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工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺监控技术研究 摘要 光电阴极的制作工艺技术是微光像增强器中的核心技术之一，通过对目前流行的 多碱光电阴极的光电流监控法的探讨，可以将传统的光电阴极制作工艺技术转化为计 算机自动工艺监控技术。 本文首先从多碱光电阴极的工作原理与特性参数出发，深入剖析光电阴极的光电 流法监控原理。结合实际分析光电阴极的手工制作工艺和排气车与光电阴极监控台的 信号往来关系，利用计算机自动控制技术和电路设计制造技术，研究设计了光电阴极 工艺技术监控系统；并且利用计算机编程语言为系统编制了专用工艺监控软件。系统 操作简便，控制灵活，可以自动和手工共同完成光电阴极的制作工艺，有望推广而替 代手工操作。系统可以将所有处理数据进行存储，方便数据的查询与统计；该系统的 研制成功极大地改善了光电阴极制备工艺的生产条件，改善了光电阴极工艺技术的科 研条件。 关键词：光电阴极、监控系统、工艺监控软件 a b s t r a c t t h ep h o t o c a t h o d ep r o c e s st e c h n o l o g yiso n eo ft h eh e a r tt e c h n o l o g yo f t h ei m a g ei n t e n s i f i e r t h r o u g hd i s c u s s i n go np r e v a l e n tp h o t o c u r r e n tm o n i t o r m e t h o do nm u l t i a l k a l ip h o t o c a t h o d e ，i ti sp o s s i b l et oc o n v e r tt h et r a d i t i o n a l p h o t o c a t h o d ep r o c e s s t e c h n 0 1 0 9 y i n t oa u t oc o i r l p u t e r m o n i t o r p r o c e s s t e c h n 0 1 0 9 y f i r s t l y ， b a s e do nw o r k i n gp r i n c i p l e sa n df e a t u r ep a r a m e t e r s o f m u l t i a l k a l ip h o t o c a t h o d e ，t h ep r i n c i p l e ss u p e r v i s i n gp h o t o c u r r e n tm e t h o d s o fm u l t i a l k a l ip h o t o c a t h o d ei sd i s c u s s e dd e e p l yi nt h i st h e s i s i nt h e a n a l y z i n gt h em a n u a lp h o t o c a t h o d ep r o c e s st e c h n o l o g ya n dr e l a t i o no fs i g n a l b e t w e e np r o c e s s i n gc a r ta n dp r o c e s s i n gs t a t i o n ， as u p e r v i s i n gs y s t e mf o r p h o t o c a t h o d et e c h n 0 1 0 9 y i sd e v e l o p e db yu s i n gc o m p u t e ra u t oc o n t r o l t e c h n o l o g ya n de l e c t r i c c i r c u i td e s i g nt e c h n o l o g y ， a n df u r t h e r m o r e ，t h e s u p e r v is o r ys o f t w a r eo fs p e c i a lt e c h n 0 1 0 9 yf o rs y s t e mi sp r o g r a m m e db yu s i n g c o m p u t e rp r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h es y s t e mi se a s yt oo p e r a t e da n dc o n t r 0 1 l e d ， i t i sp o s s i b l et ou s ew i d e l ya n ds u b s t i t u t em a n u a lo p e r a t i o n t h es y s t e mc a n s a v ea 11t h ep r o c e s sd a