一種採用MEMS工藝製備有機微通道板的方法與流程
2023-09-15 02:37:30
本發明屬於微機電系統技術和半導體技術領域，具體地涉及一種採用MEMS工藝製備有機微通道板的方法。
背景技術：
微通道板(MCP)是20世紀60年代末開發成功的一種簡單緊湊的電子倍增器件,由光纖,玻璃,鉛等材料組成。它實際上是一塊通道內壁具有良好二次發射特性和一定導電性能的微細空心通道鉛玻璃纖維面板。
微通道板(MCP)分幅管是MCP行波選通X射線分幅相機(MCP－XFC)最關鍵的組成部分，由鍍制有光電陰極構成的微帶線的MCP和製作在光纖面板上的螢光屏組成。一束X光或是紫外光照射光電陰極，就會產生光電子，從陰極的入射面出射，進入到MCP的通道內，當遇到加速電場時，就會在通道內運動並連續轟擊通道壁產生二次電子倍增效應。當MCP兩端加有直流電壓時，光電陰極只是起發射光電子的作用，即單純的陰極作用，這時分幅管相當於一個像增強器；如果微帶線上加載的是一個脈衝電壓，那麼光電陰極也起微帶傳輸線作用，分幅管就是一個行波選通的分幅變像管。
分幅相機(MCP－XFC)的靈敏度和穩定性由它的核心器件微通道板(Microchannel Plate:MCP)所決定，改善微通道板(MCP)的靈敏度和穩定性，對提升行波選通型XFC的性能起著至關重要的作用。
MCP的微帶選通電壓由MCP的微帶阻抗決定，同樣寬度和厚度的微帶，阻抗越大，其上選通脈衝的有效幅度越高，直接導致MCP的增益增高。而MCP的微帶阻抗又與MCP基板的介電常數有很大關係，同樣寬度的微帶，如果需要高的阻抗則需要MCP基板的介電常數越小，這樣其上選通電壓的幅度越高，MCP的增益也就越高。同時，介電損耗也會影響增益的動態均勻性。介電損耗越小，電壓脈衝在微帶上傳輸過程中隨著長度的增加衰減減小，以此保證成像過程中的增益和圖像的均勻性。
技術實現要素：
為了解決背景技術中所存在的技術問題，本發明提供一種採用MEMS工藝製備有機微通道板的方法，該方法製備的有機微通道板具有介電常數低，介電損耗小的有點，能夠保證分幅相機中脈衝電壓的高幅度和低損耗性能，進而提高分幅相機的增益強度和增益均勻性。
本發明的技術解決方案是：一種採用MEMS工藝製備有機微通道板的方法，其特徵在於：所述方法包括以下步驟：
1)採用MEMS工藝製備出具有高深寬比結構的矽基基底；所述高深寬比結構為柱狀結構；製備採用幹法刻蝕或電化學溼法刻蝕；
2)採用ALD或化學氣相沉積的方法在步驟1)製備的矽基基底上沉積有機物；
3)通過機械減薄方式將矽基基底表面多餘的有機物去除，露出基底上表面；
4)通過化學腐蝕的方式將矽基底去除，形成有機微通道；
5)通過原子層沉積工藝在有機微通道內部沉積導電層和二次電子發射層，最終得到有機微通道板。
上述步驟1)中幹法刻蝕具體是：採用掩膜材料，通過反應離子刻蝕或者等離子體耦合刻蝕方式刻蝕出微孔結構；
電化學溼法刻蝕具體是：通過KOH腐蝕出倒金字塔形狀，通過HF、四甲基甲醯胺、鹽酸和活性劑組成的陽極氧化溶液，對經過處理後的矽片進行電化學刻蝕。
步驟1)中，高深寬比的柱狀結構通過ALD工藝在矽基表面製備一層三氧化二鋁，起阻擋層的作用，三氧化二鋁層存在於有機通道內部，作為勢壘阻擋層起到對二次電子的阻擋作用。
上述步驟1)的具體步驟是：
1.1)選取(100)晶向，電阻率1-10Ωcm的P型矽襯底，用幹氧、溼氧和幹氧交替通入熱氧化的方式，氧化生成約300nm的二氧化矽作為掩膜，熱氧化溫度1180℃；
1.2)光刻掩膜窗口，使用氫氟酸緩衝液BOE將二氧化矽腐蝕出圖形；
1.3)通過等離子體刻蝕的方式將矽襯底刻蝕成具有高深寬比結構的柱狀陣列。
上述步驟2)的具體步驟是：
2.1)基底預處理，將矽基底分別在丙酮、乙醇和去離子水溶液中超聲清洗，除去刻蝕殘留物，保證基底表面和側壁潔淨度；
2.2)用煮沸的乙醇溶液處理，接著將在61％的硝酸溶液中對通過矽基底進行處理，使-OH原子團暴露在表面，至此，完成基底的預處理流程；
2.3)採用原子沉積系統，以己二醯二氯和環己烷二胺HMDA為前驅氣體在基底表面沉積尼龍有機物；具體過程為：
2.3.1)向反應腔體中通入20s的己二醯二氯；
2.3.2)反應腔室內通入清洗氣體氮氣5分鐘，對腔室進行清洗；
2.3.3)向反應腔室內通入20s的HMDA；
2.3.4)反應腔室內通入清洗氣體氮氣5分鐘，對腔室進行清洗；
