WO2007020741A1

WO2007020741A1 - 光電子増倍管

Info

Publication number: WO2007020741A1
Application number: PCT/JP2006/311010
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Kyushima; Hideki Shimoi; Hiroyuki Sugiyama; Hitoshi Kishita; Suenori Kimura; Yuji Masuda; Takayuki Ohmura
Original assignee: Hamamatsu Photonics K.K.
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-02-22
Also published as: US7919921B2; JP2007048712A; EP1921660A1; CN100594578C; CN101189700A; EP1921660A4; JP4819437B2; US20090224666A1

Description

明細書

光電子増倍管

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。このような光電子増倍管では、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、該電子増倍部によつ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 (特開平 5— 182631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見した。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、部品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。

[0004] 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、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管を提供することを目的として！ヽる。

課題を解決するための手段 [0005] 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。

[0006] 具体的に当該光電子増倍管は、デバイス搭載面を含む内壁面によって規定される内部空間が真空状態に維持された外囲器を備えるとともに、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、電圧配分部を備える。上記外囲器は、ガラス材料カゝらなる下側フレームと、電子増倍部、陽極、及び電圧配分部とがー体的にエッチングカ卩ェされた側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料力もなる上側フレームとで構成されてヽる。なおこの場合、デバイス搭載面は、下側フレームの上面に相当する。

[0007] 上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って順次デバイス搭載面上に配置された複数段のダイノードで構成され、これら複数段のダイノードそれぞれは異なる電位に設定される。このような多段ダイノードによるカスケード増倍により、高い増倍効率が実現される。また、上記電圧配分部は、電子増倍部とともにデバイス搭載面上に配置されており、該電子増倍部を構成する複数段のダイノードそれぞれに所定電圧を印加する。このように、電子増倍部と電圧配分部とが同一平面上にともに配置されることにより、当該光電子増倍管の小型化が可能になる。

[0008] この発明に係る光電子増倍管において、上記電圧配分部は、電子増倍部とともに外囲器の内部空間に収納されるため、主軸部と該主軸部から伸びた複数の接続部を有する形状であるのが好ましい。この主軸部は、電子増倍部における電子の進行方向に沿って伸び、複数の接続部は、複数段のダイノードのうち対応する段のダイノードに一端が接続される。また、各接続部は、少なくとも主軸部との接続端部における該主軸部の伸びる方向で規定される厚み力該主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなるよう整形されるのが好まし、。両端に所定の電圧が印可された主軸部には、連続した電位勾配が形成されるため、接続部の接続端部（主軸部と接続部の接続部分)の厚みが大きいと、該接続部の光電面側に向いた側面と陽極側に向いた側面との間に生じる電位差が無視できなくなるからである (対応する段のダイノードの電位制御が難しくなる)。逆に、この接続端部を除けば、電気抵抗を低減するため該接続部の断面は大きくすることが好ましい。

[0009] この発明に係る光電子増倍管において、上記複数段のダイノードそれぞれは、デバイス搭載面に沿って配置された複数の溝部を有するのが好まし、。 1つのダイノードの各溝部が複数の電子増倍チャネルそれぞれの一部を構成している。

[0010] また、この発明に係る光電子増倍管において、上記電圧配分部における主軸部の両端には、電子増倍部に所定電圧を印加するための金属端子が接続される。これら金属端子は、外囲器の外部と内部空間とを連絡する貫通孔に挿入される。

[0011] なお、この発明に係る光電子増倍管において、少なくとも上記電子増倍部は、加工のし易さから、シリコン力もなるのが好ましい。例えば、上記側壁フレームがシリコン材料からなる場合、電子増倍部、陽極、及び電圧配分部とがー体的にエッチング加工することにより実現できるため、上記下側フレームのデバイス搭載面上におけるこれら構成要素の二次元的な配置が可能になり、当該光電子増倍管の小型化が可能になる。

[0012] 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。

[0013] 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

[0014] 以上のようにこの発明によれば、それぞれが電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部を有する複数段のダイノードで構成された高い増倍効率を実現する電子増倍部と、これら複数段のダイノードに所定の電圧を印加するための電圧配分部とが、同一平面上に配置される。このように、光電子増倍管の主要な構成要素が二次元的に配置可能になるため、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管が得られる。