t a ，a n di m p r o v et h ep h o t o c a t h o d ep r o d u c tt e c h n o l o g y s i g n i f i c a n t l y ， t h ep h o t o c a t h o d ed e v e l o p i n ga n dp r o d u c tc o n d i t i o nc a nb e r e f o r m e dm e a n w hj 】e k e y o r d s ：p h o t o c a t h o d e ， s o f t w a r eo ft e c h n o l o g y i l s u p e r v i s i n gs y s t e m ，s u p e r v i s o r y 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 唧月猫 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 埘矽月拥 工程硕士学位论文 高性能光电阴极工艺监控技术研究 1 绪论 光电阴极的工艺技术是微光像增强器中的核心技术之一，世界上都纷纷以光电阴 极的工艺技术来衡量微光像增强器的水平和质量，同时也作为划分微光像增强器的等 级的关键技术；历史证明，光阴极的理论、材料、结构和工艺上的重大突破和更新， 始终是光电子成像技术发展史上的一条主线，甚至是里程碑【1 】。而光电阴极的制作 工艺技术又是光电阴极的灵魂，本论文要讨论的就是光电阴极制作工艺上的技术问题 光电阴极工艺监控技术研究。所以设计并制作一套方便实用的光电阴极的工艺监 控系统( 含硬件部分与软件部分) ，对于光电阴极的制作工艺来说是非常重要的，同 时对于光电阴极的工艺技术研究也是极有价值的。 1 1 本文的研究背景和意义 我国的微光像增强器生产经历了一代、二代，到现在的超二代，以及三代、四代 微光像增强的研究，前面的一代、二代的光电阴极制作都是手工方式，引进的超二代 像增强器的光电阴极制作使用了计算机监控技术。其超二代光电阴极的自动监控技术 优势相当明显，首先是由于工艺的自动化、控制精度的准确性好，提高了阴极制作的 良品率；其次，很大程度地减轻了技术工人的劳动强度，同时也就提高了工人的劳动 效率。 但是，随着生产规模的不断扩大和工艺技术的复杂化，手工工艺制作光电阴极的 弱点越发明显；由于阴极制作工艺过程的重复性，计算机介入的工艺监控技术其优势 也越发凸显。虽然计算机光电阴极的制作过程原理是从手工工艺来的，但是计算机能 反反复复的精确运行，随着计算机实时处理能力的不断升级，原来的单任务操作可以 提升为多任务的图形化处理，同时也能根据要求可以不断地精确控制过程。 高性能二代微光像增强器引进后，需要全面的国产化工作。其中的光电阴极自动 制作工艺技术限制了我们进一步扩大生产规模，阻碍了我们的发展；由于没有自主知 识产权的工艺软件，限制了我们对光电阴极工艺技术的深入研究与探讨。因此，为满 足各方面对高性能二代像增强器的要求，我们需要一套我们公司拥有自主知识产权的 光电阴极的工艺技术监控系统。 本套工艺监控技术系统源于生产的实际需求，并在实际的生产过程中进一步取 长补短，直接为生产服务，不需要成果的转化，就可以直接为公司的生产服务。 开发出适用的光电阴极的自动制作工艺软件，对于逐步提高微光像增强器的良 品率，是一项可靠的保障；哪怕是只能将良品率提高几个百分点，或者说将手工制作 的平均良品率提高哪怕是1 ，都是切实可行的，都可以带来可观的经济效益。 l 绪论 t 程硕士学位论文 本工艺监控技术的成功应用，将节省人力资源5 0 以上，同时还将大大地减轻 生产技术工人的劳动强度。 有了我们自主的光电阴极的自动制作工艺软件的知识产权，对于我们公司乃至 国家都将是一个巨大的贡献。 本工艺监控系统的研究成功将为我们开展新的光电阴极工艺技术研究提供一个 强有力的保证和基础条件。 同时，如能推广应用到其他光电阴极的自动制作工艺中，如应用到三代、四代光 电阴极的自动制作工艺中的话，这就远不是带来一般的经济效益问题，更具有重大的 政治意义。 1 2 光电阴极工艺监控技术的研究现状 微光夜视器件自第一次世界大战以来，先后经历了零代、一代、二代、三代和四 代产品的发展历程，其实在很大程度上讲是多碱光电阴极的发展才推进了微光夜视器 件的发展 1 】。 从零代的a g o c s 光电阴极开始，到6 0 年代初一代微光像增强器与二代微光像 增强器的多碱光电阴极( s b k - n a c s ) ，直至超二代的多碱光电阴极，与发展到现在 的三代、四代微光像增强器的光电阴极，其量子效率在逐步提高，研究中发现一些新 的光电阴极在可见光和近红外范围有较高的量子产额。国外由于工艺技术手段先进， 光电阴极的制备工艺技术始终领先于我国，欧美国家在早先8 0 年代开始就利用计算 机来处理光电阴极的制备工艺，到9 0 年代中期更是普遍利用计算机来代替手工制备 光电阴极。 我们虽然认识到该工艺技术手段的重要性，不同程度地在各个阶段都提出了该项 课题，目前，在国内有关计算机排气车设备的研究已具备一定的能力，可以用计算机 排气车代替手工排气车和记录仪；但是鉴于各方面的原因，与工艺有关的工艺软件尚 属空白，远落后于欧美国家。