DE69030145T2 - Kontinuierliche Dünnschicht-Dynoden - Google Patents
Kontinuierliche Dünnschicht-DynodenInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft Kanalelektronenvervielfacher und Mikrokanalplatten
- Kanalelektronenvervielfacher 10 (CEMs für channel electron multipliers) (Figur 1) und Mikrokanalplatten 20 (MCPs für microchannel plates) (Figur 2) sind effiziente, geräuscharme Vakuum-Elektronenverstärker mit typischen Verstärkungsfaktoren (G) = I&sub0;/Ii im Bereich von 10³ - 10&sup8;, wobei I&sub0;/Ii das Verhältnis der Ausgangsströme zu den Eingangsströmen ist. CEMs sind Geräte mit einem einzigen Kanal 12 und werden in der Regel für den direkten Nachweis von geladenen Teilchen verwendet (z.B. Elektronen und Ionen) und Photonen von weicher Röntgenstrahlung bis zu extrem ultravioletten Wellenlängen (z.B. 1 - 100 mm). Sie werden hauptsächlich als Detektoren verwendet in einer großen Vielfalt von wissenschaftlichen Instrumenten für Massenspektroskopie, Elektronenspektroskopie, für Oberflächenanalysen, Elektronenmikroskopie und Vakuumultraviolett- und Röntgenstrahlungsspektroskopie.
- MCPs 20 werden hergestellt in Form von flächigen Feldern bzw. Arrays von Millionen von im wesentlichen unabhängigen Kanalelektronenvervielfachern 22, die simultan und im wesentlichen parallel zueinander arbeiten. Mit Hilfe eines MCP kann ein direkter Nachweis von geladenen Teilchen sowie ausreichend energetischer und elektromagnetischer Strahlung in zwei Dimensionen über eine große Fläche erfolgen (bis zu einigen Hundert cm²) mit einer guten Auflösung (Kanalabstand oder "pitch" < 10 µm) bei einer schnellen Ansprech zeit (Ausgangsimpulsabstände < 300 ps) und mit einem linearen Ansprechverhalten über einen großen Bereich von Eingangereignisniveaus (10&supmin;¹²-10&supmin;&sup8; A). Wird ein MCP zwischen einer geeigneten Photokathode und einem Fluoreszenzschirm in einer optischen Bildröhre (nicht gezeigt) angeordnet, können zweidimensionale Signale vom Ultravioletten bis zur nahen Infrarotspektralregion verstärkt und als sichtbare Bilder dargestellt werden. Während MCPs immer mehr Anwendung finden in Bildröhren für militärische Nachtsichtgeräte, besteht gegenwärtig ebenfalls ein wachsendes Interesse an MCPs für leistungsfähige, kommerzielle Anwendungen. Diese umfassen gegenwärtig Hochgeschwindigkeits- und Hochauflösungskameras, hochleuchtende bzw. leuchtstarke Bildschirme und bekannte Detektoren für wissenschaftliche Instrumente.
- CEMs und MCPs bestehen im wesentlichen aus hohlen, üblicherweise zylindrischen Kanälen. Bei einem Betrieb bei Drücken ≤ 1,3 x 10&supmin;&sup4; Pa (10&supmin;&sup6; torr) und bei einer Vorspannung durch eine äußere Leitungsversorgung unterstützen derartige Kanäle die Bildung von großen Elektronenlawinen, ausgelöst durch ein geeignetes Eingangssignal. Die Schnittansicht von Figur 1 zeigt CEM 10 in Betrieb. Der Vorgang der Elektronenmultiplikation in einem Geradeauskanal hängt weniger kritisch von dem absoluten Durchmesser (D) oder der Länge (L) des Kanals ab, jedoch ziemlich vom L/D Verhältnis (α). Bei einem gekrümmten Kanal ist das Verhältnis (β) zwischen der Kanallänge L und dem Radius der Kanalkrümmung (S), also L/S, der entscheidende Parameter. Diese geometrischen Verhältnisse bestimmen maßgeblich die Zahl der Multiplikationsereignisse (n), welche zur Elektronenlawinenbildung beitragen. Typische Werte von α reichen von 30 bis 80 für konventionelle CEMs und MCPs mit Kanaldurchmessern D in der Größenordnung von 1 nm und 10 Mm. Demnach ist ein CEM 10 ein Einzelkanal-Elektronvervielfacher mit makroskopischen Dimensionen, während ein MCP 20 ein wafer-dünnes Feld von mikroskopischen Elektronenvervielfachern mit Kanaldichten von 10&sup5;-10&sup7;/cm² ist.
- Die Kanalwand 14 des CEM 10 oder die Wand 24 des MCP 20 wirkt wie eine kontinuierliche Dynode für eine Elektronenmultiplikation und kann verglichen werden mit der Arbeits weise von photoemitierenden Detektoren, die diskrete Dynoden verwenden (z.B. eine herkömmliche Photomultiplier-Röhre). Im Betrieb müssen die kontinuierlichen Dynoden 14 und 24 ausreichend ohmsch sein, um ein elektrisches Vorspannungsfeld (ε) = 10²-10&sup5; V/cm zu führen, ohne dabei einen außerordentlich hohen Strom abzuziehen. Sie müssen aber auch genug leitend sein, derart, daß ein Entladungsstrom zum Aufladen von Elektronen, welche von der Dynode 14, 24 während einer Elektronenlawine emitiert werden, verfügbar ist. Wenn beispielsweise ein Signalereignis 30, wie ein elektrisch geladenes Teilchen (Figur 1) (z.B. ein Elektron oder ein Ne&spplus; Ion) oder ausreichend energetische Strahlung (z.B. ein Röntgenstrahlphoton) in der Nähe des negativ vorgespannten Eingangsendes 32 auf der Kanalwand 14 aufschlägt, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, daß Elektronen 34 aus der Oberfläche 14 emitiert werden. Diese Primärelektronen 34 werden in Richtung des Kanals 12 durch ein angelegtes elektrisches Feld ε (siehe Pfeil 36) beschleunigt, das durch ein Vorspannung (VB) erzeugt wird, die durch eine Leistungsversorgung 38 dargestellt bzw. zur Verfügung gestellt wird. ε = VB/L, wobei VB in Volts 20-25α für einen konventionellen Geradeauskanalvervielfacher beträgt. Die Kollision der emitierten Elektronen 34 mit der Kanalwand 14 bewirkt die Emission von Sekundärelektronen 40. Diese Sekundärelektronen wirken ihrerseits als Primärelektronen in den nachfolgenden Kollisionen mit der Kanalwand 14, die eine weitere Generation von Sekundärelektronen erzeugt. Vorausgesetzt, daß mehr als ein Sekundärelektron für jedes einfallende Primärelektron emitiert wird, beträgt die Sekundärelektronenausbeute (δ) > 1 und n Wiederholungen dieser Primärkollision-Sekundäremissionsequenz in Richtung des Ausgangsendes 41 führen schnell zu einer Ausgangselektronenlawine 42 der Größe δn.
- Die Nahoberflächenregion der Dynode 14 benötigt einen Durchschnittswert von δ deutlich größer als 1, um eine effiziente Multiplikation der an der Kanalwand 14 mit Energien Ep vor allem im Bereich von 20-100 eV auftreffenden Primärelektronen zu unterstützen. Für Materialien mit guten Sekundärelektronen-Emissionseigenschaften nimmt δ zu Beginn mit von δ < 1 zu bis δ = 1 an der ersten Grenzenergie Ep¹ und dann bis zu δ > 1. Emissionsmaterialien von besonderem Interesse für Elektronenvervielfacher haben Werte von im Bereich von etwa 10 eV ≤ EpI ≤ 50 eV, - je kleiner, umso besser. Für solche Materialien besteht eine lineare Näherung von δ(Ep) in δ = Ep/EpI für Ep ≤ 100 eV. Ist beispielsweise EpI = 30 eV für kontinuierliche Dynoden in konventionellen CEMs oder MCPs, dann beträgt eine Schätzung des Bereiches von δ für Primärelektronen mit Ep = 20-100 eV gleich 0,7 ≤ δ ≤ 3,3. Für einen Geradeauskanalvervielfacher mit α = 40, VB = 1000 V, EpI = 30 eV und einer höchstwahrscheinlichen Anfangsenergie (Es) = 3 eV für ein Sekundärelektron, das aus der Dynodenoberfläche austritt, wird die Elektronenverstärkung G für ein einzelnes Eingangselektron näherungsweise wie folgt berechnet:
- Die voraussichtliche Kollisionsernergie der Primärelektronen
- ( p) = (qVB)²/4 sα² - 52 eV
- die Durchschnittsausbeute oder Verstärkung pro Multiplikationsereignis
- δ = (qVB)²/4 sEpα² - 1.75;
- die Anzahl der Multiplikationsereignisse
- n = 4 sα²/qVB - 19; und
- q ist die Größe der Elektronenladung.
- Sobald die Elektronenlawine aus dem Kanal als Ausgangssignal austritt, stellt dies in der Regel eine sehr große Verstärkung des ursprünglichen Eingangssignals dar. Aufgrund der Tatsache, daß die Elektronenmultiplikation mit der Länge eines Kanals geometrisch (progressiv) zunimmt, kann eine Signalverstärkung G im Bereich von 10³ bis 10&sup8; abhängig von den spezifischen Dynodenmaterialien, der Kanalgeometrie, der Detektorkonfiguration und der jeweiligen Anwendung erreicht werden.
