Hochempfindliche und langlebige Mikrokanalplatte, verarbeitet durch Atomlagenabscheidung

Einführung

Die Mikrokanalplatte (MCP) ist ein kompakter Elektronenvervielfacher mit hoher Verstärkung [1,2,3]. Es ist eine Schlüsselkomponente in MCP-PMT, Nachtsichtgeräten, Elektronenmikroskopie, Röntgenbildkamera usw. [4,5,6,7]. Es wurde in einem breiteren Bereich von Teilchen- und Photonenerkennungsanwendungen verwendet, wie z. B. Ionen, Elektronen, Neutronen, Röntgen- und UV-Strahlen [8,9,10,11]. Die Mikrokanalplatte ist ein dünnes zweidimensionales Array, das aus mehreren Millionen ultradünner leitfähiger Glasporen mit einem Durchmesser von 4 bis 25 µm und einer Länge von 0,2 bis 1,2 mm besteht. MPC hat drei grundlegende Strukturmerkmale – Neigungswinkel, Verhältnis von Kanallänge zu Kanaldurchmesser und Verhältnis der offenen Fläche (Verhältnis der gesamten offenen Fläche zur gesamten effektiven Fläche). Im Allgemeinen reicht der Neigungswinkel von 5 bis 15°. Das Verhältnis von Kanallänge zu Kanaldurchmesser beträgt etwa 20:1 bis 100:1 und das Verhältnis der offenen Fläche etwa 60 bis 80 %. Traditionelles MCP besteht aus Bleisilikatglas und wird durch Ziehen, Stapeln, Schmelzen, Schneiden, Ätzen und Wasserstoffreduktion hergestellt. Nach der chemischen Behandlung zur Wasserstoffreduktion werden eine leitfähige Schicht und eine Sekundärelektronenemissions-(SEE)-Schicht in der Pore erzeugt. Wenn ein Elektron oder eine Strahlung in einen Kanal eintritt, werden Sekundärelektronen von der SEE-Schicht emittiert und diese Elektronen werden durch ein elektrisches Feld beschleunigt, das von einer Spannung V . entwickelt wird _D auf die leitfähige Schicht aufgetragen. Schließlich wurden auf diese Weise weitere Sekundärelektronen erzeugt und eine Elektronenverstärkung realisiert. Obwohl die traditionelle MCP in vielen Bereichen weit verbreitet ist, gibt es mehrere Nachteile [12]. Erstens erhöht ein chemisches Ätzen mit hohem Rauschen Ra auf der Innenfläche der Pore, der Rauschfaktor steigt und das S/N verringert sich, wenn die Photoelektronen vervielfacht werden. Zweitens führen Vakuumbacken und Elektronenwäsche zu einer Variation der MCP-Oberflächenelemente und reduzieren die extrahierte Ladung und Verstärkung von MCP. Drittens können der elektrische Widerstand und die Sekundärelektronenemissionseigenschaften nicht unabhängig eingestellt werden. Da die Ursachen für Nachteile unterschiedlich sind und der Herstellungsprozess von herkömmlichem MCP komplex ist, ist es schwierig, alle Nachteile gleichzeitig durch Anpassung der Prozessparameter zu überwinden.

Da die Atomic Layer Deposition (ALD)-Technologie in immer mehr Forschungsbereichen angewendet wird [13,14,15,16,17], schlugen einige Forscher vor, eine leitende Schicht und eine SEE-Schicht innerhalb der Kanäle abzuscheiden, um die Leistung der traditionellen MCP zu optimieren [18, 19,20,21,22,23]. ALD ist eine Dünnfilm-Abscheidungstechnik, bei der ein Film auf einem Substrat gezüchtet wird, indem seine Oberfläche abwechselnden gasförmigen Spezies ausgesetzt wird. ALD wird als ein Abscheidungsverfahren mit großem Potenzial zur Herstellung sehr dünner, konformer Filme angesehen, wobei die Dicke und Zusammensetzung der Filme auf atomarer Ebene kontrolliert werden kann [24, 25].

