CN109148253A - 制备阻性气体电子倍增器薄膜的方法和阻性气体电子倍增器薄膜 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于制备阻性气体电子倍增器薄膜的方法，其可以形成包含依次层叠的第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜和第二类金刚石碳层并且具有通孔阵列的阻性气体电子倍增器薄膜。该方法包括使用保护层、喷砂处理和湿法刻蚀的组合形成通孔。本发明的方法形成的包含类金刚石碳层的阻性气体电子倍增器薄膜缺陷少，性能稳定。本发明还提供了气体电子倍增器薄膜和气体电子倍增器。

Description

制备阻性气体电子倍增器薄膜的方法和阻性气体电子倍增器 薄膜

技术领域

本发明涉及微结构气体探测器领域，具体地，涉及制备用于阻性气体电子倍增器薄膜的方法、阻性气体电子倍增器薄膜和阻性电子倍增器。

背景技术

气体电子倍增器(GEM，Gas Electron Multiplier)是当前微结构气体探测器(MPGD，Micro-Pattern Gaseous Detector)中广为应用的探测器。GEM探测器的主体由GEM薄膜构成。GEM薄膜通常是在聚酰亚胺系薄膜的两侧设置电极层。已提出的电极层包括铜层、铬层、阻性聚酰亚胺系薄膜层等。为了GEM正常工作，需要在GEM薄膜中形成通孔的阵列。当电子在电场作用下经过通孔时，与气体分子发生碰撞和电离产生多个次级电子，通过气体雪崩放大过程实现对原初电子的倍增。GEM探测器的雪崩放大区通常由多层(例如三层)GEM薄膜构成。

传统的GEM薄膜的两侧电极层是金属铜。在例如高计数率环境下应用时，产生打火放电现象，对探测器的损坏比较明显。此外，铜电极导致GEM探测器的物质量很大，在一些中低能物理实验中的应用受到了较大的限制。

为了降低GEM探测器的物质量，可以用纳米金属膜如铬膜代替铜层，但其仍为金属电极，对打火放电的抑制能力并没有得到提高，并且过薄的电极很容易在放电中被烧穿，在探测器有效面积内造成死区。

另一种降低GEM探测器的物质量的途径是使用阻性聚酰亚胺系薄膜作为电极层，并且形成通孔阵列，从而在减小物质量的同时克服放电问题。但是，由于阻性聚酰亚胺系薄膜电极与聚酰亚胺系薄膜的化学性质类似，因此不能采用化学刻蚀方法形成通孔阵列，而只能使用激光打孔方式。激光打孔方式成本很高，使得这种GEM探测器难以大面积制作。

已提出了一种使用类金刚石(DLC，Diamond-like Carbon)层作为阻性电极代替铜层的GEM探测器薄膜。其制备方法是，在聚酰亚胺系薄膜上使用磁控溅射的方法镀上DLC，然后使用激光打孔的方法直接制作成GEM放大单元。此方法使用激光打孔技术，同样存在制作成本偏高的问题。更重要的是，激光打孔会在局部造成高温，因此还导致两个严重问题：1)由于高温能够促使DLC石墨化，因此会在孔边缘处造成附近的DLC石墨化从而导致电阻率过低而失去阻性电极的作用。2)高温能使处于空气中的DLC和氧气发生反应形成二氧化碳，因此某些孔边缘镀得较薄的DLC会完全变成二氧化碳挥发掉，导致孔周边因没有电极覆盖无法加上电压而没有信号。因此，这种方案制作出的GEM探测器性能不稳定，增益很低，在实际应用中遇到困难，无法满足实际探测需要。

对于制造包含DLC的性能稳定的GEM探测器薄膜的方法和无缺陷的GEM探测器薄膜，仍存在改进的需要。

发明内容

本发明提供一种用于制备阻性气体电子倍增器薄膜的方法，所述阻性气体电子倍增器薄膜包含依次层叠的第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜和第二类金刚石碳层并且具有通孔阵列，其特征在于，所述方法包括：

提供基材，所述基材包含依次层叠的第一保护层、第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜、第二类金刚石碳层和第二保护层，其中在所述第一保护层中形成有第一孔阵列并且在所述第二保护层中形成有与所述第一孔阵列相对的第二孔阵列；