但其实质光电阴极的监控技术有光电流监控技术和研究 与制备光电阴极的光学方法 2 、3 】。也有多碱光电阴极的光谱响应研究和多碱光电 阴极工艺中光谱光电流与光学反射的变化 4 、5 、6 】；而近来有基于c a n 总线的g a a s 光电阴极制各测控系统 7 ，它可实现真空度、铯源和氧源电流等多信息量的实时采 集和自动控制功能，可促进提高g a a s 光电阴极的制备水平。光电流监控技术比较实 用、简单，技术熟练的操作者可以根据光电流和光电阴极薄膜的颜色的变化来控制光 电阴极膜层的生长。光学方法在光阴极的制备和研究过程中可以得到更多的信息，如 透射率t 、前反射率r f 和背反射率i ，可以求得折射率n 、衰减系数k 和膜层厚度 d 。由透射光和发射光测得的光电发射量子效率y f 和y v ，可确定光电子逸出深度l 和逸出概率p 。 2 】 2 工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺监控技术研究 1 3 本论文的主要工作和内容安排 为了实现光电阴极在制作过程中的根本转变，提高光电阴极制作过程中的一致 性，增强光电阴极的科研生产能力，我们研制了光电阴极的工艺监控系统计算机 排气车。本论文所要做的工作如下： 1 从光电阴极监控设备的光电流法监控工艺出发，研究了监控台与监控设备的 信号往来关系，找到了计算机采集数据的方法。 2 根据多碱光电阴极的工艺技术，结合计算机的编程语言与控制技术，编制了 与相关工艺技术配套的专用工艺监控软件。 3 在前两点的基础上，完成了新的工艺监控系统的研制，可以完全替代先前的 手工排气车。 内容安排如下： 首先从光电阴极的工作原理出发，借鉴前人的成功经验，探索出形成光电阴极的 理想组合。利用多碱光电阴极的光电流工艺监控技术，结合其它多碱光电阴极的信息 监控经验，介绍本监控系统的有关监控系统硬件的设计思想；然后根据目前流行的多 碱光电阴极的手工工艺，介绍监控系统的软件过程和方法。 最后，阐述本监控系统的实验研究状况。 2 光电阴极的工作原理和性能参数工程硕士学位论文 2 光电阴极的工作原理和性能参数 微光像增强器中的光电阴极就是将微弱的光学图象转换为电子图象的作用，像管 的工作特性和应用范围主要取决于光电阴极 8 。光电阴极的工作原理主要基于半导 体外光电效应 1 ，主要特征参数有积分灵敏度、光谱灵敏度和暗发射等。 光电阴极按其材料的物理特征分为多晶型和单晶型；按其光谱响应范围可分为紫 外、可见、近红外及x 射线光电阴极；而按其光电发射机理可分为正电子亲合势p e a ( 如多碱光电阴极) 和负电子亲合势n e a 光电阴极( 如g a a s 光电阴极) 。 多碱光电阴极，由于在紫外一可见光近红外都有较高的量子效率和低的岸发射， 从而广泛应用于军事、摄影、辐射探测等高科技领域。随着各种技术的发展与创新， 以及监控装置的日益完善，多碱光电阴极的性能得到了大副提高，因此也为其拓宽了 应用领域和范围。 2 1 光电阴极的工作原理 大部分光电阴极材料是半导体。所以需要对半导体物理学中的能带结构、费米能 级、导电类型、同质和异质p n 结以及表面态作一个阐述。 2 1 1 光电发射的基本定律 前人总结归纳出了两条光电发射的基本定律：光电发射的斯托列托夫定律和爱因 斯坦定律。 1 斯托列托夫定律 当入射光的频率( 或波长) 及光谱不变时，光电发射饱和光电流密度与入射光照 度成正比。 因为光子流与物质中的电子发生非弹性碰撞，把部分能量交给电子，使其逸出体 外，形成光电子发射。而这种能量交换过程，在线性变化范围内是光子与电子之间一 对一单个进行的，因而，随着单位时间输入到光电阴极单位面积上的光子数( 即光照 度) 增多，从该光敏面上激发出的光电子数( 光电流) 密度会线性增大。即： i = s 。e + i 。( 2 1 ) 或n 。= nk n 。+ n d( 2 2 ) 式中，i 和n 。分别是输出电流密度和单位时间输出的信号电子数密度；s t 和1 1 。分别 是光电发射材料对特定波长输入光的灵敏度( 响应度) 和量子探测效率；e 和n 。分别 是输入光的照度和光子数密度；i 。和n 。分别是暗电流密度和暗发射电子数密度。 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 揭示了各类真空光电子探测器件( 光电管和光电倍增管) 和成 像器件( 像管、像增强器) 的实现线性光电转换的基本原理。 4 工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺j l ：控技术研究 2 爱因斯坦定律 光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的照度无关。爱因斯坦最 早引入了光子概念，形成了光的微粒说。 利用光子说，爱因斯坦解释了光电发射的爱因斯坦定律。光电子的最大动能： = 丢聊丘= 办旷y 。= 旷 ( 2 3 ) 式中，是金属的功函数；办为普朗克常数；y 。是该金属产生光电发射的极限光频率， 且： 厶：旦：丝：些 ( 2 4 )k 厶t 一， ” y o 这里，矽和入。