図面の簡単な説明

[0015] [図 1]は、この発明に係る光電子増倍管の一実施例の構成を示す斜視図である。

[図 2]は、図 1に示された光電子増倍管の組立工程図である。

[図 3]は、図 1中の I I線及び II II線それぞれに沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。

圆 4]は、図 1に示された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、電子増倍部の種々の構造を説明するための平面図である。

[図 6]は、図 1に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である (その

D o

[図 7]は、図 1に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である (その 2)。

[図 8]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

[0016] 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、 311…電圧配分部、 311a, 31 lb…端部。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 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 8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。

[0018] 図 1は、この発明に係る光電子増倍管の一実施例の構造を示す斜視図である。この図 1に示された光電子増倍管 laは、反射型の光電面を有する電子増倍管であつて、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

[0019] 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。

[0020] 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、貫通部 301 (電子増倍部 31側)及び貫通部 302 (陽極 32側）が形成されている。貫通部 301及び貫通部 302は共にその開口が矩形であって、貫通部 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。

[0021] 貫通部 301内には、反射型光電面 22、電子増倍部 31、陽極 32、電圧配分部 311 が形成されている。電子増倍部 31は、光電面 22から陽極 32に向カゝつて異なる電位に設定される複数段のダイノードから構成されて、る。これら複数段のダイノードそれぞれには、底部を含む溝部が形成されており、これら壁部 (各溝部を規定する側壁）及び底部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。

[0022] さら〖こ、貫通部 302内には、電圧配分部 311及び陽極 32が該貫通部 302の内壁との間に空隙部を設けて配置されている。電圧配分部 311は、電子増倍部 31における電子の進行方向にそって伸びた主軸部と、該主軸部から伸び、一端が対応する段のダイノードに接続された接続部から構成される。また、電圧配分部 311の第 1端部 311aと第 2端部 3 l ibの間には所定電圧が印可され、接続部により電子増倍部 31における各段のダイノードが所定電位に設定される。光電面側端子 31 laの一部は光の入射方向（図 1中の矢印 Aで示された方向）に対して陽極 32に対面するよう斜めにカットされており、このカット面上に反射型光電面 22が形成される。陽極 32は光電面 22とともに電子増倍部 31を挟む位置に配置される。これら光電面 22、電子増倍部 3 1、電圧配分部 311及び陽極 32は、それぞれ下側フレーム 4に陽極接合、拡散接合、更には低融点金属 (例えばインジウムなど)等の封止材を用いた接合など（以下、単に接合と記載された場合は、これら接合のいずれかを指す）によって固定されており、これにより、該下側フレーム 4のデバイス搭載面に二次元的に配置される。

[0023] 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 (デバイス搭載面）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、光電面側端子 41は電圧配分部 311の第 1端部 311aと電気的に接触し、陽極端子 42は側壁フレーム 3の陽極 32に電気的に接触し、そして、陽極側端子 43 は電圧配分部 311の第 2端部 31 lbに電気的に接触して、る。

[0024] 図 3は、図 1中の I I線及び Π— II線それぞれに沿った光電子増倍管 laの構造示す断面図である。特に、図 3において、領域 (a)は、 I—I線に沿った光電子増倍管（図 1)、領域 (b)は、 Π— II線に沿った光電子増倍管の構造を示している。既に説明されたように、上側フレーム 2には外囲器の内部空間を規定するための凹部 201が形成されている。この上側フレーム 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。

[0025] 図 3中の領域 (a)に示されたように、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の貫通部 301 (電子増倍部 31側)及び貫通部 302 (陽極 32側）が配置されて!、る。側壁フレーム 3の貫通部 301には電圧配分部 311の一部とともに電子増倍部 31が配置されており、電圧配分部 311の第 1端部 311aは、側壁フレーム 3 と該第 1端部 311aとの間に空隙部 301a、該第 1端部 311aと電子増倍部 31との間には空隙部 301bが形成されるよう配置されている。また、電子増倍部 31の電子出射端側に位置する側壁フレーム 3の貫通部 302内には陽極 32が配置されている。陽極 3 2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、側壁フレーム 3と陽極 3 2との間及び電子増倍部 31と陽極 32との間には空隙部 302aが形成されている。また、貫通部 302には、第 2端部 31 lbを含む電圧配分部 311の一部も配置されている。電子増倍部 31の電子入射端側には、電圧配分部 311の第 1端部 311aが位置しており、この第 1端部 31 laに形成されたカット面に反射型光電面である光電面 22が設けられている。上側フレーム 2を通過した入射光が光電面 22に到達すると、この入射光に応じた光電子が光電面 22から電子増倍部 31に向けて放出される。このように、側壁フレーム 3の内壁で囲まれた貫通部 301及び貫通部 302内には、光電面 22、電子増倍部 31、電圧配分部 311及び陽極 32が配置されており、これらは下側フレーム 4の主面 40a (図 2参照）に接合されている。