通过喷砂处理，在所述第一和第二孔阵列处的第一和第二类金刚石碳层中形成贯穿的孔洞；

通过湿法刻蚀工艺，经过所述孔洞，对所述聚酰亚胺系薄膜进行刻蚀，并在所述聚酰亚胺系薄膜中形成在所述第一和第二孔阵列之间连通的通道；

通过吹扫，去除在所述第一和第二孔阵列处残余的所述第一和第二类金刚石碳层，从而形成所述通孔；以及

至少移除部分所述第一和第二保护层。

可选地，所述第一和第二保护层均为铜层，并且至少移除部分所述第一和第二保护层以形成在所述阻性气体电子倍增器薄膜上的电路。

可选地，所述第一和第二保护层的厚度各自独立地为3.5μm-5.5μm。

可选地，所述提供基材包括

在所述聚酰亚胺系薄膜上通过磁控溅射方法形成所述第一和第二类金刚石碳层，以及

分别在所述第一和第二类金刚石碳层上镀敷所述第一和第二保护层。

可选地，通过磁控溅射方法形成具有不同面电阻率的所述第一和第二类金刚石碳层。

可选地，所述喷砂处理形成直径为3μm-8μm的贯穿的孔洞。

本发明还提供一种根据上述的方法制备的阻性气体电子倍增器薄膜。

本发明还提供一种阻性气体电子倍增器薄膜，其特征在于，所述阻性气体电子倍增器薄膜包含依次层叠的第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜和第二类金刚石碳层并且具有通孔阵列，并且所述通孔是双倒锥型孔。

可选地，在上述阻性气体电子倍增器薄膜中，所述聚酰亚胺系薄膜的厚度为45μm-55μm，所述第一类金刚石碳层和所述第二类金刚石层的厚度各自独立地为90nm-110nm。

本发明还提供一种包括根据上述的阻性气体电子倍增器薄膜的气体电子倍增器。

本发明的方法在制备过程中不使用激光打孔工艺，成本低，并且不会对DLC阻性电极造成物理损坏，能够制得无缺陷的、性能稳定且优异的DLC型GEM。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的基材的示意图。

图2是图1的基材进行喷砂处理的示意图。

图3是图2的基材进行湿法刻蚀工艺形成连通的通道的示意图。

图4是对图3的基材进行吹扫的示意图。

图5是对图4的基材至少移除部分保护层的示意图。

图6是根据本发明的实施例得到的GEM薄膜的示意图。

具体实施方案

本发明提供一种具有低物质量的阻性GEM探测器放大单元制备方法。

本发明的方法制得的阻性GEM薄膜，包含依次层叠的第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜和第二类金刚石碳层并且具有通孔阵列。该GEM薄膜具有低的物质量，高的对打火放电的抑制能力，并且在通孔附近具有完好的类金刚石碳层结构。

具体地，本发明的方法包括：提供基材，所述基材包含依次层叠的第一保护层、第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜、第二类金刚石碳层和第二保护层，其中在所述第一保护层中形成有第一孔阵列并且在所述第二保护层中形成有与所述第一孔阵列相对的第二孔阵列；

通过喷砂处理，在所述第一和第二孔阵列处的第一和第二类金刚石碳层中形成贯穿的孔洞；

通过湿法刻蚀工艺，经过所述孔洞，对所述聚酰亚胺系薄膜进行刻蚀，并在所述聚酰亚胺系薄膜中形成在所述第一和第二孔阵列之间连通的通道；

通过吹扫，去除在所述第一和第二孔阵列处残余的所述第一和第二类金刚石碳层，从而形成所述通孔；以及

至少移除部分所述第一和第二保护层。

图1-图6示意性地示出了本发明的方法的一个实施方案的各个步骤。

在该实施方案中，首先，提供如图1所示的基材。在图1中，基材从上到下包含依次层叠的第一保护层、第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜、第二类金刚石碳层和第二保护层。

其中，聚酰亚胺系薄膜的材料是以聚酰亚胺为主的材料。本发明对该聚酰亚胺系薄膜的材料没有特别的限定，只要是适合用作GEM薄膜的材料即可。聚酰亚胺系薄膜的一个实例是Apical。在图1、随后的附图及以下的说明中，用Apical层来说明聚酰亚胺系薄膜。然而，这不意在对本发明进行限制。本发明可以选用任何合适的聚酰亚胺系薄膜。

