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硅微通道阵列高温氧化及整形技术研究

硅微通道阵列高温氧化及整形技术研究

作者：张翼长春理工大学

学位级别：硕士

基于硅微通道阵列厚层氧化机理,对n型晶向硅微通道阵列进行了不同时间的湿氧氧化,用扫描电子显微镜进行观察湿氧过后通道的形貌,通道壁厚由氧化前的1.82μm变成了2.87μm,通道直径也随之缩小。利用Deal-Grove模型分析氧化厚度随时间的... 详细信息

基于硅微通道阵列厚层氧化机理,对n型晶向硅微通道阵列进行了不同时间的湿氧氧化,用扫描电子显微镜进行观察湿氧过后通道的形貌,通道壁厚由氧化前的1.82μm变成了2.87μm,通道直径也随之缩小。利用Deal-Grove模型分析氧化厚度随时间的变化关系,从中得出了氧化厚度随时间变化的关系曲线。二维结构下,氧化过程中发生了体积膨胀,伴随着热应力的产生,通道外角边明显往外凸出,加快了氧化反应的速率。外角区域出现了尖状,外角边变得圆滑。内角边由于体积膨胀向内收缩并且变得圆滑,由于内角边向内收缩阻碍了内角的生长,从而减慢了内角处氧化层的生长速率,氧化过后内角处也出现了尖状。利用Abaqus有限元仿真软件模拟单孔硅微通道结构热应力分布,从热应力云图中直观的反应出了内角和外角的热应力大小以及位移。外角的最大热应力达到了1036N/m2,内角的最大热应力为941N/m2,随着温度的升高热应力逐渐增大,外角应力大小为负值表现形式为压应力。外角边应力的变化比内角边应力的变化大,内角边热应力恒定为941 N/m2。整个通道外角位移最大,达到了5.4nm,内角位移稍小,大小为5.063nm。与内角相比外角氧化层生长的较快。外角边位移量变化比内角边位移量的变化大,内角边位移大小恒定为5.063nm。但是外角边和内角边表现形式不同,外角边向外凸呈弧状,内角边稍向内凹呈弓状。由于微通道特殊的孔型阵列结构,经过厚层绝缘氧化后Si-MCP会出现翘曲现象,用高温整形来使得硅片平整。在温度1250℃,重量达到450g,高温整形4h时平整度达到0.1,整形效果最佳。

关键词：硅微通道阵列厚层氧化热应力高温整形

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硅微通道阵列高温形变及烧结现象的研究

硅微通道阵列高温形变及烧结现象的研究

作者：孙振庭长春理工大学

学位级别：硕士

硅材料因其良好的热电性能、稳定的化学性质、相对成熟的微机械加工技术被用来作为新型微通道板基体材料。与传统微通道板相比,硅微通道板无论是在器件的增益性能,还是在使用寿命上都有着无法比拟的巨大优势。本文主要针对硅微通道板高... 详细信息

硅材料因其良好的热电性能、稳定的化学性质、相对成熟的微机械加工技术被用来作为新型微通道板基体材料。与传统微通道板相比,硅微通道板无论是在器件的增益性能,还是在使用寿命上都有着无法比拟的巨大优势。本文主要针对硅微通道板高温形变特性进行了深入研究,通过观察经高温氧化后的硅微通道板的形貌变化,分析其产生不规则形变的原因是高温环境下热应力所致,并通过ABAQUS有限元模拟软件对硅微通道阵列高温形变特性进行模拟仿真。仿真结果直接反应出了硅微通道阵列所受热应力的分布以及应变情况,在1100℃时,外角的最大热应力达到了307N/m,内角的最大热应力为33.7N/m,内壁中心点热应力为50.5N/m。外交应力大于内角应力,孔道夹角凸起,孔道壁凹陷,将仿真结果与实验结果做对比分析出了硅微通道阵列高温形变特性。通过高温整形实验使硅微通道板恢复平整,在温度1250℃,重量达到200g,高温整形4h时平整度达到0.1,整形效果最佳。本文对硅微通道阵列的烧结现象的进行了研究,并说明了硅微通道阵列烧结现象的存在,以及提出了硅微通道阵列在高温整形中减小烧结现象影响的实验优化方案。

关键词：硅微通道阵列高温形变高温整形烧结现象

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用于X射线闪烁屏的硅微通道阵列整形技术

半导体技术 2018年第8期43卷 603-609页

作者：余金豪杨炳辰杨超陈奇凌海容王蓟王国政杨继凯端木庆铎长春理工大学理学院

为制备用于X射线闪烁屏的高开口面积比硅微通道阵列,研究了四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液温度和质量分数对硅（100）晶面和（110）晶面腐蚀速率的影响。通过金相显微镜观测硅微通道端面尺寸并计算腐蚀速率,分析了硅（100）晶面和（110）... 详细信息

