制造气体电子倍增器的方法

专利名称：制造气体电子倍增器的方法
制造气体电子倍增器的方法本发明涉及制造气体电子倍增器(GEM)的方法。EP 0 948 803 Bl中描述了 GEM 的结构和操作，还给出了大量进一步的参考。图1是选自EP 0 948 803 Bl且示出了 GEM的 通常结构和功能的示意图。在图1中，GEM 10位于漂移电极DE与集电极CE之间。GEM 10 由包覆有第一和第二金属层14和16的绝缘片12构成。在GEM 10中形成有多个通孔18。 通孔18通常具有20 100 μ m的直径。孔18以具有通常50 300 μ m间距的矩阵或阵列 形式布置。孔18的矩阵的示意图如图3所示，该图也选自EP 0 948 803 Bi。绝缘片12的 厚度可以约为50 μ m,第一和第二金属包覆层14和16的厚度通常约为5 μ m。简要地，图1的GEM 10的功能概括如下。在漂移电极DE与集电极CE之间施加电 压。此外，在第一金属层与第二金属层14、16之间施加电压，使得每个孔18的行为像电偶 极子。电偶极子由电场向量β'表示，其与漂移电极DE与GEM 10之间的电场I以及GEM 10 与集电极CE之间的电场B"叠加。上述三个场分量的叠加产生了图1中示意性示出的电场 线结构。从图1可看出，孔18导致电场局部浓缩，或者换句话说，导致局部电场幅值增加。 漂移电极DE与集电极CE之间的空间填充有气体。如果在漂移电极DE与GEM 10之间的一 些位置产生初级电子，那么该电子因电场g而朝GEM漂移。在孔18中，电场幅值局部增加， 从而由该初级电子形成电子雪崩，其中第二金属层16作为电子雪崩的输出相。从初级电子 形成电子雪崩是使GEM成为“电子倍增器”的原因。然后，电子雪崩通过电场被吸引到集电 极CE，在此该电子雪崩可作为显著增强的信号而被检测。图1和3仅示出了 GEM 10的非常小的一部分，选自EP 0 948 803B1的图2示出 了整个设备的示意图。从图2可看出，GEM 10通常包括活性区20，金属层14、16和多个孔 形成于活性区20中。活性区20被框架22包围，框架22未被金属涂覆，而通常仅由绝缘片 12构成。第一和第二电极24和26形成于框架22的相反侧，这允许将期望的电位施加至第 一和第二金属层14和16。EP 0 948 803 Bl还公开了制造GEM 10的方法。根据所述现有技术方法，两个相 同的膜或掩模被印制有期望图样的孔并且覆盖在包覆有金属的板料GEM的每一侧上，GEM 被预先涂覆有光敏树脂。在树脂的紫外线曝光和显影之后，树脂仅使金属层14、16中与待 形成的孔对应的部分曝露。然后，同时从两侧对金属层进行蚀刻，使得从两侧产生的孔在中 间相遇，以形成通孔18。现有技术制造方法依赖于用于使光敏树脂曝光的膜或掩模的相互对准。如果活性 区20，即待形成有孔18的区域不是太大，例如10x10cm，那么事实上能够获得板料GEM两侧 上图样的良好吻合。然而，最近要求大尺寸的GEM。当尝试制造更大的GEM时，发明人发现 使用现有技术制造方法存在困难。特别地，对于更大的GEM，很难确保板料两侧上图样的适 当的相互对准。如上所述，通常直接将光掩模置于覆盖有光刻胶的第一和第二金属层14和 16中的每个的顶部上。尽管能够足够精确地印制这些掩模，但是如果膜变大(例如，为了形 成更大的GEM)，则其上印制有掩模的膜不足够稳定以确保板料两侧上图样的精确对准。特 别地，膜倾向于因温度和/或湿度而轻微变形，假设待形成非常小尺寸的孔，这种变形已经 足以严重干扰两个图样的相互对准，从而导致从相反侧形成的两半孔的中心轴线移位不期望的15 μ m或更多。发明人也尝试通过使用更稳定的掩模材料来避开这些问题。例如，尝试使用由玻 璃制成的掩模。然而，结果并不令人满意。特别地，对于期望的大掩模尺寸，玻璃平坦性的 缺失就是个问题。本发明的目的是提出用于制造GEM 10的方法，其允许制造高质量、甚至大尺寸的 GEM0这个问题由根据权利要求1所述的方法解决。这个问题的可选的解决方案由权利 要求12所述的方法提供。