Оптимизированные Al₂O₃/MgO эмиссионные слои для ультра-высокого усиления электронных умножителей

Аннотация

Вторичная электронная эмиссия (SEE) является краеугольным камнем производительности электронных умножителей. SEE коэффициент сильно зависит от материала эмиссионного слоя и его толщины. Тонкие слои дают недостаточный SEE, в то время как чрезмерно толстые слои препятствуют своевременному пополнению заряда проводимым подслоем, ограничивая лавинное усиление. Al₂O₃ и MgO — наиболее распространенные эмиссионные пленки из-за их высокого внутреннего SEE. Однако MgO легко дельискверирует в Mg(OH)₂, Mg₂(OH)₂CO₃ и MgCO₃, что деградирует его SEE. Al₂O₃ химически стабилен, но предлагает более низкий внутренний SEE. Мы спроектировали сферическую тестовую систему, использующую низкоэнергетические вторичные электроны для зарядной нейтрализации, устраняя недостатки традиционных методов низкоэнергетических электронных пучков. Точно контролируя толщину пленки через атомно-слойное осаждение (ALD) и анализируя глубинно-зависимую C-концентрацию с XPS, мы вывели эмпирические соотношения SEE-против-толщины для Al₂O₃, MgO, Al₂O₃/MgO и MgO/Al₂O₃. Полученная архитектура эмиссионного слоя — 2–3 нм Al₂O₃ буфер, 5–9 нм MgO основное тело и 0,3–1 нм Al₂O₃ защитный или усиливающий слой — была интегрирована в микроканальные пластины (MCP) и продемонстрировала существенное улучшение усиления. Этот дизайн также применим к канальным электронным умножителям (CEM) и отдельным электронным умножителям (SEM).

Введение

Вторичная электронная эмиссия (SEE) определяется как отношение излученных вторичных электронов к падающим первичным электронам. Она подкрепляет широкий спектр технологий, от электронных умножителей (CEM, MCP, SEM, MPG, диэлектрические окна, атомные часы) до инструментов поверхностного анализа (TEM, SEM, AES, электронный дифрактометр) и подавления микроразрядов (митигация электронных облаков, надежность высокомощных микроволновых устройств, зарядка поверхностей космических аппаратов).

Электронные умножители состоят из подложки, проводимого подслоя и эмиссионного слоя. Падающие электроны ударяют в эмиссионный слой, освобождая вторичные электроны, которые ускоряются смещенным напряжением, инициализируя электронную лавину, которая кульминирует в макроскопическом электронном облаке. Проводящий слой непрерывно восполняет заряд, потерянный эмиссионным слоем во время этой лавины.

SEE коэффициент высоко чувствителен к толщине эмиссионного слоя. Эксперименты указывают, что толщина 5–15 нм оптимизирует усиление, балансируя достаточный SEE против эффективного пополнения заряда. Следовательно, детальное изучение как свойств материала, так и толщины необходимо для высокопроизводительных умножителей.

Al₂O₃ ценится за свой высокий SEE и химическую стабильность, в то время как MgO предлагает более высокий внутренний SEE. Недостатки MgO — дельискверирование, чрезмерная толщина пленки (~35 нм) для насыщенного SEE, нестабильность и более сложная фабрикация — ограничили его принятие. ALD позволяет осаждение непрерывных, бездырочных пленок с суб-нанометровым контролем толщины, делая его идеальным для построения точно спроектированных эмиссионных слоев.

Экспериментальные методы

Атомно-слойное осаждение Al₂O₃ и MgO

ALD осаждает материал по одному атомному слою за раз через чередующиеся импульсы предшественника и реагента. Для Al₂O₃ триметилалюминий (TMA) и вода импульсировали при 200 °C, следуя реакциям:

Al–OH* + Al(CH₃)₃ → Al–O–Al(CH₃)₂* + CH₄↑
Al–O–Al(CH₃)₂* + 2 H₂O → Al–O–Al(OH)₂* + 2 CH₄↑

Типичные длительности импульсов составляли 0,1–1 с для TMA, 5–45 с для H₂O. Осаждение MgO использовало бис(циклопентадиенил)магний (MgCp₂) и воду при 200 °C:

Mg–OH* + MgCp₂ → Mg–O–MgCp* + C₅H₆↑
Mg–O–MgCp* + H₂O → Mg–O–Mg(OH)₂* + C₅H₆↑

Времена импульсов совпадали с используемыми для Al₂O₃. Полученные пленки демонстрировали отличное покрытие и точность толщины.

