原子層堆積によって処理された高感度で長寿命のマイクロチャネルプレート

はじめに

マイクロチャネルプレート（MCP）は、高ゲインのコンパクトな電子増倍管です[1,2,3]。これは、MCP-PMT、暗視装置、電子顕微鏡、X線フレーミングカメラなどの重要なコンポーネントです[4、5、6、7]。これは、イオン、電子、中性子、X線、UV線などの幅広い粒子および光子検出アプリケーションで使用されています[8、9、10、11]。マイクロチャネルプレートは、直径4〜25μm、長さ0.2〜1.2mmの数百万の超薄型導電性ガラス孔で構成される薄い2次元アレイです。 MPCには、バイアス角度、チャネル長とチャネル直径の比率、およびオープンエリア比率（有効エリア全体に対する合計オープンエリアの比率）の3つの主要な構造特性があります。一般に、バイアス角度は5〜15°の範囲です。チャネル長とチャネル直径の比率は約20：1から100：1であり、開口面積の比率は約60から80％です。従来のMCPはケイ酸鉛ガラスでできており、引き抜き、積み重ね、融着、スライス、エッチング、水素還元によって製造されます。水素還元化学処理後、導電層と二次電子放出（SEE）層が細孔内に生成されます。電子または放射線がチャネルに入ると、二次電子がSEE層から放出され、それらの電子は電圧 V によって発生する電界によって加速されます。 _D 導電層に適用されます。最後に、この方法でさらに二次電子が生成され、電子増幅が実現されました。従来のMCPは多くの分野で広く使用されていますが、いくつかの欠点があります[12]。第一に、高ノイズの化学エッチングは、細孔の内面のRaを増加させ、雑音指数を増加させ、光電子が増倍されるとS / Nが減少します。第二に、真空ベーキングと電子スクラビングは、MCP表面要素の変動をもたらし、抽出された電荷とMCPのゲインを減少させます。第三に、電気抵抗と二次電子放出特性を独立して調整することはできません。欠点の原因は異なり、従来のMCPの製造プロセスは複雑であるため、プロセスパラメータを調整してすべての欠点を同時に克服することは困難です。

原子層堆積（ALD）技術がますます多くの研究分野に適用されるにつれて[13、14、15、16、17]、一部の研究者は、従来のMCPの性能を最適化するためにチャネル内に堆積導電層とSEE層を提案しました[18、 19、20、21、22、23]。 ALDは、基板の表面を交互のガス種にさらすことによって基板上に膜を成長させる薄膜堆積技術です。 ALDは、原子レベルで可能な膜の厚さと組成を制御できる、非常に薄いコンフォーマルな膜を生成する大きな可能性を秘めた1つの堆積方法と見なされています[24、25]。

MCP後処理にALDテクノロジーを適用することには多くの利点があります。二酸化ケイ素（SiO ₂ ）は、従来のMCP [26]の主要な二次電子放出材料であり、二次電子収量（SEY）が低くなっています。チャネル壁に高SEE材料を堆積させると、MCPのゲインが向上する可能性があります。エッチングプロセスのため、従来のMCPの内部チャネル表面は、より高い表面粗さを維持し、多くのナノスケールの穴があります。ナノスケールの穴は、洗浄が難しいガスやその他の汚染物質を吸着します。加速されると、電子は吸収体に衝突し、吸収体は電場によってイオン化および加速されます。加速されたイオンはますます多くの吸収剤をイオン化し、MCPの余分な電子を消費します。 MCPの寿命は電荷の総量によって決まるため、吸収剤が存在すると寿命が短くなります。その間、高真空を確保するために電気洗浄プロセスが必要です。吸収剤が多いほど、より長い電気洗浄時間が必要になり、より多くの電荷が必要になり、MCPの寿命がさらに短くなります。内側のチャネル表面に数ナノメートルの高さのSEE材料を堆積させると、ナノスケールの穴の一部を埋めて表面粗さを改善し、寿命を延ばすことができます。

この論文では、Al ₂ O ₃ SEE材料は、側面の長さが15mmのMCPの細孔内でALD技術によって準備されたためです。形態、元素分布、ALD堆積酸化物薄膜の構造、およびALD-MCPの性能を体系的に調査しました。

