Оптимизация проводящих слоев AZO для производительности микроканальных пластин

Аннотация

Когда удельное сопротивление проводящего слоя AZO находится в пределах требований к сопротивлению MCP, интервал содержания Zn очень узок (70–73%) и труден для контроля. Нацеливаясь на характеристики проводящего слоя AZO на микроканальной пластине, разработан алгоритм для регулировки отношения проводящего материала ZnO и высокоомного материала Al₂O₃. Вводится понятие рабочего сопротивления MCP (т.е. сопротивление во время лавины электронов в микроканале). Рабочее сопротивление AZO-ALD-MCP (микроканальная пластина с атомно-слойным осаждением Al₂O₃/ZnO) впервые измерено системой тестирования сопротивления MCP. В сравнении с конвенциональной MCP обнаружено, что сопротивление AZO-ALD-MCP в рабочем и нерабочем состоянии сильно отличается, и по мере увеличения напряжения рабочее сопротивление значительно уменьшается. Поэтому предложен набор аналитических методов для проводящего слоя. Также предложено регулировать отношение проводящего материала проводящего слоя ALD-MCP к высокоомному материалу при условии рабочего сопротивления, и успешно приготовлена высокоядерная AZO-ALD-MCP. Этот дизайн открывает путь для поиска лучших материалов для проводящего слоя ALD-MCP для улучшения производительности MCP.

Введение

Микроканальная пластина (MCP) — электронный умножитель, составленный из двумерных массивов пор тонкими стеклянными пластинами формой интеграции, длиной 0,5–5 мм, диаметром 4–40 мкм и с углом смещения обычно 5°–13° к нормали поверхности пластины; отношение открытой площади пластины до 60%, а высокое отношение длины к диаметру в каждом поре составляет около 20:1 до 100:1 [1].

Как показано на рис. 1, падающие электроны, входящие в микроканал, сталкиваются со стенками, вызывая генерацию вторичных электронов на поверхности стенок микроканала. Множественные столкновения со стенками микроканала приводят к увеличению числа вторичных электронов, результатом чего становится лавина электронов внутри микроканала и испускание облака электронов из выхода микроканала. Вторичные электроны будут дальше ускорены вдоль микроканала смещающим напряжением. Коэффициент усиления MCP составляет 10³–10⁴ при рабочем напряжении 700–900 В [2–9].

Каждый микроканал является детектором и электронным умножителем. Имея миллионы микроканалов, работающих независимо, MCP обладает характеристиками высокого пространственного разрешения, высокого временного разрешения и широкого диапазона усиления, используемых для идентификации фотонов, электронов, нейтронов и ионов. MCP может интегрироваться в различные виды приборов, включая фотоэлектрические детекторы, фотоэлектронные умножители (PMT), ультрафиолетовые спектрометры, кинескопы, сканирующие электронные микроскопы, полевые эмиссионные дисплеи, анализаторы остаточного газа, медицинскую визуализацию, масc-спектрометрию времени полета, очки ночного видения и др. [1, 4, 7–9]. Водородное обжигание традиционного процесса делает микроканал подходящей проводимостью и коэффициентом вторичной электронной эмиссии.

Обычный процесс водородного обжига в приготовлении микроканала имеет много недостатков: во-первых, процесс водородного обжига не может независимо регулировать проводящий слой и эмиссионный слой [10, 11]; во-вторых, тяжелые металлы (Pb, Bi) приводят к экологическому загрязнению в процессе плавки свинцового стекла; в-третьих, большие площади MCP деформируются из-за высокой температуры [8]; в-четвертых, свинцовое стекло, используемое в водородной реакции восстановления, содержит K, Rb и другие радиоактивные элементы, вызывающие фоновый шум [8]; в-пятых, водород, остающийся в порах, ионизируется из-за смещающего напряжения и летит в противоположном направлении к электронам, разрушая катод прибора [8, 12].

Ранние ученые предложили решение — выращивать проводящий слой и эмиссионный слой на стенке микроканала для замены процесса водородного обжига [3]. Многие методы тонкопленочного осаждения не способны вырастить равномерную пленку в микроканале с высоким отношением длины к диаметру. Аргоннская национальная лаборатория предложила использовать атомно-слойное осаждение (ALD) для выращивания проводящего и эмиссионного слоев на MCP для достижения целой и равномерной пленки на стенках микроканала [4, 13]. Кроме того, ALD-MCP решает вышеупомянутые недостатки. Многие научные учреждения нацелены на поиск конкурентных материалов, которые могут улучшить производительность MCP.

