论文摘要
微光夜视技术拓展了人眼的视觉范围,自上个世纪中期以来得到了迅猛的发展。新思想、新概念、新材料、新工艺和新技术的不断涌现,推动着夜视器件与技术的发展。由于光电子技术的需求牵引,二维电子倍增器件得到了很快的发展,其中微通道板（MCP）和微球板（MSP）电子倍增器就是典型的实例。微通道板电子倍增器是由大量平行堆积的单通道电子倍增器组成的具有蜂窝状结构的二维阵列,其对核中粒子和短波辐射均有响应,在微光夜视、高分辨显像管和示波管、光电倍增管、图像光子计数器以及粒子探测等领域有重要应用价值。目前,三代像管工艺成熟,四代像管已开始进入研究阶段。微通道板是像管的关键部件,也在更新换代,其相关的新技术不断涌现,性能不断提高,已引起国内外的广泛重视,这方面的研究工作对于研制新型微通道板器件,提高像管性能具有重要理论价值和实用意义。本论文结合先进技术微通道板（AT-MCP）电子倍增器,微球板电子倍增器（MSP）和硅微通道阵列电化学微加工等新技术进行了深入的理论分析和实验研究,取得了较大进展。其主要研究工作如下:1.介绍了微通道板电子倍增器的结构、特点以及发展概况,论述了微通道板新技术的主要特点、研究现状和发展背景。2.新型先进技术微通道板技术研究20世纪90年代中期美国伽利略公司提出采用半导体技术制备微通道板,称此MCP为先进技术微通道板（AT-MCP）,与玻璃纤多纤维拉制工艺的还原铅硅酸微通道板（RLSG-MCP）相比具有许多优点,被认为是微通道板制作工艺技术上的新变革。硅基微孔深通道阵列的形成和连续打拿极的制作是这种AT-MCP技术的两项关键工艺技术。本文首先采用多路感应耦合等离子（ICP）刻蚀系统对硅基微孔深通道阵列的形成技术进行了系统的工艺实验研究,重点分析了一些重要的工艺参数对微孔阵列几何形貌的影响;研究了在微通道阵列结构形成过程中深通道内的气体微输运微观机制、侧壁保护以及深刻蚀产生的侧蚀等。按照工艺流程:MCP掩模版（母版）的制作→硅基片的研磨、抛光→氧化和金属膜的淀积→光刻→掩膜的形成→ICP深刻蚀→背部减薄至通透→基体绝缘化→导电层的形成→二次电子发射层的形成→镀电极→检测,流通了全部工艺,验证了AT-MCP技术的可行性。其次,本文对ICP刻蚀过程中的“刻蚀速率迟滞（lag）效应”和“钻蚀（footing）效应”进行了深入理论研究,探讨了它们与工艺参数之间的关系,尽管这些工艺问题在IC及常规MEMS领域中已经解决,但由于AT-MCP微通道阵列结构的特殊性,问题又引起了同行的重视,我们认为其结构不同于深槽结构,刻蚀过程中孔内气体的微输运只有一个自由度,其是一种封闭的结构。高长径比微孔深通道结构是微加工及MEMS领域中某些微结构的技术难题,本文作者在这方面作了探索性研究工作。在国内首次有针对性地提出了适度减小片台功率的方法,能有效地减小高长径比微孔深通道阵列制作中的footing效应的影响作用,对于改进AT-MCP制备工艺技术具有重要指导作用。最后,利用低压化学气相淀积（LPCVD）和敏化技术制作连续打拿极,探索膜层二次发射系数、体电阻与工艺参数的关系等。3.硅微通道阵列微加工技术理论及其实验研究硅微机械加工技术在大规模集成电路、光电子器件等制作中的作用已越来越引起世界各国的重视,尤其是近年来微电子机械系统（MEMS）进一步促进了新型微传感器和阵列式通道电子倍增器件等的新发展。因此,这就需要有相应的新型设备和解决最佳工艺参数选择问题,这样才能满足高长径比的深槽和微孔通道阵列的成型和质量要求。