JP5254400B2 - 光電子増倍管及びその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管及びその製造方法に関するものである。

従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。

特許第３０７８９０５号公報 特開平４−３５９８５５号公報

発明者らは、従来の光電子増倍管について検討した結果、以下のような課題を発見した。

すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部材自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、高い検出精度を維持した状態で従来よりも容易に小型化が可能になる構造であって、微細加工のし易い構造を備えた光電子増倍管及びその製造方法を提供することを目的としている。

この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。

具体的に当該光電子増倍管は、光電子増倍管内部が真空状態に維持された外囲器と、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極を備える。上記外囲器は、少なくともその一部が、平坦部を有するガラス基板により構成されている。また、上記光電面は、外囲器を介して取り込まれた光に応じて光電子を該外囲器の内部に放出する。上記電子増倍部は、上記ガラス基板における平坦部の所定領域上に配置され、光電面から放出された光電子をカスケード増倍する。上記陽極は、ガラス基板における平坦部のうち電子増倍部が配置された領域を除く領域上に配置され、電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出す電極として機能する。このように、上記電子増倍部及び上記陽極は、上記ガラス基板における平坦部上に二次元的に配置されており、装置全体の小型化が可能になる。

また、上記外囲器は、ガラス基板である下側フレームと、該下側フレームに対向する上側フレームと、これら上側フレーム及び下側フレームの間に設けられ、上記電子増倍部及び陽極を取り囲む形状を有する側壁フレームとを備えるのが好ましい。特に、上記側壁フレームは、一つのシリコン基板をエッチング加工することにより電子増倍部及び陽極とともに一体的に形成されるのが好ましい。このような構造により、微細加工が容易に実現でき、より小型の光電子増倍管が得られる。この場合、側壁フレームと一体的に形成される電子増倍部及び陽極もシリコン材料からなることになる。なお、上記ガラス基板へのこれら電子増倍部及び陽極の固定は、溶接以外の方法で行うのが好ましい。例えば、ガラス基板に、シリコン材料からなる電子増倍部及び陽極を、陽極接合及び拡散接合のいずれかにより固定するのが好ましい。勿論、側壁フレームとガラス基板（下側フレーム）との接合も陽極接合及び拡散接合のいずれかにより接合される。このような陽極接合や拡散接合による固定で、溶接などの際に生じる異物の発生といった事態を極力回避できる。

なお、上記電子増倍部は光電面が光電子を放出する方向と交わる方向に電子を走行させるように延びる複数の溝部を有する。電子増倍部の溝部は、光電面が光電子を放出する方向と交わる方向に沿って電子を走行させるように延びているので、光電面が光電子を放出する方向に沿って電子増倍部が形成された構造と比較して小型化を図ることが可能になる。

この発明に係る光電子増倍管において、電子増倍部は、各溝部を規定する一対の側壁それぞれに電子を衝突させてカスケード増倍が行われる。各溝部を規定する一対の側壁それぞれに電子を衝突させることにより効率的なカスケード増倍が行われる。この発明に係る光電子増倍管において、各溝部を規定する側壁には凸部が設けられるのが好ましい。側壁に凸部が設けられることにより、所定の距離で電子が側壁に衝突することになるので、より効率的なカスケード増倍が可能になる。

この発明に係る光電子増倍管において、上記電子増倍部及び陽極は、外囲器の一部を構成する側壁フレームから所定距離離間した状態で、ガラス基板における平坦部上にそれぞれ配置されるのが好ましい。この場合、電子増倍部及び陽極のそれぞれは、側壁フレームを介した外部雑音の影響を極力低減することができ、高い検出精度が得られる。

