光輔助電化學(xué)刻蝕法制備深寬比微通道板陣列結(jié)構(gòu)

光輔助電化學(xué)刻蝕法制備深寬比微通道板陣列結(jié)構(gòu)

0深刻化硅微通道技術(shù)微通道板（mcp）作為圖像設(shè)備的核心，具有高增益、功耗、長壽命等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于成像增強(qiáng)裝置、模擬器、光刻定位器和高速電極微波管的應(yīng)用。微通道板經(jīng)歷了傳統(tǒng)的準(zhǔn)傳統(tǒng)銀粉玻璃微通道板和硅微通道板的發(fā)展。作為每個(gè)世代的技術(shù)，微通道板的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝都起著決定性的作用，比如大壩。傳統(tǒng)的微通道板主要用玻璃材料經(jīng)過拉絲獲得,周期性差,其所能達(dá)到的最小通道直徑以及通道中心距、開口面積等都受到很大限制,影響其特性參量,使用嚴(yán)重受限.硅的微通道結(jié)構(gòu)作為第三代微通道板的核心部分,因其特殊的結(jié)構(gòu)在很多領(lǐng)域得到了發(fā)展.20世紀(jì)90年代初,美國伽利略電子-光學(xué)公司提出采用單晶硅材料,利用先進(jìn)的半導(dǎo)體器件制造工藝和微米/納米加工技術(shù)研制硅微通道板的設(shè)想.與傳統(tǒng)工藝相比,新工藝可將基底材料與打拿極材料、微孔陣列與連續(xù)打拿極工藝分開,解決傳統(tǒng)玻璃基MCP多纖維拉制和氫還原處理相互牽制的矛盾.高深寬比硅基深孔陣列的制作涉及到硅材料的深刻蝕,與硅的微細(xì)加工等技術(shù)密切相關(guān).1999年12月美國納米科學(xué)公司報(bào)告在N型Si上制作出微通道陣列.2002年納米科學(xué)公司報(bào)道已研制出孔徑6μm,中心距8μm,孔深300μm的硅通道陣列樣品,單片增益達(dá)104以上.國內(nèi)的華東師范大學(xué)、長春理工大學(xué)和北方夜視等單位也一直開展這些方面的研究,至今尚未見大面積MCP的成品報(bào)道.對(duì)于高深寬比的硅基微通道的制備工藝,還需要進(jìn)一步深入的探究.本文分析了半導(dǎo)體光輔助電化學(xué)刻蝕技術(shù)的特點(diǎn),并采用該方法在5英寸硅片上進(jìn)行了具有高深寬比微結(jié)構(gòu)的微通道陣列刻蝕實(shí)驗(yàn)研究,討論了系統(tǒng)的i-V特性,以及刻蝕電壓對(duì)通道形貌的影響,通過調(diào)整刻蝕電壓值和根據(jù)i-V曲線修正實(shí)驗(yàn)電流值得到理想的孔壁形貌.研究結(jié)果對(duì)硅微通道板技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展具有一定指導(dǎo)意義;同時(shí),為基于硅基微結(jié)構(gòu)的其他功能器件(如MEMS器件)的研制提供參考.1硅微通道的微機(jī)械結(jié)構(gòu)微加工技術(shù)(Micro-ManufacturingTechnology,MMT)泛指特征尺寸在微米尺度的各種結(jié)構(gòu)的制作方法,是制作微納器件的基本途徑.半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為微納加工技術(shù)提供了發(fā)展的機(jī)遇,使得高深寬比微結(jié)構(gòu)制作成為可能.盡管如此,在硅上實(shí)現(xiàn)深寬比在25以上的結(jié)構(gòu)制作仍具挑戰(zhàn)性,特別是大面積均勻性的要求,制作難度更大.硅基微通道板的最大難度就是如何獲取具有高深寬比的深孔陣列.目前利用微制作技術(shù)制作微通道陣列的主要方法包括微光刻電鑄模造(Lithographie,Galanoformung和Abformung三個(gè)詞,即光刻、電鑄和注塑的德文縮寫,LIGA)工藝、深反應(yīng)離子刻蝕(DeepReactionIonEtching,DRIE)和光輔助電化學(xué)刻蝕(PhotoassistedElectrochemicalEtching,PEE)等.1)LIGA工藝.LIGA首先由德國W.Ehrfeld教授于1986年為制作高深寬比的微結(jié)構(gòu)提出,隨后人們提出并發(fā)展了代替同步X射線的準(zhǔn)LIGA技術(shù)和犧牲層SLIGA技術(shù).LIGA技術(shù)分為同步X射線光刻、電鑄成型、注塑3個(gè)步驟.LIGA技術(shù)被視為微納米制造技術(shù)最有前景的加工技術(shù),可以制作微米級(jí)高深寬比的微結(jié)構(gòu),制作準(zhǔn)確度達(dá)0.5μm,深度在500μm以上,同時(shí)取材廣泛,可以是金屬、陶瓷、聚合物、玻璃等,可制作任意截面形狀圖形結(jié)構(gòu).