Optimierung von AZO-leitenden Schichten für Mikrokanalplatten-Leistung

Zusammenfassung

Wenn der Widerstand der AZO-leitenden Schicht innerhalb der MCP-Widerstandsanforderung liegt, ist der Intervall des Zn-Gehalts sehr eng (70–73 %) und schwer zu kontrollieren. Zielgerichtet auf die Eigenschaften der AZO-leitenden Schicht auf der Mikrokanalplatte wird ein Algorithmus entworfen, um das Verhältnis des leitenden Materials ZnO und des hochwiderständigen Materials Al₂O₃ anzupassen. Wir führen das Konzept des Arbeitswiderstands der MCP ein (d. h., der Widerstand während der Elektronenlawine im Mikrokanal). Der Arbeitswiderstand des AZO-ALD-MCP (Al₂O₃/ZnO Atomlagenabscheidung Mikrokanalplatte) wurde erstmals mit dem MCP-Widerstandstestsystem gemessen. Im Vergleich zur konventionellen MCP stellten wir fest, dass der Widerstand von AZO-ALD-MCP im Arbeits- und Nicht-Arbeitszustand sehr unterschiedlich ist, und dass der Arbeitswiderstand mit increasing Spannung signifikant abnimmt. Daher schlagen wir eine Reihe von Analysemethoden für die leitende Schicht vor. Wir schlagen auch vor, das Verhältnis des leitenden Materials der ALD-MCP-leitenden Schicht zum hochwiderständigen Material unter Arbeitswiderstandsbedingungen anzupassen, und haben erfolgreich hochgewinnbringende AZO-ALD-MCP hergestellt. Dieses Design ebnet den Weg für die Suche nach besseren Materialien für die leitende Schicht von ALD-MCP zur Verbesserung der MCP-Leistung.

Einleitung

Eine Mikrokanalplatte (MCP) ist ein Elektronenvervielfacher, der aus zweidimensionalen Porenarrays durch Integration dünner Glasplatten besteht, Länge 0,5–5 mm, Durchmesser 4–40 μm und mit einem Biaswinkel üblicherweise 5°–13° zur Normalen der Plattenoberfläche; das Offenflächenverhältnis der Platte beträgt bis zu 60 %, und das hohe Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis in jedem Kanal beträgt etwa 20:1 bis 100:1 [1].

Wie in Abb. 1 gezeigt, treten einfallende Elektronen in den Mikrokanal ein und kollidieren mit den Wänden, wodurch Sekundärelektronen auf der Oberfläche der Mikrokanalwände erzeugt werden. Mehrfache Kollisionen mit den Mikrokanalwänden führen zu einer increasing Anzahl von Sekundärelektronen, was zu einer Elektronenlawine im Mikrokanal und der Emission einer Elektronenwolke aus dem Ausgang des Mikrokanals führt. Die Sekundärelektronen werden weiter entlang des Mikrokanals durch eine Bias-Spannung beschleunigt. Der MCP-Verstärkungsfaktor beträgt 10³–10⁴ bei einer Betriebsspannung von 700–900 V [2–9].

Jeder Mikrokanal fungiert als Detektor und Elektronenvervielfacher. Durch das unabhängige Arbeiten von Millionen von Mikrokanälen besitzt die MCP die Eigenschaften hoher räumlicher Auflösung, hoher Zeitauflösung und breitem Verstärkungsbereich, verwendet zur Identifizierung von Photonen, Elektronen, Neutronen und Ionen. MCP kann in verschiedene Arten von Instrumenten integriert werden, einschließlich photoelektrischer Detektoren, Photovervielfacherröhren (PMTs), Ultraviolettspektrometer, Kathodenstrahlröhren, Rasterelektronenmikroskope, Feldemissionsdisplays, Restgasanlysatoren, medizinische Bildgebung, Flugzeit-Massenspektrometrie, Nachtsichtgeräte usw. [1, 4, 7–9]. Der Wasserstoffbrand des traditionellen Verfahrens macht den Mikrokanal geeignet leitfähig und mit Sekundärelektronenemissionskoeffizienten.

