DE102010046100A1

DE102010046100A1 - Strahlungseintrittsfenster für einen Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE102010046100A1
Application number: DE102010046100A
Authority: DE
Inventors: Heike Soltau; Bianca Schweinfest; Gerhard Lutz; Ladislav Andricek; Lothar Strüder
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; PNSensor GmbH
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; PNSensor GmbH
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-03-22
Also published as: EP2619557A1; EP2619557B1; WO2012038017A1; US20140008538A1; US9159518B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlungseintrittsfenster (10) für einen Strahlungsdetektor (2), insbesondere für einen Halbleiterdriftdetektor (2), mit einem flachen Fensterelement (11), das für die von dem Strahlungsdetektor (2) zu detektierende Strahlung mindestens teilweise durchlässig ist, sowie mit einem das Fensterelement (11) seitlich einrahmenden Fensterrahmen (12), wobei der Fensterrahmen (12) aus einem Halbleitermaterial besteht und wesentlich dicker ist als das Fensterelement (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlungseintrittsfenster für einen Strahlungsdetektor, insbesondere für einen Halbleiterdetektor, wie beispielsweise einen Halbleiterdriftdetektor, einen Halbleiterpixeldetektor oder einen CCD-Detektor (CCD: Charge-coupled device).
Aus dem Stand der Technik sind Detektormodule bekannt, die zur Strahlungsmessung dienen und beispielsweise bei der Röntgenspektroskopie oder der Röntgenfluoreszenzanalyse eingesetzt werden können. Diese herkömmlichen Detektormodule enthalten einen Halbleiterdriftdetektor, der in einem Gehäuse hermetisch gekapselt angeordnet ist, so dass das Detektormodul auch in einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuumbedingungen betrieben werden kann. Die zu detektierende Strahlung tritt hierbei durch ein Strahlungseintrittsfenster in das Gehäuse ein und trifft dann auf den innerhalb des Gehäuses angeordneten Halbleiterdriftdetektor. Bei den bekannten Detektormodulen der vorstehend beschriebenen Art besteht das Strahlungseintrittsfenster aus Beryllium oder aus einem Silizium-Gitter mit einer Polymerfolie.
Diese herkömmlichen Strahlungseintrittsfenster weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Zum einen sind diese herkömmlichen Strahlungseintrittsfenster sehr aufwendig in der Herstellung. Sie werden individuell Stück für Stück manuell gefertigt und öffnen sich so nicht den modernen Prozessmethoden einer Serienfertigung. Zum anderen kommt es bei solchen Strahlungseintrittsfenstern gelegentlich zu Problemen mit der Gasdichtigkeit, was insbesondere bei einem Betrieb unter schlechten Umweltbedingungen (z. B. Feuchtigkeit) zu Schädigungen bzw. Verschlechterungen der Detektoreigenschaften führen kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein entsprechend verbessertes Strahlungseintrittsfenster zu schaffen. Insbesondere ist es im Rahmen der Erfindung wünschenswert, dass das Strahlungseintrittsfenster möglichst professionell mit modernen Prozessmethoden hergestellt werden kann und möglichst dünn und gasdicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Strahlungseintrittsfenster gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der quasi-monolithischen Kombination eines dünnen Fensterelements mit einem dicken Fensterrahmen, wobei der Fensterrahmen aus einem Halbleitermaterial (z. B. Silizium) besteht und vorzugsweise mit Hilfe der bekannten Planartechnologie in einem Halbleiterprozess hergestellt werden kann.
Das erfindungsgemäße Strahlungseintrittsfenster weist deshalb ein flaches, dünnes Fensterelement auf, das für die von dem Strahlungsdetektor zu detektierende Strahlung mindestens teilweise durchlässig ist. Darüber hinaus weist das erfindungsgemäße Strahlungseintrittsfenster einen das Fensterelement seitlich einrahmenden Fensterrahmen auf, wobei der Fensterrahmen aus einem Halbleitermaterial besteht und wesentlich dicker ist als das dünne Fensterelement.
