CN104900292A - 一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，包括如下步骤：首先将n型Si片抛光研，利用氧化工艺或气相沉积在Si片上表面形成硬掩膜，并硬掩膜上利用光刻胶工艺曝光形成具有方形微孔阵列的掩膜；然后利用掩膜上的方形微孔对Si片进行刻蚀，形成刻蚀诱导坑；然后，去除硬掩膜，并在Si片背面镀上一层金属电极层，该金属电极层连接电源的正极；接着在Si片正面一定距离处放置金属电极板并连接电源的负极，板与Si片正面之间具有电解液；开启电源，并在Si片背面加以光照进行光电化学刻蚀；然后，除去Si片背面的金属电极，形成龙虾眼初步模型；最后，在龙虾眼初步模型各表面蒸镀金属反射层。该方法用于制备龙虾眼镜头。

Description

一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法

技术领域

本发明涉及一种平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，属于航空航天、光学技术和微电子技术领域。

背景技术

相对于准直型探测技术，聚焦型探测技术具有集光面积大、灵敏度高、背景噪声小、可成像等优点。然而，由于X射线波长极短，几乎所有介质对其的折射率都接近于1，因此传统的通过折射的方式很难实现聚焦。目前，X射线的聚焦多采用掠入射的方式，典型的掠入射光学系统包括K-B型光学系统、Wolter型光学系统等。这些光学系统虽然具有较高的空间分辨力，但是存在严重的离轴像差以及视场小、重量大等缺点。龙虾眼(lobster-eye)是一种模仿龙虾视觉的光学系统，它由多个通道的掠入射反射镜构成，结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它掠入射光学系统无法企及的大视场特性。龙虾眼光学系统可分为Schmidt结构和Angel结构，其中Schmidt结构是由两个一维结构的多组平面反射镜正交叠加得到，构造相对简单，适合于大型、高集光面积的系统；而Angel结构由许多排列在球面上的微小矩形元胞组成，构造复杂，但具有分辨力高、重量轻等特点。

Angel龙虾眼目前尚无成熟的制备技术，唯一的方式是借鉴传统商用微通道板(MCP)的制备方法，采用铅玻璃管经拉制、高温熔合、酸蚀、氢还原而形成的微米级空芯玻璃管阵列。然而，这种工艺存在纤维热拉制、氢还原工艺和皮芯料选择间互相制约以及工艺技术的局限性,制作高长径比、大面积的方形微孔列阵的Angel龙虾眼结构非常困难。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，能够将半导体电化学刻蚀技术用于制备平面型Angel龙虾眼镜头，方法简单、周期较短、且易于制造。

为达到上述目的，本发明中的方法包括如下步骤：

步骤(1)、将n型Si片，进行抛光研磨；

步骤(2)、利用氧化工艺或气相沉积在Si片上表面形成硬掩膜；

步骤(3)、在硬掩膜上利用光刻胶工艺曝光形成具有方形微孔阵列的掩膜；

步骤(4)、利用湿法刻蚀利用掩膜上的方形微孔对Si片进行刻蚀，在每个方形微孔处对应的Si片上形成带尖端的刻蚀诱导坑；Si片以带有刻蚀诱导坑的一面为正面；

步骤(5)、去除硬掩膜，并在Si片背面镀上一层金属电极层，该金属电极层连接电源的正极；

步骤(6)、在Si片正面一定距离处放置金属电极板，该金属电极板连接电源的负极金属电极板与Si片正面之间具有电解液；开启电源，并在Si片背面加以光照，则由刻蚀诱导坑处至Si片背面经光电化学刻蚀形成通孔；

步骤(7)、除去Si片背面的金属电极，形成龙虾眼初步模型；

步骤(8)、在龙虾眼初步模型各表面蒸镀金属反射层。

进一步地，硬掩膜为SiO₂层或者Si₃N₄层。

进一步地，步骤(8)中首先将龙虾眼初步模型各表面进行抛光，使得表面粗糙度小于1nm，然后在抛光后的表面蒸镀金属反射层。

进一步地，金属反射层厚度在20nm以上。

进一步地，金属反射层为金属铱Ir反射层。

进一步地，其中方形微孔的边长为5μm，两微孔之间间距2μm。

有益效果：

通过该方法的实施和工艺优化可以制备出边长5-6μm、壁厚2-3μm、深度大于300μm，直径大于3cm的平面型Angel龙虾眼；由于采用较为成熟的半导体电化学刻蚀技术，方法简单，周期快、成本低廉。

