EP3021351A1 - Sekundärelektronenvervielfacher und verfahren zum herstellen eines solchen - Google Patents

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EP3021351A1
EP3021351A1 EP15194327.1A EP15194327A EP3021351A1 EP 3021351 A1 EP3021351 A1 EP 3021351A1 EP 15194327 A EP15194327 A EP 15194327A EP 3021351 A1 EP3021351 A1 EP 3021351A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
dynodes
optionally
secondary electron
detector
electron multiplier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15194327.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Maria Reinhardt-Szyba
Jörg Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer AG
Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Bayer Technology Services GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krohne Messtechnik GmbH and Co KG, Bayer Technology Services GmbH filed Critical Krohne Messtechnik GmbH and Co KG
Publication of EP3021351A1 publication Critical patent/EP3021351A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers
    • H01J43/06—Electrode arrangements
    • H01J43/18—Electrode arrangements using essentially more than one dynode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J43/00—Secondary-emission tubes; Electron-multiplier tubes
    • H01J43/04—Electron multipliers
    • H01J43/28—Vessels, e.g. wall of the tube; Windows; Screens; Suppressing undesired discharges or currents

Definitions

  • the present invention relates to a secondary electron multiplier especially for use in microsystems with improved manufacturability.
  • the present invention further relates to a method of manufacturing a photomultiplier.
  • Secondary electron multipliers with discrete dynodes serve to multiply low photon, ion and electron currents.
  • the multiplication of low primary electron currents by a photomultiplier is used in electron tubes, for example, in a photomultiplier for amplification.
  • a photomultiplier typically includes a plurality of dynodes, that is, a plurality of individual electrodes from an overall array of discrete electrodes, often in the millimeter range, such as in a range of 5mm or more.
  • each end of a source for the photon, ion or electron flow or a detector for detecting the amplified photon, ion and electron flow may be provided, wherein the source and the detector are further connected to a per se known voltage divider to the individual dynodes can create a defined voltage.
  • focusing devices can be provided in order to allow a suitable alignment of the electrodes, in particular the anode and the cathode, for the purpose of a desired focusing of the charge carrier beam.
  • an accelerator voltage is usually applied across the entire series of dynodes.
  • the voltage can drop between the outermost dynodes and electrons, for example, can be accelerated from dynode to dynode. If an electron strikes the surface of a dynode, further electrons are emitted and the current is amplified.
  • the individual discrete dynodes thus form the amplifier stages of the secondary electron multiplier.
  • the primary charge carriers strike the first discrete dynode and generate more secondary electrons than primary charge carriers are hit on this dynode.
  • ⁇ secondary electrons / primary charge carrier> 1.
  • Normally values of ⁇ 3 to 10 are achieved in the case of secondary electron multipliers, but the secondary electron coefficient here depends not only on the material of the dynodes used but also, for example, on the energy of the primary charge carrier and thus on the voltage between the dynodes.
  • the gain of the photomultiplier is therefore ⁇ n at n dynodes.
  • a secondary electron multiplier comprising an electrically insulating substrate on which a plurality of discrete dynodes and optionally at least one focusing electrode and optionally a detector are arranged. Furthermore, a line structure for applying defined different electrical potentials to the dynodes is provided. A volume positioned spatially between the dynodes and, if appropriate, a volume positioned between at least one dynode and the at least one focusing electrode and optionally a volume positioned between at least one dynode and the detector can be subjected to a vacuum.
  • the secondary electron multiplier is characterized in that at least the dynodes and, if appropriate, the detector and possibly the at least one focusing electrode have a spatial extent in a range of ⁇ 50 ⁇ m to ⁇ 1000 ⁇ m, in particular 100 ⁇ m to ⁇ 750 ⁇ m.
  • secondary electron multiplier In a previously described secondary electron multiplier, it is thus provided in particular not to produce the active structures, in particular the dynodes and, if appropriate, the detector and the focusing electrodes, as is customary in the prior art, in the millimeter range, but rather in a range of ⁇ 1000 ⁇ m and thereby produced by microsystem technology.
  • a prescribed In this way, secondary electron multipliers allow a significantly simplified manufacturability compared to the systems of the prior art, in particular without an additional adjustment step, accompanied by a large variability in shaping and a high amplification potential using microsystem processes for the production of microsystem components and thereby an improved integration into existing systems.
  • a "plurality of dynodes” may mean that at least two and, in principle, any number greater than two may be present on dynodes.
  • discrete dynodes may mean, in a manner understood by those skilled in the art, that the intended dynodes are spatially separated and thus do not touch, so that the discrete dynodes may have a different electrical potential.
  • microsystem components may in particular be understood to mean components which have a maximum extent and thus a size in the length and / or the width and, if appropriate, the height which is in a range of micrometers, in particular 50 ⁇ m to less or equal to 1000 ⁇ m, lies.
  • microsystem components may have a maximum extent or size in the above-described region, in particular in each of the provided planes or three-dimensionally.
  • the length may mean the longest extent of the corresponding structure, whereas the width may be the corresponding transversely extending extent.
  • the height may in particular mean the thickness of the structure, for instance on the substrate.
  • the size of the corresponding structures can be determined in a manner which is readily understood by the person skilled in the art by optical methods, for example by means of scanning electron microscopy.
  • a "microsystem method” is understood to mean a method by which components in the above-described size range can be defined and reproducibly produced or produced.
  • a prescribed secondary electron multiplier thus initially comprises an electrically insulating substrate on which a plurality of discrete dynodes and optionally at least one focusing electrode and optionally a detector are arranged.
  • an electrically insulating substrate can be understood as meaning a substrate whose electrical resistance is sufficiently high so as to allow a desired operation of the secondary electron multiplier and, in particular, to allow the presence of a respective different electrical potential of the dynodes separated from each other.
  • the intended dynodes serve in a conventional manner as the actual gain components of the secondary electron multiplier by these, when primary charge carriers or primary electrons meet in the first direction discrete in the gain direction dynode generate more secondary electrons are taken as primary charge carriers to this dynode, wherein the increased number of electrodes are accelerated toward the next dynode in the gain direction by the respective electric potential of the dynodes so as to cause a boosting effect.
  • This amplification effect is fundamentally in accordance with the basically known operating principle of a secondary electron multiplier.
  • the invention will be described in particular below by amplifying an electron current or electron beam.
  • photon or ion currents can be amplified, for example, if a fundamentally known conversion electrode or a substrate with a photoelectron emitter layer is provided at the entrance of the secondary electron multiplier.
  • a conversion electrode or conversion dynode can generate electrons from ions in a manner known per se.
  • the electrode may comprise an alkali metal or an alkali metal alloy as a coating, whereby electrons may be released upon the impact of an ion beam.
  • a photoelectron emitter layer may be such a layer that releases electrons upon impact of photons or light.
  • a layer may include, for example, sub-oxides of cesium, alkali metals or antimony.
  • the conversion electrode as well as the photoelectron emitter layer can also be arranged approximately on the substrate and manufactured in terms of process technology uniformly with the dynodes, for example by the same methods, whereby a fully integrated photon electron multiplier can be realized.
  • At least one, possibly a plurality, may be provided on so-called focusing electrodes.
  • These electrodes are arranged in particular in the beam path of the electrons at the beginning of the photomultiplier.
  • the electrons first strike or pass through the focusing electrodes as the charge carrier current or the charge carrier beam to be amplified.
  • These electrodes serve to align the electron beam in a particularly defined manner and to direct it to the first dynode. As a result, a particularly defined electron flow and thus a particularly advantageous amplification can be realized.
  • the last dynode in the direction of amplification can be followed by a further electrode serving as a detector, to which the amplified electron current or Carrier current meets after continuous amplification.
  • the detector can also be arranged on the electrically insulating substrate and configured as a microsystem component in the above-described size range and be produced with the same method as the dynodes.
  • the dynodes are provided in a number from greater than or equal to 2 to less than or equal to 20, preferably greater than or equal to 5 to less than or equal to 15, greater than or equal to 5 to less than or equal to 10, the above values not being limiting are. Due to the above-described number of dynodes, however, a high gain can already be combined with a very compact design. In principle, the number of dynodes is to be selected, for example, as a function of the desired amplification factor and, for example, as a function of the pressure or vacuum that can be generated between the dynodes.
  • At least one spatially between the dynodes and optionally between at least one dynode, so in particular the gain first direction dynode, and the at least one focusing electrode, or in the presence of a plurality of focusing electrodes preferably also between the respective focusing electrodes, and optionally between at least one dynode, so in particular the last in the direction of amplification dynode, and the detector positioned volume with a vacuum or a reduced pressure can be acted upon.
  • the dynodes can be arranged in a chamber which can be acted upon with a reduced pressure.
  • such a chamber can be understood to mean, in particular, a chamber which can be closed in a pressure-tight or vacuum-tight manner at least temporarily for using the secondary electron multiplier and which, in particular, can have a connection for connecting a vacuum pump.
  • a vacuum may also be understood as meaning, in particular, a reduced pressure with respect to the ambient atmosphere (1 atm; 1.01325 bar), which, for example but not restricting, in a range of greater than or equal to 10 -3 mbar to less than or equal to 10 -2 mbar , or may be over it.
  • a gain can be the more effective, the lower the pressure.
  • the pressure can basically be selected application-related, for example, depending on the number of dynodes, the desired gain and the spacing of the dynodes.
  • the chamber which can be acted upon with a reduced pressure can be designed in such a way that at least the dynodes and optionally the at least one focusing electrode and optionally the detector are completely or at least partially and the space located between the dynodes and used as the electron radiation space is arranged completely in the chamber that at least the active surfaces of the dynodes and the intervening space can be acted upon by a vacuum.
  • a conversion electrode and / or a photoelectron emitter layer can also be arranged in the chamber, if present.
  • the substrate which serves as a support for the electrodes can be arranged completely in the chamber, or the substrate can form a part of the chamber wall.
  • a low pressure or a vacuum may therefore be advantageous because the gain is reduced by collisions of the charge carriers with neutral gas particles, which are located between the dynodes.
  • the gain decreases with increasing ambient pressure, so that operating under a vacuum can enable a particularly advantageous amplification potential.
  • it can be prevented by the formation of a vacuum, or at least reduce the risk that, by forming plasmas to electrical breakdowns in the operation of the Sekundärelektonenvervielfachers.
  • the shape of the dynodes can furthermore basically be freely selectable. Practically, however, at least the active surface of the dynodes should be designed or formed and / or aligned such that the irradiated electrons can be reflected such that they strike the dynode following in the radiation direction or in the amplification direction. For example, it may be preferable for the dynodes to have a curved, somewhat banana-like shape. However, it will be understood by those skilled in the art that the electrons move through the photomultiplier, in particular through acceleration caused by the corresponding potential of the dynodes.
  • the dynodes may be positioned in an array that corresponds to one or more, particularly parallel, rows. Such an arrangement can be simple and very compact. Basically, the geometry of the dynodes and their arrangement with each other or each other, however, freely selectable, as far as a suitable radiation path of the electrons can be formed.
  • the secondary electron multiplier according to the invention may further comprise a line structure, which includes the dynodes and optionally the at least one focusing electrode supplied electrical voltage or brings them to a desired electrical potential.
  • a line structure which includes the dynodes and optionally the at least one focusing electrode supplied electrical voltage or brings them to a desired electrical potential.
  • voltage dividers for example in the form of, for example, thin-film resistors
  • electrical resistors may also be provided in the line structure, as is fundamentally known functionally for secondary electron multipliers.
  • the line structure can be, for example, by approximately metallic Conductor tracks are formed, which are connected to the corresponding dynodes or connected to these.
  • the shape and size of the line structure can be adapted to the corresponding microstructure components.
  • the line structure may also be applied to the substrate, which may allow a particularly simple manufacturability.
  • the conductor tracks of the line structure may, for example, have a thickness in a range of ⁇ 0.1 to ⁇ 2 ⁇ m, for example of 1 ⁇ m, and / or a width in a range of ⁇ 1 ⁇ m to ⁇ 100 ⁇ m.
  • a corresponding voltage supply can advantageously take place via a discrete voltage supply system, as is basically known.
  • shields can be provided which can be arranged between the line structures which can bring the dynodes to the corresponding electrical potential.
  • Such shields may also be referred to as floating mechanical barriers made in the same way as and simultaneously with the dynodes.
  • the shields are preferably narrow, beyond the width of the leads "walls” that prevent electrical breakdown between the leads due to their mechanical barrier effect for ions and electrons. They are not electrically connected, so floating. The distance should be smaller than the free path between the dynodes depending on the ambient pressure.
  • a source for a photon, ion or electron flow may be provided, such as a mass spectrometer or other source for the above-described charge carrier beam to be amplified.
  • the charge carrier beam to be amplified may be directed onto the secondary electrode multiplier such that it impinges on the first dynode in amplification direction or, if appropriate, on the first focusing electrode or photoelectron emitter layer or conversion electrode in the beam direction.
  • the above-described source for the photon, ion or electron current and the detector can likewise be connected to the line structure, so that a voltage applied between source and detector can be generated and a current flowing through the detector can be detected which can increase in accordance with the amplification factor of the photomultiplier.
  • the secondary electron multiplier is further provided that at least the dynodes and, if appropriate, the at least one focusing electrode, the line structure and in particular when the detector is applied to the substrate and the detector are designed as microsystem components and are applied to the substrate by a microsystem method.
  • the secondary electron multiplier is at least partially produced by a microsystem method or by the methods of microsystem technology.
  • Exemplary and particularly preferred production methods of microsystem technology are for the production of the lithography process by geometry defining anisotropic reactive ion etching (DRIE etching) for silicon (Bosch process) and for the production of metallic microstructures the LIGA process, for coating and production of interconnects, for example, deposition methods, such as such as PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), sputtering and vapor deposition. Exemplary corresponding methods will be described in detail with reference to the method.