本发明对聚酰亚胺系薄膜的厚度没有特别的要求。优选地，聚酰亚胺系薄膜的厚度范围为45μm-55μm。在此厚度范围内，优点是能够非常精确地控制聚酰亚胺系薄膜刻蚀。

在聚酰亚胺系薄膜的两侧分别形成类金刚石(DLC)层。在本文中，仅为了区别的目的，将它们分别称为第一类金刚石碳层和第二类金刚石碳层。类金刚石通常指的是具有金刚石结构的一种无定形碳，其同时也可以具有石墨结构。本发明对DLC层的具体结构没有特别的限定，只要其适合用作GEM薄膜的电极即可。在图1中，以相同的图例示出了第一DLC层和第二DLC层。但是应当理解，第一和第二DLC层的具体性质可以是不同的。例如，根据不同应用的需要，第一类金刚石碳层和第二类金刚石碳层可以具有不同的面电阻率。例如，第一类金刚石碳层和第二类金刚石碳层的面电阻率范围可以分别为10MΩ/□-100MΩ/□。可以通过修改制备过程如磁控溅射制备过程中的参数来得到具有不同面电阻率的DLC。具体地，可以通过修改偏压，靶电流，溅射沉积等参数来定制DLC。此外，尽管图中两个DLC层的厚度看起来相同，但实际两者可以独立地具有不同的厚度。

基材中第一和第二DLC层与它们所夹的聚酰亚胺层即形成最终的GEM薄膜的主体。换言之，根据最终所需的GEM薄膜的厚度、尺寸等，准备基材。

第一和第二DLC层的厚度范围可以为90nm-110nm。在此厚度范围内，优点是既能保证DLC有足够强的抗打火能力，又能够保证DLC内应力足够小从而不会导致聚酰亚胺系薄膜发生曲卷。

基材中，在第一和第二DLC层的外侧，还分别设置有第一和第二保护层。如下文详述的，保护层的作用是在通孔形成过程中保护通孔以外的DLC层和聚酰亚胺层。具体地，在下文详述的喷砂处理和湿法刻蚀工艺的过程中保护其下方的DLC层和聚酰亚胺系薄膜层。可以使用任何具备上述功能的材料形成该保护层。在图1、随后的附图及以下的说明中，用铜层作为实例来说明保护层。然而，这不意在对本发明进行限制。本发明可以选用任何合适的保护层材料。在图1中，以相同的图例示出了第一保护层和第二保护层。但是应当理解，第一和第二保护层的具体性质可以是不同的。例如，两者可以是不同的保护材料。此外，尽管图中两个保护层的厚度看起来相同，但实际两者可以独立地具有不同的厚度。保护层材料的一个实例的是铜层。使用铜层作为保护层的一个优点是其可以在后续步骤中形成GEM上的电路。保护层的厚度可以取决于其材料、对喷砂处理、湿法蚀刻的抗性以及最后的移除步骤的简便性。第一和第二保护层如铜层的厚度范围可以分别为3.5μm-5.5μm。在此厚度范围内，优点是能够有效防止刻蚀液透过的同时，并且刻蚀过程比较容易控制。

该基材可以以任何合适的方法提供。在一个实施方案中，在聚酰亚胺系薄膜材料上通过磁控溅射方法在其上下两面镀上阻性DLC后，再在DLC表面镀上铜。

图1中的基材的第一和第二保护层中形成有相互相对的第一和第二孔阵列，并且为了简明，图中仅画出了孔阵列中各自一个孔。应当理解，在GEM薄膜中，形成的是通孔阵列。此处保护层中的孔阵列的位置对应于最终想要的通孔阵列。在本文中，对孔或通孔阵列中孔或通孔的个数和图案没有限制，只要其适合于GEM即可。本发明的方法可以用于制备大面积的GEM薄膜。

可以以多种方法形成具有孔阵列的保护层。例如，可以在类金刚石层上完全覆盖保护层之后，通过蚀刻工艺刻蚀掉孔阵列处的第一保护层材料，从而形成孔阵列。也可以在类金刚石层上通过例如掩模遮挡孔阵列处的DLC层，之后直接形成具有孔阵列的第一保护层。本发明对形成基材的具体方法没有限制，只要能形成图1中示意性表示的结构即可。

接着，如图2所示，对基材表面进行喷砂处理。本发明所用的喷砂处理用于在裸露出来的DLC上轰击出微米级别小孔的处理方法。同时应当注意，喷砂处理不能将第一和第二保护层损坏到无法保护其下的DLC层的程度。

由于DLC的厚度薄，例如仅为100nm左右，因此无法承受细砂粒的轰击，将被细砂粒轰击出许多孔洞。这些孔洞使得溶液更容易接触聚酰亚胺系薄膜。在有保护层覆盖的地方，不会损坏DLC层。例如，当保护层为铜并且铜的厚度为4.3μm左右时，细砂粒只能对铜的表层造成破损。

