CN105448638B - 一种微通道型入射窗及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种微通道型入射窗及其制作方法。该微通道型入射窗包括入射窗基体，入射窗基体为蜂窝式结构，蜂窝式结构包括多个通孔，通孔采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺形成或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺形成；入射窗基体表面以及多个通孔内均沉积有光电阴极层。具体实现方法是首先清洗入射窗基体，再次在入射窗基体上刻蚀蜂窝式结构、二次清洗刻蚀过蜂窝结构的入射窗基体，最后在入射窗基体表面以及蜂窝式结构上制备光电阴极层。该入射窗的优点是将传统的光电阴极制备与微通道板电子倍增技术结合，实现了直接通过微通道型光电阴极技术进行光电转换及电子倍增的功能，简化了光电探测器件的结构，降低了器件的成本，同时也大大提高了光电阴极量子效率。
Description
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，尤其涉及一种微通道型入射窗及其制作方法。
背景技术
光电阴极是光电倍增管、条纹相机以及像增强器等光电探测与成像器件的核心，其作用是将入射的微弱光信号通过阴极材料本身的光电效应转换为可被探测的电信号。为了测量微弱光信号，通常的光电探测器将光电阴极与电子倍增器相结合，将电信号进行倍增放大。
传统的电子倍增方式主要有两种，一种是打拿极结构；中国专利，专利公开号为CN101924007B，名称为一种光电倍增管，披露该技术，该技术的具体方案是：表面镀有二次电子发射材料，当从光电阴极发出的光电子轰击这些打拿极后，光电子数目会级联倍增，达到放大光电子信号的目的，增益一般可达107，这种电子倍增器尤其在光电倍增管中广泛应用。
另一种电子倍增器为微通道板，其原理与打拿极电子倍增器原理近似，但具有更简单的结构；中国专利，专利公开号为CN100479086C，名称为一种宽时间分辨率的双微通道板分幅变像管，该专利披露的技术具体是：微通道板是由上百万个微孔结构组成，每个微孔都具有二次电子倍增的功能，增益一般也可达107，这种电子倍增器正在越来越多地被光电倍增管、像增强器等真空光电器件采用。
打拿极结构体积大，且需要对每个分立电极施加不同的电压，微通道结构结构紧凑，增益高，但是由于通道内二次电子发射材料的发射系数低，导致通道长度长，为获得高增益需在通道板上施加上千伏的电压。在上述两种电子倍增结构中，光电阴极与电子倍增器是分离的，导致光电器件的结构通常非常复杂，制备极其困难，因此器件的性能欠佳，产品价格昂贵，且产品的成品率得不到保证。
另外，光电阴极光电子发射的微观过程可用“三步模型”解释：第一步，光电阴极吸收入射光子而产生光电子并到达导带；第二步，具有较大动能的光电子在扩散作用下向光电阴极表面输运；第三步，如果光电子仍然具有较大的动能，则可溢出光电阴极表面到达真空。量子效率是衡量光电阴极最主要的指标，可用表达式QE＝P1P2P3表示，其中QE为量子效率，P1为入射光子被光电阴极吸收的几率，P2为入射光子转换为光电子并到达光电阴极表面的几率，P3为光电子逃逸出光电阴极表面到达真空的几率。理论计算表明，在波长为400nm入射光的情况下，入射光中约有40％可被光电阴极吸收，30％被光电阴极基底反射，30％穿透光电阴极基底与光电阴极而透射出去。而被吸收的入射光中约有50％会产生光电子并溢出光电阴极表面，因此，传统光电阴极的量子效率一般为20％左右。
目前，提高光电阴极量子效率的方法主要有两种：一种是优化光电阴极的制备工艺，该工艺通过控制阴极的厚度使得阴极可吸收最多的入射光子并转换为光电子逸出阴极表面，或者通过改变制备过程中的工艺参数生成具有最佳化学组分、晶格结构以及表面形貌的光电阴极，提高电子到达阴极表面的输运能(MOPFI081,Proceedings of IPAC2013)；中国专利，专利号为：CN103715033A和美国专利，专利号为US20100096985A1，披露了另一种方法，该方法是在基底表面首先形成一层氧化物增透膜层，该膜层可极大地提高阴极对入射光的吸收效率从而使阴极的量子效率增加。
