DE102015201741A1

DE102015201741A1 - Phasenkontrastgitter und Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters

Info

Publication number: DE102015201741A1
Application number: DE102015201741.9A
Authority: DE
Inventors: Jörg Freudenberger; Harry Hedler; Martino Leghissa; Jörg Zapf
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2016-08-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft ein Phasenkontrastgitter für ein Gitterinterferometer sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Phasenkontrastgitters. Das Phasenkontrastgitter weist dabei eine Form auf, die senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlung in den Gitterinterferometer zumindest in eine Richtung gekrümmt ist. Zur Stabilisierung des Phasenkontrastgitters können die Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen mit einem Füllmaterial verfüllt werden. Die Herstellung eines solchen Phasenkontrastgitters kann durch Ätzen der negativen Struktur in ein Basismaterial, wie zum Beispiel einen Silizium-Wafer, erfolgen. Die so entstandene negative Struktur kann mit geeignetem Material verfüllt werden, um Gitterlamellen des Phasenkontrastgitters zu bilden. Die dabei gewonnene Gitterlamellenstruktur kann gekrümmt und anschließend durch Verfüllen mit dem Füllmaterial stabilisiert werden. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der Gitterlamellen eines Phasenkontrastgitters an die Strahlausbreitungsrichtung in dem Gitterinterferometer angepasst werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Phasenkontrastgitter und ein Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Phasenkontrastgitter für ein Gitterinterferometer.
Stand der Technik
Zur bildgebenden Diagnostik mittels Röntgenstrahlen sind beispielsweise gitterbasierte Interferometer bekannt, die den Talbot-Effekt zur Bildgebung nutzen. Diese Interferometer ermöglichen eine Verbesserung des Kontrastes mittels Einbeziehung der Informationen der von einem Untersuchungsobjekt verursachten Phasenverschiebung der Strahlung. Für das sogenannte Talbot-Lau-Verfahren werden dazu bis zu drei Gitter 200-i benötigt. das erste und dritte Gitter 200-1, 200-3 (auch als G0 bzw. G2 Gitter bezeichnet) bestehen dabei jeweils aus einer Abfolge eines stark und eines schwach die Röntgenstrahlung absorbierenden Materials. Das mittlere Gitter 200-2 (G1 Gitter) weist darüber hinaus in der Regel einen definierten Phasenschub zwischen den beiden verwendeten Materialien für Gitterlamellen bzw. Zwischenräume auf, wobei die beiden Materialien vorzugsweise möglichst wenig Strahlung absorbieren.
Die Druckschrift DE 10 2010 017 425 A1 offenbart beispielsweise spezielle Gitter bzw. Gitteranordnungen für Phasengittern von Interferometern. Dabei weisen die beschriebenen Gitterinterferometer eine geneigte Phasengitterstruktur auf.
7 zeigt ein konventionelles Gitterinterferometer 100. Ein solches Gitterinterferometer 100 umfasst neben den drei Phasengittern 200-i eine zumindest annähernd punktförmige Strahlungsquelle 3 sowie einen Detektor 5. Zwischen dem ersten Gitter 200-1 und dem zweiten Gitter 200-2 kann dabei die zu untersuchende Probe 4 angeordnet werden. Konventionelle Fertigungsverfahren erlauben dabei in der Regel jedoch nur planare Gitterstrukturen mit parallel verlaufenden Gitterlamellen. Da die Strahlungsquelle 3 nahezu punktförmig ist, emittiert sie eine gekrümmte Wellenfront, die dann bei konventionellen Gitterinterferometern auf ein planares Phasengitter trifft. Dies führt zu einer verminderten Bildqualität eines mittels eines derartigen Gitterinterferometers generierten Bildes.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem verbesserten Phasenkontrastgitter für ein Gitterinterferometer. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem Phasenkontrastgitter für ein Gitterinterferometer, das an die Strahlungsrichtung der in dem Gitterinterferometer verwendeten Strahlung angepasst ist. Darüber hinaus besteht Bedarf nach einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Phasenkontrastgitters.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung hierzu ein Phasenkontrastgitter für ein Gitterinterferometer mit einer Mehrzahl von Gitterlamellen, die in Form eines zylinderförmigen oder kugelförmigen Segments angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters für ein Gitterinterferometer. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines planaren Phasenkontrastgitters mit einer Mehrzahl von Gitterlamellen und des Biegens des bereitgestellten planaren Phasenkontrastgitters zu einem zylinderförmigen oder kugelförmigen Segment.
