JPH0660799A - マイクロチャネルプレート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 製造工程及び大面積化が容易であり、しかも
Ｓ／Ｎ比に優れたマイクロチャネルプレート及びその製
造方法を提供する。 【構成】 感光性ガラス基体２１にマスクを介して紫外
線を照射し、前記紫外線被照射部分をガラス基体の片側
あるいは両側から除去して前記ガラス基体の厚み方向に
沿って複数のマイクロチャネル４１を形成し、さらに前
記マイクロチャネルの各内壁及び前記ガラス基体の上下
面に電子倍増作用を行わせるための処理を施したマイク
ロチャネルプレート及びその製造方法であり、前記紫外
線照射を複数の微小レンズを用いて行うことにより、前
記マイクロチャネルの進行方向と垂直な断面面積が次第
に小さくなるように形成させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は二次電子増倍手段の一方
式であるマイクロチャネルプレート（Micro-Chanel Pla
te、以下「ＭＣＰ」と称す）及びその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＭＣＰは２次元の電子増倍器であり、極
微弱光のもとでの高感度な画像検出に用いられるもので
ある（例えば、日本写真学会誌４９巻４号、２９４〜３
０１頁（１９８６）に詳述されている）。

【０００３】従来のＭＣＰは、細いガラス管を多数束
ね、厚さ０．５〜１ｍｍ程度の円板状としたもので、小
型でかつ高利得の二次元電子増倍器である。この構造を
図５に示す。同図のように、細長い穴（マイクロチャネ
ル）６２が二次元的に多数設けられており、個々のマイ
クロチャネル６２の内壁には固有の抵抗値を有する二次
電子放出材料がコーティングされている。これにより、
各マイクロチャネル６２は独立した二次電子増倍器を形
成している。

【０００４】また、図６に示すように、各マイクロチャ
ネル６２の両端に設けられた電極６３、６４間に電圧
（ＶD）を印加すると、マイクロチャネル６２内に軸方
向の電界が発生する。光電陰極から放出された光電子６
５は、この電界からのエネルギーを受けてマイクロチャ
ネル６２内の対向壁に衝突し、新たな二次電子６６を放
出する。これが多数回繰り返され、電子流が指数関数的
に増加することにより電子増倍が行われる。

【０００５】図７に、従来のＭＣＰの製造工程を示す。
すなわち、高鉛ガラスパイプ７１に詰められた素材ガラ
ス７２が加熱されて０．８ｍｍ程度の太さに管引きされ
（同図ａ）、前記管引きされた素材ガラス７２が六角柱
状のロッド７３内に整列されて（同図ｂ）、融着される
（同図ｃ）。次いで、この融着された素材ガラス７２が
加熱されて０．８ｍｍ程度の太さに管引きされ（同図
ｄ）、円柱状のロッド７４内に整列されて（同図ｅ）、
再び融着される（同図ｆ）。この結果、マイクロチャネ
ル内径が約１２μｍのＭＣＰが形成される。この場合、
例えば１インチＭＣＰでは前記マイクロチャネルが約１
５０万本含まれている。このＭＣＰは、マイクロチャネ
ル直径に対するマイクロチャネル長さの比（アスペクト
比α）が４０〜４５となるようにスライスされる（同図
ｇ）。この時、長軸の垂直面から５〜１５度の小角をな
してスライスされる。この後、スライスされたＭＣＰ６
１は両面が研磨され、酸性溶液７４中で芯抜きが行われ
る（同図ｈ）。そして、水素炉７５内でマイクロチャネ
ル内壁の還元処理が行われ（同図ｉ）、各内壁に固有の
抵抗値を有する抵抗層が形成され、その後に該抵抗膜の
上下縁に加速用電極が蒸着される。

【０００６】マイクロチャネルとなるガラス材料は、通
常高鉛ガラス（ＰｂＯ；４３％、ＳｉＯ₂；４３％、Ｂ₂
Ｏ₃；３％、ＢａＯ；１％）が選択され、還元処理によ
りマイクロチャネル内壁にＰｂの薄層が形成される。

