CN109166784B - 用于gem探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材，包括：Apical基底层；以及DLC薄膜，分别形成于Apical基底层的正反表面上，一方面作为探测器放大单元的阻性基材，另外也可用于保护所述Apical基底层；其中，Apical基底层正反表面上的DLC薄膜在同一条件下溅射得到。本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架中Apical基底层正反面的DLC薄膜在同一条件下溅射得到，能够抵消DLC薄膜对于Apical基底层的内应力，使得薄膜平整均匀，并且DLC薄膜厚度可达1微米左右，能够在GEM探测器刻蚀加工时对绝缘Apical基底层起到保护的作用，此外，该DLC薄膜的面电阻值能够控制在几十MΩ/□至几百MΩ/□之间能够有效抑制探测器的打火放电。

Description

用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架
技术领域
本公开涉及微结构气体探测器技术领域，尤其涉及一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架。
背景技术
随着大型核与粒子物理实验中对撞机能量和亮度的不断提高，探测器工作时的计数率也越来越高，因此打火频率也越来越高。GEM(Gas Electron Multiplier，气体电子倍增器)薄膜中间是50μm厚的Apical材料，上下表面分别镀有5μm厚的铜膜。传统的GEM探测器发生打火放电现象时，产生的局部电流会轰击GEM薄膜，损坏Apical绝缘基材以及高压电极，造成探测器的老化，较剧烈的放电现象还会直接损坏读出电子学，损坏探测器。为了降低GEM探测器在打火时产生的瞬间电流，延长探测器的使用寿命，微结构气体探测器领域的一些课题组已经开始尝试使用阻性电极替换GEM探测器中的铜电极，用于抑制探测器的打火放电现象。
现有技术中的阻性电极材料主要为阻性聚酰亚胺材料和碳浆阻性材料，阻性聚酰亚胺材料通过热压工艺将其粘贴在Apical绝缘基材表面作为GEM探测器的阻性基材；碳浆阻性材料采用丝网印刷工艺在Apical薄膜表面制备成一层阻性的碳薄膜作为GEM探测器的阻性基材使用。
然而，在实现本公开的过程中，本申请发明人发现，在GEM探测器的加工制作过程中，需要在GEM薄膜表面使用光刻加化学腐蚀的方法刻蚀出高密度呈六角排列的小孔，而阻性聚酰亚胺材料不能有效的阻止刻蚀液的腐蚀，使得腐蚀得到的孔型结构不好甚至结构完全变化，加工得到的探测器性能很差，此外，目前阻性聚酰亚胺材料的面电阻值很低，对于探测器的打火抑制效果很弱；采用丝网印刷工艺制备的碳浆阻性电极结合力差、抗打火能力弱，容易被放电打火损坏，并且碳浆阻性电极的电阻率不易调节，不利于制作不同阻值的阻性电极基材。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述技术问题，本公开提供一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架，以缓解现有技术中的阻性聚酰亚胺材料不能有效的阻止刻蚀液的腐蚀且面阻值低，碳浆阻性电极结合力差、抗打火能力弱，并且碳浆阻性电极的电阻率不易调节的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材，包括：Apical基底层；以及DLC薄膜，分别形成于所述Apical基底层的正反表面上，用于探测器放大单元的阻性电极以及保护所述Apical基底层；其中，所述Apical基底层正反表面上的DLC薄膜在同一条件下溅射得到。
在本公开的一些实施例中，所述DLC薄膜的面电阻值介于20MΩ/□至500MΩ/□之间。
在本公开的一些实施例中，其中：所述Apical基底层的厚度介于45μm至55μm之间；所述DLC薄膜的厚度介于0.8μm至1.2μm之间。
根据本公开的另一个方面，还提供一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，利用磁控溅射设备实现，包括：步骤A：对Apical基底层进行固定；步骤B：对Apical基底层表面进行等离子体轰击刻蚀；步骤C：在Apical基底层的正反表面上同时溅射沉积得到DLC薄膜。
在本公开的一些实施例中，所述步骤C中：通过调节溅射沉积的时间调节DLC薄膜的厚度；通过掺入C4H10气体，并控制C4H10的流量，调节DLC薄膜的面电阻值。
在本公开的一些实施例中，所述步骤A中，所述Apical基底层的高度位于磁控溅射设备中弱磁场高纯靶材的中部，靶材与样品间距介于12cm至18cm之间。
在本公开的一些实施例中，所述步骤B和所述步骤C在真空环境下进行。
