专利名称:一种制作硅微通道板二次电子发射层的方法
技术领域:
本发明涉及电真空器件技术领域,具体涉及一种制作硅微通道板(Si-MCP) 二次电子发射层的方法。
技术背景微通道板(MCP)是一种二维连续电子倍增的电真空器件,由许多 具有连续电子倍增能力的通道按一定的几何图案排列而成。当在其输 入、输出两端加上一定的电场时,就能对极其微弱的二维电子图像进行 倍增或放大。由于微通道板本身对大多数荷电粒子、部分高能粒子和短 波光(紫外线、X射线等)具有一定的量子探测效率,故可以直接用来探 测。从理论上讲,微通道板可以对一切粒子和电磁辐射实施有效的纟罙测, 因而微通道板在微光夜视、航空航天探测、核探测及大型科学仪器领域 有着广泛的应用。自1958年Dalton申请制造CGW8161玻璃的专利以来的50年间, 标准硅酸盐玻璃微通道板制造工艺获得了飞速发展,并在美、英、法、 荷、前苏写关等国的许多公司形成批量生产。微通道斧反玻璃经过氢气还原 处理后,就形成了表面导电层或电子发射层。这种所谓的氢气还原工艺已 发展得比较成熟,目前仍是商业用微通道板的实用技术方法。传统的MCP工艺采用玻璃多纤维拉制(GMD)工艺其工艺流程 如图l所示,首先由碱铅硅酸盐玻璃包皮和与之配合的酸溶钡硼玻璃芯 棒一起组成棒管组合体,在加热炉中加热经炫化拉制成卑纟f维丝。将单 丝4安一定长度切断,排成六角形截面的丝束,在炉中加热,拉制出六角 形复丝。这些复丝再一次以六角形排列堆积,在真空下加热熔压即可制 成孩i通道板坯。将板坯切成薄片,经滚圆、研磨、抛光等化学冷加工 后》文入稀酸溶液内,把芯玻璃熔干净,形成列阵式薄片,然后在氢气中加热进行还原反应,使铅从氧化铅中还原成铅,4吏MCP通道内表面成为二次电子发射和倍增的连续打拿极。然而,,圭酸盐玻璃MCP由于材料组成与工艺的限制,具有使用寿 命短、动态范围小、空间分辨能力有限、信噪比较低等不可克服的缺陷。 从各大科研机构、高校,特别是部队装备方面反馈的信息看,现有MCP 的性能很大程度上限制了它的应用,特別是在空间4罙测、微光夜视、大 屏幕显示领域,对高性能MCP的需求更加急迫。为了提高MCP的性能, 实现低噪声、长寿命、超小孔径、高输出、大面积、无离子反馈膜等高 性能MCP,很多研究机构从不同方面对MCP的性能改进提出了要求。为了实现MCP性能的改进,出现了体导电材津十磷酸盐玻璃MCP。 其工艺流程见图2。理论分析表明用磷酸盐玻璃制造MCP,在相当于 通常像增强器所具有的电压下,完全有可能具有高增益。此外,磷酸盐 玻璃具有更均匀的成分,经氢焙烧后,磷酸盐玻璃的表面所含的氢比经 类似处理的传统MCP玻璃的表面所舍的氢要少得多。氢含量的减少使 新的MCP比由传统MCP玻璃制成的MCP将具有更少的离子反馈。离 子反馈的减少使器件的使用寿命增加,噪声减小。4旦是,由于磷酸盐玻 璃的化学和物理性质与传统的MCP皮璃有很大差别,需要突破传统工 艺的限制开发新的处理技术,目前还没有满足使用要求的磷酸盐MCP 产品出售。而且,所存在的最大问题是磷酸盐玻璃MCP仍然是需要玻 璃制备工艺形成微孔阵列,因此虽然可以克服传统石圭酸盐玻璃MCP的 某些缺陷,但是仍存在由于制备工艺带来的几何噪声、孔径无法做小、
面积无法做大等缺陷。九十年代初,美国Galileo电子-光学公司J.R. Horton等人提出采用 单晶硅材料,利用先进的半导体器件制造工艺和微米/纳米加工技术研制 硅微通道板的设想。与传统工艺相比,新工艺可将基底材料与打拿极材 料选择分开,将微孔阵列与连续打拿板形成工艺分开,彻底解决了传统 玻璃MCP多纤维拉制和氢还原处理相互牵制的矛盾,也给采用高纯材 料和采用新工艺制作二次电子发射层提供了条件。分析表明,硅MCP 与传统玻璃MCP比较具有通道孔径小、大工作面积、高动态范围、 高几何保真度、宽光语响应范围、耐高温等优点。首先根据实验要求, 设计并制作微孔阵列掩膜板,将硅单晶片进行研磨抛光,利用CVD技 术在硅片上沉积Si02层,并进行光刻、刻蚀,将设计好的掩膜图形复制 到Si02层上,形成硅基底刻蚀的Si02掩膜,之后,采用定向离子刻蚀 工艺正面深刻蚀微孔,背面深刻蚀背腔,使深孔穿通刻蚀出微孔阵列。 微通道板微孔阵列制作完成之后,为了使硅微通道^反能够承受一定的场 强,从而实现电子倍增,首先将硅片进行清洁处理并进行充分氧化,形 成Si02绝缘层。利用CVD技术在微通道内再沉积一层高二次电子发射系 数的发射层。