Микроканальный планшет с высокой чувствительностью и длительным сроком службы, обработанный методом осаждения атомного слоя

Введение

Микроканальная пластина (MCP) - это компактный электронный умножитель с высоким коэффициентом усиления [1,2,3]. Это ключевой компонент MCP-PMT, приборов ночного видения, электронной микроскопии, рентгеновской камеры кадрирования и так далее [4,5,6,7]. Он использовался в более широком диапазоне приложений обнаружения частиц и фотонов, таких как ионы, электроны, нейтроны, рентгеновские лучи и УФ-лучи [8,9,10,11]. Микроканальная пластина представляет собой тонкий двумерный массив, состоящий из нескольких миллионов ультратонких проводящих стеклянных пор диаметром от 4 до 25 мкм и длиной от 0,2 до 1,2 мм. MPC имеет три основные структурные характеристики:угол смещения, отношение длины канала к диаметру канала и коэффициент открытой площади (отношение общей открытой площади ко всей эффективной площади). В общем, угол смещения колеблется от 5 до 15 °. Отношение длины канала к диаметру канала составляет примерно от 20:1 до 100:1, а отношение открытой площади примерно от 60 до 80%. Традиционный МКП изготавливается из свинцово-силикатного стекла путем вытяжки, укладки, сплавления, резки, травления и восстановления водородом. После химической обработки восстановления водородом в поре образуются проводящий слой и слой вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ). Когда электрон или излучение попадает в канал, вторичные электроны испускаются из слоя ИРИ, и эти электроны ускоряются электрическим полем, создаваемым напряжением V _D наносится на проводящий слой. Наконец, таким образом были произведены дополнительные вторичные электроны и было реализовано электронное усиление. Хотя традиционные MCP широко используются во многих областях, у них есть несколько недостатков [12]. Во-первых, химическое травление с высоким уровнем шума увеличивает Ra на внутренней поверхности поры, коэффициент шума увеличивается, а отношение сигнал / шум уменьшается при умножении фотоэлектронов. Во-вторых, вакуумная запекание и электронная очистка приводят к изменению поверхностных элементов МКП и уменьшению извлекаемого заряда и усиления МКП. В-третьих, электрическое сопротивление и свойства вторичной электронной эмиссии нельзя регулировать независимо. Поскольку причины недостатков различны, а процесс производства традиционных МКП сложен, трудно одновременно преодолеть все недостатки, регулируя параметры процесса.

Поскольку технология осаждения атомного слоя (ALD) применяется во все большей и большей области исследований [13,14,15,16,17], некоторые исследователи предложили осажденный проводящий слой и слой SEE внутри каналов для оптимизации производительности традиционных MCP [18, 19,20,21,22,23]. ALD - это метод осаждения тонких пленок, при котором пленка выращивается на подложке, подвергая ее поверхность воздействию альтернативных газообразных веществ. ALD рассматривается как один из методов осаждения с большим потенциалом для получения очень тонких конформных пленок с возможностью контроля толщины и состава пленок на атомном уровне [24, 25].

Применение технологии ALD в постобработке MCP дает множество преимуществ. Диоксид кремния (SiO ₂ ) является основным материалом вторичной электронной эмиссии в традиционных МКП [26] и имеет низкий выход вторичных электронов (SEY). Если бы мы нанесли на стенку канала материал с высоким УЭЭ, можно было бы улучшить усиление МКП. Из-за процесса травления внутренние поверхности каналов традиционных МКП остаются более шероховатыми и имеют множество отверстий нанометрового размера. Отверстия в наномасштабе адсорбируют газы и другие загрязнители, которые трудно очистить. При ускорении электроны попадают в поглотители, которые ионизируются и ускоряются электрическим полем. Ускоренные ионы ионизируют все больше и больше поглотителей и потребляют лишние электроны МКП. Поскольку срок службы MCP определяется общим количеством электрического заряда, наличие абсорбентов приводит к более короткому сроку службы. Между тем, электрическая стирка необходима для обеспечения высокого вакуума. Чем больше абсорбентов, тем дольше требуется электрическая стирка, и они требуют больше электрического заряда, что еще больше сокращает срок службы MCP. Если мы нанесем на внутреннюю поверхность канала материал SEE высотой несколько нанометров, части наноразмерных отверстий можно будет заполнить, чтобы улучшить шероховатость поверхности, а затем продлить срок службы.

