提高微通道板軟x射線-極紫外線成像性能的方法及產(chǎn)品的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微納技術(shù)制造光學(xué)成像器件領(lǐng)域，具體涉及利用原子層沉積技術(shù)提高 方孔微通道板作為板軟X射線-極紫外線成像性能的方法及產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002] 微通道板（MCP)是一種特殊光學(xué)纖維器件，是一種具有高空間分辨率、增強(qiáng)電子 圖像功能的電子倍增器。它具有體積小、重量輕、增益高、分辨力好、噪聲低及抗輻射能力強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)。一般我們在微通道板工藝制作時添加電子發(fā)射層，可使高速碰撞在內(nèi)壁（通道） 上的電子能成倍增加，使之達(dá)到萬倍以上的電子增流。利用這種特性，使得現(xiàn)在微通道板廣 泛用于光電倍增管、像增強(qiáng)器以及光子計數(shù)的應(yīng)用中。方孔微通道板（MCP)因其結(jié)構(gòu)的特 殊還具有其他用途，根據(jù)反射定律可以知道，當(dāng)入射光束以極小角度在接近或小于全反射 臨界角的情況掠入射到光學(xué)材料表面時，光線將發(fā)生全內(nèi)反射，而當(dāng)入射角大于全反射臨 界角時，光線會被孔壁吸收，不參與成像?；谶@一原理，在一些軟X射線與極紫外波段掠 入射成像系統(tǒng)中，例如工藝上在方孔微通道板內(nèi)壁鍍金屬增反膜，就能夠起到特定波段的 反射作用，從而實(shí)現(xiàn)軟X射線或極紫外波段光線的會聚和準(zhǔn)直，提高軟X射線和極紫外波段 光線的掠入射成像性能。
[0003] 目前微通道板的基底材料為鉛鉍硅酸鹽玻璃，通過氫還原過程將玻璃表面的氧化 鉛或氧化鉍還原得到鉛鉍金屬的單質(zhì)或中間亞穩(wěn)態(tài)離子。因此，微通道板內(nèi)壁結(jié)構(gòu)通常是 非均勻的分層結(jié)構(gòu)，表層是豐富的SiOji，之下是還原層，最外表面是很薄的堿金屬離子單 分子層。內(nèi)壁的一些可還原金屬離子和堿金屬離子在纖維拉制熔合過程中的相互滲透迀 移，以及酸蝕除芯過程中H+對其造成的選擇性溶析，造成了通道內(nèi)壁表面最終呈以硅氧網(wǎng) 絡(luò)骨架為主的粗糙樣貌。由于微通道板內(nèi)壁粗糙度引起的散射也是影響軟X射線與極紫外 波段光線成像性能的因素，因此在實(shí)際應(yīng)用中，若想減小表面散射對軟X射線和極紫外波 段掠入射光學(xué)成像系統(tǒng)的影響，可以通過提高工藝減小內(nèi)壁表面粗糙度來提高光學(xué)系統(tǒng)的 成像質(zhì)量。
[0004] 除了改善方孔微通道板工藝之外，在納米尺寸沉積鍍膜領(lǐng)域發(fā)展起來的原子層沉 積銥薄膜，能夠很好的解決高深寬比結(jié)構(gòu)表面問題，其在微通道板內(nèi)壁制備的銥金屬增反 膜，可以大大提高內(nèi)壁反射面的反射效率。
[0005] 金屬銥化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，是最耐腐蝕的金屬，致密態(tài)銥不溶于所有無機(jī)酸，也 不被其他金屬熔體浸蝕。銥具有高熔點(diǎn)、高穩(wěn)定性，這使其在很多特殊場合具有重要用 途。尤其是銥在軟X射線和紫外波段體現(xiàn)了良好的光學(xué)性能。ThomasWeber等人在文 章《ThomasWeber；ThomasKasebier；AdrianaSzeghalmi；MatoKnez;Ernst-Bernhard Kley；AndreasTlinnermann,Iridiumwiregridpolarizerfabricatedusingatomic layerdeposition，Nanoscaleresearchletters，20116, 1，558 ~558》中基于原子層沉積 技術(shù)實(shí)現(xiàn)銥金屬紫外光柵的設(shè)計。在錢德拉X射線天文臺上X射線望遠(yuǎn)鏡的反射鏡上有一 層60mn厚的銥涂層，在測試過多種金屬之后，銥的X射線反射能力證明比鎳、金和鉑都要優(yōu) 越，而且這層銥的平滑程度要有幾個原子以內(nèi)的準(zhǔn)確度。這無疑是原子層沉積技術(shù)的優(yōu)勢 所在，利用這一技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)原子級別的沉積鍍膜。