Hinsichtlich der räumlichen Anordnung des Fensterrahmens relativ zu dem dünnen Fensterelement bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
In einer Variante der Erfindung ist der Fensterrahmen im Wesentlichen auf der strahlungsabgewandten Innenseite des flachen Fensterelements angeordnet, so dass der Fensterrahmen das Fensterelement an der Innenseite abstützt. Diese Variante eignet sich insbesondere für einen Betrieb mit einem äußeren Überdruck bzw. einem inneren Unterdruck, da das dünne Fensterelement dann von außen gegen den Fensterrahmen gepresst wird.
In einer anderen Variante der Erfindung ist der Fensterrahmen dagegen im Wesentlichen auf der strahlungszugewandten Außenseite des flachen Fensterelements angeordnet, so dass der Fensterrahmen das dünne Fensterelement von außen abstützt. Diese Variante der Erfindung eignet sich insbesondere für einen Betrieb unter einem äußeren Unterdruck bzw. einem inneren Überdruck, da das dünne Fensterelement dann von innen gegen den außen befindlichen Fensterrahmen gepresst wird.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der räumlichen Anordnung des Fensterrahmens nicht auf die beiden vorstehend beschriebenen Varianten beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, dass der Fensterrahmen das dünne Fensterelement sowohl an der Innenseite als auch an der Außenseite umgibt.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Fensterrahmen im Querschnitt ein Profil aufweist, das verschiedene Formen aufweisen kann, wie im Folgenden kurz beschrieben wird.
In einer Variante der Erfindung verbreitert sich das Profil des Fensterrahmens von der strahlungsabgewandten Innenseite nach außen hin. Diese Variante der Erfindung eignet sich insbesondere für einen Betrieb unter einem äußeren Unterdruck oder einem inneren Überdruck.
In einer anderen Variante der Erfindung verbreitert sich das Profil des Fensterrahmens dagegen von der strahlungszugewandten Außenseite nach innen hin. Diese Variante der Erfindung eignet sich insbesondere für einen Betrieb unter einem inneren Unterdruck bzw. einem äußeren Überdruck.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Profils des Fensterrahmens nicht auf die beiden vorstehend beschriebenen Varianten beschränkt. Beispielsweise kann der Fensterrahmen auch ein rechteckiges Profil aufweisen oder ein anders geformtes Profil, das durch den jeweiligen Herstellungsprozess vorgegeben wird.
Auch hinsichtlich des Aufbaus des flachen Fensterelements bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
In einer Variante der Erfindung besteht das flache Fensterelement aus einer einzigen Planarschicht, wobei es sich jedoch nicht um die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht das dünne Fensterelement dagegen aus mehreren verschiedenen, übereinander liegenden Planarschichten, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und unterschiedliche Eigenschaften und Funktionen aufweisen können. Zum einen ist eine derartige Kombination mehrerer übereinander liegender Planarschichten vorteilhaft, um beispielsweise mikroskopische Undichtigkeiten in einer Planarschicht durch eine oder mehrere andere Planarschichten abzudecken. Zum anderen empfiehlt sich die Kombination mehrerer übereinander liegender Planarschichten jedoch auch wegen der erforderlichen Gasdichtigkeit und zur Unterdrückung von optischem Licht bei gleichzeitiger Durchlässigkeit für die zu detektierende Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung).
Hinsichtlich des Materials der mindestens einen Planarschicht bestehen verschiedene Möglichkeiten, die in beliebiger Kombination eingesetzt werden können. So können die Planarschichten beispielsweise aus Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Cyclotene^TM (BCB: Bis-Benzocyclobuten), Ormocer (Organically modified ceramics), Polyimide (Kapton) oder allgemein aus organischem oder anorganischem Material, wobei auch ein Halbleitermaterial möglich ist. Im Allgemeinen kann man sagen, dass es sich vorzugsweise entweder um in einem LPCVD-Prozess (LPCVD: Low pressure chemical vapor deposition) oder PECVD-Prozess (PECVD: Plasma-enhanced chemical vapor deposition) aufgewachsene Schichten handelt, oder um aufgedampfte oder gesputterte Layer oder um Polymere handelt, die in Harzform auf einen Wafer aufgebracht (z. B. aufgeschleudert) werden, durch Licht und/oder Wärme vernetzen und so eine Art Folie bilden, die sehr gut an der Waferoberfläche haftet.