- Geradeauskanalvervielfacher sind auf Elektronenverstärkun gen von etwa 10&sup4; aufgrund eines Phänomens begrenzt, das als positive Ionenrückkopplung (positive ion feedback) bekannt ist. In der Nähe des Ausgangsendes eines Kanalverfielfachers und oberhalb einiger schwellenverstärkung können innerhalb des Kanals verbleibende Gasmoleküle oder an der Kanalwand adsorbierte Gase durch Wechselwirkung mit der Elekronenlawine ionisiert werden. Entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen mit negativer elektrischer Ladung werden Ionen gegen das negativ vorgespannte Eingangsende des Kanals beschleunigt. Nach dem Aufschlag an der Kanalwand verursachen diese Ionen eine Emission von Elektronen, welche dann durch den zuvor beschriebenen Prozeß geometrisch zunehmen. Unerwünschte und zeitweise regenerative Ausgangsimpulse können in Verbindung mit einer Ionenrückkopplung daher die Signal-zu-Rausch-charakteristiken des Detektors erheblich beeinträchtigen.
- Eine effektive Methode zur Reduzierung der Ionenrückkopplung in einem Kanalvervielfacher besteht darin, den Kanal zu krümmen. Die Kanalkrümmung verkürzt den Abstand, den ein positives Ion in Richtung des Eingangsendes des Kanals zurücklegen kann; daher wird die Amplitude unerwünschter Ausgangsimpulse erheblich reduziert. Einzelne MCPs mit geraden Kanälen liefern typischerweise Elektronenverstärkungen von 10³-10&sup4;. MCPs mit gekrümmten Kanal können Verstärkungen von 10&sup5;-10&sup6; liefern, sind aber schwierig und teuer in der Herstellung. CEMs mit gekrümmten Kanal können bei Verstärkungen von mehr als 10&sup8; arbeiten.
- MCPs werden normalerweise mit Kanälen 22 hergestellt, die relativ zu einer Normalprojektion der flachen parallelen Oberfläche 26 des Gerätes um einen Winkel von 10º geneigt sind. Dies wird gemacht, um die erste Aufschlageffizienz eines Eingangsereignisses zu verbessern. Das Stapeln von MCPs und das Wechseln der Rotationsphase der Kanalorientierung um 180º ist ein weiteres Mittel, um die Ionenrückkopplung in MCP Detektoren zu beheben. Zweistufige (Chevron ) und dreistufige (Z-Stapel bzw. "Z-stack") Anordnungen von MCPs liefern danach Verstärkungen von 10&sup6;-10&sup7; bzw. 10&sup7;-10&sup8;.
- Die Kanalwand eines CEM oder MCP wirkt wie eine kontinuierliche Dynode für eine Elektronenmultiplikation und kann anderswo verglichen werden mit der Arbeitsweise eines De tektors mit diskreten Dynoden (z.B. eine herkömmliche Photomultiplierröhre). Eine kontinuierliche Dynode muß ausreichend leitend sein, um Elektronen nachzuladen, die von der Oberfläche während einer Elektronenlawine emitiert werden. Beim Betreiben von CEMs und MCPs in analoger Weise bei einer vorgegebenen Verstärkung G ist der Ausgangsstrom 10 von dem Eingangsstrom Ii, vorausgesetzt daß der Ausgangsstrom 10 nicht über 10 % des Vorspannungsstromes (i&sub8;), der durch VB beaufschlagt wird, in der Kanalwand ansteigt. Oberhalb eines Schwelleneingangswertes, I&sub1; 0,1iB/G, erfolgt eine Verstärkungssättigung und die Stromübertragungseigenschaften sind nicht mehr linear. Andererseits muß die kontinuierliche Dynode ausreichend ohmsch sein, um ein Vorspannungsfeld ε = 10²-10&sup5; V/cm zu führen, ohne ein außerordentlich hohes iB zu ziehen, was sich durch thermische Instabilitäten in Verbindung mit Joule'scher Wärme manifestiert. Ferner benötigt die Nahoberflächenregion der Dynode 14 einen Durchschnittswert von δ deutlich größer als eins, um eine effiziente Multiplikation der an der Kanalwand auftreffenden Primärelektronen zu unterstützen, wie bereits vorstehend diskutiert.
- Die elektrischen Eigenschaften und die Elektronenemissionseigenschaften der kontinuierlichen Dynoden in der gegenwärtigen Generation von CEMs und MCPs hängen entscheidend von Details ihrer Herstellung ab. MCPs werden gegenwärtig hergestellt durch ein Glasmultifaser-Ziehprozeß (GMD für glass multifibre draw), der umfaßt: Ziehen einer "rod-in- tube" Glasfaser eines Bariumborsilikat-Kernglases in einem Mantel aus Bleisilikatglas; Stapeln der Mischfaser in einem Hexagonal-Array und nochmals Ziehen des Glasmultifaserbün dels; Stapeln des Multifaserbündels und Zusammenfügen in einem Barren bestehend aus einem Array aus festen Kernglaskanälen, welche in einer Mantelglasmatrix eingebettet sind; Wafer-Herstellung aus dem Barren und Oberflächenendbehandlung; naßchemische Behandlung zur Entfernung des Kernglases, so daß ein Array von hohlen Kanälen zurückbleibt, die sich über einen Wafer aus Mantelglas erstrecken; zusätzliche naßchemische Behandlung um Sekundäremission von der Kanaloberfläche zu verbessern; Reduktion des Bleisilikatglases in einer Wasserstoffatmosphäre um die Dynodenoberfläche elektronisch leitend zu machen mit einem Flächenwiderstand (Rs) = 10¹¹-10¹&sup4; Ω/sq; und Kontaktierung der Oberflächen des MCP Wafers.
- Die Herstellung von CEMs ist einfacher; sie umfaßt eine thermische Behandlung von einer Bleisilikatglassröhre zu einer geeigneten Geometrie; Reduktion des Glases in Wasserstoff, um eine kontinuierliche Dynodenfläche mit Rs = 10&sup6;-10&sup8; Ω/sq; und eine Kontaktierung. Mit Rücksicht auf die stark verschiedenen Werte von Rs, die für kontinuierliche Dynoden in MCPs im Vergleich zu CEMs benötigt werden, wurden in der Zusammensetzung verschiedene Bleisilikatgläser für die jeweilige Anwendung geschaffen.
- Die Wasserstoffreduktion ist wesentlich für die Arbeits weise von konventionellen Elektronenvervielfachern. Bleikationen in der Nahoberflächenregion der kontinuierlichen Glasdynode werden in einer Wasserstoffatmosphäre bei Temperaturen von etwa 350º-500ºC chemisch reduziert von dem Pb²+ Zustand zu niedrigeren Oxidationszuständen mit der Bildung von H&sub2;O als Reaktionsprodukt. Die Bildung einer signifikanten elektronischen Leitfähigkeit in einer Region nicht mehr als etwa 1 µm in der Nähe der Oberfläche von reduzierten Bleisilikatglas-Dynoden (RLSG für reduced lead silicate glass) wurde auf zwei unterschiedliche Weisen erklärt. Eine Theorie geht davon aus, daß ein kleiner Bruchteil (z.B. 10&supmin; &sup6;) von Bleiatomen innerhalb der Reaktionszone in niedrigen Valenzzuständen (z.B. Pb¹+ und Pb&sup0;) atomar verstreut verbleibt. Ein Sprung- bzw. hopping-Mechanismus der Elektronen über lokalisierte Zustände in der Bandlücke, in Verbindung mit Bleiatomen in den niedrigen Valenzzuständen, wird als Ursache für eine elektronische Leitfähigkeit angesehen. Eine andere Theorie berücksichtigt, daß die meisten Bleiatome innerhalb der Reaktionszone zum metallischen Zustand reduziert sind und zu tropfenähnlichen Partikeln mit einer diskontinuierlichen Morphologie zusammenhängen. Diese Theorie vermutet, daß die elektronische Leitfähigkeit von einem Tunnelmechanismus zwischen derartigen Partikeln herrührt. Ungeachtet des Mechanismus, der sich schließlich als der richtige herausstellen wird, ist davon auszugehen, daß die elektrischen Charakteristiken von RLSG Dynoden eine komplexe Funktion der chemischen und thermischen Vorgeschichte der Glasoberfläche sind, wie sie durch Details ihrer Herstellung bedingt ist.
- Während der Wasserstoffreduktion wirken andere Hochtemperaturprozesse einschließlich Diffusion und Ausdampfung von mobilen chemischen Spezies im Bleisilikatglas (z.B. Alkali-, Erdalkali- und Bleiatome) derart, daß sie die Chemie und Struktur der RLSG Dynoden verändern. Profile der Zusammensetzung durch die Nahoberflächenregion des in der Herstellung von MCPs verwendeten Glases haben gezeigt, daß RLSG Dynoden eine Zweischichtstruktur haben.
- Eine beispielhafte RLSG Dynode 50, wie in Figur 3 gezeigt, enthält eine silikatreiche und alkalireiche, aber bleiarme dielektrische Oberflächenemissionsschicht 52 mit einer Dicke (d) von etwa 2-20nm, die eine geeignete Sekundäremission erzeugt (z.B. Ep¹ 30 eV), um eine brauchbare Elektronenmultiplikation zu erreichen. Nahe dieser dielektrischen Emissionsschicht 52 (oder Dynodenoberfläche) dient eine halbleitende bleireiche Schicht 54 mit einer Dicke (t) von etwa 100-1000 nm als ein elektronisch leitender Pfad zur Entladung der Emissionsschicht. Mit Rücksicht auf die oben angegebenen Bereiche von Rs für RLSG Dynoden und angenommen die Halbleiterschicht 54 habe eine Dicke t = 100 nm, kann ohne weiteres gezeigt werden, daß der spezifische elektrische Material- bzw. Volumenwiderstand (r) des die halbleitende Schicht 54 enthaltenden Materials gleich r = RSt = 10¹-10³ Ω.cm für CEM-Dynoden und r = 10&sup6;-10&sup9; Ω.cm für MCP-Dynoden ist. Ein Basisglas 56 sorgt für den mechanischen Halt für die kontinuierliche RLSG Dynode 50 in der Geometrie von makroskopischen Kanälen für CEMs oder von Arrays aus mikroskopischen Kanälen für MCPs. Die in Figur 3 schematisch gezeigte Grenze 58 zwischen der leitenden Schicht 54 und der Emissionsschicht 52 ist in tatsächlichen RLSG Dynoden wesentlich weniger ausgeprägt als in Figur 3 dargestellt; dennoch stellt diese schematische Struktur ein brauchbares Modell zur Verfügung.
