DE102012107342B4

DE102012107342B4 - Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster für einen Strahlungsdetektor, Strahlungsdetektor mit einem solchen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster sowie Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters

Info

Publication number: DE102012107342B4
Application number: DE102012107342.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Pahlke; Reinhard Fojt; Natsuki Miyakawa
Original assignee: KETEK GmbH
Current assignee: KETEK GmbH
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2019-10-10
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: US9514854B2; US20140044240A1; DE102012107342A1

Abstract

Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster (1) für einen Strahlungsdetektor (2) oder einen Röntgenstrahlungsemitter, aufweisend ein strahlungsdurchlässiges Fensterelement (3),wobei das strahlungsdurchlässige Fensterelement (3) genau eine Schicht (4) aus Graphen aufweist, wobei die Graphenschicht (4) einen Graphenmultilagenaufbau umfasst, wobei die Graphenschicht (4) eine Anzahl von mindestens 350 Graphen-Monoschichten aufweist und eine Dicke der Graphenschicht (4) < 2.2 µm beträgt,wobei sich die Graphenschicht (4) direkt an einem Fensterhalterungselement (5) aus Silizium befindet und das Fensterhalterungselement (5) aus mindestens einer Öffnung (15) für einen Strahlengang vollständig entfernt ist, sodass die Graphenschicht (4) in der mindestens einen Öffnung (15) eine freitragende Graphenmembran ist,wobei die Graphenmembran in der Öffnung (15) durchgehend gekrümmt verläuft.

Description

Es wird ein Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster für einen Strahlungsdetektor angegeben. Weiterhin werden ein Strahlungsdetektor mit einem solchen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters angegeben.
Es sind Strahlungsdetektoren bekannt, die Berylliumfenster oder polymerbasierte Fenster, wie zum Beispiel sogenannte AP3.3-Fenster, aufweisen. Berylliumfenster kommen beispielsweise für Anwendungen zum Einsatz, bei denen eine hohe Transmission hochenergetischer Röntgenstrahlen (zum Beispiel > 1 keV) erforderlich ist, polymerbasierte AP3.3-Fenster werden dagegen vorzugsweise für Anwendungen eingesetzt, bei denen eine hohe Transmission niederenergetischer Röntgenstrahlen (zum Beispiel < 1 keV) benötigt wird.
In den Druckschriften US 4 929 763 A und DE 10 2010 046 100 A1 sind Fenster für Strahlungsdetektoren beschrieben.
Die Druckschrift US 2004/0 125 919 A1 betrifft eine Röntgenquelle mit einem glockenförmigen Strahlungsaustrittsfenster aus pyrolytischem Kohlenstoff (pyrolytic carbon) mit einer Dicke von ca. 1 mm.
In der Druckschrift US 2012/0 087 476 A1 ist ein Röntgenstrahlungsfenster offenbart, das eine Dünnfilmschicht aus Graphen enthält. An der Dünnfilmschicht befinden sich zwei Schichten aus Borhydrid und Kunststoff. Eine Dicke der Dünnfilmschicht liegt zwischen 5 µm und 500 µm.
In der Druckschrift US 2012/0 025 110 A1 findet sich eine Graphen-Schicht auf einer Stützschicht, beispielsweise aus Kupfer, um ein Röntgenstrahlungsfenster zu erhalten.
Aus der US 2010/0 126 660 A1 ist es bekannt, ein Graphen-Fenster aus ca. 10 Graphen-Lagen als Röntgenstrahlungsfenster zu verwenden.
Die Verwendung von Isolationsschichten und lichtundurchlässigen Schichten an Röntgenstrahlungsfenstern sind der Druckschrift US 2009/0 086 923 A1 zu entnehmen.