【０００７】このＭＣＰ６１の両側に１ｋＶ程度の電圧
を印加すると、抵抗層を介して均一な電界が形成され
る。これによって電子が加速され、電子が飛び出した後
の電荷の補充が行われる。

【０００８】しかしながら、前記従来の製造工程は複雑
であり、大面積化、形状の多種多様化が困難であった。

【０００９】そこで、このような問題点を解決するた
め、例えば特開昭６２−２５４３３８号公報に記載され
る技術がなされた。すなわち、ＭＣＰを形成するガラス
母材として紫外線の照射により結晶化する感光性ガラス
基体を用い、このガラス基体に複数の細孔を有するマス
クを介して紫外線を照射して露光を行い、紫外線被照射
部分をエッチング除去して厚み方向に沿う複数のマイク
ロチャネルを形成し、さらに前記感光性ガラス基体の両
面及び前記マイクロチャネルの側面に二次電子放出面を
形成した後、該感光性ガラス基体の両面における二次電
子放出面上にリフトオフ法により加速用電極を形成する
ことによりＭＣＰが製造されるものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開昭６２−２５４３３８号公報に記載されたＭＣＰで
は、感光性ガラス基体の表面積に占めるマイクロチャネ
ルの入口開口部面積の割合（開口率）を余り高くできな
かった。すなわち、マイクロチャネルはガラス基体に円
柱状に形成されているため、開口率を上げればマイクロ
チャネル間の壁厚が薄くなりＭＣＰとしての強度が低下
してしまう。このため、従来のＭＣＰでは開口率の向上
に限界があり、入射する電子の一部しか増倍されないた
めにＳ／Ｎ比を高くできなかった。

【００１１】本発明は、かかる従来の問題点を解決する
ためになされたもので、製造工程及び大面積化が容易で
あり、しかもＳ／Ｎ比を向上させることが可能なＭＣＰ
及びその製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、厚み
方向に貫通する複数のマイクロチャネルが形成された板
状の感光性ガラス基体と、該マイクロチャネルの内壁に
形成された二次電子放出面と、該二次電子放出面上に積
層された抵抗膜と、該抵抗膜と一部で電気的に接触する
ように該感光性ガラス基体の上下面及び該抵抗膜の上下
縁に形成された加速用電極とからなるＭＣＰであって、
前記マイクロチャネルの進行方向と垂直な断面面積が次
第に小さくなっていることを特徴とするＭＣＰである。

【００１３】本発明におけるマイクロチャネルの形状と
しては、例えば略截頭円錐形状、あるいは略截頭四角錐
形状や略截頭六角錐形状等が適用される。

【００１４】また本発明は、ＭＣＰを形成するガラス母
材として感光性を有する板状ガラス基体を使用し、この
ガラス基体に複数の微小レンズを有するマスクを介して
紫外線照射により露光を行い、紫外線被照射部分を感光
性ガラス基体の片側あるいは両側から除去してガラス基
体の厚み方向に沿う複数のマイクロチャネルを形成し、
前記マイクロチャネルの内壁に二次電子放出面及び抵抗
膜を形成した後、この感光性ガラス基体両面に加速用電
極を形成するＭＣＰの製造方法である。

【００１５】

【作用】本発明のＭＣＰでは、各々のマイクロチャネル
の進行方向に垂直な断面面積が次第に小さくなる形状を
有するため、入口開口部の面積を大きく取ることができ
る。また、マイクロチャネル内部は徐々に直径が小さく
なり、これに対応してマイクロチャネル間の壁面も厚く
なっている。このため、マイクロチャネル側面にて充分
な強度を有するととも入口開口部の開口率を最大限に上
げることが可能である。