- Während die Herstellungstechnologie von RLSG-MCPs und -CEMs ausgereift, reltativ kostengünstig und durchaus effizient ist, bedingt sie wichtige Beschränkungen der gegenwärtigen Bauelementtechnologie und seiner zukünftigen Entwicklung. Diese Beschränkungen werden wie folgt zusammengefaßt. Sowohl die elektrischen Eigenschaften, als auch die Elektronemissionseigenschaften von RLSG Dynoden sind ziemlich empfindlich bezüglich der chemischen und thermischen Vorge schichte der Glasoberfläche, welche die Dynode enthält. Daher hängen reproduzierbare Leistungscharakteristiken von RLSG-MCPs und -CEMs kritisch von der strengen Kontrolle über komplexe, zeitaufwendige und arbeitsintensive Herstellungsvorgänge ab. Ferner ist die Möglichkeit zur Verbesserung oder Abstimmung der Charakteristiken von RLSG MCPs und CEMs beschränkt durch die begrenzte Auswahl von Mate nahen, welche mit der gegenwärtigen Herstellungstechnologie kompatibel sind. Verstärkungsstabilität, maximale Betriebstemperatur, Hintergrundrauschen und Wärmeleitung in Hochstrombauelementen sind einige Schlüsselbereiche, wo die Leistungsfähigkeit durch Materialeinschränkungen der Bleisilikatqläser, die bei der Herstellung von koventionellen MCPs und CEMs verwendet werden, ungünstig beeinflußt wird.
- Auch der GMD-Prozeß bedingt wichtige fertigungstechnische Einschränkungen bezüglich der Geometrie und daher auch bezüglich der Leistungsfähigkeit und den Anwendungen von RLSG-MCPs auf die folgende Weise: In der gegenwärtigen Praxis begrenzen Kanaldurchmesser ≥ 4µm und Kanalabstände ≥ 6µm die zeitliche und örtliche Auflösung; quasiperiodische Kanalarrays innerhalb von Multifaserregionen und starke Diskontinuitäten an angrenzenden Multifasergrenzbereichen erschweren das Addressieren oder Auslesen von individuellen oder kleinen Blöcken von Kanälen erheblich; Schwankungen im Kanaldurchmesser von Bereich zu Bereich in einem Array sind schädlich, genauso wie Strukturen mit unterschiedlicher Verstärkung; und das Maximalgröße von Mikrokanalarrays ist gegenwärtig beschränkt auf eine Lineardimension in der Größenordnung von 10 cm. Unsere anhängige Anmeldung 90302243.2 (EP-A-0 386 955) spricht diese Probleme an.
- Ungeachtet des größten Marktes für MCPs in militärischen Nachtsichtgeräten haben sich andere substantielle Anwendungen für diese beachtlichen Detektoren nur langsam - teilweise aufgrund der schwierigen Schnittstelle zu Festkörperelektronik - entwickelt. Eine größere Kompatibilität mit der Halbleiterelektronik (z.B. hinsichtlich Materialien für die Herstellung, Zwischenverbindung oder Leistungsanforderungen für den Betrieb) würde die Schaffung von wichtigen neuen Anwendungen einschließlich Nachtsicht-, optischer Computer- und Hochleistungsdisplay-, Fotographik- und Abbildungstechnologien erleichtern.
- Die US-A 4 780 395 lehrt die Bildung einer Sekundäremission-Kupferoberfläche an der inneren Oberfläche einer Mikrokanalplatte durch eine stromlose Metallisierung. J. Phys. E: Sci. Instrum., Vol 12 1979, S. 10¹&sup5;-10²² diskutiert ein Ausdampfen mit oder ohne Oxidation, um einen Parallelplatten-Elektronvervielfachers außen zu metallisieren.
- Um die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden wird nach der Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden bzw. Herstellen einer kontuinierlichen Dynode für einen Kanalelektronenvervielfacher oder eine Mikrokanalplatte geschaffen mit den folgenden Schritten:
- - Ausbilden eines Substrats zur Schaffung einer Kanaloberfläche; und
- - Ausbilden wenigstens eines dünnen Films an der Kanaloberfläche, um in irgendeiner Kombination einen stromführenden Abschnitt und einen Elektronenemissionsabschnitt zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß:
- - der dünne Film durch Oxidation oder Nitrierung oder durch eine Oberflächenreaktion mit einem Agens erzeugt wird, das durch chemische Gasphasenabscheidung bei reduziertem Druck oder Flüssigphasenabscheidung gebildet wird.
- Beispiele für Verfahren nach der vorliegender Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnugen beschrieben. Dabei ist:
- Fig. 1 eine schematische in Teildarstellung in perspektivischer Ansicht eines Kanalelektronenvervielfachers (CEM) nach dem Stand der Technik;
- Fig. 2 eine schematische Teildarstellung in perspektivischer Ansicht einer Mikrokanalplatte (MCP) nach dem Stand der Technik;
- Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer reduzierten Bleisilikatglas (RLSG) Dynode nach dem Stand der Technik;
- Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung einer kontinuierlichen Dünnfilmdynode nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche ein dielektrisches Substrat verwendet;
- Fig. 5 eine schematische Schnitdarstellung einer Dünnfilmdynode nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche ein halbleitendes Substrat verwendet;
- Fig. 6 eine schematische Schnittdarstellung einer Dünnfilmdynode nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche ein leitendes Substrat verwendet;
- Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung einer Dünnfilmdynode nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, welche ein Bleisilikatglassubstrat und eine RLSG-Halbleiterschicht verwendet;
- Fig. 8 eine schematische Teildarstellung in Schnittansicht eines gekrümmten Kanalelektronenvervielfachers, welcher eine Dünnfilmdynode nach der vorliegenden Erfindung ver wendet, die in einem vergrößerten Abschnitt der Zeichnung dargestellt ist;
- Fig. 9 eine schematische Teildarstellung in Schnittansicht einer Mikrokanalplatte, welche eine Dünnfilmdynode nach der vorliegenden Erfindung verwendet, die in einem vergrößterten Abschnitt gezeigt ist;
- Fig. 10 eine schematische Darstellung in perspektivischer Ansicht eines magnetischen Elektronenvervielfachers, der eine Dünnfilmdynode entsprechend der vorliegenden Erfindung verwendet, die in dem vergrößerten Abschnitt gezeigt ist;
- Fig. 11 ein Ausdruck der Signalverstärkung aufgetragen gegen die elektrische Feldstärke für beispielhafte Geradeauskanalelektronenvervielfacher mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen, die eine Dünnfilmdynode nach der vorhegenden Erfindung verwenden;
- Fig. 12 ein Ausdruck der Signalverstärkung aufgetragen gegen die Vorspannung für beispielhafte Geradeauskanalelektronenvervielfacher unterschiedlicher elektrischer Widerstände, die eine Dünnfilmdynode nach der vorliegenden Erfindung verwenden;
- Fig. 13 ein Ausdruck der Signalverstärkung aufgetragen gegen die Vorspannung bei unterschiedlichen Eingangsstromniveaus für einen beispielhaften gekrümmten Kanalelektronenvervielfacher, der eine Dünnfilmdynode nach der vorliegenden Erfindung verwendet; und
- Fig. 14 ein Ausdruck der Impulshöhenverteilung eines magnetischen Elektronenvervielfachers, der eine Dünnfilmdynode der vorliegenden Erfindung verwendet.
- Die Erfindung betrifft kontinuierliche Dynoden, die durch Dünnfilmprozeßtechnologie hergestellt werden. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine kontinuierliche Dynode offenbart, bei welcher wenigstens eine Schicht durch Reaktion eines Gases in der Gegenwart eines Substrats bei ausreichender Temperatur und Druck gebildet wird, derart, daß sich eine chemische Gasphasenabscheidungskinetik (chemical vapour deposition) einstellt, welche durch Grenzflächenprozesse zwischen dem Gas und dem Substrat dominiert wird. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Oberfläche eines Substrats oder die Oberfläche eines zuvor abgelagerten dünnen Films auf dem Substrat einer reaktiven Atmosphäre bei einer ausreichenden Temperatur und Druck ausgesetzt, um eine Reaktion zur Veränderung der Oberfläche herbeizuführen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine kontinuierliche Dynode teilweise durch Flüssigphasenablagerung eines Dynodenmaterials auf dem Substrat aus einer übersättigten Lösung gebildet. Die resultierenden Bauelemente zeigen Leitungs- und Emissionseigenschaften, die geeignet sind für Elektronenmultiplikation in CEM, MCP und MEM Anwendungen.
- Nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können stromführende (z.B. halbleitende), und dielektrische Dünnfilme aus der Gasphase entlang der Wände von Kapillarkanälen auf geeigneten Substraten abgeschieden werden, um kontinuierliche Dynoden zu erzielen, welche die Funktion von reduzierten Bleisilikatglas (RLSG) Dynoden reproduzieren. Derartige Bauelemente können Dünnfilmdynoden enthalten, welche durch ein dielektrisches oder halbleitendes Substrat in der Konfiguration von CEMs und MCPs getragen werden. Für elektrisch isolierende Substrate würde die Abscheidung sowohl von einer stromführenden oder halbleitenden Schicht, als auch von einer Elektronenemissions chicht grundsätzlich notwendig sein; dagegen benötigen geeignete halbleitende Substrate lediglich die Abscheidung von einer Emissionsschicht.