Die Anwendung der ALD-Technologie in der MCP-Nachbearbeitung bietet viele Vorteile. Siliziumdioxid (SiO₂ ) ist das Hauptsekundärelektronenemissionsmaterial in der traditionellen MCP [26] und hat eine niedrige Sekundärelektronenausbeute (SEY). Wenn wir ein Material mit hohem SEE auf der Kanalwand ablegen, könnte die Verstärkung von MCP verbessert werden. Aufgrund des Ätzprozesses behalten die inneren Kanaloberflächen von traditionellem MCP eine höhere Oberflächenrauheit und weisen viele nanoskalige Löcher auf. Die nanoskaligen Löcher adsorbieren Gase und andere Schadstoffe, die schwer zu reinigen sind. Bei der Beschleunigung treffen Elektronen auf Absorptionsmittel, die ionisiert und durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Die beschleunigten Ionen ionisieren immer mehr Absorptionsmittel und verbrauchen zusätzliche Elektronen des MCP. Da die Lebensdauer von MCP durch die Gesamtmenge der elektrischen Ladung bestimmt wird, führt die Existenz von Absorptionsmitteln zu einer kürzeren Lebensdauer. In der Zwischenzeit ist der elektrische Waschprozess notwendig, um ein hohes Vakuum zu gewährleisten. Mehr Absorptionsmittel benötigen eine längere elektrische Waschzeit und kosten mehr elektrische Ladung, wodurch die Lebensdauer des MCP weiter verkürzt wird. Wenn wir mehrere Nanometer hohes SEE-Material auf der inneren Kanaloberfläche abscheiden, könnten Teile von nanoskaligen Löchern aufgefüllt werden, um die Oberflächenrauheit zu verbessern und dann eine längere Lebensdauer zu haben.

In diesem Papier, Al₂ O₃ als SEE-Material wurde durch ALD-Technik in den Poren von MCP mit 15 mm Seitenlänge hergestellt. Die Morphologie, Elementverteilung, Struktur des ALD-abgeschiedenen Oxiddünnfilms und die Leistung von ALD-MCP wurden systematisch untersucht.

Experimentelle und Berechnungsmethoden

Das Schema des Versuchsaufbaus ist in Abb. 1 dargestellt. Das System besteht aus Goldkathode, MCP und PCB-Anode und wird in einer auf 2 × 10 ⁻⁴ . evakuierten Vakuumkammer platziert Pa. Die Spannungen für alle Elektroden werden von einem mehrkanaligen Hochspannungsnetzteil geliefert und über Hochspannungsdurchführungen in die Vakuumkammer eingespeist. Zwischen der Leiterplattenanode und Masse befindet sich ein Pikoamperemeter, um den MCP-Ausgangsstrom zu messen. Eine abgeschwächte Quecksilberlampe fungiert als ultraviolette Lichtquelle, wenn wir den MCP-Ausgangsstrom messen. Die Quecksilberlampe ohne Dämpfung dient als ultraviolette Lichtquelle, wenn wir die Lebensdauerprüfung der Mikrokanalplatte beschleunigen.

Das Schema des Versuchsaufbaus

Ein kommerzielles Heißwand-Atomschicht-Abscheidungssystem wurde verwendet, um Nanooxid-Dünnfilme auf der MCP-Innenkanaloberfläche (wie in Fig. 2 gezeigt) und auf Silizium herzustellen. Die auf Silizium abgeschiedenen Proben werden zur Messung der Sekundäremissionsausbeute verwendet. Die polierten Siliziumsubstrate wurden in Aceton/Ethanol/Flusssäure/DI-Wasser mit Ultraschall gereinigt und dann in eine ALD-Kammer gegeben, um auf die Abscheidung zu warten. Die blanken MCPs (Dicke =1,2 mm, Porengröße =24 &mgr;m, Aspektverhältnis =40, Vorspannungswinkel =10 °) wurden 1 h lang auf 200 °C erhitzt, um dünne Nanooxidfilme zu züchten. Laut der Veröffentlichung [27, 28] ist es schwieriger, die Dicke und Zusammensetzung von Materialien auf MCP zu kontrollieren als auf ebenen Substraten. Es wurden zwei Ansätze gewählt, um Dicke und Zusammensetzung so weit wie möglich gleichmäßig in den Poren von MCP zu verteilen. Einer ist die Verlängerung von Vorläufern für jeden ALD-Zyklus (Probe F). Das andere verwendet ein Stop-Flow-Modell (Probe G), bei dem die Vorläuferpulse in die Heißwandkammer eintreten und mehrere Sekunden lang in dieser diffundieren, dann herausgepumpt und mit Trägergas gespült werden.