Der übliche Prozess des Wasserstoffbrandes bei der Herstellung eines Mikrokanals hat viele Mängel: Erstens kann der Wasserstoffbrandprozess die leitende Schicht und die Emissionschicht nicht unabhängig einstellen [10, 11]; zweitens führen Schwermetallelemente (Pb, Bi) zu Umweltverschmutzung im Bleiglas-Schmelzprozess; drittens werden große MCP-Flächen aufgrund der hohen Temperatur verformt [8]; viertens enthält Bleiglas, das in der Wasserstoffreduktionsreaktion verwendet wird, K, Rb und andere radioaktive Elemente, was zu Hintergrundrauschen führt [8]; fünftes, im Poren verbleibender Wasserstoff wird durch die Bias-Spannung ionisiert und fliegt in entgegengesetzter Richtung der Elektronen, um die Kathode des Instruments zu zerstören [8, 12].

Frühere Wissenschaftler schlugen eine Lösung vor, die leitende Schicht und die Emissionschicht auf der Mikrokanalwand zu züchten, um den Wasserstoffbrandprozess zu ersetzen [3]. Viele Dünnschichtabscheidungsmethoden können keinen gleichmäßigen Film im Mikrokanal mit hohen Längen-zu-Durchmesser-Verhältnissen wachsen lassen. Das Argonne National Laboratory schlug vor, Atomlagenabscheidung (ALD) zu verwenden, um die leitende Schicht und die Emissionschicht auf der MCP zu züchten, um einen intakten und gleichmäßigen Film auf den Mikrokanalwänden zu erreichen [4, 13]. Darüber hinaus löst ALD-MCP die oben genannten Mängel. Viele Forschungseinrichtungen zielen darauf ab, wettbewerbsfähige Materialien zu finden, die die Leistung der MCP verbessern können.

Das Argonne National Laboratory wählt AZO-Materialien für die ALD-MCP-leitende Schicht unter Berücksichtigung der MCP-Widerstandsanforderungen. Wenn der Widerstand zu hoch ist, kann die leitende Schicht die Emissionschicht nicht rechtzeitig und kontinuierlich mit Elektronen auffüllen, die MCP wird niedrige Gewinne haben oder sogar nicht funktionieren. Andererseits, wenn der Widerstand zu niedrig ist, wird die MCP überhitzen, was schließlich zu einem Durchbruch führt [4, 9, 14, 15]. Daher ist das Design der leitenden Schicht für eine ALD-MCP von Bedeutung.

Wie in Abb. 2 gezeigt, liegt der zulässige Zn-Gehalt, wenn der Widerstand der AZO-leitenden Schicht innerhalb der MCP-Widerstandsanforderung ist, in einem sehr engen Bereich (70–73 %) [16]. Daher ist der MCP-Gewinn instabil und die MCP kann leicht durchbrechen. Alternative leitende Materialien wie W und Mo anstelle von Zn wurden untersucht [3, 4, 17–19]. Die chemische Reaktion von WF₆ (MoF₆) und H₂O wird verwendet, um W (Mo) durch ALD zu züchten. Die Verwendung von WF₆ oder MoF₆ hat jedoch zwei schwerwiegende Nachteile: sie sind stark korrosiv und enthalten Verunreinigungen, die während des Produktionsprozesses schwer zu entfernen sind. Aus diesen Gründen ist ALD-MCP mit diesen Materialien kostspielig.

In unserer Studie finden wir, dass vernünftige Designs mit ZnO und Al₂O₃ für die MCP-leitende Schicht realisiert werden können, ohne die Herausforderungen, die bei Verwendung von W oder Mo auftreten, und preislich wettbewerbsfähiger sind. Hier nennen wir die ALD-MCP mit einer AZO-leitenden Schicht AZO-ALD-MCP.

Wir schlagen einen Algorithmus vor, um das Verhältnis von leitendem Material ZnO und hochwiderständigem Material Al₂O₃ anzupassen, um unsere gewünschten AZO-leitenden Schichtcharakteristiken zu erhalten.