В этой статье Al ₂ О ₃ в качестве материала ГЭЭ был приготовлен методом ALD в порах МКП со стороной 15 мм. Систематически исследовались морфология, распределение элементов, структура тонкой оксидной пленки, осажденной методом ALD, и характеристики ALD-MCP.

Экспериментальные и расчетные методы

Схема экспериментальной установки представлена ​​на рис. 1. Система состоит из золотого катода, МКП и анода для печатной платы и помещена в вакуумную камеру, откачанную до 2 × 10 ⁻⁴ Па. Напряжение на все электроды подается от многоканального высоковольтного источника питания и подается в вакуумную камеру через высоковольтные вводы. Между анодом печатной платы и землей установлен пикоамперметр для измерения выходного тока МКП. Ослабленная ртутная лампа действует как источник ультрафиолетового света, когда мы измеряем выходной ток МКП. Ртутная лампа без затухания служит источником ультрафиолетового света при ускорении срока службы микроканальной пластины.

Схема установки эксперимента

Для приготовления тонких пленок нанооксидов на поверхности внутреннего канала МКП (как показано на рис. 2) и кремния использовалась коммерческая система нанесения атомного слоя на горячие стенки. Образцы, нанесенные на кремний, используются для измерения выхода вторичной эмиссии. Полированные кремниевые подложки очищали ультразвуком в смеси ацетон / этанол / фтористоводородная кислота / деионизированная вода, а затем помещали в камеру ALD для ожидания осаждения. Голые МКП (толщина =1,2 мм, размер пор =24 мкм, аспектное отношение =40, угол смещения =10 °) нагревали до 200 ° C в течение 1 ч для выращивания тонких пленок нанооксидов. Согласно работам [27, 28], контролировать толщину и состав материалов на МКП сложнее, чем на плоской подложке. Были приняты два подхода, чтобы сделать толщину и состав максимально равномерно распределенными в порах МКП. Один из них - расширение прекурсоров для каждого цикла ALD (образец F). Во втором случае используется модель остановленного потока (образец G), в которой импульс прекурсоров входит и диффундирует в камеру с горячей стенкой в ​​течение нескольких секунд, а затем откачивается и продувается газом-носителем.

Структурная принципиальная схема ALD-MCP

Для нанесения второго слоя вторичной электронной эмиссии Al ₂ О ₃ был выполнен с использованием ТМА и деионизированной воды в качестве предшественника Al и окислителя соответственно. В качестве газа-носителя и продувочного газа использовался азот сверхвысокой чистоты. Аль ₂ О ₃ ALD выполнялся с использованием отдельных TMA и H ₂ O экспонирование с последовательностью TMA / N ₂ / H ₂ O / N ₂ (0,05 / 10 / 0,05 / 10 с). Квадратный МКП с длиной стороны 15 мм покрыл приблизительно 4 нм (образец B), 6 нм (образец C), 8 нм (образцы D и H), 10 нм (образец E) и 60 нм Al _2. О ₃ (образец F). Образец G был выполнен с использованием отдельных ТМА и H ₂ O экспонирование с последовательностью TMA / Stop / N ₂ / H ₂ O / Stop / N ₂ (0,05 / 3/20 / 0,05 / 3/20 с) на 600 периодов. Один круглый МКП (диаметром 50 мм) был разделен на две части; одна часть была оголена, а другая часть была покрыта двумя кусками полукруглой кремниевой пластины, чтобы получить МКП, который наполовину был обработан методом ALD, а наполовину не обработан. Детали экспериментальных параметров перечислены в таблице 1. Поверхности образцов MCP были исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM). Элементный состав пленки измеряли методом поперечного сечения SEM (EDS). После функционализации ALD медный слой с 200 нм в качестве электродов был подготовлен с обеих сторон MCP с помощью системы испарения для определения электрических характеристик MCP и испытания срока службы.

Результаты и обсуждение

Как показано на рис. 1, ниже показан принцип проверки усиления MCP. Ультрафиолетовый фотон попадает на золотой катод и с помощью фотоэффекта превращается в фотоэлектрон. Фотоэлектрон ускоряется напряжением между катодом и MCPin и получает энергию первичных электронов. Затем фотоэлектрон с энергией первичных электронов, усиленной МКП, выводит электронные облака на анод печатной платы. Наконец, электроны текут на землю, и выходной ток измеряется пикоамперметром. Выходной ток MCP определяется напряжениями смещения между разными электродами. Чтобы определить напряжения для каждого электрода, был собран образец A, и напряжение между MCPin и MCPout было установлено на фиксированное значение; затем измените напряжения катода и анода, чтобы получить оптимальное значение.