Es ist eine zu lösende Aufgabe liegt darin, ein Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster für einen Strahlungsdetektor anzugeben, das im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenstern verbesserte Eigenschaften aufweist. Weitere zu lösende Aufgaben sind es, einen Strahlungsdetektor mit einem solchen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster des Anspruchs 1, durch den Strahlungsdetektor des Anspruchs 5 sowie durch das Verfahren des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
Ein Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster weist erfindungsgemäß ein strahlungsdurchlässiges Fensterelement auf. Das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster kann beispielsweise ein Röntgenstrahlungseintritts- und/oder Röntgenstrahlungsaustrittsfenster sein. Zum Beispiel kann das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster ein Fenster für einen Röntgenstrahlungsdetektor oder -emitter sein. Bei dem Fensterelement handelt es sich um ein für Röntgenstrahlung strahlungsdurchlässiges Fensterelement. Vorzugsweise ist das strahlungsdurchlässige Fensterelement hingegen für sichtbares Licht undurchlässig. Des Weiteren enthält das strahlungsdurchlässige Fensterelement Graphen. Erfindungsgemäß enthält das strahlungsdurchlässige Fensterelement genau eine Schicht, die Graphen enthält. Weiterhin kann diese Schicht aus Graphen bestehen. Die Graphen enthaltende oder aus Graphen bestehende Schicht kann hier und im Folgenden auch als Graphenschicht bezeichnet werden. Der Begriff „Graphen“ bezeichnet dabei eine Struktur, die wabenartig angeordnete Kohlenstoffatome aufweist, wobei die einzelnen Kohlenstoffatome in einer im Wesentlichen zweidimensionalen Ebene angeordnet sind und Bindungen zu anderen benachbarten Kohlenstoffatomen, die in derselben Ebene angeordnet sind, aufweisen. Die Kohlenstoffatome sind vorwiegend sp²-hybridisiert. Die Graphen enthaltende Schicht umfasst erfindungsgemäß einen Graphenmultilagenaufbau oder besteht daraus. Das heißt, die Graphen enthaltende Schicht kann einen Mehrlagenaufbau aus übereinander angeordneten Graphenschichten aufweisen oder daraus bestehen.
Ein Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster, das ein Fensterelement mit einer Graphen enthaltenden Schicht aufweist, zeichnet sich insbesondere durch eine sehr gute Transmission für sowohl nieder- und als auch hochenergetische Röntgenstrahlung aus. Weiterhin weist ein derartiges Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster eine hohe hermetische Dichtigkeit (z.B. < 3·10^-10 mbar*L/s Helium), eine gute mechanische Stabilität (Δp > 1 bar) sowie eine gute Temperaturbeständigkeit (beispielsweise > 150 °C in Gas, wie zum Beispiel Luft, N2, Ar, oder im Vakuum) auf.
Die Graphen enthaltende Schicht weist eine Mehrzahl von so genannten Graphen-Monoschichten auf oder besteht aus einer Mehrzahl von Graphen-Monoschichten. Mit dem Begriff „Graphen-Monoschicht“ ist hierbei eine im Wesentlichen zweidimensionale Schicht von Kohlenstoffatomen bezeichnet, die nur Bindungen zu benachbarten Kohlenstoffatomen in der gleichen Ebene aufweisen. Die einzelnen Graphen-Monoschichten können insbesondere monokristallin ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß weist die Graphen enthaltende Schicht eine Anzahl von mindestens 350 Graphen-Monoschichten auf oder besteht aus einer Anzahl von mindestens 350 Graphen-Monoschichten. Dadurch, dass die Graphen enthaltende Schicht eine Mehrzahl von Graphen-Monoschichten aufweist, kann die Dichtigkeit des strahlungsdurchlässigen Fensterelements auch bei Defekten innerhalb einzelner Graphen-Monoschichten erzielt werden.
Vorteilhafterweise ist das Graphen enthaltende Fensterelement lichtundurchlässig für sichtbares Licht über den gesamten Wellenlängenbereich. Des Weiteren weist das Fensterelement eine gute chemische Beständigkeit, beispielsweise gegen Luft, Wasser oder Lösungsmittel, sowie eine für eine elektrostatische Ableitung benötigte elektrische Leitfähigkeit auf. Darüber hinaus ist Graphen, im Gegensatz zu Beryllium, das karzinogen ist, nicht toxisch.
Beispielsweise kann das strahlungsdurchlässige Fensterelement eine Graphen enthaltende Schicht sowie eine weitere, sichtbares Licht sperrende Schicht aufweisen. Die sichtbares Licht sperrende Schicht kann zum Beispiel Aluminium enthalten oder aus Aluminium bestehen. Durch die sichtbares Licht sperrende Schicht kann einfallendes optisches Licht noch besser unterdrückt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das strahlungsdurchlässige Fensterelement neben der Graphen enthaltenden Schicht eine Passivierungsschicht auf. Die Passivierungsschicht kann beispielsweise Bornitrid enthalten oder aus Bornitrid bestehen. Die Passivierungsschicht kann vorteilhafterweise dazu beitragen, dass die chemische Beständigkeit des strahlungsdurchlässigen Fensterelements verbessert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das strahlungsdurchlässige Fensterelement neben der Graphen enthaltenden Schicht eine weitere, elektrisch leitfähige Schicht, aufweisen. Diese elektrisch leitfähige Schicht kann zum Beispiel Aluminium oder einen Leitkleber enthalten. Mittels der elektrisch leitfähigen Schicht kann die elektrische Leitfähigkeit des strahlungsdurchlässigen Fensterelements zum Zwecke einer elektrostatischen Ableitung noch weiter erhöht werden.