Darüber hinaus kann eine Beschichtung aus DLC (Diamond Like Carbon) verwendet werden. Dabei handelt es sich um eine aufgesputterte Schicht Kohlenstoff mit vorwiegend sp3-Verbindungen. Eine solche DLC-Schicht kann alleine oder in Verbindung mit einer Nitridschicht verwendet werden.
Bei einer Kombination mehrerer Planarschichten bestehen die einzelnen Planarschichten jedoch vorzugsweise aus unterschiedlichen Materialien.
Bei einem Strahlungseintrittsfenster mit einer kleinen Fensteröffnung genügt ein einfacher Fensterrahmen, da das dünne flache Fensterelement dann aufgrund der geringen Größe der Fensteröffnung mechanisch nicht abgestützt werden muss.
Bei einer größeren Fensteröffnung ist es dagegen vorteilhaft, wenn das flache Fensterelement durch mindestens einen Stützsteg mechanisch abgestützt wird, wobei der Stützsteg das Fensterelement in mehrere Fensteröffnungen unterteilt.
Bei sehr großen Fensteröffnungen ist es auch möglich, dass entsprechend viele Stützstege gitterförmig angeordnet sind und das flache Fensterelement in eine Vielzahl von Fensteröffnungen unterteilen, wobei die Stützstege vorzugsweise rechtwinklig angeordnet sind.
Vorzugsweise ist der Stützsteg hierbei monolithisch mit dem Fensterrahmen und quasimonolithisch mit dem Fensterelement verbunden, was durch eine gemeinsame Herstellung in Planartechnologie bedingt wird. Weiterhin ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, dass der Stützsteg vorzugsweise aus dem selben Halbleitermaterial besteht wie der Fensterrahmen.
Hinsichtlich der räumlichen Anordnung des mindestens einen Stützstegs in Bezug auf das flache Fensterelement bestehen wieder verschiedene Möglichkeiten, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
In einer Variante der Erfindung befindet sich der Stützsteg auf der strahlungsabgewandten Innenseite des Fensterelements, was insbesondere bei einem Betrieb unter einem äußeren Überdruck bzw. einem inneren Unterdruck sinnvoll ist, da das flache Fensterelement dann von außen gegen den dünnen Stützsteg gepresst wird.
In einer anderen Variante der Erfindung ist der Stützsteg dagegen auf der strahlungszugewandten Außenseite des flachen Fensterelements angeordnet, was insbesondere bei einem Betrieb unter einem äußeren Unterdruck bzw. einem inneren Überdruck sinnvoll ist, da das flache Fensterelement dann aufgrund der Druckverhältnisse von innen gegen den Stützsteg gepresst wird.
In jedem Fall aber befindet sich der Stützsteg vorzugsweise auf derselben Seite des dünnen Fensterelements wie der Fensterrahmen.
Auch hinsichtlich der Querschnittsform des Stützstegs bestehen im Rahmen der Erfindung verschiedene Möglichkeiten, die im Folgenden kurz beschrieben werden. Aufgrund der Herstellungsweise im Rahmen der Planartechnologie weist der Stützsteg in der Regel einen Querschnitt auf, der sich zu dem flachen Fensterelement hin verbreitert. Es ist jedoch alternativ auch möglich, dass der Stützsteg einen Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen rechteckig ist. Es ist jedoch zu erwähnen, dass die Erfindung hinsichtlich des Querschnitts des Stützstegs nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt ist.
Ferner ist zu erwähnen, dass das Halbleitermaterial des Fensterrahmens und/oder des Stützstegs vorzugsweise Silizium ist. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich des Halbleitermaterials für den Fensterrahmen bzw. die Stützstege nicht auf Silizium beschränkt, sondern grundsätzlich auch mit anderen Halbleitermaterialien realisierbar.
Weiterhin ist zu erwähnen, dass das Strahlungseintrittsfenster und insbesondere das dünne, flache Fensterelement vorzugsweise im Wesentlichen gasdicht ist, um einen Betrieb in einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuumbedingungen zu ermöglichen.