Wir führen das Konzept des Arbeitswiderstands der MCP ein (d. h., der Widerstand während der Elektronenlawine im Mikrokanal). Wir testeten den Arbeitswiderstand von AZO-ALD-MCP und fanden zwei Unterschiede zwischen AZO-ALD-MCPs und konventionellen MCPs. Wir beobachteten, dass die Arbeits- und Nicht-Arbeitswiderstände sowohl von AZO-ALD-MCPs als auch von konventionellen MCPs signifikant unterschiedlich sind. Darüber hinaus ist der Widerstand von AZO-ALD-MLP negativ mit der Spannung korreliert. Unser Vorschlag (die Referenz auf den Arbeitswiderstand) für die Anpassung des Verhältnisses des leitenden Materials und des hochwiderständigen Materials bietet eine Anleitung, um in Zukunft neue Materialien für die ALD-MCP-leitende Schicht zur Verbesserung der MCP-Leistung zu finden.

Experimentelle und Methoden

Züchten von ZnO- und Al₂O₃-Atomlagen

Atomlagenabscheidung (ALD) ist eine Technologie, die Vorläufer und Reaktionsgase abwechselnd auf die Substratoberfläche für physikalische oder chemische Adsorption oder Oberflächensättigungsreaktion bei kontrollierter Rate bringt. Das Material wird in Form eines monoatomaren Films auf dem Substrat abgeschieden. ALD kann einen kontinuierlichen Film ohne Poren, mit hervorragender Abdeckung, und kann die Dicke und Zusammensetzung des Atomlagenfilms kontrollieren [1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

Die folgenden sind die chemischen Reaktionsgleichungen für die Verwendung von ALD zum Wachsen von Al₂O₃:

A: Substrat-OH* + Al(CH₃)₃ → Substrat-O-Al(CH₃)₂* + CH₄↑
B: Substrat-O-Al(CH₃)₂* + 2H₂O → Substrat-O-Al(OH)₂* + 2CH₄↑
C: Al-OH* + Al(CH₃)₃ → Al-O-Al(CH₃)₂* + CH₄↑
D: Al-CH₃* + H₂O → Al-OH* + 2CH₄↑

Die Reaktionstemperatur beträgt 60–150 °C. Wie in Abb. 3 gezeigt, sind die Zeit und die Reihenfolge des Wachstums einer Al₂O₃-Atomlage:

TMA/N₂/H₂O/N₂ = 0,1~1 s / 5~45 s / 0,1~1 s / 5~45 s.

Die folgenden sind die chemischen Reaktionsgleichungen für die Verwendung von ALD zum Wachsen von ZnO:

E: Substrat-OH* + Zn(CH₂CH₃)₂ → Substrat-O-ZnCH₂CH₃* + CH₃CH₃↑
F: Substrat-O-ZnCH₂CH₃* + H₂O → Substrat-O-ZnOH* + CH₃CH₃↑
G: Zn-OH* + Zn(CH₂CH₃)₂ → Zn-O-ZnCH₂CH₃* + CH₃CH₃↑
H: Zn-CH₂CH₃* + H₂O → Zn-OH* + CH₃CH₃↑

Die Reaktionstemperatur beträgt 60–150 °C. Wie in Abb. 3 gezeigt, sind die Zeit und die Reihenfolge des Wachstums einer ZnO-Atomlage:

DEZ/N₂/H₂O/N₂ = 0,1~1 s / 5~45 s / 0,1~1 s / 5~45 s.

Design der AZO-leitenden Schicht

Die Dicke der AZO beträgt normalerweise 300 bis 1000 Atomlagen. Wir definieren eine neue mathematische Operationsregel, um die Atomlagenreihenfolgen von Al₂O₃ und ZnO zu designen, um das Verhältnis des leitenden Materials ZnO und des hochwiderständigen Materials Al₂O₃ anzupassen.

