CN106206213B - 一种采用mems工艺制备有机微通道板的方法 - Google Patents

一种采用mems工艺制备有机微通道板的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，包括以下步骤：采用MEMS工艺制备出具有高深宽比结构的硅基基底；2)采用ALD或化学气相沉积的方法在步骤1)制备的硅基基底上沉积有机物；3)通过机械减薄方式将硅基基底表面多余的有机物去除，露出基底上表面；4)通过化学腐蚀的方式将硅基底去除，形成有机微通道；5)通过原子层沉积工艺在有机微通道内部沉积导电层和二次电子发射层，最终得到有机微通道板。本发明方法制备的有机微通道板具有介电常数低，介电损耗小的有点，能够保证分幅相机中脉冲电压的高幅度和低损耗性能，进而提高分幅相机的增益强度和增益均匀性。

Description

一种采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法
技术领域
本发明属于微机电系统技术和半导体技术领域，具体地涉及一种采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法。
背景技术
微通道板(MCP)是20世纪60年代末开发成功的一种简单紧凑的电子倍增器件,由光纤,玻璃,铅等材料组成。它实际上是一块通道内壁具有良好二次发射特性和一定导电性能的微细空心通道铅玻璃纤维面板。
微通道板(MCP)分幅管是MCP行波选通X射线分幅相机(MCP－XFC)最关键的组成部分，由镀制有光电阴极构成的微带线的MCP和制作在光纤面板上的荧光屏组成。一束X光或是紫外光照射光电阴极，就会产生光电子，从阴极的入射面出射，进入到MCP的通道内，当遇到加速电场时，就会在通道内运动并连续轰击通道壁产生二次电子倍增效应。当MCP两端加有直流电压时，光电阴极只是起发射光电子的作用，即单纯的阴极作用，这时分幅管相当于一个像增强器；如果微带线上加载的是一个脉冲电压，那么光电阴极也起微带传输线作用，分幅管就是一个行波选通的分幅变像管。
分幅相机(MCP－XFC)的灵敏度和稳定性由它的核心器件微通道板(MicrochannelPlate:MCP)所决定，改善微通道板(MCP)的灵敏度和稳定性，对提升行波选通型XFC的性能起着至关重要的作用。
MCP的微带选通电压由MCP的微带阻抗决定，同样宽度和厚度的微带，阻抗越大，其上选通脉冲的有效幅度越高，直接导致MCP的增益增高。而MCP的微带阻抗又与MCP基板的介电常数有很大关系，同样宽度的微带，如果需要高的阻抗则需要MCP基板的介电常数越小，这样其上选通电压的幅度越高，MCP的增益也就越高。同时，介电损耗也会影响增益的动态均匀性。介电损耗越小，电压脉冲在微带上传输过程中随着长度的增加衰减减小，以此保证成像过程中的增益和图像的均匀性。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供一种采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，该方法制备的有机微通道板具有介电常数低，介电损耗小的有点，能够保证分幅相机中脉冲电压的高幅度和低损耗性能，进而提高分幅相机的增益强度和增益均匀性。
本发明的技术解决方案是：一种采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)采用MEMS工艺制备出具有高深宽比结构的硅基基底；所述高深宽比结构为柱状结构；制备采用干法刻蚀或电化学湿法刻蚀；
2)采用ALD或化学气相沉积的方法在步骤1)制备的硅基基底上沉积有机物；
3)通过机械减薄方式将硅基基底表面多余的有机物去除，露出基底上表面；
4)通过化学腐蚀的方式将硅基基底去除，形成有机微通道；
5)通过原子层沉积工艺在有机微通道内部沉积导电层和二次电子发射层，最终得到有机微通道板。
上述步骤1)中干法刻蚀具体是：采用掩膜材料，通过反应离子刻蚀或者等离子体耦合刻蚀方式刻蚀出微孔结构；
电化学湿法刻蚀具体是：通过KOH腐蚀出倒金字塔形状，通过HF、四甲基甲酰胺、盐酸和活性剂组成的阳极氧化溶液，对经过处理后的硅基基底进行电化学刻蚀。
步骤1)中，高深宽比的柱状结构通过ALD工艺在硅基基底表面制备一层三氧化二铝，起阻挡层的作用，三氧化二铝层存在于有机通道内部，作为势垒阻挡层起到对二次电子的阻挡作用。
上述步骤1)的具体步骤是：
1.1)选取(100)晶向，电阻率1-10Ω·cm的P型硅基基底，用干氧、湿氧和干氧交替通入热氧化的方式，氧化生成约300nm的二氧化硅作为掩膜，热氧化温度1180℃；
1.2)光刻掩膜窗口，使用氢氟酸缓冲液BOE将二氧化硅腐蚀出图形；
1.3)通过等离子体刻蚀的方式将硅基基底刻蚀成具有高深宽比结构的柱状阵列。
上述步骤2)的具体步骤是：
2.1)基底预处理，将硅基基底分别在丙酮、乙醇和去离子水溶液中超声清洗，除去刻蚀残留物，保证基底表面和侧壁洁净度；