的单位分别为e v 和um ；入。为光电发射的阈波长，即大于入。的光，无 论其强度如何大、照射时间多么长，均不会引起光电子发射。 2 1 2 电子发射的物理过程 根据半导体能带模型，前人提出了光电子发射的三步过程的握力物理模型，如图 2 1 。 图2 1 半导体光电子发射过程示意图 ( 1 ) 电子受激过程 半导体满带中的电子吸收光子能量，被激发到高于真空能级的导带中的高能态 上。显然，吸收光子数越多，受激发的电子数也就越多。 5 2 光电阴极的t 作原理和性能参数 工程硕士学位论文 ( 2 ) 电子输运过程 上述受激电子在半导体内，通过扩散或漂移作用，向真空界面运动。期间因多种 碰撞而损失部分能量，所以半导体晶格愈完善，缺陷愈少，运动中的电子能量的损失 愈少。 ( 3 ) 电子逸出过程 当输运到真空界面的受激电子所剩余的能量足以克服半导体表面位垒时( 图2 1 中的电子亲合势e ) ，它们便会逸出真空形成光电子发射。 由此可知，半导体的光电子功函数和光电发射阈波长分别为： 九= e g + 毋 ( 2 5 ) 厶一旦 ( 2 6 ) u e a + e g 式中，e 6 是半导体的禁带宽度。于是波长 ( e 。+ e ) ，从而使光电子逸出概率下降，灵敏度 降低。 此外，同种n 型半导体材料的费米能级e ，。要高于其p 型半导体材料的费米能级 e f p ，因此，前者的热电子功函数巾。= e 。一e ，。要小于后者的中。= e 。一e 即这一点说明 用n 型基底材料做成的光电发射体的暗电子发射电流更大。 6 工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺监控技术研究 2 2 光电阴极的性能参数 光电阴极的性能参数有( 1 ) 光电阴极灵敏度，其中分为积分灵敏度( ua l m ) 和辐射灵敏度( m a w ) ，( 2 ) 光电阴极光谱响应范围( 短波限入s 和长波限入f ) ，( 3 ) 光电阴极量子效率( 或产额) 。 2 2 1 光电阴极灵敏度 光电阴极的积分灵敏度，在色温2 8 5 6 k 标准钨灯照明和器件阳极处于饱和工作电 压( 大于等于1 0 0 v ) 条件下，光电阴极每接收单位光通量( 1 l m ) 时所产生的光电流 ( | la ) ，就是该器件的积分灵敏度，单位就是ua 1 m 。 - ，s ：娶掣些 ( 2 8 )。 f ( 光通量：砌) 辐射灵敏度是指在特定波长的单色照明下，光电阴极每接收单位辐射通量( w ) 时所产生的光电流( m a ) ，就是该器件在此特定波长下的辐射灵敏度，单位就是m a w 。 c 一 ，( 光电流：剃) 屯一i 评石瓣丽随而 ( 2 9 ) 2 2 2 光电阴极光谱响应 1 光电阴极的光谱响应范围 光电阴极的光谱响应范围是指由短波限和长波限所限定的光谱波长范围。短波限 决定于光电阴极窗口材料的短波吸收限；长波限决定于光电阴极材料的禁带宽度和表 面位垒降低的程度( 对p e a 光电阴极而言) 。对于p e a 光电阴极长、短波限之间光谱 灵敏度分布形状，会有一峰值光谱响应波长存在，这是由光吸收光谱和e e e g + e a 之电子不同的逸入真空的概率分布共同决定的。 光电阴极的光谱响应范围是有限的，甚至是狭窄的。太阳辐射谱在0 1 3 0um 之间；夜天光辐射谱在0 4 2 0um 之间；测试用的2 8 5 6 k 色温标准灯的辐射在0 3 2 0pm 之间。光电阴极的光谱范围仅在很窄的紫外、可见、近红外和中红外波段内。 为了拓宽光电阴极的光谱响应范围，应分别考虑并改进其输入窗、光电阴极基底的光 谱透过率和光敏半导体层的禁带宽度。 2 多碱光电阴极的光谱响应理论计算 多碱光电阴极的种类很多，但可简单分为两类。第一类是光谱响应峰值在o 4 0 5pm 的s 。多碱光电阴极，其显著特点是这类阴极较薄，一般积分灵敏度在2 5 0 3 1 0ua 几m 。第二类是光谱响应峰值在0 6 7pm 以上的s ：。多碱光电阴极，一般积分灵 敏度在3 5 0 7 0 5i ia l m ，其特点是这类阴极较厚。 ( a ) 多碱光电阴极光吸收系数 7 2 光电阴极的工作原理和性能参数 工程硕士学位论文 如图2 2 所示，阴极光电发射中心的电子吸收光子能量j j lv 后被激发。当受激电 子的能量达到真空能级ev 以上时，就可以从阴极表面逸出成为真空中的光电子。如 果受激电子的能量低于ev ，则不能逸出真空界面而贡献给光电导。如s p i c e r 所述， 将光吸收口r ( 五，) 分为两部分：贡献给光电导的口c ( 办v ) 和贡献给光电发射的 口p ( 而，) ，即： e 。 e 图2 2 光电子产生示意图 口7 ( 办，) = 口。( j i ly ) + 口。( y ) ( 2 1 0 ) 多碱光电阴极的光电发射是以本征发射为主，其光吸收系数可由下述公式表述。 对第一类阴极 口p ( 五1 ，) = c ( y e ，) 3 7 2 ( 2 1 1 ) 对第二类阴极 口j p ( 五1 ，) = c ( j i i y e ，) “2 ( 2 1 2 ) 式中，c 为与材料有关的比例常数；e ，为阴极截止波长对应的能量。