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 (наносплав оксида меди, легированного цинком) с помещенным между ними изолирующим слоем Al₂O₃, применяется в качестве слоя сопротивления, способного регулировать значение сопротивления, образуемое непосредственно под поверхностью эмиссии вторичных электронов. В дополнение 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 цитирования

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 применим 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 ответ на падение 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. Кроме того, число слоев металла, существующих между поверхностью формирования канала и поверхностью эмиссии вторичных электронов, ограничено одним.

[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 очевиден из нижеследующего подробного описания. Между тем подробное описание и особые 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 заданной поверхности в состоянии смежно друг с другом с помещенной между ними частью первого изолирующего материала.

Краткое описание чертежей

[0012] Фиг. 1A и 1B являются видами, иллюстрирующими конструкции различных электронных устройств, в которых 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. 3 является моделью электронной проводимости, иллюстрирующей конструкцию электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, в частности, слоя сопротивления.

Фиг. 4A и 4B являются видами для количественного описания зависимости между температурой и электрической проводимостью в электронном умножителе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, в частности, слоя сопротивления.

Фиг. 5 является графиком, иллюстрирующим температурную зависимость электрической проводимости для каждого образца, включающего единственный слой Pt разной толщины в качестве слоя сопротивления.

Фиг. 6A является изображением, полученным с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), поперечного сечения электронного умножителя со структурой поперечного сечения, проиллюстрированной на Фиг. 4A, а Фиг. 6B является изображением, полученным с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), поверхности единственного слоя Pt (слой сопротивления).

Фиг. 7A и 7B являются видами, иллюстрирующими примеры различных структур поперечного сечения, применимых к электронному умножителю в соответствии с настоящим вариантом осуществления.

Фиг. 8A и 8B являются видами, иллюстрирующими пример структуры поперечного сечения электронного умножителя в соответствии со сравнительным примером (соответствующим поперечному сечению по Фиг. 4A) и ее ПЭМ-изображение.

Фиг. 9 является графиком, иллюстрирующим температурную характеристику (при n операции с 800 В) нормированного сопротивления в каждом из образца МКП, к которому применим электронный умножитель в соответствии с настоящим вариантом осуществления, и образца МКП, к которому применим 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, применимого 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 применим 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 ответ на падение 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. Кроме того, число слоев металла, существующих между поверхностью формирования канала и поверхностью эмиссии вторичных электронов, ограничено одним.

[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 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, при котором полная ширина на половине максимума (высоты) имеет угол 5° или менее.

[0016] (2) В качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления электронный умножитель может дополнительно включать нижележащий слой, который предусмотрен между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов и выполнен из второго изолирующего материала. В этом случае нижележащий слой имеет поверхность формирования слоя в положении, обращенном к нижней поверхности слоя эмиссии вторичных электронов.

[0017] (3) В качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления первый изолирующий материал и второй изолирующий материал могут отличаться друг от друга. И наоборот, в качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления, второй изолирующий материал может быть точно таким же изолирующим материалом, как и первый изолирующий материал. Кроме того, в качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления слой эмиссии вторичных электронов может быть задан толще нижележащего слоя касательно толщины каждого слоя, определяемой по направлению укладки стопкой от поверхности формирования канала до поверхности эмиссии вторичных электронов. И наоборот, в качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления слой эмиссии вторичных электронов может быть задан тоньше нижележащего слоя касательно толщины каждого слоя, определяемой по направлению укладки стопкой от поверхности формирования канала до поверхности эмиссии вторичных электронов.

[0018] (4) В качестве одного аспекта настоящего варианта осуществления по меньшей мере один набор металлических частиц, находящихся смежно друг с другом, с помещенной между ними частью первого изолирующего материала, среди множества металлических частиц, составляющих слой металла, предпочтительно удовлетворяет соотношению, при котором минимальное расстояние между одним набором металлических частиц короче средней толщины металлических частиц, определяемой по направлению укладки стопкой от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов. В данном случае «средняя толщина» металлических частиц в настоящем описании означает толщину пленки, когда множество металлических частиц, двумерно расположенных на поверхности формирования слоя, сформировано в форме плоской пленки, и «средняя толщина» определяет толщину слоя металла, включающего множество металлических частиц.

