DE3709298C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie Vielfachanordnungen davon.

Ein derartiger Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher ist aus der DE- AS 19 02 293 bekannt. Dort wird dem axialen Beschleunigungs­ feld eine von der Achsrichtung abweichende Feldkomponente überlagert. Durch diese Maßnahme werden die Elektronen auf ei­ nem kürzeren Weg zum nächsten Aufprall auf die Sekundäremissi­ onsschicht geführt, wodurch sich die Baulänge verkürzt, jedoch nicht ausreichend für den Einsatz in miniaturisierten Meßsystemen.

Gemäß der US 46 49 314 wird angestrebt, bei einer Vielfach­ schichtung paralleler Dynodenanordnungen durch die Formung ihrer Sekundärelektronenemissionsflächen die Einfangwirksamkeit für die Elektronen in den parallelen Kanalbereichen zu verbessern.

Ein weiterer sandwich-artiger Aufbau einer Vielfachanordnung von Sekundärelektronenvervielfachern ist in der US 40 41 343 beschrieben. Über Bohrprozesse werden Kanäle erzeugt, in denen dann die Sekundärelektronenverfielfachung stattfindet.

Ein Einsatz dieser Anordnungen in miniaturisierten Meßsystemen ist nicht vorgesehen und aufgrund ihres Platzbedarfs auch nicht möglich.

Bekannt sind auch Mikro-Kanalplatten (Nuclear Instruments und Methods 162, 587-601 (1979). Sie erfüllen zwar die Anforde­ rung des kleinen Raumbedarfs, weisen jedoch eine erhebliche Totzeit nach einem Signalimpuls auf, woduch ihre Anwendbar­ keit auf sehr schwache Strahlungs- und Teilchensignale be­ schränkt bleibt.

Weiterhin sind auch geschichtete Kanalplatten bekannt (Advan­ ces in Electronics and Electron Physics 33A, 117-123 (1972)). Sie vermeiden zwar den Nachteil einer langen Totzeit, weisen jedoch von Stufe zu Stufe erhebliche Elektronenverluste auf, wodurch sie wiederum für Anwendungen mit extrem kleinen Strah­ lungs- oder Teilchensignalen ungeeignet sind. Weiterhin sind geschichtete Kanalplatten bekannt (DE 24 14 658 C2), bei denen solche Verluste durch Formung der Kanalwände mittels Ätzen verkleinert werden sollen, jedoch sind dieser Art von Formge­ bung enge Grenzen gesetzt. Schließlich sind aus der Hochener­ giephysik Arrays von Sekundärelektronenvervielfachern bekannt (F. Binon et al., Nuclear Instruments and Methods, A248 (1986), 86-102). Durch ihren großen Platzbedarf sind sie für den Auf­ bau miniaturisierter Meßsysteme vollständig ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem aufge­ zeigten Stand der Technik einen Mikro-Sekundärelektronenver­ vielfacher und Arrays davon zu schaffen, die einen äußerst geringen Platzbedarf, eine hohe Zeitauflösung, eine große Em­ pfindlichkeit und eine hohe Flexibilität bei der Formgebung aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Die übrigen Ansprüche 2 bis 8 geben vorteilhafte Weiterbil­ dungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstan­ des an.

Die erfindungsgemäßen Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnungen (Arrays) davon als Sensoren in minia­ turisierten Meßsystemen für Strahlung oder Teilchen zeichnen sich in vorteilhafter Weise durch geringen Raumbedarf sowie hohe Orts- und Zeitauflösung aus.

Durch Einsatz von Röntgentiefenlithographie und Mikrogalvanik wird der Aufbau eines extrem kleinen Systems von diskreten Dynoden erst ermöglicht, deren Form so gewählt ist, daß die Elektronen von einer Dynode auf die nächste fokussiert und Elektronenverluste so minimiert werden. Die Empfindlichkeit wird dadurch vorteilhaft beeinflußt. Die Spannungsversorgung der Dynoden über diskrete Leiterbahnen gestattet es, die ex­ terne Versorgung an die Signalamplitude anzupassen, so daß der dynamische Bereich des Mikro-Sekundärvervielfachers sehr groß wird. Durch die stark reduzierte Länge des Sekundärelek­ tronenvervielfachers ist die Elektronenlaufzeit von Kathode zu Anode verkürzt, was sich günstig auf die Anstiegszeit von Im­ pulsen und damit auf die erzielbare Zeitauflösung auswirkt.

