ЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ Российский патент 2021 года по МПК H01J43/24 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к электронному умножителю, который испускает вторичные электроны в результате падения заряженных частиц.

Предпосылки создания

[0002] В качестве электронных умножителей с функцией умножения электронов известны электронные устройства, такие как электронный умножитель с канальной и микроканальной пластиной (называемой здесь «МКП»). Они используются во вторично-электронном умножителе, масс–спектрометре, усилителе изображения, фотоэлектронном умножителе (называемым здесь «ФЭУ») и тому подобном. В качестве материала основы вышеупомянутого электронного умножителя использовалось свинцовое стекло. Тем не менее в последнее время возникла потребность в электронном умножителе, который не использует свинцовое стекло, и существует возрастающая потребность в точном формировании пленки, такой как поверхность эмиссии вторичных электронов на канале, предусмотренном на подложке без свинца.

[0003] В качестве методик, которые обеспечивают такое точное управление формированием пленки, известен, например, метод атомно-слоевого осаждения (называемый здесь «АСО»), и МКП (называемая здесь «АСО–МКП»), изготовленная с использованием такой методики формирования пленки, раскрыта, например, в следующем патентном документе 1. В МКП по патентному документу 1 слой сопротивления со слоистой структурой, в которой методом АСО образовано множество проводящих слоев CZO (нано–сплав оксида меди, легированного цинком) с помещенным между ними изолирующим слоем Al₂O₃, применяется в качестве способного регулировать значение сопротивления слоя сопротивления, образуемого непосредственно под поверхностью эмиссии вторичных электронов. Кроме того, патентный документ 2 раскрывает методику формирования пленки сопротивления со слоистой структурой, в которой поочередно располагаются изолирующие слои и множество проводящих слоев, выполненных из W (вольфрама) и Mo (молибдена), для того, чтобы формировать пленку, значение сопротивления которой может быть отрегулировано методом АСО.

Список ссылок

Патентная литература

[0004] Патентный документ 1: US 8237129

Патентный документ 2: US 9105379

Сущность изобретения

Техническая проблема

[0005] Авторы изобретения исследовали обычную АСО–МКП, в которой слой эмиссии вторичных электронов или тому подобное образуется методом АСО, и в результате обнаружили следующие проблемы. Т.е. путем исследования, проведенного авторами изобретения, было обнаружено, что АСО–МКП, использующая пленку сопротивления, образованную методом АСО, не обладает идеальной температурной характеристикой значения сопротивления по сравнению с обычной МКП, использующей Pb-(свинцовое)-стекло, хотя это и не указано ни в одном из вышеупомянутых патентных документов 1 и 2. В частности, существует потребность в разработке АСО–МКП, которая обеспечивает широкий диапазон температурных условий эксплуатации ФЭУ, содержащего усилитель изображения и МКП, от низкой температуры до высокой температуры, и уменьшает влияние рабочей температуры окружающей среды.

[0006] В данном случае одним из факторов, на который влияет рабочая температура окружающей среды МКП, является вышеописанная температурная характеристика (колебание значения сопротивления в МКП). Такая температурная характеристика является показателем, указывающим на то, как сильно ток (полосовой ток), протекающий в МКП, изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха во время использования МКП. По мере того, как температурная характеристика значения сопротивления становится более идеальной, изменение полосового тока, протекающего через МКП, становится меньше, когда рабочая температура окружающей среды меняется, и температурные условия эксплуатации МКП становятся шире.

[0007] Настоящее изобретение было выполнено для решения вышеописанных проблем и его цель состоит в предоставлении электронного умножителя со структурой, подавляющей и стабилизирующей изменение значения сопротивления в более широком диапазоне температур.

Решение проблемы

[0008] Чтобы решить вышеописанные проблемы, электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления может применяться к электронному устройству, такому как микроканальная пластина (МКП), и канальному электронному умножителю, где слой эмиссии вторичных электронов и тому подобное, составляющий канал умножения электронов, образован с использованием метода АСО, и включает по меньшей мере подложку, слой эмиссии вторичных электронов и слой сопротивления. Подложка имеет поверхность формирования канала. Слой эмиссии вторичных электронов выполнен из первого изолирующего материала и имеет нижнюю поверхность, обращенную к поверхности формирования канала, и поверхность эмиссии вторичных электронов, которая находится напротив нижней поверхности и испускает вторичные электроны в результате падения заряженных частиц. Слой сопротивления проложен между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов. В частности, слой сопротивления включает слой металла, в котором множество металлических частиц, выполненных из металлического материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, двумерно расположены на поверхности формирования слоя, которая совпадает с или по существу параллельна поверхности формирования канала, в состоянии смежно друг с другом с помещенной между ними частью первого изолирующего материала. В данном случае толщина слоя металла, которая определяется средней толщиной множества металлических частиц в направлении укладки в стопку от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов, задана на 5-40 ангстрем. В данном случае «средняя толщина» металлических частиц в настоящей спецификации означает толщину пленки, когда множество металлических частиц, двумерно расположенных на поверхности формирования слоя, сформировано в форме плоской пленки.

[0009] В данном случае каждый вариант осуществления в соответствии с настоящим изобретением может быть в достаточной мере понят из нижеследующего подробного описания и сопроводительных чертежей. Эти примеры приведены исключительно с целью иллюстрации и не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение.

[0010] Кроме того, дополнительный применимый объем настоящего изобретения станет очевидным из нижеследующего подробного описания. Между тем, подробное описание и конкретные примеры иллюстрируют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, но приведены исключительно с целью иллюстрации, и несомненным является то, что различные модификации и улучшения в рамках объема настоящего изобретения очевидны специалистам в данной области техники из этого подробного описания.