  • DRIE etching anisotropic reactive ion etching
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • sputtering vapor deposition
  • a sandwich structure may be formed, which is composed of several layers, wherein the dynodes and optionally the other microsystem components, such as at least one of the focusing electrode or focusing electrodes, the detector and the line structure, for example, in the middle of the sandwich structure are arranged.
  • a structure may in no limited way have the following layer sequences: glass-silicon-glass or about insulator-metal-glass.
  • the dynodes can be surrounded, for example, at low pressure by a hermetically sealing ring of silicon or metal.
  • the contact can then be advantageously carried out by means of metallic feedthroughs through the insulating bottom or top substrates by here, for example, pressure-tight closed cable bushings are provided.
  • a prescribed photomultiplier has significant advantages over the conventional prior art multipliers.
  • a prescribed secondary electron multiplier can be used particularly advantageously in microsystem technology or in microsystems.
  • yours such secondary electron multiplier be integrated directly into such systems.
  • integration in a micro-mass spectrometer for example in a so-called PIMMS system (planar integrated miniaturized mass spectrometer) may be advantageous.
  • PIMMS system planar integrated miniaturized mass spectrometer
  • the entire system can be produced simultaneously or in a batch process, so that a cost-effective and simple production of such a microsystem can result.
  • such a secondary electron multiplier can usually be easily incorporated into an existing or to be formed peripherals, such as resistors for a potential distribution and optics, or dynodes.
  • the entire unit comprising secondary electron multipliers and further systems, for example mass spectrometers, can then be arranged preferably in a vacuum chamber.
  • the measuring units can be arranged in the vacuum chamber, whereas evaluation units, for example, can be arranged outside the chamber.
  • the frequency of collisions between neutral particles located between the dynodes and charge carriers to be amplified is further determined, apart from the gas pressure, as described in detail above, by the ratio of the mean free path and the total travel distance of the charge carriers.
  • a vacuum as described above, also due to the small dimensions of the secondary electron multiplier as microsystem component or in particular the dynodes and concomitantly due to the small distance between the dynodes, as described above in a range of ⁇ 10 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m, For example, from ⁇ 150 ⁇ m to ⁇ 300 ⁇ m, for example, be of about 250 ⁇ m or up to 20 ⁇ m, a particularly high effectiveness of reinforcement may be possible.
  • the above-described ranges may relate in particular to use in a pressure range from 10 -4 Pa to 1 Pa or from 10 -6 mbar to 0.01 mbar.
  • the secondary electron multiplier is configured by a method of micro-system technology, this problem does not occur in a prescribed secondary electron multiplier. Rather, the above-described photomultiplier can be formed directly by the manufacturing method, such as by an etching method or by a deposition method, in the desired shape and geometry and thus in a defined orientation of the components to each other, so that an adjustment need not be made. As a result, the method step of the adjustment, which is often complex in the prior art, can be achieved completely eliminated, which can make a manufacturing process particularly simple and inexpensive.
  • a particularly good adaptability can be made possible by a largely arbitrary arrangement of the dynodes due to the customizable manufacturability of the structures to be produced, in particular the dynodes and the power supply.
  • integrated multipliers such as photon multipliers
  • implementation of integrated multipliers can be carried out in the batch process, or integration with other microanalysis systems may be possible in a common manufacturing process.
  • the close spacing between the dynodes also allows the vacuum requirements to be significantly reduced, so that under comparable conditions, the vacuum may be sufficient to provide a comparatively lower vacuum compared to prior art secondary electron multipliers in the millimeter range.
  • pressures in a range of 0.1 mbar, about 10 -3 mbar or even more, ie a comparatively low vacuum, may already be sufficient, whereas in the prior art pressures in a range of, for example, 10 -6 mbar are often required.
  • a vacuum lower by powers of ten may be sufficient.
  • a prior art secondary electron splitter since conventional discrete-mode secondary photomultipliers, also called discrete SEVs, have dynodes several millimeters in size, also in the millimeter range, in a range of 3mm or greater have and thus have a corresponding high space required.
  • the prior art photomultiplier tubes have relatively high vacuum requirements because of the high spacing between the individual dynodes.
  • the prior art discrete photomultipliers are not suitable for direct integration with other microsystem components, such as Micro mass spectrometers, suitable. This is true even if they do not allow a reduced space requirement while maintaining the reinforcing properties in the rule.
  • the secondary electron multiplier also allows a manufacturing method with a particularly simple supply of dynodes, for example, with the different potentials by thin film resistors, since these resistors can be connected directly to the dynodes. Furthermore, the line structure can be produced in a method together with the other structures, so that a particularly simple manufacturability can be made possible.
  • the above-described secondary electron multiplier allows in a simple manner a particularly simple and cost-effective manufacturability with simultaneously high amplification power.
  • the dynodes and, if appropriate, the at least one focusing electrode and optionally the detector can have a maximum extent which lies in a range of ⁇ 50 ⁇ m to ⁇ 750 ⁇ m, for example ⁇ 250 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m.
  • a particularly compact training can be realized along with a good reinforcement.
  • a particularly good adaptability to given microsystem components or a particularly good implementability in microsystems can take place and thus particularly compact components having such a secondary electron multiplier can be produced.
  • the maximum extent should be chosen in particular in order to still ensure a sufficient boosting force.
  • the substrate may comprise a material which is selected from the group consisting of glass, ceramic, silicon oxide, in particular silicon dioxide, and sapphire.
  • the aforementioned materials can be used in a simple way in microsystems technology.
  • these materials furthermore have an insulation quality which allows advantageous operation of the secondary electron multiplier.
  • the substrates may, for example, have a thickness which is in a range of ⁇ 300 ⁇ m to ⁇ 1000 ⁇ m, for example of ⁇ 400 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m.
  • At least the dynodes and optionally the at least one focusing electrode and optionally the detector may comprise a material, in particular be formed from this material, which is selected from the group consisting of doped silicon or metals, such as gold, copper, nickel or silver.
  • dopants for the silicon include in particular boron, nitrogen, phosphorus, aluminum, indium, arsenic and antimony. Suitable doping concentrations further include, but are not limited to, the range of 10 16 to 10 21 cm -3 .
  • a doping with respect to the selection of the dopant or the doping concentration is carried out in particular such that the selection is adapted to the desired efficiency of the secondary electron multiplier, or that a sufficient electrical conductivity of the structures for a desired operation of the photomultiplier is given.
  • the material in particular in so far as the dynodes are designed with this, may also be coated with a material which is not electrically conductive and which increases the secondary electron coefficient, such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon dioxide (SiO 2 ), wherein the Coating, for example, can be carried out by methods known per se, such as deposition methods known per se, for example physical vapor deposition (PVD) or chemical vapor deposition (CVD).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • a dynode may be particularly preferably made of silicon, wherein a coating of silicon dioxide can be configured by oxidation.
  • a high secondary electron coefficient can be made possible in particular by the aforementioned coating of the dynodes, which enables a particularly effective amplification.
  • the secondary electron multiplier may have a layer structure in which two substrates are provided, between which at least the dynodes and optionally the detector and optionally the at least one focusing electrode and optionally at least partially the line structure are arranged.
  • a structure can thus form, in particular, a so-called sandwich structure, in which the microsystem components, in particular the dynodes and optionally the at least one focusing electrode and optionally the detector are arranged.
  • such a structure may comprise, for example, two glass substrates, between which the microsystem components, in particular the dynodes and, if appropriate, the at least one focusing electrode and optionally the detector, are formed approximately from doped silicon.
  • a realization of such systems in particular with regard to the direct integration into other microsystems, such as micromass spectrometers, for example in so-called PIMMS systems, is particularly advantageous. Because in this structure, channels can be formed, through which a gas escaping from a mass spectrometer can be directed. In addition, uniform or the same manufacturing processes can be used for the entire system.
  • Such a structure can be realized, for example, by the DRIE etching method already mentioned above and described in detail below, in which all components that are critical with respect to geometry and that are electrically conductive can be realized by highly accurate anisotropic etching in silicon.
  • the dynodes can be arranged in two concentrically arranged arcs.
  • the arches can form, for example, circular arcs.
  • the dynodes are expediently arranged such that the electrons are respectively directed from the inner arc to the outer arc and back to the inner arc and so on. This in turn allows a very compact design to be combined with a high amplification power. In this way, e.g. reduce the space requirement of the arrangement and so the manufacturing costs even further.
  • the formation in two concentric arcs should mean, in particular, that all dynodes would be touched by two imaginary concentric arcs, for example circular arcs.
  • the concentric arcs are defined by at least a portion of the dynodes thus arranged.
  • an electrically insulating substrate takes place first, reference being made to the above statements with regard to the secondary electron multiplier with reference to the precise configuration of the substrate.
  • a substrate having a thickness in a range of ⁇ 300 ⁇ m to less than 1000 ⁇ m for example made of glass, sapphire, oxidized silicon or silicon oxide, or a ceramic, can be provided.
  • step b) at least a plurality of dynodes and optionally a detector and optionally at least one focusing electrode are then applied to the electrically insulating substrate to form structures with a maximum spatial extent of the respective individual structure of .gtoreq.50 .mu.m to 1000 .mu.m in each case Extension for a dynode, a focusing electrode and the detector applies.
  • this process step is carried out with a method of microsystem technology to form microsystem components.
  • the dynodes for secondary electron multiplication are arranged according to method step c) as structures, in particular as functional structures, which can be done for example by defined etching, as described in detail below.
  • the exact configuration of the dynodes reference is again made to the above statements concerning the secondary electron multiplier.
  • Arranging the dynodes for secondary electron multiplication is further intended to mean that the dynodes have a shape and orientation that allows a carrier current, such as an electron current, to be reflected or accelerated from dynode to dynode, thus permitting amplification.
  • a carrier current such as an electron current
  • a line structure for connecting the dynodes to the substrate is additionally applied, in particular wherein the line structure has approximately metallic interconnects, shields optionally arranged therebetween, and optionally resistors, so that the be able to supply different dynodes, each with different electrical potential.
  • the conductive structures may be deposited by deposition techniques such as chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), vapor deposition, or sputtering, as described in detail below.
  • a particularly simple and cost-effective production of a secondary electron multiplier can be made possible, wherein in particular a separate adjustment step of the individual components can be dispensed with each other.
  • the shape and position of the dynodes can be generated to less than 1 .mu.m and with each other in the plane of any geometry and arrangement to each other, which allows the production of a particularly defined structure.
  • a high gain can furthermore be realized, since this requires that the electron-optical components, that is to say the dynodes, of a secondary electron multiplier are optimally adjusted or aligned with one another. If the size of the components used, as well as their distances from one another, also reduces the requirements on the geometric tolerances in the dynode shape and adjustment.
  • the components of a secondary electron multiplier as described above meet these requirements due to the exact manufacturability problem-free, since a subsequent adjustment due to the production-related exact, immediately in the production taking place alignment is not necessary. This also allows any arrangement of the dynodes to each other.
  • the orientation of the components relative to each other can be carried out depending on the specific manufacturing process and thereby for example by a photomaskator alignment of the dynodes by the arrangement of these directly during manufacture, so that an additional adjustment step or an additional alignment can be prevented or may be superfluous.
  • the adjustment takes place directly in the production of the corresponding structures by a defined orientation or arrangement.
  • a miniaturized precise and in the lateral geometry arbitrarily selectable electrode / dynode geometry or shape can allow due to the manufacturing process, which can allow a particularly good adaptability.
  • the conductor structure, as well as the shields can also be produced in an integrated manner by deposition and patterning of printed conductors, for example by depositing layers of titanium (Ti), nickel (Ni), chromium (Cr), gold (Au ), Copper (Cu), silver (Ag), platinum (Pt) or palladium (Pd), preferably by direct contacting of the Electrodes and dynodes are integrated into the process.
  • the production of the voltage divider required for the supply of the dynodes with ascending potentials can also be implemented integrated in terms of circuitry between the dynodes.
  • resistors preferably of materials with a high specific resistance, but preferably still a positive temperature coefficient.
  • Non-limiting examples of the design of the resistors include, for example, titanium oxynitride (TiON), nickel-chromium alloys (NiCr) or copper-nickel-manganese alloys (CuNiMn), for example, constantan.
  • these secondary electron multipliers can also be integrated directly into these systems. They not only allow a simplified simultaneous production, they can also be integrated without losses of charge carriers to be amplified because of the thus avoidable dead volumes and highly accurate assignment, for example by using photomask-based geometries.
  • thermodynamic equilibrium silicon dioxide (SiO 2 ), (Al 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO) or amorphous diamond, for example for coating the dynodes
  • materials can be integrated into the process for coating the dynodes, for example by thin-film processes, such as PVD processes, sputtering and vapor deposition, or by chemical vapor deposition (CVD).
  • At least one process step may be performed using a photolithography process.
  • a photolithography process may serve in particular for defining the structures, in particular the dynodes, the line structure, shields, the detector and the at least one focusing electrode.
  • the production of all structures arranged on a substrate may be based on a photolithography step.
  • a surface of a base body such as a silicon wafer, for example of doped silicon or glass, is provided in a conventional manner with a layer of a photoresist.
  • a negative varnish is to be understood in a manner known per se as meaning a varnish whose solubility decreases as a result of exposure
  • a positive varnish is to be understood as meaning a varnish whose solubility increases as a result of exposure.
  • a positive or a negative resist can be done by a partially UV-transparent mask exposing the paint layer, which changes the solubility and the corresponding areas can be removed or remain stable, such as by the action of a solvent, such as acetone, or a plasma.