Die Herstellung derart feiner Strukturen auf röntgentiefenli­ thographisch-galvanoplastischem Wege (LIGA-Technik) bzw. durch die hiervon abgeleitete Abformtechnik ist u. a. in dem KfK-Be­ richt 3995 des Kernforschungszentrums Karlsruhe (November 1985) beschrieben und dargestellt. Danach wird z. B. ein rönt­ genstrahlenempfindlicher Positiv-Resist auf eine metallische Grundplatte aufgebracht und partiell über eine Maske mit Rönt­ genstrahlen so bestrahlt und danach entwickelt, daß eine Negativform der herzustellenden Stege entsteht, deren Höhe der Schicht­ dicke des Positiv-Resists entspricht; sie kann bis zu 2 mm be­ tragen, je nach der Eindringtiefe der Röntgenstrahlung. An­ schließend wird die Negativform galvanisch mit einem Metall unter Verwendung der Grundplatte als Elektrode aufgefüllt, wo­ rauf das restliche Resist-Material mit einem Lösungsmittel entfernt wird. Bei der Abformtechnik wird ein mit der LIGA- Technik hergestelltes Positiv der herzustellenden Steg-Struk­ tur als wiederholt verwendbares Werkzeug mit einem Kunststoff abgeformt, worauf die so entstandene Negativform durch galva­ nisches Abscheiden von Metall aufgefüllt und der restliche Kunststoff entfernt wird. In beiden Fällen lassen sich extrem genaue und feine Strukturen herstellen mit lateralen Abmessun­ gen im um-Bereich bei einer frei wählbaren Höhe bis zu ca. 2 mm. Bei etwas geringeren Höhen lassen sich auch minimale Ab­ messungen im Submikrometerbereich realisieren. Als Strahlen­ quelle für diesen Zweck ist insbesondere die Röntgenstrahlung eines Elektronen-Synchrotrons oder -Speicherrings (Synchro­ tronstrahlung) geeignet.

Durch die im o. e. KfK-Bericht beschriebenen Herstellungs­ schritte ist es weiterhin möglich, eine große Anzahl von Mi­ kro-Sekundärelektronenvervielfachern nebeneinander auf dersel­ ben Grundplatte als Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher-Ar­ ray aufzubauen. Dadurch wird eine extrem hohe Packungsdichte erreicht, die sich günstig auf das erreichbare räumliche Auf­ lösungsvermögen auswirkt, ein Aspekt, der insbesondere für die Tomographie und für Detektoren in der Hochenergiephysik von Bedeutung ist.

Bei einem Array von Mikro-Sekundärelektronenvervielfachern kann die Position der Signal-Eingänge an vorgegebene Konturen angepaßt werden, z. B. an den Rowland-Kreis, an eine gewölbte Bildfläche oder an einen Zylindermantel wie beim nachstehend als Ausführungsbeispiel beschriebenen Streulichtradiometer.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine der Substratplat­ ten mit einer lichtdurchlässigen Wand, die zusätzlich noch Photokathoden trägt, versehen werden und damit der Mikro- Sekundärelektronenvervielfacher(-Array) zu einem Mikro- Photomultiplier(-Array) gemacht werden kann.

Gibt man der lichtdurchlässigen Wand einen linsenförmigen Querschnitt und bringt die Photokathoden auf einem getrennten Träger aus lichtdurchlässigem Material an, so kann man zwi­ schen Lichtquelle und Photokathode eine optische Abbildung herstellen, die sich vorteilhaft auf die Definition des Streu­ volumens und auf das Signal-Rausch-Verhältnis auswirkt.

Der Aufbau eines Mikro-Sekundärelektronenvervielfachers ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt die Dynoden 1, die zu ihrer Spannungsversorgung angebrachten Leiterbahnen 2 sowie die Anode 3. Diese Strukturen sind auf der Grundplatte 4 aufgebracht. Eine zweite Platte trägt, gestrichelt darge­ stellt, eine Glaswand 6, auf der an geeigneter Stelle die Pho­ tokathode 7 aufgebracht ist. Weitere Elektroden 8, 9 dienen der Fokussierung der auf der Photokathode ausgelösten Photo­ elektronen auf die erste Dynode 1. Die Platten werden durch Glaslöten miteinander verbunden und bilden, falls erforder­ lich, ein vakuumdichtes Gehäuse für den Sekundärelektronenver­ vielfacher. Die Vervielfachung erfordert Elektronenenergien von der Größenordnung 100 eV. Mit einem typischen sicheren Be­ triebswert für die Oberflächenfeldstärke von 1 kV/mm ergibt sich ein minimaler Leiterbahnabstand von 0,1 mm und bei 9 Dynoden mit einer Kantenlänge von je 1 mm eine Gesamtlänge von ca. 10 mm. Oberflächenaufladung und daraus folgende elektri­ sche Überschläge werden durch die, wenn auch schwache, Leitfä­ higkeit der Oberflächenschicht der Wände vermieden.