在本公开的一些实施例中，还包括：步骤1：对Apical基底层进行清洁与烘烤；以及步骤2：对磁控溅射设备的高纯石墨靶材表面进行溅射清洗。
在本公开的一些实施例中，还包括步骤D：得到DLC薄膜后，分别测量所述DLC薄膜的厚度与面电阻值。
根据本公开的另一个方面，还提供一种支架，设置在磁控溅射设备的磁控溅射真空腔室内，用于在溅射沉积时使所述Apical基底层的正反表面上同时溅射得到DLC薄膜，包括：第一支架，用于固定所述Apical基底层；第一旋转轴，垂直设置并与所述第一支架连接，用于带动所述Apical基底层沿其竖向中线转动；第二旋转轴，垂直设置并与所述磁控溅射真空腔室底部的旋转轴耦合，并与所述第一旋转轴通过齿轮啮合；以及第二支架，其竖向中线与所述第二旋转轴固定连接，且其任一半侧与所述第一旋转轴连接；其中，所述第一旋转轴带动所述Apical基底层沿其竖向中线自转，并且所述第二支架带动所述Apical基底层沿所述第二旋转轴公转。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)DLC(Diamond like Carbon，类金刚石碳)是一类含有金刚石结构和石墨结构的亚稳非晶态物质，具有面电阻稳定、低介电常数和宽带隙等优良电学性能以及化学稳定性和热稳定性等众多优点而广泛应用于固体润滑摩擦领域，近些年，在高能粒子物理实验方向也尝试将DLC应用于微结构气体探测器阻性电极领域，并取得了一定的进展，用DLC制作的阻性电极抗打火能力与抗辐照能力极强，不受许多化学与物理加工过程的影响，是一种理想的阻性电极材料；
(2)通过在Apical基底层双面对称的同时溅射DLC薄膜，能够使DLC薄膜对基材的内应力相互抵消，Apical基底层整体非常平整，大大减小了探测器后期加工的复杂程度；
(3)DLC薄膜的面电阻值能够控制在几十MΩ/□至几百MΩ/□之间，适用于作为GEM探测器的阻性电极使用，能够有效抑制探测器的打火放电；
(4)Apical基底层表面的DLC薄膜厚度可达1μm左右，能够在GEM探测器刻蚀加工时对绝缘Apical基底层起到保护的作用，满足GEM探测器的加工要求；
(5)使用磁控溅射法在Apical基底层表面溅射沉积DLC薄膜，可通过调节溅射沉积的时间优化DLC薄膜的厚度，使得DLC薄膜厚度可达1微米左右级，能够满足在GEM探测器刻蚀加工过程中对Apical基底层的保护；
(6)通过调节合适的C4H10的流量，可将DLC薄膜的面电阻值控制在几十MΩ/□到几百MΩ/□范围内，满足阻性电极对阻值的要求；
(7)通过使用多轴支架，能够在Apical基底层的正反两面同时溅射沉积DLC薄膜，使得Apical基底层双面的DLC薄膜溅射沉积条件高度一致，保证了Apical基底层双面的DLC薄膜厚度一致、均匀，能够有效提高后期探测器的均匀性等性能。
附图说明
图1为本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的结构示意图。
图2为本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的流程示意图。
图3为本公开实施例提供的支架的结构示意图。
图4为本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备设备的结构示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10-Apical基底层；
20-DLC薄膜；
30-第一支架；
40-第一旋转轴；
50-第二旋转轴；
60-第二支架。
具体实施方式
本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架中Apical基底层正反面的DLC薄膜在同一条件下溅射得到，能够抵消DLC薄膜对于Apical基底层的内应力，使得薄膜平整均匀，并且DLC薄膜厚度可达1微米左右，能够在GEM探测器刻蚀加工时对绝缘Apical基底层起到保护的作用，此外，该DLC薄膜的面电阻值能够控制在几十MΩ/□至几百MΩ/□之间能够有效抑制探测器的打火放电。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
根据本公开的一个方面，如图1所示，提供一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材，包括：Apical基底层10；以及DLC薄膜20，分别形成于Apical基底层10的正反表面上，用于作为探测器放大结构的阻性电极以及保护Apical基底层10；其中，Apical基底层10正反表面上的DLC薄膜20在同一条件下溅射得到，DLC是一类含有金刚石结构和石墨结构的亚稳非晶态物质，具有面电阻稳定、低介电常数和宽带隙等优良电学性能以及化学稳定性和热稳定性等众多优点而广泛应用于固体润滑摩擦领域，近些年，在高能粒子物理实验方向也尝试将DLC应用于微结构气体探测器阻性电极领域，并取得了一定的进展，用DLC制作的阻性电极抗打火能力与抗辐照能力极强，不受许多化学与物理加工过程的影响，是一种理想的阻性电极材料；通过在Apical基底层10双面对称的同时溅射DLC薄膜20，能够使DLC薄膜20对基材的内应力相互抵消，Apical基底层10整体非常平整，大大减小了探测器后期加工的复杂程度。