  • the structure of the mask is then transferred directly or as a negative into the lacquer layer, so that it can serve as the basis for generating the corresponding structures.
  • Such a processed basic body can then be the basis for further process steps for generating the desired structures.
  • a photoresist may be applied by masking us structured removal by photolithography on the positions where no material of the line structure is to be present. Subsequently, a layer of the material of the line structure can be applied, for example by means of physical vapor deposition, chemical vapor deposition, sputtering or vapor deposition, whereupon the photoresist is removed again. This can be done for example by introduced channels or a lateral treatment. As a result, the material on the photoresist also dissolves.
  • a photoresist can be applied, which has only a reduced adhesion of the material to be applied. The applied material then only adheres to the positions next to the photoresist, whereupon it can be removed again.
  • At least one process step can be carried out using a reactive ion etching.
  • a reactive ion deposition also known as the DRIE process (deep reactive ion etching)
  • DRIE process deep reactive ion etching
  • a reactive ion deep etching in particular proceed as follows. First of all, the base body can be masked, for example with a photoresist, as explained above, or with a hard mask, such as silicon dioxide, covering the regions which are not to be etched.
  • the exposed regions are etched, for example, using reactive hexane based on sulfur hexafluoride (SF 6 ) in argon (Ar), which may be generated by, for example, forming a sulfur hexafluoride based plasma and argon based plasma.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • Ar argon
  • an etching substep may alternate with a substep of the passivation.
  • the etched surface can be protected with a passivation layer, such as formed by the application of Teflon or by bringing the etched surface into contact with octafluorocyclobutane (C 4 F 8 ).
  • a highly accurate structure can be etched.
  • the method described above is also known as the Bosch process. This method is thus particularly suitable if the structures, such as the dynodes, the detector and / or the at least one conversion electrode are to be formed from doped silicon.
  • the entire structural parts to be removed can be removed by etching, or only trenches can be etched.
  • this can be removed, so that the areas to be removed no longer stop own on the substrate and so can fall out.
  • the corresponding structure etched from the bottom or the corresponding edges are etched, so that not the entire structure to be removed needs to be etched out, but only the edges can be traversed, so that the corresponding structures can be separated out ,
  • step b) all components which are critical with respect to geometry and electrically conductive can preferably be realized by highly accurate anisotropic etching in silicon, which are in particular hermetically connected to insulating substrates provided with electrical conductors, for example by anodic bonding or anodic bonding.
  • silicon which are in particular hermetically connected to insulating substrates provided with electrical conductors, for example by anodic bonding or anodic bonding.
  • a particular alkali ion-containing glass substrate can be brought into close contact with the doped silicon and a voltage introduced from the outside into the glass or into the silicon such that the glass substrate negative and the silicon structure are positively charged.
  • a voltage introduced from the outside into the glass or into the silicon such that the glass substrate negative and the silicon structure are positively charged.
  • electrodes connected to a voltage source can be used or a heating plate can serve as an electrode.
  • chemical compounds can form between the silicon and glass, such as the oxygen from the silica of the glass, creating a stable bond.
  • At least one method step can be carried out using a galvanic material structure.
  • a so-called LIGA method can be carried out or the method can be based thereon.
  • substantially the following steps are taken.
  • the substrate which in turn may be a glass substrate or a ceramic substrate, is provided with a metallic layer, such as by sputter deposition or vapor deposition. A photoresist may subsequently be applied to this layer, as described in detail above with reference to photolithography.
  • a negative mold of the structure to be applied may remain as a metallic pattern next to the remaining paint.
  • a metal can be deposited on the substrate in the areas in which the photoresist was removed during the development, that is, the metallic pattern has been exposed.
  • the substrate, the metallic layer and the electrodeposited metal first remain behind.
  • the electrodeposited metal can form the desired structures in this case.
  • the metallic layer which is located directly on the substrate is then removed by an etching step, for example, between the galvanized structures. This method is therefore particularly suitable when the structures, such as the dynodes, the detector and / or the at least one conversion electrode should be formed from a metal.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a preliminary stage of an embodiment of a photomultiplier 10 shown.
  • a substrate 12 is shown, which may be formed, for example, from glass, sapphire, silicon oxide or ceramic.
  • the substrate 12 may have a thickness which lies in a range of less than 1000 ⁇ m, for example greater than 300 ⁇ m, for example at 500 ⁇ m. Further, it may have a width or length which may be adapted to the number of components applied.
  • a plurality of discrete dynodes 14 are applied, wherein the individual dynodes 14 may have dimensions in a range of ⁇ 50 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m.
  • the dynodes 14 may each have a width in a range of ⁇ 50 ⁇ m to ⁇ 200 ⁇ m and / or a length of ⁇ 50 ⁇ m to 400 ⁇ m and / or a thickness of ⁇ 100 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m.
  • FIG. 1 It is shown that the dynodes 14 are arranged in two parallel rows with six dynodes 14 each.
  • the distance between the dynodes 14 to each other may be in a range of ⁇ 10 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m.
  • the spacing of the dynodes in one row may be, for example, in a range of ⁇ 10 ⁇ m to ⁇ 40 ⁇ m, approximately 20 ⁇ m, and / or the spacing of the dynodes 14 to dynodes 14 arranged in the parallel row may be in a range of ⁇ 10 ⁇ m to ⁇ 150 ⁇ m. about 100 ⁇ m, lie.
  • the aforementioned values can relate in particular to use at a pressure of ⁇ 10 -4 Pa to ⁇ 1 Pa.
  • the dynodes 14 may be configured, for example, with a thickness in a range of ⁇ 100 ⁇ m to ⁇ 500 ⁇ m, approximately to ⁇ 400 ⁇ m, for example 300 ⁇ m.
  • a detector 16 and focusing electrodes 18 are shown which may have a thickness comparable to the dynodes 14. Furthermore, the detector 16 and the focusing electrodes 18 may be in a comparable maximum size range as the dynodes 14. Furthermore, the dynodes 14, as well as the detector 16 and the focusing electrodes 18 may be made of doped silicon or of a metal such as gold or silver. The dynodes 14 may have a coating for effective reinforcement, such as alumina or silica. The dynodes 14, the detector 16 and the focusing electrodes 18 are manufactured by a microsystem method.
  • FIG. 1 further shows that on the dynodes 14, the focusing electrodes 18 and, not shown, on the detector 16, tracks 20 are arranged which may be part of a line structure to bring the dynodes 14 to a desired and mutually different electrical potential .
  • tracks 20 are arranged which may be part of a line structure to bring the dynodes 14 to a desired and mutually different electrical potential .
  • the electrical potential of the individual dynodes 14 can be set in a defined manner and, in particular, different from one another, are in the FIG. 2 further thin-film resistors 26 are shown, which may be arranged between the dynodes 14.
  • shields 15 are shown, which may be arranged between the tracks 20 so as to prevent electrical flashovers.
  • the shields 15 can be produced analogously to the electrodes or the line structures, such as the conductor tracks 20, but an electrical connection of the shields does not take place.
  • the above-described arrangement is furthermore preferably arranged in a chamber 22 bounded by a wall 23 approximately made of a plastic, in which a vacuum 24 can be formed, as shown purely schematically in the figures. It may also be provided that in the chamber 22, a further chamber is provided, in which the arrangement comprising the substrate 12 is arranged with the components applied thereto. This chamber may in turn have a window or an opening for introducing a beam to be amplified, wherein in the not Chamber shown also the vacuum 24 can be introduced.
  • the further chamber may again have a wall made of a plastic.
  • a charged particle beam 11 is shown, which is passed through the focusing electrodes 18, which may also have a suitable electrical potential, to the dynodes 14, wherein the charged particle beam 11 amplifies in the direction of the detector 16.
  • a photosensitive layer or photoelectron emitter layer for example, upstream of the focusing electrodes 18 and / or, for example, on the substrate 12 in order to generate the charged-particle beam 11.
  • the beam source of the charged particle beam 11 may be located directly in the chamber 22.
  • the secondary electron multiplier 10 has a layer structure in which two substrates 12, 12 'are provided, between which at least the dynodes 14 and according to FIGS Figures 3 and 4 Furthermore, the detector 16 are arranged. Further, a made of a plastic wall 25 is shown, which closes a chamber 27, the chamber 27 corresponding to FIG. 1 can be arranged in a chamber 22, not shown, for forming a vacuum 24 In this case, the vacuum 24 is also in the chamber 27 before.
  • the wall 25 may be configured circular and together with the substrates 12, 12 ', the chamber 27 form.
  • the interconnects 20 may be metal interconnects made of a nickel-gold multilayer system and may be connected approximately eutectically to the dynodes 14. Through these tracks 20 contacting can be done to the outside, for example, to a board.
  • the gain beam 11 is shown, which is passed to the dynodes 14, wherein the gain beam 14 amplifies in the direction of the detector 16.
  • the in FIG. 4 not shown chamber 22 and the wall 23, not shown also have a transparent or transparent area.
  • a photoelectron emitter layer is provided, which may be arranged approximately on the substrate 12.
  • the chamber 27 may be opened if an electron beam is to be amplified and the beam source is outside the chamber 27.
  • focussing electrodes may be provided, which may be arranged or aligned in accordance with the formation of the amplifying beam 11.
  • FIG. 4 Furthermore, an interconnection of the individual electrodes is not shown. However, this can be done in a manner understandable to the skilled person described above and for a secondary electron multiplier basically known manner.

Landscapes

  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher (10), aufweisend ein elektrisch isolierendes Substrat (12, 12'), auf dem eine Mehrzahl an diskreten Dynoden (14) und gegebenenfalls wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) und gegebenenfalls ein Detektor (16) angeordnet sind, wobei weiterhin eine Leitungsstruktur zum Anlegen von definierten unterschiedlichen elektrischen Potentialen an die Dynoden (14) vorgesehen ist, und wobei zumindest ein räumlich zwischen den Dynoden (14) positioniertes Volumen und gegebenenfalls ein zwischen wenigstens einer Dynode (14) und der wenigstens einen Fokussierungselektrode (18) positioniertes Volumen und gegebenenfalls ein zwischen wenigstens einer Dynode (14) und dem Detektor (16) positioniertes Volumen mit einem Vakuum beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Dynoden (14) und gegebenenfalls weiterhin der Detektor (16) und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) eine räumliche Ausdehnung in einem Bereich von größer oder gleich 50µm bis ‰¤ 1000µm aufweisen und durch ein Verfahren der Mikrosystemtechnik aufgebracht sind. Ein vorbeschriebener Sekundärelektronenvervielfacher (10) erlaubt ein gutes Verstärkungspotential einhergehend mit einer vereinfachten Herstellbarkeit.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenvervielfacher insbesondere zur Verwendung in Mikrosystemen mit einer verbesserten Herstellbarkeit. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers.
  • Sekundärelektronenvervielfacher (SEV) mit diskreten Dynoden dienen der Vervielfachung niedriger Photonen-, Ionen- und Elektronenströme. Die Vervielfachung von niedrigen Primärelektronenströmen durch einen Sekundärelektronenvervielfacher wird in Elektronenröhren zum Beispiel in einem Photomultiplier zur Verstärkung genutzt.
  • Typischer Weise umfasst ein Sekundärelektronenvervielfacher eine Mehrzahl an Dynoden, also eine Mehrzahl an Einzelelektroden aus einer Gesamtanordnung aus diskreten Elektroden, die oftmals im Milimeterbereich vorliegen, wie etwa in einem Bereich von 5mm oder darüber. Darüber hinaus können endseitig jeweils eine Quelle für den Photonen, Ionen- oder Elektronenstrom beziehungsweise ein Detektor zum Detektieren des verstärkten Photonen-, Ionen- und Elektronenstroms vorgesehen sein, wobei die Quelle und der Detektor weiterhin mit einem an sich bekannten Spannungsteiler verbunden sind, um an die einzelnen Dynoden eine definierte Spannung anlegen zu können. Weiterhin können Fokussierungseinrichtungen vorgesehen sein, um eine geeignete Ausrichtung der Elektroden, wie insbesondere der Anode und der Kathode, zwecks einer gewünschten Fokussierung des Ladungsträgerstrahls zu ermöglichen.
  • Bei dem Betrieb eines Sekundärelektronenvervielfachers wird meist über die gesamte Serie der Dynoden eine Beschleunigerspannung angelegt. Daraus resultierend kann zwischen den äußersten Dynoden die Spannung abfallen und Elektronen, beispielsweise, können von Dynode zu Dynode beschleunigt werden. Trifft ein Elektron auf die Oberfläche einer Dynode, so werden weitere Elektronen emittiert und der Strom wird verstärkt.
  • Die einzelnen diskreten Dynoden bilden somit die Verstärkerstufen des Sekundärelektronenvervielfachers. Die Primärladungsträger treffen auf die erste diskrete Dynode und erzeugen mehr Sekundärelektronen als Primärladungsträger auf diese Dynode getroffen sind. Voraussetzung hierfür ist, dass die Oberfläche der Dynoden einen Sekundärelektronenkoeffizienten δ = Sekundärelektronen / Primärladungsträger > 1 aufweist. Üblicherweise werden bei Sekundärelektronenvervielfachern Werte von δ = 3 bis 10 erreicht, wobei der Sekundärelektronenkoeffizient hierbei jedoch nicht nur von dem verwendeten Material der Dynoden abhängt sondern ferner beispielsweise von der Energie des Primärladungsträgers und damit von der Spannung zwischen den Dynoden. Die Verstärkung des Sekundärelektronenvervielfachers beträgt daher bei n Dynoden δn.
