Aufbau und Herstellung

Die GEM-Folie ist eine beidseitig metallisierte Polyimidfolie, in die mittels eines photolithographischen Verfahrens eine regelmäßige Lochgeometrie geätzt ist. Ausgangsmaterial für die Produktion ist eine 50 ${\mu}$m dicke Kaptonfolie, die beidseitig mit 15 ${\mu}$m Kupfer beschichtet ist.

Im ersten Schritt wird die Lochstruktur in beide Kupferflächen der Folie geätzt. Hierfür kommt es auf eine exakte Ausrichtung der beiden Masken für Ober- und Unterseite an, damit später die Löcher im Kapton gerade und nicht schräg durch die Folie verlaufen. Als Maske für das Kaptonätzen dient nämlich die Lochstruktur im Kupfer, wobei hier mit der speziellen Ätzlösung Ethylendiamin gearbeitet wird, die nur das Kapton ätzt. Das Kapton wird von beiden Seiten geätzt, so daß eine doppelt-konische Lochform entsteht (siehe Abbildung 4.5).

Abbildung 4.5: Querschnitt durch ein Loch einer GEM-Folie. Zur Herstellung der Lochstruktur wird zunächst das Kupfer geätzt. Diese Löcher bilden die Maske für das Kaptonätzen. Durch das Ätzen von beiden Seiten der Folie ensteht die doppelt-konische Lochform. Bei einem zweiten Kupferätzen ( double copper etching) wird der Kupferlochdurchmesser vergrößert, so daß der Kupferrand nicht am Rand des Kaptonloches liegt. Zum anderen wird durch das nochmalige Ätzen die Dicke des Kupfers von 15 ${\mu}$m  auf ungefähr 7 ${\mu}$m  reduziert.

Durch das Ätzen nach der oben beschriebenen Prozedur beginnt das Kaptonloch direkt am Rand des Kupferloches (siehe Abbildung 4.5 links). Dabei kann es jedoch vorkommen, daß kleine Kupferspitzen in das Loch hineinragen. Dies führte in einigen Fällen zu einer verminderten Spannungsfestigkeit und so zu instabileren Betriebseigenschaften aufgrund von Überschlägen zwischen den Kupferschichten der Ober- und Unterseite. Dies wird durch ein zweites Ätzen des Kupfers verhindert ( double copper etching). Dadurch wird erreicht, daß der Kupferrand weiter vom Kaptonloch entfernt ist. Zusätzlich wird insgesamt die Dicke der Kupferschicht von ursprünglich 15 ${\mu}$m  auf ungefähr 7 ${\mu}$m  reduziert und so die Strahlungslänge der Folie verringert. Dieses Verfahren wurde von F. Sauli und den Mitarbeitern der galvanischen Werkstatt vom CERN erarbeitet.

Eine systematische Vermessung der Löcher hat gezeigt, daß die Durchmesser innerhalb einer Folie bis zu 10 % variieren können.

Die GEM-Verstärkung ist bei fester Spannung zwischen GEM-Ober- und Unterseite im wesentlichen eine Funktion der Lochgeometrie und dabei umgekehrt proportional zur Lochgröße des Kaptonloches (siehe Abschnitt 4.4.3).
Ein Einfluß der Lochanordnung (in Reihen oder versetzt) oder der Lochstruktur (rund oder quadratisch) (siehe Abbildung 4.6) auf die GEM-Verstärkung konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht festgestellt werden.

Abbildung 4.6: GEM-Folien mit unterschiedlichen Lochformen und Anordnungen. Im linken Bild sind die Löcher der GEM-Folie (#46) quadratisch und in Reihen angeordnet. Bei einer GEM-Folie der Y-Serie (rechtes Bild) sind die Löcher rund und versetzt angeordnet ( staggered). In beiden Bildern ist deutlich die Kupferoberfläche (grau), die Kaptonoberfläche im Lochkegel (dunkler Rand) und das Kaptonloch (heller Bereich) zu erkennen. Die begrenzte Tiefenschärfe des Mikroskops erlaubt nicht die richtige Fokussierung auf den gesamten Kaptonrand. So erscheint der helle Bereich des Kaptonlochs im Vergleich zum Durchmesser des Kupferlochs zu groß.