CC BY
29Резистивные характеристики пограничных и внутренних каналов микроканальных сот мкп18-10
Хатухов А.А., Ашхотов О.Г. foandi@rambler.ru ) Кабардино-Балкарский госуниверситет им. Х.М. Бербекова
Микроканальные пластины (МКП) - стеклянные вакуумные многоканальные вторично-электронные преобразователи и усилители организованных в пространстве потоков заряженных частиц и излучений. Конструктивно типовая современная МКП представляет собой стеклянный диск, состоящий из микроканальной вставки (МКВ) и монолитного обрамления (МО). МКВ в свою очередь состоит из микроканальных сот (МКС). В пределах МКВ содержится несколько миллионов регулярно расположенных круглых микроканалов. Первые три ряда каналов МКС считаются пограничными (ПК), остальные - внутренними каналами (ВК). Аббревиатура МКП18-10 означает, что внешний диаметр МКВ равен 18 мм, а диаметр одного канала - 10 мкм. В работе использовались МКП производства ВТЦ "БАСПИК" (г. Владикавказ). Одной из важнейших характеристик является электрическое сопротивление МКП, которое складывается из сопротивления параллельно включенных каналов. Сопротивление ПК и ВК может отличаться друг от друга в связи с разной их технологической предысторией. Целью работы было нахождение разницы в сопротивлениях ПК и ВК для оценки резистивного фактора в неоднородности их усиления.
Попытки измерения сопротивления каналов МКП нами предпринимались ранее [1]. Был построен резистивный профиль микроканальных сот (МКС) для заготовок МКП 1810, прошедших разные режимы термоводородного восстановления (ТВВ). По данным этих работ был сделан вывод о различии в свойствах пограничных (ПК) и внутренних каналов (ВК) МКС, которые определяет разная скорость их восстановления. Мы использовали образцы после ТВВ, т.е. очувствленные вытравленные заготовки (ОВЗ) МКП. ОВЗ с одной стороны имели общий контактный электрод, а измерение сопротивления каналов выполнялось позиционированием электрического зонда с не металлизированной стороны. Для МКП с интегральным сопротивлением 10 Ом
сопротивление одного канала должно быть порядка 1014 Ом. Подобная методика
12
измерения давала сопротивление канала около 10 Ом, то есть анализировалось сопро-
тивление области МКП, состоящей приблизительно из 100 параллельно включенных каналов.
Для оценки резистивного фактора в неоднородности усиления ПК и ВК МКС необходима более точная диагностика их электрических свойств. Здесь ситуация осложняется необходимостью нахождения разницы в сопротивлениях указанных каналов для вполне работоспособных МКП, у которых дефекты электронного изображения (в основном, сотовая структура) практически не проявляются при работе в линейном режиме.
Обозначим сопротивление единичного канала через К.к, а сопротивление стенки между каналами - Яст. Расклад сопротивлений в случае измерения сопротивления канала ОВЗ с односторонней металлизацией (рис.1) приведен на рис.2. Как видно, все каналы соединены с одной стороны общим контактным электродом. Сопротивление стенки между каналами гораздо меньше сопротивления вдоль канала, т.к. толщина стенки для МКП 18-10 примерно равна 2 мкм, а длина канала - 400 мкм. Следовательно, растекание тока по соседним каналам должно быть существенным.
Рис. 1. Измерение сопротивления канала на Рис.2. Упрощенная модель распределения
ОВЗ с односторонней металлизацией. сопротивлений в случае исследования ОВЗ
1 - источник напряжения, 2 - с односторонней металлизацией.
электрический зонд, 3 - исследуемый канал, 1 - источник напряжения, 2 -
4 - ОВЗ, 5 - контактный электрод, 6 - сопротивление стенки между соседними
регистрирующий прибор. каналами, 3 - сопротивления каналов, 4 -
регистрирующий прибор.
Можно токи растекания направить в обход регистрирующего прибора путем заземления остальных каналов с помощью кольцевого контактного электрода (рис. 3), как показано на рис. 4. Но, в этом случае вход регистрирующего прибора окажется практически зашунтированным более низкоомным сопротивлением Яст.