Fig. 2a zeigt schematisch eine parallele, ebene Vielfachan­ ordnung von Mikro-Sekundärelektronenvervielfachern. Hier sind zahlreiche Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher nebeneinander angeordnet und die Führung der Leiterbahnen 2 entsprechend an­ gepaßt worden. Fig. 2b zeigt schematisch eine Vielfachanord­ nung mit gemeinsamen Dynoden 1.

Die Fig. 3a bis 3h zeigen beispielhaft die Herstellung eines Mikro- Sekundärelektronenvervielfachers oder einer Vielfachanordnung (Array), wobei als wichtigste Verfahrensschritte Röntgentie­ fenlithographie mit Synchrotronstrahlung und Galvanoformung eingesetzt werden. Eine detaillierte Beschreibung dieser Pro­ zesse ist von E. W. Becker, W. Ehrfeld, P. Hagmann, A. Maner und D. Münchmeyer: "Fabrication of mikrostructures with high aspect ratios and great structural heights by synchrotron radiation lithography, galvanoforming, and plastic moulding (LIGA- process)" Mikroelektronic Engineering 4 (1986) 35-36 angege­ ben. Fig. 3a zeigt eine Grundplatte 4 aus Aluminiumoxid-Kera­ mik. Die Dicke der Grundplatte 4 beträgt etwa 1 mm, die Fläche etwa 10 cm × 10 cm. Die Grundplatte 4 wird durch Auf­ schleudern mit einer dünnen Schicht 11 aus Fotolack beschich­ tet und nach Herstellerangaben vorbehandelt (Fig. 3b). In be­ kannter Weise wird der Fotolack über eine Maske lithographisch bestrahlt und entwickelt, so daß eine Fotolackstruktur 12 auf der Grundplatte 4 entsteht (Fig. 3c). Anschließend wird durch einen Sputterprozeß ganzflächig zunächst eine 30 nm dicke Schicht 13 aus Titan und dann eine weitere 200 nm dicke Schicht 15 aus Nickel abgeschieden. Sodann wird der Fotolack 12 mit Aceton im Tauchbad entfernt, wobei auch Metallschich­ ten, die sich auf der Fotolackstruktur 12 befinden, entfernt werden. Es verbleibt eine Metallschichtstruktur 13, 15 auf der Grundplatte 4 (Fig. 3d). Wie im o. g. Artikel beschrieben, wird nun in einer Dicke von 1 mm eine Schicht 14 aus einer Polyme­ thylmethacrylat-Gießmasse (PMMA) aufgegossen, polymerisiert und dann mittels Röntgentiefenlithographie mit Synchrotron­ strahlung und anschließendem Entwickeln strukturiert (Fig. 3f). In die so gefertigte Formstruktur 16 aus PMMA wird galva­ nisch Nickel abgeschieden, das die Dynoden 1 des Mikro-Sekun­ därelektronenvervielfachers darstellt. Anschließend werden die verbliebenen PMMA-Bereiche 16 in einem Lösemittel entfernt (Fig. 3g). In gleicher Weise werden in denselben Arbeits­ schritten durch Vorgabe entsprechender Strukturen auf den in den Lithographieprozessen verwendeten Masken andere Elemente des Mikro-Sekundärelektronenvervielfachers wie etwa Anoden, Abschirmungen und dergleichen parallel mit den Dynoden 1 ge­ fertigt. Analog zu den Prozeß-Schritten in Fig. 3a bis 3d wird nun eine zur Grundplatte 4 in Fig. 3d spiegelsymmetrische Deckplatte 10 mit Metallstrukturen 17 hergestellt. Die Metall­ struktur 17 wird durch Diffusionslöten mit Silber mit den Dynoden 1 verlötet, wodurch der Mikro-Sekundär­ elektronenvervielfacher, bestehend aus einer Grundplatte 4, einer Deckplatte 10, diskreten Dynoden 1, Leiterbahnen 2 zur Kontaktierung der Dynoden und Leiterbahnen für die vertikale Fokussierung der Elektronen, fertiggestellt wird (Fig. 3h).