Vorteile der Erfindung
Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Gitterlamellen des Phasenkontrastgitters eines Gitterinterferometers an die Strahlausbreitungsrichtung der in dem Gitterinterferometer verwendeten Strahlung anzupassen. Hierdurch können die die Röntgenstrahlung absorbierenden Gitterlamellen möglichst parallel zu der Strahlausbreitungsrichtung in dem Gitterinterferometer ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann die Qualität eines Bildes, das aus den Signalen eines Gitterinterferometers mit einem erfindungsgemäßen Phasenkontrastgitter generiert wurde, gesteigert werden.
Durch das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen des erfindungsgemäßen Phasenkontrastgitters kann die Ausrichtung der Gitterlamellen stabilisiert bzw. fixiert werden. Auf diese Weise kann eine nachträgliche Verformung des Phasenkontrastgitters verhindert werden. Somit kann die vorgegebene Krümmung des Phasenkontrastgitters erhalten bleiben.
Durch die Anordnung der Gitterlamellen in Form eines Segments der Mantelfläche eines Zylinders kann dabei bereits eine sehr gute Anpassung der Gitterlamellen an die Strahlausbreitungsrichtung der verwendeten Röntgenstrahlung erreicht werden. Vorzugsweise wird dabei die Krümmung der zylinderförmigen Mantelfläche so gewählt, dass sich eine Strahlungsquelle eines Gitterinterferometers auf der Mittelachse des Zylinders befindet.
Durch die Anordnung der Gitterlamellen in Form eines Segments einer Kugeloberfläche kann darüber hinaus die Ausrichtung der Gitterlamellen des erfindungsgemäßen Phasenkontrastgitters noch zusätzlich erhöht werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen mit einem Füllmaterial gefüllt sind.
Durch das Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen kann die gekrümmte Struktur des Gitters stabilisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Gitterlamellen ein Gittermaterial mit Gold, Silber, Blei, Indium, Bismut, Zinn, Zink und/oder Kupfer. Weiterhin können die Gitterlamellen ein Gittermaterial mit einer Verbindung aus den zuvor angeführten Elementen umfassen.
Gitterlamellen mit den zuvor genannten Elementen oder Verbindungen weisen einen hohen Röntgenschwächungskoeffizienten auf. Darüber hinaus ist der Schmelzpunkt der angeführten Elemente bzw. Verbindungen dieser Elemente relativ niedrig, so dass die Materialien für die Herstellung des erfindungsgemäßen Phasenkontrastgitters leicht geschmolzen und verarbeitet werden können. Daher sind die angeführten Elemente bzw. Verbindungen für das Gittermaterial der Gitterlamellen besonders geeignet.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Material der Gitterlamellen einen Schmelzpunkt von maximal 900 °C auf. Insbesondere kann der Schmelzpunkt des Materials der Gitterlamellen zwischen 500 °C und 900 °C liegen.
Materialien mit einem solchen Schmelzpunkt, insbesondere einem Schmelzpunkt von weniger als 900 °C, können dabei in einem flüssigen Zustand verarbeitet werden, ohne dass dabei die anderen Bestandteile während des Fertigungsprozesses beeinträchtigt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Füllmaterial einen Röntgenschwächungskoeffizienten auf, der von dem Röntgenschwächungskoeffizienten des Gittermaterials der Gitterlamellen verschieden ist. Insbesondere unterscheiden sich die Röntgenschwächungskoeffizienten von Füllmaterial und Gittermaterial der Gitterlamellen signifikant, beispielsweise auf mindestens eine Größenordnung (mindestens einer Zehnerpotenz).
Durch die unterschiedlichen Röntgenschwächungskoeffizienten von Füllmaterial und Gittermaterial der Gitterlamellen kann ein starker Kontrast zwischen den beiden Bereichen erzielt werden, wie er für die Funktion des Phasenkontrastgitters erforderlich ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das Füllmaterial und das Material der Gitterlamellen unterschiedliche Röntgen-Phasenschubkoeffizienten auf.
Durch die Verwendung von Materialien mit unterschiedlichen Röntgen-Phasenschubkoeffizienten für das Füllmaterial und das Material der Gitterlamellen lassen sich somit auch angepasste G1-Gitter realisieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Gitterlamellen eine quaderförmige Außengeometrie auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Gitterlamellen azimutal äquidistant angeordnet.
