微通道板表面碳污染的去除

蔡 華 曹振博 李方駿 薄鐵柱 李 慶 徐 滔 王彩麗 劉 輝

(中國建筑材料科學(xué)研究總院特種玻璃纖維與光電功能材料研究院，北京 100024)

微通道板表面碳污染的去除

蔡 華 曹振博 李方駿 薄鐵柱 李 慶 徐 滔 王彩麗 劉 輝

(中國建筑材料科學(xué)研究總院特種玻璃纖維與光電功能材料研究院，北京 100024)

基于微通道板材料和結(jié)構(gòu)特性, 采用俄歇電子能譜儀（AES）分析了不同清洗條件下微通道板表面碳污染情況。研究結(jié)果表明:微通道板表面均存在一定程度的碳污染，且包邊區(qū)碳污染程度高于端面通道區(qū)通道壁表面。紫外臭氧清洗能有效去除微通道板表面的碳污染，且使微通道板端面通道區(qū)通道壁表面K元素含量提高20%～35%。

微通道板；碳污染；紫外臭氧清洗

1 前 言

微通道板(MCP)是對二維空間分布的帶電粒子流進(jìn)行倍增的器件，是微光像增強(qiáng)器的核心部件。MCP是利用通道壁的二次電子發(fā)射特性，使入射電子經(jīng)與通道壁進(jìn)行多次碰撞產(chǎn)生大量二次電子，從而達(dá)到高倍增的效果。而碳（C）對光電發(fā)射是有害的，碳污染會引起微通道板增益下降[1]。因此,在MCP制造過程中要盡量設(shè)法去除其表面C的污染。

C對微通道板表面的污染既普遍又很嚴(yán)重。MCP 的制作工藝周期長且復(fù)雜,目前國內(nèi)外普遍采用的制板工藝為實(shí)芯法酸蝕去芯工藝，即：坯板經(jīng)酸處理溶去芯玻璃后，形成MCP倍增所需通道。在酸蝕過程中不可避免的需用去離子水清洗，而水汽等的存在會影響MCP的倍增電學(xué)特性，因此，一般需要在水清洗之后采用有機(jī)溶劑進(jìn)行脫水處理，有機(jī)溶劑的引入成為一個重要的C污染源。此外，空氣中的游離C, 所有的C一H(碳?xì)浠衔?，CO，CO2都可以對微通道板表面形成C的污染[2]。因此在MCP的制造過程中,如何能夠利用清洗技術(shù)去除污染物十分重要。

本文基于微通道板材料和結(jié)構(gòu)特性，主要探討紫外臭氧清洗法去除微通道板表面上的C污染，其優(yōu)點(diǎn)是能夠有效的去除MCP表面C污染，不會損傷MCP表面,且操作簡便。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

本文研究材料為兩種成分配比的微通道板用硅酸鹽玻璃，其化學(xué)組成（at%）：I：75% ～78% SiO2、9%～11%（PbO+ Bi2O3）、4% ～ 6%76% SiO2、12%～14%（PbO+ Bi2O3）、7% ～ 10%(K2O+Na2O)、1%～4% (BaO+MgO)，以硅酸、硝酸鋇或碳酸鋇碳酸鈉、碳酸鉀或硝酸鉀、堿式碳酸鎂、碳酸鈣、氫氧化鋁為原料混合均勻后，倒入石英坩堝中經(jīng)電爐熔制，后經(jīng)1500℃澄清，在1300℃拉制成玻璃管，經(jīng)350℃退火處理后備用。

微通道板的制備工藝過程：棒管法拉制光學(xué)纖維單絲→排列成光纖束并拉制光學(xué)纖維復(fù)絲→高溫?zé)釅骸衅心伖狻瘜W(xué)清洗去芯拋光→高溫氫氣還原→鍍制電極。將經(jīng)酸蝕后的微通道板置于還原爐中，樣品抽高真空后在450℃下通氫氣保溫300min后均抽真空隨爐冷卻到常溫，取出后鍍膜。將鍍膜后的樣品分別進(jìn)行異丙醇（IPA）清洗+烘干，IPA清洗+烘干+紫外臭氧清洗，紫外臭氧清洗以及無后處理，隨后真空封裝后待檢測。