Рис. 3. Измерение сопротивления канала на ОВЗ с экранирующим кольцевым электродом.
1 - источник напряжения, 2 - 1-ый зонд, 3 -исследуемый канал, 4 - ОВЗ, 5 -экранирующий кольцевой электрод, 6 - 2-ой зонд, 7 - регистрирующий прибор.
Рис. 4. Упрощенная модель распределения сопротивлений в случае исследования ОВЗ с экранирующим кольцевым электродом. 1 - источник напряжения, 2 -сопротивление стенки между соседними каналами, 3 - сопротивления каналов, 4 -регистрирующий прибор.
Для минимизации токов утечки, на наш взгляд, следует выбрать способ измерения сопротивления каналов с помощью двух зондов (рис. 5). В этом случае паразитные токи уменьшаются за счет дополнительных сопротивлений Яст (рис. 6).
Рис. 5. Измерение сопротивления канала на Рис. 6. Упрощенная модель распределения ОВЗ с помощью двух зондов. сопротивлений в случае исследования ОВЗ
1 - источник напряжения, 2 - 1-ый зонд, 3 - с помощью двух зондов. исследуемый канал, 4 - ОВЗ, 5 - 2-ой зонд, 1 - источник напряжения, 2 -6 - регистрирующий прибор. сопротивление стенки между соседними
каналами, 3 - сопротивления каналов, 4 -регистрирующий прибор.
С учетом сказанного, нами была создана установка, позволяющая измерять сопротивление каналов ОВЗ с минимизацией возможных утечек тока по соседним каналам. Внешний вид установки и ее блок-схема приведены соответственно на рис.7, 8. Установка позволяет позиционировать зонды с повышенной точностью, при этом положение зондов можно контролировать в ходе измерений. Измерительный модуль (рис.9, 10) состоит из камеры 2, в которой размещен держатель образца 5 с двумя зондами 4, 8 на манипуляторах 3, 9. Первый зонд представляет собой медную проволоку диаметром 1200мкм с закруглением на конце (рис 11). Относительно большой диаметр выбран для надежного контакта с нужным каналом и для исключения его перемещения при диагностике соседнего канала. Плавное закругление обеспечивало постоянный контакт при отклонении зонда от нормали к поверхности образца. Второй зонд изготовлен из тонкой стальной проволоки, заточенной химическим способом до внутреннего диаметра канала (рис. 12). Положение зондов контролировалось с помощью микроскопа 1 (Latimet Automatic, увеличение 50х-1000х). Другая особенность установки - возможность измерения сопротивления на атмосфере. Для этого с помощью лампы-подогревателя 10 формировались атмосферные условия с пониженной влажностью (45-50%). Температура
подогрева составляла 100 С и контролировалась термопарой 11. Эта температура была максимальной, так как дальнейшее увеличение температуры недопустимо вследствие возрастания ионной составляющей проводимости. В качестве регистрирующего прибора использовался электрометр В7-45. Величина прикладываемого к каналу напряжения составляла 15В. Погрешность измерения сопротивления - не более 10%.
Рис.7. Внешний вид установки.
Рис. 8. Блок-схема установки для измерения сопротивления канала на ОВЗ с помощью двух зондов.
Рис.9. Внешний вид измерительного
Рис. 10. Схема измерительного модуля.
модуля. 1 - микроскоп, 2 - камера, 3 - система
манипуляции 1-ым зондом, 4 - 1-ый зонд, 5 - держатель образца, 6 - манипулятор держателя, 7 - ОВЗ, 8 - 2-ой зонд, 9 -система манипуляции 2-ым зондом, 10 -электрическая лампа-подогреватель, 11 -термопара.
Рис. 11. Фотография 1-го зонда на фоне ОВЗ МКП 18-10.
Рис. 12. Фотография 2-го зонда на фоне ОВЗ МКП 18-10.
Порядок подготовки установки к измерениям был следующий. Сначала устанавливался 1-ый зонд на исследуемую группу каналов. Затем с помощью манипулятора 6 вращался держатель на 1800 и тем самым 2-ой зонд размещался под объективом микроскопа. После установки 2-го зонда на нужный канал образец прогревался в течение 1 часа при температуре 1000С. Далее при постоянном прогреве системы и контроле положений зондов производилось измерение сопротивления соответствующих каналов.