Darüber hinaus kann das Strahlungseintrittsfenster eine Filterfunktion aufweisen, indem das Strahlungseintrittsfenster für optische Strahlung, insbesondere in einem für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich, im Wesentlichen undurchlässig ist, wohingegen das Strahlungseintrittsfenster für die zu detektierende Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung) im Wesentlichen durchlässig ist.
Die Erfindung umfasst jedoch nicht nur das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Strahlungseintrittsfenster als einzelnes Bauteil, sondern erstreckt sich auch auf ein komplettes Detektormodul mit einem Strahlungsdetektor, der in einem Gehäuse gekapselt ist, wobei die zu detektierende Strahlung durch das Strahlungseintrittsfenster in das Gehäuse eintritt und dort auf den Strahlungsdetektor fällt.
Dabei ist es das Ziel, die optimale Performance des gesamten Detektormoduls, zu erreichen durch die gegenseitige Abstimmung der beiden Planarprozesse in der Detektor- und Fensterherstellung, z. B. hinsichtlich der aufgebrachten Schichten auf dem Strahleneintrittsfenster des Moduls und der Architektur des Strahleneintrittsfensters des Detektors. Beispielsweise kann die Lichtdichtigkeit sowohl durch aufgebrachte Aluminiumschichten auf dem Modul als auch auf dem Detektor erzielt werden und diese können aufeinander abgestimmt werden.
Bei einem solchen Detektormodul ist das Strahlungseintrittsfenster vorzugsweise durch eine Klebe- oder Schweißverbindung mit dem Gehäuse des Detektormoduls verbunden, wobei die Verbindung den Fensterrahmen und/oder das flache Fensterelement erfassen kann.
Hierbei weist das Gehäuse des Detektormoduls für das Strahlungseintrittsfenster eine Gehäuseöffnung mit einem umlaufenden Rand auf, wobei das erfindungsgemäße Strahlungseintrittsfenster mit dem Fensterrahmen wahlweise außen oder innen auf dem Rand der Gehäuseöffnung aufliegt.
Für einen Betrieb des Detektormoduls unter einem äußeren Überdruck bzw. einem inneren Unterdruck ist es vorteilhaft, wenn das Strahlungseintrittsfenster mit dem Fensterrahmen außen auf dem Rand der Gehäuseöffnung aufliegt, da das Strahlungseintrittsfenster dann aufgrund der Druckverhältnisse auf die Gehäuseöffnung gepresst wird.
Für einen Betrieb des Detektormoduls unter einem inneren Überdruck bzw. einem äußeren Unterdruck ist es dagegen vorteilhaft, wenn das Strahlungseintrittsfenster innen auf dem Rand der Gehäuseöffnung aufliegt, da das Strahlungseintrittsfenster dann aufgrund der Druckverhältnisse gegen den Rand der Gehäuseöffnung gepresst wird.
Schließlich ist noch zu erwähnen, dass die Erfindung auch ein komplettes Messgerät mit einem derartigen Detektormodul umfasst. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgerät um ein energie- oder wellenlängen-dispersives Spektrometer handeln, das insbesondere zur Röntgenspektroskopie oder zur Röntgenfluoreszenzanalyse dient, oder um ein Diffraktometer zur Aufnahme von Beugungsbildern, oder um eine Röntgen-Farb-Kamera, die zeitlich und räumlich aufgelöste Röntgenaufnahmen nimmt.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Detektormoduls mit einem neuartigen Strahlungseintrittsfenster gemäß der Erfindung,
2A eine Detailansicht des Fensterrahmens aus 1 im Querschnitt,
2B eine Abwandlung von 2A,
3 eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strahlungseintrittsfenster mit einer relativ kleinen Fensteröffnung,
4A eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strahlungseintrittsfenster mit einer größeren Fensteröffnung und einem Stützsteg,
4B eine Querschnittsansicht des Strahlungseintrittsfensters gemäß 4A,
5A eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strahlungseintrittsfenster mit einer noch größeren Fensteröffnung und zwei kreuzförmig angeordneten Stützstegen, sowie
5B einen Querschnitt durch das Strahlungseintrittsfenster gemäß 5A.