在此步骤中形成的孔洞将用于透过湿法刻蚀工艺中的刻蚀液。形成的孔洞的大小为微米级别，优选直径为3μm-8μm。这一直径范围既可以保证在随后湿法刻蚀工艺刻蚀液顺利通过，又无需使用过强的喷砂处理。不使用过强的喷砂处理既在工艺上是简便的，也有利于保证保护层不在喷砂处理中破损失效。

接着，如图3所示，对聚酰亚胺系薄膜进行湿法刻蚀工艺。在一个实施方案中，将经过喷砂处理后的样品清洁后放入聚酰亚胺刻蚀液中进行刻蚀。样品表面有保护层覆盖的地方仍然能够有效阻挡刻蚀液的渗透，即保护层起到在此步骤中保护其下方的DLC层和聚酰亚胺系薄膜的作用。而裸露出来DLC薄膜上由于有很多轰击出的孔洞，溶液很容易穿过DLC接触到聚酰亚胺系薄膜，对聚酰亚胺系薄膜进行刻蚀。由于溶液可以从两个表面同时刻蚀聚酰亚胺系薄膜，因此最终可以在聚酰亚胺系薄膜上刻蚀出双倒锥型的通孔阵列。不过，其也可以是例如基本上是圆柱型的通孔。

即使不存在孔洞，DLC层对聚酰亚胺刻蚀液也有一定渗透性。因此保护层的存在避免了通孔之外的区域中的聚酰亚胺系薄膜受到刻蚀而造成缺陷。同时，DLC层中的孔洞将大大加快刻蚀液刻蚀聚酰亚胺系薄膜的速度，从而能够以足够的速率进行刻蚀。

接着，如图4所示，通过吹扫，去除在所述第一和第二孔阵列处残余的所述第一和第二类金刚石碳层，从而形成贯穿基材的通孔。典型地，使用高压气枪对基材进行吹扫，移除通孔中残留的DLC薄膜。

接着，如图5所示，移除所述第一和第二保护层。可以例如使用化学湿法刻蚀工艺移除第一和第二保护层。

在图6中，显示第一和第二保护层已全部移除。不过，根据需要，可以不将第一和/或第二保护层全部移除。在本发明中，优选使用铜层作为保护层。其不但满足基本的保护功能，而且具有易于图案化并且其处理工艺与DLC和聚酰亚胺系薄膜互不干扰的优点。而且，在不将铜层完全移除时，剩余的图案化的铜层可以直接形成GEM薄膜上的电路。因此，使用铜层作为保护层兼具刻蚀过程的便利性与制作电路的便利性。使用铜层形成快速接地线路，高压输入线路时性能优异。

最终，制得了如图6所示的GEM薄膜。该GEM薄膜可以用作低物质量阻性GEM探测器放大单元。

本发明的方法在制备过程中不使用激光打孔工艺，成本低，并且不会对DLC阻性电极造成物理损坏，能够制得无缺陷的、性能稳定且优异的DLC型GEM。在通孔周围，类金刚石层中不存在在高温下挥发或石墨化的问题，得到的GEM薄膜完全满足实际应用的要求。

在本发明中各种工艺都是可以是本领域使用的常规工艺，并且本领域技术人员可以根据需要对工艺参数进行适当的调整。

本发明还提供了根据上述方法制备的阻性气体电子倍增器薄膜。如上所述，由于该方法中不使用激光打孔等高温工艺，从而不会伤害孔阵列旁的DLC层，不会造成DLC层由于石墨化甚至气化挥发消失导致的失效。

本发明还提供了一种具有双倒锥型通孔的阻性气体电子倍增器薄膜。具有该双倒锥型通孔的GEM薄膜可以良好地完成阻性气体电子倍增器的功能，并且其湿法刻蚀制备过程可以保证双倒锥型通孔周围的DLC层基本不受损害。

优选地，聚酰亚胺系薄膜的厚度为45μm-55μm，第一类金刚石碳层和第二类金刚石层的厚度各自独立地为90nm-110nm。在上述范围内，可以得到性能优良的GEM薄膜。

本发明还提供了包含上述阻性气体电子倍增器薄膜的气体电子倍增器。该气体电子倍增器不易受放电损坏，并且可应用于中低能粒子探测。使用气体电子倍增器薄膜制备气体电子倍增器的方法是公知的。

