光電子増倍管
【課題】 高い増倍効率を実現する微細構造の光電子増倍管を提供する。
【解決手段】 内部が真空に維持された外囲器を備え、該外囲器の内部空間を規定する内壁面の一部であるデバイス搭載面上に、反射型光電面である光電面(22)と、電子増倍部(31)と、陽極(32)と、電圧配分部(311)が一体的に配置されている。特に、電子増倍部(31)は、光電面(22)からの光電子をカスケード増倍するための複数段のダイノードにより構成され、これら各段のダイノードへ対応する電圧をそれぞれ印加する電圧配分部(311)が電子増倍部(31)とともに同一平面上にあることを特徴としている。
【解決手段】 内部が真空に維持された外囲器を備え、該外囲器の内部空間を規定する内壁面の一部であるデバイス搭載面上に、反射型光電面である光電面(22)と、電子増倍部(31)と、陽極(32)と、電圧配分部(311)が一体的に配置されている。特に、電子増倍部(31)は、光電面(22)からの光電子をカスケード増倍するための複数段のダイノードにより構成され、これら各段のダイノードへ対応する電圧をそれぞれ印加する電圧配分部(311)が電子増倍部(31)とともに同一平面上にあることを特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。このような光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３０７８９０５号公報
【特許文献２】特開平４−３５９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者らは、従来の光電子増倍管について検討した結果、以下のような課題を発見した。
【０００４】
すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部品自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。
【０００７】
具体的に当該光電子増倍管は、デバイス搭載面を含む内壁面によって規定される内部空間が真空状態に維持された外囲器を備えるとともに、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極と、電圧配分部を備える。上記外囲器は、ガラス材料からなる下側フレームと、電子増倍部、陽極、及び電圧配分部とが一体的にエッチング加工された側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料からなる上側フレームとで構成されている。なおこの場合、デバイス搭載面は、下側フレームの上面に相当する。
【０００８】
上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って順次デバイス搭載面上に配置された複数段のダイノードで構成され、これら複数段のダイノードそれぞれは異なる電位に設定される。このような多段ダイノードによるカスケード増倍により、高い増倍効率が実現される。また、上記電圧配分部は、電子増倍部とともにデバイス搭載面上に配置されており、該電子増倍部を構成する複数段のダイノードそれぞれに所定電圧を印加する。このように、電子増倍部と電圧配分部とが同一平面上にともに配置されることにより、当該光電子増倍管の小型化が可能になる。
【０００９】
この発明に係る光電子増倍管において、上記電圧配分部は、電子増倍部とともに外囲器の内部空間に収納されるため、主軸部と該主軸部から伸びた複数の接続部を有する形状であるのが好ましい。この主軸部は、電子増倍部における電子の進行方向に沿って伸び、複数の接続部は、複数段のダイノードのうち対応する段のダイノードに一端が接続される。また、各接続部は、少なくとも主軸部との接続端部における該主軸部の伸びる方向で規定される厚みが、該主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなるよう整形されるのが好ましい。両端に所定の電圧が印可された主軸部には、連続した電位勾配が形成されるため、接続部の接続端部（主軸部と接続部の接続部分）の厚みが大きいと、該接続部の光電面側に向いた側面と陽極側に向いた側面との間に生じる電位差が無視できなくなるからである（対応する段のダイノードの電位制御が難しくなる）。逆に、この接続端部を除けば、電気抵抗を低減するため該接続部の断面は大きくすることが好ましい。
【００１０】
この発明に係る光電子増倍管において、上記複数段のダイノードそれぞれは、デバイス搭載面に沿って配置された複数の溝部を有するのが好ましい。１つのダイノードの各溝部が複数の電子増倍チャネルそれぞれの一部を構成している。
【００１１】
また、この発明に係る光電子増倍管において、上記電圧配分部における主軸部の両端には、電子増倍部に所定電圧を印加するための金属端子が接続される。これら金属端子は、外囲器の外部と内部空間とを連絡する貫通孔に挿入される。
【００１２】
なお、この発明に係る光電子増倍管において、少なくとも上記電子増倍部は、加工のし易さから、シリコンからなるのが好ましい。例えば、上記側壁フレームがシリコン材料からなる場合、電子増倍部、陽極、及び電圧配分部とが一体的にエッチング加工することにより実現できるため、上記下側フレームのデバイス搭載面上におけるこれら構成要素の二次元的な配置が可能になり、当該光電子増倍管の小型化が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のようにこの発明によれば、それぞれが電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部を有する複数段のダイノードで構成された高い増倍効率を実現する電子増倍部と、これら複数段のダイノードに所定の電圧を印加するための電圧配分部とが、同一平面上に配置される。このように、光電子増倍管の主要な構成要素が二次元的に配置可能になるため、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明に係る光電子増倍管及びその製造方法を、図１〜図８を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構造を示す斜視図である。この図１に示された光電子増倍管１ａは、反射型の光電面を有する電子増倍管であって、上側フレーム２（ガラス基板）と、側壁フレーム３（シリコン基板）と、下側フレーム４（ガラス基板）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印Ａで示された方向から光が入射されると、光電面から放出された光電子が電子増倍部に入射し、矢印Ｂで示された方向に該光電子が走行して行くことにより二次電子をカスケード増倍する光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。
【００１６】
図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。上側フレーム２は、矩形平板状のガラス基板２０を基材として構成されている。ガラス基板２０の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。
【００１７】
側壁フレーム３は、矩形平板状のシリコン基板３０を基材として構成されている。シリコン基板３０の主面３０ａからそれに対向する面３０ｂに向かって、貫通部３０１（電子増倍部３１側）及び貫通部３０２（陽極３２側）が形成されている。貫通部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、貫通部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、その外周はシリコン基板３０の外周に沿うように形成されている。
【００１８】
貫通部３０１内には、反射型光電面２２、電子増倍部３１、陽極３２、電圧配分部３１１が形成されている。電子増倍部３１は、光電面２２から陽極３２に向かって異なる電位に設定される複数段のダイノードから構成されている。これら複数段のダイノードそれぞれには、底部を含む溝部が形成されており、これら壁部（各溝部を規定する側壁）及び底部には二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。
【００１９】