В работе использовались восемь невытравленных заготовок (НВЗ) МКП 18-10 из одного блока 27п11б (ВТЦ "БАСПИК", г. Владикавказ). Все образцы прошли стандартную технохимическую обработку (ТХО) и ТВВ [2] с отбором по 2 образца после определенных стадий восстановления (табл. 1). Из каждой пары одинаковых образцов один направлялся на измерение сопротивления каналов, а второй - на измерение
электронно-оптических параметров. Протокол испытаний электронно-оптических параметров приведен в табл.2.
Табл. 1. Режимы обработки исследуемых Табл. 2. Протокол испытаний электронно-образцов оптических параметров МКП
№ ОВЗ Режимы обработки
1 ТВВ: Т=4550С, t=190мин;
отжиг в К2: Т=4400С, t=90мин
2 ТВВ: Т=4550С, t=190мин;
отжиг в N2: Т=4400С, t=45мин
3 ТВВ: Т=4550С, t=190мин;
без отжига в N
4 ТВВ: Т=4550С, t=100мин;
без отжига в N
Номер к, Входной пороговый
образца МОм ток появления сотовой
структуры*, А
1 258 9,810-11
2 222 9,810-11
3 200 9,5-10"п
4 216 9,810-11
* при выходном токе МКП 10-7 А.
В настоящей работе исследовалось как сопротивление каналов, так и сопротивление различных областей монолитного обрамления (МО) МКП. Мы хотели выяснить, насколько электрически связаны каналы крайних МКС с МО. Местоположение зондов при измерении сопротивления областей МО и каналов относительно них показаны на рис. 13. Первый ряд расположен на МО на расстоянии от вершины МКС, равном половине его диагонали. Второй ряд проходил через пограничные каналы на вершине МКС, а третий - через центральные каналы МКС. Первый зонд оставался неподвижным в течение всего эксперимента. Нами были исследованы также каналы МКС, как показано на рис. 14, 15. Для этого МКС условно делилась на внешнюю и внутреннюю области по отношению к МО. Внешней считалась область, граничащая с МО, а внутренней -противоположная область. Для каждой области замерялось сопротивление 10 каналов по диагонали МКС и 5 пограничных каналов от вершины МКС вдоль ее граней.
Рис. 13. Схема размещения зондов при измерении сопротивления областей МО и МКВ.
Рис. 14. Выбор каналов при исследовании Рис. 15. Выбор каналов при исследовании внешней области МКС. внутренней области МКС.
Результаты по измерению сопротивления областей МО и МКВ для каждого из четырех образцов приведены на рис. 16-19 (табл. 3-6 соответственно). Из приведенных результатов следует, что длительность восстановления и время отжига в среде азота после восстановления влияет на резистивные характеристики МО и каналов. Увеличение времени процесса ТВВ приводит к уменьшению сопротивления для всех областей
образца, в то время как возрастание длительности отжига в среде азота стимулирует обратный процесс. Следует отметить, что при ожидаемом росте сопротивления с удалением от 1-го зонда, была получена примерно одинаковая проводимость всех рассмотренных областей МО (ряд 1, рис. 16-19).
Рис. 16. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №1. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.
столбцов
Рис. 17. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №2. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.
Рис. 18. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №3. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.
Рис. 19. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №4. 1 - ряд 1, 2 - ряд 2, 3 - ряд 3.
