DE10061743A1 - Verfahren zur Verbesserung der optischen Trennung von Leuchtstoffschichten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der optischen Trennung von durch Aufdampfen auf ein Substrat gebildeten, nadelförmigen Leuchtstoffschichten aus einem Leuchtstoffmaterial. Dabei wird das Aufdampfen derart gesteuert, dass sich die Leuchtstoffschicht mit einer gegenüber der Dichte des als Festkörper vorliegenden Leuchtstoffmaterials reduzierten Dichte auf dem Substrat niederschlägt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung der optischen Trennung von durch Aufdampfen auf ein Substrat gebildeten, nadelförmigen Leuchtstoffschichten, insbesondere für Röntgendetektoren.

Beim Aufdampfen von Alkalihalogeniden (z. B. NaCl, CsI, CsBr, RbBr, RbFBr, RbFCl) als Absorbermaterial für Röntgenstrahlung bzw. als Wirtsgitter für die Dotierungssubstanzen, wie z. B. NaI, EuBr₂, TlI, GaBr, EuCl₂ etc., können nadelförmige Leuchtstoffschichten erzeugt werden (Stevels, Schrama; "Vapour-Deposited CsI:Na Layers, I. Morphologic and Crystal­ lographic Properties", Philips Res. Repts 29, 340-352, 1974). Das Aufdampfen von Leuchtstoffen ist eine Alternative zur Herstellung von binderlosen Speicherleuchtstoffpanels (EP 0 175 578 B1). Um eine gute Modulationstransferfunktion (MTF) dieser Leuchtstoffschichten zu erhalten sind kleine Nadeldurchmesser (< 40 µm), wobei die Nadeln zur optischen Trennung mit Rissen von 0,3 bis 3 µm umgeben sein müssen, erforderlich (Eckenbach, "Computersimulation des Photonen­ transports in CsI-Eingangsschirmen von Röntgenbildverstär­ kern", Unsere Forschung in Deutschland, Band IV, 51-53, Philips, 1989). Diese Forderung kann jedoch nur mit ganz speziellen Umgebungsbedingungen beim Herstellen der Leuchtstoffschichten erfüllt werden.

Als häufigste praktizierte Methode zur Erzeugung der erfor­ derlichen Risse zwischen den Nadeln hat sich das Ausnutzen der Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Substrat und der aufgedampften Leuchtstoffschicht durchgesetzt. Dabei wurde bei relativ hoher Substrattemperatur aufgedampft, beim Abküh­ len schrumpft - bei richtiger Materialwahl - die Leuchtstoff­ schicht stärker als das darunter liegende Substrat, was zu thermischen Spannungen und somit zu Rissen führt (Stevels, Schrama; "Vapour-Deposited CsI:Na Layers, II. Screens for Application in X-ray Imaging Devices", Philips Res. Repts 29, 353-362, 1974). Beispiele für die richtige Materialauswahl sind CsI auf Aluminium und CsBr auf Glas. Jedoch besteht bei dem beschriebenen Verfahren der Nachteil, dass der Nadel­ durchmesser der Leuchtstoffschicht mit zunehmender Substrat­ temperatur deutlich zunimmt und deshalb die MTF abnimmt (Waterbeemd, Oosterhout; "Effect of the Mobility of Metal Atoms on the Structure of Thin Films Deposited at Oblique Incidence", Philips Res. Repts 22, 375-387; 1967).

Eine zweite Variante, die für eine gute MTF notwendigen Spalte bzw. Risse in der Leuchtstoffschicht zu erzeugen, ist, bei niedrigen Substrattemperaturen (50°C) aufzudampfen und die Schicht hinterher einer Temperaturbehandlung (500°C) zu unterziehen (Stevels, Schrama; "Vapour-Deposited CsI:Na Layers, I. Morphologic and Crystallographic Properties", Philips Res. Repts 29, 340-352, 1974). Der Nachteil dieses Verfahren ist im Rekristallisieren der Leuchtstoffschicht beim Temperschritt begründet. Dabei tritt eine "Kornvergröbe­ rung" ein, was zu größeren Blockbreiten und somit zu einer schlechteren MTF führt.

Eine dritte Variante ist das "Schrägdampfen". Bei diesem Ver­ fahren trifft der Dampfstrahl des Leuchtstoffs beim Aufdamp­ fen unter einen flachen Winkel auf das Substrat. Durch "Schattenbildung" bereits in der Bekeimungsphase wird eine gute Trennung zwischen den Nadeln erreicht (EP 0 175 578 B1). In der praktischen Ausführung wird entweder das Substrat schräg zum Verdampferschiffchen rotierend angeordnet oder der Dampfstrahl wird durch "Kamine" kanalisiert zu einem horizon­ tal rotierenden Substrat "gelenkt". Die wesentlichen Nach­ teile sind darin zu sehen, dass einerseits das Bedampfen von großen Substraten (∅ < 40 cm) apparativ sehr aufwendig ist und andererseits die Nadeln entsprechend des Treffwinkels des Dampfstrahls auf das Substrat schräg auf das Substrat aufwachsen (Eckenbach; Philips, "Computersimulation des Photonentransports in CsI-Eingangsschirmen von Röntgenbild­ verstärkern", Band IV, 51-53, 1989). Dies hat unterschied­ liche Schichteigenschaften über die Fläche zur Folge (Vignet­ tierungseffekt bei Röntgenanregung).

