WO2005078760A1

WO2005078760A1 - 光電子増倍管及びその製造方法

Info

Publication number: WO2005078760A1
Application number: PCT/JP2005/002298
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Kyushima; Hideki Shimoi; Akihiro Kageyama; Keisuke Inoue; Masuo Ito
Original assignee: Hamamatsu Photonics K. K.
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-16
Publication date: 2005-08-25
Also published as: JP5000137B2; EP1717843A1; US20070194713A1; US9147559B2; JP4762719B2; US20080018246A1; EP2993685A1; US8242694B2; US20140111085A1; US7977878B2; JPWO2005078760A1; US8643258B2; CN1918686A; EP1717843B1; CN1922710B; US9460899B2; CN100555553C; WO2005078759A1; US20150371835A1; EP1717843A4

Description

明細書

光電子増倍管及びその製造方法

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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、光電面力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)。

特許文献 1：特許第 3078905号公報

特許文献 2：特開平 4-359855号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0003] 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した。

[0004] すなわち、光センサの用途が多様ィ匕するにつれ、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つてくるため、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つてしまう。

[0005] 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、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。

課題を解決するための手段

[0006] 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。

[0007] 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、光電面力も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、電子増倍部で力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。

[0008] 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力もなることになる。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、シリコン材料力も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、つた事態を極力回避できる。

[0009] 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、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。

[0010] 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。

[0011] 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力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。

[0012] 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、ずれ力からなるのが好まし、。上記上側フレームがガラス材料力なる場合、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力（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、ガラス材料力も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。 [0013] なお、上記上側フレームは、シリコン材料力もなつていてもよい。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。

[0014] 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、ガラス材料力もなる下側フレーム、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

[0015] 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。

[0016] 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、。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力もなる下側フレーム、上記外囲器の一部を構成する、シリコン材料力もなる側壁フレーム、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。

[0017] ここで、上記上側フレームがガラス材料力なる場合、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〖こより側壁フレームに接合される。

[0018] 一方、上記上側フレームがシリコン材料力もなる場合、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ょ、。

[0019] 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。

[0020] 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力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。

発明の効果

[0021] この発明によれば、高、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。

図面の簡単な説明

[0022] [図 1]は、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 2]は、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 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の構造を示す断面図である。

圆 4]は、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。

[図 5]は、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)。

[図 6]は、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)。

[図 7]は、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。

[図 8]は、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。

[図 9]は、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。

[図 10]は、透過窓の形成方法を説明するための図である（その 1)。 [図 11]は、透過窓の形成方法を説明するための図である（その 2)。

[図 12]は、透過窓の形成方法を説明するための図である（その 3)。

[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。

[図 14]は、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。

[図 15]は、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。

[図 16]は、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。

符号の説明

[0023] la…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。

発明を実施するための最良の形態

[0024] 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 1一図 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）

[0025] 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 la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 la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、光電面力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。

[0026] 図 2は、図 1に示された光電子増倍管 la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!、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、ガラス材料カゝらなる上側フレーム 2自体が透過窓として機能する。

[0027] 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、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、る。

[0028] 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、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、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力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 3 02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、る。

[0029] 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ヽる。ガラス基板 40の主面 40a力らそれに対向する面 40bに向力つて、孑し 401、孑し 402、及び孑し 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。

[0030] 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 la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。

[0031] 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!ヽる。

[0032] 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カゝ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 la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）。

[0033] 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に接触してヽるので、光電面側端子 401及び陽極側端子 403〖こ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。

[0034] 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、る壁部 311の側壁には凸部 31 laが形成されて、る。凸部 31 laは対向する壁部 311に互、違いになるように交互に配置されて、る。凸部 31 laは壁部 311の上端から下端まで一様に形成されている。

[0035] 光電子増倍管 la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力陽極側端子 403には 0Vがそれぞれ印加されて、る。なお、シリコン基板 30の抵抗は約 10Μ Ω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、ガラス材料力もなる上側フレーム 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 10⁵— 10⁷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。