Erfindungsgemäß weist das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster ein Fensterhalterungselement auf. Das strahlungsdurchlässige Fensterelement ist direkt mit dem Fensterhalterungselement verbunden. Das Fensterhalterungselement kann zum Beispiel ein oder mehrere Materialien aufweisen, die vorzugsweise mit einem Prozess verträglich sind, bei dem Graphen auf eines oder auf mehrere dieser Materialien abgeschieden wird. Vorzugsweise weist das Fensterhalterungselement eine Schmelztemperatur von größer oder gleich 1000 °C, zum Beispiel bei Normalbedingungen, auf. Weiterhin wird bevorzugt, dass Bereiche des Fensterhalterungselements, auf die Graphen abgeschieden wird, eines oder mehrere Materialien aufweist oder aus einem oder mehreren Materialien besteht, gegenüber denen Graphen eine gute Haftung aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform lassen sich die im Fensterhalterungselement enthaltenen Materialien gegenüber Graphen mit guter Selektivität strukturieren. Dadurch kann beispielsweise eine Herstellung von Stützstrukturen, die das strahlungsdurchlässige Fensterelement stabilisieren, erleichtert werden.
Erfindungsgemäß ist das Fensterhalterungselement aus Si.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster eine oder mehrere Stützstrukturen auf. Die Stützstrukturen können beispielsweise dieselben Materialien wie das Fensterhalterungselement enthalten oder aus denselben Materialien wie das Fensterhalterungselement bestehen. Weiterhin ist es möglich, dass die Stützstrukturen einen Teil des Fensterhalterungselements bilden. Beispielsweise können die Stützstrukturen auf einer dem Fensterhalterungselement zugewandten Seite des strahlungsdurchlässigen Fensterelements angeordnet sein. Dabei können die Stützstrukturen direkt mit dem strahlungsdurchlässigen Fensterelement verbunden sein. Alternativ können die Stützstrukturen auf einer dem Fensterhalterungselement abgewandten Seite des strahlungsdurchlässigen Fensterelements angeordnet sein, wobei sie zum Beispiel direkt auf dem Fensterelement aufgebracht sein können. Dabei können die Stützstrukturen auch von dem Fensterhalterungselement verschiedene Materialien aufweisen. Die Stützstrukturen dienen dazu, das die Graphenschicht enthaltende strahlungsdurchlässigen Fensterelement mechanisch zu stabilisieren. Weiterhin ist es möglich, dass Stützstrukturen innerhalb der Graphen enthaltenden Schicht gebildet sind. Die Stützstrukturen innerhalb der Graphen enthaltenden Schicht können zum Beispiel durch Strukturierung, beispielsweise durch Erhöhungen und Vertiefungen, der Graphen enthaltenden Schicht gebildet sein. Durch die Formgebung der Graphen enthaltenden Schicht kann diese eine im Vergleich zu einer ebenen Schicht erhöhte mechanische Stabilität aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Fensterhalterungselement als Kappe ausgebildet. Die Kappe kann beispielsweise zusammen mit dem strahlungsdurchlässigen Fensterelement und einem mit der Kappe verbundenen Sockel ein Detektorgehäuse eines Strahlungsdetektors bilden. Vorzugsweise weist die Kappe ein Metall oder eine Keramik auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Kappe Karbon auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kappe als TO8-Kappe ausgeführt, die einen Teil eines so genannten TO8-Gehäuses bilden kann.
Vorteilhafterweise weist das hier beschriebene Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster eine gute Integrierbarkeit mit Gehäuseteilen auf, mit denen das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster zum Beispiel mittels Kleben, Löten, oder Schweißen verbunden werden kann. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch die Verwendung des Graphen enthaltenden Fensterelements aufgrund einer guten Verfügbarkeit der zur Herstellung notwendigen kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffe, wie zum Beispiel Methan.
Weiterhin wird ein Strahlungsdetektor, der ein hier beschriebenes erfindungsgemäßes Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster aufweist, angegeben. Der Strahlungsdetektor weist ein Detektorgehäuse mit einem oben beschriebenen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster sowie ein Detektorelement auf, das in dem Detektorgehäuse angeordnet ist und das zur Detektion einer Strahlung, insbesondere einer Röntgenstrahlung, geeignet ist. Vorzugsweise bildet das Detektorgehäuse einen gasdicht verschlossen Hohlraum aus, der zum Beispiel evakuiert oder mit Schutzgas befüllt und sein kann. Der Strahlungsdetektor kann beispielsweise für die Elektronenstrahlmikroanalyse oder Röntgenfluoreszenzanalyse eingesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Detektorgehäuse des Strahlungsdetektors einen Sockel, eine direkt mit dem Sockel verbundene Kappe und ein oben beschriebenes strahlungsdurchlässiges Fensterelement. Beispielsweise kann es sich dabei um ein so genanntes TO8-Gehäuse handeln.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters für einen Strahlungsdetektor angegeben, wobei die vorher und im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen gleichermaßen für das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster wie auch für das Verfahren zur Herstellung des Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters gelten. In einem ersten Verfahrensschritt wird ein Substrat bereitgestellt. Erfindungsgemäß kommt als Substrat Silizium zum Einsatz, das mit einem Graphenabscheidungsprozess gut verträglich ist. Weiterhin kann das Substrat zum Beispiel als Folie, als Scheibe, wie zum Beispiel als Wafer, der beispielsweise einen Durchmesser zwischen 4" und 8" aufweist, oder als Kappe oder Gehäuse, wie zum Beispiel als TO8-Kappe oder TO8-Gehäuse, vorliegen.