さらに、貫通部３０２内には、電圧配分部３１１及び陽極３２が該貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置されている。電圧配分部３１１は、電子増倍部３１における電子の進行方向にそって伸びた主軸部と、該主軸部から伸び、一端が対応する段のダイノードに接続された接続部から構成される。また、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａと第２端部３１１ｂの間には所定電圧が印可され、接続部により電子増倍部３１における各段のダイノードが所定電位に設定される。光電面側端子３１１ａの一部は光の入射方向（図１中の矢印Ａで示された方向）に対して陽極３２に対面するよう斜めにカットされており、このカット面上に反射型光電面２２が形成される。陽極３２は光電面２２とともに電子増倍部３１を挟む位置に配置される。これら光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２は、それぞれ下側フレーム４に陽極接合、拡散接合、更には低融点金属（例えばインジウムなど）等の封止材を用いた接合など（以下、単に接合と記載された場合は、これら接合のいずれかを指す）によって固定されており、これにより、該下側フレーム４のデバイス搭載面に二次元的に配置される。
【００２０】
下側フレーム４は、矩形平板状のガラス基板４０を基材として構成されている。ガラス基板４０の主面４０ａ（デバイス搭載面）からそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には陽極側端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、光電面側端子４１は電圧配分部３１１の第１端部３１１ａと電気的に接触し、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触し、そして、陽極側端子４３は電圧配分部３１１の第２端部３１１ｂに電気的に接触している。
【００２１】
図３は、図１中のＩ−Ｉ線及びＩＩ−ＩＩ線それぞれに沿った光電子増倍管１ａの構造示す断面図である。特に、図３（ａ）は、Ｉ−Ｉ線に沿った光電子増倍管（図１）、図３（ｂ）は、ＩＩ−ＩＩ線に沿った光電子増倍管の構造を示している。既に説明されたように、上側フレーム２には外囲器の内部空間を規定するための凹部２０１が形成されている。この上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが接合により接合されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。
【００２２】
図３（ａ）に示されたように、上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の貫通部３０１（電子増倍部３１側）及び貫通部３０２（陽極３２側）が配置されている。側壁フレーム３の貫通部３０１には電圧配分部３１１の一部とともに電子増倍部３１が配置されており、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａは、側壁フレーム３と該第１端部３１１ａとの間に空隙部３０１ａ、該第１端部３１１ａと電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されるよう配置されている。また、電子増倍部３１の電子出射端側に位置する側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、側壁フレーム３と陽極３２との間及び電子増倍部３１と陽極３２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、貫通部３０２には、第２端部３１１ｂを含む電圧配分部３１１の一部も配置されている。電子増倍部３１の電子入射端側には、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａが位置しており、この第１端部３１１ａに形成されたカット面に反射型光電面である光電面２２が設けられている。上側フレーム２を通過した入射光が光電面２２に到達すると、この入射光に応じた光電子が光電面２２から電子増倍部３１に向けて放出される。このように、側壁フレーム３の内壁で囲まれた貫通部３０１及び貫通部３０２内には、光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２が配置されており、これらは下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）に接合されている。
【００２３】
なお、電子増倍部３１は、より高い増倍率を実現するため、光電面２２から陽極３２に向かって順次配置された複数段のダイノードにより構成されている。これらダイノードは、各段がそれぞれ異なる電位に設定されるため、電気的に分離されている。一方、図３（ｂ）に示されたように、所定段のダイノードはそれぞれが異なる電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部が底部を共通部分として設けられている。
【００２４】
側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２も下側フレーム４に接合される。これにより、当該光電子増倍管の主要要素である光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２は、下側フレーム４の主面４０ａに相当するデバイス搭載面上に配置される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。
【００２５】
下側フレーム４の光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３は、それぞれ電圧配分部３１１の第１及び第２端部３１１ａ、３１１ｂに電気的に接触しているので、光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向であり、かつ電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３の陽極３２に接触しているので、陽極３２に到達した電子を信号として取り出すことができる。
【００２６】
図４には、側壁フレーム３の壁部近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の貫通部３０１内には、光電面２２、電圧配分部３１１、電子増倍部３１及び陽極３２が配置されているが、この図４では、主に、光電面２２近傍の構造が斜視図として示されている。電子増倍部３１は、より高い増倍率を実現するため、光電面２２から陽極３２に向かって順次配置された複数段のダイノードにより構成されている。これらダイノードは、各段がそれぞれ異なる電位に設定されるため、電気的に分離されているが、同じ段となる電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部は底部を共通部分として電気的に繋がっている。また、電子増倍部３１に併設された電圧配分部３１１は、電子増倍部３１に平行に配置された主軸部と、この主軸部から伸び、それぞれが対応する段のダイノードに接続された接続部を有する。また、これら接続部は、光電面２２から陽極３２に向かってそれぞれ所定距離だけ離間しており、第１端部３１１ａと第２端部３１１ｂとの間に所定電圧が印加されると、主軸部における電圧降下により各段のダイノードはそれぞれ異なる所定電位に設定される。なお、電圧配分部３１１における第１端部３１１ａのカット面上には反射型光電面である光電面２２が設けられており、この光電面２２と電子増倍部３１との間には、該光電面２２からの光電子を効率的に電子増倍部３１へ導くための集束電極３１ａが設けられている。集束電極３１ａもダイノード同様に、底部を共通部分として電気的に繋がっている。
【００２７】
光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−１０００Ｖが、陽極側端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さや幅を薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して側壁フレーム３の反射型光電面である光電面２２に光が入射すると、光電面２２から集束電極３１ａに向けて光電子が放出され、さらに、集束電極３１ａを通過した光電子は、電子増倍部３１に到達する。電圧配分部３１１には、シリコン基板３０の長手方向に沿って電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１はそれぞれが異なる電子増倍チャネルの一部として複数の溝部を有する複数段のダイノードで構成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は各段のダイノードにおける溝部で順次増倍され、効率よく複数の二次電子を放出する。このように電子増倍部３１では次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部へ到達する光電子１個当たり１０５〜１０７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は陽極３２に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。
