（微电子学与固体电子学专业论文）波导型x射线闪烁屏技术研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，波导型x 射线闪烁屏技术研究是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者签名：矬年 月日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文全文 数据库和q 哌i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被奄阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：丝坐年月日 一醛辄峭一山埘 摘要 由于x r a y 具有高光子能量、穿透力强等特点，已在科研、生产、生活等多 个领域得到了广泛应用。但目前的x - r a y 成像探测器存在成像分辨率低、x - r a y 剂 量偏大等问题，为了优化成像的空间分辨率、减少x r a y 剂量，本文针对波导型 x r a y 闪烁屏的几项关键技术进行了研究。 此闪烁屏基于硅微通道阵列，采用c s i ( t 1 ) 0 , - 烁晶体为光转换材料，将c s i ( t 1 ) 晶体填充于大孔列阵中，使其形成波导，从而形成波导屏。使用硅微通道阵列主 要可以达到抑制可见光扩散、提发光效率的目的。 本文首先利用电化学刻蚀设备，制备微通道阵列，其次根据闪烁晶体的不同 性质，选择出适合于本课题的闪烁晶体材料c s i ( t 1 ) 。然后，根据c s i ( t 1 ) 与硅 片的熔点不同，提出采用高温熔解封闭冷却的方法将c s i ( t 1 ) 填充于硅微通道 阵列中，使其成为波导。由于发光效率只与波导长度有关，与截面形状无关，为 了减少变量，简便计算，选择圆柱形波导来代替长方体波导，并建立光电效应模 型及康普顿散射模型，通过计算分析，并用m a t l a b 对其发光效率进行模拟，得到 使发光效率达到8 0 时的波导尺寸，l 4 0 0 9 m ，d 1 2 9 m 。 关键词：闪烁晶体电化学刻蚀微通道阵列x - r a y 成像探测器 a b s t r a c t t h ex - r a yh a sb e e nw i d e l yu s e do ns c i e n t i f i cr e s e a r c h ，p r o d u c t i o n ，l i f ea n dm a n y o t h e rf i e l d s ，a si th a sh i 曲p h o t o ne n e r g y , p e n e t r a t i o na n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s b u t r e c e n t l yt h ex r a yi m a g i n gd e t e c t o rh a sal o to fp r o b l e m s ，s u c ha sl o wr e s o l u t i o n i m a g i n g , l a r g ed o s eo fx - r a ya n ds oo n i no r d e rt oo p t i m i z et h es p a t i a lr e s o l u t i o na n d r e d u c et h ed o s eo fx - r a y , t h i sa r t i c l es t u d i e sf o rt h es e v e r a lo ft h e s ek e yt e c h n o l o g yo f t h ew a v e g u i d ex - r a ys c i n t i l l a t i o ns c r e e n t h es c i n t i l l a t i o ns c r e e ni sb a s e do i lt h es i l i c o nm i c r o c h a n n e la r r a y c s i ( t i ) i s u s e df 0 rt h es c i n t i l l a t i o nc r y s t a la st h el i g h tc o n v e r s i o nm a t e r i a l s a n df i l l e di nl a r g e a r r a yh o l e st oc o m ei n t ob e i n gw a v e g u i d e t h e nt h ew h o l es y s t e mi sf o r m e da s c i n t i l l a t i o ns c r e e n t h es i l