DE3709298A1 - Micro-sekundaerelektronenvervielfacher und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Micro-sekundaerelektronenvervielfacher und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sekundärelektronenverviel
facher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen Sekundärelektro
nenvervielfachers.
Ein derartiger Sekundärelektronenvervielfacher ist aus
der Firmendruckschrift SC-5 von Hamamatsu (Katalog 1983)
unter der Typenbezeichnung R 1635 bekannt. Er besitzt
bei acht Stufen einen Durchmesser von 10 mm und eine
Länge von ca. 55 mm. Diese Abmessungen erlauben nicht den
Einsatz in miniaturisierten Meßsystemen.
Bekannt sind auch Mikro-Kanalplatten (Nuclear Instru
ments und Methods 162, 587-601 (1979)). Sie erfüllen
zwar die Anforderung des kleinen Raumbedarfs, weisen
jedoch eine erhebliche Totzeit nach einem Signalimpuls
auf, wodurch ihre Anwendbarkeit auf sehr schwache Strah
lungs- und Teilchensignale beschränkt bleibt.
Weiterhin sind auch geschichtete Kanalplatten bekannt
(Advances in Electronics and Electron Physics 33A, 117-
123 (1972)). Sie vermeiden zwar den Nachteil einer lan
gen Totzeit, weisen jedoch von Stufe zu Stufe erhebliche
Elektronenverluste auf, wodurch sie wiederum für Anwen
dungen mit extrem kleinen Strahlungs- oder Teilchensig
nalen ungeeignet sind. Weiterhin sind geschichtete
Kanalplatten bekannt (DE 24 14 658), bei denen solche
Verluste durch Formung der Kanalwände mittels Ätzen
verkleinert werden sollen, jedoch sind dieser Art von
Formgebung enge Grenzen gesetzt. Schließlich sind aus der
Hochenergiephysik Arrays von Sekundärelektronenvervielfa
chern bekannt (F. Binon et al, Nuclear Instruments and
Methods, A248 (1986), 86-102). Durch ihren großen Platz
bedarf sind sie für den Aufbau miniaturisierter Meßsysteme
vollständig ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem
aufgezeigten Stand der Technik einen Mikro-Sekundärelek
tronenvervielfacher und Arrays davon zu schaffen, die
einen äußerst geringen Platzbedarf, eine hohe Zeitauf
lösung, eine große Empfindichkeit und eine hohe Flexi
bilität bei der Formgebung aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels der im kenn
zeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmals
und dem Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Die übrigen Ansprüche 2 bis 10 sowie die Ansprüche 12
bis 17 geben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungs
formen des erfindungsgemäßen Gegenstandes bzw. des Ver
fahrens an.
Die erfindungsgemäßen Mikro-Sekundärelektronenverviel
facher und Vielfachanordnungen (Arrays) davon als Sen
soren in miniaturisierten Meßsystemen für Strahlung oder
Teilchen zeichnen sich in vorteilhafter Weise durch
geringen Raumbedarf sowie hohe Orts- und Zeitauflösung
aus.
Durch Einsatz von Röntgentiefenlithographie und Mikrogal
vanik wird der Aufbau eines extrem kleinen Systems von
diskreten Dynoden ermöglicht, deren Form so gewählt ist,
daß die Elektronen von einer Dynode auf die nächste
fokussiert und Elektronenverluste so minimiert werden. Die
Empfindlichkeit wird dadurch vorteilhaft beeinflußt. Die
Spannungsversorgung der Dynoden über diskrete Leiterbahnen
gestattet es, die externe Versorgung an die Signalampli
tude anzupassen, so daß der dynamische Bereich des Mikro-
Sekundärelektronenvervielfachers sehr groß wird. Durch die
stark reduzierte Länge des Sekundärelektronenvervielfa
chers ist die Elektronenlaufzeit von Kathode zu Anode
verkürzt, was sich günstig auf die Anstiegszeit von Impul
sen und damit auf die erzielbare Zeitauflösung auswirkt.