(mA)   (A)
(mB) = m (B)
(⋮)    (⋮)                                         (1)

A(a) + B(c) + C(e) ... = (A) [(a)(c)(e)...] = (Aa + Bc + Ce + ...)
  (b)    (d)    (f)      (B)  (b)(d)(f)     (Ab + Bd + Cf + ...)      (2)

Die mathematische Operation wurde WYM-Operation genannt. Die WYM-Operation hat zwei Eigenschaften und eine Formel.

WYM-Eigenschaft 1: [komplexe Matrixgleichung]

WYM-Eigenschaft 2: [komplexe Matrixgleichung]

WYM-Formel: [komplexe Matrixgleichung]

Hinweis: Kleinbuchstaben stellen reelle Zahlen dar, während Großbuchstaben ganze Zahlen darstellen. In Beispielen 1 und 2 zeigen wir eine Ausführung der Operation.

Beispiel 1

(ZnO)   (4 + 1/2)   (1)   [(4) (5)]   (4)   (5)
(Al₂O₃) = (1    ) ∝ (1) [ (1) (1) ] = (1) + (1)

Die Operation wird als zwei Schemata interpretiert: (4/1) und (5/1). Für das erste Schema werden 4-mal ZnO-Atomlage und eine Al₂O₃-Atomlage gewachsen. Für das zweite Schema werden 5-mal ZnO-Atomlage und eine Al₂O₃-Atomlage gewachsen. Wenn wir diese beiden Schemata zweimal wiederholen, erhalten wir die Struktur wie in Abb. 4 gezeigt.

Eine kompliziertere Verwendung der Operationsregeln wird in Beispiel 2 gezeigt:

Beispiel 2 [detaillierte mathematische Herleitung]

Plan 1: [Interpretation]

Plan 2: [Interpretation]

In Beispiel 2 kann die Operation in Plan 1 wie folgt interpretiert werden:

Schema 1: ALD wächst 4-mal ZnO-Atomlagenwachstumsprozess und einen Al₂O₃-Atomlagenwachstumsprozess; ALD wächst 5-mal ZnO-Atomlagenwachstumsprozess und einen Al₂O₃-Atomlagenwachstumsprozess, und zweimal wiederholen.

Schema 2: ALD wächst 4-mal ZnO-Atomlagenwachstumsprozess und einen Al₂O₃-Atomlagenwachstumsprozess; ALD wächst 5-mal ZnO-Atomlagenwachstumsprozess und einen Al₂O₃-Atomlagenwachstumsprozess, und dreimal wiederholen.

Schema 1 für 12-mal wiederholen, und Schema 2 für 13-mal wiederholen.

Die Interpretation der Operation in Plan 2 verläuft entlang der gleichen Linie wie Plan 1.

Mikrokanalplatten-Widerstandstest

Wie in Abb. 5a gezeigt, verwenden wir Atomlagenabscheidungstechnologie, um die AZO-leitende Schicht und die Al₂O₃-Emissionschicht auf den Mikrokanalwänden der zweidimensionalen Porenarrays zu züchten. Dann verwenden wir thermische Verdampfungstechnologie, um die Ni-Cr-Elektrodenschicht auf beiden Seiten der MCP aufzuwachsen [2, 4] und den Elektrodenring auf beiden Seiten der MCP zu platzieren. Nach diesen Vorbereitungen testen wir direkt den ALD-MCP-Widerstand. In diesem Zustand definieren wir den entsprechenden MCP-Widerstand als den Nicht-Arbeitswiderstand der MCP. Wir verwenden ein Keithley Modell 6517B Elektrometer, um den Nicht-Arbeitswiderstand der MCP in einem 10⁻³–10⁻⁵ Pa Vakuum zu messen [1, 4, 13].

Wie in Abb. 5c gezeigt, verwenden wir eine Elektronenkanone als Kathode und einen Leuchtschirm als Anode. Die Elektronenkanone liefert einfallende Elektronen an die MCP, und der Leuchtschirm empfängt die von der MCP ausgegebenen Elektronen. Zusätzlich wird, wenn die MCP in Betrieb ist, der Hochspannungs-Leuchtschirm grünes Licht emittieren, um die Gleichmäßigkeit der MCP zu detektieren [1, 21].