[0036] 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〖こ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。

[0037] まず、図 5中の領域（a)に示されたように、厚さ 0. 3mm、比抵抗 30k Ω ' 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ィ匕膜 60及びシリコン熱酸ィ匕膜 61が形成される。シリコン熱酸ィ匕膜 6 0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ィ匕膜 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 6 11が形成される。

[0038] 図 5中の領域 (b)に示された状態力もレジスト膜 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 7 11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。

[0039] 図 5中の領域 (d)の状態力もシリコン熱酸ィ匕膜 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!、力卩ェを可能にする。 DEEP-RIEカ卩ェ後、レジスト膜 71及びシリコン熱酸ィ匕膜 61が除去される。図 6 中の領域 (a)に示されたように、予め裏面力空隙部 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力卩ェの際に、図 2の壁部 31 1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 5 03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。

[0040] 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 2 02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。

[0041] 図 6中の領域 (a)まで力卩ェ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）

[0042] 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。

[0043] 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 3 2とは逆側の端部にぉ、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が形成されてヽる。

[0044] 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から光電子力陽極 32 側に向力つて放出される。光電面 22からの光電子は、陽極 32に向力つて溝部を伝搬する力その途中で壁部 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）

[0045] 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。

[0046] 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。

[0047] 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から光電子力電子増倍部 31に向力つて放出される。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、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、る。

(第 4実施例）

[0048] 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。し力しながら、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。 [0049] 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）

[0050] 上述の第 1一第 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。し力しながら、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、シリコン材料力なる上側フレーム 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。

[0051] 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に向力つてエッチングにより四咅 200a、 200b力 S形成される。これら咅 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〖こなる。

[0052] 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/ z m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ィ匕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〖こなる。

[0053] なお、シリコン基板 200を熱酸ィ匕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 m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ィ匕させてもよい。この場合、シリコン基板 200の両面力もエッチングしてもよいし、片面のみ力も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の両面力も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 m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)。

[0054] 以上のように形成される透過窓は、シリコン材料力なる側壁フレーム 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。

[0055] 第 5実施例に係る光電子増倍管は、第 1一第 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。 [0056] 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!/、つた事態を極力回避できる。

[0057] 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。

[0058] 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とを比較的低ヽ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、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ヽぅ。

[0059] 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。

[0060] 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!ヽる。上側フレーム 11はガラス材料力もなり、その側壁フレーム 12に対向する面には凹部 1 lbが形成されて、る。この凹部 1 lb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 1 lbの一端及び他端にそれぞれ配置されている。

[0061] 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。

[0062] 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)。

[0063] 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 V、る。この孔 141それぞれに陽極 142が挿入固定されて!、る。

[0064] 図 15に示された光電子増倍管 10では、図中上方力も入射した光は、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 力側壁フレーム 12に向力つ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に向力つて放出される。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。

[0065] 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 1 a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 laが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジユーノレ 85は、ガラスプレート 850と、ガス導人管 851と、ガス気管 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 8 57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 カゝ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 8 53a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、環境ホルモンゃ微粒子)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。

[0066] 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。

[0067] 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 la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!/、る。発光ダイオードアレイ 85 5a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 8 54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 la に到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管 laの光電面 22に照射される。

[0068] 既に説明したように光電子増倍管 la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ヽるので、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 la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 8 51、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 8 56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、る。

[0069] 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に溝カ卩ェ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。

[0070] 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。

[0071] 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ぐ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。

[0072] 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ゥ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。

[0073] 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。

[0074] 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。

[0075] 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。

[0076] 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力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。産業上の利用可能性

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。

Claims

請求の範囲

[1] 内部が真空状態に維持された外囲器であって、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た外囲器と、

前記外囲器内に収納された光電面であって、該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光電面と、

前記外囲器内に収納された状態で前記ガラス基板における前記平坦部の所定領域上に配置された電子増倍部であって、前記光電面から放出された光電子をカスケード増倍する電子増倍部と、そして、