実験方法と計算方法

実験装置の概略図を図1に示します。システムは金の陰極、MCP、PCBの陽極で構成され、2×10 ^-4 に排気された真空チャンバー内に配置されます。 Pa。すべての電極の電圧は、マルチチャネル高電圧電源によって供給され、高電圧フィードスルーによって真空チャンバーに供給されます。 PCBアノードとグランドの間にピコアンメータがあり、MCP出力電流を測定します。減衰水銀ランプは、MCP出力電流を測定するときに紫外線源として機能します。マイクロチャンネルプレートの寿命試験を加速するとき、減衰のない水銀ランプは紫外線光源として機能します。

実験セットアップの概略図

市販のホットウォール原子層堆積システムを使用して、MCP内部チャネル表面（図2に示す）とシリコン上にナノ酸化物薄膜を作成しました。シリコン上に堆積されたサンプルは、二次電子放出の収量を測定するために使用されます。研磨されたシリコン基板は、アセトン/エタノール/フッ化水素酸/ DI水で超音波洗浄され、堆積を待つALDチャンバーに入れられました。裸のMCP（厚さ=1.2 mm、細孔サイズ=24μm、アスペクト比=40、バイアス角度=10°）を200°Cに1時間加熱して、ナノ酸化物薄膜を成長させました。論文[27、28]によると、MCPでは平面基板よりも材料の厚さと組成を制御するのが困難です。 MCPの細孔内に可能な限り均一に分布するように厚さと組成を作るために2つのアプローチが採用されました。 1つは、ALDサイクルごとにプリカーサーを拡張することです（サンプルF）。もう1つは、ストップフローモデル（サンプルG）を使用するものです。このモデルでは、前駆体が数秒間ホットウォールチャンバーに入り、拡散してから、キャリアガスによってポンプで排出されてパージされます。

ALD-MCPの構造概略図

二次電子放出層の堆積の場合、Al ₂ O ₃ Alおよび酸化剤前駆体としてそれぞれTMAおよび脱イオン水を使用して実行されました。超高純度窒素をキャリアおよびパージガスとして使用しました。 Al ₂ O ₃ ALDは、別々のTMAとH ₂ を使用して実行されました。 シーケンスTMA / N ₂ によるO曝露 / H ₂ O / N ₂ （0.05 / 10 / 0.05 / 10秒）。側面の長さが15mmの正方形のMCPは、約4 nm（サンプルB）、6 nm（サンプルC）、8 nm（サンプルDおよびH）、10 nm（サンプルE）、および60 nm Al _{2でコーティングされています。} O ₃ （サンプルF）。サンプルGは、別々のTMAとH ₂ を使用して実行されました。 OシーケンスTMA / Stop / N ₂ による露出 / H ₂ O /停止/ N ₂ （0.05 / 3/20 / 0.05 / 3 / 20s）600期間。 1つの円形MCP（直径50mm）は2つの部分に分割されました。一方の部分をむき出しにし、もう一方の部分を2枚の半円形シリコンウェーハで覆って、半分がALD処理で半分が未処理のMCPを得ました。実験パラメータの詳細を表1に示します。MCPサンプルの表面を走査型電子顕微鏡（SEM）で調べました。フィルムの元素組成は、断面SEM法（EDS）によって測定された。 ALDの機能化後、電極として200 nmの銅層が、MCPの電気的特性評価と寿命試験のために、蒸発システムによってMCPの両側に準備されました。

結果と考察

図1に示すように、MCPゲインテストの原理を以下に示します。紫外線光子は金の陰極に到達し、光電効果によって光電子に変換されます。光電子は、カソードとMCPinの間の電圧によって加速され、一次電子エネルギーを取得します。次に、一次電子エネルギーを持つ光電子がMCPによって増幅され、電子雲がPCBアノードに出力されます。最後に、電子が地面に流れ、出力電流がピコアンメータによって測定されました。 MCPの出力電流は、異なる電極間のバイアス電圧によって順序付けられます。すべての電極の電圧を決定するために、サンプルAを組み立て、MCPinとMCPoutの間の電圧を固定値に設定しました。次に、カソードとアノードの電圧を変更して、最適な値を取得します。