Wie in Abb. 1 gezeigt, verwenden wir eine Elektronenkanone, die 100 pA als Eingang der MCP liefert, um den Strom zu messen. Aufgrund einer increasing Anzahl von Sekundärelektronen wird es einen Zustand geben, in dem die Emissionschicht eine große Menge an Ladungen verliert, und die leitende Schicht kontinuierlich einen Strom von Ladungen an die Emissionschicht liefert. In diesem Zustand definieren wir den entsprechenden MCP-Widerstand als den Arbeitswiderstand der MCP. Die Vakuumumgebung des Arbeitswiderstands beträgt 10⁻³–10⁻⁵ Pa.

Ergebnisse und Diskussion

Das Querschnitts-SEM-Bild der AZO-ALD-MCP-Probe ist in Abb. 6 dargestellt. Wir entwarfen eine Reihe von AZO-leitenden Schichten wie in Tabelle 1 gezeigt und ihre entsprechenden Arbeits- und Nicht-Arbeitswiderstände in Abb. 7. In der gleichen Abbildung zeigen wir auch die Arbeits- und Nicht-Arbeitswiderstände einer konventionellen MCP. Im Vergleich zum Nicht-Arbeitswiderstand von AZO-ALD-MCP ist der Arbeitswiderstand von AZO-ALD-MCP signifikant reduziert. Es gibt jedoch keinen signifikanten Unterschied zwischen dem Arbeitswiderstand und dem Nicht-Arbeitswiderstand einer konventionellen MCP. Mit increasing Spannung ist der Arbeitswiderstand von AZO-ALD-MCP signifikant niedriger als der einer konventionellen MCP. Unter gleichen Spannungsbedingungen sind die Arbeits- und Nicht-Arbeitswiderstände der AZO-ALD-MCP stabil. Wir glauben, dass es zwei Hauptgründe für die oben genannten Eigenschaften gibt.

Gemäß Formel [21],

R_MCP = R₀ exp[-β_T (T_MCP - T₀)]

im Vergleich zu Bleiglas ist AZO ein Material mit einem höheren negativen Temperaturkoeffizienten (NTC), sodass der Widerstand bei gleicher Temperatur und Anfangswiderstand niedriger ist. Im Prozess der Gewinnenerzeugung wird AZO bei hoher Spannung von einfallenden Elektronen bombardiert, wodurch mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, was zu einer Erhöhung des Stroms führt.

Wir definieren das Verhältnis des Nicht-Arbeitswiderstands zum Arbeitswiderstand, um die Stabilität des Materialwiderstands zu beschreiben:

κ_R = R_n / R_w

Abbildung 8 zeigt, dass das κ_R von AZO-ALD-MCP etwa 10²–10³-mal beträgt, und das κ_R von konventioneller MCP etwa 2–3-mal. Dies zeigt, dass die Widerstandsänderung von AZO-ALD-MCP offensichtlicher ist; daher sollte das alte Konzept des Nicht-Arbeitswiderstands als Definition für den MCP-Widerstand durch den Arbeitswiderstand ersetzt werden.

Abbildung 9 zeigt das Verhältnis L_R des Widerstands von "benachbarten" Materialdesigns in Bezug auf die Betriebsspannung. Das Verhältnis L_R ist definiert als:

L_R = R(4 + (N-1)/N) / R(4 + N/(N+1))

wobei

(ZnO)   (4 + (N-1)/N)   (1)   [(4) (5)]
(Al₂O₃) = (1        ) = (N-1) [ (1) (1) ]

und

(ZnO)   (4 + N/(N+1))   (1)   [(4) (5)]
(Al₂O₃) = (1        ) = (N) [ (1) (1) ]

Wie aus Abb. 9 beobachtet werden kann, reicht der L_R-Wert von 2 bis 4,5, um das Verhältnis von leitendem Material ZnO und hochwiderständigem Material Al₂O₃ anzupassen. Und es beweist die Machbarkeit der WYM-Operation zum Design von Schichtmaterialien.