この発明に係る光電子増倍管において、上記上側フレームは、ガラス材料及びシリコン材料のいずれかからなるのが好ましい。上記上側フレームがガラス材料からなる場合、上記ガラス基板（下側フレーム）と側壁フレームとの接合と同様に、上側フレームも、下側フレームとともに側壁フレームを挟むよう、陽極接合又は拡散接合により側壁フレームに接合されるのが好ましい。このように、陽極接合及び拡散接合のいずれか（下側フレームと側壁フレームとの接合、及び、側壁フレームと上側フレームとの接合）により外囲器が真空封止されるので、当該外囲器を容易に加工することができる。また、ガラス材料からなる上側フレームは、それ自体が透過窓として機能し得る。

なお、上記上側フレームは、シリコン材料からなっていてもよい。この場合、外囲器内に収納された光電面に向けて所定波長の光を通過させるため、該上側フレームには透過窓が形成される。この透過窓は、側壁フレームに設けられてもよい。

上述のような構造を有する光電子増倍管を製造する方法（この発明に係る光電子増倍管の製造方法）では、まず、上記外囲器の一部を構成する、ガラス材料からなる下側フレーム、上記外囲器の一部を構成する側壁フレームであって、一つのシリコン基板をエッチング加工することにより電子増倍部及び陽極とともに形成された側壁フレーム、及び、上記外囲器の一部を構成する上側フレームのそれぞれが用意される。

続いて、上記側壁フレームは、電子増倍部及び陽極とともに、陽極接合及び拡散接合のいずれかにより、一体的に上記下側フレームに固定される。

なお、この発明に係る光電子増倍管の製造方法では、上述のような側壁フレームが電子増倍部及び陽極と一体的に形成されたシリコンフレームである必要はない。当該製造方法は、下側フレーム、側壁フレーム、及び上側フレームで構成されるとともに内部が真空状態に維持された外囲器と、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極とを備えた光電子増倍管の製造に適用可能である。この場合、まず、上記外囲器の一部を構成するガラス材料からなる下側フレーム、上記外囲器の一部を構成する、シリコン材料からなる側壁フレーム、上記外囲器の一部を構成する上側フレームのそれぞれが用意される。そして、この側壁フレームが、陽極接合及び拡散接合のいずれかにより下側フレームに固定される。

ここで、上記上側フレームがガラス材料からなる場合、記下側フレームとともに側壁フレームを挟むよう、当該上側フレームは陽極接合及び拡散接合のいずれかにより側壁フレームに接合される。

一方、上記上側フレームがシリコン材料からなる場合、該上側フレームには、透過窓が形成される。なお、透過窓が形成される場所は、上側フレームには限定されず、例えば、上記側壁フレームに透過窓が形成されてもよい。

なお、この発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

この発明によれば、高い検出精度を維持した状態で、微細加工を容易に実現可能な構造を有する光電子増倍管が得られる。

この発明に係る光電子増倍管の第１実施例（透過型）の構成を示す斜視図である。 図１に示された第１実施例に係る光電子増倍管の組立工程図である。 図１中のＩ−Ｉ線に沿った第１実施例に係る光電子増倍管の構造を示す断面図である。 第１実施例に係る光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。 第１実施例に係る光電子増倍管の製造方法を説明するための図である（その１）。 第１実施例に係る光電子増倍管の製造方法を説明するための図である（その２）。 この発明に係る光電子増倍管の第２実施例（反射型）の構造を示す図である。 この発明に係る光電子増倍管の第３実施例（反射型）の構造を示す断面図である。 この発明に係る光電子増倍管の第４実施例の構造を示す図である。 透過窓の形成方法を説明するための図である（その１）。 透過窓の形成方法を説明するための図である（その２）。 透過窓の形成方法を説明するための図である（その３）。 この発明に係る光電子増倍管の第５実施例の構造を示す図である。 陽極接合及び拡散接合のそれぞれを説明するための図である。 この発明に係る光電子増倍管の製造方法によって製造可能な光電子増倍管の他の構造を示す図である。 この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。

以下、この発明に係る光電子増倍管及びその製造方法を、図１〜図１６を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
（第１実施例）