在某一温度下， 对应于此波长的量子产额为零。 目前得到的较理想多碱光电阴极光吸收系数的经验公式为： 口r ( j i lv ) = 3 7 0 5 3 一1 0 7 4 8 y + 1 1 1 7 4 l ( 五 ，) 2 4 9 0 6 0 ( j l l y ) 3 + o 8 3 4 6 ( | i i y ) 4 】1 0 5 ( 2 1 3 ) ( b ) 多碱光电阴极量子产额 实用多碱光电阴极一般为半透明光电阴极，如图2 3 所示。入射光由玻璃一侧 入射，光电子在真空一侧发射。设每秒入射在阴极单位面积上的光子数为i 。，光在阴 极中传播是以指数形式衰减的，在x 处的光强i ( x ，j i l ，) 为： ，( x ，办v ) = ，o p 一叮6 n ( 2 1 4 ) 在x 处，d x 厚度内单位时间单位面积产生的光电子数为： 口j p ( 办1 ，) ，( x ，j i l ，) d x = 口。( y ) 厶9 8 r 6 ”。d r ( 2 1 5 ) x 处的光电子在阴极表面的逸出概率用g ( d x ，办v ) 表示。 对第一类阴极： g ( d x ， ，) = 彳p 朋”p 一( d 一。)( 2 1 6 ) 对第二类阴极： 工程硕士学位论文 高性能光电阴极工艺监控技术研究 g ( d x ，i l ，) ：兰e 加，p 咧脚 ( 2 1 7 ) 丹y 式中，a 为常数；d 为阴极厚度；p 为阴极结构参数，它反映了阴极膜层的有序程度和 光电发射性能。对电子亲和势较高且结构为长程无序、短程有序的多晶膜光电阴极， 我们取p o ，所以实际长波限入， 1 2 4 e 。( um ) 。 表面位垒是因为要使光电子离开光电阴极表面，必须克服三个吸引力而做功。这 三个力是：( 1 ) 镜像力，逸出电子时，需克服光阴极材料中的正电荷对受激电子的吸 1 1 2 光电阴极的工作原理和性能参数工程硕士学位论文 引力；( 2 ) 表面偶极层作用力，它阻挡电子逸出体外；( 3 ) 原子核对逸出电子的束缚 力。这里说的是表面没有任何外来吸附粒子的理想表面的光阴极表面位垒。如果吸附 有外来粒子，如前所述，会使其发生表面能带弯曲。可见，在制备光阴极过程中，合 理的激活工艺和采用上述减少光能吸收损失、增大电子逸出概率等技术措施是很重要 的。 1 2 工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺监控技术研究 3 多碱光电阴极的光电流监控技术 光电流监控技术就是通过测量在光阴极制造过程中不同阶段的光电流，掌握光电 阴极制作动态的技术。光电流变化由显示器和记录仪指示出来，所指示的数值和曲线 代表了发射当时的光电发射能力与变化趋势，制作者根据经验判断如何调整激活温度 和锑、碱金属的供给量，以便获得理想的光电阴极灵敏度。光电流监控技术是我们目 前的多碱光电阴极制备工艺中普遍采用的监控技术。这里首先对其它光电阴极监控技 术做个简单介绍。 3 1 多碱光电阴极监控技术阐述 3 1 1 多碱光电阴极光谱响应监控 光谱响应是多碱光电阴极的一个重要参量，在多碱光电阴极的制造过程中，通 过光谱响应的监控，可以获得多碱光电阴极的阈值波长、半导体导电极性等在整个多 碱光电阴极制备过程中的变化规律。正因如此，多年来许多人都对多碱光电阴极的光 谱响应作过不同程度的研究。但所有这些研究都是针对静态光谱响应的，即未在多碱 光电阴极的制作过程中进行光谱响应的连续实时监控。1 9 9 4 年南京理工大学常本康 首次研制了多碱光电阴极光谱响应监控仪，并对多碱光电阴极在制作过程中的每一个 重要阶段进行了连续的光谱响应监控，在实验室范围内取得了一些有益的研究成果。 3 1 2 多碱光电阴极电阻和光电流监控法 1 9 7 2 年英国阀门电子有限公司的g a r f i e l d 也研究过在多碱光电阴极的制备过 程中阴极电阻的变化规律。另外他对阴极表面s b 、c s 处理过程中的电阻变化规律也 作了研究，认为其电阻变化规律同s b 、k 交替过程的后一阶段( 导电极性发生翻转后) 相同。1 9 7 8 年北京大学吴全德在研究了在多碱光电阴极制备过程中的电阻变化规律 后，认为阴极材料由n 型导电变成p 型导电这一现象仅表示阴极材料中n 型导电和p 型导电成分之间的变化，而不可能伴随着其晶格结构由六角到立方的转变。还认为由 于s b 、c s 表面处理过程中阴极电阻的变化明显，因此可以利用电阻的变化来研究表 面处理的最佳工艺。由于电阻和光电流直接反映阴极内部结构成分的变化，所以在多 碱光电阴极的制备过程中对其电阻和光电流进行同时监控，将它们的变化规律结合在 一起进行分析和比较将会更有助于加深对多碱光电阴极制作工艺的认识。另外由于多 碱光电阴极研究的目的是要在实际的器件中做出尽可能高灵敏度的阴极，因此有必要 在实际的一代像增强器多碱光电阴极制造过程中继续进行电阻和光电流监控的研究。 多碱光电阴极在光电法制造工艺中，在导电极性发生翻转后，蒸s b 电阻减小， 3 多碱光电阴极的光电流监控技术工程硕士学位论文 蒸k 电阻增大。这一规律对s b 、c s 交替过程同样适用，即在s b 、c s 交替过程中，蒸s b 电 阻减小，蒸c s 电阻增大。