在本公开的一些实施例中，DLC薄膜20的面电阻值介于20MΩ/□至500MΩ/□之间，DLC薄膜20的面电阻值能够控制在几十MΩ/□至几百MΩ/□之间，适用于作为GEM探测器的阻性电极使用，能够有效抑制探测器的打火放电。
在本公开的一些实施例中，其中：Apical基底层10的厚度介于45μm至55μm之间；DLC薄膜20的厚度介于0.8μm至1.2μm之间，Apical基底层10表面的DLC薄膜20厚度可达1μm左右，能够在GEM探测器刻蚀加工时对绝缘Apical基底层10起到保护的作用，满足GEM探测器的加工要求。
根据本公开的另一个方面，还提供一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，如图2所示，利用磁控溅射设备实现，包括：步骤A：对Apical基底层10进行固定；步骤B：对Apical基底层10表面进行等离子体轰击刻蚀；步骤C：在Apical基底层10的正反表面上同时溅射沉积得到DLC薄膜20。
在本公开的一些实施例中，步骤C中：通过调节溅射沉积的时间调节DLC薄膜的厚度；通过掺入C4H10气体，并控制C4H10的流量，调节DLC薄膜的面电阻值，通过调节合适的C4H10的流量，可将DLC薄膜的面电阻值控制在几十MΩ/□到几百MΩ/□范围内，满足阻性电极对阻值的要求。
在本公开的一些实施例中，步骤A中，Apical基底层10的高度位于磁控溅射设备中弱磁场高纯靶材的中部，靶材与样品间距介于12cm至18cm之间。
在本公开的一些实施例中，步骤B和步骤C在真空环境下进行。
在本公开的一些实施例中，在步骤A之前，该制备方法还包括：步骤1：对Apical基底层进行清洁与烘烤；以及步骤2：对磁控溅射设备的高纯石墨靶材表面进行溅射清洗。
在本公开的一些实施例中，该制备方法还包括步骤D：得到DLC薄膜20后，分别测量DLC薄膜20的厚度与面电阻值。
根据本公开的另一个方面，还提供一种支架，如图3所示，设置在磁控溅射设备的磁控溅射真空腔室内，用于在溅射沉积时使Apical基底层10的正反表面上同时溅射得到DLC薄膜20，包括：第一支架30，用于固定Apical基底层10；第一旋转轴40，垂直设置并与第一支架30连接，用于带动Apical基底层10沿其竖向中线转动；第二旋转轴50，垂直设置并与磁控溅射真空腔室底部的旋转轴耦合，并与第一旋转轴40通过齿轮啮合；以及第二支架60，其竖向中线与第二旋转轴50固定连接，且其任一半侧与第一旋转轴40连接；其中，第一旋转轴40带动Apical基底层10沿其竖向中线自转，并且第二支架60带动Apical基底层10沿第二旋转轴50公转，通过使用多轴支架，能够在Apical基底层10的正反两面同时溅射沉积DLC薄膜20，使得Apical基底层10双面的DLC薄膜20溅射沉积条件高度一致，保证了Apical基底层10双面的DLC薄膜20厚度一致、均匀，能够有效提高后期探测器的均匀性等性能。
以下以一具体实施例验证本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架的有益效果：
如图4所示，使用Teer 650磁控溅射设备制备本公开实施例提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材，该磁控溅射设备包括电源系统、磁控溅射真空腔室、真空系统以及冷却系统，在磁控溅射真空腔室内部包含2个高纯的碳靶以及一个本公开实施例提供的支架。
步骤100：对Apical基底样品进行预处理，包括以下步骤：选取厚度为50μm的绝缘Apical薄膜材料作为基底，基底材料面积约为15cm×15cm。使用酒精对样本材料进行擦拭清洁，用无尘布擦干样品表面，并将样品放置在烘箱中，设置烘箱温度为70度，烘烤样品10小时；
步骤200：对高纯石墨靶材表面溅射清洗，包括以下步骤：将磁控溅射真空腔室抽至1.5×10-5Torr真空度，打开冷却系统，开启电源系统，通入流量为16sccm高纯氩气，在弱磁场的高纯石墨靶材上设置偏压为100V，设置靶材电流为3A，对高纯石墨靶材表面进行溅射清洗20分钟；