优选的实施方式在从属权利要求中限定。根据本发明的第一方面，该方法包括如下步骤制备板料，该板料包括绝缘片，该 绝缘片分别在其第一表面和第二表面上设置有第一金属层和第二金属层，第一金属层和第 二金属层具有初始厚度；第一金属层孔形成步骤，通过光刻对第一金属层进行构图，以形成 穿过第一金属层的孔；绝缘片孔形成步骤，通过仅从第一表面侧蚀刻，使在第一金属层中形 成的孔延伸穿过绝缘层；以及第二金属层孔形成步骤，在第一金属层和绝缘片中形成的孔 延伸穿过第二金属层，第二金属层孔形成步骤包括电化学蚀刻过程，在所述电化学蚀刻过 程中在第二金属层与浸入蚀刻剂中的电极之间施加电压，所述电压被选择为使得第二金属 层被蚀刻。与EP 0 948 803 Bl所描述的方法相对照，在本发明的方法中，仅对下面称为第一 金属层的一个金属层上进行构图。换句话说，不需要在板料的两侧上相互对准图样。根据 第一金属层的图样，通过连续的步骤穿过绝缘片和第二金属层产生孔。该方法的困难部分是第二金属层孔形成步骤。在该步骤中，必须通过第二金属层 蚀刻孔，这意味着蚀刻的一部分必须通过已经穿过第一金属层和绝缘片形成的孔进行。然 而，在该第二金属层蚀刻步骤中，问题是，在理论上，当对第二金属层进行蚀刻时，第一金属 层也会暴露在蚀刻剂中并且被蚀刻。实际上，通过该蚀刻步骤，第一金属层容易被损坏(特 别地，可能发生金属完全从绝缘片第一表面的一些位置去除的情况)。这尤其发生在大板 料的情况下，因为在例如0. 5m2或者甚至Im2的大表面上提供绝对均勻的金属层是非常困难 的。即使绝缘片应该不会在孔之间的区域中被完全去除，仍然存在这样的问题如果第一金 属层在第二金属层孔形成步骤中被蚀刻，将在围绕孔的区域中蚀刻第一金属层，从而绝缘 片材料的小环将在第一金属层一侧暴露。已经发现暴露的绝缘片材料的这些环对GEM的功 能具有不利影响，这显然归因于在该暴露的表面上所捕获的离子。然而，根据本发明的第一方面，可通过使用电化学蚀刻步骤避免在第二金属层孔 形成步骤中对第一金属层的不期望蚀刻。在电化学蚀刻中，蚀刻剂不能通过化学反应对材 料进行蚀刻，除非施加适当的电压。通过将电压施加到待蚀刻的材料与浸入蚀刻剂的附加 电极之间的蚀刻剂上，开始电解工艺，其中电流流过蚀刻剂，蚀刻剂中的离子以蚀刻的方式 与材料发生反应。根据本发明的这个方面，仅在第二金属层与所浸入的电极之间施加电压， 使得只有第二金属层被蚀刻，而第一金属层几乎保持不受影响。这允许选择性地为第二金 属层实现第二金属层孔形成步骤而不损坏第一金属层。在优选的实施方式中，选择电位使得第二金属层形成阳极，浸入蚀刻剂中的电极 形成阴极。电极优选地与第二金属层间隔3 8cm。在优选的实施方式中，在第二金属层孔形成步骤中使用的蚀刻剂包括硫酸、盐酸和硫酸铜。优选地，在第二金属层孔形成步骤的至少一部分中，将电极设置在板料的第一金 属层侧，以“从内部”蚀刻第二金属层，即通过在第一金属层和绝缘片中形成的孔蚀刻第二 金属层。而且，还可在第二金属层孔形成步骤的另一部分中，将电极设置在板料的第二金属 层侧，以从外部蚀刻第二金属层，即从更接近第二金属层那侧蚀刻第二金属层。在电极设置 在板料的第二金属层侧的情况下，保持电化学蚀刻步骤至少直到先前通过从内部、即通过 孔蚀刻而在第二金属片中形成的孔延伸穿过第二金属层。然而，该蚀刻能够被保持直到获 得期望厚度的第二金属层。优选地，保持从内部、即通过在第一金属层和绝缘片中形成的孔对第二金属层的 电化学蚀刻，直到孔在第二金属层中延伸平均深度，该平均深度至少比第二金属层的最终 深度深2 μ m。然后，当从外部蚀刻第二金属层时，第二金属层中的孔露出，孔的边缘具有一 致的质量。在优选的实施方式中，第二金属层的初始厚度比第一金属层的初始厚度超出5 15 μ m，优选地超出8 12 μ m。这个额外的厚度可用于首先从内部将第二金属层中的孔蚀 刻至超过第二金属层最终厚度的深度。然后，可通过从外部蚀刻，去除第二金属层的额外的 初始厚度，因此第二金属层中的孔露出。优选地，第一金属层和第二金属层的最终厚度相差 小于2 μ m,产生对称的结构，从而被认为导致设备的更好性能。