微通道板表面碳污染的去除

蔡 华 曹振博 李方骏 薄铁柱 李 庆 徐 滔 王彩丽 刘 辉

(中国建筑材料科学研究总院特种玻璃纤维与光电功能材料研究院，北京 100024)

微通道板表面碳污染的去除

蔡 华 曹振博 李方骏 薄铁柱 李 庆 徐 滔 王彩丽 刘 辉

(中国建筑材料科学研究总院特种玻璃纤维与光电功能材料研究院，北京 100024)

基于微通道板材料和结构特性, 采用俄歇电子能谱仪（AES）分析了不同清洗条件下微通道板表面碳污染情况。研究结果表明:微通道板表面均存在一定程度的碳污染，且包边区碳污染程度高于端面通道区通道壁表面。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区通道壁表面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)是对二维空间分布的带电粒子流进行倍增的器件，是微光像增强器的核心部件。MCP是利用通道壁的二次电子发射特性，使入射电子经与通道壁进行多次碰撞产生大量二次电子，从而达到高倍增的效果。而碳（C）对光电发射是有害的，碳污染会引起微通道板增益下降[1]。因此,在MCP制造过程中要尽量设法去除其表面C的污染。

C对微通道板表面的污染既普遍又很严重。MCP 的制作工艺周期长且复杂,目前国内外普遍采用的制板工艺为实芯法酸蚀去芯工艺，即：坯板经酸处理溶去芯玻璃后，形成MCP倍增所需通道。在酸蚀过程中不可避免的需用去离子水清洗，而水汽等的存在会影响MCP的倍增电学特性，因此，一般需要在水清洗之后采用有机溶剂进行脱水处理，有机溶剂的引入成为一个重要的C污染源。此外，空气中的游离C, 所有的C一H(碳氢化合物)，CO，CO2都可以对微通道板表面形成C的污染[2]。因此在MCP的制造过程中,如何能够利用清洗技术去除污染物十分重要。

本文基于微通道板材料和结构特性，主要探讨紫外臭氧清洗法去除微通道板表面上的C污染，其优点是能够有效的去除MCP表面C污染，不会损伤MCP表面,且操作简便。

2 实 验

2.1 试验条件

本文研究材料为两种成分配比的微通道板用硅酸盐玻璃，其化学组成（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、硝酸钡或碳酸钡碳酸钠、碳酸钾或硝酸钾、碱式碳酸镁、碳酸钙、氢氧化铝为原料混合均匀后，倒入石英坩埚中经电炉熔制，后经1500℃澄清，在1300℃拉制成玻璃管，经350℃退火处理后备用。

微通道板的制备工艺过程：棒管法拉制光学纤维单丝→排列成光纤束并拉制光学纤维复丝→高温热压→切片→研磨抛光→化学清洗去芯抛光→高温氢气还原→镀制电极。将经酸蚀后的微通道板置于还原炉中，样品抽高真空后在450℃下通氢气保温300min后均抽真空随炉冷却到常温，取出后镀膜。将镀膜后的样品分别进行异丙醇（IPA）清洗+烘干，IPA清洗+烘干+紫外臭氧清洗，紫外臭氧清洗以及无后处理，随后真空封装后待检测。

2.2 表征

采用日本ULVAC-PHI公司生产PHI-700型纳米扫描俄歇系统（AES）对4种试样分别进行了MCP输入端面通道区、输入端面包边区的表面的元素种类、元素含量对比分析。试验仪器采用同轴电子枪和CMA能量分析器，电子枪高压为3KV，能量分辨率为1‰，入射角为30°，分析束流为10nA，灵敏度为 0.1at.%，配备中和枪、氩离子枪。Ar离子枪为扫描型，刻蚀能量为1kV，Ar离子刻蚀束斑尺寸为1mm×1mm，深度刻蚀前先采用热氧化SiO2/Si片进行刻蚀深度标样校正，校正的刻蚀速率为10nm/min。测试时为防止MCP表面由于电荷积累导致的结合能漂移，采用中和枪中和表面电荷。样品进行全元素俄歇电子能谱谱线扫描，扫描参数为：电子枪高压为3KV，步长2.0eV/step，扫描收谱范围为20eV～1800eV，扫描次数为15次，所有样品的测试条件保持一致。

3 结果与分析

俄歇能谱图中各元素种类是根据元素特征峰在俄歇微分谱谱线所在峰位能量，查询Perkin-Elmer公司出版的《俄歇电子能谱手册》来确定。俄歇电子微分谱谱线中在基线下方的峰强越高则说明该元素含量越高。四种清洗条件下微通道板的AES样品分析区域如图1所示，选择MCP板端面的通道区通道壁及包边区作为分析区域。