2.2)用煮沸的乙醇溶液处理，接着将在61％的硝酸溶液中对通过硅基基底进行处理，使-OH原子团暴露在表面，至此，完成基底的预处理流程；
2.3)采用原子层沉积系统，以己二酰二氯和环己烷二胺HMDA为前驱气体在基底表面沉积尼龙有机物；具体过程为：
2.3.1)向反应腔体中通入20s的己二酰二氯；
2.3.2)反应腔室内通入清洗气体氮气5分钟，对腔室进行清洗；
2.3.3)向反应腔室内通入20s的HMDA；
2.3.4)反应腔室内通入清洗气体氮气5分钟，对腔室进行清洗；
2.3.5)通过调节步骤2.3.1)—2.3.4)循环的次数，控制生长膜层直至将孔径完全封闭。
上述步骤3)的具体步骤是：
3.1)采用2000号砂纸对基底表面有机物进行粗减薄，得到较粗糙表面；3.2)利用500号或者小于500号的砂纸继续对有机物进行减薄，得到较光滑表面；3.3)采用SiO2悬浊液和抛光布对表面进行抛光。
步骤2)中有机物材料是尼龙或聚酰胺或聚酰亚胺或聚丙乙烯。
步骤3)中机械减薄是砂纸或砂轮方式。
步骤4)中化学腐蚀的溶液是KOH溶液或TMAH溶液。
步骤5)中导电层是Al2O3:ZnO或MgO:ZnO。
本发明的方法制备的有机微通道板具有介电常数低，介电损耗小的有点，能够保证分幅相机中脉冲电压的高幅度和低损耗性能，进而提高分幅相机的增益强度和增益均匀性。采用ALD工艺之后，摆脱了玻璃基板种类限制，可以选用小介电常数、低损耗的有机MCP基板，提高MCP上微带线的特征阻抗，从而增大MCP的微带选通脉冲电压幅度，以致提高分幅相机的增益。
通过本发明提出的有机衬底的MCP，选用了介电常数约为2的尼龙作为基板材料，同时该材料的介电损耗较小，满足了选通脉冲分幅相机的需要。
附图说明
图1(a)为本发明制备出的硅基微通道基底；
图1(b)为本发明沉积有机物后的微通道基底；
图1(c)为机械减薄有机物后的微通道基底；
图1(d)为刻蚀掉硅牺牲层后的有机物微通道阵列；
图1(e)为沉ALD在微通道内沉积导电层和二次电子发生层后得到的有机物微通道板；
具体实施方式
本发明是采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，包括以下步骤：
1)采用MEMS工艺制备出具有高深宽比结构的硅基基底；所述高深宽比结构为柱状结构；制备采用干法刻蚀或电化学湿法刻蚀；干法刻蚀具体是：采用掩膜材料，通过反应离子刻蚀或者等离子体耦合刻蚀方式刻蚀出微孔结构；
电化学湿法刻蚀具体是：通过KOH腐蚀出倒金字塔形状，通过HF、四甲基甲酰胺、盐酸和活性剂组成的阳极氧化溶液，对经过处理后的硅基基底进行电化学刻蚀；
高深宽比的柱状结构通过ALD工艺在硅基基底表面制备一层三氧化二铝，起阻挡层的作用，三氧化二铝层存在于有机通道内部，作为势垒阻挡层起到对二次电子的阻挡作用。
2)采用ALD或化学气相沉积的方法在步骤1)制备的硅基基底上沉积有机物；
3)通过机械减薄方式将硅基基底表面多余的有机物去除，露出基底上表面；
4)通过化学腐蚀的方式将硅基基底去除，形成有机微通道；
5)通过原子层沉积工艺在有机微通道内部沉积导电层和二次电子发射层，最终得到有机微通道板。
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。
如图1(a)-图1(e)所示，本发明通过硅微通道板制备有机微通道板分为五个步骤：
1、制备硅基微通道基底
(1)选取(100)晶向，电阻率1-10Ω·cm的P型硅基基底，用干氧、湿氧和干氧交替通入热氧化(1180℃)的方式，氧化生成约300nm的二氧化硅作为掩膜。
(2)光刻掩膜窗口，使用氢氟酸缓冲液(BOE)将二氧化硅腐蚀出图形
(3)通过等离子体刻蚀的方式将硅基基底刻蚀成具有高深宽比结构的柱状阵列
2、衬底上沉积有机物
基底预处理。将硅基基底分别在丙酮、乙醇和去离子水溶液中超声清洗，以出去刻蚀残留物，保证基底表面和侧壁洁净度，然后用煮沸的乙醇溶液处理。接着将在61％的硝酸溶液中对通过硅基基底进行处理，使得-OH原子团暴露在表面。至此，完成基底的预处理流程。
采用原子层沉积系统，以己二酰二氯和环己烷二胺(HMDA)为前驱气体在基底表面沉积尼龙有机物。具体过程为：
a.向反应腔体中通入20s的己二酰二氯；
b.反应腔室内通入清洗气体氮气5分钟，对腔室进行清洗
c.向反应腔室内通入20s的HMDA
d.反应腔室内通入清洗气体氮气5分钟，对腔室进行清洗
通过调节a-d循环的次数，控制生长膜层直至将孔径完全封闭。
3、采用机械减薄方式将表面多余的有机物去除，露出基底上表面；首先，采用2000号砂纸对基底表面有机物进行粗减薄，得到较粗糙表面；然后利用500号或者更小号的砂纸继续对有机物进行减薄，得到较光滑表面；最后，采用SiO2悬浊液和抛光布对表面进行抛光。
4、采用化学腐蚀的方式将硅基基底去除，形成有机微通道。
5、采用原子层沉积工艺在有机微通道内部沉积导电层和二次电子发射层，最终得到有机微通道板；通过ALD系统，依次在通道内沉积Al2O3:ZnO＝1：3的导电膜层和5nm的Al2O3二次电子发射层。