[0019] Как описано выше, каждый аспект, перечисленный в [Описание 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 обозначениями, 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 предусмотрен на одном торце стеклянной подложки; и электрод 13B стороны выхода, который предусмотрен 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 на Фиг. 1B включает: стеклянную трубку, которая имеет сквозное отверстие, функционирующее в качестве канала 12 для умножения электронов; электрод 14 стороны входа, который предусмотрен на участке проема стороны входа стеклянной трубки; и электрод 17 стороны выхода, который предусмотрен на участке отверстия 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 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. В настоящем варианте осуществления число слоев 120 сопротивления, существующих между поверхностью 101 формирования канала у подложки 100 и поверхностью 111 эмиссии вторичных электронов, ограничено одним. Множество металлических частиц, составляющих слой 120 сопротивления, предпочтительно выполнено из материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, такого как Pt, Ir, Mo и W. Авторы изобретения подтвердили, что наклон (крутизна) 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 стопкой 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 получается спектр с пиком, при котором полная ширина на половине максимума имеет угол 5° или меньше по меньшей мере в плоскости (111) или плоскости (200), как проиллюстрировано на Фиг. 10A. На Фиг. 10A и 10B плоскость (111) у Pt указана как Pt(111), а плоскость (200) у Pt указана как Pt(200).

[0026] В данном случае наличие нижележащего слоя 130, проиллюстрированного на Фиг. 2B, не оказывает влияние 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, с точки зрения того, что между подложкой 100 и слоем 110 эмиссии вторичных электронов нижележащий слой не предусмотрен. Поверхность 101 формирования канала у 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.

[0027] 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.

[0028] Фиг. 3, 4A и 4B являются видами для количественного описания зависимости между температурой и электрической проводимостью в электронном умножителе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, в частности, в слое сопротивления. В частности, Фиг. 3 является схематичным видом для описания модели электронной проводимости в единственном слое Pt (слое 120 сопротивления), сформированном на поверхности 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130. В дополнение Фиг. 4A иллюстрирует пример модели поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, а Фиг. 4B иллюстрирует пример модели поперечного сечения электронного умножителя в соответствии со сравнительным примером.

[0029] В модели электронной проводимости, проиллюстрированной на Фиг. 3, частицы 121 Pt, составляющие единственный слой Pt (слой 120 сопротивления), расположены 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, часть слоя 110 эмиссии вторичных электронов в контакте с поверхностью 140 формирования слоя у нижележащего слоя 130), помещенной между ними. В данном случае средняя толщина S по направлению укладки стопкой множества частиц 121 Pt, которые составляют слой 120 сопротивления и двумерно расположены на поверхности 140 формирования слоя с частью слоя 110 эмиссии вторичных электронов (первым изолирующим материалом), помещенной между ними (металлические частицы, значения сопротивления которых обладают положительными температурными характеристиками), удовлетворяет соотношению S>L_I касательно расстояния L_I (минимального расстояния между частицами Pt, смежными с изолирующим материалом, помещенным между ними) в настоящем варианте осуществления. В данном случае средняя толщина S частицы Pt определяется толщиной пленки, когда множество частиц Pt формируется в форме пленки, как проиллюстрировано на Фиг. 3 (заштрихованный участок на Фиг. 3). Кроме того, средняя толщина S соответствует толщине слоя 120 сопротивления.

[0030] Кроме того, структура поперечного сечения модели, характеризуемой в качестве электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, состоит из: подложки 100; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала у 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. 4A.

