基于飞秒激光和化学蚀刻制备微通道板的方法及微通道板与流程

本申请属于微电子纳米技术制造微通道板，尤其涉及基于飞秒激光及化学蚀刻制备微通道板的方法及微通道板。

背景技术：

1、微通道板（microchannel plate，mcp）是一种结构紧凑的二维电子倍增器件，具有数百万个微米级孔径的通道可实现电子倍增，将探测信号倍增输出，其可以探测离子、电子等粒子以及x射线、uv光等辐射信号，具有高位置分辨、高增益、低功耗、自饱和、高速探测和低噪声等优点，广泛应用在高能物理探测领域。目前利用飞秒激光在基底上加工微流体结构主要有两种方法：一种利用飞秒激光在基底上直接打孔加工，另一种是利用飞秒激光结合化学蚀刻的方式加工。

2、在飞秒激光结合化学蚀刻加工过程中，飞秒激光脉冲能量大小以及腐蚀液浓度对于制备出高可靠性、性能稳定的微通道板具有很大影响，尤其对于微孔阵列的制造过程。当前在微孔阵列制造过程基本上依赖经验进行加工制造，对于飞秒激光脉冲能量大小以及腐蚀液浓度也是依靠经验的“试错”工艺确定，但是对于不同基底材料、不同腐蚀液、不同脉冲能量大小进行不断地“试错”以确定最终比较适宜的加工参数，难以控制微通道板的加工精度和质量，对于工艺效率也会有所降低，也难以确保产品能保持一致性。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中所提及的技术缺陷，本申请提出了基于飞秒激光和化学蚀刻制备微通道板的方法及微通道板，通过上述技术方案在微孔通道制备过程中可以在加工精度、形貌质量、工艺效率、一致性和可设计性方面实现有效提升，高效制备出质量可靠的微孔通道，同时通过对微通道板发射层结构进行改进，实现在保证发射层具有高性能二次电子发射能力的同时具备长寿命和高可靠性的特性，制备一个稳定、高效、长寿命的发射层，最终高效制备出高可靠性、性能稳定的微通道板。

2、第一方面，本申请提供了一种基于飞秒激光和化学蚀刻制备微通道板的方法，包括：基于飞秒激光改性碱腐蚀模型和腐蚀形貌预测模型确定脉冲飞秒激光的最优单脉冲能量值、脉冲频率和扫描速度，其中所述飞秒激光改性碱腐蚀模型是基于基底材料的本征烧蚀阈值能量密度、基底材料结构对腐蚀液敏感性、腐蚀液活性和激光扫描工艺参数建立；所述腐蚀形貌预测模型用于根据激光改性区域特性预测最终腐蚀出的微孔孔径和微孔深度；根据得到的所述最优单脉冲能量值、所述脉冲频率和所述扫描速度对基底材料上局部点阵结构区域进行激光改性；利用盐酸溶液对激光改性后的基底材料进行酸腐蚀，以清洁基底材料表面去除易引起噪声的表面杂质和微小缺陷，以备后续碱腐蚀；利用碱溶液对酸腐蚀后的基底材料进行碱腐蚀，以溶解消除改性后局部点阵结构区域形成微孔阵列基底，其中所述碱溶液浓度是根据在最优单脉冲能量值时基底材料结构对腐蚀液敏感性、腐蚀液活性确定；利用原子层沉积技术在所述微孔阵列基底的微孔通道内壁上制备电阻层和发射层，其中所述电阻层为铝掺杂氧化锌薄膜或者镁掺杂氧化锌薄膜，所述发射层是由氧化镁和氧化铝复合制成；利用真空蒸镀技术在所述微孔阵列基底的上下表面制备镍铬合金导电电极，以制备得到微通道板。

3、可选的，在一种可能的实现方式中，所述飞秒激光改性碱腐蚀模型表示为：

4、；其中，为最优单脉冲能量；为材料基准项，为基底材料的本征烧蚀阈值能量密度，单位为j/cm²，通过单点烧灼实验测得，是能量的绝对基准；是改性增强系数，是通过统计回归确定的核心参数，表征为实现最佳腐蚀效果所需的能量密度相对于烧蚀阈值的比例；是结构因子项，是一个分类/连续调节因子，用于量化基底材料结构对腐蚀液敏感性的差异；是腐蚀条件项，用于量化腐蚀液活性的影响，为腐蚀液浓度，为绝对温度；为激光扫描项，用于描述激光加工参数之间的耦合效应，本质是量化有效累积能量，为光斑重叠率，为扫描速度，为脉冲重复频率。

