CN105016293A - 一种制作球面硅微通道板的装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制作球面硅微通道板的装置及其制备方法，包括切割成圆形的硅微通道板，所述的硅微通道板置于一模具台中，所述的模具台由中心设有与硅微通道板大小匹配的台阶孔，硅微通道板置于台阶孔中；模具台上设置有重压片，所述重压片完全覆盖台阶孔；模具台置于一石英架上；将石英架、模具台、重压片和硅微通道板置于氧化炉管中。本发明具有以下有益效果：1.本发明是通过模具对热氧化时的氧气进行引导形成梯度。并且模具还会对球面微通道表面起到一定的约束作用，以助于达到确定的曲率半径。2.使用模具台控制氧化梯度，使得氧化层厚度也形成梯度，引起梯度应力，释放该应力即形成球面的硅微通道板。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作球面硅微通道板的装置及其制备方法，属于微机电系统技术领域。
背景技术
目前我国的光电探测倍增技术还处于研发阶段。微通道板作为一种大面阵微通道电子倍增器，作为一种对二维空间分布的电子流进行倍增的元件。目前被广泛运用在X射线、γ射线、极紫外线带电粒子的探测和电子倍增器件。微通道的一个通道管就是一个打拿极电子增强器，微通道的阵列组合就构成了增强器。将两端加一定电压，即可得到电子增益。
制作平面硅微通道的技术主要包括氧化、光刻、光辅电化学刻蚀，最终形成平面硅微通道。平面硅微通道板可以运用在X射线、γ射线、带电粒子等探测和电子倍增器件，但是对于一些特殊的探测应用领域，特别是极紫外探测领域，平面的硅微通道板就不能满足，而需要使用曲面微通道，如球面、抛物面、双曲面等。所以如何制作球面硅微通道是解决当前光学探测和微波探测等技术问题中最急迫的攻关难题。
目前国内只出现了玻璃材质的球面微通道板，这种微通道板制作工艺复杂，并且存在工作寿命短、工作环境要求苛刻等问题。而本发明使用微机电系统技术制作的球面硅微通道板具有以下优势：制作成本低，与集成电路硅工艺结合有助于批量生产，使用寿命长，易于加工。相比玻璃球面硅微通道板更有竞争力。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种制作球面硅微通道板的制作方法，及其专用装置，以解决现有技术的上述问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种球面硅微通道板的制作方法，其步骤如下：
(1)将平面硅微通道板激光切割成所需形状大小；
(2)将切割好的平面硅微通道板装载在模具台的台阶孔中；
(3)连同模具台一起进行热氧化，形成球面硅微通道板。氧化采用硅工艺的热氧化工艺，采用干氧-湿氧-干氧的工艺顺序，有效形成较高质量的二氧化硅。
步骤2)中，切割好的平面微通道需要进行清洗，例如使用RCA湿法标准清洗工艺，以排除表面和通道内的各种粒子、有机物和金属杂质影响后续氧化。
上述球面硅微通道板制作方法的专用装置，包括切割成圆形的硅微通道板，所述的硅微通道板置于一模具台中，所述的模具台由中心设有与硅微通道板大小匹配的台阶孔，硅微通道板置于台阶孔 中；模具台上设置有重压片，所述重压片完全覆盖台阶孔；模具台置于一石英架上；将石英架、模具台、重压片和硅微通道板置于氧化炉管中。
所述的台阶孔的横截面为圆形、椭圆、方形或棱形。
所述的重压片与模具台大小相同。
为了使硅微通道两端的应力形成均匀梯度，所述重压片与模具台上表面密闭。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明是通过模具对热氧化时的氧气进行引导形成梯度。并且模具还会对球面微通道表面起到一定的约束作用，以助于达到确定的曲率半径。
2.使用模具台控制氧化梯度，使得氧化层厚度也形成梯度，引起梯度应力，释放该应力即形成球面的硅微通道板。
3、本发明所述的制作球面硅微通道板的方法，为大规模生产球面硅微通道板提供了可能，为进一步发展X射线和极紫外探测倍增器件提供了有力支持。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明模具台和重压片的结构示意图；
图3为装载有硅微通道板的模具台和重压片结构示意图；
图中：1、硅微通道板 2、模具台 3、台阶孔 4、重压片5、石英架 6、氧化炉。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的结构特点。
如图1所示一种制作球面硅微通道板的装置，包括切割成圆形的硅微通道板，所述的硅微通道板1置于一模具台2中，所述的模具台2由中心设有与硅微通道板1大小匹配的台阶孔3，硅微通道板1置于台阶孔3中；模具台2上设置有重压片4，所述重压片4完全覆盖台阶孔3；模具台2置于一石英架5上；将石英架5、模具台2、重压片4和硅微通道板1置于氧化炉6中。
所述的台阶孔3的横截面为圆形、椭圆、方形或棱形。
所述的重压片4与模具台2大小相同。
为了使硅微通道1两端的应力形成均匀梯度，所述重压片4与模具台2上表面密闭。
实施例：样品采用的<100>晶向的四英寸P型硅所制的平面硅微通道板1，模具台2采用硅材料，台阶孔采用的是圆形。具体制作过程如下：