接近半个世纪的实验表明通过改变光电阴极制备工艺来提高量子效率的努力收效甚微；增透膜层的引入尽管能有效提高光量子效率。但仍然存在以下问题：
由于对光电阴极的发射理论还没有明确的认识，光电阴极材料的物理参数如介电常数、折射率等没有统一的数据参考，因此很难选取合适的增透膜材料；
光电阴极的厚度对量子效率的影响很大，尤其是透射式光电阴极，需要增透膜层的厚度与光电阴极的厚度严格匹配实现高量子效率，这在现有光电阴极制作工艺中也较难实现；
绝大多数的光电阴极制备于球形的玻璃壳中，而增透膜的材料通常为难熔的氧化物，如何在大面积球形表面采用电子束蒸发的工艺实现高均匀性的膜层蒸发仍然是一个难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微通道型入射窗及其制作方法，该入射窗兼具光电发射和电子倍增的功能，可有效解决现有光电探测器结构复杂、制备困难、成本高昂的缺点，同时利用入射窗的蜂窝式构造来增大光电阴极的有效面积，提高入射光子被光电阴极吸收的几率，进而提高光电阴极量子效率。
本发明的具体技术方案如下：
一种微通道型入射窗，其特征在于：包括入射窗基体，所述入射窗基体为蜂窝式结构，蜂窝式结构包括多个通孔，通孔采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺形成或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺形成；入射窗基体表面以及多个通孔内均沉积有光电阴极层。
上述通孔的截面呈圆形或椭圆或正多边形或梯形或半圆形。
上述通孔的孔径为2微米至20微米，通孔长度为20微米至800微米，所述蜂窝式结构的全部通孔的开口比大于60％。
上述通孔具有6度至30度的倾斜角度。
上述入射窗基体采用玻璃或蓝宝石或者氟化镁制成。
上述的光电阴极层包括对X光敏感的金属阴极或是对紫外光敏感的日盲型阴极或是对可见光敏感的碱金属阴极或是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极。
基于上述的微通道型入射窗，先对其制作方法进行描述，包括以下步骤：
1)将入射窗基体在丙酮、酒精和去离子水中依次进行超声清洗；
2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗基体上制作蜂窝式结构；
3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗基体进行高温退火处理后再次清洗；
4)利用原子层沉积技术在入射窗基体上制备对X光敏感的金属阴极。
上述步骤4)采用分子束外延技术分别完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、或对紫外光敏感的日盲型光电阴极层、或对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
上述步骤4)还能采用原子层沉积技术结合分子束外延技术的方式分别完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、或对紫外光敏感的日盲型光电阴极层、或对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
上述采用分子束外延技术进行光电阴极层制备的具体参数为：真空室的真空度大于10-6帕；制作碱金属阴极层的温度为150度至240度之间，制作负电子亲和势光电阴极层的温度为30度至160度之间；烘烤温度300度至650度，烘烤时间4小时以上。
本发明的优点是：
1.本发明的蜂窝式结构的入射窗与光电阴极层是一个整体，光电阴极层生长于制作有N个通孔的入射窗上，无需额外的装配。
2.本发明与传统的微通道板相比，本专利直接使用光电阴极层作为二次电子发射材料，其二次电子发射系数比传统微通道板二次电子发射材料的二次电子发射系数高至少2个数量级，因此可产生更高的电子增益。