第一和第二金属层的平均最 终厚度优选地为4 μ m 7 μ m。如之前所述，在优选的实施方式中，第二金属层的初始厚度大于第一层的初始厚 度。然而，具有不同厚度包覆层的预制板料可能难以从商业上获得。由此，在优选的实施方 式中，前述制备板料的步骤包括通过电解工艺增加第二金属层的厚度的步骤。根据本发明的第二方面，发明人发现假设第一和第二金属层的初始厚度被适当地 选择，那么第二金属层孔形成步骤还可通过普通的化学蚀刻实现，即无需电化学蚀刻。根据 这个可选的方法，从外部蚀刻第一和第二金属层，从而减少第一和第二金属层的初始厚度， 并且同时从内部蚀刻第二金属层，即通过在第一金属层和绝缘片中形成的孔蚀刻第二金属 层。在该第二金属层孔形成步骤中，保持蚀刻直到孔延伸穿过第二金属层。发明人已经发现如果第一和第二金属层的初始平均厚度为6. 5 25 μ m，优选地 为7. 5 12 μ m，那么能够获得甚至非常大尺寸的高质量的GEM。用于第一和第二金属层的6. 5 μ m(优选为7. 5 μ m)的下边界用于确保制造工艺中 的良好产量。在该下边界之下，如果不是所有的金属可能无意地被蚀刻掉，那么存在随着时 间所有孔在某些位置延伸穿过第二金属层太多的风险，该风险可能影像最终GEM的功能。另一方面，25μπι(优选为12μπι)的上边界将确保第二金属层孔形成步骤不会 太久，从而第一金属层侧的孔周围暴露的绝缘片的环不会超过可接受的宽度，其中，“可接 受的宽度”由最终设备的功能确定。根据发明人的发现，这种暴露的环的宽度应该不超过 25 μ m，优选地不超过15 μ m。然而，通过如下面具体实施例中所示地，适当地选择初始厚度 和相应的蚀刻步骤，能够获得例如8 μ m的可接受的环状结构，而不需要电化学蚀刻。在本发明第二方面的第二金属层孔形成步骤中，优选地在包含过硫酸铵的浴中蚀 刻板料。所述浴优选地保持在20°C 30°C的温度下，优选地在23°C 27°C的温度下。下面优选的实施方式涉及上面的两种制造方法。
优选地，第一金属层和第二金属层由铜制成。绝缘片优选地由聚合物材料(例如 聚酰亚胺)制成。在优选的实施方式中，在铜层与绝缘层之间设置铬薄层，以提高铜在聚酰 亚胺上的粘附性。光刻第一金属层孔形成步骤优选地包括如下步骤在两个金属层上设置光刻胶； 将掩模置于对待形成的孔的位置进行限定的第一金属层顶部上；在板料的两侧上对光刻胶 进行曝光和显影，使得整个第二金属层被光刻胶覆盖，第一金属层除了待形成孔的位置以 外被光刻胶覆盖；以及对第一金属层中的孔进行蚀刻。优选地，通过在30°C 40°C下利用
三氯化铁蚀刻第一金属层。在优选的实施方式中，进行绝缘片孔形成步骤，使得孔在与第一金属层邻近的 端部处的直径与所述孔在与第二金属层邻近的端部处的直径相差小于20%，优选地小于 15%。下面将给出如何确保孔直径的可接受变化的一些实施例。绝缘片孔形成步骤优选地包括将板料浸入包括55 % 65 %的乙二胺、35 % 45%的水和另外5 10g/l的KOH的浴中。温度优选为60°C 80°C，更优选地为65°C 75 °C。在绝缘层孔形成过程中，可通过在蚀刻剂中产生气泡(例如氮气泡)来搅动蚀刻 剂。这种搅动导致更接近圆柱形的孔而非圆锥形的孔。优选地，存在通过光刻形成用于连接第一和第二金属层的电极的附加步骤。在这 个附加光刻步骤中，形成类似于图2的框架22的框架和类似于图2的电极24和26的电极。


图1是置于漂移电极与集电极之间的现有技术GEM的示意性横截面视图；图2是现有技术GEM的示意性平面视图；图3是图2的GEM的活性区的一小部分的放大图，其示出了孔的矩阵；图4是根据本发明第一实施方式，制造GEM的不同阶段中的板料的一系列横截面 视图；以及图5是根据本发明第二实施方式，制造GEM的不同阶段中的板料的一系列横截面 视图。
