CN113451089B - 采用刻蚀技术扩大mcp开口面积比的方法及mcp - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法及MCP。在常规微通道板的腐蚀工序之后，通道阵列已完成制作，此时，增加一个刻蚀的步骤，采用一定角度的定向的反应离子刻蚀或离子束物理刻蚀，对MCP通道阵列的输入面进行刻蚀处理，处理过程中使得MCP基底进行自转，由此可获得轴对称的扩口结构，显著扩大MCP输入面的开口面积比，结合输入面镀制较浅电极技术，在不影响其他性能的情况下，显著提高MCP对于输入信号的探测效率。同时，在此基础上，在输入面镀制具有高二次电子发射系数的膜层材料，可进一步的提升探测效率。

Description

采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法及MCP

技术领域

本发明涉及真空光电探测技术领域，具体而言涉及一种可应用于像增强器、光电倍增管、微通道板组件等多种粒子与辐射探测器件的扩口MCP元件，通过采用一定方法对MCP进行扩口，提高对有效信号的探测效率与探测性能。

背景技术

微通道板(Microchannel Plate，MCP)是于20世纪60年代末开发成功的一种简单紧凑的电子倍增器件，可以探测带荷粒子、电子、X射线和UV光子，具有低功耗、自饱和、高速探测和低噪声等优点，并以多种形式应用于各类探测器中。微通道板的形状如一聚集了上百万个细微的平行空心玻璃管的薄圆片，每一空心管通道的作用犹如一个连续的打拿极倍增器，薄片两端面镀有镍铬金属薄膜。

开口面积比为微通道板工作区的通道开口面积与整个工作区面积之比。开口面积比决定微通道板的探测效率，并在一定程度上影响微通道板的噪声因子。微通道板的开口面积比(Open area ratio，OAR)的计算公式为：

其中d为通道孔径，D为通道中心距。0.907为常规圆形孔径微通道板开口面积比的几何形状系数，通过适当的扩大通道孔径，减小通道间距，可增大开口面积比，获得大的入射效率，从而提高探测效率，但若完全考虑追求大的开口面积比参数，会给微通道板的工艺制造带来非常大的困难。通常微通道板的开口面积比为58％～63％。

为了提高微通道板的开口面积比，有一个研究方向是将微通道板输入面的通道口处理成漏斗状，即MCP扩口，使开口面积比达到70％甚至80％的。美国的Galileo公司曾进行过这方面的工作，但由于工艺难度大，这项技术没有进入实质性应用。在MCP扩口方面，国内外多家单位进行了研制，发表了多篇论文并申请了多项专利：

专利US 6311001B1《Microchannel Plate having microchannels withfunneled operating and method for manufacturing same》提出了采用溶液腐蚀方法进行MCP的扩孔；专利US 6917144B2《Microchannel Plate having input/output facefunneling》同样采取了不同的腐蚀溶液调整腐蚀的顺序实现MCP扩口；专利US6876802B2《Microchannel Plate having microchannels with deep funneled and/or stepfunneled operating and method for manufacturing same》进一步调整了腐蚀的方法与顺序，实现更深度以及阶梯形的扩孔；专利CN 103646836 A《一种采用溶剂刻蚀法制备喇叭口微通道板的方法》同样采用化学溶液腐蚀的方法实现MCP的扩口；博士论文《MCP扩口工艺的理论、实验与测试技术研究》对MCP扩口对性能影响的进行了深入的理论研究，并开展了化学溶液腐蚀法进行MCP扩口的系列研究；专利CN 207282449 U《一种低延迟脉冲、低串扰、高收集效率微通道板》提出了一种大开口MCP的模型，设计电极膜层的形状为锥形并镀制高二次电子发射膜层以提高开口面积比，并未对MCP基底进行扩孔，也未说明锥形电极具体的实现方法。

上述多个论文/专利公开的内容，主要是基于化学溶液腐蚀的方法对于MCP进行扩口，工艺复杂，实现难度大，且会带来多种的影响，很难在批量生产中实现应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，主要包括：在微通道板(MCP)的腐蚀工序之后、烧氢之前，先采用干法刻蚀技术对已形成的通道阵列输入面进行处理：采用一定角度的定向的反应离子刻蚀或离子束物理刻蚀，对MCP输入面进行刻蚀，刻蚀的过程中，MCP基底以通道的指向为旋转轴进行自转，由此可获得轴对称的扩口结构，显著扩大MCP输入面的开口面积比，在完成刻蚀处理之后，