Табл. 3. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №1
Табл. 4. Сопротивление областей МО и
МКВ ОВЗ №2
№ МКС Я, 1014 Ом
№ ряда
1 2 3
1 0,210 0,100 0,150
2 0,188 0,088 0,136
3 0,375 0,107 0,167
4 0,188 0,094 0,167
5 0,300 0,100 0,094
6 0,500 0,094 0,150
7 0,330 0,090 0,100
№ МКС Я, 1014 Ом
№ ряда
1 2 3
1 0,110 0,089 0,091
2 0,115 0,094 0,088
3 0,100 0,088 0,065
4 0,107 0,094 0,094
5 0,094 0,107 0,083
6 0,100 0,136 0,094
7 0,097 0,100 0,090
Табл. 5. Сопротивление областей МО и МКВ №3
Табл. 6. Сопротивление областей МО и МКВ ОВЗ №4
№ МКС Я, 1014 Ом
№ ряда
1 2 3
1 0,016 0,020 0,027
2 0,015 0,018 0,029
3 0,017 0,018 0,022
4 0,017 0,018 0,032
5 0,020 0,019 0,020
6 0,017 0,024 0,028
7 0,019 0,022 0,025
№ МКС Я, 1014 Ом
№ ряда
1 2 3
1 0,012 0,035 0,024
2 0,015 0,037 0,026
3 0,013 0,032 0,023
4 0,013 0,029 0,022
5 0,012 0,025 0,024
6 0,012 0,028 0,027
7 0,013 0,033 0,025
Данные по сопротивлению каналов для внешней и внутренней областей МКС приведены на рис. 20-23 (табл. 7-10). Здесь также наблюдается уменьшение сопротивления каналов ОВЗ с увеличением времени процесса ТВВ. Следующий за ТВВ отжиг в среде азота приводит к обратному процессу. Полученные результаты иллюстрируют различное поведение ПК и ВК как при их восстановлении, так и при отжиге. При 100 мин. режиме ТВВ сопротивление ПК каналов выше аналогичного
параметра ВК. С удлинением полки восстановления до 190 мин. ситуация менялась на противоположную. Далее 45-минутный отжиг в азоте практически выравнивал сопротивление ПК и ВК, а 90-минутный отжиг поднимал сопротивление ВК относительно сопротивления ПК. Для внешней области МКС заметно значительное возрастание сопротивления после 90-минутного отжига (ОВЗ №1, рис. 20, кривая 1) вследствие роста сопротивления МО. Этим объясняется столь большое различие в сопротивлении каналов на границе МО-МКВ и МКС-МКС. Образцы, не прошедшие отжиг, характеризуются более стабильными резистивными параметрами. В частности, разница в сопротивлении между ПК (1-3 ряд) и ВК для ОВЗ №3, 4 не наблюдается. Для МКС образцов, прошедших отжиг в азоте, характерна более высокоомная «периферия», что свидетельствует о более интенсивной реакции на отжиг ПК по сравнению с ВК.
Рис. 20. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали во внешней области МКС.
1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 -ОВЗ №4.
Рис. 21. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали во внутренней области МКВ. 1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 ОВЗ №4.
Рис. 22. Сопротивление каналов на границе Рис. 23. Сопротивление каналов на границе
МО-МКВ.
1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 -ОВЗ №4.
МКС-МКС.
1 - ОВЗ №1, 2 - ОВЗ №2, 3 - ОВЗ №3, 4 -ОВЗ №4.