図１は、この発明に係る光電子増倍管の第１実施例の構造を示す斜視図である。この第１実施例に係る光電子増倍管１ａは、透過型の電子増倍管であって、上側フレーム２（ガラス基板）と、側壁フレーム３（シリコン基板）と、下側フレーム４（ガラス基板）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印Ａで示された方向から光が入射されると、光電面から放出された光電子が電子増倍部に入射し、矢印Ｂで示された方向に該光電子が走行して行くことにより二次電子をカスケード増倍する光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。

図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。上側フレーム２は、矩形平板状のガラス基板２０を基材として構成されている。ガラス基板２０の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。凹部２０１の底部には光電面２２が形成されている。この光電面２２は凹部２０１の長手方向の一端近傍に形成されている。ガラス基板２０の主面２０ａと対向する面２０ｂには孔２０２が設けられており、孔２０２は光電面２２に達している。孔２０２内には光電面端子２１が配置され、該光電面端子２１は光電面２２に接触している。なお、この第１実施例では、ガラス材料からなる上側フレーム２自体が透過窓として機能する。

側壁フレーム３は、矩形平板状のシリコン基板３０を基材として構成されている。シリコン基板３０の主面３０ａからそれに対向する面３０ｂに向かって、凹部３０１及び貫通部３０２が形成されている。凹部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、凹部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、その外周はシリコン基板３０の外周に沿うように形成されている。

凹部３０１内には電子増倍部３１が形成されている。電子増倍部３１は、凹部３０１の底部３０１ａから互いに沿うように立設している複数の壁部３１１を有する。このように、壁部３１１それぞれの間には溝部が構成されている。この壁部３１１の側壁（各溝部を規定する側壁）及び底部３０１ａには二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。壁部３１１は凹部３０１の長手方向に沿って設けられており、その一端は凹部３０１の一端と所定の距離を開けて配置され、他端は貫通部３０２に臨む位置に配置されている。貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置されており、下側フレーム４に陽極接合又は拡散接合によって固定されている。

下側フレーム４は、矩形平板状のガラス基板４０を基材として構成されている。ガラス基板４０の主面４０ａからそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には陽極側端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に接触している。

図３は、図１中のＩ−Ｉ線に沿った、第１実施例に係る光電子増倍管１ａの構造を示す断面図である。既に説明されたように、上側フレーム２の凹部２０１の一端における底部分には光電面２２が形成されている。光電面２２には光電面端子２１が接触しており、光電面端子２１を介して光電面２２に所定電圧が印加される。上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが陽極接合又は拡散接合により接合されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。

上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の凹部３０１及び貫通部３０２が配置されている。側壁フレーム３の凹部３０１には電子増倍部３１が配置されており、凹部３０１の一端の壁と電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されている。この場合、上側フレーム２の光電面２２の直下に側壁フレーム３の電子増倍部３１が位置することになる。側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、陽極３２と貫通部３０２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、陽極３２は下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）に陽極接合又は拡散接合により固定されている。

側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが陽極接合又は拡散接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の電子増倍部３１も下側フレーム４に陽極接合又は拡散接合により固定される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。

下側フレーム４の光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３はそれぞれ側壁フレーム３のシリコン基板３０に接触しているので、光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向と交差する方向、電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３の陽極３２に接触しているので、陽極３２に到達した電子を信号として取り出すことができる。

図４には、側壁フレーム３の壁部３１１近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の凹部３０１内に配置されている壁部３１１の側壁には凸部３１１ａが形成されている。凸部３１１ａは対向する壁部３１１に互い違いになるように交互に配置されている。凸部３１１ａは壁部３１１の上端から下端まで一様に形成されている。

光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−２０００Ｖが、陽極側端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さを薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して光電面２２に光が入射すると、光電面２２から側壁フレーム３に向けて光電子が放出される。この放出された光電子は、光電面２２の直下に位置する電子増倍部３１に到達する。シリコン基板３０の長手方向には電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１は複数の壁部３１１で規定される溝が形成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は壁部３１１の側壁及び互いに対向する側壁３１１間の底部３０１ａに衝突し、複数の二次電子を放出する。電子増倍部３１では次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部への到達する電子１個当たり１０^５〜１０^７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は陽極３２に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。