Преимущественные эффекты изобретения

[0011] В соответствии с настоящим вариантом осуществления можно эффективно улучшить температурную характеристику значения сопротивления в электронном умножителе путем создания слоя сопротивления, сформированного непосредственно под слоем эмиссии вторичных электронов, только за счет слоя металла, в котором множество металлических частиц, выполненных из металлического материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, двумерно расположены на поверхности формирования слоя, которая совпадает с или по существу параллельна поверхности формирования канала, в состоянии смежно друг к другу с частью первого изолирующего материала, помещенного между ними.

Краткое описание чертежей

[0012] Фиг. 1A и 1B являются видами, иллюстрирующими конструкции различных электронных устройств, к которым может быть применен электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

Фиг. 2A-2C являются видами, иллюстрирующими примеры различных структур поперечного сечения электронных умножителей в соответствии с настоящим вариантом осуществления и сравнительным примером соответственно.

Фиг. 3A-3C являются видами для количественного описания отношения между температурой и электрической проводимостью в электронном умножителе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, в частности, слоя сопротивления.

Фиг. 4 является графиком, иллюстрирующим температурную зависимость электрической проводимости для каждого образца, включающего в себя единственный слой Pt разной толщины в качестве слоя сопротивления.

Фиг. 5A является изображением, полученным с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), поперечного сечения электронного умножителя со структурой поперечного сечения, проиллюстрированной на Фиг. 3B, а Фиг. 5B является изображением, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), поверхности единственного слоя Pt (слоя сопротивления).

Фиг. 6A и 6B являются видами для описания измерения степени покрытия частицами Pt поверхности формирования слоя.

Фиг. 7 является графиком, иллюстрирующим зависимость между толщиной слоя сопротивления (средней толщины частицы Pt) и таким образом приготовленного покрытия для каждого из образцов 1-7.

Фиг. 8A является видом, иллюстрирующим другой пример структуры поперечного сечения электронного умножителя в соответствии настоящим вариантом осуществления (соответствующим поперечному сечению по Фиг. 3C), а Фиг. 8B является ее ПЭМ-изображением.

Фиг. 9 является графиком, иллюстрирующим температурную характеристику (при n-ой операции с 800 В) нормированного сопротивления в каждом из образца МКП, к которому применяется электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления, и образца МКП, к которому применяется электронный умножитель по сравнительному примеру.

Фиг. 10A и 10B являются спектрами, полученными путем рентгеновского дифракционного (XRD) анализа каждого из образца измерения, соответствующего электронному умножителю в соответствии с настоящим вариантом осуществления, образца измерения, соответствующего электронному умножителю в соответствии со сравнительным примером, и образца МКП, применяемого к электронному умножителю в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

Описание вариантов осуществления

[0013] [Описание варианта осуществления изобретения по настоящей заявке]

Сначала будет отдельно перечислено и описано содержимое варианта осуществления изобретения по настоящей заявке.

[0014] (1) В качестве одного аспекта электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления применяется к электронному устройству, такому как микроканальная пластина (МКП), и канальному электронному умножителю, где слой эмиссии вторичных электронов и тому подобное, составляющий канал умножения электронов, образован с использованием метода АСО, и включает по меньшей мере подложку, слой эмиссии вторичных электронов и слой сопротивления. Подложка имеет поверхность формирования канала. Слой эмиссии вторичных электронов выполнен из первого изолирующего материала и имеет нижнюю поверхность, обращенную к поверхности формирования канала, и поверхность эмиссии вторичных электронов, которая находится напротив нижней поверхности и испускает вторичные электроны в результате падения заряженных частиц. Слой сопротивления размещается между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов. В частности, слой сопротивления включает в себя один или более слоев металла, в которых множество металлических частиц, выполненных из металлического материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, двумерно расположены на поверхности формирования слоя, которая совпадает с или по существу параллельна поверхности формирования канала, в состоянии смежно друг с другом с частью помещенного между ними первого изолирующего материала. В данном случае толщина слоя металла, которая определяется средней толщиной множества металлических частиц в направлении укладки в стопку от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов, задана на 5-40 ангстрем.

[0015] В данном случае «металлическая частица» в настоящем описании означает металлический фрагмент (кусок металла), расположенный в состоянии, когда он полностью окружен изолирующим материалом, и проявляющий четкую кристалличность, когда поверхность формирования слоя рассматривается со стороны слоя эмиссии вторичных электронов. В этой конфигурации слой сопротивления предпочтительно обладает температурной характеристикой в пределах диапазона, в котором значение сопротивления слоя сопротивления при температуре -60°C является кратным 2,7 или менее, а значение сопротивления слоя сопротивления при +60°C является кратным 0,3 или более значению сопротивления слоя сопротивления при температуре 20°C. Кроме того, в качестве показателя, указывающего на кристалличность металлической частицы, например, в случае частицы Pt, по меньшей мере в плоскости (111) и плоскости (200) на спектре, полученном путем XRD-анализа, появляется пик, в котором полная ширина на половине максимума (высоты) имеет угол 5° или менее.

[0016] (2) В качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления, когда целью применения электронного умножителя является МКП, толщина слоя металла предпочтительно задана на 5-15 ангстрем. Кроме того, в качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления, толщина слоя металла предпочтительно задана на 7-14 ангстрем, а степень покрытия (полнота покрытия) множеством металлических частиц поверхности формирования слоя предпочтительно задана на 50-60%, когда поверхность формирования слоя рассматривается в направлении от слоя эмиссии вторичных электронов к подложке.

[0017] (3) При этом, в качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления толщина слоя металла может быть задана на 15-40 ангстрем, когда целью применения электронного умножителя является трубка канального электронного умножителя. Кроме того, в качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления толщина слоя металла предпочтительно задана на 18-37 ангстрем, а степень покрытия множеством металлических частиц поверхности формирования слоя предпочтительно задана на 50-70%, когда поверхность формирования слоя рассматривается в направлении от слоя эмиссии вторичных электронов к подложке.