由上述分析可见,目前制备MCP的技术主要有三种,前两种技术由 于均采用了玻璃制备工艺,其利用氢还原相应制备二次电子发射层的方 法有其不可克服的缺陷,并且也无法直接应用到硅MCP技术中。第三种 技术——硅微通道板为了实现电子倍增,目前可用的方法是利用CVD技 术在微通道内沉积一层高二次电子发射系数的发射层。但是CVD技术设 备昂贵,技术要求高,整个制备时间相对较长。为了4冢索批量生产的可 行性,需要更加实用化的、可以制备高二次电子发射的发射层技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种制作硅《鼓通道板二次电子发 射层的方法,克服现有CVD技术制作硅微通道板二次电子发射层的方 法,制作设备昂贵、技术要求高、制备时间长的缺陷。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为 一种制作硅微通道板二次电子发射层的方法,包括步骤 Al 、按照一定比例配制氧化镁水乙酸溶液;A2、将硅微通道板放置于所述氧化镁水乙酸溶液内,用超声波加振 所述氧化镁水乙酸溶液一段时间,使溶液充分进入孩i通道并吸 附于内表面;A3、在真空装置中加热硅微通道板,固化其表面的氧化4美。所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法,所述步骤Al中, 所述氧化镁冰乙酸溶液的配置比例设为1 (MgO): 30 (冰乙酸)。所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法,所述步骤A2中, 用超声波加振所述氧化镁水乙酸溶液的时间设为3 ~ 5分钟。所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法,所述步骤A3中, 加热硅微通道板的温度设为500C° ~ 800C°。所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法,所述步骤A3之后 包4舌步骤在所述硅微通道板的上下表面蒸镀一层金属电极。本发明的有益效果为由于本发明釆用氧化镁作为二次电子发射材 料,使一定浓度的MgO冰乙酸溶液充分并均匀地充满硅微通道并吸附 于其内表面;通过在真空中的高温固化,使MgO材料在硅微通道内形 成牢固的二次电子发射层,克服了现有技术无法将MgO材料蒸镀到硅 微通道内的问题;本发明设备成本低,工艺过程简单,技术难度小,整 个制备时间相对较短,所沉积的材料二次电子发射系数高,是制作硅微 通道板二次电子发射层方法的一大进步。
说明书第5/7页图1为现有^^支术采用玻璃多纤维拉制方法制作MCP的工艺流禾呈图;图2为现有:l支术采用磷酸盐玻璃制作MCP的工艺流程图;图3为本发明硅微通道板微观结构照片;图4为本发明高真空综合测试系统照片;图5为本发明测试硅微通道板的增益和增益均匀性原理图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一 步详细说明 考虑到MgO材料具有高的二次电予发射系数,二次电子产额S值约 为4.5左右,并且MgO材料有很好的热稳定性,可以直接暴露在大气中,能 够:容解于特定的溶剂中而不发生化学反应;因此,本发明采用MgO作为 二次电子发射材料。但是,由于MgO的熔点很高,通常要在300CTC,因此 不能够采用常规的真空镀膜方法;本发明利用MgO溶于冰乙酸并且不与 水乙酸发生化学反应的特性,按照约1: 30比例配制MgO水乙酸溶液。 经充分搅拌溶解后,溶液呈透明状,将微通道板置于溶液中,用超声波加 振3 5分钟,使溶液充分进入微通道并吸附于内表面。取出样片,经 500C。 ~ 800C。在高于5x 10"Pa真空度下加热固化之后形成厚度5nm ~ 10nm的MgO二次电子发射层。这种硅微通道板二次电子发射层(连续打 拿才及),经紫外光电法进行电子增益测试表明,本发明一种制作^^微通 道一反(Si-MCP) 二次电子发射层的方法是可行的。本发明一种制作硅微通道板(Si-MCP) 二次电子发射层的方法包括 以下步骤1)、按照1 (MgO) : 30 (冰乙酸)的比例配制MgO冰乙酸溶液; 2) 、将硅微通道板放置于MgO水乙酸溶液内,用趁声波加振MgO冰乙酸〉溶液3 ~ 5分钟;佳J容液充分进入微通道并吸附于内表面;3) 、在50OC。 ~ 800C。、高于5xl0^Pa真空度的真空装置中加热硅微通道 板,固化其表面的MgO。