次に、この第１実施例に係る光電子増倍管の製造方法について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図５及び図６を用いて説明する。

まず、図５中の領域（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図５中の領域（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７０１が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙部に対応する除去部６１１が形成される。

図５中の領域（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。図５中の領域（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する空隙部５０１が形成される。続いて、図５中の領域（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部７１１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部７１２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図２の壁部３１１と凹部３０１との間の空隙に対応する除去部６０１と、図２の貫通部３０２と陽極３２との間の空隙に対応する除去部６０２と、図２の壁部３１１相互の間の溝に対応する除去部（図示せず）と、が形成される。

図５中の領域（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図５中の領域（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２、図２の孔４０３に対応する孔８０３がそれぞれ予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６１が除去される。図６中の領域（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２の陽極３２に相当する島状部５２が形成される。この陽極３２に相当する島状部５２はガラス基板８０に陽極接合により固定される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、図２の壁部３１１間の溝に相当する溝部５１と、図２の壁部３１１と凹部３０１との空隙に相当する凹部５０３とも形成される。ここで、溝部５１の側壁及び底部３０１ａには二次電子放出面が形成される。

続いて、図６中の領域（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されており、ガラス基板９０の表面から凹部９０１に至るように孔９０２（図２の孔２０２に相当）が設けられている。図６中の領域（ｃ）に示されたように、図２の光電面端子２１に相当する光電面端子９２が孔９０２に挿入固定されるとともに、凹部９０１には光電面９１が形成される。

図６中の領域（ａ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図６中の領域（ｃ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図６中の領域（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で陽極接合又は拡散接合により接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の陽極側端子４３に相当する陽極側端子８３が孔８０３に、それぞれ挿入固定されることで、図６中の領域（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。
（第２実施例）

図７は、この発明に係る光電子増倍管の第２実施例の構造を示す図である。この第２実施例に係る光電子増倍管は、光電面の配置位置が異なる点を除き、第１実施例に係る光電子増倍管と同様の構造を備える、反射型光電面を有する光電子増倍管である。なお、図７中の領域（ａ）には、第１実施例の組み立て工程を示す図２中に示された側壁フレームに相当するシリコン基板３０が示されている。

この第２実施例において、シリコン基板３０には、図７中の領域（ａ）に示されたように、電子増倍部３１の端部のうち陽極３２とは逆側に位置する端部に光電面２２が形成されている。具体的には、図７中の領域（ｂ）に示されたように、電子増倍部３１の陽極３２とは逆側の端部において、溝部を規定する壁部３１１の側面及び壁部間の溝部底部に光電面２２が形成されている。

この構成により、第２実施例に係る光電子増倍管では、上側フレーム２を構成するガラス基板２０を透過窓として通過した光を受けた光電面２２から光電子が、陽極３２側に向かって放出される。光電面２２からの光電子は、陽極３２に向かって溝部を伝搬するが、その途中で壁部３１１の側面及び互いに対向する壁部３１１間の底部３０１ａに衝突し、二次電子が放出される。このように順次カスケード増倍された電子が陽極３２に到達する（図７中の領域（ｃ）参照）。なお、図７中の領域（ｃ）には、第１実施例の断面構造を示す図３に相当する断面図が示されている。
（第３実施例）

図８は、この発明に係る光電子増倍管の第３実施例の構造を示す図である。この第３実施例も、光電面２２の配置構造が異なる点を除き、第１実施例に係る光電子増倍管と同様の構造を備える、反射型光電面を有する光電子増倍管である。