具体实施例方式为了推进和理解本发明的原理，参考附图中所示的优选实施方式，并且用特定的 语言描述该优选实施方式。然而应当理解，不会对本发明的范围造成限制，本发明涉及本领 域技术人员现在或将来所预期的对所描述方法的替换和进一步修改以及对本文中描述的 本发明原理的进一步应用。在下面对附图的描述中，不同附图中类似或相同的部分用相同的标号表示。参照图4，板A表示用于形成GEM 10的板料28的横截面。板料28由具有约15 μ m 厚度的聚酰亚胺片12构成。铬薄膜30和第一铜层14布置在聚酰亚胺片12的第一表面的 顶部上，如图4所示的上表面上。铬层30仅为约0. 1 μ m厚，并且用于促使第一铜层14粘 附在聚酰亚胺片12上。板料28的第一铜层14的厚度(下面也称为“初始厚度”)对最终 GEM的结果是至关重要的。第一铜层14的初始厚度为6. 5 25 μ m，优选地为7. 5 12 μ m。另外的铬层30和第二铜层16形成于聚酰亚胺片30的第二表面上，其中第二铜层16与第 一铜层14具有相同的厚度。在优选的实施方式中，总的板料可具有0. 25m2或者甚至Im2的 尺寸。1. 1第一金属层孔形成步骤在第一金属层孔形成步骤中，对第一铜层14和下面的铬薄膜30进行构图，以形成 待形成为穿过GEM的孔18的上部。在该第一金属层孔形成步骤中，第一和第二铜层14和 16层叠有较薄的光刻胶(KL1015)。接下来，将掩蔽膜置于第一铜层14的顶部上，在其上印 制待形成的孔18的图样。在第二铜层16的顶部上未设置掩模。接下来，通过来自两侧的 强光使板料28曝光。曝光在机器DUPONT PC 130中实现。所使用的光刻胶是负性光刻胶， 其通过曝光而在化学上变得更加稳定。然后，通过Na2CO3喷雾在RES⑶机器中以0. 7m/分 钟的速度在35°C下对光刻胶进行显影。在这个显影过程中，去除待形成孔18的位置处的 胶。检查光刻胶中孔的直径。在本实施方式中，直径应为55μπι+/-2μπι。接下来，在运送机器中以35°C蚀刻第一铜层14，使得穿过第一铜层14形成孔18。 对于蚀刻剂，在35°C温度下使用三氯化铁。在蚀刻之后检查第一铜层14中的孔是否具有 60μπι+/-2μπι的尺寸。该方法在第一铜层14中形成孔的这部分如图4中的板B所示。注 意，第二铜层16还未被蚀刻，因为其完全被光刻胶所覆盖。接下来，在乙醇浴中除去光刻胶。然后，通过将板料28浸入60°C的高锰酸钾浴中 15秒来除去孔18中的铬薄层(见图4的板C)。1.2绝缘片孔形成步骤接下来，在绝缘片孔形成步骤中，形成于第一铜层14中的孔18竖直延伸穿过聚酰 亚胺片12。这是通过在包含60%的乙二胺、40%的水和额外的7g/l的KOH的浴中蚀刻而 实现的。浴的温度为70°C。如图4中的板D可见，穿过聚酰亚胺片12蚀刻的孔18将具有朝向第二金属层16 渐缩的略微的圆锥形。实际上，发明人发现这种圆锥形可导致最终GEM 10具有尤其良好的 行为。然而，聚酰亚胺片12中的孔18在与第一铜层14邻近的端部处的直径应该与该孔在 与第二铜层16邻近的端部处的直径相差不多于20%，优选地小于15%。在本实施例中，实 现聚酰亚胺片12的蚀刻使得聚酰亚胺片12中孔的上直径和下直径相差小于10 μ m。可通 过搅动蚀刻剂来促使在聚酰亚胺层中孔18更接近圆柱形，例如通过在其内引入氮气泡。1. 3电极和框架形成步骤尽管未在图4中示出，接下来执行另外的光刻蚀刻步骤，其中以类似于图2的方 式，在GEM 10的活性区20的周围形成框架22，并形成连接活性区20的第一和第二铜层14 和16的电极24和26。光刻步骤类似于上面1. 1部分所描述的步骤，因此在此不再重复它 们的描述。1.4第二金属层孔形成步骤接下来，孔18延伸穿过第二铜层16。该蚀刻步骤在25°C的过硫酸铵浴中实现。将 板料28保持在该浴中直到孔18延伸穿过第二铜层16。可通过视觉观察容易地确定该蚀刻 步骤的结束只要光亮穿过板料18，该蚀刻步骤就应该结束。在该蚀刻步骤中，从“外部”蚀刻第一和第二铜层14和16，S卩，参照图4，从上面蚀 刻第一铜层14，从下面蚀刻第二铜层16。此外，从“内部”蚀刻第二铜层16，S卩，从孔18的内部蚀刻第二铜层16。由此，在该蚀刻步骤中，蚀刻第一和第二铜层14和16，使得它们的厚 度减少，如图4中的板E所示。