Выходной ток MCP как функция энергии фотоэлектрона (первичная энергия электронов до входа в MCPin) показан на рис. 3, когда значение напряжения смещения для MCP равно 1400 В. Выходной ток MCP приблизительно увеличивается линейно по мере уменьшения энергии фотоэлектрона. более 400 В и выходит на плато при энергии более 400 эВ. Это можно объяснить тем фактом, что SEY диоксида кремния особенно низок при более низкой энергии падающих электронов, и как только SEY приближается к максимуму, выходной ток становится стабильным.

Напряжение смещения между катодом и MCPin в зависимости от выходного тока MCP

На рисунке 4 показана SEY-кривая Al ₂ . О ₃ и SiO ₂ . На рисунке SEY Al ₂ О ₃ растет с увеличением напряжения и достигает наибольшего значения 3,6 при 400 В, и эта тенденция приблизительно соответствует рис. 3. В Al ₂ О ₃ Кривая SEY, значение SEY опускается более чем на 400 эВ. Но, как показано на рис. 3, выходной ток все еще увеличивается, когда напряжение смещения превышает 400 В. Это можно объяснить отношением открытой площади MCP. Используемая нами MCP имеет коэффициент открытой площади около 60%; это означает, что когда фотоэлектроны прибывают в MCPin, 40% из них не могут войти в каналы и будут отражаться от верхней поверхности MCPin. Когда напряжение между катодом и MCPin увеличивается, электрическое поле повторно ускоряет 40% электронов и снова входит в канал.

Выход вторичных электронов (SEY) SiO2 ALD Al2O3

Поскольку однородность слоя SEE может повлиять на однородность детектора изображения MCP, поэтому однородность слоя SEE является ключевым фактором для определения характеристик ALD-MCP. На рис. 5 показаны спектры и элементный состав образцов поперечного сечения МКП, обработанных с помощью расширенной модели прекурсора и модели остановленного потока. Распределение Al характеризуется EDS в пяти местах вдоль внутренней поверхности поры. Чтобы уменьшить ошибку измерения EDS, данные распределения элементов были измерены на двух более толстых образцах, образце F и образце G, на которые нанесен 60 нм Al ₂ О ₃ . На рис. 5а, б измерен элементарный состав МКП с покрытием и без покрытия, чтобы исключить влияние подложки на распределение Al. Количество Al в подложке меньше 1% и слишком мало, чтобы повлиять на окончательные результаты эксперимента. Распределение Al в образцах, осажденных по модели остановленного потока и расширяющейся модели прекурсора, показано на рис. 5c. Содержание Al в разных местах означало, что элементы более равномерно распределены на внутренней поверхности поры, образец которой нанесен с помощью расширяющейся модели предшественников. Это также означает, что технология ALD позволяет наносить однородную тонкую пленку из нанооксида на подложки со сложной структурой. Распределение элементов в образце, осажденном по модели остановки потока, демонстрирует плохую однородность. Верхняя и нижняя поверхности MCP имеют низкий атомный процент, в то время как середина канала имеет высокий атомный процент. Вероятно, это связано с тем, что прекурсоры на поверхности легко очистить и получить слой атомного осаждения. В середине канала прекурсоры было трудно очистить и получить осаждение из паровой фазы вместо атомного осаждения.

Спектры и элементный состав поперечных образцов МКП. а Спектры и элементный состав ALD MCP. б Спектры и элементный состав МКП без покрытия. c Распределение Al образцов, нанесенных с помощью модели остановки потока и расширяющейся модели прекурсора.

Толщина с помощью SEM может быть лучшим вариантом для подтверждения однородности. Таким образом, толщина слоев SEE, нанесенных на внутреннюю поверхность пор MCP, была измерена с помощью SEM и суммирована на рис. 6. Толщина пяти различных точек вдоль одной поры, как показано на рис. 6a, была непосредственно измерена с помощью SEM. Кривые толщины для различных моделей осаждения показаны на рис. 6c, что в основном совпадает с распределением Al, как на рис. 5c.