[0031] С другой стороны, структура поперечного сечения модели, характеризуемой в качестве электронного умножителя в соответствии со сравнительным примером, состоит из: подложки 100; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала у подложки 100; слоя 120A сопротивления, обеспеченного на поверхности 100 формирования слоя у нижележащего слоя 130; и слоя 110 эмиссии вторичных электронов (изолятора), 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. 4B. Структурное отличие между моделью по настоящему варианту осуществления (Фиг. 4A) и моделью по сравнительному примеру (Фиг. 4B) состоит в том, что слой 120A сопротивления модели по сравнительному примеру имеет структуру, в которой множество слоев 120B Pt уложено стопкой от поверхности 101 формирования канала к поверхности 111 эмиссии вторичных электронов со слоем-изолятором, помещенным между ними, тогда как слой 120 сопротивления модели по настоящему варианту осуществления сконфигурирован с использованием единственного слоя Pt.

[0032] 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 (нелокализованная область) перемещаются в смежную частицу 121 Pt через изолирующий материал (локализованная область) посредством туннельного эффекта (прыжковый механизм). В такой двумерной модели электронной проводимости удельная электрическая проводимость σ (обратная удельному 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 расположены на поверхности 140 формирования слоя.

σ : удельная электрическая проводимость

σ₀ : удельная электрическая проводимость при T=∞

T : температура (K)

T₀ : постоянная температуры

k_B : коэффициент Больцмана

N(E_F) : плотность состояний

L_I : расстояние (м) между нелокализованными областями.

[0033] Фиг. 5 является графиком, на который нанесены фактические значения измерения множества фактически измеренных образцов вместе с графиками сглаживающей функции (G410 и G420), полученными на основании вышеупомянутых формул. В данном случае на Фиг. 5 график G410 указывает электрическую проводимость σ образца, в котором слой Pt, толщина которого доведена до толщины, соответствующей 7 «циклам» 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 «Ο» является его фактическим значением измерения. В данном случае единица «цикл» является «циклом АСО», который означает число имплантаций атомов путем АСО. Путем регулирования этого «цикла АСО» можно контролировать толщину формируемого атомного слоя. В дополнение график G420 указывает электрическую проводимость σ образца, в котором слой Pt, толщина которого доведена до толщины, соответствующей 6 «циклам» 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. 5, можно понять, что температурная характеристика улучшается с точки зрения значения сопротивления у слоя 120 сопротивления, когда толщина слоя 120 сопротивления (указанная средней толщиной частиц 121 Pt в направлении укладки стопкой) задается толще, даже если частицы 121 Pt, составляющие слой 120 сопротивления, располагаются в плоскости.

[0034] Качественно, только единственный слой Pt формируется между поверхностью 101 формирования канала у подложки 100 и поверхностью 111 эмиссии вторичных электронов в случае модели электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, проиллюстрированным на Фиг. 4A. То есть в настоящем варианте осуществления частица 121 Pt с такой кристалличностью, которая позволяет подтвердить пик, при котором полная ширина на половине максимума имеет угол 5° или меньше, формируется на поверхности 140 формирования слоя 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 невелико.

[0035] С другой стороны, в случае модели электронного умножителя в соответствии со сравнительным примером, проиллюстрированным на Фиг. 4B, слой 120 сопротивления, обеспеченный между поверхностью 101 формирования канала и поверхностью 111 эмиссии вторичных электронов подложки 100, имеет слоистую структуру, в которой множество слоев 120B Pt выполнено с изолирующим слом, помещенным между ними. В частности, сложно подтвердить кристалличность каждой из частиц 121 Pt в такой структуре, в которой множество слоев 120B Pt уложены стопкой (сложно подтвердить множество пиков в спектре, полученном путем XRD-анализа). Таким образом, каждая частица Pt является небольшой в сравнительном примере на Фиг. 4B, и поэтому кристалличность является низкой и число прыжков увеличивается. Кроме того, проводящая область расширяется не только по поверхности 140 формирования слоя, но также в направлении укладки стопкой, и поэтому отрицательная температурная характеристика проявляется сильнее с точки зрения значения сопротивления. С другой стороны, в настоящем варианте осуществления температурная характеристика касательно значения сопротивления эффективно улучшается благодаря ограничению проводящей области и уменьшению числа прыжков электронов между частицами Pt, сформированными в плоскости (металлические частицы, составляющие единственный слой Pt).