In einem zweiten, sich an den ersten Verfahrensschritt anschließenden Verfahrensschritt wird die Schicht, die Graphen enthält oder aus Graphen besteht, auf zumindest einer Seite des Substrats abgeschieden. Als Abscheideprozess kommt dabei beispielsweise ein CVD-Prozess (Chemical Vapor Deposition, Chemische Gasphasenabscheidung) in Frage. In einem weiteren, dritten Verfahrensschritt wird anschließend zumindest ein Bereich des Substrats entfernt. Zur Entfernung des Substratmaterials kommen beispielsweise nasschemisches Ätzen oder ein Boschprozess (reaktives Silicium-Ionentiefenätzen) zum Einsatz. Nach der Entfernung eines Substratbereiches wird durch freigelegte Bereiche der Graphen enthaltenden Schicht ein Strahlengang gebildet. Des Weiteren wird durch die freigelegte Bereiche sowie weiterhin von Substratmaterial bedeckten Bereichen der der Graphen enthaltenden Schicht erfindungsgemäß eine Graphen aufweisende Membran, im Folgenden auch Graphenmembran genannt, gebildet, die das strahlungsdurchlässige Fensterelement des Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters bildet. Die weiterhin bestehenden, nicht entfernten Bereiche des Substrats bilden das Fensterhalterungselement des Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters.
Anschließend kann das Substrat in einzelne Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster vereinzelt werden, was beispielsweise mittels Wafersägen, eines Laserprozesses, eines Boschprozesses oder durch eine Kombination der vorgenannten Prozesse erfolgen kann. Dadurch entsteht im Rahmen des Herstellungsprozesses aus dem bereitgestellten Substrat eine Mehrzahl an Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenstern.
Die Graphen enthaltende Schicht umfasst erfindungsgemäß eine Anzahl von mindestens 350 Graphen-Monoschichten. Dadurch kann auch ohne zusätzliche lichtsperrende Elemente eine gute Dichtigkeit gegenüber sichtbarem Licht erreicht werden (ca. < 1 ppm).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Strahlengang mit Stützstrukturen versehen, mittels derer die mechanische Stabilität der Graphenmembran vorteilhafterweise erhöht werden kann. Die Stützstrukturen können dabei beispielsweise die Form von diagonalen Linien, parallelen Gittern, Kreuzen, Ringen, Dreiecken, Quadern, Rauten, Kreisen, Waben oder von Kombinationen davon aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden beim Entfernen des Substrats Stützstrukturen gebildet. Die Stützstrukturen können zum Beispiel monolithisch ausgeführt sein und beispielsweise durch einzelne, nicht entfernte Substratbereiche gebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden vor dem Entfernen des Substrats auf der dem Substrat abgewandten Seite der Graphen enthaltenden Schicht Stützstrukturen aufgebracht.
Vorzugsweise werden die Stützstrukturen dabei direkt auf der Graphen enthaltenden Schicht aufgebracht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Substrat vor der Abscheidung der zumindest einen Graphen enthaltenden Schicht strukturiert. Vorzugsweise kann die Graphen enthaltende Schicht strukturiert werden, indem geometrische Formen, wie zum Beispiel eine oder mehrere konkave Kavitäten oder eine oder mehrere Senkungen, beispielsweise mit abgerundeten Ecken, oder Kombinationen davon im Substrat gebildet werden. Vorzugsweise wird das Substrat in einem oder in mehreren Bereich, in denen das Substrat nach der Graphenabscheidung entfernt wird, strukturiert. Durch die Strukturierung des Substrats kann ebenfalls die mechanische Stabilität der Graphenmembran erhöht werden. Weiterhin können durch die Strukturierung des Substrat, dem folgenden Aufbringen der Graphen enthaltenden Schicht und einem sich anschließenden, vorzugsweise vollständigen Entfernen bestimmter Bereiche des Substrats Stützstrukturen, die beispielsweise Bereiche der Graphen enthaltenden Schicht enthalten oder daraus bestehen, gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Graphen enthaltende Schicht nach der Abscheidung auf das Substrat strukturiert. Beispielsweise kann bei der Strukturierung der Graphen enthaltenden Schicht eine Mehrzahl von Vertiefungen innerhalb der Schicht entstehen. Die Vertiefungen können zum Beispiel eine jeweils gleiche Tiefe aufweisen und äquidistant angeordnet sein. Weiterhin können die Vertiefungen bis zum Substrat reichen. Anschließend kann nochmals eine Graphen enthaltende Schicht auf das Substrat aufgebracht werden, so dass insbesondere innerhalb der Vertiefungen angeordnete Bereiche des Substrats mit der Graphen enthaltenden Schicht bedeckt sind. Danach können wiederum Bereiche des Substrats entfernt werden. Vorteilhafterweise können dadurch Stützstrukturen innerhalb der Graphen enthaltenden Schicht gebildet werden.