Schematische Darstellung der Struktur von ALD-MCP

Für die Abscheidung der zweiten Sekundärelektronenemissionsschicht Al₂ O₃ wurde unter Verwendung von TMA und entionisiertem Wasser als Al bzw. Oxidationsmittelvorläufer durchgeführt. Als Träger- und Spülgas wurde ultrahochreiner Stickstoff verwendet. Die Al₂ O₃ ALD wurde mit separatem TMA und H₂ . durchgeführt O-Aufnahme mit Sequenz TMA/N₂ /H₂ O/N₂ (0,05/10/0,05/10s). Das quadratische MCP mit 15 mm Seitenlänge beschichtet ungefähr 4 nm (Muster B), 6 nm (Muster C), 8 nm (Muster D und H), 10 nm (Muster E) und 60 nm Al_2“ O₃ (Probe F). Die Probe G wurde mit separatem TMA und H₂ . durchgeführt O Aufnahme mit Sequenz TMA/Stop/N₂ /H₂ O/Stop/N₂ (0,05/3/20/0,05/3/20s) für 600 Perioden. Ein kreisförmiger MCP (Durchmesser 50 mm) wurde in zwei Teile geteilt; ein Teil wurde freigelegt und der andere Teil wurde mit zwei halbkreisförmigen Siliziumwafern bedeckt, um eine MCP zu erhalten, die halb mit ALD-Prozess und halb unbearbeitet ist. Die Details der experimentellen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Oberflächen von MCP-Proben wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) untersucht. Die elementare Zusammensetzung des Films wurde durch das Querschnitts-REM-Verfahren (EDS) gemessen. Nach der ALD-Funktionalisierung wurde die Kupferschicht mit 200 nm als Elektroden auf beiden MCP-Seiten durch ein Aufdampfsystem für die elektrische MCP-Charakterisierung und Lebensdauerprüfung präpariert.

Ergebnisse und Diskussion

Wie in 1 gezeigt, wird das Prinzip des MCP-Verstärkungstests unten gezeigt. Ultraviolettes Photon kommt an der Goldkathode an und wurde durch photoelektrischen Effekt in Photoelektronen umgewandelt. Photoelektronen werden durch Spannung zwischen Kathode und MCPin beschleunigt und erhalten eine Primärelektronenenergie. Dann werden Photoelektronen mit Primärelektronenenergie durch MCP verstärkt und Elektronenwolken an die PCB-Anode ausgegeben. Schließlich fließen Elektronen zum Boden und der Ausgangsstrom wurde mit einem Pikoamperemeter gemessen. Der Ausgangsstrom von MCP wird durch Vorspannungen zwischen verschiedenen Elektroden geordnet. Um die Spannungen für jede Elektrode zu bestimmen, wurde Probe A zusammengesetzt und die Spannung zwischen MCPin und MCPout auf einen festen Wert eingestellt; Ändern Sie dann die Spannungen von Kathode und Anode, um einen optimalen Wert zu erhalten.

Der Ausgangsstrom von MCP als Funktion der Energie des Photoelektrons (die Primärelektronenenergie vor dem Eintritt in MCPin) ist in Fig. 3 gezeigt, wenn die Vorspannungseinstellung für MCP 1400 V beträgt. Der Ausgangsstrom von MCP steigt ungefähr linear mit der Energie des Photoelektrons weniger als 400 V und tritt bei einer Energie von mehr als 400 eV in ein Plateau ein. Dies kann der Tatsache zugeschrieben werden, dass der SEY von Siliziumdioxid bei niedriger einfallender Elektronenenergie besonders niedrig ist und sobald der SEY nahe dem Maximum ist, wird der Ausgangsstrom stabil.

Vorspannung zwischen Kathode und MCPin als Funktion des MCP-Ausgangsstroms

Abbildung 4 zeigt die SEY-Kurve von Al₂ O₃ und SiO₂ . In der Abbildung ist die SEY von Al₂ O₃ steigt mit der Spannung und erreicht den größten Wert von 3,6 bei 400 V, und diese Tendenz entspricht ungefähr der in Abb. 3. Im Al₂ O₃ SEY-Kurve sinkt der SEY-Wert auf mehr als 400 eV. Aber wie in Fig. 3 gezeigt, steigt der Ausgangsstrom immer noch an, wenn die Vorspannung über 400 V liegt. Dies kann durch das offene Flächenverhältnis von MCP erklärt werden. Das von uns verwendete MCP hat einen offenen Flächenanteil von etwa 60 %; das bedeutet, wenn Photoelektronen am MCPin ankommen, können 40% von ihnen nicht in Kanäle eintreten und würden von der oberen Oberfläche des MCP reflektiert. Wenn die Spannung zwischen Kathode und MCPin ansteigt, würde das elektrische Feld die 40% Elektronen wieder beschleunigen und wieder in den Kanal eintreten.