[0018] (4) В качестве аспекта настоящего варианта осуществления электронный умножитель может включать нижележащий слой, обеспеченный между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов. Нижележащий слой дополнительно включает нижележащий слой, поверхность формирования слоя которого находится в положении, обращенном к нижней поверхности слоя эмиссии вторичных электронов, и выполненный из второго изолирующего материала.

[0019] Как описано выше, каждый аспект, перечисленный в [Описании варианта осуществления изобретения по настоящей заявке], может быть применен к каждому из оставшихся аспектов или ко всем комбинациям этих оставшихся аспектов.

[0020] [Подробности варианта осуществления изобретения по настоящей заявке]

Конкретные примеры электронного умножителя в соответствии с настоящим изобретением будут описаны далее подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи. В данном случае настоящее изобретение не ограничено этими различными примерами, а проиллюстрировано формулой изобретения, и подразумевается, что эквивалентность и любая модификация в рамках объема формулы изобретения включены в неё. Кроме того, одни и те же элементы в описании чертежей будут обозначены одними и теми же ссылочными позициями, а избыточные описания будут пропущены.

[0021] Фиг. 1A и 1B являются видами, иллюстрирующими конструкции различных электронных устройств, к которым может быть применен электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления. В частности, Фиг. 1A является частичным разрезом, иллюстрирующим типичную конструкцию МКП, к которой может быть применен электронной умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления, а Фиг. 1B является видом поперечного сечения канального электронного умножителя, к которому может быть применен электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

[0022] МКП 1, проиллюстрированная на Фиг. 1A, включает: стеклянную подложку, которая имеет множество сквозных отверстий, функционирующих в качестве каналов 12 для умножения электронов; изолирующее кольцо 11, которое защищает боковую поверхность стеклянной подложки; электрод 13A стороны входа, который обеспечен на одном торце стеклянной подложки; и электрод 13B стороны выхода, который обеспечен на другом торце стеклянной подложки. В данном случае между электродом 13A стороны входа и электродом 13B стороны выхода источником 15 напряжения подается заданное напряжение.

[0023] Кроме того, канальный электронный умножитель 2 по Фиг. 1B включает: стеклянную трубку, которая имеет сквозное отверстие, функционирующее в качестве канала 12 для умножения электронов; электрод 14 стороны входа, который обеспечен на участке проема стороны входа стеклянной трубки; и электрод 17 стороны выхода, который обеспечен на участке проема стороны выхода стеклянной трубки. В данном случае между электродом 14 стороны входа и электродом 17 стороны выхода даже в канальном электронном умножителе 2 источником 15 напряжения подается заданное напряжение. Когда заряженная частица 16 падает в канал 12 из проема стороны входа канального электронного умножителя 2 в состоянии, когда заданное напряжение подается между электродом 14 стороны входа и электродом 17 стороны выхода, то вторичный электрон многократно испускается в результате падения заряженной частицы 16 в канале 12 (каскадное умножение вторичных электронов). В результате вторичные электроны, которые были каскадно–умножены в канале 12, испускаются из проема стороны выхода канального электронного умножителя 2. Это каскадное умножение вторичных электронов также выполняется в каждом из каналов 12 МКП, проиллюстрированной на Фиг. 1A.

[0024] Фиг. 2A является увеличенным видом части (область A, указанная пунктирной линией) МКП 1, проиллюстрированной на Фиг. 1A и 1B. Фиг. 2B является видом, иллюстрирующим структуру поперечного сечения области B2, проиллюстрированной на Фиг. 2A, и является видом, иллюстрирующим пример структуры поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Кроме того, Фиг. 2C является видом, иллюстрирующим структуру поперечного сечения области B2, проиллюстрированной на Фиг. 2A, аналогично Фиг. 2B, и является видом, иллюстрирующим другой пример структуры поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления. В данном случае структуры поперечного сечения, проиллюстрированные на Фиг. 2B и 2C, по существу совпадают со структурой поперечного сечения в области B1 у канального электронного умножителя 2, проиллюстрированного на Фиг. 1B (однако, оси координат, проиллюстрированные на Фиг. 1B, не согласованы с осями координат на каждой из Фиг. 2B и 2C).

[0025] Как проиллюстрировано на Фиг. 2B, пример электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления состоит из: подложки 100, выполненной из стекла или керамики; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала подложки 100; слоя 120 сопротивления, обеспеченного на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130; и слоя 110 эмиссии вторичных электронов, который имеет поверхность 111 эмиссии вторичных электронов и расположен так, что между ним и нижележащим слоем 130 проложен слой 120 сопротивления. Здесь слой 110 эмиссии вторичных электронов выполнен из первого изолирующего материала, такого как Al₂O₃ и MgO. Предпочтительно использовать MgO, имеющего высокую способность к эмиссии вторичных электронов, для того, чтобы улучшить коэффициент усиления электронного умножителя. Нижележащий слой 130 выполнен из второго изолирующего материала, такого как Al₂O₃ и SiO₂. Слой 120 сопротивления, проложенный между нижележащим слоем 130 и слоем 110 эмиссии вторичных электронов, является единственным слоем, составленным множеством металлических частиц, значения сопротивления которых обладают положительными температурными характеристиками, и изолирующим материалом (частью слоя 110 эмиссии вторичных электронов), заполняющим участок между множеством металлических частиц, на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130. Слой 120 сопротивления, проложенный между нижележащим слоем 130 и слоем 110 эмиссии вторичных электронов, включает в себя слой металла, состоящий из множества металлических частиц, значения сопротивления которых обладают положительными температурными характеристиками, и которые имеют размеры такой величины, чтобы проявлять четкую кристалличность, и изолирующего материала (части слоя 110 эмиссии вторичных электронов), заполняющего участок между множеством металлических частиц, на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130.