【００２８】
次に、側壁フレーム３における電子増倍部３１の種々の構造を図５を用いて説明する。
【００２９】
まず、図５（ａ）には、上述のようにそれぞれが複数の溝部を有する複数段のダイノードにより構成されたマルチチャネル電子増倍部の構成が示された平面図である。この図５（ａ）に示された電子増倍部３１では、各段がそれぞれ異なる電位に設定される複数段のダイノードが光電面２２から陽極３２に向かって順次配置されている。また、各段のダイノードは複数の溝部が設けられており、複数段のダイノードそれぞれの溝部のうち、光電面２２から陽極３２に向かって一列に並んだ溝部により１つの電子増倍チャネルが構成されている。また、各段のダイノードは、電圧配分部３１１の主軸部から伸びた接続部に電気的に接続されており、第１及び第２端部３１１ａ、３１１ｂ間の電圧降下によりそれぞれ異なる電位に設定される。このとき、各接続部は、少なくとも主軸部との接続端部における該主軸部の伸びる方向で規定される厚みが、該主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなった形状を有する。両端に所定の電圧が印可された電圧配分部３１１の主軸部には、連続した電位勾配が形成されるため、接続部における接続端部（主軸部と接続部の接続部分）の厚みが大きいと、各段のダイノードを所望の電位に設定するのが難しくなるが、少なくとも接続端部の厚みを小さくすることによって所望の電圧が得やすくなる。なお、接続端部を除けば、電気抵抗を小さくするために該接続部の断面積を大きくしてもよい。
【００３０】
一方、図５（ｂ）に示された電子増倍部３１も、複数段のダイノードにより構成されているが、光電面２２から陽極３２に向かって隣接する段のダイノード同士の電子入射面が向き合った構造となっている点で、図５（ａ）に示された構造の電子増倍部３１とは異なる。なお、この実施形態に示された構造においては、初段以降の各段のダイノードの電子入射開口にグリッド電極が設けられており、その構造は集束電極３１ａと同様である。このように、当該発明に係る光電子増倍管は、シングルチャネルの電子増倍部を備えてもよい。この構成においても、接続部の断面積は、主軸部の断面積よりも小さいのが好ましい。
【００３１】
なお、上述の実施形態では、反射型の光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、透過型光電面を有してもよい。例えば、ガラス材料からなる上側フレーム２の凹部２０１の底面であって電子増倍部３１の電子入射端に対応する位置に光電面を形成したり、電子増倍部３１の陽極側端とは逆側の端部に透過窓を形成し、この透過窓を覆うように透過型光電面をさらに形成することにより、透過型の光電面を有する光電子増倍管が得られる。反射型及び透過型いずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管１ａと同様の構造を有した状態でこの発明に係る光電子増倍管が得られる。
【００３２】
また、上述の実施形態では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０から離間した状態で一体形成されている。通常、側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。そのため、当該発明では、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２は、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）にそれぞれ配置される。
【００３３】
さらに、上述の実施形態では、外囲器の一部を構成する上側フレーム２がガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。透過窓の形成方法は、例えば、ガラス層（ＳｉＯ２）の両面がシリコン基板で挟まれたSOI（Silicon OnInsulator）基板の両面をエッチングし、露出したガラス層（ＳｉＯ２）の一部を透過窓として利用することができる。また、シリコン基板に数μｍで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、熱酸化させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面からエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。
【００３４】
次に、図１に示された光電子増倍管１ａの製造方法の一例について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ〜数十ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図６及び図７を用いて説明する。
【００３５】
まず、図６（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図６（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部７０１が形成されている。このとき、電子増倍部３１を構成する各段のダイノードを分離するための空隙部に対応した除去部も形成される。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部６１１が形成されるとともに、各段のダイノードの空隙部に対応する除去部も形成される。
【００３６】
図６（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。このとき、よりＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時の選択性（加工する箇所と加工しない箇所のエッチングレート比）を高くする場合、あるいは深い加工が要求される場合、レジスト膜７０を除去せずマスクとして使用してもよい。図６（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する空隙部５０１と、空隙部３０１ａ、３０１ｂに対応する空隙部が形成される。続いて、図６（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図３（ａ）の空隙部３０１ａ、３０１ｂに対応する除去部７１１と、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部７１２と、各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図３（ａ）の空隙部３０１ａ、３０１ｂに対応する除去部６０１と、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部６０２と、各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部とが形成される。
【００３７】
図６（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図６（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２が予め加工されている。なお、図示されていないが、孔８０２に並んで図２の孔４０３に対応する孔８０３も予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６１が除去される。図７（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２の陽極３２に相当する島状部５２が形成される。この陽極３２に相当する島状部５２はガラス基板８０に接合される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、各段のダイノードに相当する部分５１と、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａに相当する島状部５０３とも形成される。ここで、各ダイノード部分５１に設けられる溝部及び底部には二次電子放出面が形成される。また、この際、島状部５０３にはカット面が形成され、該カット面上に反射型光電面２２が形成される（図７（ｃ）参照）。