6A–6D eine mögliche Prozessfolge im Rahmen der Planartechnologie zur Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlungseintrittsfensters.
Die 1 und 2A zeigen ein erfindungsgemäßes Detektormodul 1, das beispielsweise in einem Röntgenspektrometer zur Röntgenfluoreszenzspektroskopie eingesetzt werden kann, was an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und deshalb nicht näher beschrieben werden muss.
Das Detektormodul 1 weist zur Strahlungsdetektion einen Halbleiterdriftdetektor 2 auf, der auf einem Keramiksubstrat 3 angeordnet ist, wobei das Keramiksubstrat 3 und damit auch der Halbleiterdriftdetektor 2 von einem Peltier-Element 4 gekühlt werden kann, um im Betrieb eine möglichst konstante Betriebstemperatur des Halbleiterdriftdetektors 2 zu erreichen. An der Oberseite des Halbleiterdriftdetektors 2 befindet sich ein Kollimator 5, der aus der hier nur schematisch als Wellenlinien gezeigten einfallenden Strahlung ein Strahlenbündel erzeugt, das auf den Halbleiterdriftdetektor 3 auftrifft.
Die vorstehend genannten Bauelemente des Detektormoduls 1 sind innerhalb eines gasdichten Gehäuses 6 hermetisch gekapselt angeordnet, wobei das Gehäuse 6 im Wesentlichen aus einer Bodenplatte 7 und einem kuppelförmigen Gehäuseelement 8 besteht, das auf die Bodenplatte 7 aufgesetzt ist.
An seiner Oberseite weist das kuppelförmige Gehäuseelement 8 eine Gehäuseöffnung 9 auf, wobei die Gehäuseöffnung 9 von einem erfindungsgemäßen Strahlungseintrittsfenster 10 gasdicht verschlossen wird, wobei das Strahlungseintrittsfenster 10 für die zu detektierende Röntgenstrahlung durchlässig ist, wohingegen das Strahlungseintrittsfenster 10 für optische Strahlung, insbesondere in einem für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich, undurchsichtig ist.
Das erfindungsgemäße Strahlungseintrittsfenster 10 besteht im Wesentlichen aus einem flachen, ebenen und dünnen Fensterelement 11, das seitlich von einem wesentlich dickeren Fensterrahmen 12 aus einem Halbleitermaterial (z. B. Silizium) eingerahmt wird. Das dünne Fensterelement 11 besteht aus Planarschichten, die mit der an sich bekannten Planartechnologie auf das Halbleitermaterial des Fensterrahmens 12 aufgewachsen oder aufgebracht werden können. Diese Planarschichten können auch als Ätzstopp dienen, wenn das Halbleitersubstrat bei der Formung des Fensterrahmens 12 teilweise weggeätzt wird. In diesem Ausführungsbeispiel werden dielektrische Planarschichten verwendet, wie sie in der Planartechnologie üblich sind (z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder Polymere). Hierbei ist zu erwähnen, dass die Planarschichten, die das dünne Fensterelement 11 bilden, vor dem Ätzen aufgebracht werden können.
Zur mechanischen Aufnahme des Strahlungseintrittsfensters 10 weist das kuppelförmige Gehäuseelement um die Gehäuseöffnung 9 herum einen umlaufenden Rand 13 auf, wobei das Strahlungseintrittsfenster 10 außen auf dem Rand 13 der Gehäuseöffnung 9 aufliegt und durch eine Klebeverbindung 14 mit dem kuppelförmigen Gehäuseelement 8 verbunden ist. Dies bietet den Vorteil, dass das Strahlungseintrittsfenster 10 bei einem äußeren Überdruck aufgrund der Druckverhältnisse von außen gegen den Rand 13 der Gehäuseöffnung 9 gepresst wird.
2B zeigt eine Abwandlung der Detailansicht aus 2A, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Die Besonderheit dieser Abwandlung besteht im Wesentlichen darin, dass das Strahlungseintrittsfenster 10 innen auf dem Rand 13 der Gehäuseöffnung 9 aufliegt. Dies ist bei einem inneren Überdruck in dem Gehäuse 6 vorteilhaft, weil das Strahlungseintrittsfenster 10 dann aufgrund der Druckverhältnisse von innen gegen den Rand 13 der Gehäuseöffnung 9 gepresst wird.