2.3.5)通過調節步驟2.3.1)—2.3.4)循環的次數，控制生長膜層直至將孔徑完全封閉。
上述步驟3)的具體步驟是：
3.1)採用2000號砂紙對基底表面有機物進行粗減薄，得到較粗糙表面；3.2)利用500號或者小於500號的砂紙繼續對有機物進行減薄，得到較光滑表面；3.3)採用SiO2懸濁液和拋光布對表面進行拋光。
步驟2)中有機物材料是尼龍或聚醯胺或聚醯亞胺或聚丙乙烯。
步驟(3)中機械減薄是砂紙或砂輪方式。
步驟4)中化學腐蝕的溶液是KOH溶液或TMAH溶液。
步驟5)中導電層是Al2O3:ZnO或MgO:ZnO。
本發明的方法製備的有機微通道板具有介電常數低，介電損耗小的有點，能夠保證分幅相機中脈衝電壓的高幅度和低損耗性能，進而提高分幅相機的增益強度和增益均勻性。採用ALD工藝之後，擺脫了玻璃基板種類限制，可以選用小介電常數、低損耗的有機MCP基板，提高MCP上微帶線的特徵阻抗，從而增大MCP的微帶選通脈衝電壓幅度，以致提高分幅相機的增益。
通過本發明提出的有機襯底的MCP，選用了介電常數約為2的尼龍作為基板材料，同時該材料的介電損耗較小，滿足了選通脈衝分幅相機的需要。
附圖說明
圖1(a)為本發明製備出的矽基微通道基底；
圖1(b)為本發明沉積有機物後的微通道基底；
圖1(c)為機械減薄有機物後的微通道基底；
圖1(d)為刻蝕掉矽犧牲層後的有機物微通道陣列；
圖1(e)為沉ALD在微通道內沉積導電層和二次電子發生層後得到的有機物微通道板；
具體實施方式
本發明是採用MEMS工藝製備有機微通道板的方法，包括以下步驟：
1)採用MEMS工藝製備出具有高深寬比結構的矽基基底；所述高深寬比結構為柱狀結構；製備採用幹法刻蝕或電化學溼法刻蝕；幹法刻蝕具體是：採用掩膜材料，通過反應離子刻蝕或者等離子體耦合刻蝕方式刻蝕出微孔結構；
電化學溼法刻蝕具體是：通過KOH腐蝕出倒金字塔形狀，通過HF、四甲基甲醯胺、鹽酸和活性劑組成的陽極氧化溶液，對經過處理後的矽片進行電化學刻蝕；
高深寬比的柱狀結構通過ALD工藝在矽基表面製備一層三氧化二鋁，起阻擋層的作用，三氧化二鋁層存在於有機通道內部，作為勢壘阻擋層起到對二次電子的阻擋作用。
2)採用ALD或化學氣相沉積的方法在步驟1)製備的矽基基底上沉積有機物；
3)通過機械減薄方式將矽基基底表面多餘的有機物去除，露出基底上表面；
4)通過化學腐蝕的方式將矽基底去除，形成有機微通道；
5)通過原子層沉積工藝在有機微通道內部沉積導電層和二次電子發射層，最終得到有機微通道板。
結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的保護內容不局限於以下實施例。
如圖1(a)—圖1(e)所示，本發明通過矽微通道板製備有機微通道板分為五個步驟：
1、製備矽基微通道基底
(1)選取(100)晶向，電阻率1‐10Ωcm的P型矽襯底，用幹氧、溼氧和幹氧交替通入熱氧化(1180℃)的方式，氧化生成約300nm的二氧化矽作為掩膜。
(2)光刻掩膜窗口，使用氫氟酸緩衝液(BOE)將二氧化矽腐蝕出圖形
(3)通過等離子體刻蝕的方式將矽襯底刻蝕成具有高深寬比結構的柱狀陣列
2、襯底上沉積有機物
基底預處理。將矽基底分別在丙酮、乙醇和去離子水溶液中超聲清洗，以出去刻蝕殘留物，保證基底表面和側壁潔淨度，然後用煮沸的乙醇溶液處理。接著將在61％的硝酸溶液中對通過矽基底進行處理，使得-OH原子團暴露在表面。至此，完成基底的預處理流程。
採用原子沉積系統，以己二醯二氯和環己烷二胺(HMDA)為前驅氣體在基底表面沉積尼龍有機物。具體過程為：
a.向反應腔體中通入20s的己二醯二氯；
b.反應腔室內通入清洗氣體氮氣5分鐘，對腔室進行清洗
c.向反應腔室內通入20s的HMDA
d.反應腔室內通入清洗氣體氮氣5分鐘，對腔室進行清洗
通過調節a-d循環的次數，控制生長膜層直至將孔徑完全封閉。
3、採用機械減薄方式將表面多餘的有機物去除，露出基底上表面；首先，採用2000號砂紙對基底表面有機物進行粗減薄，得到較粗糙表面；然後利用500號或者更小號的砂紙繼續對有機物進行減薄，得到較光滑表面；最後，採用SiO2懸濁液和拋光布對表面進行拋光。
4、採用化學腐蝕的方式將矽基底去除，形成有機微通道。
5、採用原子層沉積工藝在有機微通道內部沉積導電層和二次電子發射層，最終得到有機微通道板；通過ALD系統，依次在通道內沉積Al2O3:ZnO＝1：3的導電膜層和5nm的Al2O3二次電子發射層。