Аргоннская национальная лаборатория выбирает материалы AZO для проводящего слоя ALD-MCP, учитывая требования к сопротивлению MCP. Если сопротивление слишком высокое, проводящий слой не может вовремя и непрерывно восполнять электроны эмиссионному слою, MCP будет иметь низкое усиление или даже не работать. С другой стороны, если сопротивление слишком низкое, MCP перегреется, в конечном итоге приводя к пробою [4, 9, 14, 15]. Следовательно, дизайн проводящего слоя имеет важное значение для ALD-MCP.

Как показано на рис. 2, когда удельное сопротивление проводящего слоя AZO находится в пределах требований к сопротивлению MCP, допустимое содержание Zn находится в очень узком диапазоне (70–73%) [16]. Следовательно, усиление MCP нестабильно, и MCP может легко пробоить. Альтернативные проводящие материалы, такие как W и Mo вместо Zn, изучали [3, 4, 17–19]. Химическая реакция WF₆ (MoF₆) и H₂O используется для выращивания W (Mo) методом ALD. Однако использование WF₆ или MoF₆ имеет два серьезных недостатка: они сильно коррозионны и содержат примеси, которые трудно удалить в производственном процессе. По этим причинам ALD-MCP с этими материалами дорогостоящ.

В нашем исследовании мы находим, что разумные дизайны с ZnO и Al₂O₃ могут быть реализованы для проводящего слоя MCP, без проблем, возникающих при использовании W или Mo, и более конкурентоспособны по цене. Здесь мы называем ALD-MCP с проводящим слоем AZO как AZO-ALD-MCP.

Предлагаем алгоритм для регулировки отношения проводящего материала ZnO и высокоомного материала Al₂O₃ для получения желаемых характеристик проводящего слоя AZO.

Вводим понятие рабочего сопротивления MCP (т.е. сопротивление во время лавины электронов в микроканале). Мы протестировали рабочее сопротивление AZO-ALD-MCP и обнаружили две разницы между AZO-ALD-MCP и конвенциональными MCP. Мы наблюдали, что рабочие и нерабочие сопротивления как AZO-ALD-MCP, так и конвенциональных MCP значительно различаются. Кроме того, сопротивление AZO-ALD-MCP отрицательно коррелирует с напряжением. Наше предложение (отсылка к рабочему сопротивлению) для регулировки отношения проводящего материала и высокоомного материала дает руководство, помогающее нам искать новые материалы для проводящего слоя ALD-MCP для улучшения производительности MCP в будущем.

Экспериментальные методы

Выращивание атомных пленок ZnO и Al₂O₃

Атомно-слойное осаждение (ALD) — технология, чередующая предшественники и реактивные газы на поверхности подложки для физической или химической адсорбции или поверхностной реакции насыщения с контролируемой скоростью. Материал осаждается на подложку в форме моноатомной пленки. ALD может производить непрерывную пленку без пористости, с отличным покрытием и может контролировать толщину и состав атомной пленки [1, 2, 4, 11, 13, 19, 20].

Ниже приведены уравнения химических реакций использования ALD для выращивания Al₂O₃:

А: Подложка-OH* + Al(CH₃)₃ → Подложка-O-Al(CH₃)₂* + CH₄↑
Б: Подложка-O-Al(CH₃)₂* + 2H₂O → Подложка-O-Al(OH)₂* + 2CH₄↑
В: Al-OH* + Al(CH₃)₃ → Al-O-Al(CH₃)₂* + CH₄↑
Г: Al-CH₃* + H₂O → Al-OH* + 2CH₄↑

Температура реакции 60–150 °C. Как показано на рис. 3, время и порядок выращивания слоя Al₂O₃ атома:

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

Ниже приведены уравнения химических реакций для использования ALD для выращивания ZnO:

Е: Подложка-OH* + Zn(CH₂CH₃)₂ → Подложка-O-ZnCH₂CH₃* + CH₃CH₃↑
Ж: Подложка-O-ZnCH₂CH₃* + H₂O → Подложка-O-ZnOH* + CH₃CH₃↑
З: Zn-OH* + Zn(CH₂CH₃)₂ → Zn-O-ZnCH₂CH₃* + CH₃CH₃↑
И: Zn-CH₂CH₃* + H₂O → Zn-OH* + CH₃CH₃↑

Температура реакции 60–150 °C. Как показано на рис. 3, время и порядок выращивания слоя ZnO атома:

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

Дизайн проводящего слоя AZO

Толщина AZO обычно варьирует от 300 до 1000 атомных слоев. Определяем новое математическое операционное правило для проектирования порядка атомных слоев Al₂O₃ и ZnO для регулировки отношения проводящего материала ZnO и высокоомного материала Al₂O₃.

