CN111029230A

CN111029230A - 微通道板通道内抛光方法

Info

Publication number: CN111029230A
Application number: CN201911282170.2A
Authority: CN
Inventors: 李江; 陈平香; 栗重浩
Original assignee: Shanxi Chang Cheng Microlight Equipment Co ltd
Current assignee: Shanxi Chang Cheng Microlight Equipment Co ltd
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: CN111029230B

Abstract

本发明公开了一种微通道板通道内抛光方法，涉及电子倍增器微通道板的制造优化领域，针对采用传统工艺已经制造好的微孔阵列玻璃坯件，首先采用硝酸氢氟酸混合液进行超声波振动，再更换新的硝酸氢氟酸混合液磁力搅拌器中搅拌一定时间，采用纯水进行多次换水清洗；其次在氢氟酸+硫酸混液中也采用磁力搅拌器中搅拌一定时间，再采用纯水进行多次换水清洗；然后氢氟酸+硫酸+氟化铵混液中，在磁力搅拌器中搅拌，再采用纯水进行多次换水清洗；最后采用乙醇溶液清洗并放入真空烘箱中烧烤一定时间后，达到对微通道进行内抛光，本发明所提供的内抛光方法，满足ALD工艺对通道壁粗糙度要求的目的，该工艺避免了传统酸腐蚀对通道壁产生破损，造成发射点的问题。

Description

微通道板通道内抛光方法

技术领域

本发明涉及电子倍增器微通道板的制造优化领域，具体为一种微通道板通道内抛光方法。

背景技术

微通道板（简称MCP）是由数百万个空心纤维通道构成的纤维阵列，如图1和图2所示，当在其输入和输出两端面上加上工作电压时，每个通道能够利用二次电子发射的特性对进入通道的电子实现多次倍增，数百万个通道就构成二维连续电子倍增器阵列。其倍增机理就是铅硅酸盐玻璃经氢还原后，在其表面和亚表面分别形成连续的二次电子发射层和半导体层，其二次电子发射系数在2~3之间，在外加电场的作用下，进入通道的电子得以实现多次倍增，而稳定的半导体层将不断补充因倍增后而空缺的电子，由此达到长时间稳定的倍增电子。MCP作为电子倍增器，与传统倍增期相比具有传输、增强电子图像的功能，还具有体积小、重量轻、分辨力好、增益高、噪声低、使用电压低等优点。广泛用于光电倍增管、像增强器、微光电视、X光像增强器、高速示波管，以及光子计数、 X-射线、紫外光子、电子、离子、带电粒子、亚原子粒子等的探测。

常规MCP生产工采用实心法。用三种玻璃材料主：皮料、芯料和实体边料。其中实体边玻璃起支撑、提高强度作用；芯料玻璃被腐蚀掉形成通道；皮料玻璃形成通道内壁。玻璃材料为铅硅酸盐和与之相匹配的芯料玻璃（硼硅酸盐玻璃）。生产工艺则主要按照：实心拉丝、排屏、熔压、切片、光学冷加工、化学腐蚀除芯、氢还原、镀膜、测试检验等十几到工艺，自上世纪六十年代MCP被发明以来，首先在微光像增强器中得到应用，现在也发展到四代，而其性能也因像增强器的总体性能要求的改善而不断得以提高。但是在过去的几十年中，MCP性能由于现有材料特性和工艺处理过程所限制，大大限制了优化MCP性能的能力，主要表现在寿命短、增益低、MCP尺寸难以做大等诸方面。以铅硅酸盐玻璃体系制作的MCP，都需要氢还原工艺以便还原出半导体层，由此导致MCP通道壁表面和亚表面吸附更多的氢气、水蒸气和碳氢化合物，特别是氢气，残留在亚表面内很难抽出，在制作真空器件时，传统工艺制作的MCP，其增益特别是经过除气后的电子增益低、噪声大、寿命短、动态范围偏小。目前制作MCP的工艺一直采用实心工艺，其最大好处是通道排列规整、通道本身几何形状完好，但由于要腐蚀除芯，导致腐蚀后的通道内表面粗糙度Ra在几十纳米甚至上百纳米量级，表面粗糙度增加不仅大大提高了MCP的比表面积，导致吸附气体量的增加，进而增加了除气的难度，而且影响电子倍增过程中的统计涨落，导致随机噪声的进一步增加，降低MCP的信噪比。作为皮料的铅硅酸盐玻璃管一直采用人工拉制，拉制的皮料管材料成分波动大、合格率低、规格差、价格高，极大限制了MCP品质的进一步提高。