[0026] なお、電子増倍部 31は、より高い増倍率を実現するため、光電面 22から陽極 32に向かって順次配置された複数段のダイノードにより構成されて、る。これらダイノードは、各段がそれぞれ異なる電位に設定されるため、電気的に分離されている。一方、図 3中の領域 (b)に示されたように、所定段のダイノードはそれぞれが異なる電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部が底部を共通部分として設けられている。

[0027] 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の光電面 22、電子増倍部 31、電圧配分部 311及び陽極 32も下側フレーム 4に接合される。これにより、当該光電子増倍管の主要要素である光電面 22、電子増倍部 31、電圧配分部 311及び陽極 32は、下側フレーム 4の主面 40aに相当するデバイス搭載面上に配置される。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)。

[0028] 下側フレーム 4の光電面側端子 401及び陽極側端子 403は、それぞれ電圧配分部 311の第 1及び第 2端部 31 la、 3 l ibに電気的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であり、かつ電子増倍部 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。

[0029] 図 4には、側壁フレーム 3の壁部近傍の構造が示されている。シリコン基板 30の貫通部 301内には、光電面 22、電圧配分部 311、電子増倍部 31及び陽極 32が配置されている力この図 4では、主に、光電面 22近傍の構造が斜視図として示されている。電子増倍部 31は、より高い増倍率を実現するため、光電面 22から陽極 32に向力つて順次配置された複数段のダイノードにより構成されて、る。これらダイノードは、各段がそれぞれ異なる電位に設定されるため、電気的に分離されているが、同じ段となる電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部は底部を共通部分として電気的に繋がっている。また、電子増倍部 31に併設された電圧配分部 311は、電子増倍部 31に平行に配置された主軸部と、この主軸部から伸び、それぞれが対応する段のダイノードに接続された接続部を有する。また、これら接続部は、光電面 22から陽極 32に向力つてそれぞれ所定距離だけ離間しており、第 1端部 311aと第 2端部 311b との間に所定電圧が印加されると、主軸部における電圧降下により各段のダイノードはそれぞれ異なる所定電位に設定される。なお、電圧配分部 311における第 1端部 31 laのカット面上には反射型光電面である光電面 22が設けられており、この光電面 22と電子増倍部 31との間には、該光電面 22からの光電子を効率的に電子増倍部 3 1へ導くための集束電極 31aが設けられている。集束電極 31aもダイノード同様に、底部を共通部分として電気的に繋がっている。

[0030] 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— 1000 Vが、陽極側端子 403には OV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 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や幅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、ガラス材料力なる上側フレーム 2を介して側壁フレーム 3の反射型光電面である光電面 22に光が入射すると、光電面 22から集束電極 31aに向けて光電子が放出され、さらに、集束電極 3 laを通過した光電子は、電子増倍部 31に到達する。電圧配分部 311には、シリコン基板 30の長手方向に沿って電位差が生じて、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はそれぞれが異なる電子増倍チャネルの一部として複数の溝部を有する複数段のダイノードで構成されている。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各段のダイノードにおける溝部で順次増倍され、効率よく複数の二次電子を放出する。このように電子増倍部 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到達する光電子 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。