Eine vierte Variante des bisherigen Herstellverfahrens be­ steht im Aufdampfen des Leuchtstoffes auf eine strukturierte Unterlage (Drahtgewebe, fotogeätztes Substrat etc.), wobei die "Vertiefungen" in den Substraten eine Barriere gegen Oberflächendiffusion darstellen und die "erhabenen" Oberflä­ chenelemente eine "Schattenwirkung" auf die "Nachbarn" aus­ üben (Stevels, Schrama; "Vapour-Deposited CsI:Na Layers, II. Screens for Application in X-ray Imaging Devices" Philips Res. Repts 29, 353-362, 1974).

Neben dem häufig recht umständlichen Verfahrensablauf beim Herstellen der Leuchtstoffschichten nach einem dieser bekann­ ten Verfahren führen sie alle nicht zu einer optimalen opti­ schen Trennung der nadelförmigen Leuchtstoffschichten.

Aus der DE 198 52 326 A1, der DE 195 16 450 C1, der DE 42 19 347 C2 und der US 3 825 763 ist es bekannt, Leucht­ stoffschichten bei Substrattemperaturen von 50° bis 250°C aufzudampfen.

Aus der EP 0 698 932 A2 ist es außerdem im Zusammenhang mit der Herstellung von Oxidschichten bekannt, gekühltes Reaktiv­ gas zuzuführen, um die Kristallinität der erzeugten Schicht zu verbessern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, dass beim Aufdampfen im Durchmesser möglichst kleine durch Risse optisch gut voneinander getrennte Nadelstrukturen bestehen, so dass sich eine Verbesserung der optischen Trennung der Leuchtstoffschichten ergibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Aufdampfen derart gesteuert wird, dass sich die Leuchtstoffschicht mit einer gegenüber der Dichte des als Festkörper vorliegenden Leuchtstoffmaterials reduzierten Dichte auf dem Substrat niederschlägt, wobei sich durch die vorzugsweise um 5% bis 50% reduzierte Dichte in der Schicht Spalte zwischen den Leuchtstoffnadeln und Poren bzw. Fehl­ stellen und Versetzungen im Kristallaufbau (Gitterfehler) ergeben.

Zur Reduzierung der Dichte ist in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Dampfstrahl vor dem Auftreffen auf das Substrat abgekühlt wird, vorzugsweise durch Durchleiten von kühlem Inertgas, z. B. Argon, durch die Aufdampfanlage.

Das Verfahren ist dabei in weiterer Ausgestaltung der Erfin­ dung so ausgestaltet, dass der Gasdruck des durch ein Regel­ ventil in die Aufdampfanlage eingeleiteten und über eine Pumpe wieder abgeführten Inertgases unter 10 Pa, vorzugsweise zwischen 1 Pa und 3 Pa, liegt.

Durch dieses Arbeiten mit kühlem Inertgas - die Temperatur des Inertgases liegt beispielsweise zwischen 0°C und 100°C, vorzugsweise bei etwa Zimmertemperatur, wodurch der Dampf mit einer Temperatur von ca. 650°C natürlich sehr stark abgekühlt werden kann - ergibt sich beim Auftreffen auf das bevorzugt ebenfalls gekühlte Substrat, dessen Temperatur bevorzugt zwi­ schen 50°C und 200°C gehalten wird, eine ganz erhebliche Dichtereduzierung. Gerade die Kombination der Abkühlung des Dampfstrahls und der Abkühlung des Substrats auf eine Tempe­ ratur, die viel niedriger als die Dampftemperatur liegt, sorgt dabei für eine deutliche Dichtereduzierung und somit für eine daraus resultierende gute optische Trennung der Leuchtstoffnadeln.

Physikalisch lässt sich die reduzierte Dichte mit größeren Gitterabständen bei Phasenumwandlungen von polymorphen Kri­ stallen (NaCl- oder CsCl-Typ bei z. B. CsBr, CsCl, TlBr etc.) und/oder durch die Bildung von Gitterdefekten durch hohe Auf­ dampfraten - gemäß einer Weiterbildung der Erfindung liegt die Aufdampfrate vorzugsweise über 1 mg cm^-2min^-1 - und/oder durch das "Einfrieren" der geringeren Dichte der Flüssigkeit erklären. Die Dichte beispielsweise von CsBr beträgt im flüs­ sigen Zustand 3,05 g cm^-3 und im festen Zustand 4,44 g cm^-3. Das Verhältnis, in dem sich die reduzierte Dichte entweder als Spalte zwischen Nadeln oder als Gitterfehler innerhalb der Nadeln bemerkbar macht, kann durch die Aufdampfrate be­ einflusst werden.