[0006] 原子層沉積技術(shù)（ALD)，最初被稱為原子層外延（ALE)，最早是芬蘭科學(xué)家在1974 年提出。它是一種將前驅(qū)體交替脈沖通入反應(yīng)器，使前驅(qū)體在基底上化學(xué)吸附并反應(yīng)形成 沉積薄膜的技術(shù)。當(dāng)前驅(qū)體到達(dá)沉積基體表面時，會在其表面化學(xué)吸附和反應(yīng)，在前驅(qū)體脈 沖之間需要用惰性氣體對反應(yīng)腔進(jìn)行清洗，因此反應(yīng)的前驅(qū)體是原子層沉積技術(shù)的關(guān)鍵。 由于目前微電子和深亞微米芯片技術(shù)的發(fā)展要求器件和材料尺寸的不斷降低，同時器件的 深寬比增強(qiáng)，這樣使用的材料厚度降低到幾個納米量級，這時原子層沉積的技術(shù)優(yōu)勢就體 現(xiàn)出來。
[0007] 原子層沉積技術(shù)具有表面自限制性，這種自限制性正是原子層沉積的基礎(chǔ)，它 保證了沉積的材料致密無針孔、表面平整粗糙度低、膜層構(gòu)成均勻一致和厚度精確可控 等。對于微通道板，由于特殊的結(jié)構(gòu)，以傳統(tǒng)的工藝水平使其內(nèi)壁保證平滑且能夠作為 X射線通道是非常困難的，而原子層沉積技術(shù)完全能夠勝任這項(xiàng)任務(wù)。XinyiChen等 在〈〈XinyiChen,EkaterinaPomerantseva,ParagBanerjee,KeithGregorczyk,Reza Ghodssi,GaryRubloff,Ozone-BasedAtomicLayerDepositionofCrystalline V205FilmsforHighPerformanceElectrochemicalEnergyStorage,Chemistryof Materials，2012, 24, 7, 1255》文章中提出利用原子層沉積技術(shù)在多孔陽極氧化鋁孔內(nèi)部制 備V2〇5薄膜，而且他們所用的多孔陽極氧化鋁基底深寬比在100:1以上。這充分說明了原 子層沉積能夠在微通道板中達(dá)到制備均勻光滑薄膜的目的。這樣，在保證軟X射線一極紫 外波段成像性能優(yōu)越的同時，可以完美的改善微通道板內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，減少殘余氣體的吸附和 離子反饋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提供一種利用原子層沉積技術(shù)提高方孔微通道板用在軟X射線和極紫外 波段成像性能的方法，以解決現(xiàn)代微通道板通道內(nèi)壁缺陷與對軟X射線較低反射率問題， 從而得到一層厚度均勻、性能穩(wěn)定、表面光滑及具有對軟X射線和極紫外波段光線反射特 性的內(nèi)壁涂層。
[0009] X射線具有波長短、能量大和穿透性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此為了能實(shí)現(xiàn)對X射線會聚成 像，通常人們會選擇掠入射系統(tǒng)，并且鏡面材料也會選擇一些吸收系數(shù)相對較小的材料，如 銥、金和鎳等，其對于IkeV光子的掠入射臨界角Γ左右。一般方孔微通道板對X射線聚 焦原理可以先引入一維理想MCP模型來說明，結(jié)合附圖2,當(dāng)入射光線角度達(dá)到臨界角γ。 時，MCP通道壁反射率為ri，反射光線均會會聚在焦點(diǎn)F處，進(jìn)一步把MCP孔壁擴(kuò)展成平行 平面，則光線會聚到F點(diǎn)垂直于圖面的一條直線上。進(jìn)一步的由于是方孔MCP，可以得到光 線最終經(jīng)過方孔微通道板成十字像。因此在內(nèi)壁表面沉積一層對軟X射線和極紫外波段具 有很好光學(xué)特性的銥，這樣增大了反射率η，便能夠增大軟X射線和極紫外波段光學(xué)成像 性能。