[0036] Фиг. 6A является ПЭМ-изображением (изображением в просвечивающем электронном микроскопе) поперечного сечения электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления со структурой поперечного сечения (однослойная структура), проиллюстрированной на Фиг. 4A, а Фиг. 6B является СЭМ-изображением (изображением в сканирующем электронном микроскопе) поверхности единственной пленки Pt (слой 120 сопротивления). В данном случае ПЭМ-изображение на Фиг. 6A является мульти-волновым интерференционным изображением (картиной многолучевой интерференции) образца с толщиной 440 ангстрем (=44 нм), полученным путем установки ускоряющего напряжения на 300 кВ. Образец электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, из которого получали ПЭМ-изображение (Фиг. 6A), 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 у подложки 100. Между тем образец, из которого слой 110 эмиссии вторичных электронов был удален, использовали в качестве образца электронного умножителя в соответствии с настоящим вариантом осуществления, из которого получали СЭМ-изображение (Фиг. 6B), чтобы обследовать пленку Pt. Путем АСО толщину единственного слоя Pt (слой 120 сопротивления) доводят до 14 [циклов], и путем АСО толщину слоя 110 эмиссии вторичных электронов, выполненного из Al₂O₃, доводят до 68 [циклов]. Единственный слой Pt (слой 120 сопротивления) имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолирующим материалом (часть слоя эмиссии вторичных электронов). Кроме того, слой 150, проиллюстрированный на ПЭМ-изображении на Фиг. 6A, является поверхностным защитным слоем, обеспеченным на поверхности 111 эмиссии вторичных электронов для ПЭМ-измерения.

[0037] В данном случае 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. Кроме того, положение слоя сопротивления, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала у подложки 100, может быть задано произвольно. Например, в примере, проиллюстрированном на Фиг. 7A, толщина S1 слоя 110 эмиссии вторичных электронов, между которым и нижележащим слоем 130 проложен слой 120 сопротивления, больше толщины S2 нижележащего слоя 130. В этом случае слой 120 сопротивления формируется в положении ближе к поверхности 111 эмиссии вторичных электронов, чем к поверхности 101 формирования канала. Когда в качестве слоя 120 сопротивления используется материал, стабильность формирования пленки которого путем АСО низкая, можно улучшить стабильность формирования пленки у слоя 120 сопротивления путем формирования нижележащего слоя 130 толстым. И наоборот, в примере, проиллюстрированном на Фиг. 7B, толщина S1 слоя 110 эмиссии вторичных электронов, между которым и нижележащим слоем 130 проложен слой 120 сопротивления, меньше толщины S2 нижележащего слоя 130. В этом случае слой 120 сопротивления формируется в положении ближе к поверхности 101 формирования канала, чем к поверхности 111 эмиссии вторичных электронов. Можно улучшить коэффициент усиления электронного умножителя путем формирования слоя 110 эмиссии вторичных электронов толстым.

[0038] Между тем Фиг. 8A является видом, иллюстрирующим пример структуры поперечного сечения электронного умножителя в соответствии со сравнительным примером (соответствующим поперечному сечению по Фиг. 4B), а Фиг. 8B является его ПЭМ-изображением. Структура поперечного сечения электронного умножителя в соответствии со сравнительным примером состоит из: подложки 100; нижележащего слоя 130, обеспеченного на поверхности 101 формирования канала у 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. В дополнение слой 120A сопротивления имеет многослойную структуру, в которой множество слоев 120B Pt уложены стопкой от поверхности 101 формирования канала к поверхности 111 эмиссии вторичных электронов со слоем-изолятором, помещенным между ними, в модели по сравнительному примеру (Фиг. 8A). В данном случае каждый из слоев 120B Pt имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолирующим материалом (часть слоя эмиссии вторичных электронов).