  • Die Herstellung von Sekundärelektronenvervielfachern gemäß dem Stand der Technik ist in mehrerer Hinsicht aufwändig. Eine Anforderung bei der Herstellung von Sekundärelektronenvervielfachern ist beispielsweise die exakte und optimale Geometrie und Ausrichtung aller Komponenten zueinander. Im Detail müssen alle Komponente des Sekundärelektronenvervielfachers möglichst reproduzierbar und exakt zueinander in einem separaten Schritt des Verfahrens entsprechend fein justiert beziehungsweise ausgerichtet werden.
  • Es bestand daher Bedarf an einem Sekundärelektronenvervielfacher sowie an einem Verfahren zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers, bei denen wenigstens ein Nachteil des Stands der Technik umgangen werden kann. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sekundärelektronenvervielfacher und ein Verfahren zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers zu schaffen, der beziehungsweise das die Anforderungen an eine Herstellung reduziert.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Sekundärelektronenvervielfacher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Weitere Merkmale sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in den Figuren angegeben, wobei die weiteren Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination ein Bestandteil der Erfindung sein können, wenn sich nicht aus dem Kontext explizit das Gegenteil ergibt.
  • Es wird ein Sekundärelektronenvervielfacher vorgeschlagen, aufweisend ein elektrisch isolierendes Substrat, auf dem eine Mehrzahl an diskreten Dynoden und gegebenenfalls wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls ein Detektor angeordnet sind. Weiterhin ist eine Leitungsstruktur zum Anlegen von definierten unterschiedlichen elektrischen Potentialen an die Dynoden vorgesehen. Ein räumlich zwischen den Dynoden positioniertes Volumen und gegebenenfalls ein zwischen wenigstens einer Dynode und der wenigstens einen Fokussierungselektrode positioniertes Volumen und gegebenenfalls ein zwischen wenigstens einer Dynode und dem Detektor positioniertes Volumen ist mit einem Vakuum beaufschlagbar. Der Sekundärelektronenvervielfacher ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Dynoden und weiterhin gegebenenfalls der Detektor und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode eine räumliche Ausdehnung in einem Bereich von ≥ 50µm bis ≤ 1000µm, insbesondere von ≥100µm bis ≤ 750µm aufweisen.
  • Bei einem vorbeschriebenen Sekundärelektronenvervielfacher ist es somit insbesondere vorgesehen, die aktiven Strukturen, wie insbesondere die Dynoden und gegebenenfalls den Detektor und die Fokussierungselektroden nicht, wie dies im Stand der Technik üblich ist, im Millimeterbereich herzustellen, sondern vielmehr in einem Bereich von ≤ 1000µm und dabei durch Verfahren der Mikrosystemtechnik herzustellen. Ein vorbeschriebener Sekundärelektronenvervielfacher erlaubt dadurch eine im Vergleich zu den Systemen aus dem Stand der Technik deutlich vereinfachte Herstellbarkeit, insbesondere ohne einen zusätzlichen Justageschritt, einhergehend mit einer großen Variabilität in der Formgebung und einem hohen Verstärkungspotential unter Anwendung von Mikrosystemverfahren zum Herstellen von Mikrosystemkomponenten und dabei eine verbesserte Einbindung in bestehende Systeme.
  • Eine "Mehrzahl an Dynoden" kann im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass wenigstens zwei und dabei grundsätzlich auch eine beliebige Zahl größer als zwei an Dynoden vorliegen können.
  • Ferner kann der Ausdruck "diskrete Dynoden" in für den Fachmann verständlicher Weise bedeuten, dass die vorgesehenen Dynoden räumlich getrennt sind und sich somit nicht berühren, so dass die diskreten Dynoden ein unterschiedliches elektrisches Potential aufweisen können.
  • Unter "Mikrosystemkomponenten" können im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere Bauteile verstanden werden, die eine maximale Ausdehnung und somit eine Größe in der Länge und/oder der Breite und gegebenenfalls der Höhe aufweisen, die in einem Bereich von Mikrometern, insbesondere von ≥ 50µm bis kleiner oder gleich 1000µm, liegt. Dabei können Mikrosystemkomponenten im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere in jeder der vorgesehenen Ebenen beziehungsweise dreidimensional eine maximale Ausdehnung beziehungsweise Größe in dem vorbeschriebenen Bereich aufweisen. Die Länge kann dabei die längste Ausdehnung der entsprechenden Struktur bedeuten, wohingegen die Breite die entsprechend quer hierzu verlaufende Ausdehnung sein kann. Ferner kann die Höhe insbesondere die Dicke der Struktur, etwa auf dem Substrat, bedeuten.
  • Die Größe der entsprechenden Strukturen ist dabei in für den Fachmann ohne weiteres verständlicher Weise ermittelbar durch optische Verfahren, wie beispielsweise mittels Rasterelektronenmikroskopie.
  • Entsprechend ist unter einem "Mikrosystemverfahren" ein Verfahren zu verstehen, durch welches Komponenten in dem vorbeschriebenen Größenbereich definiert und reproduzierbar erzeugbar beziehungsweise herstellbar sind.
  • Ein vorbeschriebener Sekundärelektronenvervielfacher umfasst somit zunächst ein elektrisch isolierendes Substrat, auf dem eine Mehrzahl an diskreten Dynoden und gegebenenfalls wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls ein Detektor angeordnet sind. Unter einem elektrisch isolierenden Substrat kann dabei ein derartiges Substrat verstanden werden, dessen elektrischer Widerstand ausreichend hoch ist, um so ein gewünschtes Arbeiten des Sekundärelektronenvervielfachers zu ermöglichen und insbesondere das Vorliegen eines jeweiligen unterschiedlichen elektrischen Potentials der von einander getrennten Dynoden zu erlauben.
  • Die vorgesehenen Dynoden dienen dabei in an sich bekannter Weise als eigentliche Verstärkungskomponenten des Sekundärelektronenvervielfachers, indem diese, wenn Primärladungsträger beziehungsweise Primärelektronen auf die in Verstärkungsrichtung erste diskrete Dynode treffen, mehr Sekundärelektronen erzeugen, als Primärladungsträger auf diese Dynode getroffen sind, wobei die vergrößerte Anzahl an Elektroden zu der in Verstärkungsrichtung nächsten Dynode durch das jeweilige elektrische Potential der Dynoden beschleunigt werden, um so einen Verstärkungseffekt hervorzurufen. Dieser Verstärkungseffekt ist dabei grundsätzlich in Übereinstimmung mit dem grundsätzlich bekannten Arbeitsprinzip eines Sekundärelektronenvervielfachers.
  • Dabei wird im Weiteren die Erfindung insbesondere beschrieben unter Verstärkung eines Elektronenstroms beziehungsweise Elektronenstrahls. Es ist es jedoch für den Fachmann verständlich und gleichermaßen von der Erfindung umfasst, dass neben Elektronenströmen beispielsweise auch Photonen- oder Ionenströme verstärkt werden können, beispielsweise dann, wenn an dem Eingang des Sekundärelektronenvervielfachers eine grundsätzlich bekannte Konversionselektrode oder ein Substrat mit einer Photoelektronenemitterschicht vorgesehen ist. Eine Konversionselektrode beziehungsweise Konversionsdynode kann beispielsweise in an sich bekannter Weise aus Ionen Elektronen erzeugen. Beispielsweise kann die Elektrode ein Alkalimetall oder eine Alkalimetall-Legierung als Beschichtung aufweisen, wodurch bei dem Auftreffen eines Ionenstrahls Elektronen freigesetzt werden können. Entsprechend kann eine Photoelektronenemitterschicht eine derartige Schicht sein, die bei einem Auftreffen von Photonen beziehungsweise von Licht Elektronen freisetzt. Eine derartige Schicht kann beispielsweise Suboxide von Cäsium, Alkalimetallen oder Antimon umfassen. Die Konversionselektrode wie auch die Photoelektronenemitterschicht können etwa ebenfalls auf dem Substrat angeordnet und verfahrenstechnisch einheitlich mit den Dynoden, etwa mit den gleichen Verfahren, hergestellt sein, wodurch ein vollintegrierter Photonenelektronenvervielfacher realisiert werden kann.
  • Weiterhin kann optional zumindest eine, gegebenenfalls eine Mehrzahl, an sogenannten Fokussierungselektroden vorgesehen sein. Diese Elektroden sind insbesondere in dem Strahlengang der Elektonen an dem Beginn des Sekundärelektronenvervielfachers angeordnet. Somit treffen die Elektronen als zu verstärkender Ladungsträgerstrom beziehungsweise Ladungsträgerstrahl bei einem Eintritt in den Sekundärelektronenvervielfacher als erstes auf die Fokussierungselektroden beziehungsweise passieren diese. Diese Elektroden dienen dazu, den Elektronenstrahl besonders definiert auszurichten und auf die erste Dynode zu leiten. Dadurch kann ein besonders definierter Elektronenstrom und dadurch eine besonders vorteilhafte Verstärkung realisiert werden.
  • Weiterhin kann der in Verstärkungsrichtung letzten Dynode eine weitere als Detektor dienende Elektrode nachgeschaltet sein, auf welche der verstärkte Elektronenstrom beziehungsweise Ladungsträgerstrom nach durchlaufender Verstärkung trifft. Bezüglich seiner Positionierung kann der Detektor ferner ebenfalls auf dem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet und als Mikrosystemkomponente in dem vorbeschriebenen Größenbereich ausgestaltet sein und mit dem gleichen Verfahren wie die Dynoden erzeugt sein.
  • Die Dynoden sind beispielsweise und nicht beschränkend in einer Anzahl vorgesehen von größer oder gleich 2 bis kleiner oder gleich 20, bevorzugt größer oder gleich 5 bis kleiner oder gleich 15, etwa größer oder gleich 5 bis kleiner oder gleich 10, wobei die vorgenannten Werte nicht beschränkend sind. Durch die vorbeschriebene Anzahl an Dynoden kann jedoch bereits eine hohe Verstärkung kombiniert werden mit einer sehr kompakten Ausgestaltung. Grundsätzlich ist die Anzahl der Dynoden beispielsweise zu wählen in Abhängigkeit des gewünschten Verstärkungsfaktors und etwa in Abhängigkeit des erzeugbaren Drucks beziehungsweise Vakuums zwischen den Dynoden.
  • So kann es bevorzugt sein, dass zumindest ein räumlich zwischen den Dynoden und gegebenenfalls zwischen wenigstens einer Dynode, also insbesondere der in Verstärkungsrichtung ersten Dynode, und der wenigstens einen Fokussierungselektrode, beziehungsweise bei dem Vorliegen einer Mehrzahl an Fokussierungselektroden bevorzugt auch zwischen den jeweiligen Fokussierungselektroden, und gegebenenfalls zwischen wenigstens einer Dynode, also insbesondere der in Verstärkungsrichtung letzten Dynode, und dem Detektor positioniertes Volumen mit einem Vakuum beziehungsweise mit einem reduziertem Druck beaufschlagbar ist. Beispielsweise können die Dynoden in einer mit einem reduzierten Druck beaufschlagbaren Kammer angeordnet sein. Unter einer derartigen Kammer kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden werden eine Kammer, welche zumindest temporär für ein Verwenden des Sekundärelektronenvervielfachers druckdicht beziehungsweise vakuumdicht verschließbar ist und welche insbesondere einen Anschluss zum Anschließen einer Vakuumpumpe aufweisen kann. Dabei kann ferner unter einem Vakuum insbesondere verstanden werden ein mit Bezug auf die Umgebungsatmosphäre (1 atm; 1,01325bar) reduzierter Druck, der beispielsweise aber nicht beschränkend in einem Bereich von größer oder gleich 10-3mbar bis kleiner oder gleich 10-2 mbar, oder auch darüber liegen kann. Dabei kann eine Verstärkung desto effektiver sein, je niedriger der Druck ist. Jedoch kann der Druck grundsätzlich anwendungsbezogen gewählt werden beispielsweise in Abhängigkeit der Anzahl der Dynoden, der gewünschten Verstärkung und dem Abstand der Dynoden.
  • Die mit einem reduzierten Druck beaufschlagbare Kammer kann dabei derart ausgestaltet sein, dass zumindest die Dynoden und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls der Detektor vollständig oder zumindest teilweise und der zwischen den Dynoden liegende und als Elektronenstrahlungsraum genutzte Raum vollständig in der Kammer angeordnet sind, so dass zumindest die aktiven Oberflächen der Dynoden und der dazwischen liegende Raum mit einem Vakuum beaufschlagbar sind. Entsprechend können auch, insoweit vorhanden, eine Konversionselektrode und/oder eine Photoelektronenemitterschicht in der Kammer angeordnet sein. Beispielsweise kann das Substrat, welches als Träger für die Elektroden dient, vollständig in der Kammer angeordnet sein, oder kann das Substrat einen Teil der Kammerwandung ausbilden.
  • Ein niedriger Druck beziehungsweise ein Vakuum kann dabei deshalb von Vorteil sein, da sich die Verstärkung durch Stöße der Ladungsträger mit Neutralgasteilchen, die sich zwischen den Dynoden befinden, verringert. Somit verringert sich entsprechend die Verstärkung mit steigendem Umgebungsdruck, so dass das Betreiben unter einem Vakuum ein besonders vorteilhaftes Verstärkungspotential ermöglichen kann. Weiterhin kann durch das Ausbilden eines Vakuums verhindert oder zumindest die Gefahr reduziert werden, dass es durch Ausbildung von Plasmen zu elektrischen Durchschlägen bei dem Betreiben des Sekundärelektonenvervielfachers kommt.