Фабрикация эмиссионного слоя

Мы изготовили четыре серии образцов на Si вейферах: (1) Al₂O₃ 1–50 нм, (2) MgO 1–35 нм, (3) Al₂O₃ (0,6–30 нм) с последующими 9 нм MgO, и (4) 35 нм MgO с последующим Al₂O₃ (0,3–20 нм). Все пленки характеризовались XPS (Ar ионная травка) и XRD.

Измерение вторичной электронной эмиссии

Индивидуальная сферическая коллекторная система обеспечивала полный захват вторичных электронов. SEE коэффициент рассчитывался как SEE = Is / Ip, где Ip — первичный электронный ток (измеренный с подключенным образцом) и Is — вторичный электронный ток (измеренный после отключения образца). Низкоэнергетические вторичные электроны, а не вспомогательный электронный пучок, нейтрализовали поверхностный заряд, избегая доза-зависимых артефактов.

XPS анализ переходного слоя

Глубинно-разрешающий XPS количественно определил C, Al и Si атомные концентрации во время Ar спуттеринга, раскрывая глубину дельискверирования MgO и степень перемешивания Al₂O₃ на интерфейсах.

Результаты и обсуждение

SEE в зависимости от энергии падающих электронов

Мы определили ближайший-соседний коэффициент R_SEE = SEE(x + b) / SEE(x) для разделения энергетического диапазона на низкие, средние и высокие области. Al₂O₃ демонстрирует стабильный SEE для толщин 7–30 нм по среднему энергетическому диапазону (250–500 эВ). MgO достигает насыщенного SEE за пределами 20 нм, с похожей стабильностью среднего энергетического диапазона. Al₂O₃/MgO композиты поддерживают стабильный SEE после 3 нм Al₂O₃, в то время как MgO/Al₂O₃ требует 3 нм Al₂O₃ для стабилизации SEE. Эмпирические аппроксимации для каждой системы:

• Al₂O₃: B_SEE = 3,99 – 2,5 e^{–t/1,73}
• MgO: B_SEE = 9,56 – 8,64 e^{–t/7,39}
• Al₂O₃/MgO: B_SEE = 7,94 – 1,21 e^{–t/1,03}
• MgO/Al₂O₃: B_SEE = 4,69 + 3,64 e^{–t/2,11}

Эти отношения квантифицируют, как тонкие Al₂O₃ буферы и MgO основные слои усиливают SEE, в то время как ультратонкие Al₂O₃ шапки (0,3–1 нм) сохраняют стабильность и защищают от дельискверирования.

Эффект дельискверирования и переходных слоев

Воздушная экспозиция трансформирует MgO в Mg(OH)₂, Mg₂(OH)₂CO₃ и MgCO₃, резко снижая SEE. XPS глубинный профилирование показывает, что 1 нм слой Al₂O₃ может полностью заменить поверхностную решетку MgO, формирующий твердорастворительный переходный слой, который блокирует дальнейшее дельискверирование и сохраняет SEE. Когда покрытие Al₂O₃ падает ниже одного атомного слоя, C-сигнал сохраняется после травки, указывая на неполную защиту и продолжающееся дельискверирование.

Оптимизированная трехслойная эмиссионная структура

Комбинируя эмпирические данные и инсайты переходного слоя, мы предлагаем сэндвич-архитектуру: 2–3 нм Al₂O₃ буфер, 5–9 нм MgO основное тело и 0,3 нм Al₂O₃ усиливающий (или 1 нм защитный) сверху. Интеграция этого стека в каналы MCP увеличила усиление на >30% относительно конвенциональных Al₂O₃-только пластин, как показано в сравнении усиление-напряжение.

Заключение

Мы ввели сферическую SEE-измерительную систему, использующую низкоэнергетические вторичные электроны для зарядной нейтрализации, улучшая точность для изолирующих материалов. Анализируя ближайшие-соседские SEE соотношения, мы вывели эмпирические толщина-SEE отношения для Al₂O₃, MgO и их бислоев. Концепция переходного слоя объясняет усиленный SEE MgO при наложении тонкого Al₂O₃. Оптимизированная трехслойная Al₂O₃/MgO/Al₂O₃ эмиссионная структура доставляет высокий SEE, химическую стабильность и преимущества тонкой пленки, предлагая значительные приросты производительности для MCP, CEM и SEM.

Доступность данных и материалов

Авторы сохраняют данные для будущих исследований для поддержания конкурентного преимущества.