前記外囲器内に収納された状態で前記ガラス基板における前記平坦部のうち前記電子増倍部が配置された領域を除く領域上に配置された陽極であって、前記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ための陽極とを備えた光電子増倍管。

[2] 請求項 1記載の光電子増倍管において、

前記外囲器は、前記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、前記電子増倍部及び前記陽極を取り囲む形状を有する側壁フレームとを備える。

[3] 請求項 2記載の光電子増倍管において、

前記電子増倍部及び前記陽極は、前記外囲器の一部を構成する前記側壁フレームカゝら所定距離離間した状態で、前記ガラス基板における前記平坦部上にそれぞれ配置されている。

[4] 請求項 2又は 3記載の光電子増倍管において、

前記側壁フレームは、シリコン材料力もなる。

[5] 請求項 2— 4の、ずれか一項記載の光電子増倍管にお、て、

前記上側フレームは、ガラス材料及びシリコン材料の、ずれカゝからなる。

[6] 請求項 1一 5のいずれか一項記載の光電子増倍管において、

前記電子増倍部は、シリコン材料力もなる。

[7] 請求項 1一 6の、ずれか一項記載の光電子増倍管にお!、て、

前記陽極は、シリコン材料カゝらなる。

[8] 請求項 1記載の光電子増倍管において、

前記電子増倍部及び前記陽極のそれぞれは、シリコン材料力なり、これら電子増倍部及び陽極は、前記ガラス基板における前記平坦部に陽極接合及び拡散接合の V、ずれかにより固定されて!、る。

[9] 請求項 2記載の光電子増倍管において、

前記電子増倍部、前記陽極、及び前記側壁フレームのそれぞれは、シリコン材料からなり、これら電子増倍部、陽極、及び側壁フレームは、前記ガラス基板における前記平坦部に陽極接合及び拡散接合の、ずれかにより固定されて、る。

[10] 請求項 4又は 9記載の光電子増倍管において、

前記上側フレームは、ガラス材料からなり、

前記下側フレームとともに前記側壁フレームを挟むよう、前記上側フレームは陽極接続又は拡散接合により前記側壁フレームに接合されている。

[11] 請求項 5記載の光電子増倍管にお、て、

前記上側フレームは、前記外囲器内に光を取り込むための透過窓を備える。

[12] 請求項 4又は 9記載の光電子増倍管において、

前記側壁フレームは、前記外囲器内に光を取り込むための透過窓を備える。

[13] 請求項 2記載の光電子増倍管を製造する方法であって、

前記外囲器の一部を構成する、ガラス材料力もなる下側フレームを用意し、前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前記電子増倍部及び前記陽極とともに形成された側壁フレーム用意し、

前記外囲器の一部を構成する上側フレームを用意し、そして、

前記側壁フレームを、前記電子増倍部及び前記陽極とともに、陽極接合及び拡散接合のいずれかにより、前記下側フレームに固定する。

[14] 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を製造する方法であって、前記外囲器の一部を構成する、ガラス材料力もなる下側フレームを用意し、前記外囲器の一部を構成する、シリコン材料力もなる側壁フレームを用意し、前記外囲器の一部を構成する上側フレームを用意し、そして、

前記側壁フレームを、陽極接合及び拡散接合のヽずれかにより前記下側フレームに固定する。

[15] 請求項 13又は 14記載の方法において、

前記上側フレームは、ガラス材料からなり、

前記下側フレームとともに前記側壁フレームを挟むよう、前記上側フレームは陽極接合又は拡散接合により前記側壁フレームに接合されている。

[16] 請求項 13又は 14記載の方法において、

前記上側フレームは、シリコン材料力なり、前記下側フレームとともに前記側壁フレームを挟むよう、該側壁フレームに接合されている。

[17] 請求項 13、 14又は 16記載の方法において、

前記上側フレームには、前記外囲器内に光を取り込むための透過窓が形成されている。

[18] 請求項 13、 14又は 16記載の方法において、

前記側壁フレームには、前記外囲器内に光を取り込むための透過窓が形成されている。