Табл. 7. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали внешней области МКС
Табл. 8. Сопротивление каналов, расположенных по диагонали внутренней области МКВ
№ Я, 10 14 Ом
канала № ОВЗ
1 2 3 4
1 0,500 0,044 0,019 0,023
2 0,375 0,065 0,016 0,030
3 0,375 0,052 0,016 0,032
4 0,300 0,054 0,023 0,027
5 0,500 0,050 0,021 0,030
6 0,375 0,042 0,020 0,024
7 0,214 0,041 0,019 0,028
8 0,300 0,050 0,021 0,030
9 0,300 0,036 0,020 0,024
10 0,250 0,043 0,016 0,021
№ Я, 10 14 Ом
канала № ОВЗ
1 2 3 4
1 0,068 0,063 0,021 0,029
2 0,088 0,058 0,018 0,023
3 0,058 0,045 0,017 0,031
4 0,065 0,050 0,019 0,027
5 0,056 0,047 0,021 0,026
6 0,060 0,052 0,016 0,027
7 0,056 0,050 0,018 0,023
8 0,056 0,060 0,017 0,025
9 0,060 0,056 0,018 0,023
10 0,052 0,045 0,016 0,024
Табл. 9. Сопротивление каналов на границе Табл. 10. Сопротивление каналов на МО-МКВ границе МКС-МКС
№ канала 1 Я, 1014 Ом № ОВЗ 2 3 4
5 1,500 0,054 0,021 0,022
4 0,750 0,052 0,015 0,027
3 1,500 0,045 0,019 0,028
2 0,375 0,044 0,023 0,021
1 0,500 0,044 0,017 0,022
0 0,500 0,044 0,019 0,023
-1 1,500 0,050 0,015 0,024
-2 0,500 0,047 0,019 0,026
-3 0,375 0,050 0,018 0,023
-4 0,300 0,044 0,031 0,003
-5 0,375 0,063 0,021 0,028
№ канала 1 Я, 1014 Ом № ОВЗ 2 3 4
5 0,063 0,058 0,020 0,030
4 0,068 0,063 0,018 0,027
3 0,063 0,058 0,017 0,026
2 0,058 0,065 0,019 0,025
1 0,056 0,063 0,017 0,027
0 0,068 0,063 0,021 0,029
-1 0,079 0,056 0,021 0,028
-2 0,079 0,060 0,002 0,027
-3 0,075 0,065 0,017 0,025
-4 0,075 0,056 0,019 0,025
-5 0,079 0,058 0,020 0,028
Таким образом, использование метода двух зондов позволило приблизить измеряемые значения сопротивления канала к отметке 1014 Ом. При этом полученные данные о поведении электрических параметров каналов в процессе ТВВ качественно не изменились. Мы предполагали обнаружить ярко выраженное различие в сопротивлении ПК (первые 3 ряда МКС) и ВК. Поводом для этого было наличие сотовой структуры на электронном изображении при работе МКП. Однако это сделать не удалось, так как значительные объемная и поверхностная проводимости ОВЗ приводили к сильной электрической связи соседних каналов. Это не позволило провести детальную диагностику отдельного канала в составе заготовки МКП. К тому же, порог появления сотовой структуры на электронном изображении у МКП оказался достаточно высоким (табл. 2), что, в свою очередь, свидетельствует о минимальном разбросе параметров каналов. Для изучения резистивных свойств одного канала необходимо иметь электрически изолированный канал. С другой стороны, этот факт играет положительную роль, так как имеет место более равномерное распределение приложенного к МКП потенциала что, следовательно, снижает требования к качеству металлизации. Для
выравнивания потенциала между каналами МКП необходимо увеличить лишь поверхностную проводимость.
Следует также отметить губительное влияние отжига даже в инертной среде на сформированный резистивно-эмиссионный слой. Увеличение сопротивления при отжиге свидетельствует об окислении сегрегированного на внутреннюю поверхность канала свинца. Возможно, в инертных средах окислителем выступает вода и остатки технологических растворов, имеющиеся в порах заготовок. Мы полагаем, что любой высокотемпературный отжиг сформированного РЭС необходимо проводить только в вакууме для минимизации содержания влаги и других окислителей в объеме и на поверхности структуры.
Электрические параметры будущих ПК и ВК, скорее всего, закладываются на вытяжке МЖС из-за различной интенсивности диффузионных процессов в системе жила-оболочка на поверхности и внутри перетягиваемого пучка ОЖС (температура на поверхности пучка всегда несколько больше температуры внутри пучка) [3]. Для ослабления данного эффекта необходимо снизить скорость нагрева пучка ОЖС. Кардинальным решением проблемы было бы использование СВЧ-нагрева вместо резистивного. В этом случае обеспечивается однородный прогрев пучка по всему объему, который исключает градиент температур между ПК и ВК.
Литература
1. Хатухов А. А., Ашхотов О. Г. Резистивные характеристики базовых стекол МКП и их одиночных каналов. - В кн. "Микроканальные пластины". Владикавказ, 2002, с. 256-262.
2. Кулов С. К. Микроканальные пластины для электронно-оптических преобразователей. - Владикавказ, 1998, 196 с.
3. Алкацева Т. Д. Закономерности формирования и минимизация дефектов электронного изображения микроканальных пластин. - Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Владикавказ, 1999, 247с.