Поперечные СЭМ-изображения МКП. а Поперечные СЭМ-изображения образцов ALD-MCP. б СЭМ-снимки поперечного сечения слоя Al2O3 на поверхности внутреннего канала. c Толщина слоя SEE в разных местах, измеренная с помощью SEM

После изготовления медных электродов на обеих сторонах MCP электрические характеристики, измеренные системой, показаны на рис. 1. На рисунке 7 показан выходной ток и изображение традиционного MCP и ALD-MCP с покрытием. На рисунке 7а показан выходной ток как функция различной толщины Al ₂ . О ₃ . На рис. 7b, когда толщина пленки увеличивается с 6 до 10 нм, выходной ток МКП с вычитанием и без покрытия сначала значительно возрастает, а затем остается стабильным. ALD-MCP с 8-нм и 10-нм Al ₂ О ₃ Покрытие получило выходной ток более чем в пять раз по сравнению с обычными МКП. Это означает, что Al ₂ толщиной 8 нм О ₃ оптимален для применения MCP. Это вызвано тем, что ALD-MCP имеет материал с более высоким SEY, что видно на рис. 3. Как показано на (а), при нанесении покрытия 4 нм на поверхность внутреннего канала MCP выходной ток ниже, чем у непокрытого материала. МКП. Вероятно, это потому, что нет сплошного материала и существует множество дефектов, когда толщина Al ₂ О ₃ ниже 4 нм. Рекомбинация электронов происходит в дефектах, чтобы уменьшить количество вторичных электронов и привести к более низкому выходному току, чем у МКП без покрытия.

Выходной ток и изображение традиционных MCP и ALD-MCP с покрытием. а Выходной ток разной толщины покрытия из Al2O3 на МКП и фотография люминофорного экрана, освещенного наполовину покрытым 8-нм Al2O3 и наполовину без покрытия. б Выходной ток МКП с покрытием за вычетом непокрытого МКП в зависимости от толщины Al2O3

После нанесения 8-нм Al ₂ О ₃ на половине образца H четыре медных полоски нанесены на образец H и люминофорный экран вместо анода печатной платы для сбора выходных электронов. Как показано на рис. 7b, МКП с половинным покрытием имеет более яркое изображение, чем МКП без покрытия. Это согласуется с электрическими характеристиками.

Образец A и образец D непрерывно освещали ультрафиолетовой ртутной лампой в течение всего срока службы. Для ускорения ресурсных испытаний использовалась ртутная ультрафиолетовая лампа высокой мощности без затухания. МКП работали с большими выходными токами и оставались на уровне насыщения в течение нескольких дней. Как показано в таблице 2, темновой ток и выходной ток при низком уровне освещенности были измерены до и после испытания на срок службы. Перед тестированием темновой ток традиционных MCP составлял 1,0 пА, а ALD-MCP - 1,2 пА. Более высокий темновой ток ALD-MCP объясняется тем, что подложки MCP были традиционными MCP, а ALD-MCP был покрыт материалом с высоким SEY. После испытаний на срок службы, темновой ток ALD-MCP работает лучше, в то время как они показали аналогичную производительность до испытаний на срок службы. Согласно Таблице 2, выходной ток традиционных MCP упал примерно на 50% после мощного освещения, в то время как ALD-MCP показывает лучшее поведение, а выходной ток держится на уровне около 6 нА.

Выводы

Морфология, состав и структура тонких пленок нанооксида Al ₂ О ₃ полученные методом атомно-слоистого осаждения. Были измерены однородности толщины в канале, нанесенном с помощью расширяющейся модели прекурсора и модели остановки потока. Содержание Al и толщина пленки в разных местах вдоль каналов означают, что расширяющийся прекурсор может получить лучшую однородность для MCP с размером пор 24 мкм и соотношением сторон 40. Мы оценили систему тестирования MCP и обнаружили, что напряжения смещения между катодом и верхняя поверхность MCP могут влиять на выходной ток. Были изучены электрические свойства и время жизни. Результаты электрических измерений показали, что при увеличении толщины пленки от 6 до 10 нм выходной ток увеличивается, а скорость уменьшается. И ALD-MCP, покрытые более 8 нм Al ₂ О ₃ имеют выходной ток примерно в пять раз больше, чем традиционные MCP, и имеют лучшую производительность в течение всего срока службы.

Сокращения

ALD:

Осаждение атомного слоя

ALD-MCP:

Микроканальная пластина, обработанная методом атомно-слоистого осаждения

EDS:

Энергодисперсная спектроскопия

MCP:

Микроканальная пластина

СЛОЙ ПОСМОТРЕТЬ:

Слой вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ)

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

SEY:

Выход вторичных электронов