波导型X射线闪烁屏技术研究_刘昊.docx

《波导型X射线闪烁屏技术研究_刘昊.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《波导型X射线闪烁屏技术研究_刘昊.docx（52页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 分类号： TN282 密级： UDC : _ 编号 : 波导型 X射线闪烁屏技术研究 The Technology Research of Waveguide X-ray Scintillation Screen 学位授予单位及代码： 长春理工大学 _ (10186) 学科专业名称及代码： 微电子学与固体电子学 （ 077303) 研究方向： 电子薄膜与 MEMS技术 申请学位级别： 硕 士 指导教师： 端木庆铎教授 研 究 生 ： 刘 _ 论文起止时间 ： 2008. 10 2009. 12 学 号： S070100111 联系电话： 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

2、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己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，均己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。 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CNKI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，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文

3、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 : P年 /月丄阴 长春理工大学学位论文版权使用授权书 作者签名 年 月曰 由于 X-ray具有高光子能量、穿透力强等特点，已在 “ 研、生产、生活等多 个领域得到了广泛应用。但目前的 X-ray成像探测器存在成像分辨率低、 X-ray剂 量偏大等问题，为了优化成像的空间分辨率、减少 X-ray剂量，本文针对波导型 X-my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 CsI(Tl)闪烁晶体为光转换材料，将 CsI(Tl) 晶体填充于大孔列阵中，使其形成波导，从而形

4、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 CsI(Tl)。 然后，根据 CsI(Tl)与硅 片的熔点不同，提出采用高温溶解 封闭冷却的方法将 CsI(Tl)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 matlab对其发光效率进行模拟，得到 使发光效率达到 80%时的波导尺寸，L40 Mm, D&

5、12叫 n。 关键词：闪烁晶体电化学刻蚀微通道阵列 X-ray成像探测器 Abstract The X-ray has been widely used on scientific research, production, life and many other fields, as it has high photon energy, penetration and other characteristics. But recently the X-ray imaging detector has a lot of problems, such as low resolution imag

6、ing, large dose of X-ray and so on. In order to optimize the spatial resolution and reduce the dose of X-ray, this article studies for the Several of these key technology of the waveguide X-ray Scintillation Screen. The Scintillation Screen is based on the silicon micro-channel array. CsI(Tl) is use

7、d for the scintillation crystal as the light conversion materials, and filled in large array holes to come into being waveguide. Then the whole system is formed a scintillation Screen. The silicon micro-channel array can inhibit the diffusion of the visible light, and also can raise the luminous eff

8、iciency. In this article, the silicon micro-channel array is manufactured with electrochemical etching equipment at first. And then scintillation crystal materials CsI(Tl) is chosen which is suitable for this subject by the different nature of the scintillation crystal. Then a method of high-tempera

9、ture melting - closed cooling brought forward to make the CsI(Tl) fill in the large holes, according to the different melting point between CsI(Tl) and silicon， and the waveguide is formed. Because the length of the waveguide can affect the luminous efficiency, but the shape of the section can not.

10、So the cuboid waveguide is replaced by the cylindrical waveguide. At last a photoeffect model and a Compton scattering model are set up to the waveguide. The waveguide dimensions is got when the luminous efficiency is reached by 80%, through analysis and using matlab to simulate luminous efficiency.

11、 The waveguide dimensions is L400fim? D12fim. Keywords: scintillation crystals electrochemical etching micro-channel array X-ray imaging detector 目录 摘要 Abstract 目录 胃一胃銳 . 1 1.1 CR与 DR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 2.1 CsI(Tl)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 2.3

12、CCD 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 . 21 3.2电化学刻蚀微通道阵列的流程 . 23 3.3加工微通道阵列的影响因素 . 24 第四章 CsI(Tl)的填充与 matlab模拟实验 . 34 4.1 CsI(Tl)的填充方案 . 34 4.2 CsI(Tl)的光电效应模型与康普顿散射模型 . 35 4.3.模拟结果与讨论 . : . . . 39 第五章总结 . 43 致 M . 44 . 45 第一章绪论 1895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

13、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-ray 。 而一直到 1912年，在德国的著名的物理学家 Ma-劳厄成功做成了 X-ray的衍射实验之后，人们

14、才逐步对 X-ray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-ray成像影像，指骨和指环清晰可见 X-ray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 IX l(T3nm 10nm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-ray在 它的波长区间内，又被划分为三类，在这其中超硬 X-ray是指波长小于 lXl(T2nm的， 于此相比较来说，硬 X-ray和软 X-ray的波长分别在 lX10_2mn lXKnm和 IX lOnm lOnm。 由于 X-ray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 20eV与 1.2

15、MeV之间），这使得 X-ray的粒子特性较为明显。 X-ray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-ray具有很多光学性质，如衍射、 透射、相千散射、不相干散射、偏振等。但 X-ray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-my较强的穿透能力， X-ray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-ray的本质及特性有了更深刻的了解，并将 X-ray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