MCPのバイアス電圧設定が1400Vの場合の光電子エネルギー（MCPinに入る前の一次電子エネルギー）の関数としてのMCPの出力電流を図3に示します。MCPの出力電流は、光電子のエネルギーが少ないほど直線的に増加します。 400 Vを超え、400eVを超えるエネルギーでプラトーに入ります。これは、二酸化ケイ素のSEYが低い入射電子エネルギーで特に低く、SEYが最大に近づくと、出力電流が安定するという事実に起因する可能性があります。

MCP出力電流の関数としてのカソードとMCPin間のバイアス電圧

図4は、Al ₂ のSEY曲線を示しています。 O ₃ およびSiO ₂ 。図では、Al ₂ のSEY O ₃ は電圧とともに増加し、400 Vで最大値3.6を取得します。この傾向は、図3とほぼ一致します。Al ₂ O ₃ SEY曲線では、SEY値は400eVより大きくなります。しかし、図3に示すように、バイアス電圧が400 Vを超えると、出力電流はまだ増加しています。これは、MCPのオープンエリア比によって説明できます。使用したMCPのオープンエリア率は約60％です。これは、光電子がMCPinに到達すると、それらの40％がチャネルに入ることができず、MCPの上面で反射されることを意味します。カソードとMCPinの間の電圧が上昇すると、電界によって40％の電子が再加速され、チャネルに再び入ります。

SiO2 ALD Al2O3の二次電子収量（SEY）

SEE層の均一性は、MCPイメージング検出器の均一性に影響を与える可能性があるため、SEE層の均一性はALD-MCPの特性評価の重要な要素です。図5は、前駆体モデルとストップフローモデルを拡張して処理された断面MCPサンプルのスペクトルと元素組成を示しています。 Al分布は、細孔内面に沿った5つの場所でのEDSによって特徴付けられます。 EDS測定誤差を減らすために、元素分布データは、サンプルFとサンプルGの2つの厚いサンプルで測定され、60nmのAl ₂ が堆積しました。 O ₃ 。図5a、bでは、コーティングされたMCPとコーティングされていないMCPの元素組成を測定して、Alの分布に対する基板の影響を除外しました。 Alの量は基板中の1％未満であり、最終的な実験結果に影響を与えるには少なすぎます。ストップフローモデルと拡張前駆体モデルによって堆積されたサンプルのAl分布を図5cに示します。異なる位置でのAl含有量は、前駆体モデルを拡張することによってサンプルが堆積した細孔内面に元素がより均一に分布していることを意味しました。これはまた、ALD技術が複雑な構造を持つ基板上に均質なナノ酸化物薄膜を堆積できることを意味します。ストップフローモデルによって堆積されたサンプルの元素分布は、悪い均一性を示しています。 MCPの上面と下面の原子パーセントは低く、チャネルの中央は原子パーセントが高くなっています。これはおそらく、表面の前駆体が容易にパージされて原子層堆積層が得られたためです。チャネルの真ん中で、前駆体は、原子層堆積の代わりにパージして蒸着を得るのが困難でした。

断面MCPサンプルのスペクトルおよび元素組成。 a ALDMCPのスペクトルと元素組成。 b コーティングされていないMCPのスペクトルと元素組成。 c ストップフローモデルと拡張プリカーサーモデルによって堆積されたサンプルのAl分布。

SEMによる厚さは、均一性を確認するためのより良いオプションかもしれません。したがって、MCP細孔の内面に堆積したSEE層の厚さをSEMで測定し、図6にまとめました。図6aに示すように、1つの細孔に沿った5つの異なる点の厚さをSEMで直接測定しました。異なる堆積モデルの厚さ曲線を図6cに示します。これは、基本的に図5cのAl分布と一致します。

MCPの断面SEM写真。 a ALD-MCPサンプルの断面SEM写真。 b 内部チャネルの表面のAl2O3層の断面SEM写真。 c SEMで測定されたさまざまな場所でのSEE層の厚さ