3.由于采用了光电阴极层作为二次电子发射材料，所以不需要很严格的孔径与长度的限制就能产生很高的增益，所需的电压也较小，因此结构简单，制备容易，可降低成本。
4、本发明采用蜂窝式结构增大了光电阴极层的有效面积，提高了光电阴极层对入射光的吸收率，进而提高了光电阴极的量子效率。
5、本发明可采用原子层沉积技术、分子束外延技术以及两者结合的方式进行光电阴极层的制备，适用性强。
附图说明
图1为微通道型入射窗的截面示意图；
图2为基于微通道型光电阴极的光电探测器原理示意图；
图3为微通道型光电阴极制备工艺流程图。
具体实施方式
基于现有技术中光电阴极与电子倍增器是分离的这种方式所带来的光电器件结构非常复杂，制备极其困难，性能欠佳，产品价格昂贵，且产品的成品率得不到保证的问题，本发明提出了一种微通道型入射窗及其制作方法解决了上述问题。
下面结合附图和实施例对微通道型入射窗及其制作方法做进一步的说明。
如图1所示，入射窗基体为蜂窝式结构1，蜂窝式结构包括多个通孔2，通孔2采用光刻与刻蚀的制备工艺形成，每个通孔2的孔径R为2微米至20微米，通孔2长度L为20微米至800微米，蜂窝式结构1的全部通孔的开口比大于60％；入射窗基体表面以及多个通孔内均沉积有光电阴极层3。此处需要说明的是：开口比是指在一个横截面下，所有通孔的表面积与入射窗总表面积的比值。
需要特别说明的是：根据不同的使用要求，通孔2的截面呈圆形或椭圆或正多边形或梯形或半圆形。
为了使入射窗产生的光电子在通孔内与二次电子发射层产生多次碰撞实现电子倍增功能，需将该通孔制作成一定的角度，根据现有微通道板的结构参数，为了实现最大的电子增益，该通孔2具有6度至30度的倾斜角度θ。
根据不同的使用要求，入射窗采用玻璃或蓝宝石或者氟化镁制成。
另外需要重点说明的一点是：该光电阴极层为对X光敏感的金属阴极，如锑光电阴极；或者是对紫外光敏感的日盲型光电阴极，如铯-碲光电阴极；或者是对可见光敏感的碱金属光电阴极，如金属锑与碱金属锂、钠、钾、铯、铷中一种或几种组成的混合物；或者是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极，如砷化镓光电阴极层等。
根据上面对入射窗的结构描述，现对该入射窗的制作方法进行描述：
步骤1)将入射窗在丙酮、酒精和去离子水中依次进行超声清洗；
步骤2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗上制作蜂窝式结构；
步骤3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗进行高温退火处理后再次清洗入射窗；
步骤4)利用原子层沉积技术在入射窗基体上制备对X光敏感的金属阴极。
其中，步骤4)采用分子束外延技术分别完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、或对紫外光敏感的日盲型光电阴极层、或对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
另外，针对具有大长径比结构的入射窗，上述步骤4)还能采用原子层沉积技术结合分子束外延技术的方式分别完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、或对紫外光敏感的日盲型光电阴极层、或对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
现提供三个实施方式对上述三种不同方式制备光电阴极层进行举例：
实施例1
单独采用原子层沉积技术制备对X光敏感的金属锑阴极。
步骤1)将入射窗按顺序在丙酮、酒精和去离子水中各超声清洗10分钟；
步骤2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗上制作蜂窝式结构；
步骤3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗进行高温退火处理后再次清洗入射窗；(清洗的过程和步骤1相同)
步骤4)将上述入射窗放入原子层沉积系统中，在100度温度条件下利用锑的两种前驱体化合物发生反应在入射窗上生成金属锑膜，锑膜的厚度通过膜厚监控仪显示，一般锑膜厚度为6纳米至40纳米。