但該技術(shù)由于制作中需要同步輻射X射線源,制作成本太高,使用推廣嚴(yán)重受限,同時(shí)由于X射線源光斑大小影響,制作面積受限,很難實(shí)現(xiàn)大面積制作.2)深度反應(yīng)離子刻蝕(DRIE).DRIE屬于化學(xué)反應(yīng)為主的干法刻蝕技術(shù)領(lǐng)域,DRIE技術(shù)為半導(dǎo)體硅刻蝕工藝而優(yōu)化設(shè)計(jì).該方法穩(wěn)定性好,設(shè)備可靠性強(qiáng).刻蝕過程中刻蝕氣體分子在高頻電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生等離子體,等離子體中的自由基化學(xué)性質(zhì)非?；钴S,利用它與被刻蝕基體之間的化學(xué)反應(yīng),可以形成微通道結(jié)構(gòu),其最大的缺點(diǎn)是成本比濕法刻蝕高出許多,另外,深寬比很難超過30.3)光輔助電化學(xué)刻蝕(PEE).電化學(xué)刻蝕屬于濕法刻蝕技術(shù),是一種采用液態(tài)腐蝕劑的濕法腐蝕工藝,濕法刻蝕技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單和操作成本低的優(yōu)點(diǎn),并且刻蝕速率高,選擇性好,是科研、生產(chǎn)常用的刻蝕手段.在硅的溶解過程中,必須有空穴的參與才能實(shí)現(xiàn).通過光生空穴并控制空穴的輸運(yùn)過程將空穴輸送到反應(yīng)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)刻蝕,就是光輔助電化學(xué)刻蝕技術(shù).由于利用光生載流子效應(yīng)產(chǎn)生空穴,以及空穴的可控性,該方法可以實(shí)現(xiàn)很高的深寬比,通常理論上可以達(dá)到200以上.光輔助電化學(xué)刻蝕制作硅基微通道板的微通道結(jié)構(gòu)工藝包括歐姆接觸層制作,誘導(dǎo)坑腐蝕,光助電化學(xué)刻蝕等過程.首先對(duì)拋光的硅片進(jìn)行掩膜制作和背面透光電極制作,并通過KOH腐蝕尖端圖案,利用硅的各向異性腐蝕,形成倒金字塔形凹坑,凹坑尖端處為空間電荷區(qū)電場(chǎng)最強(qiáng)的地方,光生空穴擴(kuò)散到空間電荷區(qū)后被強(qiáng)電場(chǎng)迅速抽送到尖端,參與尖端點(diǎn)的硅溶解反應(yīng).這樣,反應(yīng)始終在硅的尖端進(jìn)行,并且在反應(yīng)過程中,保持尖端的形狀不變.通過背面均勻光照,產(chǎn)生空穴,維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行.相比LIGA和DRIE技術(shù),光輔助電化學(xué)刻蝕為硅微通道的制作提供了一個(gè)獨(dú)特的方法.使用電化學(xué)方法制作硅微通道板基板具有設(shè)備投資少,使用靈活,運(yùn)行費(fèi)用低,可以達(dá)到很高的深寬比,提高微通道板的增益,同時(shí)開口面積比可以做到很高,增強(qiáng)了MCP的探測(cè)效率.因此,該方法受到高度重視.2光輔助電化學(xué)刻蝕過程及結(jié)果分析圖1是硅基微通道板陣列光輔助電化學(xué)刻蝕裝置示意圖.裝置大致由四部分組成:反應(yīng)裝置、反應(yīng)液循環(huán)系統(tǒng)、水冷隔熱系統(tǒng)以及光照系統(tǒng).硅片固定在聚四氟乙烯反應(yīng)裝置底部,通過反應(yīng)液與循環(huán)系統(tǒng)接觸,硅片固定時(shí)用萬用表測(cè)量硅片不同位置處的電阻,使硅片各點(diǎn)處的電阻相等,保證受力均勻,接觸良好.外部盛放冷卻水,通過低溫恒溫裝置,控制溫度恒定,避免光照引起冷卻水升溫.硅片背面13盞鹵素?zé)艟鶆蚍植甲鳛楣庠?光作用于硅片背面,產(chǎn)生電子空穴對(duì).反應(yīng)液循環(huán)系統(tǒng)上固定有陰極裝置.反應(yīng)液循環(huán)系統(tǒng)的作用是循環(huán)刻蝕溶液,保證刻蝕溶液與硅片上刻蝕孔充分接觸的部分保持新鮮且沒有氣泡聚集.實(shí)驗(yàn)過程中,要保證反應(yīng)裝置內(nèi)的溫度與外桶水冷隔熱系統(tǒng)冷卻水的溫度相同.