Die bei dem beschriebenen Herstellungsverfahren zum Einsatz kommenden Prozessverfahren, wie zum Beispiel das CVD-Verfahren, sind vorteilhafterweise massenfertigungstauglich. Weiterhin weisen Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster, die mit einem hier beschriebenen Herstellungsverfahren produziert werden, gute Ergebnisse bei Qualitätskontrollen auf, beispielsweise infolge enger Dickentoleranzen der einzelnen Fenster.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen des Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1A bis 9 beschriebenen Ausführungsformen.
Es zeigen:

1A bis 5D und 7A bis 8B schematische Darstellungen von Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenstern beziehungsweise von Verfahren zur Herstellung von Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenstern gemäß nicht erfindungsgemäßer Abwandlungen,
6A bis 6D schematische Darstellungen eines Verfahrens zur Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters,
9 eine schematische Schnittansicht eines Strahlungsdetektors mit einem Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster gemäß einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Abwandlung,
10A und 10B grafische Darstellungen der Transmission von Graphen im Vergleich zu Beryllium und AP3.3, und
11 eine grafische Darstellung der Lichtabsorption von Graphen in Abhängigkeit der Anzahl der Graphen-Monoschichten.

In den Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
Die 1A bis 1C zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß einer Abwandlung, bei dem in dem in 1A dargestellten ersten Verfahrensschritt ein Substrat 9 bereitgestellt wird und auf dem Substrat 9 eine Schicht 4, die Graphen enthält, mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) abgeschieden wird. Die Graphenabscheidung kann dabei einseitig oder ganzflächig an allen Oberflächen des Substrats 9 erfolgen, wobei bei einer Graphenabscheidung an allen Oberflächen des Substrats 9 die Graphen enthaltende Schicht 4 vorzugsweise zumindest auf der Seite des Substrats 9 wieder entfernt wird, auf der Bereiche des Substrats 9 nachfolgend entfernt werden. Weiterhin kann die Graphen enthaltende Schicht 4 auch als Ätzmaske verwendet werden.
In dem in der 1B dargestellten, sich an den ersten Verfahrensschritt anschließenden Verfahrensschritt wird Substratmaterial in den Bereichen 15 mittels eines Boschprozesses entfernt, wodurch Öffnungen für einen Strahlengang erzeugt werden. Alternativ kann zum Entfernen des Substrats auch nasschemisches Ätzen zum Einsatz kommen. Nach dem Entfernen eines oder mehrerer Bereiche des Substrats 9 bildet die Graphen enthaltende Schicht 4 ein strahlungsdurchlässiges Fensterelement 3, das auch als Graphenmembran bezeichnet werden kann. Die nicht entfernten Bereiche des Substrats 9 bilden ein mit der Graphenmembran verbundenes Fensterhalterungselement 5. Durch eine starke Bindung der Graphen enthaltenden Schicht 4 an das Substrat 9 kann gewährleistet werden, dass die an das Fensterhalterungselement 5 angrenzenden Bereiche der Schicht 4 auch bei starker Druckdifferenz nicht abblättern.
In dem in 1C dargestellten Verfahrensschritt wird anschließend das Substrat 9 mit der darauf aufgebrachten Graphenmembran in einzelne Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster 1 vereinzelt. Alternativ kann das Vereinzeln der Fenster durch Wafersägen oder einen Laserprozess oder durch eine Kombination der genannten Verfahren erfolgen.