i c o nm i c r o c h a n n e la r r a yc a l li n h i b i tt h ed i f f u s i o no ft h e v i s i b l el i g h t ，a n da l s oc a nr a i s et h e1 u m i n o u se 伍c i e n c y i nt h i s a r t i c l e ，t h es i l i c o nm i c r o c h a n n e l a r r a y i sm a n u f a c t u r e dw i m e l e c t r o c h e m i c a l e t c h i n ge q u i p m e n t a t f i r s t a n dt h e ns c i n t i l l a t i o n c r y s t a l m a t e r i a l s 一- c s i ( t 1 ) i sc h o s e nw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h i ss u b j e c tb yt h ed i f f e r e n tn a t u r eo f t h es c i n t i l l a t i o nc r y s t a l t h e nam e t h o do fh i g h t e m p e r a t u r em e l t i n g c l o s e dc o o l i n g b r o u g h tf o r w a r dt om a k et h ec s i ( t 1 ) f i l li nt h el a r g eh o l e s ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n t m e l t i n gp o i n tb e t w e e nc s i ( t 1 ) a n ds i l i c o n , a n dt h ew a v e g u i d ei sf o r m e d b e c a u s et h e l e n g t ho ft h ew a v e g u i d ec a na f f e c tt h el u m i n o u se f f i c i e n c y , b u tt h es h a p eo ft h es e c t i o n c a nn o t s ot h ec u b o i dw a v e g u i d ei sr e p l a c e db yt h ec y l i n d r i c a lw a v e g u i d e a tl a s ta p h o t o e f f e c tm o d e la n dac o m p t o ns c a t t e r i n gm o d e la r es e tu pt ot h ew a v e g u i d e t h e w a v e g u i d ed i m e n s i o n si sg o tw h e nt h el u m i n o u se f f i c i e n c yi sr e a c h e db v8 0 ，t h r o u g h a n a l y s i sa n du s i n gm a t l a bt os i m u l a t el u m i n o u se f f i c i e n c y t h ew a v e g u i d ed i m e n s i o n si s l 4 0 0 v m ，d 1 2 1 m a k e y w o r d s ：s c i n t i l l a t i o nc r y s t a l se l e c t r o c h e m i c a le t c h i n g m i c r o c h a n n e la r r a y x - r a yi m a g i n gd e t e c t o r 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论1 1 1c r 与d r 的发展2 1 2 波导屏x 射线成像技术的发展5 1 3 课题研究的内容及意义8 第二章波导屏的组成及原理9 2 1c s i ( t 1 ) 闪烁晶体材料基本性质9 2 2 电化学刻蚀微通道阵列形成原理13 2 3c c d 原理19 第三章硅微通道阵列的加工21 3 1 微通道阵列刻蚀装置2 1 3 2 电化学刻蚀微通道阵列的流程2 3 3 3 加工微通道阵列的影响因素2 4 第四章c s i ( t 1 ) 的填充与m a t l a b 模拟实验3 4 4 1c s i ( t i ) 的填充方案3 4 4 2c s i ( t 1 ) 的光电效应模型与康普顿散射模型3 5 4 3 模拟结果与讨论3 9 第五章总结4 3 至殳谢z 和4 参考文献4 5 第一章绪论 1 8 9 5 年，伦琴在一个阴极射线实验中发现一种未知的射线。