由此，需要仔细选择第一和第二铜层14和16的初始厚度， 从而在孔18穿透第二铜层16时第一和第二铜层14和16的剩余厚度仍然足够厚，从而在 考虑到初始铜层14和16不均勻性的情况下，最终铜层14和16连续覆盖孔18之间的区域 中的聚酰亚胺层12。由于该方法被特别设计用于制造比之前已知的GEM大的GEM尺寸，具 有例如0. 25m2或甚至高达Im2的活性表面，因此第一和第二铜层14和16的初始厚度的不 均勻性必然受到限制。因此，第一和第二铜层14和16的初始厚度应该至少为6. 5 μ m，优选 地至少为7. 5 μ m，从而避免在第二铜层孔形成步骤的蚀刻过程中损坏铜层14和16。另一方面，第一和第二铜层14和16的初始厚度也不应该太大。当蚀刻铜层14和 16以使孔18完全穿过第二铜层16时，将从围绕每个孔18的边缘的区域去除第一铜层14， 从而形成围绕孔18的聚酰亚胺片12的第一表面上的环状区域32，环状区域32不再被铜层 14覆盖。发明人发现在最终GEM的操作中，如果暴露的环32太大，那么性能将会恶化。该 暴露的环部32的宽度应该为15 μ m或更小，优选地为10 μ m或更小。铜层14和16的初始 厚度越厚，最终暴露的环部32的宽度将越宽。由此，第一和第二铜层14和16的初始厚度 应该小于25 μ m,优选地甚至小于12 μ m。在8 μ m的初始铜层厚度和如上概述的工艺参数的条件下，聚酰亚胺片12的第一 表面上的暴露的环部32的宽度仅为8 μ m，其足够窄，从而例如不会反过来影响最终GEM 10 的功能。在15 μ m的初始厚度的条件下，暴露的环状部32的宽度约为15 μ m,这使得在最终 GEM 10的操作中较差，但仍可接受。而且，在聚酰亚胺片12的第二表面上形成另外的暴露 的环状部34，但是该环明显小于第一表面上的环。1. 5清洁和测试最后，按照已知的方式清洁具有按如上所述形成的孔18的GEM10。然而，选择根 据一个实施方式的清洁方法，使得覆盖暴露的环状部32和34的铬薄层30不被除去。特别 地，在清洁步骤中不使用高锰酸钾，因为它会去除铬层。当铬层保留在暴露的环状部32和 34上时，最终GEM的功能将比绝缘聚酰亚胺直接暴露的情况要好。可选地，可选择清洁方法 使得铬层被部分或完全去除。作为最后的步骤，通过将约600V的电压施加到第一和第二铜层14和16之间并且 在35%的减小的湿度下测量两者之间的电流来测试设备。如果所测量的电流小于预定的阈 值，则通过测试。第二实施方式接下来，参照图5描述本发明的第二实施方式。从图5的板A可见，再次制备板料 28，板料28具有聚酰亚胺绝缘层12以及位于其第一和第二表面顶部上的第一和第二铜层 14和16。然而，在这个情况中，制备板料28使得第二铜层16厚于第一铜层14。在所示的 实施例中，第一铜层14为5 μ m厚，第二铜层16为15 μ m厚。可通过以电解的方式将10 μ m 的铜添加到每侧包覆有5 μ m铜的原始板料(未示出)的第二金属层16上来制备这种板料 28。类似于如上面的1. 1部分所述，对第一铜层14和下层铬层进行构图，因此这里不 再重复。图5的板B示出了构图之后的板料28，与图4相对照，描述了四个孔的形成。绝缘片孔形成步骤也类似于上面1. 2部分所描述的第一实施方式。然而，与图4的板D相比，本实施例中在聚酰亚胺层12中形成的孔18更接近圆柱形。这是通过用氮气 泡搅动蚀刻剂来实现的。穿过聚酰亚胺层12的孔18的第一侧端部和第二侧端部相差小于 5 μ m。可以理解，可在第一实施方式中使用更接近圆柱形的孔，也可在第二实施方式中使用 更接近圆锥形的孔。而且，以类似于第一实施方式的方法实现形成电极24和26的步骤(见 图2)和形成围绕活性区20的框架22的步骤。与第一实施方式的主要区别涉及第二金属层孔形成步骤。为了形成穿过第二铜层 16的孔，在本实施方式中，将板料28浸入基于硫酸、盐酸和硫酸铜的浴中。此外，在面向第 一铜层14的一侧，将电极(未示出)浸入该浴中远离板料28约5cm。