2.2 表征

采用日本ULVAC-PHI公司生產(chǎn)PHI-700型納米掃描俄歇系統(tǒng)（AES）對4種試樣分別進(jìn)行了MCP輸入端面通道區(qū)、輸入端面包邊區(qū)的表面的元素種類、元素含量對比分析。試驗(yàn)儀器采用同軸電子槍和CMA能量分析器，電子槍高壓為3KV，能量分辨率為1‰，入射角為30°，分析束流為10nA，靈敏度為 0.1at.%，配備中和槍、氬離子槍。Ar離子槍為掃描型，刻蝕能量為1kV，Ar離子刻蝕束斑尺寸為1mm×1mm，深度刻蝕前先采用熱氧化SiO2/Si片進(jìn)行刻蝕深度標(biāo)樣校正，校正的刻蝕速率為10nm/min。測試時為防止MCP表面由于電荷積累導(dǎo)致的結(jié)合能漂移，采用中和槍中和表面電荷。樣品進(jìn)行全元素俄歇電子能譜譜線掃描，掃描參數(shù)為：電子槍高壓為3KV，步長2.0eV/step，掃描收譜范圍為20eV～1800eV，掃描次數(shù)為15次，所有樣品的測試條件保持一致。

3 結(jié)果與分析

俄歇能譜圖中各元素種類是根據(jù)元素特征峰在俄歇微分譜譜線所在峰位能量，查詢Perkin-Elmer公司出版的《俄歇電子能譜手冊》來確定。俄歇電子微分譜譜線中在基線下方的峰強(qiáng)越高則說明該元素含量越高。四種清洗條件下微通道板的AES樣品分析區(qū)域如圖1所示，選擇MCP板端面的通道區(qū)通道壁及包邊區(qū)作為分析區(qū)域。

圖1 樣品分析區(qū)域示意圖

3.1 不同清洗條件下MCP包邊表面狀態(tài)

圖2 不同清洗條件下MCP端面包邊表面俄歇電子微分譜全譜圖

四種鍍膜后不同清洗條件下MCP端面表面包邊區(qū)俄歇電子微分全譜譜線如圖2所示。由于板面均為鍍膜后，四種清洗條件下板面端面包邊區(qū)表面均可見明顯的Ni、Cr元素俄歇峰。

四種清洗條件下MCP端面包邊區(qū)表面均可見明顯C元素俄歇峰，其含量見圖3。四種清洗條件下，C元素含量：鍍膜后O3清洗＜鍍膜＜鍍膜后IPA清洗烘干+O3清洗＜鍍膜后IPA清洗烘干。說明：微通道板在經(jīng)過IPA(異丙醇)清洗烘干后可能存在一定程度有機(jī)物殘留，引起微通道板表面C污染。經(jīng)過紫外臭氧清洗后，能較好的去除微通道板表面有機(jī)物污染。

圖3 四種清洗條件下MCP端面包邊區(qū)表面C元素含量

O3—鍍膜后紫外臭氧清洗；YS—鍍膜；

IPA+O3—鍍膜后異丙醇清洗烘干之后再紫外臭氧清洗；IPA—鍍膜后異丙醇清洗烘干

3.2 不同材料MCP端面通道表面狀態(tài)

圖4是四種鍍膜后不同清洗條件下MCP端面通道區(qū)表面俄歇能譜，與圖2比較可知，與包邊區(qū)相比較，MCP端面通道壁表面明顯存在Na、K元素。且端面通道壁表面C元素含量均相對更低，如圖5所示。針對于I及II兩種材料，其通道板端面通道壁表面K元素含量有著明顯區(qū)別，如圖6所示，與I類端面通道壁表面K元素相比， II類MCP端面通道壁表面K元素明顯更高。