[0039] ПЭМ-изображение на Фиг. 8B является мультиволновым интерференционным изображением образца с 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 толщина каждого изолирующего слоя, расположенного между слоями 120B Pt, доведена до 20 [циклов], путем АСО толщина каждого из слоев 120B Pt доведена до 5 [циклов], и путем АСО толщина слоя 110 эмиссии вторичных электронов, выполненного из Al₂O₃, доведена 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.

[0040] 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.

[0041] Образцом по настоящему варианту осуществления является образец, толщина которого составляет 220 ангстрем (=22 нм) и который имеет структуру поперечного сечения, проиллюстрированную на Фиг. 4A. 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 у подложки 100. Единственный слой Pt (слой 120 сопротивления) имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолирующим материалом (часть 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 [циклов] путем АСО.

[0042] Между тем образец по сравнительному примеру является образцом, толщина которого составляет 440 ангстрем (=44 нм) и который имеет структуру поперечного сечения, проиллюстрированную на Фиг. 4B. Образец имеет слоистую структуру, в которой нижележащий слой 130, слой 120A сопротивления и поверхность 111 эмиссии вторичных электронов обеспечены в этом порядке на поверхности 101 формирования канала у подложки 100. Слой 120A сопротивления имеет структуру, в которой десять слоев 120B Pt уложены стопкой с помещенными между ними изоляторами. В данном случае каждый из слоев 120B Pt имеет структуру, в которой участок между частицами 121 Pt заполняется изолирующим материалом (часть слоя эмиссии вторичных электронов). В дополнение путем АСО толщина каждого изолирующего слоя, расположенного между слоями 120B Pt, доведена до 20 [циклов], путем АСО толщина каждого из слоев 120B Pt доведена до 5 [циклов], и путем АСО толщина слоя 110 эмиссии вторичных электронов, выполненного из Al₂O₃, доведена до 68 [циклов].

[0043] 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 по сравнительному примеру. Как можно понять из Фиг. 9, крутизна графика G710 меньше крутизны графика G720. То есть 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 настоящим вариантом осуществления к области техники, такой как усилитель изображения, предпочтительно, чтобы допустимая температурная зависимость, например, попадала в пределы диапазона, в котором значение сопротивления при -60°C является кратным 2,7 или менее, а значение сопротивления при +60°C является кратным 0,3 или более значению сопротивления при температуре 20°C в качестве опорного.

[0044] Фиг. 10A иллюстрирует спектр, полученный путем XRD-анализа каждого из образца, в котором пленка, эквивалентная сформированной для МКП пленки (модель по Фиг. 4A с использованием слоя Pt), формируется на стеклянной подложке в качестве образца измерения, соответствующего электронному умножителю в соответствии с настоящим вариантом осуществления, и образца, в котором пленка, эквивалентная сформированной для МКП пленки (модель по Фиг. 4B с использованием слоя Pt), формируется на стеклянной подложке в качестве образца измерения, соответствующего электронному умножителю в соответствии со сравнительным примером. С другой стороны, Фиг. 10B является спектром, полученным путем XRD-анализа образца МКП по настоящему варианту осуществления с вышеописанной структурой. В частности, режим измерения Фиг. 10B является образцом МКП, в котором в качестве электрода 13A стороны входа и электрода 13B стороны выхода обеспечены электроды из сплава Ni-Cr (Инконель: зарегистрированный товарный знак). В частности, на Фиг. 10A спектр G810 указывает XRD-спектр образца измерения по настоящему варианту осуществления, а спектр G820 указывает XRD-спектр образца измерения по сравнительному примеру. Между тем, XRD-спектр по Фиг. 10B измеряли после удаления электродов из сплава Ni-Cr образца МКП по настоящему варианту осуществления. В данном случае в качестве условий измерения спектра, проиллюстрированного на Фиг. 10A и 10B, напряжение рентгеновской трубки 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, и длину щели для рентгеновского облучения в продольном направлении задавали на 5 мм.