Sekundärelektronenausbeute (SEY) von SiO2 ALD Al2O3

Da die Gleichmäßigkeit der SEE-Schicht die Gleichmäßigkeit des MCP-Abbildungsdetektors beeinflussen kann, ist die Gleichmäßigkeit der SEE-Schicht ein Schlüsselfaktor für die Charakterisierung von ALD-MCP. Abbildung 5 zeigt die Spektren und die elementare Zusammensetzung von MCP-Querschnittsproben, die durch die Erweiterung des Vorläufermodells und des Stop-Flow-Modells verarbeitet wurden. Die Al-Verteilung wird durch EDS an fünf Stellen entlang der Poreninnenfläche charakterisiert. Um den EDS-Messfehler zu reduzieren, wurden die Elementverteilungsdaten an zwei dickeren Proben gemessen, Probe F und Probe G, auf denen 60 nm Al₂ . abgeschieden wurden O₃ . In Abb. 5a, b wurde die elementare Zusammensetzung von beschichteten und unbeschichteten MCPs gemessen, um den Einfluss des Substrats auf die Verteilung von Al auszuschließen. Die Al-Menge im Substrat beträgt weniger als 1% und ist zu gering, um die endgültigen Versuchsergebnisse zu beeinflussen. Die Verteilung von Proben, die durch das Stop-Flow-Modell und das sich ausdehnende Vorläufermodell abgeschieden wurden, ist in Fig. 5c gezeigt. Der Al-Gehalt an verschiedenen Stellen bedeutete, dass die Elemente gleichmäßiger in der Poreninnenfläche verteilt sind, welche Probe durch das Modell der Ausdehnung der Vorläufer abgeschieden wurde. Dies impliziert auch, dass die ALD-Technik in der Lage ist, einen homogenen Nanooxid-Dünnfilm auf Substraten mit komplexer Struktur abzuscheiden. Die Elementverteilung der Probe, die durch das Stop-Flow-Modell abgeschieden wurde, zeigt eine schlechte Einheitlichkeit. Die oberen und unteren Oberflächen von MCP haben einen niedrigen Atomprozentsatz, während die Mitte des Kanals einen hohen Atomprozentsatz hat. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass die Vorläufer auf der Oberfläche leicht zu reinigen waren und eine atomare Abscheidungsschicht erhielten. In der Mitte des Kanals waren die Vorläufer schwer zu spülen und eine Dampfabscheidung anstelle einer atomaren Abscheidung zu erzielen.

Spektren und elementare Zusammensetzung von Querschnitts-MCP-Proben. a Spektren und elementare Zusammensetzung von ALD MCP. b Spektren und elementare Zusammensetzung von unbeschichtetem MCP. c Al-Verteilung von Proben, die durch das Stop-Flow-Modell und das erweiterte Vorläufermodell abgelagert wurden.

Die Dicke mit SEM könnte eine bessere Option sein, um die Gleichmäßigkeit zu bestätigen. So wurde die Dicke der auf der Innenfläche der MCP-Poren abgeschiedenen SEE-Schichten durch SEM gemessen und ist in 6 zusammengefasst. Die Dicke von fünf verschiedenen Punkten entlang einer Pore, wie in 6a gezeigt, wurde direkt durch SEM gemessen. Die Dickenkurven verschiedener Abscheidungsmodelle sind in Abb. 6c gezeigt, die grundsätzlich mit der Al-Verteilung wie in Abb. 5c übereinstimmen.

Querschnitts-REM-Bilder von MCP. a Querschnitts-REM-Bilder von ALD-MCP-Proben. b Querschnitts-REM-Aufnahmen der Al2O3-Schicht auf der Oberfläche des inneren Kanals. c Dicke der SEE-Schicht an verschiedenen Stellen mit SEM gemessen

Nachdem Kupferelektroden auf beiden Seiten des MCP hergestellt wurden, ist die von einem System gemessene elektrische Charakterisierung in Abb. 1 gezeigt. Abb. 7 zeigt den Ausgangsstrom und das Bild von herkömmlichem MCP und beschichtetem ALD-MCP. Abbildung 7a zeigt den Ausgangsstrom als Funktion der unterschiedlichen Dicke von Al₂ O₃ . In Fig. 7b wächst der Ausgangsstrom des beschichteten subtrahierten unbeschichteten MCP mit zunehmender Filmdicke von 6 auf 10&supmin;nm zuerst signifikant und bleibt dann stabil. Die ALD-MCPs mit 8-nm- und 10-nm-Al₂ O₃ Beschichtung mehr als das Fünffache des Ausgangsstroms als herkömmliches MCP. Dies bedeutet, dass 8 nm dickes Al₂ O₃ ist optimal für die MCP-Anwendung. Dies wird durch das ALD-MCP verursacht, das ein höheres SEY-Material hat, das wir aus Abb. 3 sehen können. Wie in (a) gezeigt ist, ist der Ausgangsstrom bei einer 4 nm-Beschichtung auf der inneren Kanaloberfläche des MCP niedriger als bei der unbeschichteten MCP. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass kein durchgehendes Material vorhanden ist und viele Defekte vorhanden sind, wenn die Dicke von Al₂ O₃ liegt unter 4 nm. Elektronenrekombination tritt in Defekten auf, um die Anzahl der Sekundärelektronen zu reduzieren und zu einem niedrigeren Ausgangsstrom als unbeschichtetes MCP zu führen.