作为可选的实施例的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其中MCP在腐蚀工序之后、烧氢工序之前，采用一定角度的定向刻蚀工艺，对MCP通道阵列的输入面进行刻蚀处理，处理过程中使得MCP以通道指向为旋转轴进行自转，由此获得轴对称的扩口结构，扩大MCP输入面的开口面积比。

优选地，所述MCP的开口面积比达到90％以上。

优选地，所述定向刻蚀工艺为干法刻蚀，包括反应离子刻蚀(ICP/RIE)或者离子束刻蚀(IBE)中的一种。

优选地，针对于铅硅酸盐玻璃材料的微通道板，其以二氧化硅为主体框架架构，反应离子刻蚀(ICP/RIE)工艺采用氟基气体，例如六氟化硫，作为反应离子的来源，以产生F离子，在定向射频电压作用下，与二氧化硅主体框架架构发生反应，实现定向刻蚀。

优选地，对于离子束刻蚀(IBE)工艺，采用Ar离子源，产生Ar离子/原子，对MCP输入面表面进行定向刻蚀，形成喇叭口形状，扩大MCP开口。

优选地，所述定向刻蚀工艺在微通道板输入面进行刻蚀处理，在输入面上，通道壁被刻蚀厚度X的范围满足：其中D为所刻蚀MCP的通道间距，d为通道孔径。

优选地，所述通道壁被刻蚀厚度X的范围选择为

优选地，MCP通道内刻蚀深度H范围为0.3d～5d。

优选地，在刻蚀处理过程中，MCP转动速度范围为1r/min～200r/min；刻蚀角度为45°。

优选地，在烧氢后进行电极膜层镀制，镀膜深度范围为0.3d～1d，镀膜厚度小于100nm。

根据本发明的实施例还提出一种根据前述方法制备的MCP的，其开口面积比达到90％以上。

由此，通过上述本发明的工艺处理，对MCP进行扩口，扩大开口面积比。然后，再进行烧氢、镀膜，其中镀膜过程中，输入面镀电极膜层深度尤其需要浅，减小对于MCP探测效率的影响，以此提高对有效信号的探测效率以及增益等探测性能而不影响其他方面性能。同时，在此基础上，在输入面可以镀制具有高二次电子发射系数的膜层材料，可进一步的提升探测效率。

所述采用刻蚀技术制作的扩口MCP，在电极膜层镀制结束后，可直接进行使用，也可增镀具有高二次电子发射系数的膜层材料，减少镀制金属电极对于探测效率的影响，充分发挥扩口MCP的优势，所镀材料包括氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁等，所镀膜层深度不低于电极镀膜深度。

所述采用刻蚀技术制作的扩口MCP，可单片单独应用，或使用双片呈“V”字型叠加，或者使用三片呈“Z”字型叠加的MCP堆中输入端的首片，应用于各种光电探测、粒子探测等方向，如光电倍增管、像增强器、质谱仪等，提高对有效信号的探测效率以及增益等探测性能而不影响其他方面性能。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例。