为制备用于X射线闪烁屏的高开口面积比硅微通道阵列,研究了四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液温度和质量分数对硅（100）晶面和（110）晶面腐蚀速率的影响。通过金相显微镜观测硅微通道端面尺寸并计算腐蚀速率,分析了硅（100）晶面和（110）晶面腐蚀速率比对硅微通道阵列孔形的影响,探讨了TMAH溶液温度和质量分数与硅微通道阵列开口面积比的关系。研究表明,硅（100）晶面和（110）晶面的腐蚀速率比是影响硅微通道阵列开口面积比的主要因素。当硅（100）晶面与（110）晶面腐蚀速率比大于2时,得到具有高开口面积比的正方形硅微通道阵列。使用质量分数为1%的TMAH溶液在40℃的溶液温度下,制备出开口面积比大于81%的正方形硅微通道阵列。通过高温填充CsI（Tl）制备出基于硅微通道的X射线闪烁屏,X射线成像结果表明通道整形技术有助于提高闪烁屏的性能。

关键词： X射线闪烁屏硅微通道阵列各向异性腐蚀整形技术开口面积比

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基于硅微通道阵列的X射线闪烁屏技术研究

基于硅微通道阵列的X射线闪烁屏技术研究

作者：张益博长春理工大学

学位级别：硕士

随着X射线成像技术的发展,高发光效率、高探测效率已经成为X射线成像系统核心器件闪烁屏的主要性能要求。传统的薄膜晶柱状闪烁屏存在晶柱粘连等问题,会发生光串扰现象,导致闪烁屏的空间分辨率受到限制。虽然可以通过降低闪烁屏的厚度... 详细信息

随着X射线成像技术的发展,高发光效率、高探测效率已经成为X射线成像系统核心器件闪烁屏的主要性能要求。传统的薄膜晶柱状闪烁屏存在晶柱粘连等问题,会发生光串扰现象,导致闪烁屏的空间分辨率受到限制。虽然可以通过降低闪烁屏的厚度保证闪烁屏的空间分辨率,但是这会影响闪烁屏的探测效率。为了保证探测效率的同时实现高分辨率,基于微通道阵列的X射线闪烁屏应运而生。这种结构闪烁屏可以在不影响探测效率的情况下提高闪烁屏的空间分辨率。本文开展了基于硅微通道阵列的X射线闪烁屏技术研究。研究了CsI（Tl）闪烁屏发光的基础理论,分析了X射线与CsI（Tl）闪烁晶体之间的相互作用,详细阐述了光电效应、康普顿散射、电子对效应三个主要作用方式。从能带的角度解释了CsI（Tl）闪烁晶体发光原理。介绍了基于硅微通道阵列的CsI（Tl）闪烁屏工作原理,分析了荧光光子在通道内的传输过程,提出了改善荧光光子传输效率的方法。运用Geant4软件,完成了基于硅微通道阵列的X射线CsI（Tl）闪烁屏的模型构建和模拟,研究了X射线能量、闪烁屏孔深度、硅壁厚度及反射层材料对X射线CsI（Tl）闪烁屏底部光输出的影响。模拟结果表明:孔深度越大,输出光子数越多;增大X射线能量,底部输出光子数会先快速增加,达到峰值后逐渐减少;硅壁厚度增加,对相邻CsI（Tl）微柱之间闪烁光串扰抑制作用增加,闪烁屏底部输出光子数会减少;通道内壁反射层材料折射率越低,底部输出光子数越高。通过光刻、ICP刻蚀、硅各向异性湿法腐蚀、光辅助电化学腐蚀、整形等工艺,制备出通道深约320μm、周期为10μm的硅微通道阵列基体。研究了整形时间对硅微通道阵列基体形貌的影响;研究了硅的干氧氧化时间与生成的Si O反射层厚度的关系;研究了CsI（Tl）填充工艺,分析了通道底部存在空隙的原因,研究表明高真空度和低充气速率的填充效果更好,通过真空熔融填充法成功的制备出基于硅微通道阵列的CsI（Tl）闪烁屏。搭建了X射线闪烁屏成像测试装置,进行了实物成像测试,研究了硅壁厚度、填充温度及Si O反射层对闪烁屏性能的影响。结果表明:随着硅壁厚度的增加,CsI（Tl）闪烁屏的成像亮度减小;随着Si O反射层厚度增加,CsI（Tl）闪烁屏的成像亮度上升;填充温度为660℃的闪烁屏亮度和发光均匀性都要高于填充温度为630℃和690℃的闪烁屏。