[0010] 由于原子層沉積技術(shù)要求前驅(qū)體對基底有吸附性，在不影響微通道板性能前提 下，為了增強(qiáng)金屬銥對通道板內(nèi)壁的吸附性和穩(wěn)定性，還需要沉積一層易吸附的氧化鋁薄 膜。
[0011] 一種原子層沉積提高方孔微通道板軟X射線-極紫外波段成像性能的方法，包 括：
[0012] (1)以氣態(tài)三甲基鋁（TMA)為鋁源，以氣態(tài)去離子水作為氧源，以高純氮?dú)庾鳛?載氣和清潔氣體，利用原子層沉積系統(tǒng)，在鉛鉍玻璃制作的方孔微通道板上沉積氧化鋁 (A1203)薄膜；
[0013] (2)以固態(tài)乙酰丙酮銥（Ir(acac) 3)為銥源，以高純氧氣為氧源還原金屬銥，以高 純氮?dú)庾鳛檩d氣和清潔氣體，利用原子層沉積系統(tǒng)，在步驟（1)的氧化鋁（A1203)薄膜上沉 積銥（Ir)薄膜。
[0014] 作為優(yōu)選，本發(fā)明可采用原子層沉積（ALD)系統(tǒng)進(jìn)行氧化鋁（A1203)薄膜和銥（Ir) 薄膜的沉積，比如可以采用芬蘭倍耐克公司（Beneq)的TFS200原子層沉積（ALD)系統(tǒng)。
[0015] 作為優(yōu)選，在沉積氧化鋁（A1203)薄膜前，需要將反應(yīng)腔室和所用氣路抽真空，氣 壓穩(wěn)定在 6mbar-10mbar。
[0016] 作為優(yōu)選，步驟（1)中，原子層沉積（ALD)系統(tǒng)中反應(yīng)腔溫度為110°C~130°C，進(jìn) 一步優(yōu)選為120 °C。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟（1)中，原子層沉積（ALD)系統(tǒng)的反應(yīng)周期數(shù)為90~120,進(jìn)一步 優(yōu)選為100。沉積速率為〇· 〇8nm~0· 12nm/周期。
[0018] 作為優(yōu)選，步驟（1)中，原子層沉積（ALD)系統(tǒng)中反應(yīng)腔氣體流量是280sccm~ 320sccm，進(jìn)一步優(yōu)選為300sccm，原子層沉積（ALD)系統(tǒng)中真空腔氣體流量是380sccm~ 420sccm，進(jìn)一步優(yōu)先為 400sccm。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟（1)中，氧化鋁薄膜的沉積過程是TMA/N2/H20/N2，脈沖時間為 0· 4~0· 6s/7~9s/0. 4~0· 6s/8~12s，進(jìn)一步優(yōu)選為0· 5s/8s/0. 5s/10s，最終沉積氧化 錯厚度約8nm~12nm;進(jìn)一步優(yōu)選為10nm〇
[0020] 作為優(yōu)選，步驟（2)中，先加熱原子層沉積系統(tǒng)中反應(yīng)腔溫度為320°C~360°C，進(jìn) 一步優(yōu)選為340°C;再加熱固態(tài)源乙酰丙酮銥溫度至170°C~210°C，進(jìn)一步優(yōu)選為190°C。
[0021] 作為優(yōu)選，步驟（2)中，原子層沉積系統(tǒng)的反應(yīng)周期為400~600,進(jìn)一步優(yōu)選為 500。銥沉積速率約為0. 03~0. 05nm/周期，進(jìn)一步優(yōu)選為0. 04nm/周期。
[0022] 作為優(yōu)選，步驟（2)中，銥薄膜的沉積過程是Ir(N2)/N2/02/N2，沉積的銥薄膜厚度 為8~25nm，進(jìn)一步優(yōu)選為20~25nm，再進(jìn)一步優(yōu)選為20nm。脈沖時間為4~6s/10~ 14s/280 ~320ms/10 ~14s。
[0023] 沉積過程具體為：
[0024] (2-1)將氮?dú)猓∟2)通入到銥源瓶中，脈沖時間是480~520ms，將氮?dú)猓∟2)攜帶的 第一前驅(qū)體乙酰丙酮銥送到反應(yīng)腔，脈沖時間持續(xù)4~6s，通入N2到反應(yīng)腔清洗10~14s;
[0025] (2-2)通入第二前驅(qū)體高純氧