  • Die Form der Dynoden kann ferner grundsätzlich frei wählbar sein. Praktischer Weise sollte jedoch zumindest die aktive Oberfläche der Dynoden derart ausgestaltet beziehungsweise ausgeformt und/oder ausgerichtet sein, dass die eingestrahlten Elektronen derart reflektiert werden können, dass sie auf die in Strahlungsrichtung beziehungsweise in Verstärkungsrichtung folgende Dynode treffen. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, wenn die Dynoden eine gebogene, etwa bananenartig gebogene Form, aufweisen. Jedoch ist es für den Fachmann verständlich, dass die Elektronen sich insbesondere durch eine durch das entsprechende Potential der Dynoden hervorgerufene Beschleunigung durch den Sekundärelektronenvervielfacher bewegen.
  • In nicht beschränkender Weise können die Dynoden in einer Anordnung positioniert werden, welche einer oder mehrerer insbesondere paralleler Reihen entspricht. Eine derartige Anordnung kann einfach auszubilden und dabei sehr kompakt sein. Grundsätzlich ist die Geometrie der Dynoden und deren Anordnung untereinander beziehungsweise zueinander jedoch frei wählbar, insoweit ein geeigneter Strahlungsgang der Elektronen ausgebildet werden kann.
  • Für die Versorgung der Dynoden mit jeweils unterschiedlichen elektrischen Potentialen zum Beschleunigen der Elektronen für die Verstärkung, wie dies für die Wirkungsweise des Sekundärelektronenvervielfachers vorteilhaft und grundsätzlich bekannt ist, kann der erfindungsgemäße Sekundärelektronenvervielfacher ferner eine Leitungsstruktur aufweisen, welche die Dynoden und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode mit elektrischer Spannung versorgt beziehungsweise diese auf ein gewünschtes elektrisches Potential bringt. Um das Potential der einzelnen Dynoden zueinander unterschiedlich einstellen zu können, können dabei ferner in der Leitungsstruktur zwischen den einzelnen Dynoden Spannungsteiler, etwa in Form von beispielsweise als Dünnschichtwiderständen ausgestalteten elektrischen Widerständen, vorgesehen sein, wie dies funktional für Sekundärelektronenvervielfacher grundsätzlich bekannt ist. Die Leitungsstruktur kann beispielsweise durch etwa metallische Leiterbahnen ausgebildet werden, die an die entsprechenden Dynoden angeschlossen beziehungsweise mit diesen verbunden sind. Die Form und Größe der Leitungsstruktur kann dabei an die entsprechenden Mikrostrukturkomponenten angepasst sein. Die Leitungsstruktur kann ebenfalls auf das Substrat aufgebracht sein, was eine besonders einfache Herstellbarkeit erlauben kann. Die Leiterbahnen der Leitungsstruktur können beispielsweise eine Dicke in einem Bereich von ≥ 0,1 bis ≤ 2µm, beispielsweise von 1µm, und/oder eine Breite in einem Bereich von ≥ 1µm bis ≤ 100µm aufweisen. Eine entsprechende Spannungsversorgung kann vorteilhaft über ein diskretes Spannungsversorgungssystem erfolgen, wie dies grundsätzlich bekannt ist.
  • Zur Vermeidung von elektrischen Durchschlägen zwischen den Anschlüssen der Spannungsversorgung können Abschirmungen vorgesehen sein, welche zwischen den Leitungsstrukturen, welche die Dynoden auf das entsprechende elektrische Potential bringen können, angeordnet sein können. Derartige Abschirmungen können auch als floatende mechanische Barrieren bezeichnet werden, die in gleicher Weise wie die und gleichzeitig mit den Dynoden hergestellt werden. Dadurch kann die freie Ausbreitung von Ladungsträgern, insbesondere durch Elektronenstoß erzeugter Ionen, verhindert werden.
  • Die Abschirmungen sind dabei vorzugsweise schmale, über die Breite der Zuleitungen hinausgehende "Wände", die einen elektrischen Durchschlag zwischen den Zuleitungen aufgrund ihrer mechanischen Barrierewirkung für Ionen und Elektronen verhindern. Sie sind elektrisch nicht angeschlossen, also floatend. Der Abstand sollte kleiner als der der freien Weglänge zwischen den Dynoden abhängig vom Umgebungsdruck sein.
  • Bei einem Betrieb des Sekundärelektronenvervielfachers kann weiterhin eine Quelle für einen Photonen-, Ionen- oder Elektronenstrom vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Massenspektrometer oder ein andere Quelle für den vorbeschriebenen zu verstärkenden Ladungsträgerstrahl. Dabei kann der zu verstärkende Ladungsträgerstrahl derart auf den Sekundärelektrodenvervielfacher gerichtet sein, dass dieser auf die in Verstärkunsgrichtung erste Dynode beziehungsweise gegebenenfalls auf die in Strahlrichtung erste Fokussierungselektrode oder Photoelektronenemitterschicht oder Konversionselektrode trifft.
  • Für eine Beschleunigung und Detektion der Elektronen kann dabei die vorbeschriebene Quelle für den Photonen-, Ionen- oder Elektronenstrom und der Detektor ebenfalls mit der Leitungsstruktur verbunden sein, so dass eine zwischen Quelle und Detektor anliegende Spannung erzeugbar ist und ein durch den Detektor fließender Strom detektierbar ist, welcher sich entsprechend dem Verstärkungsfaktor des Sekundärelektronenvervielfachers vergrößern kann.
  • Bei dem vorbeschriebenen Sekundärelektronenvervielfacher ist es ferner vorgesehen, dass zumindest die Dynoden und weiterhin gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode, die Leitungsstruktur und insbesondere wenn der Detektor auf dem Substrat aufgebracht ist auch der Detektor als Mikrosystemkomponenten ausgestaltet sind und auf das Substrat durch ein Mikrosystemverfahren aufgebracht sind. Somit wird der Sekundärelektronenvervielfacher zumindest teilweise mit einem Mikrosystemverfahren beziehungsweise mit den Methoden der Mikrosystemtechnik hergestellt. Diese Methoden bieten besonders vorteilhaft die Möglichkeit, diskrete Dynoden und weitere Mikrostrukturen mit Abständen untereinander von ≥ 10µm bis ≤500µm, beispielsweise > 50µm bis ≤500µm, etwa in einem Bereich bis≤ 300µm, beispielsweise bis ≤ 250µm, wie etwa von 20µm, zu fertigen, wobei die Strukturen, also insbesondere die Dynoden und gegebenenfalls die Fokussierungselektroden und der Detektor selbst problemlos eine räumliche maximale Ausdehnung in einem Bereich von ≥ 50µm bis ≤1000µm, beispielsweise bis ≤ 750µm, aufweisen können, wobei bei den Fokussierungselektroden und dem Detektor eine Ausdehnung ab 100µm von Vorteil sein kann. Ferner können diese eine Dicke in einem Bereich von ≥ 100µm bis ≤ 500µm aufweisen.
  • Beispielhafte und besonders bevorzugte Fertigungsverfahren der Mikrosystemtechnik sind zur Herstellung der das durch Lithographieverfahren die Geometrie definierende anisotrope Reaktives Ionentiefätzen (DRIE-Ätzverfahren) für Silizium (Boschprozess) sowie zur Herstellung metallischer Mikrostrukturen das LIGA-Verfahren, zur Beschichtung und Herstellung von Leiterbahnen beispielsweise Abscheideverfahren, wie etwa PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition), CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition), Sputtern und Aufdampfen. Beispielhafte entsprechende Verfahren werden im Detail mit Bezug auf das Verfahren beschrieben.
  • Es kann beispielweise eine Sandwich-Struktur ausgebildet sein, die aufgebaut ist aus mehreren Schichten, wobei die Dynoden und gegebenenfalls die weiteren Mikrosystemkomponenten, wie wenigstens eins aus der oder den Fokussierungselektroden, dem Detektor und der Leitungsstruktur, beispielsweise, in der Mitte der Sandwich-Struktur angeordnet sind. Beispielsweise kann eine derartige Struktur in in keiner beschränkenden Weise aufweisen die folgenden Schichtfolgen: Glas-Silizium-Glas oder etwa Isolator-Metall-Glas. Dadurch lassen sich die Dynoden, beispielsweise, bei niedrigem Druck von einem hermetisch dichtenden Ring aus Silizium bzw. Metall umgeben. Dabei kann zum elektrischen Anschließen der Dynoden, beispielsweise, ein etwa anodisches Bonden unter Vakuum erfolgen, die Kontaktierung kann dann vorteilhaft mittels metallischer Durchführungen durch die isolierenden Boden- oder Deckel-Substrate erfolgen, indem hier beispielsweise druckdicht verschlossenen Leitungsdurchführungen vorgesehen sind.
  • Ein vorbeschriebener Sekundärelektronenvervielfacher weist zu den herkömmlichen Vervielfachern gemäß dem Stand der Technik signifikante Vorteile auf.
  • So kann ein vorbeschriebener Sekundärelektronenvervielfacher besonders vorteilhaft in der Mikrosystemtechnik beziehungsweise in Mikrosystemen einsetzbar sein. Insbesondere kann dein derartiger Sekundärelektronenvervielfacher unmittelbar in derartige Systeme integrierbar sein. Beispielsweise kann eine Integrierung in einen Mikro-Massenspektrometer, etwa in ein sogenanntes PIMMS-System (planar integrated miniaturized mass spectrometer) vorteilhaft sein. Dabei kann in vielen Fällen das Gesamtsystem simultan oder auch in einem Batch-Prozess herstellbar sein, so dass sich eine kostengünstige und einfache Herstellung eines derartigen Mikrosystems ergeben kann. Darüber hinaus lässt sich ein derartiger Sekundärelektronenvervielfacher meist problemlos in eine vorhandene oder zu formende Peripherie einbauen, wie etwa umfassend Widerstände für eine Potentialverteilung und Optiken, beziehungsweise Dynoden. Bezüglich des auszubildenden Vakuums kann dann die gesamte Einheit aufweisend Sekundärelektronenvervielfacher und weiteres System, etwa Massenspektrometer, vorzugsweise in einer Vakuumkammer angeordnet sein. Dabei können insbesondere die Messeinheiten in der Vakuumkammer angeordnet sein, wohingegen Auswerteeinheiten, beispielsweise, außerhalb der Kammer angeordnet sein können.
  • Die Häufigkeit der Zusammenstöße von zwischen den Dynoden befindlichen Neutralteilchen und zu verstärkenden Ladungsträgern wird ferner neben dem Gasdruck, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist, bestimmt von dem Verhältnis der mittleren freien Weglänge und der insgesamt zurückzulegenden Wegstrecke der Ladungsträger. Somit kann neben der Verwendung eines Vakuums, wie vorstehend beschrieben, auch aufgrund der geringen Ausmessungen des Sekundärelektronenvervielfachers als Mikrosystemkomponente beziehungsweise insbesondere der Dynoden und damit einhergehend aufgrund des geringen Abstands zwischen den Dynoden, der wie vorstehend beschrieben in einem Bereich von ≥ 10µm bis ≤ 500µm, beispielsweise von ≥ 150µm bis ≤ 300µm, beispielswiese von circa 250µm oder bis zu 20µm liegen kann, eine besonders hohe Effektivität einer Verstärkung möglich sein. Dabei können sich die vorbeschriebenen Bereiche insbesondere auf eine Verwendung in einem Druckbereich von10-4 Pa bis 1 Pa beziehungsweise von 10-6 mbar bis 0,01 mbar beziehen.
  • Verringert sich jedoch die Größe der verwendeten Komponenten sowie deren Abstände zueinander, erhöhen sich gleichermaßen die Anforderungen an die geometrischen Toleranzen in der Dynodenform und an die Justierung der einzelenen Komponenten zueinander. Dadurch, dass der Sekundärelektronenvervielfacher jedoch durch ein Verfahren der Mikroystemtechnik ausgestaltet wird, tritt dieses Problem bei einem vorbeschriebenen Sekundärelektronenvervielfacher gerade nicht auf. Der vorbeschriebene Sekundärelektronenvervielfacher kann vielmehr durch das Herstellungsverfahren, wie etwa durch ein Ätzverfahren oder durch ein Abscheideverfahren, in der gewünschten Form und Geomterie und somit in einer definierten Ausrichtung der Komponenten zueinander unmittelbar ausgebildet werden, so dass eine Justierung nicht mehr erfolgen braucht. Dadurch kann der im Stand der Technik oftmals aufwändige Verfahrensschritt der Justierung vollständig entfallen, was ein Herstellungsverfahren besonders einfach und kostengünstig gestalten kann.
  • Weiterhin kann eine besonders gute Anpassbarkeit ermöglicht werden durch eine weitestgehend beliebige Anordnung der Dynoden aufgrund der anpassbaren Herstellbarkeit der herzustellenden Strukturen, wie insbesondere der Dynoden und der Spannungsversorgung. Dabei kann von einer guten Anpassbarkeit der Elektronen- beziehungsweise Ionenoptiken gesprochen werden, da hier ein Strahlengang der Ladungsträger definiert geleitet wird.
  • Beispielsweise kann eine Realisierung von integrierten Vervielfachern, wie etwa Photonenvervielfachern, im Batchprozess erfolgen oder eine Integrierbarkeit mit anderen Mikroanalysesystemen kann in einem gemeinsamen Herstellungsprozess möglich sein.