如图3所示,在上述条件下,微通道内部的MgO薄膜厚度为5nm 10nm。本发明提出并实现了 一种在硅微通道板上制备高二次电子发射层 的方法,虽然所应用的MgO材料其二次电子发射系数高,但是传统的真 空镀膜无法实现将其在微通道内壁形成二次电子发射层的目的,本发明 有效地克服了该问题,较好地实现了在硅微通道板上形成MgO二次电子 发射层的目的。并且该方法同目前可用的CVD技术在硅微通道内沉积发 射层相比,本发明设备成本低,工艺过程简单,技术难度小,整个制备 时间相对较短,所沉积的材料二次电子发射系数高。在硅微通道板阵列刻蚀和二次电子发射层制作完成之后,为了<吏微 通道内形成电场,使入射的粒子能够在通道的出口以二次电子的形式出 射,在通道板的上下表面蒸镀一层金属电极。为了进一步证明本发明制 备MgO 二次电子发射层的可行性和效果,我们完成了微通道板样片的 实马全测试。电子增益和增益均匀性是反映MCP电子倍增性能的重要参量。微 通道板电子增益定义为G = ^其中,/自为微通道板的输出电流,乙为微通道板的输入电流。 如图4所示,在一高真空综合测试系统中,采用用紫外光电法测试沉积 有MgO 二次电子发射层的硅微通道板的增益和增益均匀性。图5是紫 外光电法测试原理示意图,其中包括搜集阳极1、金属阳极2、硅微通 道板3 、 Au阴极4、 UV透镜5、 UV光源6、真空室7。实验将硅微通
道板置于真空度约lxl(T3Pa的真空室7内,其前装有Au阴极4,其后 装有金属阳极2,硅微通道板3的输入和输出回路均用检流计测量回路 电流值。工作时,265nm的紫外光经UV透镜5聚焦后入射Au阴极4, Au阴极4发射的光电子经硅微通道板3电子倍增后,由搜集阳极1、金 属阳极2搜集,因此,由检流计Al和A2所指示的电流变化量即可计算 出硅微通道板3的电子增益。步进电机驱动系统中的微调装置,移动UV 光源6测量硅微通道板3上的各点,从而检测增益均匀性。本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神,可以有多种变形方案 实王见本发明,以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已,并非因此局 限本发明的权利范围,凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构 变4七,均包含于本发明的一又利范围之内。
权利要求
1、一种制作硅微通道板二次电子发射层的方法,其特征在于,包括步骤A1、按照一定比例配制氧化镁冰乙酸溶液;A2、将硅微通道板放置于所述氧化镁冰乙酸溶液内,用超声波加振所述氧化镁冰乙酸溶液一段时间,使溶液充分进入微通道并吸附于内表面;A3、在真空装置中加热硅微通道板,固化其表面的氧化镁。
2、 根据权利要求1所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法, 其特征在于所述步骤A1中,所述氧化镁水乙酸溶液的配置比例i殳为1(MgO): 30 (冰乙酸)。
3、 根据权利要求1所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法, 其特征在于所述步骤A2中,用超声波加振所述氧化镁水乙酸溶液的 时间设为3~5分钟。
4、 根据权利要求1所述的制作硅微通道板二次电子发射层的方法, 其净寺征在于所述步骤A3中,加热硅微通道板的温度设为500C°~ 800Co。
5、 根据权利要求1至4任一所述的制作硅微通道板二次电子发射 层的方法,其特征在于,所述步骤A3之后包括步骤在所述硅微通道 板的上下表面蒸镀一层金属电极。
全文摘要
本发明公开了一种制作硅微通道板二次电子发射层的方法,包括步骤A1.按照一定比例配制氧化镁冰乙酸溶液;A2.将硅微通道板放置于所述氧化镁冰乙酸溶液内,用超声波加振所述氧化镁冰乙酸溶液一段时间,使溶液充分进入微通道并吸附于内表面;A3.在真空装置中加热硅微通道板,固化其表面的氧化镁。本发明设备成本低,工艺过程简单,技术难度小,整个制备时间相对较短,所沉积的材料二次电子发射系数高,是制作硅微通道板二次电子发射层方法的一大进步。
文档编号H01J9/02GK101150030SQ20071007569
公开日2008年3月26日 申请日期2007年8月13日 优先权日2007年8月13日
发明者牛丽红 申请人:深圳大学