Claims (10)

1.一种采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)采用MEMS工艺制备出具有高深宽比结构的硅基基底；所述高深宽比结构为柱状结构；制备采用干法刻蚀或电化学湿法刻蚀；
2)采用ALD或化学气相沉积的方法在步骤1)制备的硅基基底上沉积有机物；
3)通过机械减薄方式将硅基基底表面多余的有机物去除，露出基底上表面；
4)通过化学腐蚀的方式将硅基基底去除，形成有机微通道；
5)通过原子层沉积工艺在有机微通道内部沉积导电层和二次电子发射层，最终得到有机微通道板。
2.根据权利要求1所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：所述步骤1)中干法刻蚀具体是：采用掩膜材料，通过反应离子刻蚀或者等离子体耦合刻蚀方式刻蚀出微孔结构；
电化学湿法刻蚀具体是：通过KOH腐蚀出倒金字塔形状，通过HF、四甲基甲酰胺、盐酸和活性剂组成的阳极氧化溶液，对经过处理后的硅基基底进行电化学刻蚀。
3.根据权利要求2所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：步骤1)中，高深宽比的柱状结构通过ALD工艺在硅基基底表面制备一层三氧化二铝，起阻挡层的作用，三氧化二铝层存在于有机通道内部，作为势垒阻挡层起到对二次电子的阻挡作用。
4.根据权利要求1或2或3所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤是：
1.1)选取(100)晶向，电阻率1-10Ω·cm的P型硅基基底，用干氧、湿氧和干氧交替通入热氧化的方式，氧化生成约300nm的二氧化硅作为掩膜，热氧化温度1180℃；
1.2)光刻掩膜窗口，使用氢氟酸缓冲液BOE将二氧化硅腐蚀出图形；
1.3)通过等离子体刻蚀的方式将硅基基底刻蚀成具有高深宽比结构的柱状阵列。
5.根据权利要求4所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：所述步骤2)的具体步骤是：
2.1)基底预处理，将硅基基底分别在丙酮、乙醇和去离子水溶液中超声清洗，除去刻蚀残留物，保证基底表面和侧壁洁净度；
2.2)用煮沸的乙醇溶液处理，接着将在61％的硝酸溶液中对通过硅基基底进行处理，使-OH原子团暴露在表面，至此，完成基底的预处理流程；
2.3)采用原子层沉积系统，以己二酰二氯和环己烷二胺HMDA为前驱气体在基底表面沉积尼龙有机物；具体过程为：
2.3.1)向反应腔体中通入20s的己二酰二氯；
2.3.2)反应腔室内通入清洗气体氮气5分钟，对腔室进行清洗；
2.3.3)向反应腔室内通入20s的HMDA；
2.3.4)反应腔室内通入清洗气体氮气5分钟，对腔室进行清洗；
2.3.5)通过调节步骤2.3.1)—2.3.4)循环的次数，控制生长膜层直至将孔径完全封闭。
6.根据权利要求5所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：所述步骤3)的具体步骤是：
3.1)采用2000号砂纸对基底表面有机物进行粗减薄，得到较粗糙表面；
3.2)利用500号或者小于500号的砂纸继续对有机物进行减薄，得到光滑表面；
3.3)采用SiO2悬浊液和抛光布对表面进行抛光。
7.根据权利要求1所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：步骤2)中有机物材料是尼龙或聚酰胺或聚酰亚胺或聚丙乙烯。
8.根据权利要求1所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：步骤3)中机械减薄是砂纸或砂轮方式。
9.根据权利要求8所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：步骤4)中化学腐蚀的溶液是KOH溶液或TMAH溶液。
10.根据权利要求9所述的采用MEMS工艺制备有机微通道板的方法，其特征在于：步骤5)中导电层是Al2O3:ZnO或MgO:ZnO。
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