- Ein Beispiel für eine kontinuierliche Dünnfilmdynode 60 nach einem Ausführungsbeipiels der vorliegenden Erfindung ist in Figur 4 dargestellt. Die Dynode 60 enthält eine Emissionsschicht oder -film 62, eine halbleitende Schicht oder Film 64 und ein dielektrisches Substrat. Die Dynode 60 wird durch Abscheidung des halbleitenden Films, z.B. Silicium, mit einer Dicke t im Bereich von 10-1000 nm auf der Oberfläche 70 des Substrats 66, z.B. Quarzglas, hergestellt. Durch Steuerung der Konzentration eines geeigneten Dotierelements (z.B. Phosphor) und der Morphologie des Film kann eine Siliciumhalbleiterschicht 64 mit, z.B. t 100 mm, mit einem Widerstand r 10¹ - 10³ Ω.cm, so daß R&sub8; = r/t 10&sup6; - 10&sup8; Ω/sq für CEM Dynoden erzielt werden, oder r = 10&sup6; 10&sup7; Ω.cm, so daß R, 10¹² - 10¹&sup4; Ω/sq für MCP Dynoden erzielt werden. Andere Siliciumhalbleiterfilme mit höheren Widerständen im Bereich von r = 10&sup7; - 10&sup9; Ω.cm, so daß Rs = 10¹² - 10¹&sup4; Ω/sq für MCP Dynoden erzielt werden, können durch Einbau anderer Dotierelemente zur Ausbildung halbleitender Filme herzustellt werden (z.B. SIPOS).
- In einer bevorzugten Ausführung wird eine Beschichtung durch eine chemische Gasphasenabscheidungstechnik (CVD für chemical vapour deposition) erzielt. Hierbei wird der Begriff CVD insoweit verwendet und verstanden, als er sich auf die Bildung von dünnen Filmen unter Bedingungen bezieht, die im allgemeinen durch Grenzflächenprozesse zwischen gasförmigen Reaktionsmittel oder Reaktionsprodukten und dem Substrat bestimmt sind, und zwar mehr als durch den Transport von chemischen Spezies durch die Gasphase in der Nähe der Oberfläches des Substrats.
- Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Emissionsschicht 62 eine dünne Schicht von SiO&sub2; und ein natürliches Oxid mit der Dicke d von etwa 2-5 nm enthalten, das auf der Siliziumhalbleiterschicht 64 liegt und dadurch gebildet wird, daß die Halbleiteroberfläche 68 der Umgebung ausgesetzt wird. Alternativ dazu kann die Emissionsschicht 62 durch Oxidation oder Nitrierung der Halbleiteroberfläche 68 bei erhöhten Temperaturen in Anwesenheit von reaktiven Gasen (z.B. O&sub2; oder NH&sub3;) bis zu einer Dicke von 2-20 nm gebildet oder gewachsen werden. Bei einer weiteren Alternative kann ein Emissionsfim 62, z.B. MgO, mit einer höheren Sekundärelektronenausbeute als SiO&sub2; für in Frage kommende Elektronenenergien ; durch einen CVD Prozeß bis zu einer Dicke d = 2-20 nm auf der Oberfläche 68 der halbleitenden Schicht 64 abgelagert werden, um die Basis-Zweischichtstruktur der Dünnfilmdynode 60 zu bilden. Für SiO&sub2; bei EpI eV und δ Ep/EpI erhält man 0,5 ≥ δ ≥ 2,5 für 20 eV ≤ Ep ≤ 100 eV; wohingegen für MgO bei EpI 25 eV für 0,8 ≤ δ ≤ 4 für denselben Energiebereich Ep erhalten wird. Als Alternative zu dielektrischen Emissionsschichten können halbleitende Filme mit Oberflächen, welche eine negative Elektronenaff inität und daher eine besonders effiziente Sekundärelektronenemission aufweisen, auch durch CVD Methoden ausgebildet werden (z.B. GaP:Cs-O, GaP-Ba-O, GaAs: Cs- 0, InP:Cs-O und Si:Cs-O).
- Grundsätzlich sollte die Dicke t und der Widerstand r der halbleitenden Schicht 64 (damit der Flächenwiderstand Rs = r/t) einheitlich entlang der Länge einer Dünnfilmdynode 60 sein, um ein konstantes elektrisches Feld zu liefern, in welchem die sich vervielfachenden Elektronen beschleunigt werden. Auch sollte die Sekundärelektronenausbeute δ der Emissionsschicht 62 ausreichend hoch und räumlich homogen sein, um eine geeignete Signalverstärkung mit gutem Multiplikationsverhalten bzw. -statistiken zu erzeugen. Bei Bedarfkönnen die Schichten 62, 64 auch in radial-gestuften oder longitudinal-gestapelten CVD Anwendungen gebildet werden, um eine kontinuierliche Dünnfilmdynode mit über ihre Dicke variierende Eigenschaften bzw. entlang ihrer Länge zunehmend gestaffelte Eigenschaften herzustellen. Auch wenn im Detail nicht immer bekannt, kann eine Veränderung der Oberfläche von Volumenhalbleitersubstrat oder einem abgeschiedenen dünnen Film durch eine nachfolgende Oxidation oder Nitrierung erreicht werden, um geeignete Elektronenemissionseigenschaften zu erzielen.
- Substrate für CEMs und MCPs können entweder elektrisch isolierend oder halbleitend sein. Isolierende Substrate 66 (z.B. r ≥ 10¹² Ω.cm) benötigen in der Regel die Abscheidung von sowohl einer elektrisch halbleitenden Schicht 64, als auch einer Elektronenemissionsschicht 62, um eine effiziente Dünnfilmdynode 60 auszubilden (Figur 4).
- Im Vergleich dazu und einem entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in Figur 5 gezeigt, enthält die kontinuierliche Dynode 72 eine Emissionsschicht 62, z.B. MgO, welche an der Oberfläche 78 eines geeigneten halbleitenden Substrats 76 abgeschieden ist, wobei r = 10&sup5;-10&sup7; Ω.cm für einen CEM und r = 10&sup8;-10¹¹ Ω.cm für eine MCP. Der Vorspannungsstrom für die Dynode 72 kann durch das Volumen bzw. Grundmaterial des Substrats 76 geführt werden. Wie bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, kann eine Dynode 80 mit einem etwas mehr leitenden Substrat 82 eingesetzt werden, indem zunächst eine dielektrische Isolationsschicht 84 (Z.B. ein Film aus SiO&sub2;, der durch Flüssigphasenabscheidung aus einer übersättigten Lösung ausgebildet wird) mit einer Dicke (z) = 2-5 µm auf dem Substrat 82 vor der Bildung der halbleitenden Schicht 64 und der Elektroemissionsschicht 62 abgeschieden wird.
- Die bevorzugte Variante dieser Erfindung besteht in der Verwendung von isolierenden Substraten 66 oder elektrisch isolierten Substraten 82 der Figuren 4 und 6 für die Herstellung von Dünnfilmelektronenvervielfachern durch Abscheidung von leitenden Schichten und Emissionsschichten. Größere Flexibilität in der Wahl der elektrischen Eigenschaften für ein bestimmtes Bauelement und eine deutlich bessere Kontrolle derartiger Eigenschaften während der Herstellung sind dabei die größten Vorteile. Dennoch kann das im Volumen leitende Bauelement 72 der Figur 5 besonders attraktiv sein für bestimmte Anwendungen (wie Verringerung der positiven Ionenrückkopplung).
- Bei der gegenwärtigen Herstellungspraxis werden Multikomponenten-Bleisilicatglasoberflächen chemnisch und thermisch behandelt, um kontinuierliche RLSG Dynoden mit geeigneten elektrischen und Sekundäremissionscharakteristiken zu erzielen (Figur 3). Dagegen enthält in einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie in Figur 7 dargestellt, die RLSG Dynode 90 eine dielktrische Emissionsschicht 62 und eine darunterliegende halbleitende Schicht 54. Diese Zweischichtstruktur wird mechanisch getragen durch ein Bleisilikatbasisglas 56 mit Kanalgeometrien, die für CEMs oder MCPs charakteristisch sind. Im Vergleich zu bekannten RLSG Dynoden (Figur 3) ist die Ernissionsschicht 62 vorzugsweise durch CVD eines geeigneten Materials, z.B. Si&sub3;N&sub4;, MgO oder ähnliche, ausgebildet. Die halbleitende Schicht 54 kann durch eine H&sub2; Reduktion unter Bedingungen gebildet werden, die geeignet sind, um die Bildung der halbleitenden Schicht zu unterstützen, aber die Bildung einer Emissionsschicht 52, wie in konventionellen RLSG Dynoden (Figur 3), zu unterdrücken.
- Ferner wirkt Si&sub3;N&sub4; bei der Verwendung als Emissionsschicht 62 in jedem der Ausführungsbeispiele der Figuren 4-7 wie eine hermetische Abriegelung zum Schutz der darunterliegenden Schichten vor Umwelteinflüssen, was die Produktlebensdauer erhöht. Si&sub3;N&sub4; und Al&sub2;O&sub3; sind außerdem resistenter als SiO&sub2; oder SiO&sub2;-reiche Gläser gegenüber Degradation unter einem Elektronenbombardement, was die Betriebs lebenddauer der Dynode erhöht.
- Beispielhafte Vorrichtungen mit Dünnfilmdynoden nach dem Ausführungsbeispiel in Figur 4 sind in den Figuren 8-10 dargestellt. Selbstverständlich kann jedes der oben genannten alternativen Ausführungsbeispiele von Dünnfilmdynoden, wie in den Figuren 5-7 dargestellt, ebenfalls zusammen mit den beispielhaften Ausführungen der Figuren 8-10 verwendet werden. In Figur 8 ist ein CEM 100 dargestellt, der aus einer gekrümmten Kapillarglasröhre 102 mit einem abstehenden Eingangsende 104 und einem geraden Ausgangsende 106 ausgebildet ist. Bei Bedarf kann die Röhre 102 aus einem gegossenen oder gesinterten dielektrischen Block aus Kera mik oder Glas ausgebildet sein. Elektroden 108 sind außen an der Röhre 102 und eine Dünnfilmdynode 110 ist innen an der Röhre ausgebildet, so wie dargestellt. Nach der Erfindung wird die Röhre 102 zunächst einem zweistufigen CVD- Prozeß unterworfen, wobei die jeweiligen äußeren und inneren Oberflächen 114 und 112 nacheinander in einen Reaktor (nicht gezeigt) mit einer halbleitenden Schicht 64 und einer Emissionsschicht 62 beschichtet werden, welche vergrößert dargestellt sind. Die Außenwand der Röhre 102 wird maskiert und abgetragen bzw. "gestrippt" (z.B. durch Sandstrahlen oder Ätzen), um ein nichtleitendes Band 118 an der äußeren Wand 114 zu erzeugen. Danach werden Metallelektroden 118 durch einen geeigneten Bedampfungsvorgang aufgetragen. Die halbleitende Schicht 64 und die Emissionsschicht 62 an der inneren Oberfläche 112 wirken dabei als die kontinuierliche Dünnfilmdynode 110.