Die Herstellung derart feiner Strukturen auf röntgen
tiefenlithographisch-galvanoplastischem Wege (LIGA-Tech
nik) bzw. durch die hiervon abgeleitete Abformtechnik
gemäß Merkmal b) von Patentanspruch 13 ist u. a. in dem
KfK-Bericht 3995 des Kernforschungszentrums Karlsruhe
(November 1985) beschrieben und dargestellt. Danach wird
z. B. ein röntgenstrahlenempfindlicher Positiv-Resist auf
eine metallische Grundplatte aufgebracht und partiell über
eine Maske mit Röntgenstrahlen so bestrahlt und ent
wickelt, daß eine Negativform der herzustellenden Stege
entsteht, deren Höhe der Schichtdicke des Positiv-Resist
entspricht; sie kann bis zu 2 mm betragen, je nach der
Eindringtiefe der Röntgenstrahlung. Anschließend wird die
Negativform galvanisch mit einem Metall unter Verwendung
der Grundplatte als Elektrode aufgefüllt, worauf das rest
liche Resist-Material mit einem Lösungsmittel entfernt
wird. Bei der Abformtechnik wird ein mit der LIGA-Technik
hergestelltes Positiv der herzustellenden Steg-Struktur
als wiederholt verwendbares Werkzeug mit einem Kunststoff
abgeformt, worauf die so entstandene Negativform durch
galvanisches Abscheiden von Metall aufgefüllt und der
restliche Kunststoff entfernt wird. In beiden Fällen
lassen sich extrem genaue und feine Strukturen herstellen
mit lateralen Abmessungen im µm-Bereich bei einer frei
wählbaren Höhe bis zu ca. 2 mm. Bei etwas geringeren Höhen
lassen sich auch minimale laterale Abmessungen im Sub
mikrometerbereich realisieren. Als Strahlenquelle für
diesen Zweck ist insbesondere die Röntgenstrahlung eines
Elektronen-Synchrotrons oder -Speicherrings (Synchrotron
strahlung) geeignet.
Durch das im Anspruch 13 beschriebene Verfahren ist es
weiterhin möglich, eine große Anzahl von Mikro-Sekundär
elektronenvervielfachern nebeneinander auf derselben
Grundplatte als Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher-
Array aufzubauen. Dadurch wird eine extrem hohe Packungs
dichte erreicht, die sich günstig auf das erreichbare
räumliche Auflösungsvermögen auswirkt, ein Aspekt, der
insbesondere für die Tomographie und für Detektoren in
der Hochenergiephysik von Bedeutung ist.
Bei einem Array von Mikro-Sekundärelektronenverviel
fachern kann die Position der Signal-Eingänge an vorge
gegebene Konturen angepaßt werden, z. B. an den Rowland-
Kreis, an eine gewölbte Bildfläche oder an einen Zylin
dermantel wie beim nachstehend als Ausführungsbeispiel
beschriebenen Streulichtradiometer.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine der Substrat
platten mit einer lichtdurchlässigen Wand, die zusätz
lich noch Photokathoden trägt, versehen werden und damit
der Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher(-Array) zu
einem Mikro-Photomultiplier(-Array) gemacht werden kann.
Gibt man der lichtdurchlässigen Wand einen linsenförmi
gen Querschnitt und bringt die Photokathoden auf einem
getrennten Träger aus lichtdurchlässigem Material an, so
kann man zwischen Lichtquelle und Photokathode eine
optische Abbildung herstellen, die sich vorteilhaft
auswirkt auf die Definition des Streuvolumens und auf
das Signal-Rausch-Verhältnis.
Der Aufbau eines Mikro-Sekundärelektronenvervielfachers
ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt die
Dynoden 1, die zu ihrer Spannungsversorgung angebrachten
Leiterbahnen 2 sowie die Anode 3. Diese Strukturen sind
auf der Grundplatte 4 aufgebracht. Eine zweite
Platte trägt, gestrichelt dargestellt, eine
Glaswand 6, auf der an geeigneter Stelle die Photo
kathode 7 aufgebracht ist. Weitere Elektroden 8, 9 die
nen der Fokussierung der auf der Photokathode ausge
lösten Photoelektronen auf die erste Dynode 1. Die
Platten werden durch Glaslöten miteinander verbunden und
bilden, falls erforderlich, ein vakuumdichtes Gehäuse
für den Sekundärelektronenvervielfacher. Die Verviel
fachung erfordert Elektronenenergien von der Größenord
nung 100 eV. Mit einem typisch sicheren Betriebswert
für die Oberflächenfeldstärke von 1 kV/mm ergibt sich
ein minimaler Leiterbahnabstand von 0,1 mm und bei 9
Dynoden mit einer Kantenlänge von je 1 mm eine Gesamt
länge von ca. 10 mm. Oberflächenaufladung und daraus
folgende elektrische Überschläge werden durch die, wenn
auch schwache, Leitfähigkeit der Oberflächenschicht der
Wände vermieden.
Fig. 2a zeigt schematisch eine Vielfachanordnung von
Mikro-Sekundärelektronenvervielfachern. Hier sind zahl
reiche Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher nebeneinan
der angeordnet und die Führung der Leiterbahnen 2 ent
sprechend angepaßt worden. Fig. 2b zeigt schematisch
eine Vielfachanordnung mit gemeinsamen Dynoden 1.