附图说明

图1—方形微孔列阵制备工艺流程图；

图2—平面型方形微孔列阵的掩膜层示意图；

图3—龙虾眼方形微孔列阵聚焦原理；

图4—不同金属膜的全反射临界角与X射线光子能量的关系；

图5—Ir反射率与掠入射角的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：

(1)、本方法的工艺流程如图1所示：

第一步、采用直径为3cm<100>晶向n型Si基片,电阻率为5Ω·cm，首先进行研磨清洗；

第二步、利用热氧化工艺(氧和HCl气体的混合气氛在1030℃)在Si片上表面形成SiO₂硬掩膜。

第三步、用光致抗蚀剂(KPR)采用定域紫外线曝光的方式在SiO₂硬掩膜上形成边长5μm、壁厚2μm的方形微孔阵列掩膜层。所形成平面型方形微孔列阵掩膜层如图2所示。

第四步、将未保护区域的SiO₂腐蚀掉后，经清洗烘干后可以进行刻蚀诱导坑的制作。干法刻蚀，如等离子体干法刻蚀技术，其刻蚀结构与硅片晶体结构无关，因此不能形成带尖端的刻蚀诱导坑。这里可以利用Si片(100)面上的各向异性腐蚀特性，采用湿法刻蚀技术制备带尖端的刻蚀诱导坑。

第五步、去除硬掩膜，并在Si片背面镀上一层金属电极层，该金属电极层连接电源的正极。

第六步、用光电化学刻蚀成硅微孔阵列。采用n型Si片，空穴是少数载流子,故可在阳极刻蚀过程中辅以Si体背面光照,产生光生载流子(空穴),并通过调节光照强度以控制光电流的大小,使之完全集中于通道尖端从而产生各向异性的刻蚀。诱导坑可以有效保证刻蚀的准直性。

第七步、刻蚀除去微孔背面的硅以形成通孔，需要注意避免刻蚀掉的多余Si对微孔进行堵塞。

第八步、根据不同的探测X射线能段，选定相应的金属反射层，评估相应的反射率和表面粗糙度对反射率的影响。制备出的硅微孔阵列通过抛光减小表面粗糙度，使得表面粗糙度小于1nm，并蒸镀20nm以上的金属反射层。

(2)、龙虾眼方形微孔列阵聚焦原理

方形微孔列阵采用掠入射的方式对X射线聚焦，如图3所示，X射线基本的聚焦情况可以分为四种，即OE、OO、EO、EE光束，O表示奇数次反射，E表示偶数次反射。真正聚焦的X射线束为OO光束(在两个正交方向上均发生奇数次反射)，OE和EO表示线聚焦(在两个正交方向上分别发生奇数次和偶数次反射)，EE表示未聚焦的直射X射线束(在两个正交方向上均发生偶数次反射)。

(3)、镀膜的选择

平行入射的X射线光束在介质表面发生折射、反射。X射线在介质中的平面波表示为：

$E(x,t)=E_0{e}^{\mathrm{i\&omega;}(\frac{\mathrm{nx}}{c}-t)}---\left(1\right)$

其中，n为X在传播介质中的折射率。根据X射线的散射理论，X射线在介质中的复折射率n＝1-δ+iβ，将其代入式(1)中，可得到：

$E(x,t)=E_0{e}^{\mathrm{i\&omega;}(\frac{x}{c}-t)}\&CenterDot;e^{-i\left(\frac{\mathrm{\&omega;\&delta;}\&CenterDot;x}{c}\right)}\&CenterDot;e^{-\frac{\mathrm{\&omega;\&beta;}\&CenterDot;x}{c}}---\left(2\right)$

根据菲涅耳定律可以得到：

θ_r＝θ_i    (3)

cosθ_i＝n·cosθ_t    (4)

其中θ_i和θ_r分别为入射光线和反射光线与界面之间的夹角，θ_t为折射光线与界面之间的夹角。由(2)式中第三个指数因子可知，X射线在介质内部随传播距离呈负指数衰减，由于X射线在介质中的吸收系数β比较大，因此基于折射方式的聚焦原理不适用于X射线。在计算X射线光束的折反射时，采用折射率的实部近似：n≈1-δ，在X射线波段δ<10^-4，因此折射率n略小于1，由(4)式可知，在X射线发生全反射时，θ_t＝0，全反射临界角θ_c满足：cosθ_c＝n→1，θ_c趋近于0，为无穷小量，采取二阶近似可得到临界角θ_c：

${\mathrm{\&theta;}}_c=\sqrt{2\mathrm{\&delta;}}---\left(5\right)$

δ和β描述介质的极化特性，与原子的散射因子f＝f₁+i·f₂有关：

$\mathrm{\&delta;}=\frac{r_e{\mathrm{\&lambda;}}^2{\mathrm{Nf}}_1}{2\mathrm{\&pi;}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\&beta;}=\frac{r_e{\mathrm{\&lambda;}}^2{\mathrm{Nf}}_2}{2\mathrm{\&pi;}}---\left(7\right)$