Eine weitere Methode zur Herstellung der Mikrostrukturen be­ steht in der Abformtechnik. Dabei wird durch Röntgentiefenli­ thographie mit Synchrotronstrahlung ein Positiv der herzustel­ lenden Dynodenstruktur als wiederholt verwendbares Werkzeug mit einem Kunststoff abgeformt, worauf die entstandene Nega­ tivform durch galvanisches Abscheiden von Metall und der rest­ liche Kunststoff entfernt wird. Die für die Fixierung und Kon­ taktierung der Dynoden erforderliche Grundplatte wird beim Ab­ formprozeß in das Werkzeug eingelegt, so daß der Kunststoff mit der Grundplatte eine feste Verbindung eingeht. Sowohl die direkte Herstellung der Mikrostrukturen durch Röntgentiefenli­ thographie mit Synchrotronstrahlung als auch die Abformtechnik ermöglichen extreme Strukturgenauigkeiten mit Lateralabmessun­ gen im um-Bereich bei einer frei wählbaren Höhe bis zu ca. 2 mm.

Als Anwendungsbeispiel wird ein Vielkanal-Streulichtradiometer (Fig. 4) herangezogen. Bekanntlich ist die Streuung von Licht an kleinen Teilchen ein wichtiges Hilfsmittel bei der Untersu­ chung von Größen- und Formparametern in Teilchensystemen (M. Kerker, The Scattering of Light, Academic Press, New York, 1969). Eine der Methoden, die am meisten Information liefert, ist die Messung der Winkelverteilung des gestreuten Lichts. Besonders günstig für das Signal-Rausch-Verhältnis, die benö­ tigte Meßzeit und die Zeitauflösung ist die simultane Messung des Streulichts unter vielen verschiedenen Winkeln. Die er­ findungsgemäßen Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher-Arrays erlauben den Aufbau wesentlich kleinerer, empfindlicherer und robusterer elektronischer Vielkanaldetektoren als es dem Stand der Technik entspricht (Deutsches Patent 23 38 481, US-Patent 39 32 762, Deutsches Gebrauchsmuster G 84 15 886.7). Die Versor­ gung der Dynoden über Leiterbahnen erlaubt die Bildung von Gruppen von Vielkanal-Mikro-Sekundärelektronenvervielfachern, die an verschiedene Spannungsversorgungen angeschlossen werden können. Dadurch kann die Empfindlichkeit als Funktion des Streuwinkels der Streulicht-Winkelverteilung angepaßt werden. Dies bedeutet beispielsweise, daß im Falle von stark vorwärts streuenden Teilchen, wo der Intensitätsunterschied zwischen vorwärts und rückwärts mehrere Größenunordnungen betragen kann, der hintere Detektorbereich, etwa 90-180°, mit der maximalen Verstärkung, der mittlere Bereich, etwa 20°-90°, mit einer mittleren Verstärkung und der vordere Bereich, 0°-20°, gerade unterhalb des Einsatzes von Sättigungseffekten gefahren werden können.

Auf einer ringförmigen Grundplatte 4 werden zwei sektorförmige Gebiete mit Vielfachanordnungen (Arrays) von Mikro-Sekundärelek­ tronenvervielfachern 19 versehen. Die Eingänge der Mikro-Sekun­ därelektronenvervielfacher 19 sind dabei auf je einem Kreisbo­ gen angeordnet und weisen zum Mittelpunkt 28 der Grundplatte 4. Die Sektor-Gebiete werden von je einer Glaswand 6 umschlos­ sen, die auf ihrem inneren Bogen Photokathoden trägt, die je­ weils einem Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher zugeordnet sind.

Die Glaswände 6 sind mit je einer Deckplatte 10 nach oben ver­ schlossen, so daß eine vakuumdichte Umhüllung der Viel­ fachanordnung (Arrays) entsteht. Die Signalausgänge der Mikro­ sekundärelektronenvervielfacher 19 werden mit Leiterbahnen 2 zum äußeren Rand der Grundplatte 4 geführt, wo sich Kontakte 20 zum externen Anschluß befinden. Die Leiterbahnen zur Ver­ sorgung der Vielfachanordnung (Arrays) werden durch metallge­ füllte Bohrungen 21 zur Unterseite der Grundplatte 4 und von da durch Leiterbahnen 22 ebenfalls zu externen Anschlüssen 23 am Außenrand der Grundplatte 4 geführt.