Fig. 3a bis 3h zeigt beispielhaft die Herstellung eines
Mikro-Sekundärelektronenvervielfachers oder einer Viel
fachanordnung (Arrays), wobei als wichtigste Verfahrens
schritte Röntgentiefenlithographie mit Synchrotronstrah
lung und Galvanoformung eingesetzt werden. Eine detail
lierte Beschreibung dieser Prozesse ist in E. W. Becker, W.
Ehrfeld, P. Hagmann, A. Maner und D. Münchmeyer "Fabri
cation of Microstructures with high aspect ratio and great
structural heights by synchrotron radiation lithography,
galvanoforming, and plastic moulding (LIGA-process)",
Microelectronic Engineering 4 (1986) 35-56 angegeben.
Fig. 3a zeigt eine Grundplatte 1 aus Aluminiumoxid-Keramik. Die
Dicke der Grundplatte 1 beträgt etwa 1 mm, die Fläche etwa
10 cm × 10 cm. Die Grundplatte 1 wird durch Aufschleudern
mit einer dünnen Schicht 2 aus Fotolack (z. B. AZ 1350 der
Fa. Kalle, Wiesbaden) beschichtet und nach Herstelleran
gaben vorbehandelt (Fig. 3b). In bekannter Weise wird der
Fotolack über eine Maske lithographisch bestrahlt und
entwickelt, so daß eine Fotolackstruktur 3 auf der Grund
platte 1 entsteht (Fig. 3c). Anschließend wird durch einen
Sputterprozeß ganzflächig zunächst eine 30 nm dicke
Schicht 4 aus Titan und dann eine weitere 200 nm dicke
Schicht aus Nickel abgeschieden. Sodann wird der Fotolack
3 mit Aceton im Tauchbad entfernt, wobei auch die Bereiche
der Metallschichten 4 und 5 entfernt werden, die sich auf
der Fotolackstruktur 3 befinden. Es verbleibt eine Me
tallschichtstruktur 4, 5 auf der Grundplatte 1 (Fig. 3d).
Wie im o. g. Artikel beschrieben, wird nun in einer Dicke
von 1 mm eine Schicht 6 aus einer Polymethylmethacrylat-
Gießmasse (PMMA) aufgegossen, polymerisiert und dann
mittels Röntgentiefenlithographie mit Synchrotronstrahlung
und anschließendes Entwickeln strukturiert (Fig. 3f). In
die so gefertigte Formstruktur 7 aus PMMA wird galvanisch
Nickel abgeschieden, das die Dynoden 8 des Mikro-Sekundär
elektronenvervielfachers darstellt. Anschließend werden
die verbliebenen PMMA-Bereiche 7 in einem Lösemittel ent
fernt (Fig. 3g). In gleicher Weise werden in denselben
Arbeitsschritten durch Vorgabe entsprechender Strukturen
auf den in den Lithographieprozessen verwendeten Masken
andere Elemente des Mikro-Sekundärelektronenvervielfachers
wie etwa Anoden, Abschirmungen und dergleichen parallel
mit den Dynoden 8 gefertigt. Analog zu den Prozeß-
Schritten in Fig. 3a bis 3d wird nun eine zur Grundplatte
in Fig. 3d spiegelsymmetrische Deckplatte 9 mit Metall
strukturen 10 hergestellt. Die Metallstruktur 10 wird
durch Diffusionslöten mit Silber mit den Dynoden 8 ver
lötet, wodurch der Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher,
bestehend aus einer Grundplatte 1, einer Deckplatte 9,
diskreten Dynoden 8, Leiterbahnen 11 zur Kontaktierung der
Dynoden und Leiterbahnen 12 für die vertikale Fokussierung
der Elektronen, fertiggestellt wird (Fig. 3h).
Eine weitere Methode zur Herstellung der Mikrostrukturen
besteht in der Abformtechnik. Dabei wird durch Röntgen
tiefenlithographie mit Synchrotronstrahlung ein Positiv
der herzustellenden Dynodenstruktur als wiederholt ver
wendbares Werkzeug mit einem Kunststoff abgeformt, wo
rauf die entstandene Negativform durch galvanisches
Abscheiden von Metall aufgefüllt und der restliche Kunst
stoff entfernt wird. Die für die Fixierung und Kontak
tierung der Dynoden erforderliche Grundplatte wird beim
Abformprozeß in das Werkzeug eingelegt, so daß der
Kunststoff mit der Grundplatte eine feste Verbindung
eingeht. Sowohl die direkte Herstellung der Mikrostruk
turen durch Röntgentiefenlithographie mit Synchrotron
strahlung als auch die Abformtechnik ermöglichen extreme
Strukturgenauigkeiten mit Lateralabmessungen im µm-
Bereich bei einer frei wählbaren Höhe bis zu ca. 2 mm.