其中，r_e＝2.8178×10^-15m，为电子经典半径，λ为入射X射线波长，N为原子数密度， $f_1=Z-{\left(\frac{Z}{82.5}\right)}^{2.37}+\frac{1}{{\mathrm{\&pi;r}}_e\mathrm{hc}}{\&Integral;}_0^{\&infin;}\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^2{\mathrm{\&sigma;}}_a\left(\mathrm{\&epsiv;}\right)}{E^2-{\mathrm{\&epsiv;}}^2}\mathrm{d\&epsiv;},$ Z是介质的原子序数，E是入射光子能量。

图4给出了几种金属材料的临界反射角与X射线入射能量的关系，从图中可知，X射线光子能量越大，全反射临界角越小；原子序数越高的材料的全反射临界角越大，因此为提高反射效率，需要采用高原子序数金属膜作为反射膜层。金属Ir膜的临界角在1keV时相对于金属Al由提高至有利于大角度入射的X射线光子的会聚，因此，采用金属Ir作为龙虾眼镜头的反射膜。

(4)、反射率及表面粗糙度对反射率的影响

对于理想表面，根据菲涅耳公式以掠入射角θ入射的X射线光子的反射率可以表示为：

$R(\mathrm{\&theta;},E,Z)=\frac{{(a-\sin \mathrm{\&theta;})}^2+b^2}{{(a+\sin \mathrm{\&theta;})}^2+b^2}---\left(8\right)$

式(8)中，a、b是掠入射角θ，X射线光子能量及介质材料Z和密度ρ的函数：

$a=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{\sqrt{{({\left(\sin \mathrm{\&theta;}\right)}^2-2\mathrm{\&delta;})}^2+{4\mathrm{\&beta;}}^2}+({\left(\sin \mathrm{\&theta;}\right)}^2-2\mathrm{\&delta;})}---\left(9\right)$

$b=\frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{\sqrt{{({\left(\sin \mathrm{\&theta;}\right)}^2-2\mathrm{\&delta;})}^2+{4\mathrm{\&beta;}}^2}+({\left(\sin \mathrm{\&theta;}\right)}^2-2\mathrm{\&delta;})}---\left(10\right)$

由式(8)-(10)可知理想介质表面的反射率与掠入射角、光子能量及介质材料有关。实际上由于制作工艺等因素的影响，理想表面是不存在的，介质表面总是凹凸不平，这种凹凸不平的程度用粗糙度指标σ来衡量。粗糙表面的反射率需要对式(8)进行修正，用沃勒-德拜公式来描述：

$\tilde{R}=R(\mathrm{\&theta;},E,Z)\&CenterDot;e^{-{\left(\frac{4\mathrm{\&pi;\&sigma;}\sin \mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2}---\left(11\right)$

修正后的Ir表面反射率随掠入射角的关系曲线如图5所示。由图5可知，反射率随光子能量的增大而减小，随掠入射角的增大而减小；反射率的截断值随掠入射角的增大而左移。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)、将n型Si片，进行抛光研磨；

步骤(2)、利用氧化工艺或气相沉积在Si片上表面形成硬掩膜；

步骤(3)、在硬掩膜上利用光刻胶工艺曝光形成具有方形微孔阵列的掩膜；

步骤(4)、利用掩膜上的方形微孔对Si片进行湿法刻蚀，在每个方形微孔处对应的Si片上形成带尖端的刻蚀诱导坑；Si片以带有刻蚀诱导坑的一面为正面；

步骤(5)、去除硬掩膜，并在Si片背面镀上一层金属电极层，该金属电极层连接电源的正极；

步骤(6)、在Si片正面一定距离处放置金属电极板，该金属电极板连接电源的负极，金属电极板与Si片正面之间具有电解液；开启电源，并在Si片背面加以光照，则由刻蚀诱导坑处至Si片背面经光电化学刻蚀形成通孔；

步骤(7)、除去Si片背面的金属电极，形成龙虾眼初步模型；

步骤(8)、在龙虾眼初步模型各表面蒸镀金属反射层。

2.如权利要求1所述的一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，其特征在于，所述硬掩膜为SiO₂层或者Si₃N₄层。

3.如权利要求1所述的一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，其特征在于，所述步骤(8)中首先将龙虾眼初步模型各表面进行抛光，使得表面粗糙度小于1nm，然后在抛光后的表面蒸镀金属反射层。

4.如权利要求1或3所述的一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，其特征在于，所述金属反射层厚度在20nm以上。

5.如权利要求1或3所述的一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，其特征在于，所述金属反射层为金属铱Ir反射层。

6.如权利要求1或3所述的一种基于半导体工艺的平面型龙虾眼聚焦镜头的制备方法，其特征在于，所述方形微孔的边长为5μm，两微孔之间间距2μm。