在第二金属层16与 该电极(未示出)之间施加电压，使得电极形成阴极而第二铜层16形成阳极。由于第二铜 层16(阳极)与阴极(未示出)之间的电压，开始了电解过程，其中电流在蚀刻剂中流动， 蚀刻剂中的离子在蚀刻方法中与第二铜层16发生反应。由于在该方法的这个步骤中，阴极 (未示出)被布置为面向第一铜层14，或者换句话说被置于板料28之上，如图5所示，因此 从“内部”蚀刻第二铜层16，即穿过在第一铜层14和聚酰亚胺层12中形成的孔18蚀刻第 二铜层16。保持该电化学蚀刻步骤，直到孔18延伸进入第二铜层16中至少7μπι的深度。 在这个电化学蚀刻过程中，由于其中性电位，第一铜层14未被蚀刻。接下来，将阴极置于板料28的另一侧上，使得其面向板料28的第二铜层16侧。 继续电化学蚀刻，此时从外部蚀刻第二铜层16，使得其厚度继续减小，直到减小至约5μπι 并且与第一铜层14的厚度一致。由于在前一步骤中，孔已经延伸进入第二铜层16中至少 7 μ m深度，因此孔18将露出，从而获得如图5的板D所示的结构。电化学蚀刻优选地在室温和0. 5A/dm2量级的电流密度下进行。电化学蚀刻允许选择性地蚀刻第二铜层16而不损坏第一铜层14。而且，可通过改 变电化学蚀刻方向，即通过变换阴极所放置的那侧，获得具有优异形状质量的孔。在第二金 属层孔形成工艺之后，以上述的类似方式清洁和测试最终的GEM。尽管在附图和上面的说明中详细地示出和描述了优选的示例性实施方式，但是这 应该被看作为纯粹的实施例并且不限制本发明。应该注意，在这点上仅示出和描述了优选 的示例性实施方式，应该保护现在或将来落入本发明的保护范围内的所有变化和修改。标号列表10GEM12绝缘片/聚酰亚胺片14、16第一金属层和第二金属层18 通孔20活性区22 框架24、26第一电极和第二电极28 板料30铬薄膜32环状部34另外的环状部
权利要求
1.一种制造气体电子倍增器(GEM)(IO)的方法，所述GEM包括绝缘片(12)、第一金 属层和第二金属层(14，16)以及多个通孔(18)，所述绝缘片(12)具有第一表面和第二表 面，所述第一金属层和第二金属层(14，16)分别设置在所述第一表面和所述第二表面的顶 部上，所述多个通孔(18)延伸穿过所述绝缘片(12)和所述第一金属层和所述第二金属层 (14，16)，所述方法包括下列步骤制备板料(28)，所述板料(28)包括绝缘片(12)，所述绝缘片(12)分别在其第一表面 和第二表面上设置有第一金属层和第二金属层(14，16)，所述第一金属层和所述第二金属 层(14，16)具有初始厚度；第一金属层孔形成步骤，其中通过光刻对所述第一金属层(14)进行构图，以形成穿过 所述第一金属层(14)的孔(18)；绝缘片孔形成步骤，其中通过从所述第一表面的一侧进行蚀刻，使在所述第一金属层 (14)中形成的所述孔(18)延伸穿过所述绝缘层(12)；以及第二金属层孔形成步骤，其中从外部蚀刻所述第一金属层和所述第二金属层(14，16)， 从而减小所述第一金属层和所述第二金属层(14，16)的所述初始厚度，同时通过所述第一 金属层(14)和所述绝缘片(12)中的所述孔(18)蚀刻所述第二金属层(16)，保持蚀刻，直 到所述孔(18)延伸穿过所述第二金属层，其中，所述第一金属层和所述第二金属层(14，16)的所述初始平均厚度为6. 5μπι 25 μ m, ttitift^J 了. 5 μ m 12 μ m。
2.如权利要求1所述的方法，其中，选择所述第一金属层和所述第二金属层(14，16)的 所述初始平均厚度，使得在所述第二金属层孔形成步骤之后，围绕所述孔(18)的环状区域 (32)具有15 μ m或更小的宽度，优选地具有10 μ m或更小的宽度，所述绝缘片(12)在所述 环状区域(32)处从所述第一金属层(14)暴露。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，在所述第二金属层形成步骤中，在包含过硫酸 铵的浴中蚀刻所述板料(28)。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述浴保持在20°C 30°C的温度下，优选地保持在 23°C 27°C的温度下。