Als Anwendungsbeispiel wird ein Vielkanal-Streulichtradio
meter (Fig. 4) herangezogen. Bekanntlich ist die Streuung
von Licht an kleinen Teilchen ein wichtiges Hilfsmittel
bei der Untersuchung von Größen- und Formparametern in
Teilchensystemen (M. Kerker, The Scattering of Light,
Academic Press, New York, 1969). Eine der Methoden, die am
meisten Information liefert, ist die Messung der Winkel
verteilung des gestreuten Lichts. Besonders günstig für
das Signal-Rausch-Verhältnis, die benötigte Meßzeit und
die Zeitauflösung ist die simultane Messung des Streu
lichts unter vielen, verschiedenen Winkeln. Die erfin
dungsgemäßen Mikro-Sekundärelektronenvervielfacher-Arrays
erlauben den Aufbau wesentlich kleinerer, empfindlicherer
und robusterer elektronischer Vielkanaldetektoren als es
dem Stand der Technik entspricht (Deutsches Patent 23 38
481, US-Patent 39 32 762, Deutsches Gebrauchsmuster G
84 15 886.7). Die Versorgung der Dynoden über Leiterbahnen
erlaubt die Bildung von Gruppen von Vielkanal-Mikro-Sekun
därelektronenvervielfachern, die an verschiedene
Spannungsversorgungen angeschlossen werden können. Da
durch kann die Empfindlichkeit als Funktion des Streu
winkels der Streulicht-Winkelverteilung angepaßt werden.
Dies bedeutet beispielsweise, daß im Falle von stark vor
wärts streuenden Teilchen, wo der Intensitätsunterschied
zwischen vorwärts und rückwärts mehrere Größenordnungen
betragen kann, der hintere Detektorbereich, etwa 90°-180°,
mit der maximalen Verstärkung, der mittlere Bereich, etwa
20°-90°, mit einer mittleren Verstärkung und der vordere
Bereich 0°-20°, gerade unterhalb des Einsatzes von Sätti
gungseffekten gefahren werden können.
Auf einer ringförmigen Grundplatte 1 werden zwei sektor
förmige Gebiete mit Vielfachanordnungen (Arrays) von
Mikrosekundärelektronenvervielfachern 2 versehen. Die
Eingänge der Mikrosekundärelektronenvervielfacher 2 sind
dabei auf je einem Kreisbogen angeordnet und weisen zum
Mittelpunkt der Grundplatte 1. Die Sektor-Gebiete werden
von je einer Glaswand 3 umschlossen, die auf ihrem
inneren Bogen Photokathoden trägt, die jeweils einem
Mikrosekundärelektronenvervielfacher zugeordnet sind.
Die Glaswände 3 sind mit je einer Deckelplatte 4 nach
oben verschlossen, so daß eine vakuumdichte Umhüllung
der Vielfachanordnungen (Arrays) entsteht. Die Signal
ausgänge der Mikrosekundärelektronenvervielfacher 2 werden
mit Leiterbahnen 5 zum äußeren Rand der Grundplatte 1
geführt, wo sich Kontakte 6 zum externen Anschluß befin
den. Die Leiterbahnen zur Versorgung der Vielfachanord
nungen (Arrays) werden durch metallgefüllte Bohrungen 7
zur Unterseite der Grundplatte 1 und von da durch
Leiterbahnen 8 ebenfalls zu externen Anschlüssen 9 am
Außenrand der Grundplatte 1 geführt.
In den freien Sektoren der Grundplatte 1 werden ein
Halbleiterlaser 10, optische Elemente 11, Blenden 12 und
ein keilförmiger Lichtsumpf 13 derart angeordnet, daß ein
für die Streuung von Licht an Dichtefluktuationen von
Materie, die sich im Streuvolumen 14 befindet, geeigne
ter Strahlengang entsteht.
Die in Fig. 4 gezeigte Version macht es möglich,
die Symmetrie der Streustrahlung bezüglich der Richtung
des einfallenden Primärstrahles zu prüfen. Dies kann von
erheblicher Bedeutung sein, z. B. für Systeme nicht
symmetrischer Teilchen, denen durch fluiddynamische oder
elektromagnetische Einwirkung eine Orientierung aufge
prägt wurde.
