, в котором слитки в контейнере расположены за пределами зоны облучения, в другое, в котором середина длины слитков совмещена со серединой выбранного участка в канале (x=0), причем после облучения половинным флюенсом от требуемого процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов.

Докажем, что при таком способе легирования слитки кремния будут облучены равномерно.

Левые части выражений (7а) и (7б) равны, поэтому их правые части должны быть равны при любых скоростях V_i, включая случай

Из этого следует, что



а выражение (8) справедливо при любых V_i, если только Ф₁=Ф₂.

Сравнивая при y= 0 выражения (4а) и (4б) соответственно с выражениями (10) и (11), видим, что усредненный флюенс можно контролировать и по значению флюенса в одной точке контейнера y=0.

Суммируя (10) и (11), получим полный средний флюенс нейтронов за все время облучения.

Таким образом, равномерность легирования достигается как в предлагаемом способе, так и в способе по прототипу.

Однако способом по прототипу нельзя легировать кремний в каналах реактора, в которых невозможно полностью пересечь контейнером зону облучения.

Похожие патенты RU2089011C1

Реферат патента 1997 года СПОСОБ НЕЙТРОННО-ТРАНСМУТАЦИОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ

Использование: в технологии изготовления полупроводниковых материалов для приборов электронной и электротехнической промышленности. Сущность изобретения: для использования каналов реактора, в которых невозможно за зоной облучения разместить контейнер со слитками кремния, в способе нейтронно-трансмутационного легирования кремния, включающем возвратно-поступательное перемещение контейнера через зону облучения по каналу реактора и контроль за усредненными по длине слитков флюенсом нейтронов, предварительно в канале реактора формируют нейтронное поле и вдоль канала выбирают участок, на котором распределение плотности потока тепловых нейтронов является четной функцией. В контейнере размещают слитки кремния общей длиной не более длины выбранного участка в канале. В процессе облучения контейнер со слитками перемещают по каналу из одного крайнего положения, в котором середина длины слитков совмещена со срединой выбранного участка. После облучения половинным от требуемого флюенсом нейтронов процесс облучения прерывают, контейнер разворачивают, меняя местами его торцы, и точно так же дооблучают контейнер оставшимся флюенсом нейтронов. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 089 011 C1

Источник

Легирование

Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В разных отраслях применяются разные технологии легирования.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Содержание

Легирование полупроводников

При производстве полупроводниковых приборов легирование является одним из важнейших технологических процессов (наряду с травлением и осаждением).

Цели легирования

Основная цель — изменить тип проводимости и концентрацию носителей в объёме полупроводника для получения заданных свойств (проводимости, получения требуемой плавности pn-перехода). Самыми распространёнными легирующими примесями для кремния являются фосфор Р и мышьяк As (позволяют получить n-тип проводимости) и бор В (p-тип).

Способы легирования

В настоящее время технологически легирование производится тремя способами: ионная имплантация, нейтронно-трансмутационное легирование (НТЛ) и термодиффузия.

Ионная имплантация

Ионная имплантация позволяет контролировать параметры приборов более точно, чем термодиффузия, и получать более резкие pn-переходы. Технологически проходит в несколько этапов:

Ионная имплантация контролируется следующими параметрами:

Нейтронно-трансмутационное легирование

Когда облучаемым веществом является кремний, под воздействием потока тепловых нейтронов из изотопа кремния 30 Si образуется радиоактивный изотоп 31 Si, который затем распадается с образованием стабильного изотопа фосфора 31 P. Образующийся 31 P создаёт проводимость n-типа.

Термодиффузия

Термодиффузия содержит следующие этапы:

Легирование в металлургии

История

Легирование стало целенаправленно применяться сравнительно недавно. Отчасти это было связано с технологическими трудностями. Легирующие добавки просто выгорали при использовании традиционной технологии получения стали. Поэтому для получения дамасской (булатной) стали использовали достаточно сложную по тем временам технологию.

По-видимому, первым удачным использованием целенаправленного легирования можно считать изобретение в 1858 г. Мюшеттом стали, содержащей 1,85 % углерода, 9 % вольфрама и 2,5 % марганца. Сталь предназначалась для изготовления резцов металлообрабатывающих станков и явилась прообразом современной линейки быстрорежущих сталей. Промышленное производство этих сталей началось в 1871 г.