3 zeigt eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Strahlungseintrittsfenster 10, das teilweise mit dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Zu diesem Ausführungsbeispiel ist zu erwähnen, dass der Fensterrahmen 12 und das dünne Fensterelement 11 rechteckig sind.
Weiterhin ist zu diesem Ausführungsbeispiel zu erwähnen, dass das Strahlungseintrittsfenster 10 eine relativ kleine Fensteröffnung aufweist, so dass das dünne Fensterelement 11 in seiner freien Fläche nicht mechanisch abgestützt werden muss.
Die 4A und 4B zeigen eine Abwandlung des Strahlungseintrittsfensters 10 gemäß 3, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass das Strahlungseintrittsfenster 10 eine wesentliche größere Fensteröffnung aufweist, so dass eine mechanische Abstützung durch einen mittig angeordneten Stützsteg 15 erforderlich ist, wobei der Stützsteg 15 aus dem selben Material besteht wie der Fensterrahmen 12 und das dünne Fensterelement 11 in zwei Fensteröffnungen 16.1, 16.2 unterteilt.
Aus der Querschnittsansicht in 4B ist weiterhin ersichtlich, dass sowohl der Fensterrahmen 12 als auch der Stützsteg 15 einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen, wobei sich der Querschnitt zu dem dünnen Fensterelement 11 hin verbreitert, was durch die Herstellung gemäß der Planartechnologie bedingt ist.
Die 5A und 5B zeigen eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß den 4A und 4B, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht in der wesentlich größeren Fensterfläche, die eine mechanische Abstützung durch zwei kreuzförmig angeordnete Stützstege 15.1, 15.2 erfordern, wobei die Stützstege 15.1, 15.2 insgesamt vier benachbarte Fensteröffnungen 16.1–16.4 unterteilen.
Darüber hinaus ist aus dieser Darstellung ersichtlich, dass das dünne Fensterelement 11 aus zwei übereinander liegenden Planarschichten 11.1, 11.2 besteht, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
6 zeigt einen möglichen Herstellungsprozess im Rahmen der Planartechnologie am Beispiel eines Silizium-Wafers. Hierbei werden für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet wie in der vorstehenden Beschreibung, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
In einem ersten Schritt (6A) wird ein Wafer 17 thermisch oxidiert, so dass der Wafer 17 beidseitig mit einer Oxidschicht 18, 19, beschichtet ist.
Im zweiten Schritt (68) wird die Oxidschicht 19 an der zukünftigen Rahmenseite (in der Zeichnung unten) strukturiert, so dass nur mehr zukünftige Fensterrahmen 12 und Stützstege 15.1 bedeckt bleiben.
Danach werden einseitig auf der zukünftigen Fensterseite (in der Zeichnung oben) oder doppelseitig weitere Schichte(n) 11.1, 11.2 aufgebracht (6C).
Nach Entfernen der zusätzlichen Schichten auf der Rahmenseite kann der Wafer 17 nasschemisch geätzt werden, wobei die strukturierte Oxidschicht 19 als Ätzmaske dient. Die Oxidschicht 18 an der Fensterseite dient dabei als Ätzstop, so dass im Fensterbereich nur das Oxid, sowie die darüber aufgebrachten dünnen Schichten 11.1, 11.2 vorhanden sind (6D). Es bleibt zu erwähnen, dass sowohl isotrope als auch anisotrope Ätzverfahren angewendet werden können.