16、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，技术己经较为成熟。此时，人们又将目光转向了具有较宽波谱范围的 X-ray。 从宏观角度来看， X-ray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-my， 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

17、-ray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-ray成像探测器的研发就成为了举世瞩目的焦点 1。 1.1 CR与 DR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-ray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-ray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 CR、 DR等

18、技术。 CR即为计算机 X-ray摄影系统， DR为数字化 X-ray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-my的光转化效率达到了 60% 以上 (传统仅为 20% 30%)，密度分辨率高达 21(M4灰阶 (传统仅为 26灰阶 )， 在一定程 度上降低了 X-ray的使用剂量 2。 CR与 DR它们拥有的共同特性是将 X-ray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-ray胶片本身为保存和显示信息的载体。老一代的 X-ray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

19、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 CR 与 DR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 CR、 DR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 41。 图 1.3 DR照片 图 1.2、 1.3即为 CR和 DR在做人体扫描时得到的数字化影像，在成

20、像原理方面， CR技术是借助荧光存储板间接将 X-ray转化后成像， DR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-ray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 CR、 DR 的优势更加明显。 目前数字化图像的灰阶己提高了 10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、

21、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 m。 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-ray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

22、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千扰信号的影响， 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。 CR与 DR的屏感光度较高，这使得 X-ray光子的转换效率也很高，相比传统胶片 法，照相检测所需 X-ray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-ray对人体辐射的伤害有所降低。在减小 X-ray剂量的同时，也降低了 X-ray 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

23、，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 1。 表 1-1是 CR与 DR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-ray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。 CR DR 成像原理 X-ray间接转换，利用 IP板作 为 X-ray检测器，成像环节相 对于 DR较多 X-ray直接转换，直接创建有 数字格式的图像，利用砸作为 X-ray检测器。成像环节少 工作效率 与 DR相比操作较

24、复杂，工作 效率较低 曝光时间可比 CR更短，工作 效率更高 图像分辨率 由于自身的结构，存在光学散 射，使图像模糊，降低了图像 分辨率，时间分辨率较差，图 像质量略逊于DR 无光学散射而引起的图像模 糊，其清晰度主要由像素尺寸 大小决定，比 CR系统有更好 的空间分辨率和对比度，图像 层次丰富、影像边缘锐利清 晰，细微结构表现出色，成像 质量更高 X-ray计量 低 由于提高了 X-ray光子转化 效率 （ DQE)， 使用射线的剂 量更低 价格费用 较 DR低，无需改变现有设备 昂贵，需改装己有的 X线机 设备 发展方向 与 DR有相当长的共存时期 并行发展 最终将取代 CR 1.2波导屏

25、 X射线成像技术的发展 在 1999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。就在同一 年，法国也不甘落后，在 CEA(Atomic Energy Commission)实验室搭建一套新的 X-ray 成像系统。这个系统的优势是用了锗酸铋 (BGO)这用闪烁晶体材料作为转换屏，把不可 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 6。这些经典的实验为

26、波导屏 x-my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-ray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-ray的数字成像技术 789。 近年来，波导屏以其优越的性能，成为各国家研究的焦点。 2002年瑞典的 X.Badel,A.Galeckas,J丄 innros1C)等人己研制出当时世界最先进的波导屏，他们利用 DRIE (深反应粒子刻蚀）在 n型硅衬底上刻蚀出孔深 238pm、 孔径 45pm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

27、导屏 11。在国内，由 于 DRIE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 12。然而随着近几年来我国的 MEMS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 DRIE,而且在微通道阵列的结构上有所 突破，已经超越了 DRIE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-ray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

28、用最多的闪烁晶体，它主要有三个大的发展阶 段 131。第一阶段是最早期的（ 04和办 3,这个时期，人们还不能用 MEMS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 Nal(Tl)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 20世纪 80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： BGO晶体、硅酸盐闪烁晶体或者 钨酸盐闪烁晶

29、体等、卤化物晶体 (如 Nal、 Csl系列、： 82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（：汗 3和 BaF2曾分别是西欧核子中心的大型强子对撞机 (LHC)和美国超级超导对撞机 (SSC)首选 用于探测的闪烁晶体材料；上个世纪末美国 SLAC (美国斯坦福线性加速器中心）和日 本 KEK (日本高能加速器研究机构 ） 的 正负电子 M对撞机使用了 CsI(Tl)闪烁晶体 ; 有较高 Z值并且对 y射线探测的光电效率比较高的 BGO闪烁晶体被广泛的用于 PET 扫描仪上； CT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

30、dW0415。 材料 密度 g/cm3 (AE/E)/ %(622keV) pZ4eff /106 发射光谱 最强处波 长 /run 衰减 常数 /ms 折射 率 Y闪烁 效率 是否潮 解 Nal(Tl) 3.67 5.6 24.5 415 0.25 1.85 100 是 CsI(Tl) 4.51 4.3 38 550 1.0 1.79 45 轻微 CdW04 7.90 6.8 134 475 14 2.2 2.3 30-50 否 GSOrCe 6.71 7.8 84 440 0.06 1.82 20-25 否 BGO 7.13 9.0 227 480 0.3/0.06 2.15 20 否 B