Ausgangsstrom und Bild von herkömmlichem MCP und beschichtetem ALD-MCP. a Ausgangsstrom verschiedener Schichtdicken von Al2O3 auf MCP und Fotografie eines Phosphorschirms, der mit halb beschichtetem 8-nm-Al2O3 und halb unbeschichtet beleuchtet ist. b Ausgangsstrom des beschichteten unbeschichteten MCP als Funktion der Al2O3-Dicke abziehen

Nachdem wir 8-nm-Al₂ . abgeschieden hatten O₃ auf der Hälfte von Probe H sind vier Kupferstreifen auf Probe H und ein Phosphorschirm anstelle der PCB-Anode zum Sammeln der Ausgangselektronen aufgebracht. Wie in Fig. 7b gezeigt, weist halbbeschichtetes MCP ein helleres Bild auf als unbeschichtetes MCP. Dies stimmt mit der elektrischen Charakterisierung überein.

Probe A und Probe D wurden für einen Lebensdauertest kontinuierlich mit einer ultravioletten Quecksilberlampe beleuchtet. Um die Lebensdauerprüfung zu beschleunigen, wurde eine Hochleistungs-UV-Quecksilberlampe ohne Dämpfung verwendet. MCPs wurden mit großen Ausgangsströmen betrieben und verharren mehrere Tage auf Sättigungsniveau. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurden der Dunkelstrom und der Ausgangsstrom bei niedriger Beleuchtungsstärke vor und nach dem Lebensdauertest gemessen. Vor dem Test betrug der Dunkelstrom des herkömmlichen MCP 1,0 pA und der ALD-MCP 1,2 pA. Der höhere Dunkelstrom von ALD-MCP war nur darauf zurückzuführen, dass die Substrate der MCPs traditionelle MCPs waren und das ALD-MCP mit einem Material mit hohem SEY-Wert beschichtet war. Nach dem Lebensdauertest schneidet der Dunkelstrom von ALD-MCP besser ab, während er vor dem Lebensdauertest eine ähnliche Leistung zeigte. Laut Tabelle 2 fiel der Ausgangsstrom des herkömmlichen MCP nach Hochleistungsbeleuchtung um etwa 50 %, während ALD-MCP ein besseres Verhalten zeigt und der Ausgangsstrom bei etwa 6 nA gehalten wurde.

Schlussfolgerungen

Die Morphologie, Zusammensetzung und Struktur von Nanooxid-Dünnfilmen Al₂ O₃ durch Atomlagenabscheidung hergestellt wurden untersucht. Die Dickengleichmäßigkeiten im Kanal, die durch das Ausdehnen des Vorläufermodells und des Stop-Flow-Modells abgeschieden wurden, wurden gemessen. Der Al-Gehalt und die Filmdicke an verschiedenen Stellen entlang der Kanäle zeigten, dass eine verlängerte Vorstufe eine bessere Gleichmäßigkeit für ein MCP mit einer Porengröße von 24 µm und einem Seitenverhältnis von 40 erreichen kann. Wir haben ein MCP-Testsystem bewertet und festgestellt, dass die Vorspannungen zwischen Kathode und die MCP-Oberseite kann den Ausgangsstrom beeinflussen. Die elektrischen Eigenschaften und Lebensdauermessungen wurden untersucht. Die Ergebnisse der elektrischen Messungen zeigten, dass bei einer Erhöhung der Filmdicke von 6 auf 10 nm der Ausgangsstrom zunimmt und die Geschwindigkeit abnimmt. Und ALD-MCPs, die mit mehr als 8 nm Al₂ . beschichtet sind O₃ haben etwa den fünffachen Ausgangsstrom als herkömmliche MCPs und haben eine bessere Lebensdauer.

Abkürzungen

ALD:

Atomlagenabscheidung

ALD-MCP:

Durch Atomlagenabscheidung bearbeitete Mikrokanalplatte

EDS:

Energiedisperse Spektroskopie

MCP:

Mikrokanalplatte

SEE-Ebene:

Sekundärelektronenemissionsschicht (SEE)

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

SEY:

Sekundärelektronenausbeute