- In Figur 9 ist eine MCP 120 dargestellt, die ein dielektrisches Keramik- oder Glassubstrat 122 enthält, das mit Mikrokanälen 124 und Elektroden 126 ausgebildet ist, die an den gegenüberliegenden Seiten 128 des Substrats 122 abgelagert sind. An den Wänden 132 der Kanäle 124 werden Dünnfilmdynoden 130 abgeschieden, die aus einer Emsissionsschicht 62 und einer halbleitenden Schicht 64 auf die zuvor beschriebene Art und Weise ausgebildet sind. (Diejenigen Abschnitte der Filme 62, 64, welche das Substrat 122 anderswo bedecken, wirken nicht als Dynode). Die Elektroden 126 werden an den äußeren Enden der Filme (62, 64) an den flachen parallelen Seiten 128 des Substrats 122 abgeschieden. Nach der vorliegenden Erfindung kann die MCP 120 durch den zuvor beschriebenen GMD Prozeß hergestellt werden oder durch eine anisotrope Ätztechnik, welche in der oben genannten anhängigen Anmeldung beschrieben ist.
- In Figur 10 ist ein magnetischer Elektronenvervielfacher (MEM) 140 dargestellt, der teilweise durch ein Paar von Glasplatten 142 oder andere geeignete dielektrische Substrate mit Elektroden 144 an den Enden 146 und Dünnfilmdynoden 148 auf den begrenzenden Oberflächen 150 ausgebildet ist. Die Dynode 148 wird durch eine Emissionsschicht 62 und eine halbleitende Schicht 64 ausgebildet, wie zuvor beschrieben. Die Elektroden 144 werden abgeschieden, nachdem die äußeren Oberflächen 151 abgetragen wurden, um die Filme (62, 64) zu entfernen.
- Nunmehr folgt der Herstellungsprozeß von kontinuierlichen Dünnfilmdynoden nach der vorliegenden Erfindung in Kapillarkanälen von makroskopischen bis zu mikroskopischen Dimesionen für CEMs und MCPs. Die chemische Gasphasenabschei dung (CVD) nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, bei welchem dünne Festkörper fime von geeignetem Material (z.B. Halbleiter oder Keramiken) auf der Oberfläche eines Substrats durch Reaktion von gasförmigen Vorläufern bzw. Ausgangsstoffen aus der Gaspha se abgeschieden werden. Temperatur, Druck und gasförmige Reaktionsmittel werden ausgewählt und abgestimmt, derart, daß die physikalische Struktur und die hierdurch erzielte elektrischen Eigenschaften sowie Elektronenemissionseigenschaften der Dynoden geeignet sind, die gewünschte Leistung herbeizuführen. In termisch aktivierten CVD-Prozessen wird das Substrat typischerweise auf eine Temperatur (T) = 300- 1200º C erhitzt, die ausreicht, um die Abscheidungsreaktion zu unterstützen; jedoch können derartige Reaktionen auch bei erheblich niedrigeren Temperaturen plasma-unterstützt oder photochemisch-aktiviert werden. Die grundlegenden Abscheidungsreaktionen umfassen Pyrolyse, Hydrolyse, Disproportionierung, Oxidation, Reduktion, Synthesereaktionen und Kombinationen davon. Nach der Erfindung führt eine Niederdruck-CVD (LPCVD), welche günstig bei Drücken gerin ger als 1300 Pa (10 torr) und vorzugsweise zwischen etwas 130 und 13 Pa (1 und 0,1 torr) erfolgt, zur Bildung einer befriedigenden kontinuierlichen Dünnfilmdynode. In der Regel werden mit LPCVD homogene dünne Filme üblicherweise mit im wesentlichen homogenen geometrischen, elektrischen und Elektronenemissionseigenschaften erzielt. Die Abscheidungsreaktionen finden mehr heterogen an der Substratoberfläche, als homogen in der Gasphase statt. Metallhydride und Metallhalogenide sowie metallorganische Materialien sind übliche gasförmige Ausgangsstoffe.
- Die physikalischen Eigenschaften der CVD-Dünnfilme sind abhängig sowohl von der Zusammensetzung, als auch von der Struktur der abgeschiedenen Schicht. Der Menge an Materialien, der durch CVD-Methoden hergestellt wurden, ist ziemlich umfassend und enthält die folgenden: übliche Edel- und Schwermetalle (z.B. Al, Au und W); Element- und Verbindungshalbleiter (z.B. Si und GaAs); und Keramiken und Dielektrika (z.B. Diamant, Boride, Nitride und Oxyde). Die Eigenschaften derartiger Dünnfilmmaterialien können durch den Einbau von geeigneten Dotierelementen oder durch Steuerung der Morphologie in signifikanter Weise verändert werden. Die Morphologie von CVD-Materialien kann einkristallin, polykristallin oder amorph je nach den Prozeßbedingungen und der chemopysikalischen Natur der Substratoberfläche sein. Auch Materialien von außergewöhnlicher Reinheit können durch CVD-Techniken hergestellt werden.
- In der Regel wird die Emissionsabschnitt der Dynode nach der vorliegenden Erfindung aus SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, MgO, SnO&sub2;, BaO, Cs&sub2;O, Si&sub3;N&sub4;, SixOyN&sub2;, C (Diamant), BN und AlN und der Ermitter mit negativer Elektronenaffinität aus GaP:Cs-O, Gap:Ba-O, GaAs:Cs-O, InP:Cs-O und Si:Cs-O gebildet. Derartige Materialien können aus folgenden Ausgangsstoffen gebildet werden, z.B. aus SiH&sub4;, SiClxHy, Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub4;, β-Diketoverbindungen nate von Al (z.B. Al(C&sub5;HO&sub2;F&sub6;)&sub3;), Al(CH&sub3;)&sub3;, β-Diketonverbindungen von Mg (z.B. Mg(C&sub5;HO&sub2;F&sub6;)&sub2;), SnCl&sub4;, β-Diketonverbindungen von Ba (z.B. Ba(C&sub1;&sub1;H&sub1;&sub9;O&sub2;)&sub2;), CH&sub4;, Cs, B&sub2;H&sub6;, Ga(C&sub2;H&sub5;)&sub3;, Ga(CH&sub3;)&sub3;, PH&sub3;, AsH&sub3;, In(CH&sub3;)&sub3;, O&sub2;, N&sub2;O, NO, N&sub2; und NH&sub3;. Die stromführenden Abschnitte der Dynode nach der vorliegenden Erfindung können gebildet sein aus As-, B-, oder P-dotiertem Si, Ge (undotiert), Si (undotiert), SiOx (SIPOS), SixNy, AlxGa&sub1;-xAs und SnOx. Ausgangsstoffe für derartige Materialien können SiH&sub4;, PH&sub3; GeH&sub4;, B&sub2;H&sub6;, AsH&sub3;, SnCl&sub4;, Ga(C&sub2;H&sub5;)&sub3;, Ga(CH&sub3;)&sub3;, Al(CH&sub3;)&sub3;, N&sub2;O, N&sub2; und NH&sub3; sein.
- In den Tabellen I und II werden jeweils ausgewählte representative Beispiele für halbleitende und dielektrische Materialien und deren Ausgangsstoffe angegeben, die von besonderem Interesse für die Herstellung von Dünnfilmdynoden nach den CVD-Methoden sind. In der Tabelle I sind representative Materialien mit Bereichen eines elektrischen Widerstandes r bei 25ºC unter der Annahme einer Filmdicke von t = 100 nm, mit Bereichen eines Flächenwiderstandes Rs für geeignete Verstärkung für die semihalbleitende Schicht 64 einer kontinuierlichen Dynode sowohl für einen CEM, als auch für eine MCP aufgelistet. TABELLE I Materialien für eine halbleitende Schicht (t 100 nm)
- Die Tabelle II gibt representative Materialien zur Verwendung als Emissionsschicht 62 an mit ausreichend niedrigen Werten von EpI, um geeignete oder hohe Werte einer Sekundärelektronenausbeute δ im Elektronenenergiebereich von 20eV ≤ Ep ≤ 100eV zu erzielen. TABELLE II Materialien für eine Emissionsschicht (20eV≤EpI≤100eV)
- Während die thermisch aktivierte CVD in einem Reaktor (nicht gezeigt) bei einem atmosphärischen Druck (APCVD) durchgeführt werden kann, werden durch Verminderung des Reaktordruckes (P) auf einen Bereich von etwa 13 Pa (0.1 torr) ≤ P ≤ 1,3 x 10³ Pa (10 torr) wichtige Vorteile erreicht. Wenn P von etwa 1,0 x 10&sup5; Pa (760 torr) auf 1,3 x 10² Pa (1 torr) reduziert wird, nimmt die miltlere frei Weglänge der Gasmoleküle bei T = 600º C um einen Faktor 1000 von etwa 0,2 µm auf 200 µm zu. Bei thermisch aktivierter Niedertemperatur-CVD (LPCVD) bewirkt das resultierende höhere Diffusionsvermögen der Reaktions- und Produktgase, daß die Filmwachstumsrate durch kinetische Prozesse an der Gas/Substratgrenzfläche (z.B. Adsorption von Reaktanten, Oberflächenmigration von adsorbierten Atomen, chemische Reaktion oder Desorption von Reaktionsprodukten) vielmehr kontrolliert werden als durch den Massentransport der Gase durch eine stehende Grenzschicht, welche an die Grenzfläche angrenzt. Wird die Oberfläche eines Substrats auf einer konstanten Temperatur T = 300-1200º C gehalten, können gleichmäßige Filme heterogen durch LPCVD selbst auf beachtliche Konturen abgeschieden werden, weil die Nachlieferung eines gleichmäßigen Reaktionsmittelflusses an alle Orte auf dem Substrat bei durch die Oberflächenreaktionsrate begrenzten Bedingungen unkritisch ist. Die gleichmäßige Bedeckung von Filmen auf komplexen Topographien, z.B. entlang eines Grabens oder Kanals, hängt von der schnellen Migration von adsorbierten Atomen vor der Reaktion ab. Im Falle einer APCVD unterstützt ein geringes Gasdiffussionsvermögen die durch den Massentransport begrenzte Bedingungen, wobei ein gleichmäßiger Reaktionsmittelfluß zu allen Bereichen auf dem Substrat für die Ausbildung eines gleichmäßigen Films wesentlich ist.