  • Wegen der kurzen Laufzeiten aufgrund der engen Abstände der Dynoden zueinander lässt sich gegenüber üblichen Systemen aus dem Stand der Technik zusätzlich das zeitliche Ansprechverhalten steigern. Durch die Möglichkeit, auch sehr komplexe Dynodengeometrien auf einfache Weise höchst definiert zu realisieren, lassen sich auch die Fokussierungseigenschaften und die Laufzeitstreuungen, wie etwa die Pulsverbreiterung, signifikant verbessern. Dadurch können eine sehr variable und gleichermaßen eine sehr anpassbare Ausgestaltung realisierbar sein. Die engen Abstände zwischen den Dynoden erlauben weiterhin, dass die Anforderungen an das Vakuum signifikant gesenkt werden können, so dass bei vergleichbaren Bedingungen das Vakuum im Vergleich zu im Milimeterbereich vorliegenden Sekundärelektronenvervielfachern aus dem Stand der Technik ein vergleichsweise geringeres Vakuum ausreichen kann. So können bereits Drücke in einem Bereich von 0,1mbar, etwa 10-3 mbar oder sogar darüber, also ein vergleichsweise geringes Vakuum, ausreichend sein, wohingegen im Stand der Technik oftmals Drücke in einem Bereich von beispielhaft 10-6 mbar benötigt werden. In anderen Worten kann erfindungsgemäß ein um Zehnerpotenzen geringeres Vakuum ausreichend sein. Dadurch können die Anforderungen an den Sekundärelektronenvervielfacher als auch an die Vakuumpumpen, beispielsweise, eine kostengünstigere Herstellbarkeit ermöglichen.
  • Somit steht ein vorbeschriebener Sekundärelektronenverteiler im Gegensatz zu entsprechenden Systemen aus dem Stand der Technik, da herkömmliche Sekundärelektronenvervielfacher mit diskreten Dynoden, auch diskrete SEV genannt, Dynoden von einer Größe von mehreren Millimetern mit einem Abstand ebenfalls im Milimeterbereich, etwa in einem Bereich von 3mm oder darüber aufweisen und so einen entsprechenden hohen erforderlichen Platzbedarf aufweisen. Darüber hinaus weisen die Sekundärelektronenvervielfacher aus dem Stand der Technik aufgrund des hohen Abstands zwischen den einzelnen Dynoden vergleichsweise hohe Anforderungen an das Vakuum auf. Ferner sind die diskreten Sekundärelektronenvervielfacher aus dem Stand der Technik nicht für eine direkte Integration mit anderen Mikrosystemkomponenten, wie etwa mit Mikromassenspektrometern, geeignet. Dies gilt schon deshalb, da sie einen reduzierten Platzbedarf unter Beibehalten der Verstärkungseigenschaften in der Regel nicht ermöglichen.
  • Ferner kann sich aus der sehr platzsparenden Ausgestaltung ergeben, dass sich ein geringer Flächen- und Volumenbedarf ergibt gleichzeitig mit geringen Volumenanforderungen, wobei sich weiterhin Totvolumina und Verluststrecken verhindern lassen.
  • Der Sekundärelektronenvervielfacher erlaubt ferner ein Herstellungsverfahren mit einer besonders einfachen Versorgung der Dynoden beispielsweise mit den unterschiedlichen Potentialen durch Dünnschichtwiderstände, da diese Widerstände direkt mit den Dynoden verbunden werden können. Ferner kann auch die Leitungsstruktur in einem Verfahren zusammen mit den weiteren Strukturen erzeugt werden, so dass eine besonders einfache Herstellbarkeit ermöglicht werden kann.
  • Zusammenfassend erlaubt der vorbeschriebene Sekundärelektronenvervielfacher auf einfache Weise eine besonders einfache und kostengünstige Herstellbarkeit bei gleichzeitig hoher Verstärkungsleistung.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung können die Dynoden und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls der Detektor eine maximale Ausdehnung aufweisen, die in einem Bereich von ≥ 50µm bis ≤ 750µm, beispielsweise ≥ 250µm bis ≤ 500µm, liegt. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann eine besonders kompakte Ausbildung einhergehend mit einer guten Verstärkung realisiert werden. Dabei kann ferner gegebenenfalls eine besonders gute Anpassbarkeit an gegebene Mikrosystemkomponenten beziehungsweise eine besonders gute Implementierbarkeit in Mikrosysteme erfolgen und somit besonders kompakte Bauteile aufweisend einen derartigen Sekundärelektronenvervielfacher erzeugt werden. Dabei sollte die maximale Ausdehnung jedoch insbesondere derart gewählt werden, um noch eine ausreichende Verstärkungskraft zu gewährleisten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Substrat ein Material aufweisen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas, Keramik, Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid, und Saphir. Insbesondere die vorgenannten Materialien lassen sich auf einfache Weise in der Mikrosystemtechnik verwenden. Dabei weisen diese Materialien ferner eine Isolationsgüte auf, die einen vorteilhaften Betrieb des Sekundärelektronenvervielfachers erlaubt. Dabei können die Substrate beispielsweise eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von ≥ 300µm bis ≤ 1000µm, beispielsweise von ≥ 400µm bis ≤ 500µm, liegt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können zumindest die Dynoden und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls der Detektor ein Material aufweisen, insbesondere aus diesem Material geformt sein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dotiertem Silizium oder Metallen, wie etwa Gold, Kupfer, Nickel oder Silber. Insoweit Silizium verwendet wird und mit Bezug auf die vorliegende Erfindung als dotiertes Silizium beschrieben wird, umfassen Dotierstoffe für das Silizium dabei insbesondere Bor, Stickstoff, Phosphor, Aluminium, Indium, Arsen und Antimon. Geeignete Dotierkonzentrationen umfassen weiterhin nicht beschränkend den Bereich von 1016 bis 1021 cm-3. Dabei erfolgt eine Dotierung mit Bezug auf die Auswahl des Dotierstoffes beziehungsweise die Dotierkonzentration insbesondere derart, dass die Auswahl an die gewünschte Effektivität des Sekundärelektronenvervielfachers angepasst ist, beziehungsweise dass eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit der Strukturen für ein gewünschtes Arbeiten des Sekundärelektronenvervielfachers gegeben ist.
  • Dabei kann das Material, insbesondere insoweit die Dynoden mit diesem ausgestaltet sind, ferner beschichtet sein mit einem Material, das nicht elektrisch leitfähig ist und welches den Sekundärelektronenkoeffizienten steigert, wie beispielsweise Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliziumdioxid (SiO2), wobei die Beschichtung beispielsweise erfolgen kann durch an sich bekannte Verfahren, wie etwa an sich bekannte Abscheideverfahren, etwa physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) oder chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Beispielsweise kann eine Dynode besonders bevorzugt aus Silizium ausgestaltet sein, wobei durch eine Oxidation eine Beschichtung aus Siliziumdioxid ausgestaltet werden kann. Insbesondere durch die vorgenannten Materialien beziehungsweise Materialkombinationen lassen sich vorteilhaft Verfahren aus der Mikrosystemtechnik anwenden, um so definierte Strukturen erzeugen zu können. Weiterhin kann insbesondere durch die vorgenannte Beschichtung der Dynoden ein hoher Sekundärelektronenkoeffizient ermöglicht werden, was eine besonders effektive Verstärkung ermöglicht.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der Sekundärelektronenvervielfacher eine Schichtstruktur aufweisen, bei der zwei Substrate vorgesehen sind, zwischen denen zumindest die Dynoden und gegebenenfalls der Detektor und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls zumindest teilweise die Leitungsstruktur angeordnet sind. Eine derartige Struktur kann somit insbesondere eine sogenannte Sandwich-Struktur ausbilden, in der die Mikrosystemkomponenten, wie insbesondere die Dynoden und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls der Detektor angeordnet sind. Dabei kann eine derartige Struktur beispielsweise zwei Glas-Substrate aufweisen, zwischen denen die Mikrosystemkomponenten, wie insbesondere die Dynoden und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode und gegebenenfalls der Detektor, etwa aus dotiertem Silizium geformt, angeordnet sind. Eine Realisierung derartiger Systeme insbesondere im Hinblick auf die direkte Integration in weitere Mikrosysteme, wie etwa Mikromassenspektrometer, beispielsweise in sogenannte PIMMS-Systeme, ist dabei besonders vorteilhaft. Denn in dieser Struktur können Kanäle geformt werden, durch die etwa ein aus einem Massenspektrometer austretendes Gas geleitet werden kann. Darüber hinaus können einheitliche beziehungsweise die gleichen Herstellungsverfahren für das Gesamtsystem Verwendung finden. Eine derartige Struktur kann beispielsweis realisierbar sein durch das vorstehend bereits erwähnte und nachfolgend im Detail beschriebene DRIE-Ätzverfahren, bei dem alle bezüglich der Geometrie kritischen und elektrisch leitfähigen Komponenten durch hochgenaues Anisotropes Ätzen in Silizium realisiert werden können.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung können die Dynoden in zwei konzentrisch angeordneten Bögen angeordnet sein. Dabei können die Bögen beispielsweise Kreisbögen ausbilden. Die Dynoden sind dabei zweckmäßigerweise derart angeordnet, dass die Elektronen jeweils von dem inneren Bogen zu dem äußeren Bogen und wieder zu dem inneren Bogen und so weiter geleitet werden. Dadurch kann wiederum eine sehr kompakte Bauweise kombiniert werden mit einer hohen Verstärkungsleistung. Auf diese Weise lassen sich z.B. der Flächenbedarf der Anordnung und so auch die Herstellungskosten noch weiter reduzieren. Die Ausbildung in zwei konzentrischen Bögen soll dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere bedeuten, dass durch zwei gedachte konzentrische Bögen, beispielsweise Kreisbögen, sämtliche Dynoden berührt werden würden. In anderen Worten werden die konzentrischen Bögen durch jeweils zumindest einen Teil der derart angeordneten Dynoden definiert.
  • Betreffend weitere technische Merkmale und Vorteile des vorstehend beschriebenen Sekundärelektronenvervielfachers wird hiermit explizit auf die Ausführungen betreffend das Verfahren zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers und auf die Figuren beziehungsweise die Beschreibung der Figuren verwiesen.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Sekundärelektronenvervielfachers, aufweisend die Verfahrensschritte:
    1. a) Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats;
    2. b) Aufbringen zumindest einer Mehrzahl von Dynoden und gegebenenfalls wenigstens einer Fokussierungselektrode und gegebenenfalls eines Detektors auf das elektrisch isolierende Substrat unter Ausbildung von Strukturen mit einer maximalen räumlichen Ausdehnung von jeweils > 50µm bis ≤ 1000µm, wobei
    3. c) die Dynoden zum Sekundärelektronenvervielfachen angeordnet werden, und
    4. d) Aufbringen einer Leitungsstruktur auf das Substrat zum Anlegen eines jeweils unterschiedlichen elektrischen Potentials an die Dynoden.
  • Dabei ist es für den Fachmann ersichtlich, dass das Verfahren nicht in der vorbeschriebenen Reihenfolge sondern auch in einer zumindest teilweise abweichenden Reihenfolge oder zumindest teilweise zeitgleich durchgeführt werden kann.
  • Somit erfolgt gemäß Verfahrensschritt a) zunächst das Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats, wobei mit Bezug auf die genaue Ausgestaltung des Substrats auf die vorstehenden Ausführungen mit Bezug auf den Sekundärelektronenvervielfacher verwiesen wird. Zusammenfassend kann beispielsweise ein Substrat mit einer Dicke in einem Bereich von ≥ 300µm bis kleiner als 1000µm, etwa ausgestaltet aus Glas, Saphir, oxidiertem Silizium beziehungsweise Siliziumoxid, oder einer Keramik, bereitgestellt werden.
  • Gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt anschließend ein Aufbringen zumindest einer Mehrzahl von Dynoden und gegebenenfalls eines Detektors und gegebenenfalls wenigstens einer Fokussierungselektrode auf das elektrisch isolierende Substrat unter Ausbildung von Strukturen mit einer maximalen räumlichen Ausdehnung der jeweiligen einzelnen Struktur von ≥ 50µm bis jeweils 1000µm, wobei diese räumliche Ausdehnung jeweils für eine Dynode, eine Fokussierungselektrode und den Detektor gilt. Somit erfolgt dieser Verfahrensschritt mit einem Verfahren der Mikrosystemtechnik unter Ausbildung von Mikrosystemkomponenten. Dabei werden gemäß Verfahrensschritt c) als Strukturen, wie insbesondere als Funktionsstrukturen die Dynoden zum Sekundärelektronenvervielfachen angeordnet, was beispielsweise durch definiertes Ätzen erfolgen kann, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist. Bezüglich der genauen Ausgestaltung der Dynoden wird wiederum auf die vorstehenden Ausführungen betreffend den Sekundärelektronenvervielfacher verwiesen.
  • Ein Anordnen der Dynoden zum Sekundärelektronenvervielfachen soll dabei ferner bedeuten, dass die Dynoden eine Form und Ausrichtung aufweisen, die es erlaubt, dass ein Ladungsträgerstrom, wie etwa ein Elektronenstrom, jeweils von Dynode zu Dynode reflektiert beziehungsweise beschleunigt wird und so eine Verstärkung erlaubt werden kann.
  • Dabei ist es ferner vorgesehen, dass gemäß Verfahrensschritt d) zusätzlich für eine elektrische Verschaltung auch eine Leitungsstruktur zum Verbinden der Dynoden auf das Substrat aufgebracht wird, insbesondere wobei die Leitungsstruktur etwa metallische Leiterbahnen, gegebenenfalls dazwischen angeordnete Abschirmungen, und gegebenenfalls Widerstände aufweist, um so die unterschiedlichen Dynoden mit jeweils unterschiedlichem elektrischen Potential versorgen zu können. Die Leitungsstrukturen können dabei insbesondere durch Abscheideverfahren, wie etwa chemische Gasphasenabscheidung (CVD), physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht werden, wie dies nachstehend im Detail beschrieben ist. Durch ein vorbeschriebenes Verfahren kann ein besonders einfaches und kostengünstiges Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers ermöglicht werden, wobei insbesondere auf einen separaten Justierungsschritt der einzelnen Komponenten zueinander verzichtet werden kann. Dabei kann die Form und Position der Dynoden auf weniger als 1µm genau und mit in der Ebene beliebiger Geometrie und Anordnung zueinander erzeugt werden, was das Herstellen einer besonders definierten Struktur erlaubt.