[0045] 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 по настоящему варианту осуществления. С другой стороны, в спектре G820 образца измерения по сравнительному примеру пик появляется только в плоскости (111), но полная ширина на половине максимума в этом пике много больше угла 5° (форма пика размытая). Таким образом кристалличность каждой частицы Pt, содержащейся в слое Pt, составляющем слой 120 сопротивления, значительно улучшена в настоящем варианте осуществления в сравнении со сравнительным примером.

[0046] Очевидно, что изобретение может быть по-разному модифицировано, исходя из вышеупомянутого описания изобретения. Трудно учитывать, что такие модификации отступают от сути и объема изобретения, и все улучшения, очевидные специалистам в данной области техники, включены в нижеследующую формулу изобретения.

Список ссылочных обозначений

[0047] 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, что является техническим результатом изобретения. В электронном умножителе слой сопротивления, проложенный между подложкой и слоем эмиссии вторичных электронов, выполненным из изолирующего материала, сконфигурирован с использованием единственного слоя металла, в котором множество металлических частиц, выполненных из металлического материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, двумерно расположено в состоянии смежно друг с другом с помещенной между ними частью первого изолирующего материала на поверхности формирования слоя, которая совпадает с или по существу параллельна поверхности формирования канала. 8 з.п. ф-лы, 18 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 противоположна нижней поверхности и испускает вторичные электроны в результате падения заряженной частицы, причем слой эмиссии вторичных электронов выполнен из первого изолирующего материала; и

слой сопротивления, расположенный 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 каждая из металлических частиц выполнена из металлического материала, значение сопротивления которого обладает положительной температурной характеристикой, причем поверхность формирования слоя совпадает с или по существу параллельна поверхности формирования канала, и

слой металла, существующий между поверхностью формирования канала и поверхностью эмиссии вторичных электронов, образован только одним слоем.

2. Электронный умножитель по п. 1, дополнительно содержащий

нижележащий слой, предусмотренный 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.

3. Электронный умножитель по п. 2, в котором первый изолирующий материал и второй изолирующий материал отличаются друг от друга.

4. Электронный умножитель по п. 2, в котором второй изолирующий материал является изолирующим материалом, идентичным первому изолирующему материалу.

5. Электронный умножитель по п. 2, в котором первым изолирующим материалом является MgO, а вторым изолирующим материалом является Al₂O₃ или SiO₂.

6. Электронный умножитель по любому из пп. 2-5, в котором слой эмиссии вторичных электронов толще нижележащего слоя касательно толщины каждого слоя, определяемой по направлению укладки стопкой от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов.

7. Электронный умножитель по любому из пп. 2-5, в котором слой эмиссии вторичных электронов тоньше нижележащего слоя касательно толщины каждого слоя, определяемой по направлению укладки стопкой от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов.

8. Электронный умножитель по любому из пп. 1-7, в котором среди множества металлических частиц, составляющих слой металла, по меньшей мере один набор смежных друг с другом металлических частиц с помещенной между этими металлическими частицами частью первого изолирующего материала удовлетворяет соотношению, при котором минимальное расстояние между упомянутым одним набором металлических частиц короче средней толщины металлических частиц, определяемой по направлению укладки стопкой от поверхности формирования канала к поверхности эмиссии вторичных электронов.

9. Электронный умножитель по любому из пп. 1-8, в котором слой сопротивления обладает температурной характеристикой в пределах диапазона, в котором значение сопротивления слоя сопротивления при температуре -60°C составляет в 2,7 или менее раза больше, а значение сопротивления слоя сопротивления при +60°C составляет 0,3 или более относительно значения сопротивления слоя сопротивления при температуре 20°C.