5、可选的，在一种可能的实现方式中，所述腐蚀形貌预测模型的关系式为：

6、；

7、；其中，是微孔孔径，是微孔深度，为激光改性区域的横向宽度，为激光改性区域的纵向深度，为腐蚀液在改性区域的横向腐蚀速率，为腐蚀液在改性区域的纵向腐蚀速率，为本底腐蚀偏移量，为横向腐蚀放大系数，为纵向腐蚀放大系数,为有效累积能量，为脉冲频率，为扫描速度。

8、可选的，在一种可能的实现方式中，所述发射层的厚度为80nm-100nm，分为底层、核心功能层和顶层三层结构，底层和顶层均采用氧化铝材料制备，核心功能层采用纯氧化镁层制备。

9、可选的，在一种可能的实现方式中，所述核心功能层采用氧化镁和氧化铝周期性交替叠层制备，或者核心功能层采用纯氧化渐变到纯氧化镁再渐变到纯氧化铝的梯度层制备。

10、可选的，在一种可能的实现方式中，所述碱溶液浓度包括氢氧化钾碱溶液、氢氧化钠或者四甲基氢氧化铵溶液。

11、可选的，在一种可能的实现方式中，所述基底材料包括玻璃材料或者晶体材料。

12、第二方面，本申请还提供了一种微通道板，其特征在于，所述微通道板是利用上述第一方面及其任一种实现方式中所述的基于飞秒激光和化学蚀刻制备微通道板的方法制备得到。

13、通过上述技术方案可以实现以下技术效果：通过“基于飞秒激光改性碱腐蚀模型和腐蚀形貌预测模型确定脉冲飞秒激光的最优单脉冲能量值、脉冲频率和扫描速度”结合“利用碱溶液对酸腐蚀后的基底材料进行碱腐蚀，以溶解消除改性后局部点阵结构区域形成微孔阵列基底”是使用将“基于模型的激光精确改性”与“两步化学腐蚀的定向挖掘”相结合的方式，整个微孔阵列的制造过程从依赖经验的“试错”工艺，转变为一个“可预测、可设计、可优化”的精密工程系统，其优势在于加工精度与形貌可控性的革命性提升、工艺效率与一致性的系统优化、材料适应性与功能拓展的增强和工艺智能化的范式转变，这套方案的最大好处是实现了“精准制导”与“外科手术式挖掘”的完美结合。飞秒激光改性碱腐蚀模型解决了“在哪里改、改多深”的精准刻画问题；基于腐蚀形貌预测模型的两步腐蚀法解决了“如何干净、完整地移除目标区域”的选择性问题。两者结合，最终在加工精度、形貌质量、工艺效率、一致性和可设计性方面，全面超越了传统单一或依赖经验的加工方法。

14、进一步的，在本申请技术方案中，将微通道板的发射层设计为三层结构，底层、核心功能层和顶层，底层在贴近电阻层一侧。一方面，底层和顶层均采用氧化铝材料制备，通过氧化铝附着力强的特性，可以防止核心功能层中的氧化镁被潮解，同时增强与电阻层之间的附着力；另一方面，核心功能层采用纯氧化镁层制备，或者核心功能层采用氧化镁和氧化铝周期性交替叠层制备，或者核心功能层采用纯氧化渐变到纯氧化镁再渐变到纯氧化铝的梯度层制备；可以实现在保证发射层具有高性能二次电子发射能力的同时具有长寿命和高可靠性的特性，制备一个稳定、高效、长寿命的发射层。

1.一种基于飞秒激光和化学蚀刻制备微通道板的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述飞秒激光改性碱腐蚀模型表示为：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述腐蚀形貌预测模型的关系式为：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述发射层的厚度为80nm-100nm，分为底层、核心功能层和顶层三层结构，底层和顶层均采用氧化铝材料制备，核心功能层采用纯氧化镁层制备。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述核心功能层采用氧化镁和氧化铝周期性交替叠层制备，或者核心功能层采用纯氧化渐变到纯氧化镁再渐变到纯氧化铝的梯度层制备。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碱溶液浓度包括氢氧化钾碱溶液、氢氧化钠或者四甲基氢氧化铵溶液。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底材料包括玻璃材料或者晶体材料。

8.一种微通道板，其特征在于，所述微通道板是利用权利要求1-7任一项中所述的基于飞秒激光和化学蚀刻制备微通道板的方法制备得到。