【００３８】
続いて、図７（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されている。
【００３９】
上述のように図７（ｃ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図７（ｂ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図７（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の陽極側端子４３に相当する陽極側端子８３が孔８０３に、それぞれ挿入固定されることで、図７（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。
【００４０】
次に、上述のような構造を有する光電子増倍管１ａが適用される光モジュールについて説明する。図８（ａ）は、光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。
【００４１】
抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。
【００４２】
検出部８５５の構成を、図８（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。
【００４３】
既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。
【００４４】
以上のようにこの発明によれば、電子増倍部３１を構成する複数段のダイノードを二次元的に配置することにより、より電子増倍効率を飛躍的に向上させうる微細構造の光電子増倍管が得られる。
【００４５】
また、電子増倍部３１にはシリコン基板３０ａを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。
【００４６】
陽極３２は、ガラス基板４０ａに接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施形態に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。陽極３２は、その下面全体でガラス基板４０ａと接合されるため、衝撃、振動で振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。
【００４７】
また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。
【００４８】
電子増倍部３１では、平面的に配置された複数段のダイノードにより構成されており、各段のダイノードに設けられた複数の溝部に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このように、当該光電子増倍管は、平面的な構造で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。
【００４９】
上述のような構造を有する光電子増倍管が適用された分析モジュール８５によれば、微小な粒子の検出が可能となる。また、抽出から反応、検出までを連続して行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示された光電子増倍管の組立工程図である。
【図３】図１中のＩ−Ｉ線及びＩＩ−ＩＩ線それぞれに沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。
【図４】図１に示された光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。
【図５】電子増倍部の種々の構造を説明するための平面図である。
【図６】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その１）。
【図７】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その２）。
【図８】この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子、３１１…電圧配分部、３１１ａ、３１１ｂ…端部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光電子増倍管に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から光センサとして光電子増倍管（ＰＭＴ：Photo−Multiplier Tube）が知られている。光電子増倍管は、光を電子に変換する光電面（Photocathode）、集束電極、電子増倍部、及び陽極を備え、それらを真空容器に収めて構成される。このような光電子増倍管では、光が光電面に入射すると、光電面から真空容器中に光電子が放出される。その光電子は集束電極によって電子増倍部に導かれ、該電子増倍部によってカスケード増倍される。陽極は増倍された電子のうち到達した電子を信号として出力する（例えば、下記特許文献１及び特許文献２参照）。
【特許文献１】特許第３０７８９０５号公報
【特許文献２】特開平４−３５９８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
発明者らは、従来の光電子増倍管について検討した結果、以下のような課題を発見した。
【０００４】
すなわち、光センサの用途が多様化するにつれ、より小型の光電子増倍管が求められている。一方、このような光電子増倍管の小型化に伴い、当該光電子増倍管を構成する部品に高精度の加工技術が要求されるようになってきた。特に、部品自体の微細化が進めば、該部品間における精密な配置が実現し難くなってくるため、高い検出精度は得られず、また、製造された光電子増倍管ごとに検出精度のバラツキが大きくなってしまう。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る光電子増倍管は、光電面によって生成された光電子をカスケード増倍する電子増倍部を有する光センサであって、該光電面の配置位置により、光の入射方向と同じ方向に光電子を放出する透過型光電面を有する光電子増倍管と、光の入射方向と異なる方向に光電子を放出する反射型光電面を有する光電子増倍管がある。
【０００７】
具体的に当該光電子増倍管は、デバイス搭載面を含む内壁面によって規定される内部空間が真空状態に維持された外囲器を備えるとともに、該外囲器内に収納された光電面と、該外囲器内に収納された電子増倍部と、少なくとも一部が該外囲器内に収納された陽極と、電圧配分部を備える。上記外囲器は、ガラス材料からなる下側フレームと、電子増倍部、陽極、及び電圧配分部とが一体的にエッチング加工された側壁フレームと、ガラス材料又はシリコン材料からなる上側フレームとで構成されている。なおこの場合、デバイス搭載面は、下側フレームの上面に相当する。
【０００８】
上記電子増倍部は、電子の進行方向に沿って順次デバイス搭載面上に配置された複数段のダイノードで構成され、これら複数段のダイノードそれぞれは異なる電位に設定される。このような多段ダイノードによるカスケード増倍により、高い増倍効率が実現される。また、上記電圧配分部は、電子増倍部とともにデバイス搭載面上に配置されており、該電子増倍部を構成する複数段のダイノードそれぞれに所定電圧を印加する。このように、電子増倍部と電圧配分部とが同一平面上にともに配置されることにより、当該光電子増倍管の小型化が可能になる。
【０００９】
この発明に係る光電子増倍管において、上記電圧配分部は、電子増倍部とともに外囲器の内部空間に収納されるため、主軸部と該主軸部から伸びた複数の接続部を有する形状であるのが好ましい。この主軸部は、電子増倍部における電子の進行方向に沿って伸び、複数の接続部は、複数段のダイノードのうち対応する段のダイノードに一端が接続される。また、各接続部は、少なくとも主軸部との接続端部における該主軸部の伸びる方向で規定される厚みが、該主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなるよう整形されるのが好ましい。両端に所定の電圧が印可された主軸部には、連続した電位勾配が形成されるため、接続部の接続端部（主軸部と接続部の接続部分）の厚みが大きいと、該接続部の光電面側に向いた側面と陽極側に向いた側面との間に生じる電位差が無視できなくなるからである（対応する段のダイノードの電位制御が難しくなる）。逆に、この接続端部を除けば、電気抵抗を低減するため該接続部の断面は大きくすることが好ましい。
【００１０】