【００１６】また本発明の製造方法においては、複数の
微小レンズを有するマスクを用いて露光を行うものであ
り、前記微小レンズにより照射される紫外線が集光さ
れ、この集光された紫外線によって感光性ガラス基体に
円錐状の露光部分を形成する。本発明により、略截頭円
錐錐形状あるいは略截頭多角錐錐形状を有するマイクロ
チャネルを形成させることが可能であり、このため高い
開口率を有するＭＣＰを製造することが可能である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。

【００１８】まず、複数の微小レンズ付きのマスク１１
の作製法について述べる。図１は、本発明の一実施例に
係るＭＣＰの製造工程を示す一部断面図、図２は本発明
によるマスクを用いて作成されたマイクロチャネルを模
式的に表した一部平面図である。なお、同図ではマイク
ロチャネル４１が最も稠密に配列された場合を示してい
る。また、同図において２３は入口開口部、２４は出口
開口部である。

【００１９】まず、ソーダライムガラス、石英ガラス、
ほう酸ガラス等からなるガラス基板１４の表面にマスク
膜として金属膜を蒸着し、次に周知のフォトリソグラフ
ィー技術により、金属膜に微小光学素子１２が形成され
る開口部を所定の配列間隔で設ける。そして、このガラ
ス基板１４を高温の熔融塩中に浸漬してイオン交換処理
を行う。前記溶融塩としては、ガラス基板１４中の陽イ
オンとの置換によりガラス基板１４中に拡散してガラス
の屈折率を相対的に高める作用をするＴｌ、Ａｇ等の陽
イオンを含む媒体の熔融塩が使用される。

【００２０】このイオン交換処理操作により、ガラス基
板１４の金属膜の開口部を通して熔融塩中のイオンがガ
ラス基板中に拡散する。この結果、ガラス基板１４中に
高屈折率の領域が生じる。屈折率はイオン濃度に比例す
るため、開口部に近い部分の屈折率が最も高くなる。さ
らに、表面の金属膜を除去することにより、イオンが交
換した部分がレンズ機能を有するようになる。そして、
前記ガラス基板１４の非露光部分をＣｒ等の金属からな
る遮光膜１３で覆い、微小レンズを有するマスク１１を
得る。

【００２１】次に、図１（ａ）に示すように、前記マス
ク１１を感光性ガラス基体２１の一方の面上に重ね合わ
せ、紫外線３１を照射する。感光性ガラス基体２１は、
主組成としてＳｉＯ₂、Ｌｉ₂Ｏ及びＡｌ₂Ｏ₃からなり、
他にＫ₂Ｏ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、ＣｅＯ₂等を含んでお
り、紫外線照射により感光する機能を有している。ま
た、前記感光性ガラス基体２１に紫外線３１を照射する
光源として、例えばＨｇ−Ｘｅランプや超高圧水銀ラン
プ等を適宜選択することができる。

【００２２】ガラス基体２１の紫外線３１により露光さ
れる部分は、Ｃｅ³⁺から光電子が放出され、感光性金属
イオンや共存するＣｅ⁴⁺の捕獲中心に捕らえられる。

【００２３】次に、この紫外線照射により露光部２２の
形成された感光性ガラス基体２１を、４５０〜５３０℃
の窒素もしくは乾燥空気中で熱処理する。この処理によ
り、金属イオンをガラス基体２１中に拡散させ、Ｃｅ⁴⁺
に捕獲された電子と結合させて金属原子とし、これらの
金属原子と光電子を捕獲した中性金属とを凝集させて金
属コロイドを生成させる。

【００２４】さらに、前記ガラス基体２１をガラス形成
イオンの再配列が起こる温度より高温すなわち５５０〜
６００℃の窒素もしくは乾燥空気中で熱処理する。この
処理により、生成した金属コロイドを結晶核として微細
なＬｉ₂Ｏ・ＳｉＯ₂結晶を析出させることができる。こ
の場合、希沸酸の濃度としては５〜６％が好ましい範囲
である。