他用锡纸和硬纸板把 真空放电管严严实实地包裹起来，以防止任何可见光线从管中透露出来，然后，拉上 所有窗帘，接通感应线圈，接通电源，使高压放电通过放电管。此时伦琴发现，在距 离放电管不到1 米的亚铂氧化钡小屏上发出了绿色的荧光。他找来书本、木头、硬橡 胶等各种各样的材料做障碍物，挡在放电管和荧光屏之间，反复进行实验，除了铅和 铂以外，其它物质都能被这种射线穿透，这种看不见的射线还能使包在黑纸中的相纸 感光。后来，伦琴让他的妻子用手捂住照片底片，并用这种射线照射，当显影后，夫 妻俩在底片上看见了手指骨头和结婚戒指的影象。伦琴验证了自己的想法，并把该射 线取名为 x - r a 矿。而一直到1 9 1 2 年，在德国的著名的物理学家m a 劳厄成功做成了 x - r a y 的衍射实验之后，人们才逐步对x r a y 的内部本质有了比较正确的认识。 图1 1 伦琴拍摄的首张x - m y 成像影像，指骨和指环清晰司见 x r a y 就其本身来说，它是一种波长很短的电磁波，我们确定它的波长范围在1 1 0 。3 n m - - l o n m 这个区间内，并且它的波长还在紫外线射线与y 射线之间。而x - r a y 在 它的波长区间内，又被划分为三类，在这其中超硬x - r a y 是指波长小于1 1 0 。2 n n l 的， 于此相比较来说，硬x - r a y 和软x r a y 的波长分别在1 1 0 2 1 1 1 1 1 l 1 0 叫n l l 和1 1 0 n m l o n m 。由于x r a y 的波长较短且直线传播，所以它要比可见光具有更高的能 量( 介于2 0 e v 与1 2 m e v 之间) ，这使得x r a y 的粒子特性较为明显。x - r a y 的光子呈 现电中性，所以它不会在电场或磁场中偏转。同时，x r a y 具有很多光学性质，如衍射、 透射、相干散射、不相干散射、偏振等。但x - r a y 被人们应用最多的还是它强大的穿 透能力，它可以将分子或原子分离，让底片感光，也能对生物细胞的产生极大的破坏 作用。 由于x r a y 较强的穿透能力，x - r a y 在被发现后的数周后就被应用于医学诊断。随 着科研技术的发展，人们对x r a y 的本质及特性有了更深刻的了解，并将x r a y 越来越 多的应用于各个领域。然而，我们在获取事物信息时，用到最为直观的方式就是观察， 人们发明了望远镜、显微镜等仪器就是用来不断地提高观察的广度和精度，从而获取 更多的信息。但无论如何，人眼是无法直接观察到除可见光以外的其他射线的，而可 见光只占整个自然界电磁波的一小部分。于是人类打破可见光的局限，对与可见光相 邻的红外线和紫外线展开了研究。经过多年的研究，发现紫外线的成像性能不够理想； 而红外探测方面，研制出了单色仪、光谱辐射计、傅里叶变换红外光谱仪等多种红外 辐射测量仪器，技术已经较为成熟。此时，人们又将目光转向了具有较宽波谱范围的 x r a y 。从宏观角度来看，x r a y 探测及成像技术的发展可以使我们更清晰的观测太空 中的x - r a y ，这对于我们加深对宇宙的了解有很大的帮助；从微观来看，x - r a y 的穿透 能力广泛的应用于测量、医疗、安检等方面，而其在这些方面的优势，是其他探测技 术所无法替代的。因此，x m y 成像探测器的研发就成为了举世瞩目的焦点【l 】。 1 1c r 与d r 的发展 如今，随着物理学、电子学、计算机科学的飞速发展，放射影像领域先后出现了 一系列新的成像技术和设备，构成了当代新的影像技术，这些新技术的应用，不仅极 大丰富了形态学诊断信息和图像层次，更为重要的是实现了图像信息的数字化。 x - r a y 成像技术在医疗成像、无损检测及安全检查等方面都有广泛的应用。而在过 去的十年中，数字x r a y 成像探测器已经有了比较成熟的发展。如现在市场上比较流 行的c r 、d r 等技术。c r 即为计算机x - r a y 摄影系统，d r 为数字化x r a y 摄影系统。 这些探测器替代了原始胶片，能够实现实时成像，对x r a y 的光转化效率达到了6 0 以上( 传统仅为2 0 一3 0 ) ，密度分辨率高达2 1 4 灰阶( 传统仅为2 6 灰阶) ，在一定程 度上降低了x r a y 的使用剂量【z j 。 c r 与d r 它们拥有的共同特性是将x - r a y 的影像信息统一转化为数字类型的影像 信息【3 】，不像以前一样以x r a y 胶片本身为保存和显示信息的载体。