  • Dadurch kann ferner eine hohe Verstärkung realisiert werden, da diese voraussetzt, dass die elektronenoptischen Komponenten, also die Dynoden, eines Sekundärelektronenvervielfachers optimal zueinander justiert beziehungsweise ausgerichtet sind. Verringert sich die Größe der verwendeten Komponenten, sowie deren Abstände zueinander, erhöhen sich auch die Anforderungen an die geometrischen Toleranzen in der Dynodenform und Justage. Die Komponenten eines wie vorbeschrieben hergestellten Sekundärelektronenvervielfachers erfüllen diese Voraussetzungen aufgrund der exakten Herstellbarkeit problemlos, da eine nachträgliche Justierung aufgrund der herstellungsbedingten exakten, unmittelbar bei der Herstellung erfolgenden Ausrichtung nicht notwendig ist. Dies erlaubt zudem jede beliebige Anordnung der Dynoden zueinander.
  • Die Ausrichtung der Komponenten zueinander kann dabei erfolgen in Abhängigkeit des konkreten Herstellungsverfahrens und dabei beispielsweise durch eine photomaskierte Ausrichtung etwa der Dynoden durch die Anordnung dieser unmittelbar bei der Herstellung, so dass ein zusätzlicher Justageschritt beziehungsweise eine zusätzliche Ausrichtung verhindert werden kann beziehungsweise überflüssig sein kann. Somit erfolgt die Justage unmittelbar bei der Herstellung der entsprechenden Strukturen durch eine definierte Ausrichtung beziehungsweise Anordnung. Darüber hinaus kann sich bedingt durch das Herstellungsverfahren eine miniaturisierte präzise und in der lateralen Geometrie beliebig wählbare Elektroden-/Dynodengeometrie beziehungsweise Form ermöglichen, was eine besonders gute Anpassbarkeit ermöglichen kann.
  • Aufgrund der zur Herstellung verwendeten Verfahren der Mikrosystemtechnik in 2 ½ - dimensionaler Geometrie, also bei einer Gemoetrie, bei der neben Lagegeometrie auch die Höhe definiert ist, lassen sich nicht nur die Strukturen des Sekundärelektronenvervielfachers integriert herstellen. Auch eine weitere Bearbeitung der entsprechenden Strukturen, wie etwa ein Aufbringen von Beschichtungen auf Dynoden kann in einem integrierten Herstellungsverfahren ermöglicht werden.
  • Darüber hinaus lässt sich die Leitungsstruktur, wie auch die Abschirmungen, auf einfache Weise ebenfalls integriert herstellen durch Abscheidung und Strukturierung von Leiterbahnen, etwa durch das Aufbringen von Schichten aus Titan (Ti), Nickel (Ni), Chrom (Cr), Gold (Au), Kupfer (Cu), Silber (Ag), Platin (Pt) oder Palladium (Pd), vorzugsweise indem eine direkte Kontaktierung der Elektroden und Dynoden in den Prozess integriert wird. Auch die Herstellung der für die Versorgung der Dynoden mit aufsteigenden Potentialen erforderliche Spannungsteiler lässt sich schaltungstechnisch zwischen den Dynoden integriert realisieren. Dies ist beispielsweise möglich in Form von photolithographisch geätzten Dünnschichtwiderständen, vorzugsweise aus Materialien mit hohem spezifischen Widerstand, möglichst aber noch positivem Temperaturkoeffizienten. Nicht beschränkende Beispiele für die Ausgestaltung der Widerstände umfassen etwa Titanoxynitrid (TiON), Nickel-Chrom-Legierungen (NiCr) oder Kupfer-Nickel-Mangan-Legierungen (CuNiMn), beispielsweise Konstantan.
  • Durch ihre mit anderen Analysesystemen in Mikrosystemtechnik kompatiblen Herstellungsverfahren, insbesondere von Mikromassenspektrometern (PIMMS), lassen sich diese Sekundärelektronenvervielfacher auch direkt in diese Systeme integrieren. Sie erlauben so nicht nur eine vereinfachte simultane Herstellung, sie lassen sich wegen der so vermeidbaren Totvolumina und hochgenauer Zuordnung, etwa durch das Verwenden von photomaskenbasierten Geometrien, auch ohne Verluste von zu verstärkenden Ladungsträgern integrieren.
  • So kann auch die Wahl von ggf. im thermodynamischen Gleichgewicht nicht einfach herstellbaren Materialien, wie z.B. Siliziumdioxid (SiO2), (Al2O3), Zinkoxid (ZnO) oder amorpher Diamant, etwa für eine Beschichtung der Dynoden, problemlos aufgebracht werden. Derartige Materialien lassen sich in den Prozess integrieren für eine Beschichtung der Dynoden, beispielsweise, etwa durch Dünnschichtverfahren, wie PVD-Verfahren, Sputtern und Aufdampfen oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase (CVD).
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung kann zumindest ein Verfahrensschritt ausgeführt werden unter Verwendung eines Fotolithographie-Verfahrens. Ein derartiger Verfahrensschritt kann insbesondere für das Definieren der Strukturen, wie insbesondere der Dynoden, der Leitungsstruktur, Abschirmungen, des Detektors und der wenigstens einen Fokussierungselektrode dienen. Beispielsweise kann das Erzeugen sämtlicher auf einem Substrat angeordneter Strukturen auf einem Fotolithographie-Schritt basieren.
  • Bei einem derartigen Schritt wird in an sich bekannter Weise eine Oberfläche eines Grundkörpers, wie etwa eines Silizium-Wafers, beispielsweise aus dotiertem Silizium oder Glas, mit einer Schicht aus einem Fotolack versehen. Unter einem Negativlack ist dabei in an sich bekannter Weise ein Lack zu verstehen, dessen Löslichkeit durch ein Belichten abnimmt, wohingegen unter einem Positivlack ein derartiger Lack zu verstehen ist, dessen Löslichkeit durch ein Belichten zunimmt.
  • In Abhängigkeit davon, ob ein Positivlack oder ein Negativlack Verwendung findet, kann durch eine teilweise UV-durchlässige Maske ein Belichten der Lackschicht erfolgen, wodurch sich die Löslichkeit verändert und die entsprechenden Bereiche entfernt werden können beziehungsweise stabil bleiben, etwa durch Einwirkung eines Lösungsmittels, wie etwa Aceton, oder eines Plasmas. Die Struktur der Maske überträgt sich dann unmittelbar oder als Negativ in die Lackschicht, so dass diese als Basis für ein Erzeugen der entsprechenden Strukturen dienen kann.
  • Ein derart bearbeiteter Grundkörper kann dann Basis sein für weitere Verfahrensschritte zum Erzeugen der gewünschten Strukturen.
  • Bezüglich des Aufbringens der Leitungsstruktur kann beispielsweise ein Fotolack etwa durch Maskierung uns strukturierter Entfernung durch Fotolithographie auf den Positionen aufgebracht werden, wo kein Material der Leitungsstruktur vorliegen soll. Anschließend kann eine Schicht des Materials der Leitungsstruktur aufgebracht werden, etwa mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Aufdampfen, woraufhin der Fotolack wieder entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch eingebrachte Kanäle oder eine seitliche Behandlung erfolgen. Daraufhin löst sich das auf dem Fotolack befindliche Material ebenfalls. Alternativ kann ein Fotolack aufgebracht werden, der eine nur verminderte Haftung des aufzubringenden Materials aufweist. Das aufgebrachte Material haftet dann nur an den Positionen neben dem Fotolack, woraufhin dieser wieder entfernt werden kann.
  • Insbesondere bezüglich der Dynoden, gegebenenfalls des Detektors und gegebenenfalls der wenigstens einen Fokussierungselektrode kann in einer Ausgestaltung zumindest ein Verfahrensschritt ausgeführt werden unter Verwendung eines reaktiven Ionentiefenätzens. Unter einem auch als DRIE-Prozess (deep reactive ion etching) bekannten reaktivem Ionentiefätzen ist in an sich bekannter Weise ein Prozess bekannt, bei dem Strukturen durch ein hoch anisotropes Ätzen in einem Grundkörper, im vorliegenden Fall insbesondere in dotiertem Silizium, realisiert werden. Dabei kann ein reaktives Ionentiefenätzen insbesondere folgendermaßen ablaufen. Zunächst kann der Grundkörper maskiert werden, etwa mit einem Fotolack, wie dies vorstehend erläutert ist, oder mit einer Hartmaske, etwa aufweisend Siliciumdioxid, wobei die nicht zu ätzenden Bereiche abgedeckt werden. Anschließend werden die freiliegenden Bereiche geätzt, beispielsweise unter Verwendung von auf Schwefelhexafluorid (SF6) in Argon (Ar) basierendem reaktivem Gas, welches etwa durch Erzeugung eines Plasmas auf Basis von Schwefelhexafluorid und Argon erzeugt werden kann. Um eine hohe Anisotropie zu erzeugen, kann sich ein Ätzteilschritt abwechseln mit einem Teilschritt des Passivierens. Dazu kann beispielsweise die geätzte Oberfläche mit einer Passivierungsschicht, etwa ausgebildet durch das Aufbringen von Teflon oder durch das in Kontakt bringen der geätzten Oberfläche mit Octafluorcyclobutan (C4F8) geschützt werden. Durch eine abwechselnde Anwendung der vorgenannten Teilschritte kann dabei eine hoch genaue Struktur geätzt werden. Das vorbeschriebene Verfahren ist auch als Bosch-Prozess bekannt. Dieses Verfahren bietet sich somit insbesondere dann an, wenn die Strukturen, wie etwa die Dynoden, der Detektor und/oder die wenigstens eine Konversionselektrode aus dotiertem Silizium geformt sein sollen.
  • Dabei können die gesamten zu entfernenden Strukturteile durch ätzen entfernt werden, oder es können nur Gräben geätzt werden. Für den Fall, dass unterhalb der zu entfernenden Bereiche, etwa auf einem Substrat und unterhalb einer Schicht aus dotiertem Silizium, beispielsweise ebenfalls ein Fotolack oder eine andere lösbare Verbindung aufgebracht ist, kann diese entfernt werden, so dass die zu entfernenden Bereiche keinen Halt mehr etwa auf dem Substrat besitzen und so rausfallen können. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die entsprechende Struktur von der Unterseite her angeätzt beziehungsweise die entsprechenden Ränder angeätzt werden, so dass nicht die gesamte zu entfernende Struktur herausgeätzt werden braucht, sondern lediglich die Kanten abgefahren werden können, so dass die entsprechenden Strukturen herausgetrennt werden können.
  • Somit können im Schritt b) bevorzugt alle bezüglich der Geometrie kritischen und elektrisch leitfähigen Komponenten durch hochgenaues Anisotropes Ätzen in Silizium realisiert werden, die insbesondere mit elektrischen Leiterbahnen versehenen isolierenden Substraten, wie etwa Glas hermetisch verbunden werden, etwa durch ein anodisches Verbinden beziehungsweise anodisches Bonden. Somit kann grundsätzlich bei der Herstellung des Sekundärelektronenvervielfachers eine Verbindung des Siliziums mit einem Substrat, beispielsweise mit einem Glassubstrat, erfolgen durch ein sogenanntes anodisches Bonden, wobei unter Einwirkung von Druck und elektrischer Spannung das Substrat, wie etwa das Glas, und das dotierte Silizium verbunden werden.
  • Bei einem derartigen Bondprozess kann ein insbesondere alkaliionenhaltiges Glassubstrat mit dem dotierten Silizium in engen Kontakt gebracht werden und von außen in das Glas beziehungsweise in das Silizium eine Spannung eingebracht werden derart, dass das Glassubstrat negativ und die Silizium-Struktur positiv geladen werden. Dazu können beispielsweise mit einer Spannungsquelle verbundene Elektroden verwendet werden oder eine Heizplatte kann als Elektrode dienen. Unter Anwendung von Druck können sich chemische Verbindungen zwischen dem Silizium und Glas, etwa dem Sauerstoff vom Siliziumoxid des Glases ausbilden, wodurch eine stabile Verbindung entsteht.
  • Insbesondere bezüglich der Dynoden, gegebenenfalls des Detektors und gegebenenfalls der wenigstens einen Fokussierungselektrode kann in einer weiteren Ausgestaltung zumindest ein Verfahrensschritt ausgeführt werden unter Verwendung eines galvanischen Materialaufbaus. Dabei kann beispielsweise ein sogenanntes LIGA-Verfahren durchgeführt werden beziehungsweise kann das Verfahren auf diesem basieren. Bei einem derartigen Verfahren laufen im Wesentlichen die folgenden Schritte ab. Das Substrat, welches wiederum ein Glassubstrat oder ein Keramiksubstrat sein kann, wird mit einer metallischen Schicht versehen, etwa mittels einer Sputterdeposition oder einem Aufdampfen. Auf diese Schicht kann folgend ein Fotolack aufgebracht werden, wie dies mit Bezug auf die Fotolithografie vorstehend im Detail beschrieben ist. Nach einem strukturierten Entwickeln und Entfernen des Lacks kann eine Negativform der aufzubringenden Struktur als metallisches Muster neben dem verbleibenden Lack verbleiben. In einem galvanischen Verfahren kann anschließend ein Metall auf dem Substrat in den Bereichen abgeschieden werden, in denen der Fotolack bei dem Entwickeln entfernt wurde, also das metallische Muster freigelegt worden ist. Nach dem Entfernen des noch vorhandenen Lacks bleiben zunächst das Substrat, die metallische Schicht und das galvanisch abgeschiedene Metall zurück. Das galvanisch abgeschiedene Metall kann in diesem Fall die gewünschten Strukturen ausbilden. Danach wird dann die metallische Schicht, welche sich unmittelbar auf dem Substrat befindet, durch einen Ätzschritt, beispielsweise, zwischen den galvanisierten Strukturen entfernt Dieses Verfahren bietet sich somit insbesondere dann an, wenn die Strukturen, wie etwa die Dynoden, der Detektor und/oder die wenigstens eine Konversionselektrode aus einem Metall geformt sein sollen.