- Daher wird in der LPCVD ein größeres Potential als in der APCVD zum Erreichen des Ziels gesehen, gleichmäßige leitende Schichten und Emissionsschichten 64, 62 mit gleichmäßigen Dicken und Eigenschaften innerhalb von kapillaren Substratgeometrien abzuscheiden und damit Dünnfilmdynoden für CEMs und MCPs herzustellen. Aufgrund der Tatsache, daß die LPCVD außerdem gleichmäßige Filme liefert, ohne daß sich das Substrat 66 in Reichweite der Gasquelle befindet, ist diese physikalischen Gasabscheidungsverfahren (Z.B. Bedampfen und Sputtern) für diese Anwendung deutlich überlegen. Andere nenneswerte Vorteile von LPCVD betreffen eine bessere Zusammensetzungs- und Strukturkontrolle, geringere Abscheidungstemperaturen, weniger Makroteilchen dank der homogenen Reaktionen und geringere Prozeßkosten.
- Als eine Alternative zu thermisch aktivierter LPCVD ist plasmaunterstützte CVD bei niedrigen Drücken (PACVD) at traktiv, weil sie einen noch geringeren Bereich von Prozesstemperaturen (T = 25-500º C) als die LPCVD und das beachtliche Potential für eine Synthese unüblicher Dünnfilmmaterialien unter Nichtgleichgewichtsbedingungen liefert. Auch photochemisch-aktivierte CVD (PCCVD) ist eine weitere interessante Niedertemperaturprozeßvariante.
- Falls eine Abstufung der Filmdicke entlang der Länge eines Kanals gewünscht ist, kann der Druck angehoben werden, um den Gastransport zu reduzieren und damit eine ungleichmäßige Abscheidung entlang der Kanalachse - ohne von der Erfindung abzuweichen - zu unterstützen. In ähnlicher Weise kann eine stufenförmige Abscheidung durch ein oder mehrere kontinuierliche, miteinander verbundene Dünnfilmdynodenelemente erreicht werden, welche jeweils über eine erhebliche Länge gleichmäßig sind. Auch können die Abscheidungs parameter konstant gehalten oder graduell verändert werden, derart, daß jeweils ein einzelner Film mit homogener Zusammensetzung abgeschieden wird, der wahlweise sowohl leitende als auch Emssionseigenschaften aufweist, oder die Zusammensetzung und Eigenschaften des Films oder der Filme verändert sich zu irgendwelchen Zwecken mit der Dicke.
- Neben den elektrischen Anforderungen sollten Substrate für CEMs und MCPs Materialien enthalten, die leicht in den Geometrien derartiger Bauelemente formbar sind, aber auch mit CVD Prozeßmethoden kompatibel sind. Bei beabsichtigten Abscheidungstemperaturen von 300-1200º C bei LPCVD ein Substrat erforderlich, das ausreichend hitzebeständig ist, so daß es nicht schmilzt oder sich während des Prozesses verformt. Zusätzlich sollte das Substrat chemisch und mechanisch geignet sein zur Aufnahme von dünnen Filmen, derart, daß schädliche Grenzflächenreaktionen und Spannungen vermieden werden. Ferner sollte das Substrat aus einem Material mit geeigneter chemischer Reinheit gefertigt sein, derart, daß die Kontrolle während des Abscheidungsprozesses und wesentliche Eigenschaften der Dünnfilmdynoden nicht durch etwaige Verunreinigungseffekte beeinträchtigt sind. Schließlich unterstützen Substrate mit hoher thermischer Leitfähigkeit (k) die Wärmeleitung von Joulescher Wärme für Elektronvervielfacher, die bei hohen Vorspannungsströmen arbeiten.
- Nach der vorliegenden Erfindung kann das Substrat aus einem Material der nachfolgenden Gruppe ausgewählt werden: Si&sub3;N&sub4;, AlN, Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; Glas, R&sub2;O-Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2; (R = Li, Na, K) Gläser, R&sub2;O-BaO-Bi&sub2;O&sub3;-PbO-SiO&sub2; (R = Na, K, Rb, Cs) Gläser, AlAs, GaAs, InP, GaP, Si, Si mit einer SiO&sub2;-Isolationsschicht und GaAs or InP mit einer Si&sub3;N&sub4; Isolationsschicht.
- Ausgewählte repräsentative Beispiele für hitzebeständige, hochreine Materialien, die für Substrate 66, 76, 82 geeig net sind, sind in der Tabelle III mit Nominalwerten des spezifischen elektrischen Materialwiderstandes r und der thermischen Leitfähigkeit k bei 25ºC angegeben. TABELLE III Substratmaterialien
- Ein dielektrisches Substrat für einen CEM kann beispielsweise durch thermische Bearbeitung von geschmolzenem Quarzglas oder durch spritzgießen und sintern von keramischen Pulvern aus Al&sub2;O&sub3; oder AlN herstellt werden. Auch ist die Verwendung von lithographischen Methoden und Ätzvorgängen mit Hilfe eines Flusses von reaktiven Teilchen zur Bildung eines Arrays von anisotropisch geätzten Hohlkanälen in waferähnlichen Substraten aus Materialien, beispielsweise SiO&sub2;, Si oder GaAs, für MCPs möglich, wie es in unserer oben angeführten anhängigen Anmeldung beschrieben ist.
- Nach der Erfindung können Gasabscheidungsmethoden auf der Grundlage von CVD zur Herstellung von kontinuierlichen Dünnfilmdynoden mit elektrischen und Elektronenemissions eigenschaften verwendet werden, die vergleichbar sind mit denjenigen, welche mit konventionellen RLSG Dynoden erzielt werden. Aufgrund dieser Tatsache stehen deutlich effizientere Herstellungsverfahren für CEMs und MCPs zur Verfügung, einschließlich von Verbesserungen in RLSG-Konfigurationen. Ferner ist zu erwarten, daß deutliche Verbesserungen in der Leistung von CEMs und MCPs erreicht werden, welche nach den Lehren der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, indem die Möglichkeit genutzt wird, die Materialien und die Struktur der Dünnfilmdynoden gezielt anzupassen.
- Die Vorteile, die hierdurch erreicht werden können, umfassen bessere Multiplikationsstatistiken und einen Betrieb bei niedrigem externen Vorspannungspotential VB durch Abscheidung einer Emissionsschicht 62 mit höherer Sekundärelektronenausbeute 6 als bei konventionellen RLSG Dynoden (z.B. MgO oder Emitter mit negativer Elektronenaff inität, z.B. aus GaP:Cs-O). Eine bessere Verstärkungsstabilität und längere Betriebslebensdauer (z.B. ≥ 100 C/cm² an entnommener Ladung) sind erreichbar durch Verwendung einer Emissions schicht 62, wie zum Beispiel aus Si&sub3;N&sub4; oder Al&sub2;O&sub3;, welche eine geringe Anfälligkeit gegenüber Ausgasen oder eine geringe Degradation bei Elektronenbestrahlung zeigen. Verbesserte Rauscheigenschaften und ein ausgedehnterer Aussteuerbereich wird durch die Wahl von hochreinen Matrialien für Dynoden und Substrate erreicht, die keine radioaktiven Verunreinigungen enthalten, welche eine Hauptquelle für Hintergrundrauschen sind. Maximale Betriebstemperaturen bis zu 500ºC werden erreicht durch die Verwendung von geeigneten hitzebeständigen Materialien für Dynoden und Substrate. Die Stabilität gegenüber Umgebungseinflüsse wird verbessert durch den Einsatz einer Emissionsschicht 62 (z.B. Si&sub3;N&sub4;), die auch als ein hermetischer Schutz für gegenüber Umwelteinflüssen sensiblen Dynodenmaterialien, so wie RLSG, dienen. In besonders wichtiger Weise können die Stromübertragungseigenschaften für spezifische Anwendungen optimiert werden durch Ausübung einer Kontrolle über die physikalischen Dimensionen, die Zusammensetzung und die Morphologie und damit über die elektrischen Eigenschaften und die Elektronenemissionseigenschaften der Filme 62, 64.