老一代的x - r a y 在 照相的时候，必须使用大量的曝光剂，同时影像的质量只能在照相时候完成就不能再 进一步得到改善，如果一时遇到了质量达不到要求，那么当时就往往需要重新拍摄， 增大了复拍工作量、胶片的消耗也是不可预计、工作效率当然会大大降低，造成了无 法弥补的负担，但是为了工作的顺利进行当时还不得不进行下去。现在我们拥有了c r 与d r 两种技术，它们拥有动态范围广、曝光容度宽、线性好等优良特性，可在数据 存储、分辨率、反应速率等方面，远远超越老式显影系统，即使在测试条件不是很清 楚的情况下，也可以很好的获得图像，加之c r 、d r 才用了新一代的图像显示增强技 术，大大的降低了重拍的次数，降低工作量，同时达到节能减排的目的f 4 】。 2 图1 2c r 照片 图1 3d r 照片 图1 2 、1 3 即为c r 和d r 在做人体扫描时得到的数字化影像，在成像原理方面， c r 技术是借助荧光存储板间接将x r a y 转化后成像，d r 技术可以直接得到数字格式 的图像。而这两种技术在获得了数字化信号图像并经精细的图像处理系统处理完毕后， 都可以在一定范围内，根据自己的需要任意改变图像的特性，然后通过图像处理，实 现图像的优化用于以达到所想要的最佳的视觉效果，因此可以提高了图像本身的质量。 而传统的x - r a y 照相技术所得到的影像是固定的，不能优化或改变，这就使得c r 、d r 的优势更加明显。 目前数字化图像的灰阶已提高了l o 倍的胶片级，图像无论是层次、细节、分辨率 都得到了相应的提高。并且我们还可以通过一些专用的图像软件实现对于图像的噪声 滤波、对比度、画面平滑等调整。这种相应的软件技术还有很多种就不一一详述，但 是我们可以明确的知道图像的处理可以更加的完善，并且我们可以通过处理以后的图 像观察到更多的信息和判断出更多的事情。并且有时候通过改前和改后的对比，发现 许多不为人知的细节问题。 当然不同的时候，选择射线的能量也是不一样的，在透照工艺上仍要注重于选择 合理的射线能量才能达到效果。选用微焦点或者很小的焦点的x - r a y 源；图像放大取 最佳倍数；把无用射线和散射线完全屏蔽掉或者绕开；过滤软射线时候材料的密度必 须选择的比较高，这样可以减少低能射线的散射作用保障其工作质量；用铅质的窗口 来适当限制射线主光束的外围面积，来减少散射线的作用；对工件的被检测区域以外 的表面实行有效的屏蔽。以上的工作都是为了尽量减少散射线的和干扰信号的影响， 虽然影响方面有很多，但是改善了这两个方面，其他也可以往往被忽略。 c r 与d r 的屏感光度较高，这使得x - r a y 光子的转换效率也很高，相比传统胶片 法，照相检测所需x r a y 的剂量要低得多，同时如果能再进一步通过数字化图像处理 技术完善图片内部细节，就能得到高清晰的图像。这两种技术也使得曝光时间有所减 少，把x - r a y 对人体辐射的伤害有所降低。在减小x r a y 剂量的同时，也降低了x - r a y 发生器发出射线时所需的功率，可以达到节能减排的功效【3 】。 数字化的照相带来了很多的优势，比如提高了管理的效率，储存更加方便，信息 容易保存可以长时间存取等。同时，这种方式节约了胶片、储存空间、管理人数等， 这就意味着节约了很多的资源，降低了成本l l j 。 表1 1 是c r 与d r 技术在原理及性能等方面的比较，说明这两种技术在代替传统 x r a y 照相技术出现后，虽然优势明显，但是都有限制其发展的因素，在相当长的一段 时间内，这两种技术会并行发展，共同存在。 4 表1 1c r 与d r 比较 d r 成像原理 工作效率 图像分辨率 x - r a y 计量 价格费用 发展方向 x - r a y 间接转换，利用p 板作 为x - r a y 检测器，成像环节相 对于d r 较多 与d r 相比操作较复杂，工作 效率较低 x - r a y 直接转换，直接创建有 数字格式的图像，利用硒作为 x - r a y 检测器。成像环节少 曝光时间可比c r 更短，工作 效率更高 喜噌詈嬲，褒蹇拳誊罄笑麓鬻案篓喜盒荨 熨：掣堡篓贺：翼翼翌，警禽妄高棼# 辜；并谶：菡器 分辨跫璺翌参篓堂较差，图馘；警：。琵篆黼薯、 像质量略逊于d r 蒹篇葛菇辐装；蔷蓄茗：。爱器 低 由于提高了x - m y 光子转化 效率( d q e ) ，使用射线的剂 量更低 较。r f 氐无需改变现有设备 昂贵需改蓑妒的x 线机 与d r 有塑妻援鬯共存时期 最终将取代c r 并行发展 8 “1 ”、一、 1 2 波导屏x 射线成像技术的发展 在1 9 9 9 年7 月美国洛斯一阿拉莫斯国家实验室采用了一种全新的实验方式，来增 强图像的分辨率。他们首次使用大尺寸闪烁晶体屏作为x 光相应的转换器，外加他们 所拥有的超高分辨率的图像增强器，通过实验得到了质量非常优异的图像5 1 。就在同一 年，法国也不甘落后，在c e a ( a t o m i ce n e r g yc o m m i s s i o n ) 实验室搭建一套新的x - r a y 成像系统。