この発明に係る光電子増倍管において、上記複数段のダイノードそれぞれは、デバイス搭載面に沿って配置された複数の溝部を有するのが好ましい。１つのダイノードの各溝部が複数の電子増倍チャネルそれぞれの一部を構成している。
【００１１】
また、この発明に係る光電子増倍管において、上記電圧配分部における主軸部の両端には、電子増倍部に所定電圧を印加するための金属端子が接続される。これら金属端子は、外囲器の外部と内部空間とを連絡する貫通孔に挿入される。
【００１２】
なお、この発明に係る光電子増倍管において、少なくとも上記電子増倍部は、加工のし易さから、シリコンからなるのが好ましい。例えば、上記側壁フレームがシリコン材料からなる場合、電子増倍部、陽極、及び電圧配分部とが一体的にエッチング加工することにより実現できるため、上記下側フレームのデバイス搭載面上におけるこれら構成要素の二次元的な配置が可能になり、当該光電子増倍管の小型化が可能になる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のようにこの発明によれば、それぞれが電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部を有する複数段のダイノードで構成された高い増倍効率を実現する電子増倍部と、これら複数段のダイノードに所定の電圧を印加するための電圧配分部とが、同一平面上に配置される。このように、光電子増倍管の主要な構成要素が二次元的に配置可能になるため、より高い増倍効率が得られる微細構造の光電子増倍管が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明に係る光電子増倍管及びその製造方法を、図１〜図８を用いて詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。
【００１５】
図１は、この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構造を示す斜視図である。この図１に示された光電子増倍管１ａは、反射型の光電面を有する電子増倍管であって、上側フレーム２（ガラス基板）と、側壁フレーム３（シリコン基板）と、下側フレーム４（ガラス基板）により構成された外囲器を備える。この光電子増倍管１ａは光電面への光の入射方向と、電子増倍部での電子の走行方向が交差する、つまり図１中の矢印Ａで示された方向から光が入射されると、光電面から放出された光電子が電子増倍部に入射し、矢印Ｂで示された方向に該光電子が走行して行くことにより二次電子をカスケード増倍する光電子増倍管である。引き続いて各構成要素について説明する。
【００１６】
図２は、図１に示された光電子増倍管１ａを上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４に分解して示す斜視図である。上側フレーム２は、矩形平板状のガラス基板２０を基材として構成されている。ガラス基板２０の主面２０ａには矩形の凹部２０１が形成されており、凹部２０１の外周はガラス基板２０の外周に沿うように形成されている。
【００１７】
側壁フレーム３は、矩形平板状のシリコン基板３０を基材として構成されている。シリコン基板３０の主面３０ａからそれに対向する面３０ｂに向かって、貫通部３０１（電子増倍部３１側）及び貫通部３０２（陽極３２側）が形成されている。貫通部３０１及び貫通部３０２は共にその開口が矩形であって、貫通部３０１及び貫通部３０２は互いに連結されており、その外周はシリコン基板３０の外周に沿うように形成されている。
【００１８】
貫通部３０１内には、反射型光電面２２、電子増倍部３１、陽極３２、電圧配分部３１１が形成されている。電子増倍部３１は、光電面２２から陽極３２に向かって異なる電位に設定される複数段のダイノードから構成されている。これら複数段のダイノードそれぞれには、底部を含む溝部が形成されており、これら壁部（各溝部を規定する側壁）及び底部には二次電子放出材料からなる二次電子放出面が形成されている。
【００１９】
さらに、貫通部３０２内には、電圧配分部３１１及び陽極３２が該貫通部３０２の内壁との間に空隙部を設けて配置されている。電圧配分部３１１は、電子増倍部３１における電子の進行方向にそって伸びた主軸部と、該主軸部から伸び、一端が対応する段のダイノードに接続された接続部から構成される。また、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａと第２端部３１１ｂの間には所定電圧が印可され、接続部により電子増倍部３１における各段のダイノードが所定電位に設定される。光電面側端子３１１ａの一部は光の入射方向（図１中の矢印Ａで示された方向）に対して陽極３２に対面するよう斜めにカットされており、このカット面上に反射型光電面２２が形成される。陽極３２は光電面２２とともに電子増倍部３１を挟む位置に配置される。これら光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２は、それぞれ下側フレーム４に陽極接合、拡散接合、更には低融点金属（例えばインジウムなど）等の封止材を用いた接合など（以下、単に接合と記載された場合は、これら接合のいずれかを指す）によって固定されており、これにより、該下側フレーム４のデバイス搭載面に二次元的に配置される。
【００２０】
下側フレーム４は、矩形平板状のガラス基板４０を基材として構成されている。ガラス基板４０の主面４０ａ（デバイス搭載面）からそれに対向する面４０ｂに向かって、孔４０１、孔４０２、及び孔４０３がそれぞれ設けられている。孔４０１には光電面側端子４１が、孔４０２には陽極端子４２が、孔４０３には陽極側端子４３が、それぞれ挿入固定されている。また、光電面側端子４１は電圧配分部３１１の第１端部３１１ａと電気的に接触し、陽極端子４２は側壁フレーム３の陽極３２に電気的に接触し、そして、陽極側端子４３は電圧配分部３１１の第２端部３１１ｂに電気的に接触している。
【００２１】
図３は、図１中のＩ−Ｉ線及びＩＩ−ＩＩ線それぞれに沿った光電子増倍管１ａの構造示す断面図である。特に、図３（ａ）は、Ｉ−Ｉ線に沿った光電子増倍管（図１）、図３（ｂ）は、ＩＩ−ＩＩ線に沿った光電子増倍管の構造を示している。既に説明されたように、上側フレーム２には外囲器の内部空間を規定するための凹部２０１が形成されている。この上側フレーム２の主面２０ａ（図２参照）と側壁フレーム３の主面３０ａ（図２参照）とが接合により接合されることにより、上側フレーム２が側壁フレーム３に固定される。
【００２２】
図３（ａ）に示されたように、上側フレーム２の凹部２０１に対応する位置には側壁フレーム３の貫通部３０１（電子増倍部３１側）及び貫通部３０２（陽極３２側）が配置されている。側壁フレーム３の貫通部３０１には電圧配分部３１１の一部とともに電子増倍部３１が配置されており、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａは、側壁フレーム３と該第１端部３１１ａとの間に空隙部３０１ａ、該第１端部３１１ａと電子増倍部３１との間には空隙部３０１ｂが形成されるよう配置されている。また、電子増倍部３１の電子出射端側に位置する側壁フレーム３の貫通部３０２内には陽極３２が配置されている。陽極３２は貫通部３０２の内壁と接しないように配置されているので、側壁フレーム３と陽極３２との間及び電子増倍部３１と陽極３２との間には空隙部３０２ａが形成されている。また、貫通部３０２には、第２端部３１１ｂを含む電圧配分部３１１の一部も配置されている。電子増倍部３１の電子入射端側には、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａが位置しており、この第１端部３１１ａに形成されたカット面に反射型光電面である光電面２２が設けられている。上側フレーム２を通過した入射光が光電面２２に到達すると、この入射光に応じた光電子が光電面２２から電子増倍部３１に向けて放出される。このように、側壁フレーム３の内壁で囲まれた貫通部３０１及び貫通部３０２内には、光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２が配置されており、これらは下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）に接合されている。
【００２３】
なお、電子増倍部３１は、より高い増倍率を実現するため、光電面２２から陽極３２に向かって順次配置された複数段のダイノードにより構成されている。これらダイノードは、各段がそれぞれ異なる電位に設定されるため、電気的に分離されている。一方、図３（ｂ）に示されたように、所定段のダイノードはそれぞれが異なる電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部が底部を共通部分として設けられている。