この第３実施例に係る光電子増倍管では、図８に示されたように、光電面２２が、電子増倍部３１を挟んで陽極３２とは逆側の側壁フレーム３の内側側面に設けられている。この内側側面は、透過窓として機能する上側フレーム２及び電子増倍部３１のそれぞれに対して傾斜しており、この内側側面上に光電面２２が形成されることにより反射型光電面を有する光電子増倍管が得られる。

この構成により、第３実施例に係る光電子増倍管では、上側フレーム２を構成するガラス基板２０を透過窓として通過した光を受けた光電面２２から光電子が、電子増倍部３１に向かって放出される。光電面２２からの光電子は、陽極３２に向かって電子増倍部３１の溝部を伝搬するが、その途中で壁部３１１の側面及び互いに対向する壁部３１１間の底部３０１ａに衝突し、二次電子が放出される。このように順次カスケード増倍された電子が陽極３２に到達する。なお、図８には、第１実施例の断面構造を示す図３に相当する断面図が示されている。
（第４実施例）

上述の第１~第３実施例に係る透過型及び反射型の各光電子増倍管では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０と接触した状態で一体形成されている。しかしながら、このように側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。

そこで、第４実施例に係る光電子増倍管では、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１及び陽極３２を、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）における平坦部上にそれぞれ配置されている。なお、図９中の領域（ａ）は、この第４実施例における側壁フレームの斜視図が示されており、図９中の領域（ｂ）には、第１実施例の断面構造を示す図３に相当する断面図が示されている。この図９からも判るように、この第４実施例に係る光電子増倍管は、側壁フレーム２から電子増倍部３１及び陽極３２がそれぞれ所定距離離間した下側フレーム４であるガラス基板４０に固定されている点を除き、第１実施例に係る光電子増倍管と同様の構造を備える、透過型光電面を有する光電子増倍管である。
（第５実施例）

上述の第１〜第４実施例に係る透過型及び反射型の各光電子増倍管において、上側フレーム２はガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。図１０及び図１１は、シリコン材料からなる上側フレーム２又は側壁フレーム３に設けられる透過窓の形成方法を説明するための図である。

例えば、図１０は、上側フレーム２としてSOI（Silicon On Insulator）基板が適用される場合の透過窓生成工程を示す図である。このSOI基板は、図１０中の領域（ａ）に示されたように、下地シリコン基板２００上にスパッタガラス基板２１０が成膜された後、さらに該スパッタガラス基板２１０上に上側シリコン基板２００を陽極接合により接合することで得られる。そして、図１０中の領域（ｂ）に示されたように、SOI基板の両面（スパッタガラス基板２１０の両面に位置するシリコン基板２００）からスパッタガラス基板２１０に向かってエッチングにより凹部２００ａ、２００ｂが形成される。これら凹部２００ａ、２００ｂにより露出されたスパッタガラス基板２１０の一部が透過窓になる。透過型の光電子増倍管の場合、外囲器の内側になるスパッタガラス基板２１０の面上に光電面２２が形成されることになる。

上側フレーム２としてシリコン基板２００のみが適用された場合、まず、用意されたシリコン基板２００の一方の面に、図１１中の領域（ａ）に示されたように、幅が数μｍ以下であって適当な深さの凹部が形成される。この溝部は、シリコン基板２００の表面から見て柱状に形成されても、また、メッシュ状に形成されてもよい。そして、図１１中の領域（ｂ）に示されたように、シリコン基板２００の一方の面のうち溝部が形成された領域を熱酸化させることにより該シリコン基板２００の一部をガラス化させる。一方、シリコン基板２００の他方の面は、図１１中の領域（ｃ）に示されたように、ガラス化された領域までエッチングすることで凹部２００ｃが形成され、透過窓が得られる。透過型の光電子増倍管の場合、凹部２００ｃを介して露出しているガラス化領域（透過窓）上に光電面２２が形成されることになる。