5.一种制造气体电子倍增器(GEM)(IO)的方法，所述GEM包括绝缘片(12)、第一金 属层和第二金属层(14，16)以及多个通孔(18)，所述绝缘片(12)具有第一表面和第二表 面，所述第一金属层和第二金属层(14，16)分别设置在所述第一表面和所述第二表面的顶 部上，所述多个通孔(18)延伸穿过所述绝缘片(12)和所述第一金属层和所述第二金属层 (14，16)，所述方法包括下列步骤制备板料(28)，所述板料(28)包括绝缘片(12)，所述绝缘片(12)分别在其第一表面 和第二表面上设置有第一金属层和第二金属层(14，16)，所述第一金属层和所述第二金属 层(14，16)具有初始厚度；第一金属层孔形成步骤，其中通过光刻对所述第一金属层(14)进行构图，以形成穿过 所述第一金属层(14)的孔(18)；绝缘片孔形成步骤，其中通过从所述第一表面的一侧进行蚀刻，使在所述第一金属层 (14)中形成的所述孔(18)延伸穿过所述绝缘片(12)；以及第二金属层孔形成步骤，其中在所述第一金属层(14)和所述绝缘片(12)中形成的所述孔(18)延伸穿过所述第二金属层(16)，所述第二金属层孔形成步骤包括电化学蚀刻过 程，在所述电化学蚀刻过程中，在所述第二金属层(16)与浸入蚀刻剂中的电极之间施加电 压，所述电压被选择为使得所述第二金属层(16)被蚀刻。
6.如权利要求6所述的方法，其中，所述电极与所述第二金属层(16)之间的电位使得 所述第二金属层(16)形成阳极，并且使得浸入所述蚀刻剂中的所述电极形成阴极。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，在所述电化学蚀刻中使用的所述蚀刻剂包括硫 酸、盐酸和硫酸铜。
8.如权利要求5至7中任一项所述的方法，其中，在所述第二金属层孔形成步骤的至少 一部分中，将所述电极设置在所述板料(28)的所述第一金属层的一侧，从而通过在所述第 一金属层(14)和所述绝缘片(12)中形成的所述孔(18)蚀刻所述第二金属层(16)。
9.如权利要求5至8中任一项所述的方法，其中，在所述第二金属层孔形成步骤的一部 分中，将所述电极设置在所述板料(28)的所述第二金属层的一侧，从而从外部蚀刻所述第 二金属层(16)。
10.如权利要求9所述的方法，其中，保持在所述电极设置在所述板料(28)的所述第二 金属层一侧的情况下对所述第二金属层(16)的电化学蚀刻步骤，至少直到所述孔(18)延 伸穿过所述第二金属层(16)。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中，保持通过在所述第一金属层(14)和所述绝 缘片(12)中形成的孔(18)进行的电化学蚀刻，直到所述孔(18)延伸进入所述第二金属层 (16)中平均深度，所述平均深度至少比所述第二金属层(16)的最终厚度深2 μ m。
12.如权利要求5至11中任一项所述的方法，其中，所述第二金属层(16)的所述初始 厚度比所述第一金属层的所述初始厚度超出5 15μπι，优选地超出8 12μπι。
13.如权利要求5至12中任一项所述的方法，其中，所述第一金属层和所述第二金属层 (14，16)的最终厚度相差小于2 μ m。
14.如权利要求5至13中任一项所述的方法，其中，所述第一金属层和所述第二金属层 (14，16)的平均最终厚度为4 μ m 7 μ m。
15.如权利要求5至14中任一项所述的方法，其中，制备板料(28)的步骤包括通过电 解工艺增加所述第二金属层(16)厚度的步骤。
16.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述第一金属层和所述第二金属层(14， 16)由铜制成。
17.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述绝缘片由聚合物材料制成，优选地由 聚酰亚胺制成。