圖4 不同材料及清洗條件下MCP端面通道表面俄歇電子微分譜全譜圖

O3—鍍膜后紫外臭氧清洗；YS—鍍膜；

IPA+O3—鍍膜后異丙醇清洗烘干之后再紫外臭氧清洗；IPA—鍍膜后異丙醇清洗烘干

此外，兩種材料經(jīng)紫外臭氧清洗后的MCP端面通道壁表面K元素均高于未經(jīng)臭氧清洗的同種材料MCP。微通道板增益理論一般認(rèn)為[3,4]，K、Na等堿金屬元素是微通道板產(chǎn)生電子倍增的表面堿離子層的主要成分，堿離子由于是正電性離子，其在表面富集會引起表面勢壘的下降，降低表面的電子親合力，致使電子更容易逸出，從而降低表面的功函數(shù)，故而利于提高二次電子發(fā)射產(chǎn)額，提高M(jìn)CP增益。從這方面考慮，本次紫外臭氧清洗結(jié)果顯示，經(jīng)紫外臭氧處理后的MCP能一定程度上提高M(jìn)CP增益。

圖5 四種清洗條件下MCP端面包邊區(qū)及通道區(qū)表面C元素含量對比

圖6 不同材料及清洗條件下MCP端面通道壁表面K元素

O3—鍍膜后紫外臭氧清洗；YS—鍍膜；

IPA+O3—鍍膜后異丙醇清洗烘干之后再紫外臭氧清洗；IPA—鍍膜后異丙醇清洗烘干

4 結(jié) 語

本文針對I、II兩種材料進(jìn)行了鍍膜原始表面、鍍膜后紫外臭氧清洗、異丙醇清洗烘干處理以及異丙醇清洗烘干后紫外臭氧清洗四種不同表面清洗方法，針對兩種材料四種表面狀態(tài)的微通道板端面表面進(jìn)行俄歇電子能譜分析，結(jié)果表明：

1）微通道板表面均存在一定程度的C有機(jī)物污染，且包邊去C有機(jī)物污染程度高于端面通道區(qū)通道壁表面。

2）采用異丙醇清洗后烘干進(jìn)行微通道板酸洗后除水的方法會引入一定程度的C有機(jī)物污染，因此有必要在異丙醇除水烘干后再進(jìn)行一道去除表面C有機(jī)物污染的清洗工序。

3）紫外臭氧清洗能較有效的去除微通道板表面C有機(jī)物污染。對于I類材料經(jīng)紫外臭氧清洗碳污染的去除率可達(dá)21%，對于II類材料經(jīng)紫外臭氧清洗碳污染的去除率可達(dá)48%。

4）采用紫外臭氧清洗的微通道板能夠提高端面通道區(qū)通道壁表面K元素含量。對于I類材料經(jīng)紫外臭氧清洗K元素含量提高20%，對于II類材料經(jīng)紫外臭氧清洗K元素含量提高35%。

[1]王益軍,嚴(yán)誠,曾桂林．微通道板清洗技術(shù)[J]．半導(dǎo)體技術(shù),2007,32(5):413-416．

[2]孫忠文,黃永剛,賈金升,等．酸蝕對微通道板電性能的影響[J]．應(yīng)用光學(xué),2008,29(2):161-165．

[3]黃永剛,顧真安,張洋,等．微通道板鉛硅酸鹽玻璃表面納米尺度的形貌[J]．硅酸鹽學(xué)報,2012,7:015．

[4]劉輝,黃英,王善立,等．微通道板固定圖案噪聲成因探索[J]．中國建材科技,2005,14(6):30-33．

Removing of the Carbon contamination from micro-channel plate surface

Based on the materials and structural characteristics of micro-channel plate(MCP), the auger electron spectroscopy(AES) was used to study the carbon contaminations under different cleaning conditions． The results show that carbon contamination on the surface of micro-channel plate are exist, the degree of carbon contamination on the surface of border zone is higher than which on the surface of active zone． Ultraviolet ozone cleaning is effective in removing the carbon contamination on the surface of microchannel plate, and increase the content of potassium in the surface of micro-channel wall in active zone by 20% to 35%．

micro-channel plate(mcp)；Carbon contamination；ultraviolet ozone cleaning

TN223文獻(xiàn)辨識碼：B

1003-8965(2017)01-0033-03