【００２４】
側壁フレーム３の面３０ｂ（図２参照）と下側フレーム４の主面４０ａ（図２参照）とが接合されることにより、下側フレーム４が側壁フレーム３に固定される。このとき、側壁フレーム３の光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２も下側フレーム４に接合される。これにより、当該光電子増倍管の主要要素である光電面２２、電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２は、下側フレーム４の主面４０ａに相当するデバイス搭載面上に配置される。それぞれガラス材料からなる上側フレーム２及び下側フレーム４が側壁フレーム３を挟み込んだ状態で、それぞれ該側壁フレームに接合されることにより、当該電子増倍管１ａの外囲器が得られる。なお、この外囲器内部には空間が形成されており、これら上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４からなる外囲器を組み立てる際に真空気密の処理がなされて該外囲器の内部が真空状態に維持される（詳細は後述する）。
【００２５】
下側フレーム４の光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３は、それぞれ電圧配分部３１１の第１及び第２端部３１１ａ、３１１ｂに電気的に接触しているので、光電面側端子４０１及び陽極側端子４０３にそれぞれ所定の電圧を印加することでシリコン基板３０の長手方向（光電面２２から光電子が放出される方向であり、かつ電子増倍部３１を二次電子が走行する方向）に電位差を生じさせることができる。また、下側フレーム４の陽極端子４０２は側壁フレーム３の陽極３２に接触しているので、陽極３２に到達した電子を信号として取り出すことができる。
【００２６】
図４には、側壁フレーム３の壁部近傍の構造が示されている。シリコン基板３０の貫通部３０１内には、光電面２２、電圧配分部３１１、電子増倍部３１及び陽極３２が配置されているが、この図４では、主に、光電面２２近傍の構造が斜視図として示されている。電子増倍部３１は、より高い増倍率を実現するため、光電面２２から陽極３２に向かって順次配置された複数段のダイノードにより構成されている。これらダイノードは、各段がそれぞれ異なる電位に設定されるため、電気的に分離されているが、同じ段となる電子増倍チャネルの一部を構成する複数の溝部は底部を共通部分として電気的に繋がっている。また、電子増倍部３１に併設された電圧配分部３１１は、電子増倍部３１に平行に配置された主軸部と、この主軸部から伸び、それぞれが対応する段のダイノードに接続された接続部を有する。また、これら接続部は、光電面２２から陽極３２に向かってそれぞれ所定距離だけ離間しており、第１端部３１１ａと第２端部３１１ｂとの間に所定電圧が印加されると、主軸部における電圧降下により各段のダイノードはそれぞれ異なる所定電位に設定される。なお、電圧配分部３１１における第１端部３１１ａのカット面上には反射型光電面である光電面２２が設けられており、この光電面２２と電子増倍部３１との間には、該光電面２２からの光電子を効率的に電子増倍部３１へ導くための集束電極３１ａが設けられている。集束電極３１ａもダイノード同様に、底部を共通部分として電気的に繋がっている。
【００２７】
光電子増倍管１ａは、以下のように動作をする。すなわち、下側フレーム４の光電面側端子４０１には−１０００Ｖが、陽極側端子４０３には０Ｖがそれぞれ印加されている。なお、シリコン基板３０の抵抗は約１０ＭΩである。また、シリコン基板３０の抵抗値は、シリコン基板３０のボリューム、例えば厚さを変えることによって調整することができる。例えば、シリコン基板の厚さや幅を薄くすることによって、抵抗値を上げることができる。ここで、ガラス材料からなる上側フレーム２を介して側壁フレーム３の反射型光電面である光電面２２に光が入射すると、光電面２２から集束電極３１ａに向けて光電子が放出され、さらに、集束電極３１ａを通過した光電子は、電子増倍部３１に到達する。電圧配分部３１１には、シリコン基板３０の長手方向に沿って電位差が生じているので、電子増倍部３１に到達した光電子は陽極３２側へ向かう。電子増倍部３１はそれぞれが異なる電子増倍チャネルの一部として複数の溝部を有する複数段のダイノードで構成されている。したがって、光電面２２から電子増倍部３１に到達した光電子は各段のダイノードにおける溝部で順次増倍され、効率よく複数の二次電子を放出する。このように電子増倍部３１では次々に二次電子のカスケード増倍が行われ、光電面から電子増倍部へ到達する光電子１個当たり１０５〜１０７個の二次電子が生成される。この生成された二次電子は陽極３２に到達し、陽極端子４０２から信号として取り出される。
【００２８】
次に、側壁フレーム３における電子増倍部３１の種々の構造を図５を用いて説明する。
【００２９】
まず、図５（ａ）には、上述のようにそれぞれが複数の溝部を有する複数段のダイノードにより構成されたマルチチャネル電子増倍部の構成が示された平面図である。この図５（ａ）に示された電子増倍部３１では、各段がそれぞれ異なる電位に設定される複数段のダイノードが光電面２２から陽極３２に向かって順次配置されている。また、各段のダイノードは複数の溝部が設けられており、複数段のダイノードそれぞれの溝部のうち、光電面２２から陽極３２に向かって一列に並んだ溝部により１つの電子増倍チャネルが構成されている。また、各段のダイノードは、電圧配分部３１１の主軸部から伸びた接続部に電気的に接続されており、第１及び第２端部３１１ａ、３１１ｂ間の電圧降下によりそれぞれ異なる電位に設定される。このとき、各接続部は、少なくとも主軸部との接続端部における該主軸部の伸びる方向で規定される厚みが、該主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなった形状を有する。両端に所定の電圧が印可された電圧配分部３１１の主軸部には、連続した電位勾配が形成されるため、接続部における接続端部（主軸部と接続部の接続部分）の厚みが大きいと、各段のダイノードを所望の電位に設定するのが難しくなるが、少なくとも接続端部の厚みを小さくすることによって所望の電圧が得やすくなる。なお、接続端部を除けば、電気抵抗を小さくするために該接続部の断面積を大きくしてもよい。
【００３０】
一方、図５（ｂ）に示された電子増倍部３１も、複数段のダイノードにより構成されているが、光電面２２から陽極３２に向かって隣接する段のダイノード同士の電子入射面が向き合った構造となっている点で、図５（ａ）に示された構造の電子増倍部３１とは異なる。なお、この実施形態に示された構造においては、初段以降の各段のダイノードの電子入射開口にグリッド電極が設けられており、その構造は集束電極３１ａと同様である。このように、当該発明に係る光電子増倍管は、シングルチャネルの電子増倍部を備えてもよい。この構成においても、接続部の断面積は、主軸部の断面積よりも小さいのが好ましい。
【００３１】
なお、上述の実施形態では、反射型の光電子電子増倍管について説明したが、この発明に係る光電子増倍管は、透過型光電面を有してもよい。例えば、ガラス材料からなる上側フレーム２の凹部２０１の底面であって電子増倍部３１の電子入射端に対応する位置に光電面を形成したり、電子増倍部３１の陽極側端とは逆側の端部に透過窓を形成し、この透過窓を覆うように透過型光電面をさらに形成することにより、透過型の光電面を有する光電子増倍管が得られる。反射型及び透過型いずれの構造でも、他の構造は上述の電子増倍管１ａと同様の構造を有した状態でこの発明に係る光電子増倍管が得られる。
【００３２】
また、上述の実施形態では、外囲器内に配置される電子増倍部３１が側壁フレーム３を構成するシリコン基板３０から離間した状態で一体形成されている。通常、側壁フレーム３と電子増倍部３１とが接触した状態では、該電子増倍部３１が側壁フレーム３を介した外部雑音の影響を受けてしまい、検出精度が低下する可能性がある。そのため、当該発明では、側壁フレーム３と一体的に形成される電子増倍部３１、電圧配分部３１１及び陽極３２は、該側壁フレーム３から所定距離離間した状態で、ガラス基板４０（下側フレーム４）にそれぞれ配置される。
【００３３】
さらに、上述の実施形態では、外囲器の一部を構成する上側フレーム２がガラス基板２０で構成されており、このガラス基板２０自体が透過窓と機能している。しかしながら、上側フレーム２はシリコン基板で構成されてもよい。この場合、該上側フレーム２又は側壁フレーム３の何れかに、透過窓が形成される。透過窓の形成方法は、例えば、ガラス層（ＳｉＯ２）の両面がシリコン基板で挟まれたSOI（Silicon OnInsulator）基板の両面をエッチングし、露出したガラス層（ＳｉＯ２）の一部を透過窓として利用することができる。また、シリコン基板に数μｍで柱状又はメッシュ状のパターンを形成し、この部分を熱酸化させることでガラス化してもよい。また、透過窓形成域のシリコン基板を厚さ数μｍ程度になるようエッチングし、熱酸化させることでガラス化させてもよい。この場合、シリコン基板の両面からエッチングしてもよいし、片側のみからエッチングしてもよい。