實(shí)驗(yàn)通過可控硅控制加在鹵素?zé)羯系碾妷阂哉{(diào)節(jié)光強(qiáng).實(shí)驗(yàn)選擇N型〈100〉晶向5英寸硅片,電阻率在5~7Ω·cm之間,硅片厚度425μm左右.掩模圖形為孔徑8μm,壁厚2μm的均勻分布的圓形圖案,占空比p為0.5024,圖2是掩膜圖形顯微照片.光輔助電化學(xué)刻蝕過程中,影響刻蝕形貌的因素諸多,包括:電壓、電流密度、硅片材料電阻率、電流、光照、溫度和HF溶液濃度等等.并且相互影響,對(duì)刻蝕微孔的形狀,大小,孔壁平整度都產(chǎn)生不同程度的影響.刻蝕過程中,深孔陣列中微孔的形成可以用iV曲線來表征.在小電壓下,電流隨電極電壓呈指數(shù)增加,當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí),電流出現(xiàn)峰值,然后保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值,開始衰減.微孔在小電壓條件下的電流指數(shù)區(qū)內(nèi)形成,而在電壓偏大,對(duì)應(yīng)電流進(jìn)入電流衰減區(qū)時(shí),發(fā)生拋光現(xiàn)象,無法形成規(guī)則的孔陣列.圖3是根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)過程中記錄數(shù)據(jù),擬合得到的i-V曲線.微孔陣列刻蝕就發(fā)生在指數(shù)區(qū)內(nèi).通過i-V曲線,找到對(duì)應(yīng)的臨界電流值,實(shí)際刻蝕電流值應(yīng)該小于這個(gè)電流.在給定陽極電流密度的情況下,硅片刻蝕中的空間電荷區(qū)的大小以及孔密度取決于空間電荷區(qū)內(nèi)電位大小.空間電荷區(qū)的寬度由式(1)給定根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的圖形結(jié)構(gòu)可以得到空間電荷區(qū)的寬度最大值,即式(1)中的χSCR為1μm,實(shí)驗(yàn)選擇硅片的電阻率測(cè)量值為6Ω·cm,根據(jù)電阻率與雜質(zhì)濃度關(guān)系對(duì)應(yīng)的摻雜濃度ND=1015cm-3,代入εSi、ε0的數(shù)值,可以得到Veff=0.7596V.實(shí)際中,所加刻蝕電壓需要考慮反應(yīng)液循環(huán)裝置與溶液、硅片與溶液、硅片與電極等接觸處分壓情況.對(duì)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置進(jìn)行測(cè)量得到:反應(yīng)液循環(huán)裝置到硅片的距離為2.3cm,反應(yīng)裝置的口徑大小為22cm.取硅片厚度為425μm,有效直徑為11cm,5%濃度的刻蝕溶液對(duì)應(yīng)電阻率為24Ω·cm,分別計(jì)算得到反應(yīng)溶液和硅片的電阻:計(jì)算得到溶液的電阻R液=0.1252Ω.因此,硅片兩端的電阻只是實(shí)際反應(yīng)裝置中兩個(gè)電極之間電阻的一部分.所以加在陰極、陽極兩端的電壓應(yīng)該大于計(jì)算電壓0.7596V.通過多次實(shí)驗(yàn)并根據(jù)i-V曲線,得到理想的刻蝕電壓值是2V.刻蝕電壓是光輔助電化學(xué)刻蝕中對(duì)結(jié)構(gòu)形貌產(chǎn)生影響的重要因素,電壓偏大或者偏小都會(huì)造成微孔形貌產(chǎn)生畸變.圖4是不同電壓值刻蝕結(jié)果的對(duì)比.圖4(a)是根據(jù)計(jì)算得到的有效刻蝕電壓產(chǎn)生的微孔形貌.電壓偏小,尖端吸引空穴的能力減弱,一部分空穴進(jìn)入側(cè)壁附近較薄的空間電荷區(qū),造成側(cè)壁腐蝕,壁厚逐漸減小.隨著刻蝕時(shí)間的延長,圖中出現(xiàn)刻蝕不完全的現(xiàn)象,一部分孔消失,盲孔很嚴(yán)重,這種現(xiàn)象與空間電荷區(qū)寬度過小有關(guān).圖4(b)是在2V刻蝕電壓下制作的深孔陣列形貌.在該電壓下形成的空間電荷區(qū)可以使空穴絕大部分集中到刻蝕尖端,進(jìn)而使孔壁發(fā)生溶解的幾率降低,大大減小了側(cè)向腐蝕.孔徑形貌均勻,規(guī)律,孔壁光滑.相比之下,2V的刻蝕電壓較為理想.圖4(c)、(d)給出的照片是3V和5V刻蝕電壓下的結(jié)果.可以看出,側(cè)向腐蝕嚴(yán)重,刻蝕孔的底部有變形,個(gè)別地方出現(xiàn)孔與孔之間的串通,造成底部一致性變差.而且