Влияние легирующих элементов

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологических свойств металлы легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Для легирования сталей используются хром, марганец, никель, вольфрам, ванадий, ниобий, титан и другие элементы. Небольшие добавки кадмия в медь увеличивают износостойкость проводов, добавки цинка в медь и бронзу — повышают прочность, пластичность, коррозионную стойкость. Легирование титана молибденом более чем вдвое повышает температурный предел эксплуатации титанового сплава благодаря изменению кристаллической структуры металла. [6] Легированные металлы могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости, прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Так как во всех сталях содержание марганца примерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава остается неощутимым. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали.

Альтернативная версия написанного выше:

Кремний не является карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2 %. Он значительно повышает предел текучести и прочность стали и при содержании более 1 % снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости. Кремний структурно не обнаруживается, так как полностью растворим в феррите, кроме той части кремния, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. [9]

Пример: 03Х16Н15М3Б — высоколегированная качественная сталь, которая содержит 0,03 % C, 16 % Cr, 15 % Ni, до 3 % Mo, до 1,0 % Nb

Отдельные группы сталей обозначаются несколько иначе:

Примеры использования

См. также

Примечания

Ссылки

Полезное

Смотреть что такое «Легирование» в других словарях:

ЛЕГИРОВАНИЕ — (нем. legieren сплавлять от лат. ligo связываю, соединяю), 1) Введение в состав металлических сплавов т. н. легирующих элементов (напр., в сталь Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или… … Большой Энциклопедический словарь

ЛЕГИРОВАНИЕ — (нем. Legirung, от лат. ligare связывать). Сплавливание благородного металла с каким либо другим. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЛЕГИРОВАНИЕ нем. Legirung, от лат. ligare, связывать. Сплавление… … Словарь иностранных слов русского языка

ЛЕГИРОВАНИЕ — (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Современная энциклопедия

легирование — ЛЕГИРОВАТЬ, рую, руешь; анный; сов. и несов., что (спец.). Добавить ( влять) в состав металла другие металлы, сплавы для придания определённых свойств. Легирующие элементы. Легированная сталь. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова.… … Толковый словарь Ожегова

легирование — сущ., кол во синонимов: 1 • микролегирование (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 … Словарь синонимов

легирование — Целенаправл. изменение состава металлич. сплавов введением легир. эл тов для изменения структуры и физ. хим. и механич. св в. Л. применялось еще в глубокой древности. В России первые промышл. опыты были проведены П. П. Аносовым, к рый разработал… … Справочник технического переводчика

Легирование — – введение в состав металлических (в том числе стальных) сплавов т. н. легирующих элементов (хром, никель, молибден и др.) для придании сплавам определенных физико химических или механических свойств. [Терминологический словарь по бетону и… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Легирование — (немецкое legieren сплавлять, от латинского ligo связываю, соединяю), введение в металлический расплав или шихту элементов (например, в сталь хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), повышающих механические, физические и… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ЛЕГИРОВАНИЕ — процесс контролируемого введения примесей (легирующих элементов) в металлы, сплавы и полупроводники с целью получения необходимых физ., хим., а также механических свойств материала или его слоя при бомбардировке поверхности ионами в случае… … Большая политехническая энциклопедия

легирование — см. Легировать. * * * легирование (нем. legieren сплавлять, от лат. ligo связываю, соединяю), 1) введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов (например, в сталь Cr, Ni, Мо, W, V, Nb, Ti и др.) для придания… … Энциклопедический словарь

Источник

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА Российский патент 2014 года по МПК C30B31/20 H01L21/263 G21G1/06

Описание патента на изобретение RU2514943C1

Группа изобретений относится к технологии нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния тепловыми нейтронами, широко применяемого в технологии изготовления приборов электронной и электротехнической промышленности.