【００３４】
次に、図１に示された光電子増倍管１ａの製造方法の一例について説明する。当該光電子増倍管を製造する場合には、直径４インチのシリコン基板（図２の側壁フレーム３の構成材料）と、同形状の２枚のガラス基板（図２の上側フレーム２及び下側フレーム４の構成材料）とが準備される。それらには、微小な領域（例えば、数ミリ〜数十ミリ四方）ごとに以下に説明する加工が施される。以下に説明する加工が終了すると領域ごとに分割して光電子増倍管が完成する。引き続いて、その加工方法について、図６及び図７を用いて説明する。
【００３５】
まず、図６（ａ）に示されたように、厚さ０．３ｍｍ、比抵抗３０ｋΩ・ｃｍのシリコン基板５０（側壁フレーム３に相当）が準備される。このシリコン基板５０の両面にそれぞれシリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１が形成される。シリコン熱酸化膜６０及びシリコン熱酸化膜６１は、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）加工時のマスクとして機能する。続いて、図６（ｂ）に示されたように、レジスト膜７０がシリコン基板５０の裏面側に形成される。レジスト膜７０には、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部７０１が形成されている。このとき、電子増倍部３１を構成する各段のダイノードを分離するための空隙部に対応した除去部も形成される。この状態でシリコン熱酸化膜６１がエッチングされると、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部６１１が形成されるとともに、各段のダイノードの空隙部に対応する除去部も形成される。
【００３６】
図６（ｂ）に示された状態からレジスト膜７０が除去された後、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。このとき、よりＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時の選択性（加工する箇所と加工しない箇所のエッチングレート比）を高くする場合、あるいは深い加工が要求される場合、レジスト膜７０を除去せずマスクとして使用してもよい。図６（ｃ）に示されたように、シリコン基板５０には、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する空隙部５０１と、空隙部３０１ａ、３０１ｂに対応する空隙部が形成される。続いて、図６（ｄ）に示されたように、レジスト膜７１がシリコン基板５０の表面側に形成される。レジスト膜７１には、図３（ａ）の空隙部３０１ａ、３０１ｂに対応する除去部７１１と、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部７１２と、各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部が形成されている。この状態でシリコン熱酸化膜６０がエッチングされると、図３（ａ）の空隙部３０１ａ、３０１ｂに対応する除去部６０１と、図３（ａ）の空隙部３０２ａに対応する除去部６０２と、各段のダイノード間の空隙部に対応する除去部とが形成される。
【００３７】
図６（ｄ）の状態からシリコン熱酸化膜６１が除去された後、シリコン基板５０の裏面側にガラス基板８０（下側フレーム４に相当）が陽極接合される（図６（ｅ）参照）。このガラス基板８０には、図２の孔４０１に相当する孔８０１、図２の孔４０２に対応する孔８０２が予め加工されている。なお、図示されていないが、孔８０２に並んで図２の孔４０３に対応する孔８０３も予め加工されている。続いて、シリコン基板５０の表面側では、ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工が行われる。レジスト膜７１はＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工時のマスク材として機能し、アスペクト比の高い加工を可能にする。ＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工後、レジスト膜７１及びシリコン熱酸化膜６１が除去される。図７（ａ）に示されたように、予め裏面から空隙部５０１の加工がなされていた部分についてはガラス基板８０に到達する貫通部が形成されることにより、図２の陽極３２に相当する島状部５２が形成される。この陽極３２に相当する島状部５２はガラス基板８０に接合される。また、このＤＥＥＰ−ＲＩＥ加工の際に、各段のダイノードに相当する部分５１と、電圧配分部３１１の第１端部３１１ａに相当する島状部５０３とも形成される。ここで、各ダイノード部分５１に設けられる溝部及び底部には二次電子放出面が形成される。また、この際、島状部５０３にはカット面が形成され、該カット面上に反射型光電面２２が形成される（図７（ｃ）参照）。
【００３８】
続いて、図７（ｂ）に示されたように、上側フレーム２に相当するガラス基板９０が準備される。ガラス基板９０には座ぐり加工で凹部９０１（図２の凹部２０１に相当）が形成されている。
【００３９】
上述のように図７（ｃ）まで加工が進んだシリコン基板５０及びガラス基板８０と、図７（ｂ）まで加工が進んだガラス基板９０とが、図７（ｄ）に示されたように、真空気密の状態で接合される。その後、図２の光電面側端子４１に相当する光電面側端子８１が孔８０１に、図２の陽極端子４２に相当する陽極端子８２が孔８０２に、図２の陽極側端子４３に相当する陽極側端子８３が孔８０３に、それぞれ挿入固定されることで、図７（ｅ）に示された状態となる。この後、チップ単位で切り出されることにより、図１及び図２に示されたような構造を有する光電子増倍管が得られる。
【００４０】
次に、上述のような構造を有する光電子増倍管１ａが適用される光モジュールについて説明する。図８（ａ）は、光電子増倍管１ａが適用された分析モジュールの構造を示す図である。分析モジュール８５は、ガラスプレート８５０と、ガス導入管８５１と、ガス排気管８５２と、溶媒導入管８５３と、試薬混合反応路８５４と、検出部８５５と、廃液溜８５６と、試薬路８５７を備える。ガス導入管８５１及びガス排気管８５２は、分析対象となるガスを分析モジュール８５に導入又は排気するために設けられている。ガス導入管８５１から導入されたガスは、ガラスプレート８５０上に形成された抽出路８５３ａを通り、ガス排気管８５２から外部に排出される。したがって、溶媒導入管８５３から導入された溶媒を抽出路８５３ａを通すことによって、導入されたガス中に特定の関心物質（例えば、環境ホルモンや微粒子）が存在した場合、それらを溶媒中に抽出することができる。
【００４１】
抽出路８５３ａを通った溶媒は、抽出した関心物質を含んで試薬混合反応路８５４に導入される。試薬混合反応路８５４は複数あり、試薬路８５７からそれぞれに対応する試薬が導入されることで、試薬が溶媒に混合される。試薬が混合された溶媒は反応を行いながら試薬混合反応路８５４を検出部８５５に向かって進行する。検出部８５５において関心物質の検出が終了した溶媒は廃液溜８５６に廃棄される。
【００４２】
検出部８５５の構成を、図８（ｂ）を参照しながら説明する。検出部８５５は、発光ダイオードアレイ８５５ａと、光電子増倍管１ａと、電源８５５ｃと、出力回路８５５ｂを備える。発光ダイオードアレイ８５５ａは、ガラスプレート８５０の試薬混合反応路８５４それぞれに対応して複数の発光ダイオードが設けられている。発光ダイオードアレイ８５５ａから出射された励起光（図中実線矢印）は、試薬混合反応路８５４に導かれる。試薬混合反応路８５４には関心物質が含まれうる溶媒が流れており、試薬混合反応路８５４内において関心物質が試薬と反応した後、検出部８５５に対応する試薬混合反応路８５４に励起光が照射され、蛍光又は透過光（図中破線矢印）が光電子増倍管１ａに到達する。この蛍光又は透過光は光電子増倍管１ａの光電面２２に照射される。
【００４３】