[0026] В данном случае структура слоя 120 сопротивления не ограничивается однослойной структурой, в которой число слоев 120 сопротивления, существующих между поверхностью 101 формирования канала и поверхностью 111 эмиссии вторичных электронов у подложки 100, ограничено одним, и может включать в себя множество слоев металла. Таким образом слой 120 сопротивления может иметь многослойную структуру, в которой множество слоев металла обеспечено между подложкой 100 и слоем 110 эмиссии вторичных электронов с помещенным между ними изолирующим материалом (функционирующим в качестве нижележащего слоя с поверхностью формирования слоя). Кроме того, первый изолирующий материал, составляющий вышеописанный слой 110 эмиссии вторичных электронов, и второй изолирующий материал, составляющий нижележащий слой 130, могут отличаться друг от друга или быть одинаковыми. Множество металлических частиц, составляющих слой 120 сопротивления, предпочтительно выполнены из материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, такого как Pt, Ir, Mo и W. Авторы изобретения подтвердили, что наклон температурной характеристики значения сопротивления уменьшается (см. фиг. 9), когда слой 120 сопротивления конфигурируется с использованием единственного слоя Pt, включающего в себя множество частиц Pt, сформированных на плоскости путем атомно-слоевого осаждения (АСО), в качестве примера, в сравнении со структурой, в которой множество слоев Pt уложено в стопку с помещенным между ними изолирующим материалом. Здесь кристалличность каждой металлической частицы может быть подтверждена с помощью спектра, полученного путем XRD-анализа. Например, когда металлической частицей является Pt, в настоящем варианте осуществления, как проиллюстрировано на Фиг. 10A, получается спектр с пиком, в котором полная ширина на половине максимума имеет угол 5° или меньше по меньшей мере в плоскости (111) или плоскости (200). На Фиг. 10A и 10B плоскость (111) у Pt указана как Pt(111), а плоскость (200) у Pt указана как Pt(200).

[0027] В данном случае наличие нижележащего слоя 130, проиллюстрированного на Фиг. 2B, не оказывает влияния на температурную зависимость значения сопротивления во всем электронном умножителе. Вследствие этого, структура электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления не ограничена примером по Фиг. 2B и может иметь структуру поперечного сечения, как проиллюстрировано на Фиг. 2C. Структура поперечного сечения, проиллюстрированная на Фиг. 2C, отличается от структуры поперечного сечения, проиллюстрированной на Фиг. 2B, касательно того, что между подложкой 100 и слоем 110 эмиссии вторичных электронов нижележащий слой не предусмотрен. Поверхность 101 формирования канала подложки 100 функционирует в качестве поверхности 140 формирования слоя, на которой формируется слой 120 сопротивления. Прочие структуры на Фиг. 2C являются точно такими же, как в структуре поперечного сечения, проиллюстрированной на Фиг. 2B.

[0028] В нижеследующем описании будет изложена конфигурация, в которой Pt применяется в качестве металлических частиц, значения сопротивления которых обладают положительными температурными характеристиками и которые составляют слой 120 сопротивления.

[0029] Фиг. 3A-3C являются видами для количественного описания отношения между температурой и электрической проводимостью в электронном умножителе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, в частности, слое сопротивления. В частности, Фиг. 3A является схематичным видом для описания модели электронной проводимости в единственном слое Pt (слой 120 сопротивления), сформированном на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130. Кроме того, Фиг. 3B иллюстрирует пример (однослойной структуры) модели поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, а Фиг. 3C иллюстрирует другой пример (многослойной структуры) модели поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

[0030] В модели электронной проводимости, проиллюстрированной на Фиг. 3A, частицы 121 Pt, составляющие единственный слой Pt (слой 120 сопротивления), выполнены в качестве нелокализованных областей, в которых свободные электроны могут существовать на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130, разнесенных на расстояние L_I с помощью локализованной области, в которой не существует свободных электронов (например, помещенной между ними части слоя 110 эмиссии вторичных электронов в контакте с поверхностью 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130). В данном случае средняя толщина S по направлению укладки в стопку множества частиц 121 Pt, которые составляют слой 120 сопротивления и двумерно расположены на поверхности 140 формирования слоя с помещенной между ними частью слоя 110 эмиссии вторичных электронов (первым изолирующим материалом), (металлические частицы, значения сопротивления которых обладают положительными температурными характеристиками), удовлетворяет отношению S > L_I по отношению к расстоянию L_I (минимальное расстояние между частицами Pt, смежными с помещенным между ними изолирующим материалом) в настоящем варианте осуществления. Кроме того, предполагается, что толщина (толщина по направлению укладки в стопку) единственного слоя Pt (слоя металла), составляющего слой 120 сопротивления, определяется средней толщиной S множества частиц 121 Pt, включенных в слой Pt. В данном случае средняя толщина S частицы Pt определяется толщиной пленки, когда множество частиц Pt формируется в форме пленки, как проиллюстрировано на Фиг. 3A (заштрихованный участок на Фиг. 3A).

[0031] Кроме того, структура поперечного сечения модели, определенной в качестве электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, состоит из: подложки 100; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала подложки 100; слоя 120 сопротивления, обеспеченного на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130; и слоя 110 эмиссии вторичных электронов, который имеет поверхность 111 эмиссии вторичных электронов и расположен так, что между ним и нижележащим слоем 130 проложен слой 120 сопротивления, как проиллюстрировано на Фиг. 3B.