实施例

通过以下步骤，制备GEM薄膜：

步骤1、使用Teer 650磁控溅射设备在厚度为50μm，尺寸为15cm×15cm的APICAL基材的上下表面均沉积厚度为100nm的DLC，其中DLC的面电阻率为50MΩ/□左右。然后在DLC表面镀上厚度为4.3μm的铜；

步骤2、将步骤1中得到的基材中心区域10cm×10cm的范围内，使用湿法刻蚀在基材上下表面的铜层上刻蚀出直径为70μm，间距为140μm，呈六角型阵列排列的孔，使铜层下方的DLC在孔阵列区域裸露出来。

步骤3、将步骤2中得到的基材从铜刻蚀液中取出，用水清洗，然后放入70℃烘箱中2小时烘干；

步骤4、将步骤3中得到的基材中心区域10cm×10cm的范围内上下表面进行喷砂处理，将裸露出来的DLC上轰击出平均直径约为5μm的孔洞；

步骤5、使用湿法刻蚀对步骤4中得到的基材的APICAL进行刻蚀，刻蚀液透过步骤3在DLC上轰击出来的孔洞与APICAL接触并对其进行刻蚀，最终在形成上下面直径为70μm左右，中部直径为50μm双倒锥型小孔，孔间距为140μm，呈六角形阵列排列，与步骤2中制备出来的铜层上的孔相对应；

步骤6、将步骤5中得到的基材从APICAL刻蚀液中取出，用水清洗，然后放入70℃烘箱中2小时烘干；

步骤7、使用高压气枪对将步骤6中得到的基材进行吹扫，移除孔阵列处残留的DLC，形成完全畅通的通孔；

步骤8、将步骤7中得到的基材放入铜刻蚀液中，使用湿法刻蚀并根据应用需要移除一部分铜，留下铜电路图案；

步骤9、将步骤8中得到的基材从铜刻蚀液中取出，用水清洗，然后放入70℃烘箱中2小时烘干，即得到带有铜电路的GEM薄膜。

通过对实施例中所得的GEM薄膜进行显微观察，可以看到在通孔旁的DLC层不存在激光打孔工艺中出现的气化消失和高温石墨化现象。

使用实施例所述的GEM薄膜制备了气体电子倍增器。制得的气体电子倍增器性能稳定，能够满足实际探测需要。

Claims (10)

1.一种用于制备阻性气体电子倍增器薄膜的方法，所述阻性气体电子倍增器薄膜包含依次层叠的第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜和第二类金刚石碳层并且具有通孔阵列，其特征在于，所述方法包括：

提供基材，所述基材包含依次层叠的第一保护层、第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜、第二类金刚石碳层和第二保护层，其中在所述第一保护层中形成有第一孔阵列并且在所述第二保护层中形成有与所述第一孔阵列相对的第二孔阵列；

通过喷砂处理，在所述第一和第二孔阵列处的第一和第二类金刚石碳层中形成贯穿的孔洞；

通过湿法刻蚀工艺，经过所述孔洞，对所述聚酰亚胺系薄膜进行刻蚀，并在所述聚酰亚胺系薄膜中形成在所述第一和第二孔阵列之间连通的通道；

通过吹扫，去除在所述第一和第二孔阵列处残余的所述第一和第二类金刚石碳层，从而形成所述通孔；以及

至少移除部分所述第一和第二保护层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二保护层均为铜层，并且至少移除部分所述第一和第二保护层以形成在所述阻性气体电子倍增器薄膜上的电路。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一和第二保护层的厚度各自独立地为3.5μm-5.5μm。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供基材包括

在所述聚酰亚胺系薄膜上通过磁控溅射方法形成所述第一和第二类金刚石碳层，以及

分别在所述第一和第二类金刚石碳层上镀敷所述第一和第二保护层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过磁控溅射方法形成具有不同面电阻率的所述第一和第二类金刚石碳层。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述喷砂处理形成直径为3μm-8μm的贯穿的孔洞。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法制备的阻性气体电子倍增器薄膜。

8.一种阻性气体电子倍增器薄膜，其特征在于，所述阻性气体电子倍增器薄膜包含依次层叠的第一类金刚石碳层、聚酰亚胺系薄膜和第二类金刚石碳层并且具有通孔阵列，并且所述通孔是双倒锥型孔。

9.根据权利要求7或8所述的阻性气体电子倍增器薄膜，其特征在于，所述聚酰亚胺系薄膜的厚度为45μm-55μm，所述第一类金刚石碳层和所述第二类金刚石层的厚度各自独立地为90nm-110nm。

10.一种包括根据权利要求7或8所述的阻性气体电子倍增器薄膜的气体电子倍增器。