mcps

电子束蒸镀MCP超薄防离子反馈膜及膜层特性分析

张太民;石峰;朱宇峰;李敏;聂晶;张妮;刘晓健;贺英萍

【摘要】Inordertostudythepropertiesoftheionbarrierfilmof

microchannelplate(MCP),theA12O3ionbarrierfilmwassuccessfully

fabricatedontheinput-faceofMCPbythee-beamevaporatingmethod.

easurement,

theelectrontransmittancecharacteristicsthroughtheionbarrierfilmfor

ationshipbetweenthe

thicknessoftheionbarrierfilmandthedeadvoltagewasgiven,thedead

voltageofA12O3ionbarrierfilmwiththethicknessof2nmand4nmwas

150Vand200V,ppingfunctiononincidentionswas

analyzedbyMonte-Carlomethod,thebarrierratefor2nmand4nm

A12O3ionfilmwasabove40%and86%>s,the

electricalcharacteristicsofunfilmedMCPweretested,andtheresults

showedthatwiththeA12O3ionbarrierfilmof2nmand4nm,the

electrongainofMCPreducedby51%and81%respectively.%为了进行

MCP超薄防离子反馈膜的性能评价研究,并使这种膜层具有良好离子阻挡能力,利用

电子束蒸发方法,在微通道板(MCP)输入面上制备一种超薄Al2O3防离子反馈膜,其

膜层厚度为2nm时仍连续致密.通过对Al2O3防离子反馈膜的电子透过特性测试,

给出2nm及4nm厚防离子反馈膜对应的死区电压分别约为150V及200V；

利用Monte-Carlo法模拟分析了Al2O3防离子反馈膜的离子阻挡特性,2nm及4

nm厚Al2O3防离子反馈膜对碳离子等的阻挡率分别高于40％及86％,另外对有

无膜的MCP电特性进行测试,可以看出镀2nm及4nm厚的膜后,MCP电子增益

分别降低了51％及81％.

【期刊名称】《应用光学》

【年(卷),期】2012(033)006

【总页数】5页(P1113-1117)

【关键词】微通道板(MCP);Al2O3;防离子反馈膜;电子束蒸发

【作者】张太民;石峰;朱宇峰;李敏;聂晶;张妮;刘晓健;贺英萍

【作者单位】微光夜视技术重点实验室,陕西西安710065;北方夜视科技集团股份

有限公司,云南昆明650223;微光夜视技术重点实验室,陕西西安710065;北方夜视

科技集团股份有限公司,云南昆明650223;微光夜视技术重点实验室,陕西西安

710065;北方夜视科技集团股份有限公司,云南昆明650223;微光夜视技术重点实

验室,陕西西安710065;北方夜视科技集团股份有限公司,云南昆明650223;微光夜

视技术重点实验室,陕西西安710065;北方夜视科技集团股份有限公司,云南昆明

650223;微光夜视技术重点实验室,陕西西安710065;北方夜视科技集团股份有限

公司,云南昆明650223;微光夜视技术重点实验室,陕西西安710065;北方夜视科技

集团股份有限公司,云南昆明650223;微光夜视技术重点实验室,陕西西安710065;