实施例2
单独采用分子束外延技术制备对紫外光敏感的碲-铯阴极。
步骤1)将入射窗按顺序在丙酮、酒精和去离子水中各超声清洗10分钟。
步骤2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗上制作蜂窝式结构；
步骤3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗进行高温退火处理后再次清洗入射窗；(清洗的过程和步骤1相同)
步骤4)将上述入射窗转移至真空系统中，室温下在入射窗上生长碲膜，同时利用膜厚监控仪观察碲膜的厚度，一般厚度为20纳米；
步骤5)将真空室温度升至160度，生长铯膜，同时观察光电流的变化，当光电流达到最大时，表明碲膜和铯膜反应形成了较好的阴极结构。
由于在入射窗上设置了蜂窝状的结构，增大了光电阴极层附着的有效面积，提高了光电阴极层对入射光的吸收效率，也就是量子效率表达式QE＝P1P2P3中的P1显著增大，从而达到了提高光电阴极量子效率的目的。
实施例3
如图3所示：采用原子层沉积技术与分子束外延技术相结合的方式制备碱金属光电阴极。
步骤1)将入射窗按顺序在丙酮、酒精和去离子水中各超声清洗10分钟。
步骤2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗上制作蜂窝式结构；
步骤3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗进行高温退火处理后再次清洗入射窗；(清洗的过程和步骤1相同)
步骤4)在上述入射窗基底基础上，利用原子层沉积技术在此基底表面及通孔内壁沉积金属锑(Sb)膜，锑膜的厚度约8纳米。原子层沉积技术可对膜厚进行精确控制，同时该技术具有极高的准直性，可保证一定深度微通道内侧膜层的均匀生长。
步骤5)采用分子束外延技术完成光电阴极的制备，具体步骤包括：
步骤5.1)当真空度需达到10-8Pa以上且经过高温烘烤除气后，将真空室温度设置到200度，生长碱金属钾(K)膜，同时观察光电流的变化，当光电流达到最大时，K膜将与Sb膜反应生成SbK3膜层；
步骤5.2)进行钠(Na)膜的生长，并交替生长K膜将与Sb膜，观察光电流的变化，当光电流达到最大时，表明形成了较好的阴极结构，此时阴极的化学式为Na2KSb；
步骤5.3)进行铯(Cs)膜的生长，并观察光电流的变化，光电流最大时表明具有较高量子效率的光电阴极形成，此时阴极的化学式为Na2KSb(Cs)；
需要说明的是，由于所有通孔的内壁已经均匀沉积了金属锑膜，因此后续的钾、钠、铯的生长也将受到锑原子的吸引而均匀沉积于通孔内壁。
通过上述方法制成的入射窗使用在光电探测器上其原理如下：如图2所示，其原理为当一束入射光4照射到入射窗外表面，其将穿透入射窗进入入射窗内表面，入射窗内表面为蜂窝式结构，其内侧有光电阴极层，根据光电效应，在入射光的照射下光电阴极层将发射光电子5，其会与通孔内壁的光电阴极层撞击而产生二次电子6，这些二次电子6在高压电场作用下从通孔内壁底端出射，并由阳极7接收。出射光电子8从通道顶端出射，这部分出射光电子可进一步增大器件的探测效率。
对于以上三种实施方式需要重点说明的是：
1、对于X光敏感的金属光电阴极，由于光电阴极层的组成通常为一种金属，且这种金属在空气中具有很好的稳定性，不需要在高真空环境中制备。同时，由于原子层沉积技术可以在大长径比的内腔表面形成厚度均匀的薄膜，因此适合高量子效率金属光电阴极的制备。由于原子层沉积过程中有多种气体作用，会对其他几种真空度要求高的光电阴极造成污染，因此不能用于制备其他类型的光电阴极。
2、对于紫外光敏感的日盲型光电阴极，对可见敏感的碱金属光电阴极和对于红外光敏感的负电子亲和势光电阴极，在蜂窝式结构的尺寸较大的情况下(尺寸较大是指：一般通孔长度小于50微米，通孔尺寸大于10微米)，此时可通过分子束外延的技术直接在高真空环境中生长光电阴极膜层。因此可形成实施例2是其中的一个例子。分子束外延技术同样可形成均匀性好、膜曾厚度可控的高量子效率光电阴极。