なお、シリコン基板２００を熱酸化させて透過窓を形成するには、図１１に示された形成方法以外の方法が適用されてもよい。すなわち、シリコン基板２００の透過窓形成域を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、この透過窓形成域を熱酸化させることによってガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板２００の両面からエッチングしてもよいし、片面のみからエッチングしてもよい。具体的には、上側フレームとなるべきシリコン基板２００を用意し（図１２中の領域（ａ）参照）、シリコン基板２００の両面からエッチングすることで、窪み２００ｄ、２００ｅを形成する（図１２中の領域（ｂ）参照）。このとき、透過窓形成域の厚みは数μｍ程度になっており、このエッチングされた領域を熱酸化させることにより該シリコン基板２００の一部をガラス化することで、透過窓２４０が得られる。透過型の光電子増倍管の場合、凹部２００ｅを介して露出しているガラス化領域２４０（透過窓）上に光電面２２が形成されることになる（図１２中の領域（ｃ）参照）。

以上のように形成される透過窓は、シリコン材料からなる側壁フレーム３に設けられてもよい。図１３は、この発明に係る光電子増倍管の第５実施例の構造を示す図である。なお、この図１３は、第１実施例に係る光電子増倍管の断面構造を示す図３に対応した断面図である。

第５実施例に係る光電子増倍管は、第１〜第４実施例に係る光電子増倍管と比較して、上側フレーム２がシリコン基板２００で構成されている点で異なる。また、この第５実施例では、透過窓が側壁フレーム３に設けられており、該透過窓の内側に光電面２２が形成された透過型の光電子増倍管である点を除き、第１実施例に係る光電子増倍管と同様の構造を備える。

上述の各実施例では、シリコン基板とガラス基板との接合が陽極接合又は拡散接合により行われる。このような陽極接合や拡散接合によれば、溶接などの際に生じる異物の発生といった事態を極力回避できる。

具体的に、陽極接合は図１４中の領域（ａ）に示されたような装置により行われる。すなわち、金属台座５１０上にシリコン基板２００とガラス基板２０が順次設置され、さらにその上に金属重石５２０が置かれる。この様態で金属台座５１０及び金属重石５２０間に所定電圧が印加されることにより、シリコン基板２００とガラス基板２０とが密接に接合される。

一方、シリコン基板２００とガラス基板２０の接合は、拡散接合によっても実現可能である。図１４中の領域（ｂ）は、拡散接合を説明するための図である。この図１４中の領域（ｂ）に示されたように、接合部分にそれぞれCu膜が形成されたシリコン基板２００とガラス基板２０との間に、Au膜、In膜、及びAu膜が順次積層された金属層を配置し、これらシリコン基板２００とガラス基板２０とを比較的低い温度で熱圧着することで、シリコン基板２００とガラス基板２０とが密接に接合される。なお、拡散接合とは、常温では混じりあわない複数の金属層を被接合部材間に設置し、該金属層に熱エネルギーを与えることで特定の金属層が互いに交じり合って（拡散）、最終的に合金を形成することで被接合部材間を接合する技術をいう。

なお、この発明に係る光電子増倍管の製造方法は、上述のような構造を有する光電子増倍管の他、種々の構造を有する光電子増倍管を製造することができる。

図１５は、この発明係る製造方法により製造可能な光電子増倍管の他の構造を示す図である。この図１５には、この発明に係る製造方法により製造可能な光電子増倍管１０の断面構造が示されている。光電子増倍管１０は、図１５中の領域（ａ）に示されたように、上側フレーム１１と、側壁フレーム１２（シリコン基板）と、第１下側フレーム１３（ガラス部材）と、第２下側フレーム（基板）とがそれぞれ陽極接合されて構成されている。上側フレーム１１はガラス材料からなり、その側壁フレーム１２に対向する面には凹部１１ｂが形成されている。この凹部１１ｂの底部のほぼ全面に渡って光電面１１２が形成されている。光電面１１２に電位を与える光電面電極１１３と、後述される表面電極に接する表面電極端子１１１は、それぞれ凹部１１ｂの一端及び他端にそれぞれ配置されている。