【００２５】この後、露光部２２を選択的にエッチング
除去する。結晶が析出した部分では、希沸酸に対する溶
解速度がそれ以外の部分に比較して非常に速いため、こ
の部分を選択的に化学切削することが可能である。この
場合、結晶析出部分とそれ以外の部分との溶解速度の比
は３０倍程度であり、特にエッチング液をガラス基体２
１に噴射させる方式を用いた場合には約６０倍である。

【００２６】以上の工程により、図１（ｂ）に示すよう
に、感光性ガラス基体２１の厚み方向に沿って直径が次
第に小さくなる複数のマイクロチャネル４１が形成され
る。

【００２７】次に、マイクロチャネル４１の内面に二次
電子放出面４２を形成するため、図１（ｃ）に示すよう
にガラス基体２１の全表面に数μｍ程度の厚さのＣｕ薄
膜を無電解メッキにより形成し、さらに前記Ｃｕ薄膜上
に数μｍ程度の厚さのＰｂ薄膜を電解メッキにより形成
する。

【００２８】この後、前記Ｃｕ薄膜及びＰｂ薄膜の形成
されたガラス基体２１を酸素雰囲気中で加熱して酸化さ
せ、Ｃｕ₂Ｏ膜及びＰｂＯ膜にする。これらの膜が二次
電子放出面４２として機能する。

【００２９】さらに、ＭＣＰの電界を均一にし、かつ二
次電子が放出された後の電子の供給を行うための抵抗膜
４３を前記二次電子放出面４２上に形成する。抵抗膜４
３の形成は、従来公知の方法すなわちガラス基体２１に
形成された二次電子放出面４２を一旦完全に酸化した
後、水素雰囲気中で還元処理を施す方法により形成され
る。

【００３０】次に、図１（ｄ）に示すように加速用電極
４４を形成する。すなわち、加速用電極４４として例え
ばＡｕ、Ｆｅ−Ｃｒ、Ｃｒ−Ｎｉ等からなる金属膜を用
いて斜め蒸着法等の手法により形成する。斜め蒸着を行
うに際しては、なるべく斜め角を大きくとり、前記金属
膜がマイクロチャネル４１の内部に入らないようにす
る。なお、ガラス基体２１を回転させながら蒸着を行う
ことにより、数μｍ程度の厚さの加速用電極４４がガラ
ス基体２１の両面及び抵抗膜４３の縁部に膜付けされ
る。

【００３１】（実施例）板状の感光性ガラス基体の一方
の面上に複数の微小レンズを有するマスクを設け、この
マスクを介して波長３１０ｎｍの紫外線を感光性板ガラ
ス基体の面に対して照射した。マスクの微小レンズを通
過する紫外光は、レンズ作用により光路を曲げられて集
光した。該集光された紫外線は、感光性ガラス基体を露
光し、略截頭円錐形状の紫外光露光部を形成した。

【００３２】また、ガラス基体の紫外線により露光され
た部分は、Ｃｅ³⁺から光電子が放出され、感光性金属イ
オンや共存するＣｅ⁴⁺の捕獲中心に捕らえられた。

【００３３】次に、前記紫外光照射により選択的に露光
された感光性ガラス基体を、４５０℃の乾燥空気中で熱
処理し、金属イオンをガラス基体中に拡散させ、Ｃｅ⁴⁺
に捕獲された電子と結合させて金属原子とし、これらの
金属原子と光電子を捕獲した中性金属とを凝集させて金
属コロイドを生成した。

【００３４】さらに、このガラス基体を５５０℃の乾燥
空気中で熱処理を加えた。この処理により、生成した金
属コロイドを結晶核として微細なＬｉ₂Ｏ・ＳｉＯ₂結晶
を析出させた。そして、前記ガラス基体に形成された露
光部を濃度６％の希沸酸を用いてエッチング除去するこ
とにより、感光性ガラス基体に略截頭円錐形状を有する
複数のマイクロチャネルが形成された。