关键词： X射线闪烁屏硅微通道阵列 Geant4模拟 CsI(Tl)闪烁晶体亮度

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基于硅微通道阵列的传像面板制备技术

基于硅微通道阵列的传像面板制备技术

作者：刘书异长春理工大学

学位级别：硕士

本文基于光纤面板传像原理提出了一种新型传像面板的制作方法。采用光辅助电化学方法制备了硅微通道阵列,并将其作为传像面板的骨架结构。通过氧化工艺在通道内壁制备二氧化硅层做为包层,内部填充高折射率玻璃作为芯料,制备出一种新结... 详细信息

本文基于光纤面板传像原理提出了一种新型传像面板的制作方法。采用光辅助电化学方法制备了硅微通道阵列,并将其作为传像面板的骨架结构。通过氧化工艺在通道内壁制备二氧化硅层做为包层,内部填充高折射率玻璃作为芯料,制备出一种新结构的传像器件。这种基于硅微通道阵列的传像面板因为不受光横向弥散的影响可以有较高的分辨率。研究了光纤面板的传像原理,分析了传统光纤传像器件单丝的芯料和包层的几何尺寸对器件分辨率和填充率的影响。研究了基于硅微通道阵列的传像面板中周期和孔径对填充系数和分辨率的影响,并与传统光纤面板进行了对比分析。分析结果表明:在单丝宽度及吸收层厚度都相同的时候,基于硅微通道阵列的传像面板填充率较传统光纤面板高;在丝径相同的时候,两者分辨率差别不大。研究了芯料材料折射率对数值孔径的影响,调研了玻璃材料的相关参数。通过对比分析根据数值孔径公式计算,最终选择了P-SF68玻璃作为芯料。研究了光辅助电化学制备硅微通道阵列时相关参数对实验结果的影响。研究结果表明:当使用的电解液中HF浓度较大或较低时,对实验均有不利的影响。电解液中HF浓度过高容易侧蚀,电解液中HF浓度较低时腐蚀速度过慢。通过分析实验现象,选择含有4wt%浓度的HF作为光辅助电化学制备硅微通道阵列的电解液。研究了含不同表面活性剂电解液对光辅助电化学的影响。研究结果表明:使用不同种类的表面活性剂,腐蚀速度不同。阳离子表面活性剂会加快腐蚀速度,阴离子表面活性剂会减小腐蚀速度。研究了温度对光辅助电化学的影响,温度对腐蚀速率和形貌都有影响。研究了光谱响应对光辅助电化学的影响,光谱响应随波长增加,其根本原因是随着光波长的增加,光在硅中的穿深也增加。根据研究结果选择合适的实验条件,制备出周期10μm,长度200μm的硅微通道阵列。研究了硅微通道阵列整形工艺,研究了溶液浓度和温度对整形结果的影响。研究表明硅各向异性腐蚀过程中不同晶向的腐蚀速率比是影响整形结果的根本原因。当(100)晶向腐蚀速率V(100))和(110)晶向腐蚀速率V(110))的比>√2时可获得开口形状为正方形的硅微通道阵列,此时开口比可做到最大。经过腐蚀制备出开口面积比大于80%、壁厚小于1μm的硅微通道阵列。研究了硅微通道阵列氧化时间对氧化层厚度的影响,采取4h的干氧氧化,最终制备出厚度为325nm的二氧化硅层。分析了硅微通道阵列填充原理,研究了温度对填充率的影响、温度对玻璃析晶的影响和降温速率对微裂纹的影响。研究表明:温度由室温(23℃)经过2h内升温800℃,恒温4h,降温速率为6℃/h时可将P-SF68玻璃完全填充至微通道阵列中。搭建了测试平台,对制备的传像面板样品性能进行了测试。测量了制备的传像面板样品的分辨率和气密性。使用标准美军标鉴别率板进行分辨率测试,结果表明所制备的传像面板样品分辨率可达到57lp/mm。使用普发ASM 340检漏仪,通过氦罩法对制备的样品气密性进行测试,该样品漏率为4.2×10Pa·m/s。

关键词：传像面板硅微通道阵列数值孔径分辨率

硅微通道阵列光电化学腐蚀中通道尺寸控制技术

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长春理工大学学报（自然科学版） 2010年第3期33卷 59-62页

作者：王国政熊峥王蓟秦旭磊付申成王洋端木庆铎长春理工大学理学院长春130022

高长径比硅微通道阵列在光子晶体、硅微通道板、MEMS器件等领域应用前景广阔。本文开展了硅微通道阵列光电化学方法腐蚀实验,重点研究了孔径控制技术。给出了型硅在氢氟酸溶液中的电流-电压扫描曲线,讨论了临界电流密度JPS的意义,提出... 详细信息