Durch das in azimutaler Richtung äquidistante Anordnen der Gitterlamellen entsteht ein regelmäßiges Phasenkontrastgitter, bei dem alle Gitterlamellen parallel zu der Strahlausbreitungsrichtung der verwendeten Röntgenstrahlung verlaufen.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Gitterlamellen azimutaler Richtung eine Dicke zwischen 1 µm und 100 µm auf. Vorzugsweise weisen die Gitterlamellen eine Dicke von einem bzw. wenigen Mikrometern bis zu 10 bzw. einigen 10 Mikrometern auf. Derartige Gitterstege sind für Gitterinterferometer im Bereich der Röntgenstrahlung besonders geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Gitterlamellen in azimutaler Richtung einen Abstand (Gitterspalt) zwischen 1 und 100 Mikrometern auf. In einer speziellen Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen den Gitterlamellen in azimutaler Richtung einige Mikrometer bis hin zu einigen 10 Mikrometern. Insbesondere kann der Abstand zwischen benachbarten Gitterlamellen in azimutaler Richtung der Dicke der Gitterlamellen in azimutaler Richtung entsprechen. Auf diese Weise entsteht zwischen Gittersteg und Gitterspalt ein Verhältnis von 1:1. Dies ist für Gitterinterferometer besonders günstig.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Gitterlamellen in radialer Richtung eine Höhe von mindestens 5 Mikrometern auf. Insbesondere für G0 bzw. G2 Gitter kann die Höhe der Gitterlamellen in radialer Richtung größer als 100 Mikrometer oder sogar mehr als 200 Mikrometer betragen. In einer speziellen Ausführungsform kann die Höhe der Gitterlamellen mindestens 1000 Mikrometer betragen.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Gitterlamellen auf einem Trägermaterial angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters ferner einen Schritt zum Ausfüllen von Zwischenräumen zwischen den Gitterlamellen mit einem Füllmaterial.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters ferner die Schritte des Bereitstellens eines Basismaterials und des Einarbeiten von Aussparungen in das bereitgestellte Basismaterial. Ferner kann das Verfahren einen Schritt zum Verfüllen der eingearbeiteten Aussparungen mit einem Gitterwerkstoff umfassen.
Auf diese Weise entsteht durch den in den in die Aussparungen des Basismaterials eingebrachten Gitterwerkstoff eine Mehrzahl von Gitterlamellen.
In einer Ausführungsform kann anschließend in einem weiteren Schritt das verbliebene Basismaterial um die Gitterlamelle vollständig oder zumindest teilweise entfernt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Schritt zum Aufbringen einer Trägerschicht auf das Basismaterial. Dabei wird die Trägerschicht auf der Seite des Basismaterials aufgebracht, auf der sich die Aussparungen befinden. Das Aufbringen der Trägerschicht erfolgt, nachdem der Gitterwerkstoff in die Aussparungen eingebracht worden ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Basismaterial einen Silizium-Wafer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt zum Einarbeiten der Aussparungen in das Basismaterial einen Schritt zum nasschemischen Ätzen des Basismaterials. Insbesondere kommt hierfür ein elektrochemisches Ätzverfahren, wie zum Beispiel Photo Assisted Electrochemical Etch (PAECE)in Frage. Dieses Ätzverfahren ist für die Ausbildung von schmalen Aussparungen mit großer Tiefe gut geeignet.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Gitterinterferometer mit einem erfindungsgemäßen Phasenkontrastgitter.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Röntgengerät mit einem solchen Gitterinterferometer.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der unterschiedlichen Aspekte der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gitterinterferometers gemäß einer Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Phasenkontrastgitter gemäß einer Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Phasenkontrastgitter gemäß einer Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Phasenkontrastgitter gemäß einer weiteren Ausführungsform;
5 schematische Darstellungen einzelner Produktionsschritte wie sie einem Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegen;
6 schematische Darstellungen eines Ablaufdiagramms, wie es einem Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt; und
7 eine schematische Darstellung eines konventionellen Gitterinterferometers.