- Die Dünnfilmherstellung nach der vorliegenden Erfindung umfaßt auch die Oberflächenbehandlung der abgeschiedenen Materialien oder Volumenhalbleitermaterialien, um das gewünschte Elektronenemissionsvermögen zu erreichen. In den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 4 und 6 können die Oberfläche 68 einer halbleitenden Schicht 64, zum Beispiel Silizium, bei 300-1200ºC in O&sub2; (oder NH&sub3;) oxidiert (oder nitriert) werden, um eine Emissionsschicht 62 aus SiO&sub2; (oder Si&sub3;N&sub4;) mit einer Dicke d = 2-20 nm zu erzeugen. In Figur 5 kann ein Volumenhalbleiter 76, z.B. Silizium, in einer ähnlichen Weise behandelt werden, um eine Emissionsober fläche zu erzeugen. Auch können die dielektrischen Filme, z.B. aus SiO&sub2;, durch Flüssigphasenabscheidung (LPD) erzeugt werden, um eine Emissionsschicht 62 oder die Isolationsschicht 84 in den Ausführungsbeispielen der Figuren 4-7 auszubilden. Bei der Verwendung von LPD können bespiels weise SiO&sub2;-Filme bei 25-50ºC auf den inneren Oberflächen von makroskopischen oder mikroskopischen Kapillarkanälen von CEMs oder MCPs aus übersättigten wässrigen -Lösungen von H&sub2;SiF&sub6; und SiO&sub2; mit einem geringen Zusatz an H&sub3;SO&sub3; abgeschieden werden. Die obigen Verfahren können mit anderen Verfahren, die hier beschrieben sind, kombiniert werden, um unterschiedliche kontinuierliche Dünnfilmdynod-Konfigurationen zu erzeugen.
- Nachfolgend werden Beispiele dargestellt, welche die Herstellung und Leistungsfähigkeit von CEM- und MEM-Bauelementen beschreiben, welche nach der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden.
- Quarzglaskapillarröhren (1 mm ID x 3 mm OD) mit einem zu einem Eingangskonus aufgeweiteten Ende, ähnlich wie die in Figur 8 dargestellte Röhre 102, werden als Substrate verwendet, um eine Gruppe von Geradeauskanal-CEMs mit α = L/D = 20, 30 und 40, und CEMs mit gekrümmten Kanal mit β = L/S = 1,2 herzustellen.
- Die Substrate werden zunächst nach einem Standardverfahren gereinigt und dann innerhalb eines Heißwandhorizontalröhren-LPCVD-Reaktors für die Abscheidung von Siliziumdünnfilmen angeordnet. Dann werden amorphe undotierte Siliziumfilme auf einer Gruppe von Substraten durch die Reaktion von SiH&sub4; bei P = 26-52 Pa (0,2-0,4 torr) und T = 540-560ºC ausgebildet. In einem weiteren Experiment werden amorphe P- dotierte Siliziumfilme auf einer anderen Gruppe von Substraten durch die Reaktion von PH&sub3; und SiH&sub4; in einem Reaktionsverhältnis von pH&sub3;/SiH&sub4; = 5 x 10&supmin;&sup4; bei im übrigen ähnlichen Bedingungen ausgebildet. Hernach werden halbleitende Filme 64 in einer Dicke t 300 nm auf Oberflächen 112, 114 der Kapillarsubstrate (Figur 8) bei einer Rate von 1-10 nm/min abgeschieden ah
- Nach der Beschichtung der Siliziumfilme werden die Kapillarensubstrate im Reaktor abgekült und sodann zu CEMs 100 wie folgt zusammengefügt. Die elektrische Kontinuität entlang der äußeren Oberfläche 114 der Kapillarröhren wird durch Entfernen der Siliziumschicht innerhalb eines engen Bandes 118 rund um die äußere Oberfläche (Figur 8) herum unterbrochen Nickelchromelektroden 108 werden dann auf die Enden jeder Röhre - ohne Beschichtung des dazwischen liegenden nichtleitenden Bandes - vakuumbedampft. Jeder CEM wird dann durch Anschließen elektrischer Zuleitungen an beiden Elektroden fertiggestellt ah
- Messungen des elektrischen Widerstandes entlang der Bohrung der Geradeauskanal-CEMs haben gezeigt, daß die undotierten und die P-dotierten Siliziumfilme jeweils im Widerstand Rs &sub1;&sub0;&sub1;&sub1; Ω/sq bei - 10&sup8; Ω/sq aufwiesen. In beiden Fällen war Rs unabhängig von der Kanalgeometrie für 20 ≤ α ≤ 40. Diese Ergebnisse zeigen, daß sowohl die Dicke als auch der Widerstand jedes Films, der durch LPCVD-Methoden hergestellt wird, im wesentlichen gleichmäßig entlang der Länge der Kapillarkanäle bei Seitenverhältnissen ist, die ausreichen, um eine brauchbare Elektronenmultiplikation zu unterstützen.
- Verfahren zur Charakterisierung der Verstärkung G von Elektronenvervielfachern in analogen Moden und in Pulszählmoden sind bekannt. In Figur 11 ist die analoge Verstärkung G = I&sub0;/Ii gegen die elektrische Feldstärke ε aufgetragen, welche an Geradeauskanal-CEMs 100 mit α = 20, 30 und 40 mit Rs 10&sup8; Ω/sq für Eingangsströme Ii = 1pA angelegt ist. Während für jeden CEM Nicht-Sättigungsverstärkungen G ≥ 10 erreicht werden, beobachtet man auch, daß G mit α bei ausreichend großen Werten von ε ansteigt.
- Kurven der analogen Verstärkung G = I&sub0;/Ii aufgetragen gegen die Vorspannung VB für Geradeaus-CEMs 100 mit Rs 10¹¹ Ω/sq und ungefähr 10&sup8; Ω/sq mit α = 40 für Ii = IpA sind in Figur 12 angegeben. Der CEM mit höherem R2s zeigt eine Sättigungsverstärkung G = 10³-10&sup4; und wird begrenzt durch den relativ geringen Vorspannungsstrom iB, der in der halbleitenden Schicht geführt wird. Im Vergleich dazu zeigt der CEM mit niedrigem Rs eine Nicht-Sättigungsverstärkung G > 10&sup4;.
- Figur 13 zeigt Ausdrucke der Analogverstärkung G = I&sub0;/Ii aufgetragen gegen die Spannung für einen CEM 100 mit gekrümmtem Kanal mit β = 1,2 und Rs 10&sup8; Ω/sq für verschiedene Werte von Ii = 1, 10 und 100 pA. Sättigungsverstärkungen werden bei allen Eingangsniveaus von Ii beobachtet. Insbesondere zeigt die beachtliche Abnahme in der Größe der Sättigungsverstärkung mit entsprechender Zunahme von Ii klar ein strombegrenztes Ansprechen des Vervielfachers. Für Ii = 1pA zeigt dieser CEM eine maximale Verstärkung G > 10&sup6;.
- Es werden Quarzglasplatten (25 x 60 x 1 mm), ähnlich den in Figur 10 dargestellten Platten 142, als Substrate verwendet, um Dünnfilmdynoden für einen MEM 140 herzustellen. Dabei werden amorphe P-dotierte Siliziumfilme mit t 300 nm und Rs 10&sup8; Ω/sq aufebenen Substraten 142 mit Hilfe von Verfahren und unter Bedingungen vergleichbar mit denjenigen, die in Zusammenhang mit Beispiel I für die CEMs beschrieben wurden, ausgebildet.
- Der MEM wurde wie folgt zusammengefügt. Die Siliziumschicht wurde von einer Oberflächenseite 151 entfernt. Sodann wurde eine Struktur von Nickelchromelektroden mit Hilfe einer Maske (nicht gezeigt) auf der anderen Seite von jeder Plat te 142 mit der Siliziumschicht 148 abgschieden. Eine Gruppe von zwei Platten 142 mit eng angepaßten Rs wird als Feld- und Dynodenstreifen verwendet, um den MEM 140 aufzubauen.
- Impulszählmessungen an dem MEM 140 haben die in Figur 14 angegebene Impulshöhenverteilung ergeben. Die dargestellte Verteilung zeigt die Anzahl von Ausgangsimpulsen als Funktion der Verstärkung relativ zu einer Kalibrierungslinie von G = 10&sup7;. Beim Betreiben bei einer Vorspannung VB = 2500 V zeigt der MEM 140 eine Negativ-exponentielle Impulshöhen verteilung mit einer maximalen Verstärkung im Bereich von 10&sup6;-10&sup7;.
- Die Struktur der Dünnfilmdynoden in den oben beschriebenen CEMs 100 und MEM 140 der Beispiele I und II entsprechen annähernd dem Ausführungsbeispiel, das in Zusammenhang mit Figur 4 beschrieben ist. Ein natürliches Oxid von SiO&sub2; mit einer Dicke d = 2-5 nm dient dabei als Emissionsschicht 62 und liegt auf einer halbleitenden Siliziumschicht 64, wobei beide durch ein Quarzglassubstrat 66 getragen werden. Durch die vorstehenden Beispiele wurde klar gezeigt, daß derartige Dünnfilmdynoden in der Lage sind, praktikable Niveaus einer Elektronenmultiplikation zu unterstützen. Ferner wurde die Möglichkeit angezeigt, die Stromübertragungseigenschaften eines Elektronenvervielfachers durch Anpassung der Stromführungseigenschaften einer Dünnfilmdynode anzupassen. Ferner wurde die Herstellung und Kontrolle von halbleitenden Filmen 64 mit elektrischen Eigenschaften gezeigt, die geeignet sind für Einkanalgeräte (z.B. P-dotiertes Silizium mit Rs 10&sup8; Ω/sq) als auch für Vielkanalgeräte (z.B. undotiertes Silizium mit Rs 10¹¹ Ω/sq). Schließlich ist anzumerken, daß - während die Signalver stärkungen von Dünnfilmbauelementen der Beispiele I und II diejenigen der vergleichbaren RLSG-Bauelementen erreichen - die Leistungsfähigkeit der ersteren durch Ausbilden einer etwas dickeren Emissionsschicht 62 durch thermische Oxidations- oder Nitridationsreaktionen oder durch Abscheiden einer Emissionsschicht 62, z.B. MgO, mit besseren Sekundäremissionscharakteristiken als SiO&sub2; verbessert werden kann.