Abbildung 10 zeigt den Arbeitswiderstand in Bezug auf den Prozentsatz der ZnO-Zyklen (%ZnO), wobei %ZnO definiert ist als:

%ZnO = ZnO / (ZnO + Al₂O₃) * 100 (%)

unter verschiedenen Spannungsbedingungen, von 100 bis 1000 V. Es nimmt ab, dass der Arbeitswiderstand unter der gleichen Spannung mit der Erhöhung des Prozentsatzes der ZnO-Zyklen abnimmt. Es kann das gleiche sein, dass der Arbeitswiderstand unter verschiedenen Prozentsätzen der ZnO-Zyklen und unter verschiedenen Spannungsbedingungen. Daher arbeitet die AZO-ALD-MCP verschiedener Formulierungen unter ihrer spezifischen Spannung, um den MCP-Widerstandsindex zu erfüllen.

Wir definieren das Verhältnis des Widerstandsunterschieds unter verschiedenen Spannungsbedingungen und dem Spannungsunterschied, um den Effekt der Spannung auf den Widerstand der MCP zu beschreiben:

r = |(R_U - R_V) / (U - V)| = |(R_1000V - R_100V) / (1000 - 100)|

Abbildung 11 zeigt, dass der Effekt der Spannung auf den Widerstand von AZO-ALD-MCP abnahm und sich mit der Erhöhung des Prozentsatzes der ZnO-Zyklen allmählich stabilisierte. Daher sollte die Herstellung von AZO-ALD-MCP versuchen, eine Formulierung mit einem großen Prozentsatz an ZnO-Zyklen zu wählen.

Basierend auf der obigen Analyse haben wir die Referenz auf den Arbeitswiderstand für die leitende Schicht von ALD-MCP vorgeschlagen. Wie in Abb. 5a gezeigt, designen wir die AZO-leitende Schicht von AZO-MCP durch Verwendung der WYM-Operation und Temperaturanpassung basierend auf dem Arbeitswiderstand. Wir verwenden Atomlagenabscheidungstechnologie, um die Al₂O₃-Emissionschicht auf der Mikrokanalwand der zweidimensionalen Porenarrays zu züchten [3, 11, 22]. In Abb. 12a wird der Gewinn unserer AZO-ALD-MCP mit dem einer konventionellen MCP unter verschiedenen Spannungen verglichen. Wie beobachtet werden kann, bietet unsere Herstellungsmethode der AZO-ALD-MCP einen größeren Gewinn als die einer konventionellen MCP. Abbildung 12b zeigt den Leuchtschirm mit gleichmäßigem grünem Licht unter hohem Druck, was die Gleichmäßigkeit des auf der Wand jedes Mikrokanals abgeschiedenen Materials und die Gleichmäßigkeit des AZO-ALD-MCP-Sichtfeldes beweist.

Schlussfolgerung

Wir definierten den Arbeits- und Nicht-Arbeitswiderstand der Mikrokanalplatte. Zielgerichtet auf den erforderlichen Widerstand der Mikrokanalplatte im Bereich mit extrem engen Zinkgehaltsanforderungen (70–73 %) wird ein Algorithmus für das Wachsen der AZO-leitenden Schicht vorgeschlagen. Im Vergleich zur konventionellen MCP fanden wir einen großen Unterschied zwischen Arbeits- und Nicht-Arbeitswiderstand und auch einen großen Unterschied unter verschiedenen Spannungen. Daher analysieren wir die Daten, indem wir κ_R, L_R, %ZnO, r definieren. MCP sollte versuchen, eine Formulierung mit einem großen Prozentsatz an ZnO-Zyklen zu wählen. Wir empfehlen, den Arbeitswiderstand als ALD-MCP-Widerstandsindikator in der industriellen Produktion zu verwenden. Aufbauend auf unseren Ergebnissen, wie in dieser Arbeit beschrieben, werden unsere Studien helfen, noch bessere Materialien als leitende Schicht für die ALD-MCP zu finden.

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