图1是本发明示例性实施例的干法定向刻蚀制作扩口MCP的原理模型。

图2是本发明示例性实施例的定向刻蚀示意图与扩口前后MCP结构示意图。

图3是本发明示例性实施例的基于离子束(IBE)刻蚀的示意图。

图4是本发明示例性实施例的通道壁单侧刻蚀后的实际非直线型形状示意图。

图5是本发明示例性实施例的MCP开口面积比锁着侧壁刻蚀厚度/刻蚀时间的变化趋势示意图。

图6是本发明示例性实施例的基于60％开口面积比MCP不同刻蚀程度对应的开口面积比与形貌示意图，其中刻蚀深度与通道孔径相同，即刻蚀角度为45°。

图7是本发明示例性实施例的基于反应离子刻蚀(ICP/RIE)刻蚀的示意图。

附图标记说明：

1-通道壁；2-通道壁被刻蚀部分；3-扩口前MCP；4-扩口后MCP；5-Ar离子源；6-Ar离子/原子；7-MCP承载工装自转轴；8-刻蚀工件盘，作为MCP安装盘；9-MCP基底，作为待蚀刻的MCP工件；10-电感耦合等离子体发生器(ICP)；11-等离子体；12-RF射频电压底电极；13-MCP安装独立自转小工装；15-蚀刻前的实际通道壁；16-MCP通道壁实际被刻蚀部分。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明目的旨在提出一种采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法、扩口MCP及其应用。微通道板的扩口在微通道板腐蚀工序之后、烧氢工序之前，采用一定角度的定向的反应离子刻蚀或离子束物理刻蚀，对MCP通道阵列的输入面进行刻蚀处理，处理过程中使得MCP基底本身进行自转，由此可获得轴对称的扩口结构，显著扩大MCP输入面的开口面积比，扩大程度可达到90％甚至达到100％，结合输入面镀制较浅电极技术，在不影响其他性能的情况下，显著提高MCP对于输入信号的探测效率。

本发明采用定向刻蚀技术对MCP进行扩口，结合图1所示的原理模型，为方便计算，不考虑镀膜的影响，斜切角设置为0°。图1中，标号1表示通道壁，标号2表示通道壁被刻蚀部分。

通道侧壁被刻蚀的效果是开口面积比增大，而通道表面被刻蚀的效果为板厚整体减薄一些，由于减薄厚度与板厚相比可忽略不计，所以此部分不做考虑。

侧壁刻蚀厚度对于开口面积比的影响情况如下：

①当X小于时，开口面积比为：

OAR≈0.907×[(d+2x)/D]²(2)

②当时，开口面积比≥90.7％，随着刻蚀厚度的增加，开口面积比更加缓慢的增加；

③当时，开口面积比达到100％，再继续刻蚀无继续提升开口面积比作用。

D为通道间距；

d为通道孔径；

H为通道内离子所能够刻蚀到的深度；

X为输入端，通道壁被刻蚀厚度；

θ为刻蚀离子入射方向与输入面的夹角；

V为刻蚀离子垂直入射至MCP玻璃材料时的刻蚀速率。

在本发明的实施例中，微通道板通道孔径范围为1um～40um，通道孔径越大，伴随着通道壁越厚，刻蚀所需时间越长，因此采用定向刻蚀技术更加适用于小孔径MCP，优选的，MCP孔径范围为1um～12um。

MCP通道内刻蚀深度H范围为0.3d～5d，比0.3d更小时，刻蚀角度θ很小，刻蚀过程容易出现遮挡问题；刻蚀角度太大时，易出现通道壁破裂问题。

优选地，对MCP刻蚀扩口的过程中，MCP以通道指向为旋转轴进行自转，转动速度范围为1r/min～200r/min，刻蚀角度选择为45°，从而可获得轴对称的扩口结构，如图2所示。

优选地，采用刻蚀技术制作的扩口MCP，在烧氢后进行电极膜层镀制，镀膜深度范围为0.3d～1d，镀膜厚度小于100nm，减小镀膜对于开口面积比的影响。

实施例1

我们以常用的探测级MCP为例，通道孔径为12um，通道间距为15um，板厚为0.48mm，长径比为40。

结合图2和图3所示，采用离子束刻蚀(IBE)方法进行MCP扩口，采用Ar离子源5产生的Ar离子/原子6，对对MCP基底9进行蚀刻，即对MCP输入面表面进行定向刻蚀，形成喇叭口形状，扩大MCP开口。

如图3所示，在具体的蚀刻操作过程中，将腐蚀后已形成通道阵列的MCP基底9安装于离子束刻蚀机的刻蚀工件盘8上。安装时，可通过夹具使得MCP基底9的通道指向与工件盘面垂直。调整承载MCP基底9的角度使得刻蚀深度为0.3d-5d范围内。

优选的，调整工件盘转动角度为45°，即刻蚀角度为45°，刻蚀深度为1d，即12um。

蚀刻的过程中，控制刻蚀工件盘8围绕MCP承载工装自转轴以设定的转动角和速度转动。

优选地，MCP刻蚀扩口的过程中，安装MCP基底的工件盘进行沿着其转动轴进行自转，转动速度范围为1r/min～200r/min。优选的，转动速度为10rmin。

本实施例中，侧壁刻蚀厚度范围为0um-2.66um。刻蚀之后，通道侧壁形貌如图4所示，白色的区域为刻蚀掉的部分，即MCP通道壁实际被刻蚀部分16，黑色部分表示为蚀刻前的实际通道壁，如标号15所示。