半导体电化学和光电化学（electrochemical and photoelectrochemical,EC和PEC）刻蚀在集成电路技术发展过程中起了重要的作用,集成电路制造的许多工艺过程都是基于电化学原理。1999年12月,美国纳米科学公司C P Beetz等人提出采用电化学工艺制作微通道板基体阵列的新技术,称为硅电化学刻蚀工艺。在此基础上制备的MCP称为硅微通道板（Si-MCP）,其技术与AT-MCP技术基本一致,只是在硅基微孔深通道阵列的形成阶段采用了硅电化学微加工技术。实验中利用自行设计的电化学/光电化学刻蚀系统,按照如下工艺流程:材料选择→基片的研磨、抛光→氧化→光刻→诱导坑的刻蚀→微孔深通道的电化学和光电化学深刻蚀,对硅基微孔深通道阵列结构进行了初步的形成实验,刻蚀出通道直径为3.0-4.0μm,长径比大于40的微通道阵列样品。同时,对硅/HF界面结构特点、界面化学特性、物理特性以及电化学特性进行了深入的理论研究,提出了硅在HF溶液中阳极溶解的机理;并从理论上给出大孔硅成核与生长机制和高长径比通道形成的解释。研究结果对硅电化学微加工过程的工艺设计以及硅电化学理论研究具有重要意义。该项研究工作具有一定创新性。对n型硅基二维通道电子倍增器MCP微孔阵列制作工艺开展了研究工作,制作出方孔边长为3.0-4.0μm,中心距为6.0μm,长径比大于40的深通道阵列,目前还未见任何报道。针对硅/HF电化学系统,利用局部电流脉冲模型对大孔硅的成核和生长的机理进行了系统的理论研究,并且首次对p型硅基深通道阵列形成的微观机制进行了实验验证:理论计算给出了其形成电流密度J=0.58mA/cm2;实验中在恒定电压v=1.85v时,工作电流密度J=0.60mA/cm2,得到了理论与实验结果相符相对误差为3.4%的好结果,目前未见报导。在国内首先全面分析和系统阐述了在光电化学刻蚀n型硅基深通道阵列过程中光照强度、HF浓度以及掩膜与衬底之间晶向校准这三方面因素对其成型影响的微观机制,给出了其优化的工艺条件,得到了上述三者是形成n型硅基深通道阵列的主要决定因素的结论。这些工作对进一步深入研究与制备硅基深通道阵列和新型Si-MCP技术具有重要意义。4.介绍了微球板电子倍增器的发展概况和应用前景,以及制备微球板电子倍增器技术的主要特点和研究现状。微球板（MSP）是由直径为20-60μm的玻璃微珠构成的无规则堆积的盘片状烧结体,厚度1mm左右,其内部玻璃微珠间隙构成了不规则微型通道结构;经过处理后的微球表面具有二次电子发射特性,两端面涂覆电极后形成微球板电子倍增器。微球板电子倍增器的工作原理与微通道板相似。MSP与MCP相比具有电子增益高、无离子反馈、工作真空度要求低、强度高、寿命长等特点。制成的新型光电探测器可广泛应用于极微弱光探测和单粒子计数、质谱与能谱分析系统、快速粒子飞行时间测量、粒子成像和大屏幕显示系统等领域中。本论文研究了微球板制作过程中的一些基本理论,采用立式炉成珠设备进行了玻璃微珠的制备,设计了微球板电子倍增器制作的工艺流程,探索了微球板制备过程中玻璃微珠的分级技术,微球板电子倍增器基体成型工艺和技术,制备出满足要求的微球板电子倍增器的基体,并进行了打拿极和端面电极的探索性实验。最后对实验过程中的一些现象进行了理论分析和讨论,并给出了相应的实验结论和研究建议。由于时间短、经验不足,许多工作有待进一步完善、改进和深入。其创新点在于对微球板电子倍增器烧结速率理论进行了深入的分析,并对烧结速率库斯仲斯基理论公式进行了修正,使其更加有利于在微球板电子倍增器制备实验过程中控制其影响因素,这就对其形成提供了理论的支持