Предшествующий уровень техники

Из уровня техники известен способ получения ядерно-легированного кремния n-типа, описанный в патенте RU 2145128, опубликованном 27.01.2000, включающий замедление быстрых нейтронов источника веществом замедлителя, формирование потока тепловых нейтронов и облучение тепловыми нейтронами блока легируемого вещества, обогащенного изотопом кремния 30. К недостаткам данного способа относятся радиационные нарушения легируемого вещества быстрыми нейтронами и отсутствие возможности повышения плотности потока легирующих тепловых нейтронов в выделенных областях легируемого вещества.

Из уровня техники также известно устройство получения ядерно-легированного кремния, раскрытое в патенте RU 2193610, опубликованном 27.11.2002, включающее внешний источник быстрых нейтронов, замедлитель, блок легируемого вещества, обогащенного изотопом кремния 30, устройство перемещения легируемого вещества, которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявленному изобретению. К недостаткам данного устройства относятся радиационные нарушения легируемого вещества быстрыми нейтронами и отсутствие возможности повышения плотности потока легирующих тепловых нейтронов, в выделенных областях легируемого вещества.

Исходным состоянием прототипа является облучение в канале реактора тепловыми нейтронами, цилиндрической заготовки из кремния, обогащенного изотопом 30 Si. При этом под воздействием тепловых нейтронов в кремнии протекают реакции:

В способе, принятом за прототип, производят облучение крупных заготовок из кремния помещением их в канал какого-либо промышленного или исследовательского реактора и их выдерживанием там до набора интегрального нейтронного потока, необходимого для получения нужных электрофизических параметров кремния. При этом заготовку в канале вращают и возвратно поступательно перемещают для равномерного распределения в ее теле легируемых примесей. Но для некоторых объектов электроники необходимо более сложное распределение легируемого фосфора в заготовке, чем просто однородное.

Задачей, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, является разработка способа и устройства, повышающих поток тепловых нейтронов в выделенных областях легируемого вещества и увеличивающих отношение этого потока к фоновым быстрым нейтронам в них.

Техническим результатом, достигаемым при реализации группы изобретений, является рост производительности процесса легирования и формирование областей с повышенной степенью легирования в заданных участках легируемого вещества, что соответственно, позволяет повысить качество и расширить технические возможности элементов электроники и электронных устройств, создаваемых при применении легированного нейтронами вещества.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе нейтронного легирования вещества, включающем замедление быстрых нейтронов источника веществом замедлителя, формирование потока тепловых нейтронов в выделенную область и облучение тепловыми нейтронами легируемого вещества, быстрые нейтроны источника в процессе замедления сепарируют по углам их распространения, выделяют их потоки, двигающиеся в выделенном структурой вещества замедлителя направлении, суммируют выделенные структурой потоки, формируют в виде узкой полосы и направляют на легируемое вещество, легируемое вещество управляемо перемещают в области фокуса потоков нейтронов.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что в устройстве для нейтронного легирования вещества, включающем источник нейтронов, замедлитель, легируемое вещество и устройство перемещения легируемого вещества, замедлитель представляет собой устройство формирования направленного потока нейтронов, выполненное в виде протяженных пластин с анизотропно структурированной селектирующей структурой с каналами между ними, ориентированными в выделенных структурой направлениях области фокусов потоков нейтронов, причем легируемое вещество, по крайней мере, своей частью размещено в области фокусов потоков нейтронов, а устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением в области фокуса. При этом селектирующая структура замедлителя может быть выполнена или в виде пакетов щелевых продольных клиновидных пластин так, что образованные ими клиновидные каналы своей осью ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов, или в виде группы изогнутых пластин переменной кривизны, причем таких, что образованные между ними криволинейные каналы на участках с минимальной кривизной ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов, или селектирующая структура может быть выполнена так, что пластины легируемого вещества размещены в каналах между пластинами замедлителя, причем пластины могут быть как плоскими, так и профилированными, например, изогнуты с переменной кривизной, так что максимум радиуса кривизны находится в центре пластины.

Возможность реализации способа обусловлена тем, что поведение нейтронов в замедлителе, вне замедлителя и на границе раздела сред существенно различаются.