MCPの両側に銅電極を準備した後、システムによって測定された電気的特性を図1に示します。図7は、従来のMCPとコーティングされたALD-MCPの出力電流と画像を示しています。図7aは、Al ₂ のさまざまな厚さの関数としての出力電流を示しています。 O ₃ 。図7bでは、膜厚が6nmから10nmに増加すると、コーティングされた減算されていないMCPの出力電流が最初に大幅に増加し、その後安定します。 8nmおよび10nmのAl ₂ を含むALD-MCP O ₃ コーティングは、従来のMCPの5倍以上の出力電流を得ました。これは、8nmの厚さのAl ₂ O ₃ MCPアプリケーションに最適です。これは、図3からわかるようにSEY材料が高いALD-MCPが原因です。（a）に示すように、MCPの内部チャネル表面に4 nmコーティングした場合、出力電流はコーティングされていないものよりも低くなります。 MCP。これはおそらく、Al ₂ の厚さの場合、連続した材料がなく、多くの欠陥が存在するためです。 O ₃ 4nm未満です。電子の再結合は欠陥で発生し、二次電子の数を減らし、コーティングされていないMCPよりも出力電流を低くします。

従来のMCPとコーティングされたALD-MCPの出力電流と画像。 a MCP上のAl2O3のコーティングされた厚さが異なる出力電流と、半分コーティングされた8 nmAl2O3と半分コーティングされていないリン光スクリーンの写真。 b Al2O3の厚さの関数としてのコーティングされた減算されていないMCPの出力電流

8 nm Al ₂ を堆積した後 O ₃ サンプルHの半分には、サンプルHに堆積された4つの銅ストリップと、出力電子を収集するためのPCBアノードの代わりにリン光スクリーンがあります。図7bに示すように、ハーフコーティングされたMCPは、コーティングされていないMCPよりも明るい画像を示します。これは電気的特性と一致しています。

サンプルAとサンプルDは、寿命試験のために紫外線水銀ランプで継続的に照射されました。寿命試験を加速するために、減衰のない高出力紫外線水銀ランプを使用しました。 MCPは大きな出力電流で動作し、数日間飽和レベルに留まります。表2に示すように、低照度レベルでの暗電流と出力電流は、寿命試験の前後に測定されました。テスト前は、従来のMCPの暗電流は1.0 pA、ALD-MCPは1.2pAでした。 ALD-MCPのより高い暗電流は、MCPの基板が従来のMCPであり、ALD-MCPが高SEY材料でコーティングされていたためです。寿命テスト後、ALD-MCPの暗電流は、寿命テスト前に同様のパフォーマンスを示したものの、パフォーマンスが向上しました。表2によると、従来のMCPの出力電流は高出力照明後に約50％低下しましたが、ALD-MCPはより優れた動作を示し、出力電流は約6nAに保たれています。

結論

ナノ酸化物薄膜Al ₂ の形態、組成、構造 O ₃ 原子層堆積によって調製されたものが調査された。前駆体モデルとストップフローモデルを拡張することによって堆積されたチャネルの厚さの均一性が測定された。チャネルに沿ったさまざまな位置でのAl含有量と膜厚は、前駆体を伸ばすと、細孔径が24μmでアスペクト比が40のMCPの均一性が向上することを示しています。MCPテストシステムを評価し、カソード間のバイアス電圧を観察しました。また、MCP上面は出力電流に影響を与える可能性があります。電気的特性と寿命測定が研究されました。電気的測定結果は、膜厚が6nmから10nmに増加すると、出力電流が増加し、速度が低下することを示しました。また、8nm以上のAl ₂ でコーティングされたALD-MCP O ₃ 従来のMCPの約5倍の出力電流が得られ、寿命のパフォーマンスが向上します。

略語

ALD：

原子層堆積

ALD-MCP：

原子層堆積によって処理されたマイクロチャネルプレート

EDS：

エネルギー分散分光法

MCP：

マイクロチャンネルプレート

SEEレイヤー：

二次電子放出（SEE）層

SEM：

走査型電子顕微鏡

SEY：

二次電子収量