多孔硅阵列结构的形貌研究-论文.pdf

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1、第25卷第9期强激光与粒子束Vol_25，NO．92013年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICIEBEAMSSep．，2013文章编号：1001—4322(2013)09—2439—04多孔硅阵列结构的形貌研究范晓强，蒋勇，展长勇，邹宇。，伍建春，黄宁康，王春芬。．(1．中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621900；2．四川大学原子核科学技术研究所．辐射物理及技术教育部重点实验室，成都610064；3．洛阳船舶材料研究所，河南洛阳471039)摘要：采用电化学腐蚀方法分别在HF+异丙醇(IPA)和HF+IPA+十

2、六烷基三甲基氯化铵(cATC)溶液中制备多孑L硅结构阵列，分别讨论HF酸浓度、CTAC、刻蚀电流、刻蚀时间对多孔硅阵列的形貌的影响。结果表明：在质量分数4OHF，HO，IPA的体积比为7：4：29时得到优化的多孑L硅阵列；腐蚀电流密度越大，孔壁越薄；初始的腐蚀会向外扩展直到形成的孑L径达近10m，在窗口8m、间距5ptm的硅片上腐蚀的孔壁表面出现小孑L。CTAC的加入会使孔壁上刻蚀出／J,~L，并随着CTAC的增加，小孔的孑L径减小，数量增加。关键词：多孑L硅阵列；中子探测器；形貌；异丙醇；阳极氧化中图分类号：TL816．3文献标志码：Ado

3、i：10．3788／HPLPB20132509．2439对于中子的探测，通常的方法是通过一种材料将中子转化为可探测的辐射，例如。Li，它可将中子转化为可探测的a和T粒子。涂覆LiF或B平面硅探测器，其探测热中子的探测效率不高于4．5。倘若采用多孔硅结构阵列形成的器件，同样使用Li转换中子，其探测热中子效率可高达509／6。多孔硅是指硅晶问有大量孔洞的硅材料。目前实验室制作的多孔硅热中子探测器的探测效率最高可达25。显然，多孔硅结构阵列的中子探测器具有十分可观的应用开发前景l_】]。另外，多孔硅阵列已经在X射线探测和成像上获得较好的研究结果。多

4、孑L硅阵列的刻蚀形貌会对探测性能有较大影响，仍需对多孑L硅的刻蚀过程进一步研究，以获得最佳的制备条件]。由于多孔硅阵列在中子探测和X射线探测时通常需要填充其他转换材料，多孑L硅阵列的孔径大于10m才有利于薄膜、粉体等材料的填充。电化学腐蚀硅片形成多孑L硅，通常采用的溶液体系为HF+有机溶剂或HF+表面活性剂的溶液体系[5a21。其中HF+异丙醇(IPA)的腐蚀溶液在制备多孔硅过程中不需要背光的照射，能够简化制备过程，受到研究者的注意。Kobayashi等人采用IPA做缓冲剂，研究了孑L径低于8ttm的多孑L硅阵列的刻蚀形貌，虽然指出不能制备孔

5、径低于3m的多孑L硅阵列J，但该研究没有确定HF—IPA溶液刻蚀孔径的上限。多孔硅孑L的大小、深浅和孑L壁厚度及其形貌对探测不同能量范围的热中子、X射线，以及探测效率、测量精度等都有重大影响[6。。本文采用IPA和十六烷基三甲基氯化铵(cTAC)作为缓冲剂腐蚀多孑L硅，研究多孑L硅结构阵列的表面及剖面形貌随实验条件的变化，确定腐蚀参数的影响。l实验方法电化学腐蚀单晶硅形成多孔硅的过程中，由于硅片中存在电子和空穴，在外电场的作用下，硅片表面形成空间电荷集结区，可吸附氢氧根离子(OH一)和氟离子(F一)，硅片在阳极产生如下反应_6。阳fsi+4O

6、H一+h+—Si(OH)+(4一m)e一(m<4)Si(OH)一SiO2+2H2O(1)【Sio2+6HF—H。SiF6+2HzOfSi+2F+mh。。一SiF2+(2一)e(IT／<2)SiF2+2HF—SiF4+H2十(2)【SiF4+2HF—H2SiF式(1)为OH一离子氧化硅原子过程，式(2)为F一离子氧化硅原子过程，其中h。。表示空穴载流子，为溶解一个硅原子所需空穴数的平均值。这两个氧化过程的阴极反应为2H+2e一一H十。实验证明，电解液的成分和浓度、硅的电阻率和晶向、电解时的温度、电流密度以及光照条件等都对形成多孑L硅的速度有重要

7、影响。*收稿日期：20121l一29；修订日期：2013-06—05基金项目：国家自然科学基金项目(11205107)；教育部博士点基金项目(2012018l120063)；辐射物理及技术教育部重点实验室开放基金项目(20l1-6，2011-7)作者简介：范晓强(1971一)，男，研究员，主要从事堆物理及核探测技术研究；nuc188@aliyun．corn。通信作者：展长勇(1981一)，男，助理研究员，主要从事探测器、功能薄膜的研究；zhanchangy0ng@SeL1．edu．cn。2442强激光与粒子束第25卷腐蚀10m以上孔径的多孔硅

8、阵列，需要改变溶液中缓冲剂的种类。3结论采用电化学腐蚀方法制备多孔硅阵列结构时，多孔硅阵列的表面及剖面形貌受到种种制备参数的影响。本文就不同的腐蚀液配方及不同的腐蚀