这个系统的优势是用了锗酸铋( b g o ) 这用闪烁晶体材料作为转换屏，把不可 5 见的x 光转为可见光，并且使用光纤作为传递图像的桥梁，最后再外加一个微通道板， 利用其倍增效应使最后图像信号放大并增强f 6 】。这些经典的实验为波导屏x r a y 的发展 打下了坚实的基础。 波导屏的概念是建立在微通道列阵的基础之上，通过利用闪烁晶体将x - r a y 转化 为可见光建立起来的。现在通过比较成熟的可见光成像技术，不断完善并进一步的研 发我们可以从真正意义上实现了x r a y 的数字成像技术【7 】【8 】【9 】。 近年来，波导屏以其优越的性能，成为各国家研究的焦点。2 0 0 2 年瑞典的 x b a d e l ，a g a l e c k a s ，j l i n n r o s t m 】等人已研制出当时世界最先进的波导屏，他们利用d r i e ( 深反应粒子刻蚀) 在n 型硅衬底上刻蚀出孔深2 3 8 l m 、孔径4 5 9 m 的微通道阵列结 构，并将闪烁晶体置于微通道中，制作出第一个真正意义上的波导屏【l l 】。在国内，由 于d r i e 设备昂贵，无法获得良好形貌的微通道阵列，使得我国波导屏技术的研究受 到很大限制，与国外差距也非常大【l2 1 。然而随着近几年来我国的m e m s 技术的飞速发 展，我们逐渐用电化学湿法腐蚀的方法代替了d r i e ，而且在微通道阵列的结构上有所 突破，已经超越了d r i e 的水平。这也使得我国的波导屏研究进入了一个实质性的阶 段。 1 2 1 闪烁晶体发展 闪烁晶体是波导屏的核心成分，因此它的性能好坏直接决定整个器件对x r a y 的 吸收能力、荧光转换、传输率等各个方面。所以，选择一种合适的闪烁晶体材料，才 能真正达到优化波导屏性能的目的。 无机闪烁晶体材料是目前研究及应用最多的闪烁晶体，它主要有三个大的发展阶 段【13 1 。第一阶段是最早期的c a w 0 4 和z n s ，这个时期，人们还不能用m e m s 技术来 反应问题，只能是通过肉眼来观察闪光的发生，用以判断粒子能否与物质发生了相互 作用；第二阶段主要是以萘晶体的发现为前提标志，它的发现使得n a i ( t 1 ) 闪烁晶体得 到了飞快的发展，同时这种发展带动了一系列卤化碱晶体的应用和生产；第三阶段应 该是从2 0 世纪8 0 年代到今，以高能物理精确测量为前提，为了满足医学方面的成像、 地球物理内部的探测和科研究领域等要求，而逐步发展起来的。 目前，我们常见无机闪烁晶体有很多种，比如：b g o 晶体、硅酸盐闪烁晶体或者 钨酸盐闪烁晶体等、卤化物晶体( 如n a i 、c s i 系列、b a f 2 等) 等。这些闪烁晶体又由于 各自的特点不同，也在不同的科技领域和先进设备上获得广泛的应用。其中c e f 3 和 b a f 2 曾分别是西欧核子中心的大型强子对撞机( l h c ) 和美国超级超导对撞机( s s c ) 首选 用于探测的闪烁晶体材料；上个世纪末美国s l a c ( 美国斯坦福线性加速器中心) 和日 本k e k ( 日本高能加速器研究机构) 的“正负电子0 4 对撞机使用了c s i ( t 1 ) 闪烁晶体； 有较高z 值并且对丫射线探测的光电效率比较高的b g o 闪烁晶体被广泛的用于p e t 扫描仪上；c t 扫描仪上应用最为广泛的是闪烁效率高，发光衰减时间长的c d w 0 4 【1 5 】。 6 表1 2 几种常用无机闪烁晶体的各项参数 表1 2 中列出的是几种常用无机闪烁晶体的其本身的各项性能参数。根据上面表 中的内容我们易知，c s i ( t 1 ) 这种晶体的密度适中，而且对y 射线有较强的阻止能力， 较n a i ( t 1 ) 晶体而言，抗温度冲击和抗机械冲击的能力两个方面要强得多。由于探测转 化效率和谱线峰值有关，并且c s i ( t 1 ) 晶体的发射光谱峰值正好5 5 0 n m 这一波段，这与 c c d 的响应曲线有很好的匹配度，有利于提高试验时探测器的光转化效率。通过对比， 总结来说这些优越的性能是突出而且易见的，所以c s i ( t 1 ) 晶体较为适合做新型波导屏 中的波导材料【m j l l 7 】。 1 2 2 硅电化学刻蚀发展 制各大孔硅的阳极氧化技术使得电化学深刻蚀技术蓬勃发展起来，两者紧紧相连。 1 9 5 6 年u h l i r 1 8 】在研究半导体材料电化学抛光试验的时候，首次发现了大孔硅。两年以 后，关于大孔硅的形成机制由t u m 一1 9 】开始提出研究，并且进行了大量实验。但是经 过漫长的时间，直到9 0 年代初，英国科学家l t c a n h a m 2 0 】试验发现大孔硅的新特性 在室温下高效率发射可见光，并且通过实验验证，提出了出发光机制的量子限制 效应基础模型。从此，多孔硅才逐步引起了全世界人民的广泛关注。 大孔的形成机理自1 9 9 0 年l e h m a n n 和f 6 1 1 2 1 】通过研究，并且在n 型硅氢氟酸体 系中突然发现了高深宽比大孔阵列结构，从此这一形成机理便成为了学术界争论的焦 点。