WYM операция имеет два свойства и формулу.

WYM свойство 1: [математические формулы]

WYM свойство 2: [математические формулы]

WYM формула: [математические формулы]

Примечание: строчные буквы представляют вещественные числа, заглавные — целые. В примерах 1 и 2 показано выполнение операции.

Пример 1

Операция интерпретируется как наличие двух схем: (4 ZnO / 1 Al₂O₃) и (5 ZnO / 1 Al₂O₃). Для первой схемы выращивают 4 раза атомный слой ZnO и один атомный слой Al₂O₃. Для второй — 5 раз ZnO и один Al₂O₃. Если повторить эти две схемы дважды, получим структуру как на рис. 4.

Более сложное использование правил операций показано в Примере 2.

План 1: [математическое выражение]

План 2: [математическое выражение]

В Примере 2 операция в Плане 1 интерпретируется так:

Схема 1: ALD выращивает 4 раза процесс роста атомного слоя ZnO и один процесс роста атомного слоя Al₂O₃; ALD выращивает 5 раз процесс роста атомного слоя ZnO и один процесс роста атомного слоя Al₂O₃, и повторяет дважды.

Схема 2: ALD выращивает 4 раза ZnO и один Al₂O₃; 5 раз ZnO и один Al₂O₃, повторяет трижды.

Повторять схему 1 — 12 раз, схему 2 — 13 раз.

Интерпретация операции в Плане 2 аналогична Плану 1.

Тестирование сопротивления микроканальной пластины

Как показано на рис. 5a, используем технологию атомно-слойного осаждения для выращивания проводящего слоя AZO и эмиссионного слоя Al₂O₃ на стенках микроканалов двумерных массивов пор. Затем используем технологию термического испарения для выращивания электродного слоя Ni-Cr на обеих сторонах MCP [2, 4] и надеваем электродные кольца на обе стороны MCP. Подготовив вышеуказанное, непосредственно тестируем сопротивление ALD-MCP. В этом условии соответствующее сопротивление MCP определяем как нерабочее сопротивление MCP. Используем электрометр Keithley модель 6517B для измерения нерабочего сопротивления MCP в вакууме 10⁻³–10⁻⁵ Па [1, 4, 13].

Как показано на рис. 5c, используем электронную пушку как катод и люминофорный экран как анод. Электронная пушка обеспечивает падающие электроны MCP, а люминофорный экран принимает электроны, выходящие из MCP. Кроме того, когда MCP в работе, высоковольтный люминофорный экран испускает зеленый свет для детектирования однородности MCP [1, 21].

Как показано на рис. 1, используем электронную пушку, обеспечивающую 100 пА как вход MCP для измерения тока. Из-за увеличивающегося числа вторичных электронов будет условие, когда эмиссионный слой теряет большое количество зарядов, и проводящий слой непрерывно обеспечивает поток зарядов эмиссионному слою. В этом условии соответствующее сопротивление MCP определяем как рабочее сопротивление MCP. Вакуумная среда рабочего сопротивления 10⁻³–10⁻⁵ Па.

Результаты и обсуждение

Поперечное SEM изображение образца AZO-ALD-MCP показано на рис. 6. Мы спроектировали серию проводящих слоев AZO, как показано в Таблице 1, и их соответствующие рабочие и нерабочие сопротивления на рис. 7. На том же рисунке показаны рабочие и нерабочие сопротивления конвенциональной MCP. В сравнении с нерабочим сопротивлением AZO-ALD-MCP, рабочее сопротивление AZO-ALD-MCP значительно снижено. Однако нет значительной разницы между рабочим и нерабочим сопротивлением конвенциональной MCP. По мере увеличения напряжения рабочее сопротивление AZO-ALD-MCP становится значительно ниже, чем у конвенциональной MCP. При одинаковом условии напряжения рабочее и нерабочее сопротивления AZO-ALD-MCP стабильны. Мы считаем, что есть две основные причины для вышеуказанных характеристик.