高长径比硅微通道阵列在光子晶体、硅微通道板、MEMS器件等领域应用前景广阔。本文开展了硅微通道阵列光电化学方法腐蚀实验,重点研究了孔径控制技术。给出了型硅在氢氟酸溶液中的电流-电压扫描曲线,讨论了临界电流密度JPS的意义,提出了一种间接地测量JPS与腐蚀时间关系的方法,研究了暗电流密度与腐蚀时间关系及对腐蚀的影响。根据暗电流及JPS的变化规律调整腐蚀电流,实现了对孔径的控制,制备出通道深度为300m,长径比为100的硅微通道阵列结构。

关键词：高长径比硅微通道阵列光电化学腐蚀诱导坑暗电流密度

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基于硅微通道阵列的光纤面板制备

光电子技术 2021年第3期41卷 175-179页

作者：刘书异杨炳辰王国政李连玉姜柱松长春理工大学理学院长春130022 中国电子科技集团公司第五十五研究所南京210016

基于光纤面板传像原理,提出了一种新型光纤面板的制作方法。采用光辅助电化学方法制备了硅微通道阵列,并将其作为光纤面板的骨架结构,通过氧化工艺在通道内壁制备二氧化硅层作为光纤包层,内部填充高折射率玻璃作为纤芯,制备出一种新结... 详细信息

基于光纤面板传像原理,提出了一种新型光纤面板的制作方法。采用光辅助电化学方法制备了硅微通道阵列,并将其作为光纤面板的骨架结构,通过氧化工艺在通道内壁制备二氧化硅层作为光纤包层,内部填充高折射率玻璃作为纤芯,制备出一种新结构的传像器件。其理论数值孔径为1.37,经初步测试,其分辨率可达到57 lp/mm。利用此方法制备的光纤面板不会有光串扰问题,可完全避免刀口响应,增加对比度。此方法能有效提高分辨率,有望成为制造高分辨率、高质量传像器件的新方法。

关键词：光纤面板硅微通道阵列数值孔径分辨率

高温下硅微通道阵列孔道应变的ABAQUS有限元模拟

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电子技术与软件工程 2017年第1期 121-121页

作者：孙振庭长春理工大学电子科学与技术系吉林省长春市130022

硅微通道阵列经高温氧化过程会产生不规则的形变,是高温环境下产生的热应力所致。本文通过建立ABAQUS有限元的模拟程序,对高温氧化过程中硅微通道阵列的单一孔道应变情况进行模拟仿真,并计算出不同温度下硅微通道阵列单一孔道的内角与... 详细信息

硅微通道阵列经高温氧化过程会产生不规则的形变,是高温环境下产生的热应力所致。本文通过建立ABAQUS有限元的模拟程序,对高温氧化过程中硅微通道阵列的单一孔道应变情况进行模拟仿真,并计算出不同温度下硅微通道阵列单一孔道的内角与外角的角度大小。模拟结果表明,硅微通道阵列经高温氧化过程,在1100℃时,内角角度为89.35°,外角角度为270.17°,不同温度下内角与外角之和小于360°,孔道壁凹陷,孔道夹角处凸起。

关键词：硅微通道阵列高温氧化 ABAQUS应变

硅微通道板电化学腐蚀系统光生载流子输运特性研究

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硅微通道板电化学腐蚀系统光生载流子输运特性研究

作者：张尧长春理工大学

学位级别：硕士

随着高长纵比硅微通道阵列在其应用领域发挥的作用越来越大,电化学刻蚀硅微通道技术也得到了广泛的关注,然而关于光电化学腐蚀硅微通道阵列硅中空穴输运特性的研究很少,光生空穴的激发和硅材料内部载流子的输运直接影响硅微通道阵列的... 详细信息

随着高长纵比硅微通道阵列在其应用领域发挥的作用越来越大,电化学刻蚀硅微通道技术也得到了广泛的关注,然而关于光电化学腐蚀硅微通道阵列硅中空穴输运特性的研究很少,光生空穴的激发和硅材料内部载流子的输运直接影响硅微通道阵列的刻蚀结果。本文以硅的表面特性为基础,利用硅材料能带结构阐述了光照辅助电化学腐蚀硅微通道阵列载流子的输运原理;以N型硅为研究对象,扫描了扩散和离子注入两种工艺加工硅片的Ⅰ-Ⅴ特性曲线,对比不同欧姆接触层对空穴激发的影响;分别在不同辐射光波长、光照强度下进行实验,确定激发光生空穴最佳波长为850nm;分别在不同腐蚀电压和不同温度条件下进行实验,扫描了对应的光电流曲线并利用金相显微镜对阵列形貌进行观察;根据晶体中的电离杂质和晶格振动散射机制,研究了温度和腐蚀电压与空穴迁移率之间的关系并进行了实验工艺优化。其最佳腐蚀条件是：光源为18×18LED阵列,电压为0.6V-0.5V降压,温度设定为13℃,腐蚀时间10小时。

关键词：硅微通道阵列光电化学腐蚀光生空穴输运特性