[0032] Между тем вторая структура поперечного сечения модели, определенной в качестве электронного умножителя в соответствии настоящим вариантом осуществления, состоит из: подложки 100; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала подложки 100; слоя 120A сопротивления, обеспеченного на поверхности 100 формирования слоя у нижележащего слоя 130; и слоя 110 эмиссии вторичных электронов, который имеет поверхность 111 эмиссии вторичных электронов и расположен так, что между ним и нижележащим слоем 130 проложен слой 120A сопротивления, как проиллюстрировано на Фиг. 3C. Структурное отличие между моделью Фиг. 3B и моделью Фиг. 3C состоит в том, что слой 120A сопротивления по Фиг. 3C имеет структуру, в которой множество слоев 120B Pt уложено в стопку от поверхности 101 формирования канала к поверхности 111 эмиссии вторичных электронов с помещенным между ними слоем изолятора, тогда как слой 120 сопротивления у модели по Фиг. 3B сконфигурирован с использованием единственного слоя Pt. В данном случае слой изолятора, проложенный между двумя слоями Pt, имеет поверхность формирования слоя, на которой формируется верхний слой Pt, и функционирует, обеспечивая заполнение изолирующим материалом участка между множеством частиц 121 Pt, составляющих нижний слой Pt.

[0033] Каждый слой Pt, сформированный на подложке 100, заполняется изолирующим материалом (например, MgO или Al₂O₃) между частицами Pt с любым энергетическим уровнем среди множества дискретных энергетических уровней, и свободные электроны в определенной частице 121 Pt (нелокализованной области) перемещаются в смежную частицу 121 Pt через изолирующий материал (локализованную область) за счет туннельного эффекта (прыжкового механизма). В такой двумерной модели электронной проводимости электрическая проводимость σ (обратная сопротивлению) по отношению к температуре T задается следующей формулой. В данном случае нижеследующее ограничено двумерной моделью электронной проводимости для того, чтобы исследовать прыжковый механизм внутри поверхности 140 формирования слоя, в которой множество частиц 121 Pt двумерно расположено на поверхности 140 формирования слоя.

σ: электрическая проводимость

σ₀: электрическая проводимость при T=∞

T: температура (К)

T₀: постоянная температуры

k_B: коэффициент Больцмана

N(E_F): плотность состояний

L_I: расстояние (м) между нелокализованными областями

[0034] Фиг. 4 является графиком, на котором фактические значения измерения множества фактически измеренных образцов нанесены вместе с графиками сглаживающей функции (G410 и G420), полученными на основании вышеупомянутых формул. В данном случае на Фиг. 4 график G410 указывает электрическую проводимость σ образца, в котором слой Pt, толщина которого доведена с помощью АСО до толщины, соответствующей 7 «циклам», сформирован на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130, выполненного из Al₂O₃, а Al₂O₃ (слой 110 эмиссии вторичных электронов), доведенный до толщины, соответствующей 20 «циклам», сформирован путем АСО, и символ «ο» является его фактическим значением измерения. В данном случае единица «цикл» является «циклом АСО», который означает число имплантаций атома путем АСО. Можно контролировать толщину формируемого атомного слоя путем регулирования этого «цикла АСО». Кроме того, график G420 указывает электрическую проводимость σ образца, в котором слой Pt, толщина которого доведена до толщины, соответствующей 6 «циклам» путем АСО, сформирован на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130, выполненного из Al₂O₃, а Al₂O₃ (слой 110 эмиссии вторичных электронов), доведенный до толщины, соответствующей 20 «циклам», сформирован путем АСО, и символ «Δ» является его фактическим значением измерения. Как можно понять из графиков G410 и G420 на Фиг. 4, можно понять, что температурная характеристика улучшается касательно значения сопротивления слоя 120 сопротивления, когда толщина слоя 120 сопротивления (указанная средней толщиной частиц 121 Pt в направлении укладки в стопку) задается толще, даже если частицы 121 Pt, составляющие слой 120 сопротивления, располагаются в плоскости.

[0035] Качественно, только единственный слой Pt формируется между поверхностью 101 формирования канала подложки 100 и поверхностью 111 эмиссии вторичных электронов в случае модели электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, проиллюстрированным на Фиг. 3B. Таким образом, в настоящем варианте осуществления на поверхности 140 формирования слоя формируется частица 121 Pt с такой кристалличностью, которая позволяет подтвердить пик, при котором полная ширина на половине максимума имеет угол 5° или меньше по меньшей мере в плоскости (111) и плоскости (200) в спектре, полученном путем XRD-анализа. Таким образом проводящая область ограничивается в пределах поверхности 140 формирования слоя, и число прыжков свободных электронов, перемещающихся между частицами 121 Pt за счет туннельного эффекта, в настоящем варианте осуществления является небольшим.

[0036] С другой стороны, в случае модели электронного умножителя, проиллюстрированной на Фиг. 3C, слой 120 сопротивления, обеспеченный между поверхностью 101 формирования канала и поверхностью 111 эмиссии вторичных электронов у подложки 100, имеет слоистую структуру, в которой множество слоев 120B Pt расположено с помещенным между ними изолирующим слом. В частности, каждая частица Pt является небольшой в структуре, в которой множество слоев 120B Pt уложено в стопку таким образом, а значит, кристалличность является низкой и число прыжков увеличивается. Кроме того, проводящая область расширяется не только на поверхности 140 формирования слоя, но также в направлении укладки в стопку, а значит, отрицательная температурная характеристика проявляется сильнее касательно значения сопротивления. Вследствие этого из этих примеров понятно, что ограничение проводящей области и уменьшение числа прыжков между частицами Pt, сформированными в плоскости (металлические частицы, составляющие единственный слой Pt), способствуют улучшению температурной характеристики по отношению к значению сопротивления.