这同g a r f i e l d 的试验结果是吻合的。 在多碱光电阴极制造工艺中进行电阻的监控，对理解阴极的形成过程有重要的意 义。因为多碱光电阴极在形成过程中是一层层逐步加厚的，所以可以将一层层半导体 材料的累积看成一系列电阻的并联。又因为多碱光电阴极电阻的变化不仅直接反映了 它本身的结构变化，而且还反映了导电极性的变化，这样通过简单的电阻监控就可以 获得结构，导电极性等方面的信息，所以电阻监控也是研究多碱光电阴极的一个重要 手段。 3 1 3 多碱光电阴极光学监控法 光阴极本身是一层光学薄膜，在阴极膜层形成过程中，可以测得其前反射率r t 、 背反射率i k 、透过率t ，由于r t 、r r 、t 均为n 、k 、d 的函数，这里n 为折射率，k 为消光系数，d 为厚度，可通过解组方程求出n 、k 、d 的值。光学监控法就是通过 测量前反射率r t 、背反射率r r 及透过率t 来求得膜层n 、k 、d ，从而获得光阴极膜 层的信息。 厚度d 是光阴极的重要参数，它直接影响光阴极的性能，如果厚度太厚，处于 较低能级的本来可以逸出的光电子由于长途的转输过程，消耗了一些能量而被真空界 面所阻挡；如果厚度太薄，则一部分可能被吸收的光量子还没来得及激发光电子就给 穿透出去了。由于各种波长的光对光阴极膜层的穿透能力是不同的，膜层厚度直接影 响了光谱响应曲线的形状，要使光阴极对某种波长的光波有最佳响应，则膜层厚度有 个最佳取值。以往通常用颜色来判断膜层的厚度，显然是很不可靠的，如果用光学法 测量就比较准确了。 折射率n 、消光系数k 对光电发射虽没有直接、明显的影响，但通过n 、k 的值 可获得膜层的化学结构信息。 在实际操作中，是用测量前反射率随时间的变化曲线，然后将测得的曲线和理 论曲线相比较从而获得厚度的信息，还通过测量r t t 曲线的最小值r m l 与r 1 1 1 2 和曲 线的最大值r m 来确定n 、k 值。但是单凭光学监控法所获得的信息来判断工艺的正 确与否，还很不够，还应结合其它方法。 3 2 多碱光电阴极光电法工艺中光电流变化规律 多碱光电阴极在制造过程中，光电流是遵循一定的变化规律。光电流在s b 、k 交替过程中蒸s b 光电流下降，蒸k 光电流上升，见图3 1 ( 图中相邻的两条线表示一次 完整的s b 、k 或s b 、c s 交替过程) 。 1 4 工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺监控技术研究 出 脚 时同 图3 1 光电流变化曲线示意图 这是因为在s b 、k 交替过程中，由于s b 的蒸发速率较快，因此一方面s b 在近 表面层内超过一定的化学计量比，另一方面s b 与游离的n a 反应，生成n a 3 s b ，因此 造成光电流下降。当蒸k 时，由于s b 过量减小，因此又使光电流上升。当n a 3 s b 与k 反应生成n a 2 k s b 时，此时光电流最大。 另外在导电极性发生翻转前的s b 、k 交替过程中，随着s b 、k 交替的进行，光 电流的最大值在一次交替过程中变化很大。这可以解释为n a 2 k s b 成分比例增大，而 n a 3 s b 成分比例减小。因为n a 2 k s b 的灵敏度较n a 3 s b 的灵敏度高，所以n a 2 k s b 的 成分比例增加时，阴极的灵敏度会增加。 在材料导电极性发生翻转后的s b 、k 交替过程中，光电流的最大值在每一次交 替过程结束后略有增大，见图3 1 。这可以解释为n a 2 k s b 膜层的厚度增加，长波的 吸收系数增大，导致长波响应增加，因此光电流增加。但随着s b 、k 交替次数的增加， 光电流的最大值在每一次交替过程结束后又略有减小。这是因为n a 2 k s b 膜层的厚度 继续增大，导致短波产生的光电子迁移长度增加，造成光电子能量衰减，不能逸出表 面，使光电流的最大值在每一次交替过程结束后又略有下降。所以在s b 、k 交替过 程中，随着膜层厚度的增加，光电流的最大值也增加，这是由于长波吸收系数增加。 随着膜层厚度的继续增加，虽然长波的有效吸收系数继续增加，但光电子的迁移长度 也增加，特别是短波产生的光电子。因为短波产生的光电子往往在离玻璃基底较近的 膜层内产生。这样当阴极膜层厚度增加时，短波产生的光电子的迁移长度增长，造成 能量衰减，使它们到达真空界面时，没有足够的能量逸出真空界面，从而又使光电流 降低。这样就造成了在s b 、k 交替过程中，光电流在达到最大值后又逐渐减小的现 象。这与光谱响应监控研究中观察到的现象是吻合的。 s b 、c s 交替过程中，光电流的变化规律同s b 、k 交替过程中一样，也是蒸s b 光 电流下降，蒸c s 光电流上升。关于s b 、c s 交替过程中光电流的变化规律在下节讨论。 1 5 3 多碱光电阴极的光电流监控技术工程硕：l 学位论文 3 3 多碱光电阴极表面模型 自多碱光电阴极问世以来，关于多碱光电阴极的结构模型一直争论不休，各国 学者根据其多碱光电阴极的研究结果，提出了各种各样的模型。本节首先介绍几种典 型的模型，然后从多碱光电阴极s b 、c s 交替工艺过程中光电流变化规律出发，提出 一些看法。 