北方夜视科技集团股份有限公司,云南昆明650223

【正文语种】中文

【中图分类】TN146

引言

微通道板（MCP）是微光像增强器件中的核心部分，其信噪比、增益等性能决定

着像增强器的相应性能［1－2］。三代微光像增强器属于极高真空状态下工作的

电子器件，为使GaAs光电阴极免于正离子的轰击和气体吸附，延长三代像管的工

作寿命，采取在MCP输入面附一层Al2O3薄膜，该膜可以有效地使大量电子通

过，阻止反馈的正离子，从而使光电阴极免受轰击并延长像管的使用寿命，这种

Al2O3薄膜常被称为防离子反馈膜或离子壁垒膜［3－4］。目前制备防离子反馈

膜的材料有Al2O3和SiO2两种，常用的方法有射频磁控溅射方法及热蒸镀法

［5］。射频磁控溅射法制备MCP防离子反馈膜的工艺及膜的性能在相关文献中

有大量报道，并测量和分析了防离子反馈膜的各种性能指标：如电子透过率、离子

阻挡率、视场质量等［6］。采用射频磁控溅射在冷基底的MCP上可形成非晶态

的Al2O3，非晶态薄膜的优点是形成连续薄膜的临界厚度小，但是由于射频磁控

溅射镀膜的工艺条件限制，膜层厚度一般为4nm～5nm。本文采用电子束蒸镀方

法先在基底上制备一层2nm厚度的Al膜，由于铝活性很高，Al膜自然氧化可形

成多晶态的连续Al2O3薄膜［7］。与射频磁控溅射法相比，电子束热蒸发的优

点是可以精确控制膜层厚度，膜层蒸发速率在0．05nm／s仍可控，这为制备厚

度只有几个纳米的防离子反馈膜提供了有利的技术保障，而且电子束镀膜工作真空

度高（5×10－4Pa以上），相比磁控溅射时工作真空度约为1×10－1Pa左右，

高出几个量级，形成的膜层气孔率较低，适合于制备致密连续的薄膜［8］。试验

中确定了膜层最佳厚度，并测试分析了带有这种防离子反馈膜的连续性、电子透过

特性、离子阻挡特性等。

1实验

1．1电子束薄膜生长机理

金属Al蒸汽原子到达基片上后，会迁移而达到一个最稳定的组态。在温度足够高

和原子容易迁移等条件下，原子最稳定的生长模式是单层生长。实际情况下，沉积

原子常常来不及迁移到能量最低的逐层生长组态，其生长模式常常以岛状生长为主。

之后，晶核继续增大，但数量并不显著增多，入射原子在表面上自由移动并把已有

的晶核连接起来，反射或解吸掉成核位置以外的撞击原子。当晶核生长到相互接触

时，即开始合并，这时几何形状和方位迅速发生变化。当结晶不断接合时，就构成

一种网膜，网膜上分布不规则的形状开口。当膜的平均厚度进一步增加时形成了连

续的薄膜。初始晶核越多，连续膜的生成时间越短，铝膜平均厚度为0．9nm时

即发生导电现象，即可认为膜层已经连续［8］。

1．2电子束制备防离子反馈膜

利用常规真空电子束镀膜机在附有有机掩膜的MCP上制备Al膜。要求膜料纯度

99．99%，镀膜时，样品可转动，膜层控制精度高于0．05nm／s。当真空室的

真空度达到5×10－4Pa以上时，即可镀膜。由于制备出铝膜厚度很薄，且铝活

性很强，自然氧化形成Al2O3薄膜［9］。

2结果与分析

2．1膜层连续性分析

以MCP防离子反馈膜上通孔的数量及大小为衡量膜层致密性的方法，分别制备不

同厚度T的防离子反馈膜（见表1），发现MCP的防离子反馈膜厚度T由25nm

减薄到了1．5nm，相应的MCP的增益犌由7增大到了407，而防离子反馈膜质

量也由很厚到致密再到疏松。当厚度T为2nm时，防离子反馈膜通孔质量仍然

能够满足规范要求；但是当厚度T为1．5nm时薄膜变得疏松。通孔明显增多且

变大，不能满足器件对防离子反馈膜的质量要求。综上分析，目前电子束制备的

Al2O3防离子反馈膜的厚度T设计为2nm～4nm即可满足膜层的连续性要求。

表1不同防离子反馈膜厚度T下的MCP性能Table1CharacteristicsforMCP

withdifferentthicknessofionbarrierfilm编号厚度T／nm增益G1257

膜层致密，很厚212100膜层致密，若干大通孔，很厚31255膜层致密，几个

大通孔，很厚47．570膜层致密57．5100膜层致密64185膜层致密74

104膜层致密，几个小通孔82．5260膜层致密92．5265合格，膜层致密10

2．5202合格，膜层致密112350膜层致密，几个小通孔122362合格，膜层

致密131．5340膜层疏松141．5304膜层疏松，通孔较多151．5407膜层

疏松膜层质量

2．2电子透过特性分析

使用MCP综合性能测试台模拟MCP在像管内的工作状态动态，测试防离子反馈

膜的电子透过特性，测出有膜和无膜时MCP的电子透过特性曲线如图1所示，不

同膜厚下的电子透过特性曲线如图2所示。

图1示出了无膜MCP与覆有2nm厚Al2O3防离子反馈膜MCP的电子透过特性

曲线，即MCP输入电流Iin保持一定时，MCP的输出电流Iout随着MCP入射

电流所对应的电子能量Vin的变化曲线。由图中曲线可见，对于无膜MCP，输入

电子直接作用在MCP的第一打拿级上，产生二次电子倍增，所以，随着输入电子