Im Rahmen des Herstellungsprozesses erfolgt auch eine Vereinzelung der einzelnen Strahlungseintrittsfenster 10 von einem Nutzen, der bei der Herstellung mehrere Strahlungseintrittsfenster umfasst. Diese Vereinzelung erfolgt ebenfalls während des Ätzens in demselben Ätzschritt. Hierbei wird die Geometrie vor dem Ätzen durch eine geeignete Maske definiert.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Darunter fallen auch Abwandlungen in der Geometrie der Fenster und der Stützstruktur. So mag es in manchen Fällen vorteilhaft sein, nicht rechtwinkelige, runde oder hexagonale Strukturen zu verwenden. Darüber hinaus beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand der Unteransprüche unabhängig von den Merkmalen der in Bezug genommenen Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: Detektormodul
2: Halbleiterdriftdetektor
3: Keramiksubstrat
4: Peltier-Element
5: Kollimator
6: Gehäuse
7: Bodenplatte
8: Kuppelförmiges Gehäuseelement
9: Gehäuseöffnung
10: Strahlungseintrittsfenster
11: Fensterelement
11.1, 11.2: Planarschichten
12: Fensterrahmen
13: Rand der Gehäuseöffnung
14: Klebeverbindung
15, 15.1, 15.2: Stützsteg
16.1–16.4: Fensteröffnung
17: Wafer
18: Oxidschicht
19: Oxidschicht

Claims

Strahlungseintrittsfenster (10) für einen Strahlungsdetektor (2), insbesondere für einen Halbleiterdetektor, wie beispielsweise einen Halbleiterdriftdetektor (2), einen Halbleiterpixeldetektor oder einen CCD-Detektor, mit a) einem flachen Fensterelement (11), das für die von dem Strahlungsdetektor (2) zu detektierende Strahlung mindestens teilweise durchlässig ist, gekennzeichnet durch b) einen das Fensterelement (11) seitlich einrahmenden Fensterrahmen (12), wobei der Fensterrahmen (12) aus einem Halbleitermaterial besteht und wesentlich dicker ist als das Fensterelement (11).
Strahlungseintrittsfenster (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Fensterrahmen (12) im Wesentlichen auf der strahlungsabgewandten Innenseite des flachen Fensterelements (11) angeordnet ist, insbesondere für einen Betrieb unter einem inneren Unterdruck, oder b) dass der Fensterrahmen (12) im Wesentlichen auf der strahlungszugewandten Außenseite des flachen Fensterelements (11) angeordnet ist, insbesondere für einen Betrieb unter einem äußeren Unterdruck.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Fensterrahmen (12) im Querschnitt ein Profil aufweist, das sich von der strahlungsabgewandten Innenseite nach außen hin verbreitert, insbesondere für einen Betrieb unter einem äußeren Unterdruck, oder b) dass der Fensterrahmen (12) im Querschnitt ein Profil aufweist, das sich von der strahlungszugewandten Außenseite nach innen verbreitert, insbesondere für einen Betrieb unter einem inneren Unterdruck.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das flache Fensterelement (11) aus einer einzigen Planarschicht besteht, oder b) dass das flache Fensterelement (11) mehrere verschiedene, übereinander liegende Planarschichten (11.1, 11.2) aufweist.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, a) dass die mindestens eine Planarschicht (11.1, 11.2) auf das Halbleitermaterial des Fensterrahmens (12) aufgewachsen oder aufgebracht ist, und/oder b) dass die Planarschicht (11.1, 11.2) oder zumindest eine der Planarschichten (11.1, 11.2) dielektrisch sind.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Planarschicht (11.1, 11.2) mindestens teilweise aus einem der folgenden Materialien bestehen: a) Siliziumdioxid, b) Siliziumnitrid, c) Bis-Benzocyclobuten, d) Ormocer e) Polyimide f) organisches Material, g) anorganisches Material, h) Halbleitermaterial.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das flache Fensterelement (11) durch mindestens einen Stützsteg (15, 15.1, 15.2) mechanisch abgestützt wird, und/oder b) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) das flache Fensterelement (11) in mehrere Fensteröffnungen (16.1-16.4) unterteilt, und/oder c) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) monolithisch mit dem Fensterrahmen (12) verbunden ist, und/oder d) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) aus dem Halbleitermaterial des Fensterrahmens (12) besteht, und/oder e) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) an einer Seite auf dem flachen Fensterelement (11) aufliegt und einen Querschnitt aufweist, der sich zu dem flachen Fensterelement (11) hin verbreitert, oder f) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) einen Querschnitt aufweist, der im Wesentlichen rechteckig ist.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, a) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) auf der strahlungsabgewandten Innenseite des flachen Fensterelements (11) angeordnet ist, oder b) dass der Stützsteg (15, 15.1, 15.2) auf der strahlungszugewandten Außenseite des flachen Fensterelements (11) angeordnet ist.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Halbleitermaterial des Fensterrahmens (12) Silizium ist, und/oder b) dass das Strahlungseintrittsfenster (10) im Wesentlichen gasdicht ist.