Сущность данного способа заключается в том, что в начале веществом замедлителя быстрые нейтроны замедляют, передавая их избыточную энергию ядрам его вещества в процессе рассеяния на них. Затем, при выполнении замедлителя структурированным и анизотропным, в виде тонких протяженных профилированных пластин, с каналами, образованными между ними, нейтроны, двигающиеся вдоль каналов из глубины замедлителя, выводят в направлении областей, где расположено легируемое вещество.

При этом потоки нейтронов, отселектированные структурой из разных мест в теле анизотропного замедлителя и из разных каналов структуры, суммируют в области фокуса потоков нейтронов на легируемом веществе, чем повышают интенсивность потока нейтронов в них. Нейтроны, вышедшие из легируемого вещества без взаимодействия с ним, продолжают диффузное движение до повторного попадания в замедлитель и затем их вновь возвращают в процесс сепарирования веществом и структурой замедлителя. С целью коррекции процесса легирования и набора в выделенных областях пластин кремния необходимого интеграла потока нейтронов, легируемое вещество управляемо перемещают относительно области фокуса потоков нейтронов, структуры замедлителя.

Способ осуществляют в устройстве для нейтронного легирования вещества, включающем источник нейтронов, замедлитель, легируемое вещество, устройство перемещения легируемого вещества, характеризующемся тем, что замедлитель выполнен в виде анизотропно-структурированного устройства формирования направленного потока нейтронов, содержащего селектирующую структуру из протяженных пластин с каналами между ними, ориентированными в выделенных структурой направлениях области фокусов потоков нейтронов, причем легируемое вещество, по крайней мере, своей частью размещено в области фокусов потоков нейтронов, а устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением.

Возможен вариант реализации устройства, характеризующийся тем, что структура замедлителя выполнена в виде пакетов щелевых продольных клиновидных пластин так, что образованные ими клиновидные каналы своей осью ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов.

Так, на пакете из Ns клиновидных пластин поток в выделенной структурой области можно увеличить в Ks=2×(Ns-1) раз (смотри рис.2).

Если вдоль центральной оси пакета и поперек плоскостей пакета, поместить несколько тонких плоских пластин легируемого кремния, а вместо одного пакета пластин формирователя потока нейтронов использовать группу подобных пакетов, то в этом случае можно формировать ряд узких поперечных линеек с повышенной плотностью концентрации примеси фосфора в них. Ширина линеек и скважность между ними зависит от отношения размеров клиновидных полос к их расстоянию до легируемой пластины. После набора необходимого интегрального потока нейтронов легируемую пластину 30 Si можно развернуть на 90 градусов и сформировать решетку примеси фосфора в ней.

Поскольку устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением, то изменяя положение легируемых пластин относительно сформированной решетки клиновидных пластин замедлителя можно изменять скважность, ширину, направление и интегральный поток нейтронов в областях легирования вещества.

Возможен вариант реализации устройства, характеризующийся тем, что структура замедлителя выполнена в виде группы щелевых изогнутых пластин переменной кривизны, причем таких, что образованные между ними криволинейные каналы на их выходе ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов.

В этом случае работа подобной структуры для селекции нейтронов существенно определяется отражением нейтронов от поверхности пластин селектирующей структуры.

Прежде всего, обратим внимание на то, что для полного внешнего отражения нейтронов от поверхности необходимо, чтобы поперечная компонента кинетической энергии нейтрона у поверхности была меньше средней потенциальной энергии отталкивания нейтронов в среде, которая может быть определена и как граничная энергия нейтронов в среде.

Можно представить следующую таблицу для граничной энергии E_гр, граничной длины волны λ_гр и поперечной граничной скорости нейтронов V_гр для разных веществ на поверхности замедлителя:

Таблица 1 Вещество E_гр, нэВ λ_гр, нм v_гр, м/с Al 0.54 123 3.22 Cu 1.68 69.8 5.67 C (графит плотность 2 г/см 3 ) 1.73 68.7 5.67 Be 2.43 58 6.81 BeO (2.9 г/см 3 ) 2.62 55.8 7.08 D₂O (1.105 г/см 3 ) 1.66 70.2 5.63 Нерж. сталь 1Х18Н10Т 1.82 67.0 5.90 Стекло 0.9 95.3 4.15 Свинец 0.87 96.9 4.08