图1 样品分析区域示意图

3.1 不同清洗条件下MCP包边表面状态

图2 不同清洗条件下MCP端面包边表面俄歇电子微分谱全谱图

四种镀膜后不同清洗条件下MCP端面表面包边区俄歇电子微分全谱谱线如图2所示。由于板面均为镀膜后，四种清洗条件下板面端面包边区表面均可见明显的Ni、Cr元素俄歇峰。

四种清洗条件下MCP端面包边区表面均可见明显C元素俄歇峰，其含量见图3。四种清洗条件下，C元素含量：镀膜后O3清洗＜镀膜＜镀膜后IPA清洗烘干+O3清洗＜镀膜后IPA清洗烘干。说明：微通道板在经过IPA(异丙醇)清洗烘干后可能存在一定程度有机物残留，引起微通道板表面C污染。经过紫外臭氧清洗后，能较好的去除微通道板表面有机物污染。

图3 四种清洗条件下MCP端面包边区表面C元素含量

O3—镀膜后紫外臭氧清洗；YS—镀膜；

IPA+O3—镀膜后异丙醇清洗烘干之后再紫外臭氧清洗；IPA—镀膜后异丙醇清洗烘干

3.2 不同材料MCP端面通道表面状态

图4是四种镀膜后不同清洗条件下MCP端面通道区表面俄歇能谱，与图2比较可知，与包边区相比较，MCP端面通道壁表面明显存在Na、K元素。且端面通道壁表面C元素含量均相对更低，如图5所示。针对于I及II两种材料，其通道板端面通道壁表面K元素含量有着明显区别，如图6所示，与I类端面通道壁表面K元素相比， II类MCP端面通道壁表面K元素明显更高。

图4 不同材料及清洗条件下MCP端面通道表面俄歇电子微分谱全谱图

O3—镀膜后紫外臭氧清洗；YS—镀膜；

IPA+O3—镀膜后异丙醇清洗烘干之后再紫外臭氧清洗；IPA—镀膜后异丙醇清洗烘干

此外，两种材料经紫外臭氧清洗后的MCP端面通道壁表面K元素均高于未经臭氧清洗的同种材料MCP。微通道板增益理论一般认为[3,4]，K、Na等碱金属元素是微通道板产生电子倍增的表面碱离子层的主要成分，碱离子由于是正电性离子，其在表面富集会引起表面势垒的下降，降低表面的电子亲合力，致使电子更容易逸出，从而降低表面的功函数，故而利于提高二次电子发射产额，提高MCP增益。从这方面考虑，本次紫外臭氧清洗结果显示，经紫外臭氧处理后的MCP能一定程度上提高MCP增益。

图5 四种清洗条件下MCP端面包边区及通道区表面C元素含量对比

图6 不同材料及清洗条件下MCP端面通道壁表面K元素

O3—镀膜后紫外臭氧清洗；YS—镀膜；

IPA+O3—镀膜后异丙醇清洗烘干之后再紫外臭氧清洗；IPA—镀膜后异丙醇清洗烘干

4 结 语

本文针对I、II两种材料进行了镀膜原始表面、镀膜后紫外臭氧清洗、异丙醇清洗烘干处理以及异丙醇清洗烘干后紫外臭氧清洗四种不同表面清洗方法，针对两种材料四种表面状态的微通道板端面表面进行俄歇电子能谱分析，结果表明：

1）微通道板表面均存在一定程度的C有机物污染，且包边去C有机物污染程度高于端面通道区通道壁表面。

2）采用异丙醇清洗后烘干进行微通道板酸洗后除水的方法会引入一定程度的C有机物污染，因此有必要在异丙醇除水烘干后再进行一道去除表面C有机物污染的清洗工序。

3）紫外臭氧清洗能较有效的去除微通道板表面C有机物污染。对于I类材料经紫外臭氧清洗碳污染的去除率可达21%，对于II类材料经紫外臭氧清洗碳污染的去除率可达48%。

4）采用紫外臭氧清洗的微通道板能够提高端面通道区通道壁表面K元素含量。对于I类材料经紫外臭氧清洗K元素含量提高20%，对于II类材料经紫外臭氧清洗K元素含量提高35%。

[1]王益军,严诚,曾桂林．微通道板清洗技术[J]．半导体技术,2007,32(5):413-416．

[2]孙忠文,黄永刚,贾金升,等．酸蚀对微通道板电性能的影响[J]．应用光学,2008,29(2):161-165．

[3]黄永刚,顾真安,张洋,等．微通道板铅硅酸盐玻璃表面纳米尺度的形貌[J]．硅酸盐学报,2012,7:015．

[4]刘辉,黄英,王善立,等．微通道板固定图案噪声成因探索[J]．中国建材科技,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文献辨识码：B

1003-8965(2017)01-0033-03