随着侧壁刻蚀厚度的增加，开口面积比的逐渐增加，起始阶段成线性增加，当开口面积比超过90％之后，开口面积比的增加逐渐放缓，如图5所示。

图6示例性的表示了不同的刻蚀深度对应的开口面积比以及孔的形貌。

侧壁刻蚀厚度与开口面积比的关系如下表：

序号	刻蚀厚度	开口面积比	开口面积比增大量
				1	0um	58％	0％
2	0.75um	73％	15％
				3	1.5um	90.7％	32.7％
4	2.66um	100％	42％

采用刻蚀技术制作的扩口MCP，刻蚀之后进行烧氢，烧氢后进行电极膜层镀制，镀膜深度范围为0.3d～1d，镀膜厚度小于100nm。优选的，镀膜深度为0.3d，镀膜厚度为50nm。

在电极膜层镀制结束后，再增镀具有高二次电子发射系数的膜层材料，所镀材料包括氧化铝、氧化硅、氧化钛、氧化镁中的一种。优选的，镀制氧化铝膜层，镀膜深度为0.5d，镀膜厚度为10nm。

所述采用刻蚀技术制作的扩口MCP，可单片单独应用，或采用双片呈“V”字型叠加的MCP堆中输入端的首片，或三片呈“Z”字型叠加的MCP堆中输入端的首片，应用于各种光电探测、粒子探测等方向，如光电倍增管、像增强器、质谱仪等，提高对有效信号的探测效率以及增益等探测性能而不影响其他性能。

实施例2

图7中示例性的表示了基于反应离子刻蚀技术进行MCP扩口，扩大MCP的开口面积比，获得扩口MCP，提高对有效信号的探测效率以及增益等探测性能而不影响其他方面性能。

其中，使用反应离子进行蚀刻时，可将MCP基底安装到反应离子刻蚀设备工装盘上，可以设置多个通过电机驱动自转动的工装盘，即MCP安装独立自转小工装13，按照IBE蚀刻的方法进行MCP的装夹，实现多个独立工位的独立蚀刻处理。如图7所示，标号10表示电感耦合等离子体发生器(ICP)，标号11表示等离子体，标号12表示RF射频电压底电极。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，所述MCP在腐蚀工序之后、烧氢工序之前，采用一定角度的定向刻蚀工艺，对MCP通道阵列的输入面进行刻蚀处理，处理过程中使得MCP以通道指向为旋转轴进行自转，由此获得轴对称的扩口结构，扩大MCP输入面的开口面积比；

其中，所述定向刻蚀工艺为干法刻蚀，包括反应离子刻蚀工艺或者离子束刻蚀工艺中的一种。

2.根据权利要求1所述采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，所述MCP的开口面积比达到90％以上。

3.根据权利要求1所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，对于铅硅酸盐玻璃材质的微通道板，其以二氧化硅为主体框架架构，所述定向刻蚀工艺选择反应离子刻蚀工艺，其采用氟基气体作为反应离子的来源，以产生F离子，在定向射频电压作用下与二氧化硅主体框架架构发生反应，实现定向刻蚀。

4.根据权利要求3所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，所述定向刻蚀工艺选择离子束刻蚀工艺，采用Ar离子源，产生Ar离子和原子，对MCP输入面表面进行定向刻蚀，形成喇叭口形状，扩大MCP开口。

5.根据权利要求1所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，所述定向刻蚀工艺在微通道板输入面进行刻蚀处理，在输入面上，通道壁被刻蚀厚度X的范围满足：其中D为所刻蚀MCP的通道间距，d为通道孔径。

6.根据权利要求5所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，所述通道壁被刻蚀厚度X的范围选择为

7.根据权利要求5所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，MCP通道内刻蚀深度H范围为0.3d～5d。

8.根据权利要求5所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，在刻蚀处理过程中，MCP转动速度范围为1r/min～200r/min；刻蚀角度为45°。

9.根据权利要求5所述的采用刻蚀技术扩大MCP开口面积比的方法，其特征在于，在烧氢后进行电极膜层镀制，镀膜深度范围为0.3d～1d，镀膜厚度小于100nm。

10.一种根据权利要求1-9中任意一种所述的方法制备的MCP，其开口面积比达到90％以上。