При этом угол полного внешнего отражения определяется отношением граничной скорости нейтрона v_гр к скорости теплового нейтрона v₀=2200 м/с, ϕ s ≈ 360 ⋅ v г р v 0 . Этот угол равен φ_s=10′ для поверхности из графита, φ_s=12′ для поверхности из бериллия, φ_s=10.7′ для поверхности из железа, φ_s=11.5′ для поверхности из никеля и φ_s=9.5′ для поверхности из меди. Угол полного отражения нейтронов можно увеличить снижением температуры замедлителя вплоть до 4.2 К, и увеличить до единиц градусов при нанесении на поверхности суперзеркальных покрытий. Суперзеркала представляют собой слоистые структуры из слоев с различными оптическими потенциалами нанесенными на какую-либо подложку. Например, это может быть многослойная система из широкого барьера и 12 тонких периодических слоев из FeCo-Si. Возможны нейтронные поляризующие суперзеркала, эффективность отражения нейтронов которыми зависит от величины и направления наложенного на зеркало, например, из CoFe(V)TiZr, магнитного поля.

Существенно то, что нейтрон, выходящий из поверхности вещества, получает дополнительную энергию, равную E_гр, и при этом получает дополнительную поперечную скорость, равную v_гр, отклоняющую траекторию от поверхности, а нейтрон. входящий в вещество, теряет эти энергию и скорость. Поэтому плоский протяженный равномерный канал не обладает селектирующими нейтроны свойствами. По этой же причине не обладает такими свойствами и протяженный канал, имеющий постоянную кривизну его поверхности, если при этом величина граничной энергии на поверхности постоянна.

Для того чтобы щелевой канал получил способность селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны, он должен иметь переменную, спадающую к его выходу кривизну этой поверхности. Или с другой стороны, радиус кривизны этой поверхности или граничная энергия на ней должны непрерывно расти в направлении выхода из канала.

В этом случае в структуре, в каждой точке профилированной поверхности канала существует область захвата нейтронов по углам Δφ_s (смотри рис.3) и потому подобный канал обладает способностью захватывать и выводить в выделенном направлении нейтроны как на всей ширине селектирующей пластины, так и во всем объеме селектирующей структуры замедлителя.

Кроме того важно, что весь этот поток обладает малым разбросом по углам, и он имеет на выходе высокую плотность потока нейтронов в тонком пристеночном слое каждой селектирующей пластины. А поэтому возможно формирование на легируемых кремниевых пластинах как линеек, так и квадратных и иных матриц из вещества, обогащенного фосфором 31 со скважностью между обогащенными полосами, равной толщине пластин селектирующей структуры.

Для снижения этого эффекта расстояние h_ch между соседними каналами селекции нейтронов и толщина селектирующих пластин замедлителя h_pl должны быть выполнены малыми, много меньшими, чем длина рассеяния нейтронов в веществе λ_s, и составлять единицы и доли миллиметра. В результате такого выполнения селектирующей структуры распределение нейтронов в пакете из тонких селектирующих пластин устройства остается изотропным по углам, как и в толстом блоке замедлителя, и нейтроны в процессе своего движения пересекают множество пластин структуры, повышая эффективность процесса.

Возможен вариант реализации устройства, характеризующийся тем, что селектирующая структура выполнена так, что пластины легируемого вещества размещены в каналах между пластинами замедлителя, причем пластины могут быть как плоскими, так и профилированными, например, изогнуты с переменной кривизной, так что максимум радиуса кривизны находится в центре пластины.

В этом случае облучение кристаллического кремния происходит внутри пакета пластин, в котором промежутки между ними заполнены замедлителем, или в виде пластин графита, или в виде слоев тяжелой воды. Пластины замедлителя при этом могут иметь суперзеркальные покрытия на их поверхности.