采用专利申请号为201110196442.4所提供的方法，并采用专利申请号为201120406111.4所提供的装置，在4英寸硅片上制作获得硅微通道板，每个微通道边长5微米×5微米、深250微米、侧壁厚度1微米；
(1)经过激光切割，获得直径为16毫米的圆片型硅微通道板；
(2)将切割好的圆片型硅微通道板在3号液中清洗30分钟，冲洗干净后在1号液中清洗10分钟，再冲洗干净后，在2号液中清洗 10分钟。其中1号液为一定配比的H2O2和H2SO4溶液；2号液位为一定配比的NH4OH、H2O2和H2O溶液；3号液为一定配比的HCl、H2O2和H2O溶液；
(3)将清洗干净的小圆片，在热台上烘干，温度可以设置在50℃至90℃之间；
(4)将圆片型硅微通道板放置在模具台2的台阶孔3内，然后将重压片覆盖在模具台上部；
模具台上覆盖有重压片，以尽可能在装载圆片型硅微通道板后避免进入气流。模具台设计为台阶孔结构，台阶孔上侧为切割的平面硅微通道板的形状大小，台阶高度根据工艺要求选择，本实例中大于250μm。台阶孔的开口为进气流口，本实施例设计为圆形。
(5)将模具台2连同石英架5送入氧化炉6中，氧化温度设置为900℃至1100℃，进气量控制在1L/min至5L/min，采用干氧-湿氧-干氧的工艺顺序，干氧的时长控制在10min至30min，湿氧的时长可以根据所需要球面硅微通道板的曲率半径来选择，一般不超过3小时。
石英架6表面为平板，可以平稳放置模具台2。
(6)待氧化完，可取出模具台，即可得到球面硅微通道板。所得球面硅微通道的曲率半径最小可达到10mm，最大为无穷大即平面。
需要说明的是，平面硅微通道板的本身的机械强度不是很好，所以切割必须使用激光切割，否则容易破坏微通道板的结构。并且氧化之前必须经过RCA清洗，否则杂质会影响氧化。
本发明中所述的1号液：氨水：双氧水：水＝1：2：5；2号液：盐酸：双氧水：水＝1：2：8；3号液为浓硫酸：双氧水＝1：1，以上比值都是体积比。采用其他比值，其实对最终结果影响不大。参见中国 专利申请号201210402277.8。
平面硅微通道板可以由N型硅或者P型硅制作而成，两种平面硅微通道板都可以制成球面硅微通道板。球面硅微通道板的尺寸大小取决于平面硅微通道板的尺寸大小。而平面硅微通道板尺寸大小又由工艺线决定。
由于模具是为了使微通道两端的应力形成均匀梯度，所以上端模具应尽量平整和有重量，已确保有密封效果。
为了确保模具的密封性，可以考虑将模具的上部和下部设计成卡槽状，但需要注意的是，上部的卡槽不能超过下部模具的下端。
本发明所述的制作球面硅微通道板的方法，为大规模生产球面硅微通道板提供了可能，为进一步发展X射线的聚焦和准直和极紫外探测倍增器件提供了有力支持。
Claims (8)
1.一种制作球面硅微通道板的制作方法，其特征在于：其步骤如下：
(1)将平面硅微通道板激光切割成所需形状大小；
(2)将切割好的平面硅微通道板装载在模具台的台阶孔中；
(3)连同模具台一起进行热氧化，形成球面硅微通道板；氧化采用硅工艺的热氧化工艺，采用干氧-湿氧-干氧的工艺顺序，有效形成较高质量的二氧化硅。
2.根据权利要求1所述的一种制作球面硅微通道板的制作方法，其特征在于：步骤2)中，切割好的平面硅微通道需要进行清洗。
3.根据权利要求1所述的一种制作球面硅微通道板的制备方法，其特征在于：
(1)经过激光切割，获得一定直径的圆片型硅微通道板，其大小由平面硅微通道的大小决定，直径不大于平面硅微通道的最大直径；
(2)将切割好的圆片型硅微通道板在3号液中清洗30分钟，冲洗干净后在1号液中清洗10分钟，再冲洗干净后，在2号液中清洗10分钟；
(3)将清洗干净的小圆片，在热台上烘干，温度可以设置在50℃至90℃之间；
(4)将圆片型硅微通道板放置在模具台的台阶孔内，然后将重压片覆盖在模具台上部；
(5)将模具台连同石英架送入氧化炉中，氧化温度设置为900℃ 至1100℃，进气量控制在1L/min至5L/min，采用干氧-湿氧-干氧的工艺顺序，干氧的时长控制在10min至30min，湿氧的时长可以根据所需要球面硅微通道板的曲率半径来选择，一般不超过3小时；
(6)待氧化完，取出模具台，即可得到球面硅微通道板。
4.权利要求1所述球面硅微通道板制作方法的专用装置，包括切割成圆形的硅微通道板，其特征在于：所述的硅微通道板置于一模具台中，所述的模具台由中心设有与硅微通道板大小匹配的台阶孔，硅微通道板置于台阶孔中；模具台上设置有重压片，所述重压片完全覆盖台阶孔；模具台置于一石英架上；将石英架、模具台、重压片和硅微通道板置于氧化炉管中。
5.根据权利要求1所述的专用装置，其特征在于：所述的台阶孔的横截面为圆形、椭圆、方形或棱形。
6.根据权利要求1所述的专用装置，其特征在于：所述的重压片与模具台大小相同。
7.根据权利要求1所述的专用装置，其特征在于：所述重压片与模具台上表面密闭。
8.根据权利要求3(2)所述的溶剂，1号液为一定配比的H2O2和H2SO4溶液；2号液位为一定配比的NH4OH、H2O2和H2O溶液；3号液为一定配比的HCl、H2O2和H2O溶液。
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