Strahlungseintrittsfenster (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Strahlungseintrittsfenster (10) für optische Strahlung, insbesondere in einem für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich, im Wesentlichen undurchlässig ist, und/oder b) dass das Strahlungseintrittsfenster (10) für Röntgenstrahlung im Wesentlichen durchlässig ist.
Detektormodul (1), insbesondere für ein Spektrometer, insbesondere für eine Röntgenspektroskopie oder eine Röntgenfluoreszenzanalyse, mit a) einem Strahlungsdetektor (2), insbesondere einem Halbleiterdetektor, wie beispielsweise einem Halbleiterdriftdetektor (2), einem Halbleiterpixeldetektor oder einem CCD-Detektor, zur Detektion von Strahlung, b) einem Gehäuse (6, 7, 8) mit einem Strahlungseintrittsfenster (10), wobei der Strahlungsdetektor (2) in dem Gehäuse (6, 7, 8) angeordnet ist und die zu detektierende Strahlung von außen durch das Strahlungseintrittsfenster (10) hindurch auf den Strahlungsdetektor (2) trifft, dadurch gekennzeichnet, c) dass das Strahlungseintrittsfenster (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Detektormodul (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungseintrittsfenster (10) durch eine Klebeverbindung (14) mit dem Gehäuse (6, 7, 8) des Detektormoduls verbunden ist, wobei die Klebeverbindung (14) den Fensterrahmen (12) und/oder das flache Fensterelement (11) erfasst.
Detektormodul (1) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, a) dass das Gehäuse (6, 7, 8) eine Gehäuseöffnung (9) mit einem umlaufenden Rand (13) aufweist, und b) dass das Strahlungseintrittsfenster (10) mit dem Fensterrahmen (12) außen auf dem Rand (13) der Gehäuseöffnung (9) aufliegt, so dass das Strahlungseintrittsfenster (10) bei einem äußeren Überdruck auf die Gehäuseöffnung (9) gepresst wird, oder c) dass das Strahlungseintrittsfenster (10) mit dem Fensterrahmen (12) innen auf dem Rand (13) der Gehäuseöffnung (9) aufliegt, so dass das Strahlungseintrittsfenster (10) bei einem inneren Überdruck auf die Gehäuseöffnung (9) gepresst wird.
Spektrometer, insbesondere zur Röntgenspektroskopie oder zur Röntgenfluoreszenzanalyse, mit mindestens einem Detektormodul (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13.
Herstellungsverfahren für ein Strahlungseintrittsfenster (10) für einen Strahlungsdetektor (2), insbesondere für einen Halbleiterdetektor (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten: a) Bereitstellung eines flachen Fensterelements (11), insbesondere in Form eines Halbleiter-Wafers (17), b) Beschichten des Fensterelements (11) mit einer Oxidschicht (18) auf der strahlungszugewandten Außenseite des Fensterelements (11), c) Beschichten des Fensterelements (11) mit einer Oxidschicht (19) auf der strahlungsabgewandten Innenseite des Fensterelements (11), d) Strukturieren einer der beiden Oxidschichten (18, 19), so dass nur ein zukünftiger Fensterrahmen (12) und/oder nur ein zukünftiger Stützsteg (15.1) bedeckt bleibt, e) Entfernen des Bereichs des Fensterelements (17), der nach dem Strukturieren unbedeckt ist, so dass der zukünftige Fensterrahmen (12) und/oder der zukünftige Stützsteg (15.1) stehen bleibt.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, a) dass das teilweise Entfernen durch nasschemisches Ätzen erfolgt, und/oder b) dass die Oxidschicht (19) auf der Rahmenseite eine Ätzmaske bildet, und/oder c) dass die Oxidschicht (18) auf der rahmenabgewandten Seite einen Ätzstop bildet.