能量Vin增大，输出电流Iout随着上升，当Vin＞100eV，MCP通道内材料的二

次发射电子快速增加，测试结果表现为Iout快速增大。对于有膜MCP，由于膜层

对电子的阻止及衰减作用，当输入电子能量Vin＜150eV时，输出电流Iout增加

很小，约等于0μA，仅有极少数高能电子和隧道效应电子能进入通道得到倍增，

当输入电子能量Vin＞150eV时，Iout随入射电子能量Vin的增大而缓慢增加，

此时，能量（Vin－VE）＞0的电子全部进入通道而得到倍增。称VE／e为膜层电

子透过的死电压，又称为阈值电压，也即带膜MCP电子透过特性曲线的反向延长

线与横轴的交点。2nm厚防离子反馈膜对应的死区电压约为150V。假如模拟像

增强器中的工作状态，Vin约为400eV，Iin约为3nA时，无膜MCP的Iout约

为0．56μA，有膜MCP的Iout约为0．12μA。

图2示出了5种厚度Al2O3防离子反馈膜MCP的电子透过特性曲线，可以看出，

随着薄膜厚度的增加，其死电压也随之增加，如4nm厚度时，死电压约为200V，

2nm厚度时，死电压约为150V，所以，实际测试当中，死电压可以作为表征膜

层厚度的一个参数［6，12］。Al2O3防离子反馈膜不仅是正离子的阻挡膜，更

是电子的透过膜，所以膜层质量在连续致密的前提下MCP防离子反馈膜应该越薄

好［10］。

2．3离子阻挡特性分析

采用电子束蒸发制备的Al2O3薄膜，厚度在2nm时，膜层具有连续致密的特性，

不会由于膜层上存在的通孔等缺陷使其离子阻挡功能失效。采用Monte－Carlo

方法模拟分析正离子穿透防离子反馈膜的几率大小，当正离子入射到膜层后，一方

面与膜层材料的原子核发生碰撞，另一方面还与电子发生库仑作用，两者都会使离

子损失能量。如果离子在能量耗尽时还不能到达膜层的边界，也就是说离子未穿过

薄膜，那么该离子就被膜层所阻挡。例如，当正离子以260eV能量垂直入射4nm

厚的Al2O3薄膜时，对碳离子的阻挡率为86%；对N离子的阻挡率为91%；对

O离子的阻挡率为93%，元素的原子质量越大，膜层对其的阻挡能力越强。如果

膜层减薄到2nm，对这些离子的阻挡率将减小到40%左右［4］。

2．4带膜MCP电特性分析

对于电子束制备的带膜MCP的电子增益及体电阻进行了对比测试，1号MCP对

应膜厚度为2nm，2号MCP对应膜厚度为4nm，如表2所示。

表2有无膜的MCP电子增益及体电阻测试结果Table2Measurementresults

forelectricalcapabilityofMCPbeforeandafterdepositingionbarrier

filmMCP编号增益G（VMCP＝800V）（VMCP＝500V）89096无膜430

113有膜1362150无膜252158有膜体电阻R／MΩ备注12

可以看出，镀膜后1号MCP（2nm厚防离子反馈膜）电子增益降低了51%；2

号MCP（4nm厚防离子反馈膜）电子增益降低了81%。主要原因在于防离子反

馈膜对电子具有阻挡及衰减作用，膜层越厚对MCP电子增益的负面影响越大；另

外，防离子反馈膜制备过程中的高温烘烤及有机物的碳污染也是造成增益下降的因

素。镀膜后两块MCP的体电阻略有增大，增量约为10%，是由于脱除掩模时，

MCP通道表面结构发生变化，同时分解出的碳原子对通道内表面也有污染，导致

发射区和导电层之间的电阻变大，总效果都是体电阻变大。

3结论

本文主要针对超薄MCP防离子反馈膜的电子束制备及其膜层特性进行了研究。得

出以下结论：

1）从膜层连续性实验可以看出，电子束蒸镀法形成连续致密的防离子反馈膜的一

个必要条件是膜层厚度大于2nm；

2）对所制备的Al2O3防离子反馈膜的电子透过特性进行分析比较，给出了防离

子反馈膜的厚度与死电压呈单调递增的关系，膜层越厚则死电压越高，电子透过率

越低，2nm厚防离子反馈膜对应的死区电压约为150V，4nm厚防离子反馈膜对

应的死电压约为200V；

3）对所制备MCP防离子反馈膜的离子阻止特性进行了Monte－Carlo法分析，

4nm厚的Al2O3薄膜时，对碳离子等的阻挡率高于86%；而膜层减薄到2nm，

对这些离子的阻挡率将减小到40%左右。

综合考虑MCP防离子反馈膜的电子透过特性及离子阻挡特性，电子束制备的防离

子反馈膜的厚度应在2nm～4nm为宜。需要指出的是，分析膜层离子阻挡特性时

采用的Monte－Carlo法多个假设条件，如：离子入射能量260eV等，这样得出

的离子阻挡率只能作为一个参考指标，实际的MCP防离子反馈膜离子阻挡效果应

该结合微光像增强器的工作寿命等指标进行分析才会更客观。这种方法制备的防离

子反馈膜的膜基结合强度尚未专门研究，如果膜基结合强度低，电子清刷下防离子

反馈膜就可能会损失，造成密度减小，并降低离子阻挡率。

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