側壁フレーム１２は、シリコン基板１２ａに管軸方向と平行に多数の孔１２１が設けられている。この孔１２１の内面は二次電子放出面が形成されている。また、孔１２１それぞれの両端の開口部近傍には表面電極１２２及び裏面電極１２３が配置されている。図１５中の領域（ｂ）には、孔１２１及び表面電極１２２の位置関係が示されている。この図１５中の領域（ｂ）に示されたように、孔１２１に臨むように表面電極１２２が配置されている。なお、裏面電極１２３についても同様である。表面電極１２２は表面電極端子１１１に接触し、裏面電極１２３には裏面電極端子１４３が接触している。したがって、側壁フレーム１２にでは孔１２１の軸方向に電位が発生し、光電面１１２から放出された光電子は孔１２１内を図中下方に進行する。

第１下側フレーム１３は、側壁フレーム１２と第２下側フレーム１４とを連結するための部材であって、側壁フレーム１２と第２下側フレーム１４との双方に陽極接合されている（拡散接合されてもよい）。

第２下側フレーム１４は、多数の孔１４１が設けられたシリコン基板１４ａで構成されている。この孔１４１それぞれに陽極１４２が挿入固定されている。

図１５に示された光電子増倍管１０では、図中上方から入射した光は、上側フレーム１１のガラス基板を透過して光電面１１２に入射する。この入射光に応じて光電面１１２から側壁フレーム１２に向かって光電子が放出される。放出された光電子は第１下側フレーム１３の孔１２１に入る。孔１２１に入った光電子は孔１２１の内壁に衝突しながら二次電子を生成し、生成された二次電子が第２下側フレーム１４に向かって放出される。この放出された二次電子を陽極１４２が信号として取り出す。

次に、この発明に係る光電子増倍管の各実施例が適用される光モジュールについて説明する。なお、以下の説明では、簡単のため、第１実施例に係る光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールについて説明する。図１６中の領域（ａ）は、第１実施形態に係る光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。

抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。

検出部８５５の構成を、図１６中の領域（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。

既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。

以上のようにこの発明によれば、電子増倍部３１はシリコン基板３０ａに溝加工をすることで形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに陽極接合又は拡散接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。

陽極３２は、ガラス基板４０ａに陽極接合又は拡散接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施例に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。陽極３２は、その下面全体でガラス基板４０ａと陽極接合又は拡散接合されるため、衝撃、振動で陽極３２が振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。

また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。

上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器の封止には特別な部材を必要としないため、この発明に係る光電子増倍管のようにウェハーサイズでの封止が可能である。封止後にダイシングして複数の光電子増倍管を得るため、作業が容易であって安価に製作できる。

陽極接合又は拡散接合による封止のため異物が発生しない。このため、当該光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。

電子増倍部３１では、壁部３１１で構成される複数の溝の側壁に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このため、構造が簡単で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。

上述のような構造を有する各実施例に係る光電子増倍管が適用された分析モジュール８５によれば、微小な粒子の検出が可能となる。また、抽出から反応、検出までを連続して行うことができる。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。

１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子。

Claims (13)