[0037] Фиг. 5A является ПЭМ-изображением (изображением в просвечивающем электронном микроскопе) поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления со структурой поперечного сечения (однослойной структурой), проиллюстрированной на Фиг. 3B, а Фиг. 5B является СЭМ-изображением поверхности единственной пленки Pt (слоя 120 сопротивления). В данном случае ПЭМ-изображение на Фиг. 5A является мульти–волновым интерференционным изображением (картиной многолучевой интерференции) образца с толщиной 440 ангстрем (= 44 нм), полученным при задании ускоряющего напряжения на 300 кВ. Образец электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, по которому получали ПЭМ-изображение (Фиг. 5A), обладает слоистой структурой, в которой нижележащий слой 130, слой 120 сопротивления, сконфигурированный с использованием единственного слоя Pt, и слой 110 эмиссии вторичных электронов обеспечены в этом порядке на поверхности 101 формирования канала подложки 100. При этом в качестве образца электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, по которому было получено СЭМ-изображение (Фиг. 5B), использовали образец, из которого удаляли слой 110 эмиссии вторичных электронов, чтобы наблюдать пленку Pt. Толщину единственного слоя Pt (слой 120 сопротивления) доводят до 14 [циклов] путем АСО, а толщину слоя 110 эмиссии вторичных электронов, выполняемого из Al₂O₃, доводят до 68 [циклов] путем АСО. Единственный слой Pt (слой 120 сопротивления) имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолирующим материалом (частью слоя эмиссии вторичных электронов). Кроме того, слой 150, иллюстрируемый на ПЭМ-изображении, показанном на Фиг. 5A, является поверхностным защитным слоем, обеспеченным на поверхности 111 эмиссии вторичных электронов для ПЭМ-измерения.

[0038] Далее будет приведено описание касательно результатов, полученных путем измерения множества образцов 1-7 в отношении степени покрытия частицами 121 Pt поверхности 140 формирования слоя (показателя заполнения частицами 121 Pt единицы площади поверхности 140 формирования слоя) и толщины по направлению укладки в стопку слоя 120 сопротивления, включающего в себя частицу 121 Pt, в качестве физических параметров для определения структурных характеристик слоя 120 сопротивления по настоящему варианту осуществления. В данном случае Фиг. 6A и 6B являются видами для описания измерения степени покрытия частицами 121 Pt поверхности 140 формирования слоя, а Фиг. 7 является графиком, иллюстрирующим отношение между толщиной слоя 120 сопротивления (средней толщиной частицы 121 Pt) и степенью покрытия для подготовленных таким образом образцов 1-7.

[0039] Для измерения степени покрытия частицами 121 Pt, в качестве области измерения на поверхности 140 формирования слоя, на которой расположено множество частиц 121 Pt, задается область (по существу часть плоскости L–M), определяемая осью L и осью M, ортогональными друг другу, как проиллюстрировано на Фиг. 5B. В частности, на полученном по СЭМ-изображению (Фиг. 5B) двоичном изображении слоя 120 сопротивления, рассматриваемого со слоя 110 эмиссии вторичных электронов, область от начала координат (пересечение между осью L и осью M) до положения, отделенного расстоянием L_max по оси L, задается в качестве области измерения оси L, а область от начала координат до положения, отделенного M_max по оси M, задается в качестве области измерения оси M, как проиллюстрировано на Фиг. 6A. Дополнительно, по оси M задается десять линий s1-s10 измерения, параллельных оси L, разделенные друг от друга произвольным интервалом. Фиг. 6B является примером картины яркости, измеренной по произвольной линии измерения из линий s1-s10 измерения. В данной картине яркости низкий уровень (яркость 0) указывает часть поверхности 140 формирования слоя, которая не покрыта частицей 121 Pt, а высокий уровень (уровень яркости Pt) указывает частицу 121 Pt, расположенную на поверхности 140 формирования слоя. Вследствие этого отношение общего расстояния, занимаемого частицей 121 Pt в области измерения оси L на расстоянии L_max, т.е. показатель заполнения на расстоянии частицы 121 Pt по каждой линии измерения, вычисляется из картины яркости по Фиг. 6B. Степень покрытия частицами 121 Pt поверхности 140 формирования слоя задается средним значением показателей заполнения на расстоянии, измеренных для десяти линий s1-s10 измерения.

[0040] Чтобы проиллюстрировать отношение между степенью покрытия частицами 121 Pt, определяемой как указано выше, и толщиной слоя Pt (слоя 120 сопротивления), включающего частицу 121 Pt, результаты измерения образцов 1-7 следующим образом наносят на Фиг. 7. В данном случае все подготовленные образцы 1-7 имеют структуру, в которой слой Pt (слой 120 сопротивления) сформирован на изолирующем слое Al₂O₃, т.е. нижележащем слое 130.

(Образец 1)

нижележащий слой Al₂O₃: 100 [циклов]

слой Pt: 30 [циклов] (толщина: 37 ангстрем (=3,7 нм))

(Образец 2)

нижележащий слой Al₂O₃: 100 [циклов]

слой Pt: 22 [цикла] (толщина: 23 ангстрем (=2,3 нм))

(Образец 3)

нижележащий слой Al₂O₃: 100 [циклов]

слой Pt: 18 [циклов] (толщина: 18 ангстрем (=1,8 нм))

(Образец 4)

нижележащий слой Al₂O₃: 100 [циклов]

слой Pt: 14 [циклов] (толщина: 12 ангстрем (=1,2 нм))

(Образец 5)

нижележащий слой Al₂O₃: 100 [циклов]

слой Pt: 12 [циклов] (толщина: 9 ангстрем (=0,9 нм))

(Образец 6)

нижележащий слой Al₂O₃: 200 [циклов]

слой Pt: 11 [циклов] (толщина: 7 ангстрем (=0,7 нм))

(Образец 7)

нижележащий слой Al₂O₃: 100 [циклов]

слой Pt: 8 [циклов] (толщина: 4 ангстрем (=0,4 нм))

[0041] Как понятно из графика на Фиг. 7, слой Pt находится в пределах диапазона степени покрытия 50-70% в диапазоне, где толщина слоя Pt, сформированного на нижележащем слое 130, составляет 5-40 ангстрем (= 0,5-4 нм). Принимая во внимание применение электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления к различным электронным устройства, можно задавать подходящий диапазон для каждого электронного устройства, служащего в качестве цели применения. Например, когда целью применения электронного умножителя является МКП, толщина слоя металла более предпочтительно задается на 5-15 ангстрем (= 0,5-1,5 нм). Дополнительно, предпочтительно, чтобы толщина металлического слоя была задана на 7-14 ангстрем (= 0,7-1,7 нм), а степень покрытия частицами Pt была задана на 50-60%. С другой стороны, когда целью применения электронного умножителя является трубка канального электронного умножителя (каналотрона), толщина слоя металла предпочтительно задается на 15-40 ангстрем (= 1,5-4 нм). Дополнительно, более предпочтительно, чтобы толщина слоя металла была задана на 18-37 ангстрем (= 1,8-3,7 нм), а степень покрытия частицами Pt была задана на 50-70%. Когда толщина слоя металла задается как описано выше, можно уменьшить число прыжков между металлическими частицами и улучшить температурные характеристики электронного умножителя.