Для начала, представим некоторые радиационные характеристики основных материалов устройства в этом случае:

При этом: λ_s=1/nσ_s; λ_a=1/nσ_a; L = 1 3 ⋅ λ s ⋅ λ a ; γ = 1 − 4 3 ⋅ l L + 2 3 ⋅ l ; k = 1 1 − γ ; cos θ ¯ = 2 3 ⋅ A ; L s = λ s ⋅ ( A 2 + 1 3 + 1 18 ⋅ A ) ⋅ ln ( T 0 T ) ,

Существенно, что пробег до рассеяния тепловых нейтронов в кремнии больше, чем в графите или тяжелой воде, а пробег до поглощения в нем меньше, чем в графите или тяжелой воде. При этом также важно, что при рассеянии нейтронов на ядрах замедлителя, в среднем, угол отклонения нейтронов от исходной траектории близок к прямому углу.

В этом случае нейтрон, двигающийся поперек пластины замедлителя, рассеявшись на его ядрах, фактически без поглощения пройдет пластину замедлителя, но при этом в следующей за ним пластине кремния он будет преимущественно двигаться вдоль ее плоскости, участвуя в реакциях обогащения кремния фосфором. При этом этот нейтрон, полого двигающийся вдоль пластины с кремнием, при рассеянии на его ядрах, выйдет из пластины в замедлитель вновь преимущественно перпендикулярно его плоскости. В результате эффективность использования потока нейтронов вырастет.

В рамках рассмотренной пакетной конструкции области легирования кремния использование устройства формирования направленного потока нейтронов возможно и вокруг пакета легируемых пластин. При направлении нейтронов вдоль пластин кремния это целесообразно, и позволит увеличить эффективность их легирования.

Существенно, что устройство позволяет проводить легирование нейтронами не только кремния, но и любых других веществ, увеличивая интеграл потока в выделенных их областях и при этом снижая негативное влияние фоновых быстрых нейтронов.

Таким образом, данное конструктивное выполнение способа и устройства для нейтронного легирования вещества позволяет повысить величину потока тепловых нейтронов в выделенных областях легируемого вещества и повысить отношение этого потока к фоновым быстрым нейтронам в них. А этим повысить качество и расширить технические возможности элементов электроники и электронных устройств, создаваемых при применении легированного нейтронами вещества.

Краткое описание фигур чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1. изображена схема формирования направленного потока из клиновидной щели;

на фиг.2. представлена схема устройства для нейтронного легирования вещества, интеграция потоков нейтронов на примере пакета клиновидных пластин;

Устройство для нейтронного легирования вещества состоит из анизотропно-структурированного устройства формирования направленного потока нейтронов, включающего внешний источник нейтронов, замедляющее вещество 1, профилированные пластины для селекции нейтронов 2, фокусную область 3, устройства формирования направленного потока нейтронов, легируемое вещество 4, угловую область захвата нейтронов в процесс селекции 5, устройство перемещения легируемого вещества 6.

Осуществление группы изобретений

Осуществление способа нейтронного легирования вещества поясняется следующими примерами.

Работа устройства рассмотрена на примере одного из вариантов, показанного на фиг.2.

Быстрые нейтроны от внешнего их источника, например, реактора, термализуют на веществе замедлителя 1. Диффузное поле тепловых нейтронов, включающее и быстрые нейтроны, достигает устройства формирования направленного потока нейтронов, размещенного в одном из каналов. Тепловые нейтроны после замедления сепарируют по углам их распространения на профилированных пластинах для селекции нейтронов 2 и при этом выделяют их потоки, двигающиеся в выделенном сепарирующей структурой вещества замедлителя направлении.

В зависимости от вариантов исполнения, это могут быть нейтроны, двигающиеся в направлении широкой части клиновидных каналов, образованных между пластинами 2, либо нейтроны, которые двигаются вдоль криволинейно профилированных пластин 2 в направлении минимальной их кривизны.

За счет профилирования пластин 2 обеспечивается возможность захвата нейтронов на всей поверхности пластин. Сформированные и направленные потоки нейтронов суммируют в фокусной области 3 на легируемом веществе 4, в результате чего в фокусной области повышается интенсивность потока нейтронов. Нейтроны, вышедшие из легируемого вещества без взаимодействия с ним, вновь возвращают в процесс их сепарирования анизотропно-структурированным устройством формирования направленного потока нейтронов. Причем легируемое вещество 4 посредством устройства перемещения 6 легируемого вещества 4 управляемо перемещают в фокусной области потоков нейтронов, чем и формируют необходимый интеграл потока нейтронов в его веществе.