随着现代科学技术的迅速发展，MCP的应用范围不断拓宽，已经从传统的直流模式（如微光夜视）拓展到计数模式（如空间探测、高能物理、生化发光等特定领域的单光电子计数探测或成像），而计数模式对MCP的性能要求更加严格，现有材料和工艺已不能满足要求，因此需要在现有传统工艺的基础上，对于微通道板的制造工艺进行改进。该新型微通道板一改传统工艺，是采用原子层沉积技术(ALD)，在规则排列微孔阵列的绝缘材料（如玻璃、塑料）的通道内，分别生长纳米级厚度的半导体层和二次电子发射层，然后在两个端面上蒸镀电极，稳定地实现二次电子的连续倍增，而采用此方法制作MCP，需要微孔阵列玻璃坯件通道排列规整、通道内壁光滑，对微通道的内壁要求高，粗糙度要求在3nm 以下。微孔阵列玻璃坯件可用空芯或实芯工艺制作，但空芯法难度很大，且在通道的一致性、网格和结构强度等不如实芯法，采用实心工艺能够保证通道的规则排列，尺寸一致，但其中腐蚀工艺带来的通道内壁表面粗糙度大的问题，通道内表面粗糙度Ra在几十纳米甚至上百纳米量级，不能满足ALD工艺的要求。因此为了克服传统工艺制作MCP带来的通道壁粗糙度大的问题，需要对通道壁进行抛光，使通道内壁粗糙度减少到3nm 以下，以满足用ALD工艺制作MCP的要求。

发明内容

本发明为了解决新型的微通道板加工工艺中，通道壁粗糙度大的问题，对于微通道板加工工艺中的通道壁加工步骤进行了改进，提供了一种微通道板通道内抛光方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种微通道板通道内抛光方法，采用已经采用传统工艺制造好的微孔阵列玻璃坯件进行如下步骤：

①将微孔阵列玻璃坯件置于硝酸氢氟酸混合液中，在超声波中振动10~20分钟；

②更换新的硝酸氢氟酸混合液，并在磁力搅拌器中搅拌20~40分钟；

③从硝酸氢氟酸混合液取出微孔阵列玻璃坯件，然后将微孔阵列玻璃坯件置于纯水中清洗换水8~15次；

④清洗后将微孔阵列玻璃坯件置于氢氟酸与硫酸的混合液中，并在磁力搅拌器中搅拌20~40分钟；

⑤从氢氟酸与硫酸的混合液取出微孔阵列玻璃坯件，然后将微孔阵列玻璃坯件置于纯水中清洗换水8~15次；

⑥清洗后将微孔阵列玻璃坯件置于氢氟酸、硫酸及氟化铵的混合液中，并在磁力搅拌器中搅拌20~40分钟；

⑦从氢氟酸、硫酸及氟化铵的混合液取出微孔阵列玻璃坯件，然后将微孔阵列玻璃坯件置于纯水中清洗换水8~15次；

⑧更换乙醇溶液，将微孔阵列玻璃坯件置于其中清洗8~15分钟，且每5分钟更换一次新的乙醇溶液；

⑨清洗时间到后，立刻将微孔阵列玻璃坯件放入真空烘箱中，抽空后烘烤一小时。

本发明采用了创新腐蚀工艺，是针对采用传统工艺已经制造好的微孔阵列玻璃坯件进行操作的，首先采用硝酸氢氟酸混合液进行超声波振动，再更换新的硝酸氢氟酸混合液磁力搅拌器中搅拌一定时间，采用纯水进行多次换水清洗；其次在氢氟酸+硫酸混液中也采用磁力搅拌器中搅拌一定时间，再采用纯水进行多次换水清洗；然后氢氟酸+硫酸+氟化铵混液中，在磁力搅拌器中搅拌，再采用纯水进行多次换水清洗；最后采用乙醇溶液清洗并放入真空烘箱中烧烤一定时间后，达到对微通道进行内抛光，满足ALD工艺对通道壁粗糙度要求的目的，该工艺避免了传统酸腐蚀对通道壁产生破损，造成发射点的问题。尤其是通过检测以后发现，抛光前后的通道内壁，有很大差别，内抛光后通道粗糙度减少，达到3 nm。

与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的针对传统工艺制造好的微孔阵列玻璃坯件进行的一种微通道板通道内抛光方法，避免了传统酸腐蚀对通道壁产生破损，造成发射点的问题，而且采用了这种方法后，由此工艺技术制作的MCP，内通道壁的粗糙度达到了3nm以下，其增益比传统铅硅酸盐玻璃制作的MCP高5~10倍、噪声相当或者更低、放气量较低、累计拾取电荷量高一个数量级（有效工作寿命更长）、批生产时主要性能指标分散性小、成品率可望能够提高到50%以上；探索真空烘烤和电子清刷工艺，在保证有效除气的前提下，实现MCP工作性能最佳化。同时这种新型的微通道板还较传统工艺制作的微通道板具有如下优点：