18.如权利要求16和17所述的方法，其中，在所述铜层(14，16)与所述绝缘片(12)之 间设置铬层(30)。
19.如前述任一权利要求所述的方法，其中，光刻第一金属层孔形成步骤包括如下步骤在两个金属层(14，16)上设置光刻胶；将掩模置于对待形成的所述孔(18)的位置进行限定的所述第一金属层(14)的顶部上；在所述板料(28)的两侧上对所述光刻胶进行曝光和显影，使得整个第二金属层(16)被所述光刻胶覆盖，所述第一金属层除了待形成所述孔(18)的位置以外被所述光刻胶覆 盖；以及对所述第一金属层(14)中的所述孔(18)进行蚀刻。
20.如前述任一权利要求所述的方法，其中，通过在30°C 35°C下利用三氯化铁蚀刻 所述第一金属层。
21.如前述任一权利要求所述的方法，其中，进行所述绝缘片孔形成步骤，以使得所述 绝缘片(12)中的所述孔在与所述第一金属层(14)邻近的端部处的直径与所述孔在与所述 第二金属层(16)邻近的端部处的直径相差小于20%，优选地小于15%。
22.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述绝缘片孔形成步骤包括将所述板料 (28)浸入包括55% 65%的乙二胺、35% 45%的水和另外5 10g/l的KOH的浴中。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述绝缘片孔形成步骤在60°C 80°C的温度下 实现，优选地在65°C 75°C的温度下实现。
24.如前述任一权利要求所述的方法，其中，在所述绝缘片孔形成步骤中，通过在所述 蚀刻剂中产生气泡，尤其是产生氮气泡，从而搅动所述蚀刻剂。
25.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括通过光刻形成电极的步骤，用于将所 述第一金属层和所述第二金属层(14，16)连接至电压源。
26.如前述任一权利要求所述的方法，进一步包括在所述第二金属层孔形成步骤之后， 清洁所述GEM(IO)的步骤，所述清洁步骤适于不去除任何暴露的铬层。
27.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述孔(18)同时形成于大于0.lm2、特别 是大于0.5m2的区域(20)中。
28.如前述任一权利要求所述的方法，其中，所述孔具有20μ m 100 μ m、优选为50 70 μ m的直径，并且具有50 300 μ m、优选为100 200 μ m的间距。
全文摘要
本发明提供了一种制造气体电子倍增器的方法。该方法包括制备板料(28)的步骤，板料(28)包括绝缘片(12)，所述绝缘片(12)在其表面上具有第一金属层和第二金属层(14，16)；第一金属层孔形成步骤，通过光刻对所述第一金属层进行构图，以形成穿过第一金属层的孔(18)；绝缘片孔形成步骤，通过仅从所述第一表面侧蚀刻，使在第一金属层(14)中形成的孔(18)延伸穿过绝缘片(12)；以及第二金属层孔形成步骤，孔(18)延伸穿过第二金属层(16)。在一个实施方式中，通过电化学蚀刻实现第二金属层孔形成步骤，从而在对第二金属层(16)的蚀刻过程中保持第一金属层(14)不受影像。在另一实施方式中，在第二金属层孔形成步骤中，从外部蚀刻第一金属层和第二金属层(14，16)，从而减小第一金属层和第二金属层(14，16)的初始厚度，同时通过第一金属层(14)和绝缘片(12)中的孔(18)蚀刻第二金属层(16)，所述蚀刻被保持直到所述孔(18)延伸穿过所述第二金属层，其中，第一金属层和第二金属层(14，16)的初始平均厚度为6.5μm～25μm，优选地为7.5μm～12μm。
文档编号H01J43/06GK102007566SQ200880128609
公开日2011年4月6日 申请日期2008年4月14日 优先权日2008年4月14日
发明者瑞·德奥利维拉, 瑟知·度阿特品杜 申请人:欧洲原子能研究组织