对于这种理论来说l e h m a n n 【2 2 】空间电荷区域假设，p o r p s t 2 3 】等人的化学吸附和晶 面取向解释都比较成熟，而且报道详尽阐述透彻。 n 型大孔硅是目前被了解的，公认的最好的大孔硅。采用大孔硅制备技术的有很多 其他刻蚀技术所无法比拟的优势：它制作出来的孔具有非常完美的结构，能获得其他 刻蚀技术所无法达到的非常高的深宽比，并且通道具有良好的形貌，侧壁光滑无腐蚀， 7 孔径上下一致。由l e h m a n n t 2 2 】等人提出的理论我们可以知道，当阳极氧化，而且n 型 硅表面存在缺陷，那么缺陷周围的空间电荷区就会相应的发生弯曲，从而会使缺陷尖 端处的电场得到大大的加强。那么这个时候硅的溶解会有固定的方向性，即沿着这些 缺陷尖端进行，而逐渐形成了很深的孔。这些深孔通过测量，最深的可以达到硅片的 厚度，更可以得到约2 5 0 的深宽比。 根据这种大孔硅的制备方法的理论基础，电化学深刻蚀技术的概念逐步发展出来。 l e h m a n n 和他的同事提出利用制造集成电路的光刻技术附加在硅材料表面后，再人为 的在表面制造一些合理的缺陷，然后对其进行阳极氧化，这便能造出一些具有高深宽 比的结构【2 2 】【2 3 1 。试验证明利用不同的缺陷后，可以制造出更多种高深宽比的新型结构。 比如：微通道结构或者叉指结构等。 硅刻蚀工艺其实在近几年一直不断的向前发展，并且以非常迅猛的速度前行着。 如美国纳米科学公司在上世纪末通过试验研究获得非常高的深宽比结构的微通道阵 列，并成功申请制作微通道板的硅刻蚀工艺的专利，这个专利是一种新型的微通 道列阵【2 4 】【2 5 】。新的刻蚀工艺有很多优点，如工艺简单，设备易于操作、设备及材料造 价低廉、投入后成本回收迅速。对于这种加工技术，国内外仍然处于研究阶段，在国 内，长春理工大学【2 6 】通过实验已经刻蚀出孔深度为3 8 0 u m ，孔径约为4 5 p m 左右，壁 厚约为1 5 u m 左右的新型硅微通道阵列结构，更令人欣慰的是此项研究已经成功并且 已处于世界的领先水平。 1 3 课题研究的内容及意义 课题研究内容包括： ( 1 ) 通过电化学湿法刻蚀试验制备微通道阵列； ( 2 ) 对各种闪烁晶体的特性、发光机理进行比较，确定c s i ( t 1 ) 以作为本课题所研究 波导屏的光转化材料，并提出c s i ( t 1 ) 闪烁晶体的填充方案； ( 3 ) 经过计算，对c s i ( t 1 ) 闪烁晶体建立光电效应模型和康普顿散射模型，使用m a t l a b 进行模拟。 目前，数字化x - r a y 成像探测器已经广为普及，这就对科研工作者提出了更高的 要求，那就是如何减少探测器中x - r a y 剂量与提高成像分辨率，从而形成新型的x - r a y 成像探测器。 本课题所研究的波导屏，很好的解决了以上两个问题。使用硅微通道阵列可以使 c s i ( t 1 ) 形成良好形状的波导，x - r a y 在波导中转化为可见光，在硅微通道阵列中传播， 孔壁对可见光起到了良好的束缚作用，使可见光的透过率大幅度提高，间接增大了 x - r a y 的转化率，使波导屏获得很高的成像分辨率。 用电化学湿法腐蚀技术代替深反应离子刻蚀技术，具有工艺成本低的特点，并使 硅微通道阵列结构突破深宽比3 0 的局限，为x - r a y 波导屏的研究奠定了工艺基础。 8 第二章波导屏的组成及原理 波导屏是以微通道阵列为基础，以闪烁晶体为光转化材料的新型x - r a y 成像转换 屏。它利用闪烁晶体材料能将高能电磁波转化为可见光的原理，在微通道阵列中形成 波导，再通过光纤与c c d ，c m o s 等目前比较成熟的可见光成像技术器件耦合，从而 在真正意义上实现了x r a y 数字化成像技术。 2 1c s i ( t i ) 闪烁晶体材料基本性质 首先需要说明的是碘化铯的基本特性。碘化铯在纯净的程度下会呈现白色粉末状； 其本身为面心立方结构；分子量为2 5 9 ；不溶于水、乙醇；它的熔点较高，6 2 1 ，其 沸点1 2 8 0 c ，但这些与硅材料的的熔点1 4 1 0 c 相比，还是比较低的，可以作为很好的 匹配材料；它纯净状态下的密度为4 5 1 9 c m 3 ，在掺杂入其他微量元素形成闪烁体时， 对其密度不产生影响；在水中的溶解度为7 4 9 1 0 0 9 2 7 1 。