В варианте селектирующей структуры из пластин переменной кривизны, ширина пристеночного потока нейтронов h_ch на выходе из селектирующего канала будет меньше h_ch≈0.1 мм, при этом важно, что Ks зависит не от толщины пластин h_pl≤1 мм, а от глубины L структуры. Поэтому, возможно Ks»10 и на пластинах легируемого вещества возможно нанесение как линеек, так и решеток вещества, обогащенного фосфором 31 с их шириной около 0.1 мм со скважностью менее 1 мм. Как и ранее, поток от соседних селектирующих пластин может быть объединен в общем фокусе и еще более увеличен. Профиль изгиба пластин может иметь вид, например, как части параболы, так и части гиперболической спирали, или клотоиды.

Если пластины кремния изогнуты и размещены между пластинами замедлителя, то поток нейтронов в тонком поверхностном слое кремния, находящемся вблизи вогнутой части пластины замедлителя, вырастет, как и степень легирования фосфором 31 в нем.

Похожие патенты RU2514943C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 514 943 C1

Реферат патента 2014 года СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕЙТРОННОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

Изобретение относится к технологии нейтронно-трансмутационного легирования (НТЛ) кремния тепловыми нейтронами, широко применяемого в технологии изготовления приборов электронной и электротехнической промышленности. Способ нейтронного легирования вещества включает замедление быстрых нейтронов источника веществом замедлителя, формирование потока тепловых нейтронов в выделенную область и облучение тепловыми нейтронами легируемого вещества, при этом быстрые нейтроны источника в процессе замедления сепарируют по углам их распространения, выделяют их потоки, двигающиеся в выделенном структурой вещества замедлителя направлении, суммируют выделенные структурой потоки, формируют в виде узкой полосы и направляют на легируемое вещество, которое управляемо перемещают в области фокуса потоков нейтронов. Техническим результатом изобретения является рост производительности процесса легирования и формирование областей с повышенной степенью легирования в заданных участках легируемого вещества. 2 н. и 3 з.п.ф-лы, 3 ил., 3 пр.

Формула изобретения RU 2 514 943 C1

1. Способ нейтронного легирования вещества, включающий замедление быстрых нейтронов источника веществом замедлителя, формирование потока тепловых нейтронов в выделенную область и облучение тепловыми нейтронами легируемого вещества, отличающийся тем, что быстрые нейтроны источника в процессе замедления сепарируют по углам их распространения, выделяют их потоки, двигающиеся в выделенном структурой вещества замедлителя направлении, суммируют выделенные структурой потоки, формируют в виде узкой полосы и направляют на легируемое вещество, легируемое вещество управляемо перемещают в области фокуса потоков нейтронов.

2. Устройство для нейтронного легирования вещества, включающее источник нейтронов, замедлитель, легируемое вещество, устройство перемещения легируемого вещества, отличающееся тем, что замедлитель представляет собой устройство формирования направленного потока нейтронов, выполненное в виде протяженных пластин с анизотропно структурированной селектирующей структурой с каналами между ними, ориентированными в выделенных структурой направлениях области фокусов потоков нейтронов, причем легируемое вещество, по крайней мере, своей частью размещено в области фокусов потоков нейтронов, а устройство перемещения легируемого вещества содержит управляемый привод и систему управления его перемещением в области фокуса.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что селектирующая структура замедлителя выполнена в виде пакетов щелевых продольных клиновидных пластин так, что образованные ими клиновидные каналы своей осью ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что селектирующая структура выполнена в виде группы изогнутых пластин переменной кривизны, причем таких, что образованные между ними криволинейные каналы на участках с минимальной кривизной ориентированы в направлении области фокусов потоков нейтронов.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что селектирующая структура выполнена так, что пластины легируемого вещества размещены в каналах между пластинами замедлителя, причем пластины могут быть как плоскими, так и профилированными, например, изогнуты с переменной кривизной, так что максимум радиуса кривизны находится в центре пластины.

Источник