Bei zu hohem Inertgasdruck und/oder zu niedriger Substrattem­ peratur können sich jedoch keine Leuchtstoffnadeln mehr aus­ bilden, weil sich an der Oberfläche immer neue Keime bilden, die sich nicht mehr mit der bereits kondensierten Schicht verbinden. Als nahezu optimal haben sich Substrattemperaturen zwischen 50°C und 200°C und Argon-Drucke zwischen 1 Pa und 3 Pa erwiesen, bei denen eine 10-30%ige Reduzierung der Dichte erzielt wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Aufdampfanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 eine REM(Rasterelektronenmikroskop)-Aufnahme der Leuchtstoffschicht, die bei einem Argon-Druck von 2 Pa auf ein Substrat mit einer Substrattemperatur von 160°C aufgebracht worden ist.

Die in Fig. 1 schematisch skizzierte Aufdampfanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst ein Vakuumgefäß 1, in dem eine Aufdampfquelle 2 dem vorzugsweise um eine Achse 3 rotierenden Substrat 4 gegenüberliegend ange­ ordnet ist. Die Aufdampfquelle 2 erzeugt einen Dampfstrahl 7 eines Leuchtstoffmaterials, z. B. eines der eingangs genannten Alkalihalogenide, der auf das Substrat 4 gerichtet ist. Über ein Regelventil 5 kann in das Vakuumgefäß 1 ein gegenüber der Dampftemperatur von typischerweise 650 bis 700°C sehr viel kühleres, beispielsweise Raumtemperatur aufweisendes, Inert­ gas, wie Argon, eingebracht werden, das bevorzugt wie darge­ stellt zunächst auf ein Prallblech 6 auftrifft und nicht direkt in den Dampfstrahl 7 eingeleitet wird. Über eine Vaku­ umpumpe 8 wird das Inertgas wieder abgesaugt, wobei die Ein­ stellung des Regelventils 5 so erfolgt, dass sich innerhalb des Vakuumgefäßes 1 ein Druck unterhalb 10 Pa, vorzugsweise zwischen 1 Pa und 3 Pa, ergibt. Das Substrat 4 wird mit Hilfe einer schematisch angedeuteten, beispielsweise mit dem Sub­ strat 4 rotierenden Kühlvorrichtung 9 auf einer Substrat­ temperatur zwischen vorzugsweise 50°C und 200°C gehalten, wodurch sich in Verbindung mit der durch das Inertgas bewirk­ ten Abkühlung des Dampfstrahls 7 eine gegenüber der Dichte des als Festkörper vorliegenden Leuchtstoffmaterials um 10 bis 30% reduzierte Dichte der sich auf dem Substrat 4 mit einer Aufdampfrate von < 1 mgcm^-2min^-1 abscheidenden nadel­ förmigen Leuchtstoffschicht ergibt, was ein deutliche Restrukturierung und damit eine gute optische Trennung der einzelnen Nadeln voneinander zur Folge hat. Diese Struktu­ rierung erkennt man sehr gut aus Fig. 2, in der die hellen nadelförmigen Strukturen der Leuchtstoffschicht alle prak­ tisch vollständig durch dunkel erscheinende Risse voneinander getrennt sind. Die dunklen Punkte innerhalb der Nadeln sind Fehlstellen in den Nadeln.

Claims (15)

1. Verfahren zur Verbesserung der optischen Trennung von durch Aufdampfen auf ein Substrat gebildeten, nadelförmigen Leuchtstoffschichten aus Leuchtstoffmaterial, da­ durch gekennzeichnet, dass das in einer Aufdampfanlage erfolgende Aufdampfen derart gesteuert wird, dass sich die Leuchtstoffschicht mit einer Dichte auf dem Substrat niederschlägt, die gegenüber der Dichte als Festkörper vorliegenden Leuchtstoffmaterials reduziert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Dichte um 5% bis 50% reduziert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufdampfen der Leuchtstoffschicht ein Dampfstrahl auf das Substrat geleitet wird, der vor dem Auftreffen auf das Substrat abgekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Abkühlen des Dampf­ strahls durch Durchleiten von kühlem Inertgas durch die Auf­ dampfanlage erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Gasdruck des in die Aufdampfanlage eingeleiteten Inertgases unter 10 Pa liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Gasdruck des Inertgases zwischen 1 Pa und 3 Pa liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass das Inertgas mittels eines Prallblechs umgeleitet wird, bevor es in den Dampfstrahl eingeleitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, dass das Inertgas über eine Pumpe aus dem Aufdampfanlage wieder abge­ führt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, dass das Inertgas durch ein Regelventil in die Aufdampfanlage einge­ leitet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, dass das Inertgas Argon ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, dass das Inertgas mit einer Temperatur zwischen 0°C und 100°C, einge­ bracht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Inertgas etwa bei Zim­ mertemperatur eingebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, dass das Substrat beim Aufdampfen gekühlt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, dass das Substrat auf einer Temperatur zwischen 50°C und 200°C gehalten wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Aufdampfrate gewählt wird, die größer 1 mg cm^-2min^-1 ist.