1 多碱光电阴极的几种典型模型： ( a ) 表面是c s 3 s b 层。m cc a n - 0 1 1 等人通过一种特定的实验，半定量地在s b k n a 层上进行s b 、c s 交替实验，用镍片把部分阴极挡住，待形成n a 2 k s b 层之后，将挡 板移开进行s b 、c s 表面处理。发现在没有n a 2 k s b 的区域出现薄c s 3 s b 层，通过测 量可知，这个s b c s 层相当于原先至少5 个原子层厚度的s b 膜。 ( b ) j 0 n e s 等人对多碱光电阴极进行了电子衍射研究，他们认为表面不出现c s 3 s b 层， 而是k 2 c s s b 层，但应该注意，有人认为从高能电子衍射的实验不能获得表面的信息。 如果c s 3 s b 层很薄，电子衍射实验就不能显示出来。 ( c ) c s 、s b 表面处理后，c s 的体积效应使内部晶格变大，但表面还有单原子c s 层， 使表面能带弯曲，电子亲和势下降。 ( d ) 表面不存在任何的c s ，也有人证明c s 不会与较弱的富s b 层共存。 ( e ) 表面是p 型的k 2 c s s b 层和本征的c s 3 s b 层。这种模型认为本征半导体c s 3 s b 的出现是由于表面c s 原子与c s 3 s b 中p 型杂质s b 起化合作用形成的。其能带如图 3 2 ( a ) 所示，其中电子亲和势e a l o 4 5 e v 。如果表面形成后还存在着单原子c s 层 或不满的单原子c s 层，则表面层( 指n a 2 k s b 、k 2 c s s b ) 内还会引起能带弯曲，能 带如图3 2 ( b ) 所示。它的电子亲和势e a 2 e a l 。 ( f ) 表面是k 2 c s s b + s b c s 偶极层。这层偶极层在k 的激活温度下是稳定的，这 样，在蒸c s 温度下吸附在基底上的c s 与s b c s 偶极层最终形成富c s 的n 型k 2 c s s b 半导体，从而同p 型衬底n a 2 k s b 层形成异质结，其电子亲和势e a 约为o 2 e v 。 1 6 e c e f e v e 0 e a l = o 4 5 v 。 比 e f e v p 犁 ：p 犁：本征 ( a ) 表面无c s 层 图3 2 多碱阴极表面模型 2 多碱光电阴极的表面模型 p 犁 ：p 犁：本征 ( b ) 表面有c s 层 e o e a 2 2 o a e e 3 多碱光电阴极的光电流监控技术 t 程硕l 学位论文 在工艺过程中，铯处理之后是蒸s b ，蒸s b 使阴极的电阻又下降。蒸s b 使c s 3 s b 表面层中的s b 量过剩，使c s 3 s b 表面层呈p 型导电，电阻降低。根据并联电阻效应， 使整个阴极的电阻下降。同时由于c s 3 s b 表面层从弱p 型导电变成强p 型导电，使得 阴极的表面能带向上弯曲，电子亲和势增加，光电流减小。这就是在s b 、c s 交替过 程中，蒸s b 电阻下降，光电流也下降的原因。此时能带图如图3 3 ( b ) 所示。蒸s b 以 后再次蒸c s ，又使阴极的电阻上升，见图4 4 或附图3 中的。这是因为蒸c s 又使表 面c s 3 s b 层的强p 型导电特性减弱，导致电阻上升，能带向下弯曲，电子亲和势降低， 光电流再次上升。这就是在s b 、c s 交替过程中，蒸c s 电阻上升，光电流也上升的 原因。 综上所述，根据多碱光电阴极制造工艺过程中光电流和电阻的变化规律可以解 释n a 2 k s b 衬底表面存在c s 3 s b 弱p 型层的表面结构模型。所以在n a 2 k s b 衬底上进 行s b 、k 交替，目的是形成结构完好、近似本征的弱p 型c s 3 s b 半导体表面层，这 同s b 、k 交替的目的是形成结构完好的强p 型n a 2 k s b 半导体衬底的情况相类似。所 以多碱光电阴极的工艺过程可以概括为两个重要过程，即s b 、k 交替过程形成强p 型的n a 2 k s b 衬底，而s b 、c s 交替过程则形成近似本征的弱p 型c s 3 s b 表面层。 多碱光电阴极在形成过程中，s b 、c s 交替的目的是形成近似本征的弱p 型c s 3 s b 半导体表面层，从而降低n a 2 k s b 衬底的有效电子亲和势。在c s 3 s b 膜层的生长过程 中，其半导体导电极性的强弱也在不断发生变化，能带也不断发生弯曲，这样就造成 了蒸s b 电阻下降、光电流下降，蒸c s 电阻上升、光电流也上升的现象。 根据以上对多碱光电阴极形成过程的理解，要得到较高灵敏度的多碱光电阴极， 必须在n a 2 k s b 衬底的生长过程中使其进行重掺杂而形成费米能级同价带项重合的强 p 型半导体，然后再在n a 2 k s b 衬底上再形成尽可能少掺杂和尽可能弱并接近本征的 c s 3 s b 半导体。只有这样才有可能获得较高的灵敏度。 最后需要说明的是以上对多碱光电阴极的形成过程以及对表面模型、电阻变化 规律和光电流变化规律所作的定性解释是基于具体工艺和具体实验现象。由于多碱光 电阴极制作工艺较特殊，不同的作者有不同的工艺，因此也就有不同的分析结果，这 也是造成多碱光电阴极的表面模型有多种理论共存的原因。