【００３５】次に、マイクロチャネルの内面に二次電子
放出面を形成するため、ガラス基体の全表面にＣｕ薄膜
を無電解メッキにより１μｍ厚さに形成し、さらに前記
Ｃｕ薄膜上にＰｂ薄膜を電解メッキにより１μｍ厚さに
形成した。

【００３６】この後、前記Ｃｕ薄膜及びＰｂ薄膜の形成
されたガラス基体を酸素雰囲気中で加熱して酸化させ二
次電子放出面とした。

【００３７】さらに、前記二次電子放出面を一旦完全に
酸化させ、この後に水素雰囲気中で還元処理を施すこと
により、前記二次電子放出面上に抵抗膜を形成した。

【００３８】次に、感光性ガラス基体の両面上にＦｅ−
Ｃｒ膜を斜め蒸着法により被着して加速用電極膜を形成
した。以上の工程を経て、ＭＣＰが完成した。

【００３９】以上、これまで微小レンズが円形状を有す
るマスクを用いて説明したが、これに限定されるもので
はなく、微小レンズが四角形状、五角形状等の多角形状
を有するマスクも適用できる。例えば図３に示すように
微小レンズ１２が四角形状を有するマスク１１の場合、
ガラス基板１４に周知の方法により断面台形状の加工を
施すことができる。前記マスク１１を用いて紫外線３１
を照射すると、台形の頂辺部分５１はそのまま通過し、
また台形の側辺部分５２は屈折する。これにより、感光
性ガラス基体１４の厚み方向に沿う略截頭四角錐形状を
有するマイクロチャネル４１を形成することができる。
なお、この場合には、図４に示すようにマイクロチャネ
ル４１の入口開口部２３及び出口開口部２４は四角形状
を有しており、その開口率は略１００％となる。

【００４０】

【発明の効果】本発明により、開口率の高いＭＣＰを実
現可能であり、またＳ／Ｎ比の向上に大きく寄与するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＣＰの製造工程を説明するための断
面図

【図２】本発明により製造された開口部が円形状を有す
るＭＣＰの一部平面図

【図３】別の実施例に係る微小レンズを用いた露光工程
を表す一部断面図

【図４】開口部が四角形状を有するＭＣＰの一部平面図

【図５】従来のＭＣＰの概略構成を示す斜視図

【図６】ＭＣＰの二次電子倍増作用の原理を表す図

【図７】従来のＭＣＰの製造方法を説明するための概略
工程図

【符号の説明】

１１ マスク １２ 微小レンズ １４ ガラス基板 ２０ マイクロチャネルプレート ２１ 感光性ガラス基体 ４１ マイクロチャネル ４２ 二次電子放出面 ４３ 抵抗膜 ４４ 加速用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜中 賢二郎 大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号 日本板硝子株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状のガラス基体の厚み方向に沿って複
   数のマイクロチャネルが形成され、前記マイクロチャネ
   ルの各内壁及び前記ガラス基体の上下面に電子倍増作用
   を行わせるための処理が施されているマイクロチャネル
   プレートにおいて、前記マイクロチャネルの進行方向と
   垂直な断面面積が次第に小さくなっていることを特徴と
   するマイクロチャネルプレート。
2. 【請求項２】 感光性ガラス基体にマスクを介して紫外
   線を照射する工程、前記紫外線の被照射部分を前記ガラ
   ス基体の片側あるいは両側から除去して該ガラス基体の
   厚み方向に沿う複数のマイクロチャネルを形成する工
   程、前記マイクロチャネルの内壁に二次電子放出面及び
   抵抗膜を形成する工程、及び前記ガラス基体の両面に加
   速用電極を形成する工程からなるマイクロチャネルプレ
   ートの製造方法において、前記紫外線照射は複数の微小
   レンズを用いて行うことを特徴とするマイクロチャネル
   プレートの製造方法。