In den 2A bis 2C ist ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß einer weiteren Abwandlung gezeigt. Bei dem in den 2A bis 2C dargestellten Verfahren werden im Unterschied zu dem im Zusammenhang mit den 1A bis 1C beschriebenen Verfahren beim Entfernen des Substratmaterials monolithische Stützstrukturen 10 geschaffen. Die Stützstrukturen 10 sind als Stützstege ausgeführt. Alternativ können die Stützstrukturen 10 als diagonale Linien, parallele Gitter, Kreuze, Ringe, Dreiecke, Quader, Rauten, Kreise, Waben oder Kombinationen davon ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann die Graphen enthaltende Schicht 4, die nach dem Entfernen der Substratbereiche 15 eine Graphenmembran bildet, mittels der Stützstrukturen 10 mechanisch stabilisiert werden.
In den 3A bis 3D ist ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß einer weiteren Abwandlung gezeigt. Im Unterschied zu den 1A bis 1C werden nach dem Abscheiden der Graphen enthaltenden Schicht 4 Stützstrukturen 10 auf der Graphen enthaltenden Schicht 4 integriert. Anschließend werden einzelne Substratbereiche, die jeweils einen Strahlengang bilden, entfernt und das Substrat 9 mit der darauf aufgebrachten, Graphen enthaltenden Schicht 4 und den Stützstrukturen 10 in einzelne Fenster vereinzelt.
Die 4A bis 4D zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß einer weiteren Abwandlung. Dabei wird im Unterschied zu den 1A bis 1C die Graphen enthaltende Schicht 4 nach dem Abscheiden auf dem Substrat 9 durch Entfernen einzelner Bereiche der Schicht 4 derart strukturiert, dass eine Stützstruktur innerhalb der Graphen enthaltenden Schicht 4 entsteht. Dabei können beispielsweise einzelne Vertiefungen 17 sowie einzelne, zwischen den Vertiefungen 17 angeordnete Bereiche innerhalb der Schicht 4 entstehen. Beispielsweise können die Vertiefungen 17 bis zum Substrat 9 reichen, so dass einzelne, nicht zusammenhängende Bereiche zwischen den Vertiefungen 17 entstehen, und Restmaterial der Schicht 4 nicht mehr als durchgehende Schicht ausgebildet ist. Anschließend wird in einem weiteren, in der 4C dargestellten Verfahrensschritt nochmals Graphen aufgewachsen, wobei insbesondere zwischen den einzelnen, nicht zusammenhängenden Bereichen Graphen abgeschieden wird, so dass wieder eine durchgehende Graphen enthaltende Schicht 4 gebildet wird, die eine Mehrzahl von Graphen-Stützstrukturen 10 umfasst. Danach werden einzelne Bereiche 15 des Substrats beispielsweise mittels Ätzen entfernt, so dass ein strahlungsdurchlässiges Fensterelement 3 gebildet wird, und das Substrat 9 gegebenenfalls in eine Mehrzahl von Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenstern 1 vereinzelt.
In den 5A bis 5D ist ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß einer weiteren Abwandlung gezeigt, wobei das Substrat 9 im Unterschied zu den 1A bis 1C vor dem Abscheiden der Graphen enthaltenden Schicht 4 strukturiert wird. Die Strukturierung des Substrats 9 kann beispielsweise durch nasschemisches, trocknes, isotropes oder anisotropes Ätzen, durch Prägen, Fräsen oder Lasern erfolgen. Dabei können beispielsweise Vertiefungen 17 im Substrat 9 entstehen, wobei die einzelnen Vertiefungen 17 zum Beispiel jeweils eine in etwa gleiche Tiefe aufweisen und in etwa äquidistant zueinander angeordnet sein können. Anschließend wird die Graphen enthaltende Schicht 4 zum Beispiel durch Aufwachsen auf das Substrat aufgebracht, wobei die Schicht 4 beispielsweise gleichmäßig oder annähernd gleichmäßig auf das Substrat 9 aufgebracht werden kann, so dass die Schicht 4, insbesondere wenn sie eine Dicke aufweist, die weniger als die Hälfte der Breite der einzelnen Vertiefungen 17 beträgt, eine im Wesentlichen an die Form des strukturierten Substrats 9 angepasste, beispielsweise „gefaltete“ Form aufweisen kann. Alternativ können die Vertiefungen 17, zum Beispiel wenn die einzelnen Vertiefungen 17 eine geringere Breite als die zweifache Dicke der Schicht 4 aufweisen, beim Aufbringen der Schicht 4 teilweise oder ganz mit der Graphen enthaltenden Schicht 4 gefüllt werden.
Danach werden Bereiche 15 mittels einem der bereits genannten Verfahren entfernt, so dass zumindest ein strahlungsdurchlässiges Fensterelement 3 entsteht, wobei die Oberflächenstruktur des zumindest einen Fensterelements 3 eine Graphen-Stützstruktur aufweist, die abhängig von der Strukturierung des bereits teilweise entfernten Substrats 9 im Querschnitt eine Rechteck-, Trapez-, Dreieck- oder Teilkreisform oder eine Kombination dieser Formen aufweisen kann. In einem sich anschließenden Verfahrensschritt kann das Substrat 9 gegebenenfalls wiederum in eine Mehrzahl von Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenstern 1 vereinzelt werden.