而碘化铯的纯度可由表2 1 得 知： 表2 - 1 碘化铯( c s i ) 晶体成分含量 物质含量 碘化铯( c s i ) 镍( n i ) 纳( n a ) 氟( f ) 硅( s i ) 镁( m g ) 铬( c r ) 钡 铁 氯 钛 b a ) f e ) c 1 ) t i ) 锂( l i ) 钙( c a ) 磷( p ) 硫( s ) 钾( k ) 9 9 9 9 9 o 1 p p m 0 5 p p m 0 1 p p m o 5 p p m 0 5 p p m 0 2 p p m 0 5 p p m o 2 p p m 3 p p m 0 5 p p m 0 4 p p m o 5 p p m 0 3 p p m l p p m 5 0 微孔 中孔 大孔 要想在n 型硅进行阳极氧化来获得多孔硅，硅片必须要有空穴，而光照可以使硅 片产生空穴，因此阳极氧化形成多孔硅又被称为光辅助电化学刻蚀方法( p a e c e ) 。 目前，普遍认为，在多孔硅形成最初，硅片表面必须粗糙不光滑，或者表面存在 缺陷是多孔硅的形成机制的必不可少的条件之一。因此采用电化学刻蚀技术的阳极氧 化刻蚀形成多孔硅，必须同时满足几个基本要求1 3 7 】： ( 1 ) 硅片必须凸凹不平或者存在缺陷能够产生空穴，并且产生的空穴能够到达硅与 电解液的界面上。 ( 2 ) 多孔硅的形成与硅片的类型和掺杂浓度有很大的关系，易形成多孔硅的次序为： p ( 光照) p + q r ，n ( 无光照) p ( 无光照) 河) ，则电场变为： es ：h ( 2 5 ) ， 由于孔尖是倒金字塔形结构，也就是非平面结，因而电场集中分布在尖端，从而 使尖端的势垒高度明显降低，电流密度增大，导致刻蚀速率变快。在硅基体微通道结 构的电化学刻蚀中，孔尖曲率半径越小则电场分布就越集中。因此在电化学刻蚀过程 中，孔尖优先沿孔尖方向刻蚀，而孔壁不被刻蚀。 根据l e h m a n n 等人对关于大孔硅形成的空间电荷模式解释：当n 型硅和电解液所组 成的系统，也就是s i h f 系统处于反偏状态时，( 即：1 1 型硅接阳极，腐蚀液接阴极) 电场排斥表面的载流子，也就是多数载流子消耗殆尽，在硅表面就会形成空间电荷区。 而当硅衬底表面有凹坑或缺陷的时候，凹坑或缺陷周围的空间电荷区由于电场分布的 集中而发生弯曲。如果在空间电荷区后方有空穴扩散到硅电解液界面附近，这些空穴 被尖端更强的电场的吸引，而通过空间电荷区的弯曲处吸收到凹坑或缺陷的尖端。如 果刻蚀过程中空间电荷区后方不断提供空穴，硅片就能沿孔尖的方向生长出很深的孔。 如果电流密度不变，孔的直径也会保持恒定。 图2 6 光辅助电化学深刻蚀系统中空间电荷区分布和空穴注入方向 l e h r n a n n 提出了一个简单的公式来描述孔的尺寸与腐蚀电流的关系。孔的面积 a d 2 ( d 是孔的直径) ；腐蚀方向上的硅片面积a 硎a 2 。 a 豫ld 弋j 了i l i = 一 ( 2 6 ) a 瞄l a ) jp 江 ￥”j j p s l 是个与氢氟酸浓度和温度有关的常量( 对应于图中的p e a k 点电流密度) 如图所 示。当阳极氧化电流达大于该值时会发生电化学抛光现象，图2 7 中k 即上式中的j p s l 。 1 6 叫卜l 一| 卜2 叫p 3 一s 一7 舢1 0 0 。0 0 2 80 0 0 30 ，0 0 3 20 ，0 0 3 40 0 0 3 6 1 t f k 图2 7 临界电流密度j p s 在不同温度和氢氟酸浓度下的测试曲线 j p 。是电荷供应限制与质量输运限制转换的标志临界电流密度，图2 8 中j 一为最 大抛光电流值，如果空穴足够，抛光电流最大值j 眦x 由溶液浓度决定。 图2 8r l 型硅光电化学i - u 特性曲线 因此当知道了孔的面积之后就可以得出流经每个孔的电流值j 雌，的值。 k = 毕 ( 2 7 ) j 胱 么 哪) 计算出的j p m 可以作为实际氧化电流密度的参考值。然后在此基础上通过实验找 到最佳值。 刻蚀过程中产生空穴可以有两种方法：一是最常用的增加光照的方法，在n 型硅 1 7 6 4 3 2 l o 一氇皇粤笺1三 片背面进行光照，从而在硅片背面产生空穴，由于存在浓度差，由光照产生的空穴就 会向硅内部扩散，在到达硅与电解液界面时，参与阳极氧化反应。刻蚀电流大小取决 于光的照度，所以可以通过调整光照度来控制刻蚀电流，从而进一步控制反应过程。 另外一种方法是：提高空间电荷区的电场强度产生雪崩效应，从而产生电子空穴对。 这样也可以大大提高刻蚀速率。 在酸性和碱性电解液中硅的电化学反应是不同的。单晶硅基片在h f 溶液中进行阳 极氧化时，硅表面会产生一层与表面垂直的纳米硅晶，并且这些纳米晶硅纵横比很高， 而且是相互隔绝。随阳极氧化反应的进行，能够加深硅衬底的腐蚀程度，从而形成微 孔。 釉溯 ( c ) 、s ；致蔓八 h 2 ( 2 1 0 ) 但是由于氢离子在放电的过程中需要大量的时间，这就使得刻蚀速率变得很漫长。 此时我们选择加入表面活性剂，这会使刻蚀的反应速率大大加快，从而让刻蚀质量有 所提高。 在碱性溶液中，阳极氧化反应为： 彤+ 6 0 1 t js i a 2 一+ 3 h ，0 ( 2 1 1 ) 阴极反应是氢离子还原反应： 2 h + + 2 e h 2 ( 2 1 2 ) 总的反应为： s i + 6 0 h 一+ 4 日+ j & 凹一+ 3 日2 0 + 2 h 2 ( 2 1 3 ) 而在碱性溶液中，旷离子浓度非常少，从而阴极反应非常微弱，因此硅在k o h 或 n a o h 溶液中的腐蚀速率比在i - i f 溶液中慢很多，要想加快阴极反应速率，从而提高腐 蚀速度，可以在碱性溶液中加入某种中性或碱性氧化剂。 