近年半導体加工技術を応用したマイクロマシニングの研究が盛んであり、さまざまなセンサ類¹⁾(ガスフローセンサ、圧力センサ、磁気センサ、加速度センサ等)の小型化が図られている。この微細加工技術は、半導体加工技術から派生した技術であり、加速度センサ開発等一部の研究成果は実用段階へ移りつつある。この微細加工技術の特徴としては以下のものがあげられる。

　1.数mmから数mのオーダーの大きさで物体を加工することが出来る。

　2.ICプロセス技術から派生してきた加工方法が多くみられ、半導体回路との相性がよい。そのため、小型化したセンサーのインテリジェント化が可能である。

　3.小型の構造を作ると同時に、ICプロセス技術と同じく同一構造を大量に作成することが可能である。

　4.ICプロセス技術と異なり、3次元的な加工が可能である。

　5.構造物が小さくなるためスケーリング則が働き、相対的な物理量の比が変わる。このため、時間応答性が速くなる等の影響が出てくると同時に、効率も変化してくる。

　本研究では、上記特徴のうち3.番、すなわち同じ構造を大量に作成することが容易である特徴に注目し、放射線センサーを小型化しアレイ状に並べることにより二次元位置検出器(画像センサー)を作成することを目的とした。このような本格的な三次元微細加工を利用する放射線検出器の開発はまだ行われていないのが現状である。

　一方、現在一般に用いられている二次元放射線位置検出器としては、広い分野で使われているイメージングプレート(IP)、高エネルギー物埋実験等で使われているMWPC²⁾/ドリフトチェンバーなどのガスカウンター、及びマイクロチャンネルプレート³⁾(MCP)(+シンチレータ)の三つが代表的なものとしてあげられる。ところが、IPはオンライン測定ができず、ガスカウンターは安定性に問題が残り、MCPは高計数率に向かないという欠点があるため、目的に応じて検出器を選択しなければならない。また、放射光など、強力なX線源からの回折光を、二次元かつ実時間で測定ができる検出器は存在していないのが現状である。

　ここで、一般的に使用されている光電子増倍管(PMT)に注目した。PMTは、計数率特性や時間応答性や信号増倍性能は良好であるが、装置自体が二次元画像を得るには向いていない構造をしている。そこで、上記微細加工技術を用いることにより、このPMTの微細化を行い、微細化したPMTを二次元状に配列し、独立に動作させることが可能になれば非常に優れた特性を持つ二次元検出器が実現されることになる。このPMTは放射線測定に限らず光を測定する分野であれば適用可能であるため、広い分野に応用可能であり、波及効果も広範囲に及ぶものと期待される。最終的な目標としては、1PMTが1pixelを構成し、そのpixelが50m×50m程度のサイズを持つ、1000pixel×1000pixel程度の検出器を目指している。

　PMTの構造は大きく分けて二つの部分に分類することが出来る。一つは、入射した光を電子に変換する光電変換膜であり、もう一つは生成した光電子を増倍する電子増倍部である(図1)。最終的にこの増倍された電子が電気信号となって外部出力となる。

図1 光電子増倍管の概念図

　今、PMTを微細化することを考えると、光電子変換膜ではその形が膜であるため、位置情報が保存されるためわざわざ微細構造を導入する必要はない。ところが、電子増倍部は各ピクセルが独立に動作するように微細化し二次元配列化する必要がある。これと共に、最終読み出し電極を位置情報を読み出すため二次元化する必要があるが、その原理は現在までにかなり研究⁴⁾されてきており、それを応用すれば十分であると考えられる。この電子増倍部は、ダイノードからの二次電子放出現象を基本にしている。この現象を利用するため、微細加工により多数の穴を開けたウェハーをダイノードとし、それを多段構造にして段間に電圧をかけることにより、穴から穴へと電子が落下しながら増倍していく構造をとることにした。その基本構造を図2に示す。電子が穴の中で二次電子を枚出し、この二次電子が真下の穴に落下すれば、一つの縦の穴の列が一つのPMTチャンネルを独立に形作ることになり、入射光の二次元情報を保持しながら電子増倍が可能になることになる。

図2 電子増倍部を微細化したマイクロPMTの概念図

　このような多段構造をとった場合に問題となるのが、PMTチャンネルとして動作することが可能なダイノードに開ける穴の形状である。そこで、図3に示すようなピラミッド型(A)と斜め穴型(B)の二つの形状を仮定し、電場を計算して、電子軌道及び増倍度計算を行った。

図3 採用したダイノード穴形状であるピラミッド型と斜め穴型。

　二次電子の生成方法は、MgOの1電子衝撃あたりの二次電子放出率実験結果にフィッティングした次式で

　決定される個数の電子を放出し、その方向はダイノード面垂直方向に対してcos分布⁵⁾を、エネルギーはAgの二次電子放出スペクトル6)をとるものとして計算を行った。

(A)ピラミッド型

　ピラミッド型の計算結果を図4に示す。段間隔を短くすると電子増倍度が向上する傾向を示しており、段間隔50m、段数12段,段間電圧300Vで10³倍の電子増倍度が得られる結果となっている。チャンネル間のクロストークはすべての計算パラメータの場合でほとんど無いという結果となった。また、作成プロセスにおいて段を重ねる際の誤差、すなわち段間のずれの増倍特性への影響の評価を行うため、段間ずれ量を考慮して再度計算を行った。その結果を図5に示す。ずれの量が多くなるにつれ電子増倍度が悪化していく結果となった。このため、ピラミッド型ダイノード形状では組み立てプロセスの際に段間のずれを極力おさえる必要があるといえる。