In den 6A bis 6D und in den 7A bis 7D sind Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß eines Ausführungsbeispiels und gemäß einer weiteren Abwandlung gezeigt, wobei im Unterschied zu den 1A bis 1C das Substrat 9 vor der Graphenabscheidung strukturiert wird. Im Ausführungsbeispiel der 6A bis 6D weist das Substrat 9 nach seiner Strukturierung eine konkave Kavität auf, und zwar insbesondere in einem Bereich, in dem das Substrat 9 nach der Graphenabscheidung entfernt wird. In der Abwandlung der 7A bis 7D weist das Substrat 9 nach seiner Strukturierung eine Senkung mit abgerundeten Ecken auf, wobei sich die Senkung wiederum in einem Bereich des Substrats 9 befindet, welcher nach der Abscheidung der Graphen enthaltenden Schicht entfernt wird. Alternativ kann das Substrat auch anderweitig strukturiert werden, beispielsweise durch eine Mehrzahl von Senkungen oder eine Kombination der in den 6A und 7A gezeigten Strukturierungen. Mittels der Strukturierung kann vorteilhafterweise die mechanische Stabilität der Graphenmembran erhöht werden.
Die 8A und 8B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters 1 gemäß einer weiteren Abwandlung. Dabei wird eine Graphen enthaltende Schicht 4 direkt auf einer Oberfläche einer ein Metall enthaltenden Kappe 6 abgeschieden. Alternativ kann die Kappe 6 auch eine Keramik enthalten oder Karbon aufweisen. Weiterhin kann die Kappe 6 an seiner Oberfläche haftvermittelnde Schichten aufweisen, um eine Haftung zwischen der Graphen enthaltenden Schicht und der Kappenoberfläche zu erhöhen. Gemäß einer weiteren Abwandlung kann die Kappe 6 eine TO8-Kappe, die einen Teil eines TO8-Gehäuses bildet, sein. In dem in 8B gezeigten Verfahrensschritt wird anschließend ein Strahlengang für einfallende Röntgenstrahlung geöffnet, indem ein Teil der Kappe 6, beispielsweise mittels eines Ätzverfahrens, entfernt wird.
Die in den 1A bis 8B dargestellten Verfahren können miteinander kombiniert werden.
In 9 ist ein Strahlungsdetektor 2 in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt. Der Strahlungsdetektor 2 weist ein Detektorgehäuse 7 auf, das eine Kappe 6, ein an der Kappe 6 befestigtes Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster 1 und einen Sockel 13, der mit der Kappe 6 verbunden ist, umfasst. Das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster 1 ist wie ein oben beschriebenes Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster 1, das ein Graphen enthaltendes, strahlungsdurchlässiges Fensterelement aufweist, ausgebildet. Innerhalb des Detektorgehäuses 7 ist ein Detektorelement 8 angeordnet, das zur Detektion einer Strahlung, insbesondere einer Röntgenstrahlung, geeignet ist. Weiterhin sind im Sockel 13 Kontaktstifte 12 befestigt, die als Signal und Steueranschlüsse dienen und beispielsweise über Bonddrähte (nicht dargestellt) über eine Leiterplatte 14, auf dem das Detektionselement 8 angeordnet ist, mit dem Detektionselement 8 elektrisch leitend verbunden sind. Die Kappe 6, der Sockel 7 und das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster 1 bilden einen Hohlraum aus 16, der gasdicht verschlossen ist und der evakuiert oder mit Schutzgas befüllt sein kann. Des Weiteren weist der Strahlungsdetektor 2 einen thermoelektrischen Kühler 11 auf, der der Kühlung des Detektionselement 8 dient und vorteilhafterweise auftretende Leckströme und damit verbundenes Rauschen zu verringern kann.
Die 10A und 10B zeigen die Transmission T von Graphenschichten verschiedener Dicken in Abhängigkeit der Photonenenergie E einfallender Strahlung (in eV) im Vergleich zu Beryllium und AP3.3.
Die in 10A dargestellten Kurven zeigen die Transmission T einer Graphenschicht der Dicke 1 µm (Gr1), der Dicke 1,5 µm (Gr2) und der Dicke 2,2 µm (Gr3) im Vergleich zu einer Berylliumschicht der Dicke 8 µm (Be). Die Dicke der Graphenschicht sollte ohne etwaige Stützstrukturen ca. < 2.2 µm betragen um eine vergleichbare Transmission wie 8 µm dickes Beryllium zu erreichen. Dabei wird angenommen, dass die Dichte von Graphen 1,8 g/cm³ beträgt.