[0031] 次に、側壁フレーム 3における電子増倍部 31の種々の構造を、図 5を用いて説明する。

[0032] まず、図 5中の領域 (a)は、上述のようにそれぞれが複数の溝部を有する複数段のダイノードにより構成されたマルチチャネル電子増倍部の構成が示された平面図である。この図 5中の領域 (a)に示された電子増倍部 31では、各段がそれぞれ異なる電位に設定される複数段のダイノードが光電面 22から陽極 32に向かって順次配置されている。また、各段のダイノードは複数の溝部が設けられており、複数段のダイノードそれぞれの溝部のうち、光電面 22から陽極 32に向力つて一列に並んだ溝部により 1つの電子増倍チャネルが構成されている。また、各段のダイノードは、電圧配分部 311の主軸部力も伸びた接続部に電気的に接続されており、第 1及び第 2端部 31 la、 311b間の電圧降下によりそれぞれ異なる電位に設定される。このとき、各接続部は、少なくとも主軸部との接続端部における該主軸部の伸びる方向で規定される厚み力該主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなつた形状を有する。両端に所定の電圧が印可された電圧配分部 311の主軸部には、連続した電位勾配が形成されるため、接続部における接続端部（主軸部と接続部の接続部分)の厚みが大きヽと、各段のダイノードを所望の電位に設定するのが難しくなるが、少なくとも接続端部の厚みを小さくすることによって所望の電圧が得やすくなる。なお、接続端部を除けば、電気抵抗を小さくするために該接続部の断面積を大きくしてちょい。 [0033] 一方、図 5中の領域 (b)に示された電子増倍部 31も、複数段のダイノードにより構成されている力光電面 22から陽極 32に向力つて隣接する段のダイノード同士の電子入射面が向き合った構造となっている点で、図 5中の領域 (a)に示された構造の電子増倍部 31とは異なる。なお、この実施例に示された構造においては、初段以降の各段のダイノードの電子入射開口にグリッド電極が設けられており、その構造は集束電極 31aと同様である。このように、当該発明に係る光電子増倍管は、シングルチヤネルの電子増倍部を備えてもよい。この構成においても、接続部の断面積は、主軸部の断面積よりも小さ、のが好ま U、。

[0034] なお、上述の実施例では、反射型の光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、透過型光電面を有してもよい。例えば、ガラス材料からなる上側フレーム 2の凹部 201の底面であって電子増倍部 31の電子入射端に対応する位置に光電面を形成したり、電子増倍部 31の陽極側端とは逆側の端部に透過窓を形成し、この透過窓を覆うように透過型光電面をさらに形成することにより、透過型の光電面を有する光電子増倍管が得られる。反射型及び透過型!、ずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管 laと同様の構造を有した状態でこの発明に係る光電子増倍管が得られる。

[0035] また、上述の実施例では、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から離間した状態で一体形成されている。通常、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。そのため、当該発明では、側壁フレーム 3と一体的に形成される電子増倍部 31、電圧配分部 311及び陽極 32は、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)にそれぞれ配置される。

[0036] さらに、上述の実施例では、外囲器の一部を構成する上側フレーム 2がガラス基板 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。透過窓の形成方法は、例えば、ガラス層（SiO )の両面がシリコン基板で挟まれた SOI (Silicon On Insulator)基板の両面をエッチングし、露出したガラス層（SiO )の一部を透過窓として利用することが

2

できる。また、シリコン基板に数 mで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数/ z m程度になるようエッチングし、熱酸ィ匕させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面力もエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。

[0037] 次に、図 1に示された光電子増倍管 laの製造方法の一例について説明する。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〜数十ミリ四方)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 6及び図 7を用いて説明する。

[0038] まず、図 6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 6中の領域 (b)〖こ示されたよう〖こ、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 3中に示された領域 (a)の空隙部 302aに対応する除去部 701が形成されている。このとき、電子増倍部 31を構成する各段のダイノードを分離するための空隙部に対応した除去部も形成される。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 3中に示された領域 (a)の空隙部 302aに対応する除去部 611が形成されるとともに、各段のダイノードの空隙部に対応する除去部も形成される。