（1）由于采用了全新的原子层薄膜生长工艺，电阻层和二次电子发射层无需过多的电子清刷除气，确保其累计拾取电荷量全部消耗在实际工作之中，故比常规MCP组件有更长的工作寿命；

（2）由于采用新工艺而制作的MCP，能够把单片MCP的增益提高5~10倍，可以很方便地调试出由此制作的MCP-PMT的单光电子状态，获得在单光子状态下的高增益，现行常规MCP组件，实现起来比较困难；

（3）由于该MCP制造工艺无需氢还原工艺，没有H2渗透到玻璃表面、亚表面和体内，大大减轻了除气处理的负担，只需简单的真空烘烤和轻微的电子清刷即可获得了没有任何气体的放大器组件，进而极大地缩短了除气处理的时间和周期，减少了离子反馈。

（4）由于半导体工艺的一致性好，由此制作的MCP，电性能分散性小，相对于传统工艺的MCP，其成品率将得到很大程度的提高。而由此制作的真空器件，其质量也便于控制。

（5）使得MCP的电子放大特性完全不依赖于基底的玻璃材料的特性，从而扩大了基底材料的选择范围，克服了传统MCP选用的铅硅酸盐玻璃管所带来的众多不利因素。

附图说明

图1为微通道板的倍增机理示意图。

图2为微通道板的倍增机理示意图。

图3为微通道板的内抛光前的电镜放大图。

图4为微通道板的内抛光后的电镜放大图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种微通道板通道内抛光方法：采用已经制造好的微孔阵列玻璃坯件进行如下步骤：

本实施例中采用了优选方案：步骤①中，超声波振动时间为15分钟；步骤②、步骤④及步骤⑥中，磁力搅拌器搅拌的时间均为30分钟；步骤③、步骤⑤及步骤⑦中，纯水中清洗换水的次数均为10次；步骤⑧中，乙醇溶液清洗的时间为10分钟，详细如下：

①将微孔阵列玻璃坯件置于硝酸氢氟酸混合液中，在超声波中振动15分钟；

②更换新的硝酸氢氟酸混合液，并在磁力搅拌器中搅拌30分钟；

③从硝酸氢氟酸混合液取出微孔阵列玻璃坯件，然后将微孔阵列玻璃坯件置于纯水中清洗换水10次；

④清洗后将微孔阵列玻璃坯件置于氢氟酸与硫酸的混合液中，并在磁力搅拌器中搅拌30分钟；

⑤从氢氟酸与硫酸的混合液取出微孔阵列玻璃坯件，然后将微孔阵列玻璃坯件置于纯水中清洗换水10次；

⑥清洗后将微孔阵列玻璃坯件置于氢氟酸、硫酸及氟化铵的混合液中，并在磁力搅拌器中搅拌30分钟；

⑦从氢氟酸、硫酸及氟化铵的混合液取出微孔阵列玻璃坯件，然后将微孔阵列玻璃坯件置于纯水中清洗换水10次；

⑧更换乙醇溶液，将微孔阵列玻璃坯件置于其中清洗10分钟，且每5分钟更换一次新的乙醇溶液；

表1为内抛光前后粗糙度数据对比。图3和图4为微通道板的内抛光前后的电镜放大对比图。

表1 内抛光前后粗糙度数据对比

表面粗糙度(surface roughness)是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。

粗糙度高度评定参数：Rq（相对于轮廓平均线偏差的均方根值）：在一个取样长度上，是所有Z值平方和的平均值的平方根；Ra（轮廓算术平均偏差）：在取样长度（lr）内轮廓偏距绝对值的算术平均值，Ra数值越小，零件表面愈趋平整光滑；Ra的数值越大，零件表面愈粗糙，由上表可知，抛光后的Ra数值明显降低；Rmax（轮廓最大高度）：最大轮廓高度在一个取样长度内最高峰到最低谷的值，在评价多个取样长度时，取最大的一个峰谷值。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种微通道板通道内抛光方法，其特征在于：采用已经制造好的微孔阵列玻璃坯件进行如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种微通道板通道内抛光方法，其特征在于：步骤①中，超声波振动时间为15分钟。

3.根据权利要求1所述的一种微通道板通道内抛光方法，其特征在于：步骤②、步骤④及步骤⑥中，磁力搅拌器搅拌的时间均为30分钟。

4.根据权利要求1所述的一种微通道板通道内抛光方法，其特征在于：步骤③、步骤⑤及步骤⑦中，纯水中清洗换水的次数均为10次。

5.根据权利要求1所述的一种微通道板通道内抛光方法，其特征在于：步骤⑧中，乙醇溶液清洗的时间为10分钟。