10B zeigt die Transmission T einer Graphenschicht der Dicke 200 nm (Gr4) mit einem Füllfaktor von 76% (Vakuum) sowie der Dicke 230 nm (Gr5) mit einem Füllfaktor von 100% (Vakuum) im Vergleich zu einem AP3.3-Fenster (AP) mit einem Füllfaktor von 76% (30 mbar, N2). Die Dicke der Graphenschicht sollte ohne Stützstrukturen in etwa 200 nm (Füllfaktor 76%) bis in etwa 230 nm betragen um eine vergleichbare Transmission wie AP3.3 zu erzielen. Bei Bedarf kann die Graphenmembran beispielsweise wie oben beschrieben mit Stützstrukturen stabilisiert werden.
11 zeigt anhand der Kurve X die Absorption A von sichtbarem Licht in Abhängigkeit von der Anzahl N der Graphen-Monoschichten einer Graphen enthaltenden Schicht 4. Weiterhin ist anhand der Kurve Y die Transmission 1-A in Abhängigkeit von der Anzahl N der Graphen-Monoschichten dargestellt. Um ohne zusätzliche lichtsperrende Elemente eine gute Lichtdichtigkeit gegenüber sichtbarem Licht zu erreichen (ca. < 1 ppm), sollte die Graphen enthaltende Schicht 4 mindestens 350 Graphen-Monoschichten aufweisen oder aus mindestens 350 Graphen-Monoschichten bestehen. Dabei wird angenommen, dass die Lichtabsorption pro Graphen-Monoschicht in etwa 2% beträgt. Vorzugsweise weist die Graphen enthaltende Schicht 4 zwischen 350 und 400 Graphen-Monoschichten auf.

Claims

Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster (1) für einen Strahlungsdetektor (2) oder einen Röntgenstrahlungsemitter, aufweisend ein strahlungsdurchlässiges Fensterelement (3), wobei das strahlungsdurchlässige Fensterelement (3) genau eine Schicht (4) aus Graphen aufweist, wobei die Graphenschicht (4) einen Graphenmultilagenaufbau umfasst, wobei die Graphenschicht (4) eine Anzahl von mindestens 350 Graphen-Monoschichten aufweist und eine Dicke der Graphenschicht (4) < 2.2 µm beträgt, wobei sich die Graphenschicht (4) direkt an einem Fensterhalterungselement (5) aus Silizium befindet und das Fensterhalterungselement (5) aus mindestens einer Öffnung (15) für einen Strahlengang vollständig entfernt ist, sodass die Graphenschicht (4) in der mindestens einen Öffnung (15) eine freitragende Graphenmembran ist, wobei die Graphenmembran in der Öffnung (15) durchgehend gekrümmt verläuft.
Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster nach Anspruch 1, wobei die Graphenschicht (4) eine Schichtdicke von größer oder gleich 100 nm aufweist.
Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster (1) Stützstrukturen (10) aufweist, wobei die Stützstrukturen (10) entweder auf einer dem Fensterhalterungselement (5) abgewandten Seite des strahlungsdurchlässigen Fensterelements (3) angeordnet oder innerhalb der Graphenschicht (4) gebildet sind.
Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fensterhalterungselement (5) eine Schmelztemperatur von größer oder gleich 1000°C aufweist.
Strahlungsdetektor (2) aufweisend - ein Detektorgehäuse (7), - ein mit dem Detektorgehäuse (7) verbundenes Röntgenstrahlungsdurchtrittsfenster (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und - ein Detektorelement (8), das in dem Detektorgehäuse (7) angeordnet ist und zur Detektion einer Strahlung, insbesondere von Röntgenstrahlung geeignet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Röntgenstrahlungsdurchtrittsfensters (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 für einen Strahlungsdetektor (2), aufweisend die folgenden Schritte: - Bereitstellung eines Substrats (9) aus Silizium, - Abscheidung der Graphenschicht (4) auf zumindest einer Seite des Substrats (9), so dass die Graphenschicht (4) einen Graphenmultilagenaufbau umfasst, wobei die Graphenschicht (4) eine Anzahl von mindestens 350 Graphen-Monoschichten aufweist und eine Dicke der Graphenschicht (4) < 2.2 µm beträgt, und - vollständiges Entfernen des Substrats (9) aus den Öffnungen (15) für den Strahlengang, sodass die Graphenschicht (4) in den Öffnungen (15) die freitragende Graphenmembran bildet, sodass die Graphenmembran in den Öffnungen (15) jeweils durchgehend gekrümmt verläuft.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Substrat (9) vor der Abscheidung der Graphenschicht (4) strukturiert wird.