步骤300：固定Apical基底层10样品，包括以下步骤：将Apical基底层使用鳄鱼夹固定在第一支架30上，同时将一块3cm×8cm的载玻片固定在第二支架60上另一侧与第一支架对应设置的另一自转支架上，两个自转支架处于相同的溅射环境下，溅射结束后通过测量载玻片上DLC薄膜的厚度，从而能够得到Apical基底层上DLC薄膜的厚度，第二支架耦合连接到真空腔室内部的旋转轴上，调整样品位置，使得样品高度位于弱磁场高纯靶材的中部，靶材与样品间距为15厘米；
步骤400：对磁控溅射真空腔室抽真空，包括以下步骤：打开真空系统，当真空度抽至3×10-5Torr时，打开冷却系统以及电源系统，设计程序手动抽取异丁烷(C4H10)气路中管壁残留的气体10分钟～20分钟，打开C4H10气体阀门，设置C4H10流量为3.2Sccm；
步骤500：在Apical底基层10正反面同时制备类金刚石碳基薄膜，包括以下步骤：在磁控溅射真空腔室内部通入高纯度的氩气，流量为16Sccm/分钟，保持真空腔室内部气压为7.4×10-4Torr，设置真空腔室内部旋转轴的转速为10转/分钟；首先，在待镀基材(Apical底基层10)上施加300V的偏压，对基材表面进行等离子体轰击、刻蚀5分钟；然后，调节基材上偏压为30V，靶上电流设置为3.5A，溅射时间设置为240分钟，在基底样品正反面溅射沉积得到DLC薄膜20；接着，关闭电源系统，保持冷却系统正常工作，对真空腔室抽真空至1×10- 6Torr以下，使得Apical基底层10表面制备的DLC薄膜20在真空环境下冷却120分钟；
步骤600：对得到的DLC薄膜20进行测量，包括以下步骤：将DLC薄膜20以及载玻片从第一支架30上取下后，使用二维轮廓仪测量DLC薄膜20的厚度；使用Agilent U1252B万用表测量DLC薄膜20的电阻值。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供的用于GEM探测器放大单元的阻性基材、制备方法及支架中Apical基底层正反面的DLC薄膜在同一条件下溅射得到，能够抵消DLC薄膜对于Apical基底层的内应力，使得薄膜平整均匀，并且DLC薄膜厚度可达1微米左右，能够在GEM探测器刻蚀加工时对绝缘Apical基底层起到保护的作用，此外，该DLC薄膜的面电阻值能够控制在几十MΩ/□至几百MΩ/□之间能够有效抑制探测器的打火放电。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材，包括：
Apical基底层；以及
DLC薄膜，分别形成于所述Apical基底层的正反表面上，用于探测器放大单元的阻性电极，以及保护所述Apical基底层；
其中，所述Apical基底层正反表面上的DLC薄膜在同一条件下溅射得到。
2.根据权利要求1所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材，所述DLC薄膜的面电阻值介于20MΩ/□至500MΩ/□之间。
3.根据权利要求1所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材，其中：
所述Apical基底层的厚度介于45μm至55μm之间；
所述DLC薄膜的厚度介于0.8μm至1.2μm之间。
4.一种用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，利用磁控溅射设备实现，包括：
步骤A：对Apical基底层进行固定；
步骤B：对Apical基底层表面进行等离子体轰击刻蚀；
步骤C：在Apical基底层的正反表面上同时溅射沉积得到DLC薄膜。
5.根据权利要求4所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，所述步骤C中：
通过调节溅射沉积的时间调节DLC薄膜的厚度；
通过掺入C4H10气体，并控制C4H10的流量，调节DLC薄膜的面电阻值。
6.根据权利要求4所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，所述步骤A中，所述Apical基底层的高度位于磁控溅射设备中弱磁场高纯靶材的中部，靶材与Apical基底层间距介于12cm至18cm之间。
7.根据权利要求4所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，所述步骤B和所述步骤C在真空环境下进行。
8.根据权利要求4所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，还包括：
步骤1：对Apical基底层进行清洁与烘烤；以及
步骤2：对磁控溅射设备的高纯石墨靶材表面进行溅射清洗。
9.根据权利要求4所述的用于GEM探测器放大单元的阻性基材的制备方法，还包括步骤D：得到DLC薄膜后，分别测量所述DLC薄膜的厚度与面电阻值。
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