既に説明したように光電子増倍管１ａには複数の溝（例えば２０チャネル相当分）を有する電子増倍部が設けられているので、どの位置の（どの試薬混合反応路８５４の）蛍光又は透過光が変化したのかを検出できる。この検出結果は出力回路８５５ｂから出力される。また、電源８５５ｃは光電子増倍管１ａを駆動するための電源である。なお、ガラスプレート８５０上にはガラス薄板（図示しない）が配置されていて、ガス導入管８５１、ガス排気管８５２、溶媒導入管８５３とガラスプレート８５０との接点部及び廃液溜８５６と試薬路８５７の試料注入部を除き、抽出路８５３ａ、試薬混合反応路８５４、試薬路８５７（試料注入部を除く）等を覆っている。
【００４４】
以上のようにこの発明によれば、電子増倍部３１を構成する複数段のダイノードを二次元的に配置することにより、より電子増倍効率を飛躍的に向上させうる微細構造の光電子増倍管が得られる。
【００４５】
また、電子増倍部３１にはシリコン基板３０ａを微細加工することにより溝が形成されており、また、シリコン基板３０ａはガラス基板４０ａに接合されているため、振動する部分がない。したがって、各実施形態に係る光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性に優れている。
【００４６】
陽極３２は、ガラス基板４０ａに接合されているため、溶接時の金属飛沫がない。このため、各実施形態に係る光電子増倍管は電気的な安定性や耐震性、耐衝撃性が向上している。陽極３２は、その下面全体でガラス基板４０ａと接合されるため、衝撃、振動で振動しない。このため、当該光電子増倍管は耐震性、耐衝撃性が向上している。
【００４７】
また、当該電子増倍管の製造では、内部構造を組み立てる必要がなく、ハンドリングが簡単なため作業時間が短い。上側フレーム２、側壁フレーム３、及び下側フレーム４によって構成される外囲器（真空容器）と内部構造が一体的に構成されているので容易に小型化できる。内部には個々の部品がないため、電気的、機械的な接合が不要である。
【００４８】
電子増倍部３１では、平面的に配置された複数段のダイノードにより構成されており、各段のダイノードに設けられた複数の溝部に電子が衝突しながらカスケード増倍していく。このように、当該光電子増倍管は、平面的な構造で多くの部品を必要としないため容易に小型化可能である。
【００４９】
上述のような構造を有する光電子増倍管が適用された分析モジュール８５によれば、微小な粒子の検出が可能となる。また、抽出から反応、検出までを連続して行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
この発明に係る光電子増倍管は、微弱光の検出を必要とする種々の検出分野への適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】この発明に係る光電子増倍管の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示された光電子増倍管の組立工程図である。
【図３】図１中のＩ−Ｉ線及びＩＩ−ＩＩ線それぞれに沿った光電子増倍管の構造を示す断面図である。
【図４】図１に示された光電子増倍管における電子増倍部の構造を示す斜視図である。
【図５】電子増倍部の種々の構造を説明するための平面図である。
【図６】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その１）。
【図７】図１に示された光電子増倍管の製造工程を説明するための図である（その２）。
【図８】この発明に係る光電子増倍管が適用された検出モジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ…光電子増倍管、２…上側フレーム、３…側壁フレーム、４…下側フレーム（ガラス基板）、２２…光電面、３１…電子増倍部、３２…陽極、４２…陽極端子、３１１…電圧配分部、３１１ａ、３１１ｂ…端部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デバイス搭載面を含む内壁面によって規定された内部空間が真空状態に維持された外囲器と、
前記外囲器内に収納され、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
前記外囲器内に収納され、電子の進行方向に沿って前記デバイス搭載面上に順次配置された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、
前記外囲器内に収納され、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極と、
前記外囲器内に収納され、前記電子増倍部を構成する複数段のダイノードそれぞれに所定電圧を印加するための電圧配分部であって、前記電子増倍部とともに前記デバイス搭載面上に配置された電圧配分部とを備えた光電子増倍管。
【請求項２】
前記電圧配分部は、前記電子増倍部における電子の進行方向に沿って伸びた主軸部と、該主軸部からそれぞれ伸び、前記複数段のダイノードのうち対応する段のダイノードに一端が接続された複数の接続部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
【請求項３】
前記複数の接続部それぞれは、少なくとも前記主軸部との接続端部における前記主軸部の伸びる方向で規定される厚みが、前記主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなるよう整形されていることを特徴とする請求項２記載の光電子増倍管。
【請求項４】
前記複数段のダイノードそれぞれは、前記デバイス搭載面に沿って配置された複数の溝部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項５】
前記電圧配分部における前記主軸部の両端には、前記電子増倍部に所定電圧を印加するための金属端子が接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項６】
前記電子増倍部は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項１】
デバイス搭載面を含む内壁面によって規定された内部空間が真空状態に維持された外囲器と、
前記外囲器内に収納され、該外囲器を介して取り込まれた光に応じて電子を該外囲器の内部に放出する光電面と、
前記外囲器内に収納され、電子の進行方向に沿って前記デバイス搭載面上に順次配置された複数段のダイノードを有する電子増倍部と、
前記外囲器内に収納され、前記電子増倍部でカスケード増倍された電子のうち到達した電子を信号として取り出すための陽極と、
前記外囲器内に収納され、前記電子増倍部を構成する複数段のダイノードそれぞれに所定電圧を印加するための電圧配分部であって、前記電子増倍部とともに前記デバイス搭載面上に配置された電圧配分部とを備えた光電子増倍管。
【請求項２】
前記電圧配分部は、前記電子増倍部における電子の進行方向に沿って伸びた主軸部と、該主軸部からそれぞれ伸び、前記複数段のダイノードのうち対応する段のダイノードに一端が接続された複数の接続部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の光電子増倍管。
【請求項３】
前記複数の接続部それぞれは、少なくとも前記主軸部との接続端部における前記主軸部の伸びる方向で規定される厚みが、前記主軸部の伸びる方向で規定される各段のダイノードの幅よりも小さくなるよう整形されていることを特徴とする請求項２記載の光電子増倍管。
【請求項４】
前記複数段のダイノードそれぞれは、前記デバイス搭載面に沿って配置された複数の溝部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項５】
前記電圧配分部における前記主軸部の両端には、前記電子増倍部に所定電圧を印加するための金属端子が接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【請求項６】
前記電子増倍部は、シリコンからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の光電子増倍管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−４８７１２（Ｐ２００７−４８７１２Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３４７２８（Ｐ２００５−２３４７２８）
【出願日】平成１７年８月１２日（２００５．８．１２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１２日（２００５．８．１２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
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