[0042] В данном случае Фиг. 8A является видом, иллюстрирующим другой пример структуры поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления (соответствующим поперечному сечению по Фиг. 3C), а Фиг. 8B является его ПЭМ-изображением. Структура поперечного сечения состоит из: подложки 100; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала подложки 100; слоя 120A сопротивления, обеспеченного на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130; и слоя 110 эмиссии вторичных электронов, который имеет поверхность 111 эмиссии вторичных электронов и расположен так, что между ним и нижележащим слоем 130 проложен слой 120A сопротивления, как проиллюстрировано на Фиг. 8A. Кроме того, слой 120A сопротивления имеет многослойную структуру, в которой множество слоев 120B Pt уложено в стопку от поверхности 101 формирования канала к поверхности 111 эмиссии вторичных электронов со слоем изолятора, помещенным между ними, в модели по Фиг. 8A. В данном случае каждый из слоев 120B Pt имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолирующим материалом (частью слоя эмиссии вторичных электронов).

[0043] ПЭМ-изображение на Фиг. 8B является мульти-волновым интерференционным изображением образца толщиной 440 ангстрем (= 44 нм), полученного путем установки ускоряющего напряжения на 300 кВ, и слой 120A сопротивления составлен десятью слоями 120B Pt с изолирующими материалами, выполненными из Al₂O₃, помещенными между ними. Путем АСО толщину каждого изолирующего слоя, расположенного между слоями 120B Pt, доводят до 20 [циклов], путем АСО толщину каждого из слоев 120B Pt доводят до 5 [циклов], и путем АСО толщину слоя 110 эмиссии вторичных электронов, выполняемого из Al₂O₃, доводят до 68 [циклов]. В данном случае слой 150, проиллюстрированный на ПЭМ-изображении на Фиг. 8B, является поверхностным защитным слоем, обеспеченным на поверхности 111 эмиссии вторичных электронов у слоя 110 эмиссии вторичных электронов.

[0044] Далее будет приведено описание касательно сравнительных результатов между образцом МКП, к которому применяется электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления, и образом МКП, к которому применяется электронный умножитель в соответствии со сравнительным примером, со ссылкой на Фиг. 9, 10A и 10B.

[0045] Образцом по настоящему варианту осуществления является образец, толщина которого составляет 220 ангстрем (=22 нм) и который имеет структуру поперечного сечения, проиллюстрированную на Фиг. 2B. Образец имеет слоистую структуру, в которой нижележащий слой 130, слой 120 сопротивления, сконфигурированный с использованием единственного слоя Pt, и слой 110 эмиссии вторичных электронов обеспечены в этом порядке на поверхности 101 формирования канала подложки 100. Единственный слой Pt (слой 120 сопротивления) имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолятором (частью слоя эмиссии вторичных электронов), и его толщина доведена до 14 [циклов] путем АСО. Толщина слоя 110 эмиссии вторичных электронов, выполненного из Al₂O₃, доведена до 68 [цикл] путем АСО. При этом образец по сравнительному примеру является образцом обычной МКП, в котором слой эмиссии вторичных электронов сформирован на подложке из свинцового стекла.

[0046] Фиг. 9 является графиком, иллюстрирующим температурную характеристику нормированного сопротивления (в момент работы с 800 В) в каждом из образца по настоящему варианту осуществления и образца по сравнительному примеру с вышеописанными структурами. В частности, на Фиг. 9 график G710 указывает температурную зависимость значения сопротивления в образце по настоящему варианту осуществления, а график G720 указывает температурную зависимость значения сопротивления в образце (обычная МКП с подложкой из свинцового стекла) по сравнительному примеру. Как можно понять из Фиг. 9, наклон графика G710 меньше наклона графика G720. Таким образом, температурная зависимость значения сопротивления улучшается путем формирования слоя 120 сопротивления в состоянии, когда единственный слой Pt двумерно ограничивается на поверхности формирования слоя. Таким образом, в соответствии с настоящим вариантом осуществления, температурная характеристика стабилизируется в более широком диапазоне температур, чем в сравнительном примере. В частности, при рассмотрении применения электронного умножителя в соответствии с вариантом осуществления к области техники, такой как усилитель изображения, предпочтительно, чтобы допустимая температурная зависимость попадала в пределы диапазона, в котором значение сопротивления при -60°C кратно 2,7 или менее, а значение сопротивления при +60°C кратно 0,3 или более значению сопротивления при температуре 20°C в качестве опорного.