31、aF2 4.88 7.7 38 315, 220 0.6， 0.0006 1.5, 1.54 16, 5 否 YAP:Ce 5.55 4.4 7 350 0.027 1.94 40 否 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， CsI(Tl)这种晶体的密度适中，而且对 y射线有较强的阻止能力， 较 Nal(Tl)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 CsI(Tl)晶体的发射光谱峰值正好 550nm这一波段，这与 CCD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

32、对比， 总结来说这些优越的性能是突出而且易见的，所以 CsI(Tl)晶体较为适合做新型波导屏 中的波导材料 1617。 1.2.2硅电化学刻蚀发展 制备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。 1956年 Uhlir18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 Turned191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 90年代初，英国科学家 L.T.Canham2()试验发现大孔桂的新特性 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

33、引起了全世界人民的广泛关注。 大孔的形成机理自 1990年 Lehmann和？ 61121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 Lehmann 22空间电荷区域假设， Porpsf31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， 孔径上下一致。由 Le

34、hmann1221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 250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。 Lehmann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 22123。试验证明利

35、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 2425。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 26通过实验已经刻蚀出孔深度为 380，孔径约为 4.5叫左右，壁 厚约为 1.5111左右的新型硅微通道阵列结构，更

36、令人欣慰的是此项研究已经成功并且 己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 CsI(Tl)以作为本课题所研究 波导屏的光转化材料，并提出 CsI(Tl)闪烁晶体的填充方案； (3) 经过计算，对 CsI(Tl)闪烁晶体建立光电效应模型和康普顿散射模型，使用 matlab 进行模拟。 目前，数字化 X-ray成像探测器己经广为普及，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-ray剂量与提高成像分辨率，从而形成新型的 X-ray 成像探测器。 本

37、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 CsI(Tl)形成良好形状的波导 ， X-ray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-ray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 30的局限，为 X-ray波导屏的研究奠定了工艺基础。 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-ray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

38、原理，在微通道阵列中形成 波导，再通过光纤与 CCD, CMOS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-ray数字化成像技术。 2.1 CsI(Tl)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 259;不溶于水、乙醇；它的熔点较高， 621C,其 沸点 1280C，但这些与硅材料的的熔点 1410C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 4.51g/cm3,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 74g/100g27。

39、而碘化铯的纯度可由表 2-1得 知： 表 2-1碘化铯 （ Csl 晶体成分含量 物质 含量 碘化铯 （ Csl) 99.999% 镍 （ Ni) 50 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 (PAECE )。 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 37: (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

40、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 )s - KT (2.1) 在上式中， 05是硅表面的势垒高度， K是玻尔兹曼常数， AO),是孔尖处镜像电荷 引起的势垒降低， T是温度，与体费米能级位置 cDF, A是常数，表面处费米能级钉 扎的位置 ss和硅中的压降 V之间的关系为： $ =i = q - (2-3) yAnqsss 在上式中， q是电子电荷， 8是真空电容率， Es是硅与腐蚀界面的电场， Ss是硅的 介电常数。 当加正向偏压时势垒高度降低，有电流流动；加反向偏压时势垒高度增大，导致 整流特性。正向偏压越大则界面处电场

41、越强，势垒高度降低越大。对于平面结势垒， 设耗尽层宽度为 d， 则电场为： Es = (2.4) d 若设孔尖为半球形结，曲率半径为 r(dr)， 则电场变为： r (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 Lehmann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 Si/HF系统处于反偏状态时，（即： n型硅接

42、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 Lehmarai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

43、p *d2(d是孔的直径 )； 腐蚀方向上的硅片面积 AmI, 。 sell a J jpSL JPI是个与氢氟酸浓度和温度有关的常量 (对应于图中的 Peak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 Jps即上式中的 JPSl_。 图 2.7临界电流密度 Jps在不同温度和氢氟酸浓度下的测试曲线 &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.S中为最 大抛光电流值，如果空穴足够，抛光电流最大值 Jn由溶液浓度决定。 图 2.8 n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 jpOTe，的值

44、H2SiF6 + 2H20 (2.9) 阴极反应是氢离子的还原反应，反应后有 H2产生： 2H+ +2eH2 (2.10) 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 所提闻。 在碱性溶液中，阳极氧化反应为： Si + 60H -Si0;+3H20 (2.11) 阴极反应是氢离子还原反应： (2.12) 2H+ +2eH2 总的反应为： Si + 60H_ +4H+ SiO;_ +3 H20 + 2H2 (2.13) 而在碱性溶液中， H+离子浓度非常少，从而阴极反应非常微弱，因此硅在 KOH或 NaOH溶液中的腐蚀速率比在 HF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