Согласно формуле [21], R_MCP = R₀ exp[-β_T (T_MCP - T₀)], по сравнению со свинцовым стеклом, AZO — материал с более высоким отрицательным температурным коэффициентом (NTC), поэтому сопротивление будет ниже при той же температуре и начальном сопротивлении. В процессе генерации усиления AZO бомбардируется падающими электронами при высоком напряжении, тем самым генерируя больше электронно-дырочных пар, результатом чего является увеличение тока.

Определяем отношение нерабочего сопротивления к рабочему сопротивлению для описания стабильности материального сопротивления: κ_R = R_n / R_w.

Рис. 8 показывает, что κ_R AZO-ALD-MCP составляет ~10²–10³ раз, а κ_R конвенциональной MCP ~2–3 раза. Это показывает, что изменение сопротивления AZO-ALD-MCP более очевидно; поэтому старое понятие нерабочего сопротивления как определения для сопротивления MCP должно быть заменено рабочим сопротивлением.

Рис. 9 показывает отношение L_R сопротивления от «соседних» материалов дизайна относительно рабочего напряжения. Отношение L_R определено как: [формула]. Как видно из рис. 9, значение L_R варьируется от 2 до 4,5 для регулировки отношения проводящего материала ZnO и высокоомного материала Al₂O₃. И это доказывает выполнимость WYM операции для проектирования слоистых материалов.

Рис. 10 показывает рабочее сопротивление относительно процента циклов ZnO (%ZnO), где %ZnO определено как: %ZnO = ZnO/(ZnO + Al₂O₃)*100%. При различных условиях напряжения от 100 до 1000 В. Рабочее сопротивление при одинаковом напряжении уменьшается с увеличением процента циклов ZnO. Можно сказать, что рабочее сопротивление при разных процентах циклов ZnO и под разными условиями напряжения. Следовательно, AZO-ALD-MCP разных формулировок работает под своим специфическим напряжением для выполнения индекса сопротивления MCP.

Определяем отношение разницы сопротивления под разными условиями напряжения к разнице напряжения для описания влияния напряжения на сопротивление MCP: r = |(R_U - R_V)/(U - V)| = |(R_1000V - R_100V)/(1000 - 100)|.

Рис. 11 показывает, что влияние напряжения на сопротивление AZO-ALD-MCP уменьшается и постепенно стабилизируется с увеличением процента циклов ZnO. Следовательно, приготовление AZO-ALD-MCP должно стараться выбирать формулировку с большим процентом циклов ZnO.

Основываясь на вышеуказанном анализе, мы выдвинули отсылку к рабочему сопротивлению для проводящего слоя ALD-MCP. Как показано на рис. 5a, мы проектируем проводящий слой AZO AZO-MCP используя WYM операцию и регулировку температуры на основе рабочего сопротивления. Мы используем технологию атомно-слойного осаждения для выращивания эмиссионного слоя Al₂O₃ на стенке микроканала двумерных массивов пор [3, 11, 22]. На рис. 12a усиление нашего AZO-ALD-MCP сравнивается с конвенциональной MCP под разными напряжениями. Как видно, наш метод приготовления AZO-ALD-MCP обеспечивает большее усиление, чем конвенциональная MCP. Рис. 12b показывает люминофорный экран с равномерным зеленым светом под высоким давлением, тем самым доказывая однородность материала, осажденного на стенке каждого микроканала и однородность поля зрения AZO-ALD-MCP.

Заключение

Мы определили рабочее и нерабочее сопротивление микроканальной пластины. Нацеливаясь на требуемое удельное сопротивление микроканальной пластины в регионе с чрезвычайно узким требованием к содержанию цинка (70–73%), предложен алгоритм для выращивания проводящего слоя AZO. В сравнении с конвенциональной MCP мы обнаружили большую разницу между рабочим и нерабочим сопротивлением, а также огромную разницу под разными напряжениями. Поэтому мы анализируем данные, определяя κ_R, L_R, %ZnO, r. MCP должна стараться выбирать формулировку с большим процентом циклов ZnO. Рекомендуем использовать рабочее сопротивление как индикатор сопротивления ALD-MCP в промышленном производстве. Строя на наших результатах, описанных в этой работе, наши исследования помогут найти еще лучшие материалы как проводящий слой для ALD-MCP.