[0047] Фиг. 10A иллюстрирует спектр, полученный путем XRD-анализа каждого из образца однослойной структуры, в котором пленка, эквивалентная формированию пленки для МКП (модель по Фиг. 3B с использованием слоя Pt), формируется на стеклянной подложке в качестве образца измерения, соответствующего электронному умножителю в соответствии с настоящим вариантом осуществления, и образца многослойной структуры, в котором пленка, эквивалентная формированию пленки для МКП (модель по Фиг. 3C с использованием слоя Pt), формируется на стеклянной подложке. С другой стороны, Фиг. 10B является спектром, полученным путем XRD-анализа образца МКП, в котором слой сопротивления сконфигурирован с использованием единственного слоя Pt. В частности, на Фиг. 10A спектр G810 указывает XRD-спектр образца измерения однослойной структуры, а спектр G820 указывает XRD-спектр образца измерения многослойной структуры. С другой стороны, Фиг. 10B является XDR-спектром образца МКП, в котором слой сопротивления сконфигурирован с использованием единственного слоя Pt после удаления электрода из сплава Ni–Cr (Инконель: зарегистрированный товарный знак). В данном случае в качестве условий измерения спектров, проиллюстрированных на Фиг. 10A и 10B, напряжение трубки рентгеновского источника задавали на 45 кВ, ток трубки задавали на 200 мА, угол падения рентгеновского излучения задавали на 0,3°, интервал рентгеновского облучения задавали на 0,1°, скорость рентгеновского сканирования задавали на 5°/мин, а длина щели рентгеновского облучения в продольном направлении задавали на 5 мм.

[0048] На Фиг. 10A пик, при котором полная ширина на половине максимума имеет угол 5° или меньше, появляется в каждой из плоскости (111), плоскости (200) и плоскости (220) в спектре G810 образца измерения однослойной структуры. С другой стороны, пик появляется только в плоскости (111) в спектре G820 образца измерения многослойной структуры, но полная ширина на половине максимума в этом пике много больше угла 5° (форма пика тупая (размытая)). Таким образом кристалличность каждой частицы Pt, содержащейся в слое Pt, составляющем слой 120 сопротивления, значительно улучшена в однослойной структуре по сравнению с многослойной структурой. Толщина слоя металла становится предпочтительным значением по настоящему изобретению путем улучшения кристалличности, а температурные характеристики электронного умножителя могут быть улучшены путем уменьшения числа прыжков между металлическими частицами.

[0049] Очевидно, что изобретение может быть по–разному модифицировано от вышеупомянутого описания изобретения. Сложно признать, что такие модификации отклоняются от сути и объема изобретения, и все очевидные специалистам в соответствующей области техники улучшения включены в нижеследующую формулу изобретения.

Список ссылочных обозначений

[0050] 1 … микроканальная пластина (МКП); 2 … канальный электронный умножитель; 12 … канал; 100 … подложка; 101 … поверхность формирования канала; 110 … слой эмиссии вторичных электронов; 111 … поверхность эмиссии вторичных электронов; 120 … слой сопротивления; 121 … частица Pt (металлическая частица); 130 … нижележащий слой; и 140 … поверхность формирования слоя.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электронному умножителю со структурой, выполненной с возможностью подавления и стабилизации изменения значения сопротивления в более широком диапазоне температур. Подавление и стабилизация изменений значений сопротивления в более широком диапазоне температур является техническим результатом изобретения, который достигается за счет выполнения в электронном умножителе слоя сопротивления, проложенного между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов. Слой выполнен из изолирующего материала, включающего слой металла, в котором множество металлических частиц имеют значение сопротивления, которое обладает положительной температурной характеристикой, при этом слой расположен смежно с другим, с помещением между ними части первого изолирующего материала на поверхности формирования слоя, которая совпадает или по существу параллельна поверхности формирования канала у подложки, причем слой металла имеет толщину, заданную на 5-40 ангстрем. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электронный умножитель, содержащий:

подложку с поверхностью формирования канала;

слой эмиссии вторичных электронов с нижней поверхностью, обращенной к поверхности формирования канала, и поверхностью эмиссии вторичных электронов, которая находится напротив нижней поверхности и испускает вторичный электрон в результате падения заряженной частицы, причем слой эмиссии вторичных электронов выполнен из первого изолирующего материала; и

слой сопротивления, проложенный между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов,

при этом слой сопротивления включает слой металла, в котором на поверхности формирования слоя двумерно расположено множество металлических частиц в смежном друг с другом состоянии с помещенной между этими металлическими частицами частью первого изолирующего материала, причем металлические частицы выполнены из металлического материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, причем поверхность формирования слоя совпадает с или по существу параллельна поверхности формирования канала, и

при этом слой металла имеет толщину, заданную на 5-40 ангстрем, причем толщина определяется средней толщиной множества металлических частиц по направлению укладки в стопку от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов.

2. Электронный умножитель по п. 1, в котором

толщина слоя металла задана на 5-15 ангстрем.

3. Электронный умножитель по п. 2, в котором

толщина слоя металла задана на 7-14 ангстрем, и

степень покрытия множеством металлических частиц поверхности формирования слоя задана на 50-60%, причем степень покрытия определяется в состоянии, при котором поверхность формирования слоя рассматривается в направлении от слоя эмиссии вторичных электронов к подложке.

4. Электронный умножитель по п. 1, в котором

толщина слоя металла задана на 15-40 ангстрем.

5. Электронный умножитель по п. 4, в котором

толщина слоя металла задана на 18-37 ангстрем, и

степень покрытия множеством металлических частиц поверхности формирования слоя задана на 50-70%, причем степень покрытия определяется в состоянии, при котором поверхность формирования слоя рассматривается в направлении от слоя эмиссии вторичных электронов к подложке.

6. Электронный умножитель по любому из пп. 1-5, дополнительно содержащий

нижележащий слой, обеспеченный между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов, причем нижележащий слой имеет поверхность формирования слоя в положении, обращенном к нижней поверхности слоя эмиссии вторичных электронов, и выполнен из второго изолирующего материала.

7. Электронный умножитель по любому из пп. 1-6, в котором

значение сопротивления слоя сопротивления при температуре -60^оС составляет в 2,7 или менее раза больше, а значение сопротивления слоя сопротивления при +60^оС составляет 0,3 или более относительно значения сопротивления слоя сопротивления при температуре 20^оС.