図表図4 ピラミッド型の場合の電子増倍度計算結果。グラフ中spaceは図3での段間隔Dに相当する。 / 図5 ピラミッド型の段間のずれを考慮した場合の電子増倍度計算結果。ずれの量が多くなるにつれ電子増倍度は悪化している。

　ここで、この斜め穴の構造を手軽に作成するのは現在のマイクロマシニングの技術においては難しいことが明らかになったため、実際の試作には容易に加工可能なピラミッド型の穴を使用することとした。 ピラミッド型において電子増倍が起きることを確認するために、ラージモデルを作成し、その電子増倍度特性測定を行った。試作したモデルの断面写真を図8に示す。厚さ200mの(100)シリコンウェハーに、上部サイズ300,400,500,650mのピラミッド型の貫通孔を4種類、TMAHを用いた異方性ウェットエッチングで形作り、ダイノード材としてAgMg(O)蒸着を行った後、300m厚の硝子スペーサーと陽極接合を行った。これを繰り返して段数4段のモデルを試作した。このプロセスを図9に示す。使用したプロセス技術は、マイクロマシニング分野では基本的なものであり、取り立てて目新しい加工方法は使用していない。

図表図6 斜め穴型60度の場合の電子増倍度計算結果。偶数段と奇数段の間のずれ量shiftをある程度大きくする必要がある。 / 図7 斜め穴型60度の場合の、最終段出力中における入射チャンネル真下からの出力割合。この数字が100%であれば、クロストークは起きていない。 / 図8 作成したピラミッド型ダイノード穴の断面図顕微鏡写真。2枚のダイノード板が写っている。

図9 ウェハープロセス図

　このラージモデルの各貫通孔サイズごとに電子増倍測定を真空チェンバー内で行った。電子ソースとしてはフィラメントからの熱電子を用い、直流モードでの各段での電子収支を測定し電子増倍度を算出した。その結果を図10に示す。貫通孔径500mの場合に最大の電子増倍度を示した。電子増倍度の値としては、3段で3.2倍が得られ、この結果により、段数20段で約2×10³の電子増倍度が得られることになる。

　一方、このラージモデルでの電子増倍度計算を行ったところ、上記ダイノードサイズの場合に段数3段で約6倍の電子増倍度が得られるという結果になった。この結果は実験結果の2倍の値であり、実験と計算で一致していない。この原因は、陽極接合の際のダイノードの劣化や陽極接合の際の位置のずれ等が考えられるが、まだ特定されていない。

図10 ピラミッド型ラージモデルにおける段数3段の後の電子増倍度測定実験結果。

　また、電子増倍が各PMTチャンネルごとに行われていることの確認として、0.6mmピッチのマルチワーヤーを4段目の後ろに設置し、各ワイヤーに流れる電流を測定した結果を図11に示す。スリット径1.6mmの分布が保たれているため、電子増倍は各PMTチャンネルごとに独立して起きていると考えられる。

　また、計算で使用した体系であるチャンネルサイズ100mの構造で電子増倍を起こすことの確認実験を行い、TMAHのウェットエッチングで作成可能であること、また電子増倍度は2段で2.62倍の値が得られた。これにより、チャンネルサイズを100mにしても十分に使用可能であることが示された。

　最終読み出し電極として、遅延線回路を使用した読み出し最終電極の試作を行った。図12にその写真を示す。最終電極の領域を1cm×1cmに分割し、X方向Y方向に同時に読み出せるよう2層の配線になっている。100mの位置分解能を持たせるため、各軸方向に100mピッチでラインを引き、このライン間に10cmの遅延線を設定した。これにより、各ライン間で0.5nsec.の時間差が発生することになり、この時間差は既存の回路を適用するに十分である。

図表図11 ピラミッド型ラージモデルにおける最終段出力の位置依存性。各チャンネルが各ワイヤーに対応する。 / 図12 試作した最終読み出し電極の写真。

　微細加工技術の応用の一例として、PMTの微細化二次元化を検討した。その結果、二次元情報を保持できる新しい電子増倍部として、ピラミッド型方式と斜め穴型方式のピクセル形状を持つ、2種類のダイノードを設計し性能評価を行った。この2種類の形状の中で、斜め穴型方式は、電子増倍特性は優れているが、大面積の検出器を作製しようとする場合に加工が困難になると予想される。また、現状で加工が容易であるピラミッドタイプ穴型方式は、ラージモデルを作成し実際に電子増倍を起こすことを確認し、100mのチャンネルサイズをもつモデルも作成に成功し、電子増倍を起こすことを確認した。この型は実用レベルの増倍度を稼ぐためには段数を増やす必要があるが、加工方法を考慮するともっとも現実性の高い方式であると結論づけられる。

　また、最終読み出し電極を遅延線回路を用いて試作した。