在对多碱光电阴极进行研 究时，我们不能忘记多碱光电阴极的这一特点。所以任何对多碱光电阴极所作的理论 解释只能限于他所得到的实验结果，因此实验条件不同，可能会有不同的解释，这就 只能归纳为工艺条件的差异。 根据以上多碱光电阴极光电流监控研究的结果和分析，可得如下结论： ( 1 ) 在s b 、k 交替过程中，阴极材料的半导体导电极性会发生变化，这是由阴 极材料中的n a 2 k s b 成分和其它碱锑化合物成分的比例变化所引起的。当n a 2 k s b 成 分在整个阴极材料中占主导地位时，呈p 型导电，反之则呈n 型导电。伴随着这种半 1 8 工程硕士学位论文高性能光电阴极工艺监控技术研究 导体导电极性的变化和阴极材料成分的变化，光电流自然也随之而变化。 ( 2 ) 在s b 、k 交替过程中，阴极光电流的变化不仅反映了阴极材料成分的变化， 而且也反映阴极结构成分的变化。在最初的s b 、k 交替过程中，随着s b 、k 交替的 进行，n a 2 k s b 成分的不断增多，光电流也不断增大。 ( 3 ) 根据s b 、c s 交替过程中电阻和光电流的变化规律，再结合具体工艺的特点， 可以定性地得出多碱光电阴极表面是近似本征的c s 3 s b 层的结论。 3 4 多碱光电阴极光电流法的工艺技术 ( c s ) n a 2 k s b 多碱阴极的组成结构是：k 。s b ( 基底层) 刊a 。k s b ( 中间层) c s 。s b ( 表面层) ； ( c s ) n a ：k s b 多碱阴极的工艺流程为：半成品扩口一装配上排气台 一排气一降温一吸气剂除气一引锑条一校对锑条位置一缆线与排气车连接一制管一 老炼一烤吸气剂一取下管子，将辅件切除后放入产品输送盒一检验。 经过前面各种工艺后，假设都符合条件，接下来就是光电阴极的制作工艺了。 3 安装，接线 1 ) 拉锑条，锑珠对位。 2 ) 碱源上套小碱炉，完成所有电器联接。 3 ) 热电耦必须置放于靠近小碱炉位置的纤维面板上。 4 ) 将加工灯置放于离阴极面一定距离处( 由经验得相互交替蒸发时在2 v 刻度范 围内，光电流约为8 0 。 5 ) 加工温度：2 0 0 5 ，碱炉温度3 2 0 3 8 0 ，加工灯电流2 2 0 v 4 0 w 。 6 ) 将排气车上k 、n a 、c s 、s b 电流归零，接通记录仪l 厘米分，起始量程为5 1 0 i n v 。 7 ) 接通工作电压 1 8 1 82 5 2 5 9 0 v 4 0 1 31 8 71 8 1 l1 8 2 79 0 v2 7 0 v 阴极的形成条件：炉温( 面板温度) 2 0 0 2 0 5 ，真空度l o 嵋乇，碱炉温度3 2 0 3 8 0 。下面就是多碱光电阴极制作过程： 1 ) 基底层形成：3 k + s b 一一k 。s b 作用：提高光吸收，减少表面复合率。详见电子发射与光电阴极p 孔。页。 制作要点： 当温度升至2 0 0 时，打开k 、n a 、c s 、s b 源除气4 5 分钟，除气后调整k 电流， 首先形成一层钾，按0 2 安培分钟的速率递增k 电流，使其光电流与时间轴成6 0 夹角上升到光电流与暗电流上升速率一致时增加s b 电流，使s b 和k 充分反应，光电 流迅速上升到最大值后又下降到最大值的3 0 5 0 时关s b ，关k ，形成k 。s b 膜。 1 9 3 多碱光电阴极的光电流监控技术工程硕十学位论文 2 ) 中间层( s b 、k 、n a 交替层) 的制作 通过多次交替，不断调整各元素量的配比，逐渐增加膜层的厚度，使其结构逐步 接近n a ：k s b ，其结构是六方晶体结构方为较佳结构。 具体操作方式： 引n a 此时温度为2 0 0 5 ，打开n a 源，让k 。s b 充分暴露于n a 蒸汽中，按0 2 安2 分的速率增加n a 电流( 同时不断的检查暗电流，当暗电流迅速增大后又下降时，证 明n a 已蒸发出来) 其光电流上升至极大值并又下降到极大值的3 0 5 0 时关闭n a 源。 蒸s b 打开s b 源，使s b 很快蒸发，光电流上升到极大值时又下降到极大值的5 0 时 关闭s b 源。 s b 、k 同时蒸发 打开k 源，第一次光电流迅速上升到极大值时开s b ，光电流迅速下降到极大值 的2 5 时关s b ，第二次光电流迅速上升到极大值时开s b ，光电流迅速下降到极大值 的5 0 时关s b ，第三次光电流迅速上升到极大值时开s b ，光电流迅速下降到极大值 的7 5 时关s b ，第四次光电流迅速上升到原极大值时开s b ，光电流迅速下降至原极 大值的任意位置( 下降到极大值的9 5 处时，光电流迅速上升和迅速下降的速率应一 致时) 关s b ；重复操作次数第四次，直到出现新的极大值比原极大值略低时关掉s b 和k 源。重复步骤、，使其阴极厚度不断增加。 结束交替 阴极厚度由咖啡色一白色一黄色一淡红色一紫红色一紫色一兰色一绿色一白色 一代管一般视紫红色为最佳色，此时交替结束。 3 ) 表面层( c s 。s b ) 的制作 作用： 产生能带弯曲，使电子亲和势下降至最佳状态，便于光电子的穿过和逸出，达到 使灵敏度呈数倍翻转的目的。 操作要点 蒸三次c s 将烘箱抬起2 0 厘米高的缝，将