在p 型硅中，存在着大量的空穴，这就使得在p 型硅中，空穴的运输过程相对简 单的多。在对p 型硅进行电化学刻蚀实验时，将电解液接到阴极，硅片接到阳极，此 时在硅和电解液之间就产生了一个电场，通过这个电场的作用，硅片中的空穴和电解 液中的o h 。离子都沿着电场的方向，向反应界面移动，如此看来p 型硅的阳极氧化反 应比较容易进行。 但当我们使用n 型硅时，电解液中的反应情况就与p 型硅的阳极氧化反应完全不 同了。由于n 硅中空穴的含量非常的少，这就使得在硅片表面的阳极氧化反应缺少了 反应的关键因素。电解液接阴极，硅片接阳极。因为电解液中含有很多的o h 离子， 这就可以把电解液硅界面认为是一个肖特基结，并且，这种结是反向偏置的。在一 定条件下，硅表面可能发生击穿( 雪崩击穿或齐纳击穿) 或隧道效应，击穿能够产生 大量的电子一空穴对，由于电场的作用，空穴向硅电解液界面移动，电子则相反， 向硅片内部移动。这取决于电压和掺杂浓度，而且击穿电压时掺杂浓度的函数，击穿 电压随掺杂浓度的升高而降低，因此n + 硅容易被阳极氧化，反之低掺杂的n 型硅，很 难被刻蚀，因此需要进行背面光照。 2 3c c d 原理 c c d 是于1 9 6 9 年由美国贝尔实验室【7 ( b e l ll a b s ) 的维拉博伊尔( w i l l a r ds b o y l e ) 和乔治史密斯( g e o r g ee s m i t h ) 所发明的。当时贝尔实验室正在发展影像电 话和半导体气泡式内存。将这两种新技术结起来后，波义耳和史密斯得出一种装 置，他们命名为“电荷气泡元件”( c h a r g e ”b u b b l e d e v i c e s ) 。这种装置的特性就 是它能沿着一片半导体的表面传递电荷，便尝试用来做为记忆装置，当时只能从 暂存器用“注入”电荷的方式输入记忆。但随即发现光电效应能使此种元件表面产 生电荷，而组成数位影像。 到了7 0 年代，贝尔实验室的研究员已能用简单的线性装置捕捉影像，c c d 就此诞生。有几家公司接续此一发明，着手进行进一步的研究，包括快捷半导体 ( f a i r c h i l ds e m i c o n d u c t o r ) 、美国无线电公司( r c a ) 和德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 。 其中快捷半导体的产品率先上市，于1 9 7 4 年 4 1 】发表5 0 0 单元的线性装置和 1 0 0 x 1 0 0 像素的平面装置。 c c d 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。c c d 上植入的 1 9 微小光敏物质称作像素( p i x e l ) 。一块c c d 上包含的像素数越多，其提供的画面分 辨率也就越高。c c d 的作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号。 c c d 上有许多排列整齐的m o s 电容( 金属氧化物半导体) ，能感应光线，并将影像 转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相 邻的电容。换言之，c c d 的原理是基于电荷载体的图像生成，m o s 电容的电荷存储 和电荷转移1 4 j 。 c c d 广泛应用在数位摄影、天文学，尤其是光学遥测技术、光学与频谱望远 镜，和高速摄影技术如l u c k yi m a g i n g 。c c d 在摄像机、数码相机和扫描仪中应 用广泛，只不过摄像机中使用的是点阵c c d ，即包括x 、y 两个方向用于摄取平 面图像，而扫描仪中使用的是线性c c d ，它只有x 一个方向，y 方向扫描由扫描 仪的机械装置来完成。 采用c c d 作为探测器的光接收器件，主要是因为目前c c d 的研发速度是相当迅 猛的。用c c d 作为x - r a y 探测器的光电转换器件它有几个明显的优势：c c d 是一种面 阵结构，它的单元尺寸是非常小的，因此这点可以获得非常高的空间采样频率，并且 能够完整的把x - r a y 所传递过来的信息显示出来；从实际应用过程中来看c c d 的工作 的温度范围要比c m o s 和硅光二极管大的多；最后还有一个优点就是它的体积比较小， 寿命长，而且它的功耗要比c m o s 和硅光二极管低得多h o 。 第三章硅微通道阵列的加工 3 1 微通道阵列刻蚀装置 恒电位仪和三电极电解槽是整个刻蚀装置的核心部分。恒电位仪与工作电极 ( w e ) 、参考电极( r e ) 、辅助电极(