1. ガラス材料からなる基板上に固定された、シリコンからなる電子増倍装置であって、
   前記ガラス材料からなる基板に接合されたシリコン基板に対して、前記ガラス材料からなる基板との接合面に対向する上面側から前記接合面が露出しない程度にエッチングすることにより、前記接合面に対して立設された形状に加工された複数の電極を備え、
   前記複数の電極それぞれは、側面の少なくとも一部に二次電子放出面が設けられており、前記二次電子放出面により前記接合面に沿って電子をカスケード増倍することを特徴とする電子増倍装置。
2. 前記エッチングは、ＤＥＥＰ-ＲＩＥ加工であることを特徴とする請求項１記載の電子増倍装置。
3. 請求項１又は２記載の電子増倍装置を含む光電子増倍管。
4. 少なくとも一部が前記ガラス材料からなる基板により構成されるとともに、その内部が真空状態に維持された外囲器と、
   前記外囲器内に収容され、前記外囲器を介して取り込まれた光に応じて外囲器の内部に光電子を放出する光電面と、
   前記外囲器内に収容され、前記電子増倍装置でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極と、を更に備えることを特徴とする請求項３記載の光電子増倍管。
5. 前記外囲器は、
   前記ガラス材料からなる基板と、
   前記ガラス材料からなる基板と前記電子増倍装置との接合面に一致する面上に固定され、前記電子増倍装置部及び前記陽極を包囲する側壁フレームと、
   を備え、
   前記側壁フレームは、前記シリコン基板からエッチングによって形成されることを特徴とする請求項４記載の光電子増倍管。
6. 前記陽極は、前記シリコン基板からエッチングによって形成された電極であって、前記側壁フレーム及び前記電子増倍装置との間の空隙部において前記ガラス材料からなる基板上に接合された状態で配置されていることを特徴とする請求項５記載の光電子増倍管。
7. 前記側壁フレームは、前記電子増倍装置及び前記陽極の双方から所定距離だけ離間していることを特徴とする請求項５または６記載の光電子増倍管。
8. 前記側壁フレームと前記電子増倍装置との間、前記電子増倍装置と前記陽極との間、及び前記陽極と前記側壁フレームとの間の各空隙部において、前記接合面に一致する前記ガラス材料からなる基板上の表面は露出していることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項記載の光電子増倍管。
9. 下側フレーム、側壁フレーム、及び上側フレームで構成されるとともにその内部が真空状態に維持された外囲器と、前記外囲器内に収納された光電面と、前記外囲器内に収納された電子増倍部と、前記外囲器内に収納された陽極とを備えた光電子増倍管の製造方法であって、
   前記上側フレームとともに、前記下側フレームとなるべきガラス基板と、前記側壁フレームとなるべきシリコン基板であって第１面と前記第１面に対向する第２面を有するシリコン基板を用意する準備工程と、
   前記下側フレームとなるべきガラス基板と前記側壁フレームとなるべきシリコン基板の前記第１面を接合する第1接合工程と、
   前記下側フレームとなるべきガラス基板上に、それぞれ、前記側壁フレームと前記側壁フレームに包囲された空間に前記電子増倍部及び前記陽極が配置された複数の領域を形成する第１形成工程と、
   前記側壁フレームと前記上側フレームとを接合する第２接合工程と、
   それぞれが前記光電子増倍管に相当する前記領域ごとに前記ガラス基板を分割する分割工程と、を備える製造方法。
10. 前記準備工程の後であってかつ前記第１接合工程の前に行われる工程であって、前記シリコン基板の前記第１面のうち、少なくとも前記側壁フレームと前記陽極との間及び前記電子増倍部と前記陽極との間に相当する各領域において、前記第１面から前記第２面に向かって伸びた空隙部を形成する第２形成工程を、更に備えることを特徴とする請求項９記載の製造方法。
11. 前記第１形成工程は、前記第１接合工程の後であってかつ前記第２接合工程の前において、前記ガラス基板に接合された前記シリコン基板を前記第２面から前記第１面に向かってエッチングすることにより行われ、
    前記第２形成工程は、前記準備工程の後であってかつ前記第１接合工程の前において、前記シリコン基板を前記第１面から前記第２面に向かってエッチングすることにより行われることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
12. 前記第１形成工程は、前記第１接合工程の後であってかつ前記第２接合工程の前に行われる工程であって、前記第１形成工程において前記電子増倍部の複数の電極が形成されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項記載の製造方法。
13. 前記第１形成工程は、前記第１接合工程の後であってかつ前記第２接合工程の前に行われる工程であって、前記第１形成工程は、前記電子増倍部における各電極の側面に二次電子放出面を形成する工程を含むことを特徴とする請求項９〜１２のいずれか一項記載の製造方法。
    

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