3、对于具有大长径比结构的入射窗，不能直接通过分子束外延技术在通道内形成光电阴极层，因此需要结合原子层沉积的工艺实现光电阴极的制备，分子束外延与原子层沉积技术相结合的工艺同样适用于上述三种光电阴极。首先通过原子层沉积的工艺在蜂窝式结构的孔内形成一层金属层，该过程与上述1相同。在此基础上，将此结构放入高真空环境中利用分子束外延的技术实现其他膜曾的蒸发，从而实现微通道型光电阴极的制备。
在上述实施例中，光电阴极层不仅生长在入射窗的表面，而且在蜂窝状结构的所有通孔内也有光电阴极层，因此可直接利用通孔进行电子放大，无需额外的微通道板，可简化器件的结构，无需额外的微通道板组件和装配工艺；
另一方面，由于该光电发射层的二次电子倍增系数远高于传统的微通道板中的二次电子倍增系数，因此无需长的通道和在入射窗上加高的电压就可实现足够高的电子增益，电子在通道内渡越时间极短，可进行极微弱信号的超快探测；最后，基于上述结构的优点，该器件将具有非常低的成本。
Claims (9)
1.一种微通道型入射窗，其特征在于：包括入射窗基体，所述入射窗基体为蜂窝式结构，蜂窝式结构包括多个通孔，通孔采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺形成或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺形成；入射窗基体表面以及多个通孔内均沉积有光电阴极层。
2.根据权利要求1所述微通道型入射窗，其特征在于：通孔的截面呈圆形或椭圆或正多边形或梯形或半圆形。
3.根据权利要求1或2所述微通道型入射窗，其特征在于：通孔的孔径为2微米至20微米，通孔长度为20微米至800微米，所述蜂窝式结构的全部通孔的开口比大于60％。
4.根据权利要求3所述微通道型入射窗，其特征在于：所述通孔具有6度至30度的倾斜角度。
5.根据权利要求4所述的微通道型入射窗，其特征在于：所述入射窗基体采用玻璃或蓝宝石或者氟化镁制成。
6.根据权利要求5所述的微通道型入射窗，其特征在于：所述的光电阴极层包括对X光敏感的金属阴极或是对紫外光敏感的日盲型阴极或是对可见光敏感的碱金属阴极或是可对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极。
7.根据权利要求6所述的微通道型入射窗的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将入射窗基体在丙酮、酒精和去离子水中依次进行超声清洗；
2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗基体上制作蜂窝式结构；
3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗基体进行高温退火处理后再次清洗；
4)采用分子束外延技术分别完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、或对紫外光敏感的日盲型光电阴极层、或对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
8.根据权利要求6所述的微通道型入射窗的制作方法，其特征在于：
1)将入射窗基体在丙酮、酒精和去离子水中依次进行超声清洗；
2)采用先普通光刻再离子束刻蚀的工艺或者是采用先普通光刻再酸法腐蚀的工艺在入射窗基体上制作蜂窝式结构；
3)对刻蚀成蜂窝式结构的入射窗基体进行高温退火处理后再次清洗；
4)采用原子层沉积技术结合分子束外延技术的方式分别完成对可见光敏感的碱金属光电阴极层、或对紫外光敏感的日盲型光电阴极层、或对红外光敏感的负电子亲和势光电阴极层的制备。
9.根据权利要求7或8所述的微通道型入射窗的制作方法，其特征在于：采用分子束外延技术进行光电阴极层制备的具体参数为：真空室的真空度大于10-6帕；制作碱金属阴极层的温度为150度至240度之间，制作负电子亲和势光电阴极层的温度为30度至160度之间；烘烤温度300度至650度，烘烤时间4小时以上。
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