硅微通道板光电化学腐蚀机理研究

硅微通道板是一种新型光电倍增器件，其主要采用n-硅/HF系统电化学腐蚀技术制备。目前，关于通道形成的机理研究滞后于技术的发展。本项目通过研究n-硅/HF系统微通道电化学腐蚀反应的原子模型、中间产物和反应历程，确定电化学反应速率方程；通过研究半导体中载流子输运特性和电解液中各种离子和中性粒子的输运特性，得到系统的输运方程；在此基础上，将电化学反应过程和各种物理输运作为统一的研究对象，建立n-硅/HF界面运动的连续性方程，为通道孔径控制、速率控制和形貌控制提供理论依据。.本项目研究有助于深刻理解n-硅/HF电化学系统高长径比通道生长的机理，丰富半导体电化学腐蚀理论。研究结果将促进硅微通道板的研发，推动新型高性能探测器的研究与开发；同时，有助于改进MEMS湿法微加工技术，对研究具有相似微通道结构的器件，如光子晶体、微热沉、微喷、微阀、微筛、DNA芯片等也具有重要的意义。

(1)确立了n-硅/HF光电化学反应的方程式，提出n-硅/HF界面电化学反应原子模型，给出反应历程及中间产物，对比分析了硅的二价、四价光电化学溶解过程。基于n-硅/HF光电化学反应的方程式和空间电荷区理论，提出了n型宏孔硅光电化学腐蚀的形成机理，测量了n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，给出了宏孔硅生长中腐蚀电流密度应满足的条件。. (2)根据晶体中的电离杂质和晶格振动散射机制，研究了腐蚀电压与空穴迁移率之间的关系，推导出空穴电流密度的表达式，讨论了电压对空穴电流的影响。测量了n-硅/HF系统的Mott-Schottky曲线，分析了温度对硅电化学腐蚀过程中空穴输运特性的影响。测试了n型硅光电化学腐蚀的光谱响应特性，分析了激发光源光谱特性对空穴输运的影响。分析了硅微通道光电化学腐蚀过程中通道内的质量输运过程，建立了通道内反应物质的扩散模型，并进行了模拟仿真。. (3)建立了n型宏孔硅光电化学腐蚀的动力学方程，研究了临界电流密度与通道尺寸关系，分析了温度和溶液浓度对临界电流密度的影响，给出了一种间接计算临界电流密度的方法，提出了n型硅微通道光电化学腐蚀的电流自动控制方法，设计了光电流自动控制的软硬件系统，实现了高长径比（大于75）硅微通道阵列结构等径生长的自动控制。.(4) 优化了硅微通道板制备工艺，满足了MCP对微通道结构的要求。分析了腐蚀电压对宏孔硅阵列光电化学腐蚀中通道形貌、盲孔率和腐蚀速率的影响。对宏孔硅腐蚀与晶向的关系进行了研究，结果表明，宏孔硅倾向于沿<100>晶向生长。采用与(100)晶面成7°角的n型硅片制备出倾斜硅微通道阵列结构。研究了基于硅TMAH腐蚀的硅微通道整形技术，分析了腐蚀液浓度及异丙醇对各向异性腐蚀特性的影响，根据(100)和(110)两个晶面在不同条件下的腐蚀速度差异，选择适当的腐蚀条件将硅微通道结构修整为方形，孔壁变薄，提高了开孔面积比。