Claims (36)
1. Verfahren zum Ausbilden einer Dynode für einen
Kanalelektronenvervielfacher oder eine Mikrokanalplatte,
das folgende Schritte umfaßt:
- Ausbilden eines Substrats (66) zur Schaffung
einer Kanaloberfläche; und
- Ausbilden wenigstens eines dünnen Films auf der
Kanaloberfläche, um in irgendeiner Kombination
einen stromführenden Abschnitt (64) und einen
Elektronenemissionsabschnitt (62) zu erzeugen,
dadurch gekennzeichnet, daß:
- der dünne Film durch Oxidation oder Nitrierung
oder durch eine Oberflächenreaktion mit einem
Agens erzeugt wird, das durch chemische
Gasphasenabscheidung bei reduziertem Druck oder durch
Flüssigphasenabscheidung gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dünne Film durch
eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) gebildet
wird, welche die Reaktion eines Gases in Anwesenheit
eines Substrats bei einer Temperatur und einem Druck
umfaßt, die ausgewählt werden, um eine CVD Kinetik zu
erzielen, welche durch Grenzflächenprozesse zwischen
dem Gas und dem Substrat dominiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner die Ausbildung
mindestens eines Kanals in dem Substrat mit einem
großen Seitenverhältnis für die darin abzuscheidende
Dynode umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, das ferner die Ausbildung
der Dynode wenigstens um eine ausgewählte Länge
gleichmäßig entlang der Kanalwand umfaßt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die
Temperatur t = 300ºC ≤ T ≤ 1200ºC ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der
Druck unter 1300 Pa (10 torr) liegt
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Druck unter 130
Pa (1 torr) liegt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Druck zwischen
130 und 13 Pa (1 torr und 0,1 torr) liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das
Substrat ein Material enthält, das aus der Gruppe
bestehend aus Si&sub3;N&sub4;, AlN, Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; Glas, R&sub2;O-Al&sub2;O&sub3;-SiO&sub2;
(R = Li, Na, K) Gläser, R&sub2;O-BaO-Bi&sub2;O&sub3;-PbO-SiO&sub2; (R = Na,
K, Rb, Cs) Gläser, AlAs, GaAs, InP, GaP, Si, Si mit
einer SiO&sub2; Isolationsschicht und GaAs oder InP mit
einer Si&sub3;N&sub4; Isolationsschicht ausgewählt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der
Elektronvervielfacher eine Mikrokanalplatte ist, und
die Substratmaterialien einen Widerstand von r ≥ 10&sup8;
Ωcm aufweisen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der
Elektronvervielfacher ein CEM ist, und das Substrat
einen Widerstand r von 105 Ωcm ≤ r ≤ 10&sup5; Ωcm aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der
Elektronvervielfacher ein CEM oder ein MEM ist, und
das Substrat einen Widerstand von r≥ 10¹² Ωcm
aufweist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der
Emissionsabschnitt einen Dünnfilm enthält aus einem
oder mehreren Materialien, die aus der Gruppe
bestehend
aus SiO&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, MgO, SnO&sub2;, BaO, Cs&sub2;O, Si&sub3;N&sub4;, SixOyNz,
C (Diamant) BN und AlN; Emitter mit einer negativen
Elektronenaffinität GaP:Cs-O, GaP:Ba-O, GaAs:Cs-O,
InP:Cs-O und Si:Cs-O augewählt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der
Emissionsabschnitt einen Dünnfilm mit einer Dicke von
2 bis 20 nm enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die
Ausgangsstoffe für den Emissionsabschnitt Materialien
enthalten, welche aus der Gruppe bestehend aus SiH&sub4;,
SiClxHy, Si(OC&sub2;H&sub5;)&sub4;, β-Diketonverbindungen von Al (z.B.
Al(C&sub5;HO&sub2;F&sub6;)&sub3;) ,Al(CH&sub3;)&sub3;, β-Diketonverbindungen von Mg
(z.B. Mg(C&sub5;HO&sub2;F&sub6;)&sub2;), SnCl&sub4;, β-Diketonverbindungen von Ba
(z.B. Ba(C&sub1;&sub1;H&sub1;&sub9;O&sub2;)&sub2;), CH&sub4;, Cs, B&sub2;H&sub6;, Ga(C&sub2;H&sub5;)&sub3;, Ga(CH&sub3;)&sub3;, PH&sub3;,
AsH&sub3;, In(CH&sub3;)&sub3;, O&sub2;, NO, N&sub2;O, N&sub2; und NH&sub3; ausgewählt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die
Elektronenemissionsschicht eine erste Grenzenergie,
bei welcher δ = 1, im Bereich von 10 eV ≤ EpI ≤ 50 eV
aufweist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der
stromführende Abschnitt ein Dünnfilmaterial enthält,
welches aus der Gruppe bestehend aus As-, B- oder P-
dotiertem Si, Ge (undotiert), Si (undotiert), SiOx,
(SIPOS), SixNz, AlxGa1-xAs und SnOx ausgewählt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei der
stromführende Abschnitt einen Dünnfilm mit einer Dicke
von 10-1000 nm enthält.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei
Ausgangsstoffe für die Materialien, welche den
stromführenden Abschnitt ausbilden, Materialien umfassen,
welche aus der Gruppe bestehend aus SiH&sub4;, PH&sub3;, GeH&sub4;,
B&sub2;H&sub6;, AsH&sub3;, SnCl&sub4;, Ga(C&sub2;H&sub5;)&sub3;, Ga(CH&sub3;)&sub3;, Al(CH&sub3;)&sub3;, N&sub2;O, N&sub2; und
NH&sub3; ausgewählt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder 12 bis
19, wobei der stromführende Abschnitt einen Dünnfilm
enthält mit einem Flächenwiderstand R&sub8; von 10&sup6; Ω/sq ≤
Rs ≤ 10&sup8; Ω/sq für Kanalelektronenvervielfacher und
magnetische Elektronenvervielfacher.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 bis
19, wobei der stromführende Abschnitt einen Dünnfilm
mit einem Flächenwiderstand Rs von 10¹¹ Ω/sq ≤ Rs ≤ 10¹&sup4;
Ω/sq für Mikrokanalplatten enthält.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei
zunächst ein Dünnfilm aus einem stromführenden Material
und dann ein Dünnfilm aus einem
Elektronenemissionsmaterial auf einem dielektrischen Substrat
abgeschieden werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei
zunächst eine dielektrische Isolationsschicht auf einem
leitenden Substrat ausgebildet und sodann ein
stromführender Dünnfilm und hernach ein
Elektronenemissionsdünnfilm abgeschieden wird.
24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die
Isolationsschicht auf dem leitenden Substrat durch chemische
Gasphasenabscheidung oder durch Reaktion der
Oberfläche mit einem Gas oder durch Flüssigphasenabscheidung
reaktionsmäßig abgeschieden wird.
25. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Dünnfilm aus
Elektronenemissionsmaterial auf einem stromführenden
Volumenhalbleitersubstrat abgeschieden wird.
26. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Dünnfilm aus
Elektronenemissionsmaterial auf einer stromführenden
Schicht aus reduziertem Bleisilikatglas abgeschieden
wird, welche auf einem mechanischen Träger aus
unreduziertem Bleisilikatglas liegt.
27. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zunächst ein Dünnfilm
aus stromführendem Material auf einem dielektrischen
Substrat abgeschieden wird und sodann die freie
Oberfläche des stromführenden Films zur Annahme von
Emissionseigenschaften verändert wird, indem die freie
Oberfläche einem reaktiven Gas ausgesetzt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei das reaktive Gas ein
Material ist, welches aus der Gruppe bestehend aus NH&sub3;
und O&sub2; ausgewählt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zunächst ein Dünnfilm
aus stromführenden Material auf einem dielektrischen
Substrat abgeschieden wird und sodann eine Schicht aus
Elektronenemissionsmaterial durch
Flüssigphasenabscheidung (LPD) aus einer übersättigten Lösung eines
solchen schichtbildenden Materials abgeschieden wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei das
Emissionsmaterial SiO&sub2; ist und die übersättigte Lösung H&sub2;SiF&sub6; und SiO&sub2;
in H&sub2;O enthält.
31. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abscheidungs
schritt wenigstens einen Schritt einer
thermisch-aktivierter LPCVD, einer plasma-unterstützten LPCVD und
einer photochemisch-aktivierten LPCVD enthält.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei
wenigstens ein Dünnfilm elektrische Eigenschaften
aufweist, welche sich mit zunehmenden Abstand vom
Substrat verändern.
33. Verfahren nach Anspruch 1, mit:
Ausbilden eines Volumenhalbleitersubstrats mit einer
freien Oberfläche und einem stromführenden Abschnitt
in der Nähe der freien Oberfläche, der einen
geeigneten Strom führen kann, um emittierte Elektronen zu
ersetzen und ein Beschleunigungsfeld für diese
emittierten Elektronen zu schaffen, und Ausbilden einer
Dünnschicht auf der freien Oberfläche des Halbleiters
mit einer Emissionseigenschaft, welche durch Verändern
der freien Oberfläche des Substrats erzielt wird,
indem dieses einem reaktiven Gas ausgesetzt wird,
wobei die Emissionseigenschaft eine
Sekundärelektronenausbeute umfaßt, welche eine resultierende
Elektronenmultiplikation ermöglicht.
34. Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten:
Ausbilden eines Substrats mit einer freien Oberfläche
und einem stromführenden Abschnitt in der Nähe der
freien Oberfläche, welche einen geeigneten Strom
frühen kann, um emittierte Elektronen zu ersetzen und ein
Beschleunigungsfeld für diese emittierten Elektronen
zu schaffen, und Ausbilden von wenigsten einer
Dünnschicht an der freien Oberfläche mit einer
Emissionseigenschaft durch Flüssigphasenabscheidung (LPD),
wobei die Emissionseigenschaft eine
Sekundärelektronenausbeute umfaßt, welche eine resultierende
Elektronenmultiplikation ermöglicht.
35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Emissionsschicht
ein Film aus SiO&sub2; ist, die aus einer übersättigten
wasserhaltigen Lösung von H&sub2;SiF&sub6; und SiO&sub2; mit einem kleinen
Zusatz von H&sub3;BO&sub3; gebildet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, wobei LPD bei 25-
50ºC stattfindet.
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