[0039] 図 6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。このとき、より DEEP—RIE加工時の選択性 (加工する箇所と加工しな、箇所のエッチングレート比）を高くする場合、あるヽは深、加工が要求される場合、レジスト膜 70を除去せずマスクとして使用してもよい。図 6中の領域 (c)に示されたように、シリコン基板 50には、図 3中に示された領域 (a)の空隙部 302aに対応する空隙部 501と、空隙部 301a、 301bに対応する空隙部が形成される。続いて、図 6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 3中に示された領域 (a)の空隙部 301a、 301bに対応する除去部 711と、図 3中に示された領域 (a)の空隙部 302aに対応する除去部 712と、各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部が形成されている。この状態でシリコン熱酸ィ匕膜 60がエッチングされると、図 3中に示された領域 (a)の空隙部 301a、 301b に対応する除去部 601と、図 3中に示された領域 (a)の空隙部 302aに対応する除去部 602と、各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部とが形成される。

[0040] 図 6に示された領域 (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 6中に示された領域 (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が予め加工されている。なお、図示されていないが、孔 802に並んで図 2の孔 403に対応する孔 803も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及びシリコン熱酸ィ匕膜 61が除去される。図 7中の領域（ a)に示されたように、予め裏面力も空隙部 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に接合される。また、この DEEP— RIE力卩ェの際に、各段のダイノードに相当する部分 51と、電圧配分部 311の第 1端部 311aに相当する島状部 503とも形成される。ここで、各ダイノード部分 51に設けられる溝部及び底部には二次電子放出面が形成される。また、この際、島状部 503にはカット面が形成され、該カット面上に反射型光電面 22が形成される（図 7中に示された領域 (c)参照)。

[0041] 続いて、図 7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）が形成されている。 [0042] 上述のように図 7中に示された領域 (c)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 7中に示された領域 (b)まで加工が進んだガラス基板 90とが、図 7中の領域 (d)に示されたように、真空気密の状態で接合される。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 7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。

[0043] 次に、上述のような構造を有する光電子増倍管 laが適用される光モジュールについて説明する。図 8中に示された領域 (a)は、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 8 53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。

[0044] 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〖こ導入される。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。

[0045] 検出部 855の構成を、図 8中に示された領域 (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ヽる。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 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。

[0046] 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。

[0047] 以上のようにこの発明によれば、電子増倍部 31を構成する複数段のダイノードを二次元的に配置することにより、より電子増倍効率を飛躍的に向上させうる微細構造の光電子増倍管が得られる。

[0048] また、電子増倍部 31にはシリコン基板 30aを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板 30aはガラス基板 40aに接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施例に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。

[0049] 陽極 32は、ガラス基板 40aに接合されてヽるため、溶接時の金属飛沫がな!ヽ。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と接合されるため、衝撃、振動で振動しない。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。

[0050] 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。

[0051] 電子増倍部 31では、平面的に配置された複数段のダイノードにより構成されており、各段のダイノードに設けられた複数の溝部に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このように、当該光電子増倍管は、平面的な構造で多くの部品を必要としな V、ため容易に小型化可能である。

[0052] 上述のような構造を有す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。

[0053] 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

[0054] 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] デバイス搭載面を含む内壁面によって規定された内部空間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、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて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、電子の進行方向に沿って前記デバイス搭載面上に順次配置された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、

前記外囲器内に収納され、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、そして、

前記外囲器内に収納され、前記電子増倍部を構成する複数段のダイノードそれぞれに所定電圧を印加するための電圧配分部であって、前記電子増倍部とともに前記デバイス搭載面上に配置された電圧配分部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、

前記電圧配分部は、前記電子増倍部における電子の進行方向に沿って伸びた主軸部と、該主軸部からそれぞれ伸び、前記複数段のダイノードのうち対応する段のダィノードに一端が接続された複数の接続部とを備える。

[3] 請求項 2記載の光電子増倍管において、

前記複数の接続部それぞれは、少なくとも前記主軸部との接続端部における前記主軸部の伸びる方向で規定される厚み力前記主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなるよう整形されている。

[4] 請求項 1〜3の！、ずれか一項記載の光電子増倍管にお!、て、

前記複数段のダイノードそれぞれは、前記デバイス搭載面に沿って配置された複数の溝部を有する。

[5] 請求項 2又は 3記載の光電子増倍管において、

前記電圧配分部における前記主軸部の両端には、前記電子増倍部に所定電圧を印加するための金属端子が接続されている。

[6] 請求項 1〜5の！、ずれか一項記載の光電子増倍管にお!、て、

前記電子増倍部は、シリコン力もなる。