  • Betreffend weitere technische Merkmale und Vorteile des Verfahrens zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers wird hiermit explizit auf die Ausführungen betreffend den Sekundärelektonenvervielfacher und die Figuren beziehungsweise die Beschreibung der Figuren verwiesen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
    • Fig. 1. eine schematische Darstellung einer Vorstufe einer Ausgestaltung eines Sekundärelektronenvervielfachers,
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Sekundärelektronenvervielfachers basierend auf der Vorstufe aus Figur 1 während eines Betriebs;
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung eines Sekundärelektronenvervielfachers; und
    • Fig. 4 eine Schnittansicht durch den Schnitt A-A' aus der Fig. 3 während eines Betriebs.
  • In der Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorstufe einer Ausgestaltung eines Sekundärelektronenvervielfachers 10 gezeigt. Dabei ist ein Substrat 12 gezeigt, welches beispielsweise aus Glas, Saphir, Siliziumoxid oder aus Keramik geformt sein kann. Das Substrat 12 kann beispielhaft eine Dicke aufweisen, die in einem Bereich von kleiner als 1000µm, beispielsweise größer als 300µm, etwa bei 500µm, liegt. Ferner kann es eine Breite oder Länge aufweisen, welche an die Anzahl der aufgebrachten Komponenten angepasst sein kann.
  • Auf dem Substrat 12 ist eine Mehrzahl an diskreten Dynoden 14 aufgebracht, wobei die einzelnen Dynoden 14 Abmessungen in einem Bereich von ≥ 50µm bis ≤ 500µm aufweisen können. Rein beispielhaft können die Dynoden 14 jeweils eine Breite in einem Bereich von ≥ 50µm bis ≤ 200µm und/oder eine Länge von ≥ 50µm bis 400µm und/oder eine Dicke von ≥ 100µm bis ≤ 500µm aufweisen. In Figur 1 ist gezeigt, dass die Dynoden 14 in zwei parallelen Reihen mit jeweils sechs Dynoden 14 angeordnet sind. Der Abstand der Dynoden 14 zueinander kann in einem Bereich von ≥ 10µm bis ≤ 500µm liegen. Dabei kann der Abstand der Dynoden in einer Reihe beispielsweise in einem Bereich von ≥ 10µm bis ≤ 40µm, etwa 20µm betragen und/oder der Abstand der Dynoden 14 zu in der parallelen Reihe angeordneten Dynoden 14 kann in einem Bereich von ≥ 10µm bis ≤150µm, etwa 100µm, liegen. Dabei können sich die vorgenannten Werte insbesondere auf eine Verwendung bei einem Druck von ≥ 10-4 Pa bis ≤ 1 Pa beziehen. Ferner können die Dynoden 14 beispielsweise mit einer Dicke in einem Bereich von ≥ 100µm bis ≤ 500µm, etwa bis ≤ 400µm, beispielsweise 300µm, ausgestaltet sein.
  • In der Figur 1 sind weiterhin ein Detektor 16 und Fokussierungselektroden 18 gezeigt, die eine zu den Dynoden 14 vergleichbare Dicke aufweisen können. Ferner können der Detektor 16 und die Fokussierungselektroden 18 in einem vergleichbaren maximalen Größenbereich liegen, wie die Dynoden 14. Weiterhin können die Dynoden 14, wie auch der Detektor 16 und die Fokussierungselektroden 18 aus dotiertem Silizium oder aus einem Metall, wie etwa Gold oder Silber, ausgestaltet sein, wobei die Dynoden 14 eine Beschichtung für eine effektive Verstärkung aufweisen können, wie etwa Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid. Die Dynoden 14, der Detektor 16 und die Fokussierungselektroden 18 sind durch ein Mikrosystemverfahren hergestellt.
  • Figur 1 zeigt weiterhin, dass an den Dynoden 14, den Fokussierungselektroden 18 und, nicht gezeigt, an dem Detektor 16, Leiterbahnen 20 angeordnet sind, die Teil einer Leitungsstruktur sein können, um die Dynoden 14 auf ein gewünschtes und jeweils von einander verschiedenes elektrisches Potential zu bringen. Damit das elektrische Potential der einzelnen Dynoden 14 definiert einstellbar und insbesondere von einander verschieden sein kann, sind in der Figur 2 ferner Dünnschichtwiderstände 26 gezeigt, welche zwischen den Dynoden 14 angeordnet sein können. Ferner sind Abschirmungen 15 gezeigt, welche zwischen den Leiterbahnen 20 angeordnet sein können, um so elektrische Überschläge zu verhindern. Die Abschirmungen 15 können dabei analog zu den Elektroden beziehungsweise den Leitungsstrukturen, wie etwa den Leiterbahnen 20, hergestellt werden, wobei jedoch eine elektrische Anbindung der Abschirmungen nicht erfolgt.
  • Um eine besonders effektive Verstärkung zu erreichen, ist die vorbeschriebene Anordnung ferner bevorzugt in einer durch eine etwa aus einem Kunststoff geformte Wandung 23 begrenzte Kammer 22 angeordnet, in der ein Vakuum 24 ausgebildet werden kann, wie dies rein schematisch in den Figuren gezeigt ist. Dabei kann es ferner vorgesehen sein, dass in der Kammer 22 eine weitere Kammer vorgesehen ist, in welcher die Anordnung aufweisend das Substrat 12 mit den hierauf aufgebrachten Komponenten angeordnet ist. Diese Kammer kann wiederum ein Fenster oder auch eine Öffnung zum Einbringen eines zu verstärkenden Strahls aufweisen, wobei in der nicht gezeigtem Kammer ebenfalls das Vakuum 24 einbringbar ist. Die weitere Kammer kann wieder eine Wandung aus einem Kunststoff aufweisen.
  • In der Figur 2 ist ferner ein Ladungsträgerstrahl 11 gezeigt, der durch die Fokussierungselektroden 18, welche ebenfalls ein geeignetes elektrisches Potential aufweisen können, auf die Dynoden 14 geleitet wird, wobei sich der Ladungsträgerstrahl 11 in Richtung des Detektors 16 verstärkt. Dabei kann die Kammer 22 beziehungsweise die Wandung 23 vor der ersten Dynode 14 beziehungsweise vor der ersten Fokussierungselektrode 18 beispielsweise ein nicht gezeigtes Fenster, etwa aus Glas, aufweisen, um einen Photonenstrahl in die Kammer 22 zu leiten. Dann trifft dieser zunächst auf eine photosensitive Schicht beziehungsweise Photoelektronenemitterschicht, etwa stromaufwärts der Fokussierungselektroden 18 und/oder beispielsweise auf dem Substrat 12, um den Ladungsträgerstrahl 11 zu erzeugen. Alternativ kann die Strahlquelle des Ladungsträgerstrahls 11 sich unmittelbar in der Kammer 22 befinden.
  • In den Figuren 3 und 4 ist ferner eine weitere Ausgestaltung eines Sekundärelektronenvervielfachers 10 gezeigt. In dieser Ausgestaltung weist der Sekundärelektronenvervielfacher 10 eine Schichtstruktur auf, bei der zwei Substrate 12, 12' vorgesehen sind, zwischen denen zumindest die Dynoden 14 und gemäß den Figuren 3 und 4 ferner auch der Detektor 16 angeordnet sind. Ferner ist eine etwa aus einem Kunststoff gefertigte Wandung 25 gezeigt, welche eine Kammer 27 verschließt, wobei die Kammer 27 entsprechend zu Figur 1 in einer nicht gezeigten Kammer 22 zum Ausbilden eines Vakuums 24 angeordnet sein kann Dabei liegt das Vakuum 24 ebenfalls in der Kammer 27 vor. Die Wandung 25 kann dabei kreisförmig ausgestaltet sein und zusammen mit den Substraten 12, 12' die Kammer 27 ausbilden. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Substrate 12, 12' aus Glas geformt sind und die Dynoden 14 aus dotiertem Silizium geformt sind und dabei etwa anodisch auf das Glassubstrat gebondet sind, wie dies vorstehend im Detail beschrieben ist. Die Leiterbahnen 20 können dabei Metallleiterbahnen aus einem Nickel-Gold-Schichtsystem sein und etwa eutektisch mit den Dynoden 14 verbunden sein. Durch diese Leiterbahnen 20 kann die Kontaktierung nach außen erfolgen, zum Beispiel zu einer Platine.
  • Ferner ist die Ausgestaltung der Dynoden 14 in zwei konzentrischen Bögen in der Figur 4 gezeigt.
  • In der Figur 4 ist wiederum der Verstärkungsstrahl 11 gezeigt, der auf die Dynoden 14 geleitet wird, wobei sich der Verstärkungsstrahl 14 in Richtung des Detektors 16 verstärkt. Für den Fall, dass beispielsweise eine Photonenverstärkung stattfindet, kann die in Figur 4 nicht gezeigte Kammer 22 beziehungsweise die nicht gezeigte Wandung 23 auch einen lichtdurchlässigen beziehungsweise transparenten Bereich aufweisen. In diesem Fall ist wiederum eine Photoelektronenemitterschicht vorgesehen, welche etwa auf dem Substrat 12 angeordnet sein kann. Alternativ kann die Quelle des Verstärkungsstrahls 11 in der nicht gezeigten Kammer 22 oder innerhalb oder außerhalb der Kammer 27 angeordnet sein. Weiterhin kann die Kammer 27 geöffnet sein, falls ein Elektronenstrahl verstärkt werden soll und sich die Strahlquelle außerhalb der Kammer 27 befindet. Ferner können nicht gezeigte Fokussierungselektroden vorgesehen sein, welche entsprechend der Bildung des Verstärkungsstrahls 11 angeordnet beziehungsweise ausgerichtet sein können.
  • In der Figur 4 ist ferner eine Verschaltung der einzelnen Elektroden nicht dargestellt. Diese kann jedoch in für den Fachmann verständlicher vorstehend beschriebener und für einen Sekundärelektronenvervielfacher grundsätzlich bekannten Weise erfolgen.

Claims (11)

  1. Sekundärelektronenvervielfacher, aufweisend ein elektrisch isolierendes Substrat (12, 12'), auf dem eine Mehrzahl an diskreten Dynoden (14) und gegebenenfalls wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) und gegebenenfalls ein Detektor (16) angeordnet sind, wobei weiterhin eine Leitungsstruktur zum Anlegen von definierten unterschiedlichen elektrischen Potentialen an die Dynoden (14) vorgesehen ist, und wobei zumindest ein räumlich zwischen den Dynoden (14) positioniertes Volumen und gegebenenfalls ein zwischen wenigstens einer Dynode (14) und der wenigstens einen Fokussierungselektrode (18) positioniertes Volumen und gegebenenfalls ein zwischen wenigstens einer Dynode (14) und dem Detektor (16) positioniertes Volumen mit einem Vakuum beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Dynoden (14) und gegebenenfalls weiterhin der Detektor (16) und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) eine räumliche Ausdehnung in einem Bereich von größer oder gleich 50µm bis ≤ 1000µm aufweisen.
  2. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12, 12') ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Glas Keramik, Siliziumoxid und Saphir.
  3. Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Dynoden (14) und gegebenenfalls der Detektor (16) und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) ein Material aufweisen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus dotiertem Silizium und Metallen.
  4. Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärelektronenvervielfacher (10) eine Schichtstruktur aufweist, bei der zwei Substrate (12, 12') vorgesehen sind, zwischen denen zumindest die Dynoden (14) und gegebenenfalls der Detektor (16) und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) angeordnet sind.
  5. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Substrate (12, 12') aus Glas geformt sind und dass zumindest die Dynoden (14) und gegebenenfalls der Detektor (16) und gegebenenfalls die wenigstens eine Fokussierungselektrode (18) aus dotiertem Silizium geformt sind.
  6. Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynoden (14) in zwei konzentrisch angeordneten Bögen angeordnet sind.
  7. Sekundärelektronenvervielfacher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynoden (14) zueinander einen Abstand aufweisen, der in einem Bereich von > 100µm bis ≤ 500µm liegt.
  8. Verfahren zum Herstellen eines Sekundärelektronenvervielfachers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die Verfahrensschritte:
    a) Bereitstellen eines elektrisch isolierenden Substrats (12);
    b) Aufbringen zumindest einer Mehrzahl von Dynoden (14) und gegebenenfalls eines Detektors (16) und gegebenenfalls wenigstens einer Fokussierungselektrode (18) auf das elektrisch isolierende Substrat (12) unter Ausbildung von Strukturen mit einer maximalen räumlichen Ausdehnung von jeweils 1000µm; wobei
    c) die Dynoden (14) zum Sekundärelektronenvervielfachen angeordnet werden;
    d) Aufbringen einer Leitungsstruktur auf das Substrat zum Anlegen eines jeweils unterschiedlichen elektrischen Potentials an die Dynoden (14).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verfahrensschritt ausgeführt wird unter Verwendung eines Fotolithographie-Verfahrens.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Verfahrensschritt ausgeführt wird unter Verwendung eines reaktiven Ionentiefenätzens.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verfahrensschritt ausgeführt wird unter Verwendung eines galvanischen Materialaufbaus.
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