In den freien Sektoren der Grundplatte 4 werden ein Halblei­ terlaser 24, optische Elemente 25, Blenden 26 und ein keilförmiger Lichtsumpf 27 derart angeordnet, daß ein für die Streuung von Licht an Dichtefluktuationen von Materie, die sich im Streuvolumen 28 befindet, geeigneter Strahlengang ent­ steht.

Die in Fig. 4 gezeigte Version macht es möglich, die Symmetrie der Streustrahlung bezüglich der Richtung des einfallenden Primärstrahles zu prüfen. Dies kann von erheblicher Bedeutung sein, z. B. für Systeme nicht-symmetrischer Teilchen, denen durch fluiddynamische oder elektromagnetische Einwirkung eine Orientierung aufgeprägt wurde.

Der flache Aufbau solcher integrierter Meßsysteme erleichtert ihren Einsatz in mehreren Ebenen längs eines Teilchenstrahls und damit die Verfolgung einer zeitlichen Evolution der Teil­ chenparameter. Er eignet sich darüber hinaus gut für die An­ wendung eines Magnetfeldes zur Beeinflussung der Elektronen­ bahnen. Obwohl das herangezogene Anwendungsbeispiel sich auf die Lichtstreuung bezieht, erstreckt sich der Anwendungsbe­ reich auch auf Streuprozesse, bei denen geladene Teilchen, wie Elektronen und Ionen, oder angeregte Neutrale vorliegen, und darüber hinaus auch auf Strahlungs- oder Teilchenquellen, die selbst emittieren.

Bezugszeichenliste

1  Dynoden
2  Leiterbahn
3  Anode
4  Grundplatte, Substratplatte
5  Längsachse
6  Wand, Glaswand
7  Photokathode
8  Elektroden
9  Elektroden
10  Substratplatte, zweite isolierende Platte
11  dünne Schicht aus Fotolack
12  Fotolackstruktur
13  Schicht aus Titan, Metallschicht
14  Schicht aus PMMA
15  Schicht aus Nickel
16  Formstruktur, PMMA-Bereiche
17  Metallstruktur
18  Kontaktierung (Dynoden Leiterbahnen)
19  Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher
20  Kontakte
21  metallgefüllte Bohrung
22  Leiterbahnen
23  externe Anschlüsse
24  Halbleiterlaser
25  optische Elemente
26  Blenden
27  Lichtsumpf
28  Mittelpunkt Streuvolumen

Claims (8)

1. Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher (19), bestehend aus diskreten, mikrostrukturierten, auf wenigstens einer ebenen, elektrisch nichtlei­ tenden Substratplatte (4, 10) angebrachten Dynoden (1), die an elektrischen Leiterbahnen (2) auf wenigstens einer Substratplatte (4, 10) ange­ schlossen sind, und aus einer Anode (3), dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Dynoden (1) auf röntgentiefenlithographischem, röntgentiefenlithographisch-galvanoplastischem Wege hergestellt sind,
• b) die die Sekundärelektronen emittierende Fläche jeder Dynode (1) gekrümmt ist, so daß die Elektronen von einer Dynode auf die nächste fokussiert werden.

2. Vielfachanordnung von Mikro-Sekundärelektronenvervielfachern (19), auch Array genannt, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher (19) auf wenigstens einer Substrat­ platte (4, 10) angeordnet und mit getrennten Ein- und Ausgängen versehen sind.

3. Vielfachanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratplatte (4) und die Dynoden (1) mit ei­ ner zweiten isolierenden Platte (10) abgedeckt sind.

4. Vielfachanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Platten (4, 10) Leiterbahnen (2) tragen, die zur Fokussierung der Elektronen senkrecht zu den Platten (4, 10) dienen.

5. Vielfachanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Dynoden (1) auf der einen Substratplatte (4) und der andere Teil auf der anderen Platte (10) angebracht ist.

6. Vielfachanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Längsachsen (5) der eben aneinandergereihten, mit dem Strahleintrittsbereich zum Beobachtungsraum gerichteten Mikro-Sekundärelektronenvervielfa­ cher (19) schneiden.

7. Vielfachanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen den Platten (4, 10) Wände (6) angebracht sind, die die Mikro-Sekundärelektronenverviel­ facher (19) vakuumdicht verschließen und die in den Strahlein­ trittsbereichen lichtdurchlässige, mit Photokathoden (7) versehene Bereiche haben.

8. Vielfachanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Mikro-Sekundärelektronenverviel­ facher-Kanäle gemeinsame Dynoden (1) haben.