Der flache Aufbau solcher integrierter Meßsysteme er
leichtert ihren Einsatz in mehreren Ebenen längs eines
Teilchenstrahls und damit die Verfolgung einer zeit
lichen Evolution der Teilchenparameter. Er eignet sich
darüber hinaus gut für die Anwendung eines Magnetfeldes
zur Beeinflussung der Elektronenbahnen. Obwohl das heran
gezogene Anwendungsbeispiel sich auf die Lichtstreuung
bezieht, erstreckt sich der Anwendungsbereich auch auf
Streuprozesse, bei denen geladene Teilchen, wie Elek
tronen und Ionen, oder angeregte Neutrale vorliegen, und
darüber hinaus auch auf Strahlungs- oder Teilchenquel
len, die selbst emittieren.
Claims (16)
1. Sekundärelektronenvervielfacher mit diskreten Dynoden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dynoden mikrostrukturiert
und auf einer isolierenden Substratplatte, die mit elek
trischen Leiterbahnen zum Anschluß der Dynoden versehen
ist, angebracht ist.
2. Sekundärelektronenvervielfacher nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dynoden auf röntgentiefenlitho
graphischem, auf röntgentiefenlithographisch-galvano
plastischem oder auf hiervon abgeleiteten abformtechni
schem bzw. abformtechnisch-galvanoplastischem Wege auf der
Substratplatte hergestellt werden.
3. Vielfachanordnung (Array) von Sekundärelektronenverviel
fachern nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Dynodenanordnungen auf der Substratplatte ange
ordnet und mit getrennten Ein- und Ausgängen versehen
sind.
4. Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnung
(Array) nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die die Dynoden tragende Substratplatte mit einer zweiten
isolierenden Platte abgedeckt ist.
5. Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnung
(Array) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine
von beiden oder beide Platten Leiterbahnen tragen, die zur
vertikalen Fokussierung der Elektronen dienen.
6. Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnung
(Array) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Teil der Dynoden auf der einen Substratplatte und der
andere Teil auf der anderen angebracht ist.
7. Vielfachanordnung nach Anspruch 3 bis Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die gedachte Verbindungslinie der
Signaleingänge eine in weiten Grenzen beliebig gekrümmte
Kurve ist.
8. Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnung
(Array) nach Anspruch 4 bis Anspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen den Platten eine Wand, die an
geeigneten Stellen lichtdurchlässig und mit Photokathoden
versehen ist, angebracht wird, so daß eine vakuumdichte
Umhüllung der Dynodenanordnung entsteht.
9. Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnung
(Array) nach Anspruch 4 bis Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die lichtdurchlässigen Stellen der Wand
Linsenform haben und daß die Photokathoden auf einem ge
trennten lichtdurchlässigen Träger angebracht werden, so
daß zwischen Lichtquelle und Photokathode eine optische
Abbildungsbeziehung besteht.
10. Vielfachanordnung (Array) nach Anspruch 3 bis Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Kanäle gemeinsame
Dynoden haben.
11. Sekundärelektronenvervielfacher und Vielfachanordnung
(Array) nach Anspruch 1 bis Anspruch 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß von außen ein Magnetfeld zur Führung der
Elektronen aufgebracht wird.
12. Vielfachanordnung nach Anspruch 3 bis Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß Gruppen von Dynoden an verschiedene
Spannungsversorgungen angeschlossen werden.
13. Verfahren zur Herstellung von Mikro-Sekundärelektronenver
vielfachern und Vielfachanordnungen (Arrays) mit diskreten
Dynoden nach Anspruch 1 bis Anspruch 12, gekennzeichnet
durch folgende Fertigungsschritte:
- a) Aufbringen von Leiterbahnen auf ein isolierendes Substrat,
- b) Erzeugen von Dynoden auf den Leiterbahnen auf röntgen tiefenlithographischem, auf röntgentiefenlithogra phisch-galvanoplastischem oder auf hiervon abgeleitetem abformtechnischem bzw. abformtechnisch-galvanoplasti schem Wege,
- c) falls erforderlich, Verbinden einer Deckplatte mit den Dynoden, oder Anbringen einer lichtdurchlässigen Wand mit Photokathoden und Abschließen mit einer Deckelplatte.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Schritt b) auf die Dynoden eine zusätzliche Schicht
aus einem Material mit hohem Sekundärelektronen-Koeffi
zienten aufgebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
auf die Dynoden galvanisch Zinn aufgebracht und an
schließend naßchemisch oxidiert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die isolierenden Bereiche zwischen den Leiterbahnen
durch Aufbringen einer geeigneten Oberflächenschicht
schwach leitend gemacht werden.
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