Beschreibung von Ausführungsformen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Gitterinterferometers 1. Das Gitterinterferometer 1 umfasst eine Strahlungsquelle 3. Diese Strahlungsquelle 3 ist nahezu punktförmig und emittiert Röntgenstrahlung in Richtung eines Detektors 5. Zwischen der Strahlungsquelle 3 und dem Detektor 5 ist eine zu untersuchende Probe 4 angeordnet. Weiterhin ist zwischen der Strahlungsquelle 3 und der Probe 4 ein erstes Phasenkontrastgitter 2-1 (G0-Gitter) angeordnet. Zwischen Probe 4 und Detektor 5 können ferner ein oder zwei weitere Phasenkontrastgitter 2-2 (G1-Gitter) und 2-3 (G2-Gitter) angeordnet sein. Die Phasenkontrastgitter 2-i sind dabei mindestens in einer Raumrichtung gebogen. Das heißt, die Phasenkontrastgitter 2-i weisen in einer Schnittebene durch die Strahlungsquelle 3 und den Detektor 5 eine Geometrie eines Kreissegments auf. Die Mittelpunkte der Kreise dieser Kreissegmente liegen dabei in etwa an der Position der Strahlungsquelle 3. Die Gitterlamellen der Phasenkontrastgitter 2-i verlaufen daher in dieser Schnittebene parallel zur Strahlausbreitungsrichtung der Strahlung aus der Strahlungsquelle 3.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Phasenkontrastgitter 2 gemäß einer Ausführungsform. Das Phasenkontrastgitter 2 umfasst dabei eine Mehrzahl von Gitterlamellen 12. Die Gitterlamellen sind dabei alle auf einen gemeinsamen Mittelpunkt M ausgerichtet. Mit anderen Worten, die Gitterlamellen 12 sind auf einer (imaginären) Fläche eines Segments einer Kugelfläche oder eines Zylindermantels angeordnet und bilden somit die Form eines zylinderförmigen oder kugelförmigen Segments. Der Punkt M stellt dabei den Mittelpunkt der Kugel bzw. die Mittelachse des Zylinders dar. Die Gitterlamellen 12 verlaufen somit alle parallel zu von dem Mittelpunkt M ausgehenden Linien bzw. Strahlen.
Die Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen 12 können dabei mit einem Füllmaterial 14 ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann das Phasenkontrastgitter 2 stabilisiert werden. Insbesondere können auf diese Weise die Ausrichtungen der Gitterlamellen 12 und auch die kreisförmige bzw. kugelförmige Biegung der Gitterlamellen 12 fixiert werden. Die Materialien für die Gitterlamellen 12 und das Füllmaterial 14 in den Zwischenräumen zwischen den Gitterlamellen 12 werden im Nachfolgenden noch näher beschrieben.
Bei den Gitterlamellen 12 kann es sich beispielsweise um Gitterlamellen mit einer quaderförmigen Außengeometrie handeln, die hier im Querschnitt durch Rechtecke dargestellt sind. Die einzelnen Gitterlamellen 12 können dabei – insbesondere für das G0-Gitter 2-1 und das G2-Gitter 2-3 – in radialer Richtung, das heißt in Ausbreitungsrichtung der Strahlung, eine Höhe h von mindestens 100 Mikrometern aufweisen. Die Höhe h der Gitterlamellen kann je nach Anwendungsfall auch einige 100 Mikrometer oder 1000 Mikrometern und mehr betragen. Für das G1-Gitter 2-2 ist dagegen auch eine Höhle h von mehr als 5 µm möglich.
Die Dicke d der einzelnen Gitterlamellen 12 in azimutaler Richtung entspricht der Stegbreite des Phasenkontrastgitters 2 und kann zum Beispiel im Bereich zwischen 1 Mikrometer und 100 Mikrometer variieren. Insbesondere sind Gitterlamellen mit einer Dicke d im Bereich von einigen Mikrometer bis einigen 10 Mikrometern möglich.
Der Abstand a in azimutaler Richtung zwischen benachbarten Gitterlamellen 12 entspricht einem Gitterspalt des Phasenkontrastgitters 2 und kann im Bereich zwischen 1 und 100 Mikrometer variieren. Auch hier sind beispielsweise Abstände a zwischen einigen Mikrometern und einigen 10 Mikrometern möglich. In einer speziellen Ausführungsform kann die Dicke d einer Gitterlamelle 12 genau oder zumindest annähernd dem Abstand a von benachbarten Gitterlamellen 12 entsprechen, so dass zwischen Gittersteg und Gitterspalt ein Verhältnis von 1:1 entsteht. Vorzugsweise sind die Gitterlamellen 12 des Phasenkontrastgitters 2 in azimutaler Richtung äquidistant angeordnet. Die genaue Dimensionierung der Gitterlamellen 12, sowie der Abstände zwischen den einzelnen Gitterlamellen 12 ist dabei jeweils auf die entsprechende Anwendung, insbesondere auf die verwendete Röntgenstrahlung und die dabei eingesetzte Energie abgestimmt. Die Spaltbreite, also der azimutale Abstand a zwischen zwei benachbarten Gitterlamellen 12 kann dabei genau oder annähernd der Stegbreite, also der azimutalen Dicke d einer Gitterlamelle entsprechen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer seitlichen Ansicht auf ein Phasenkontrastgitter 2 für ein Gitterinterferometer gemäß einer Ausführungsform. Die einzelnen Gitterlamellen 12 sind dabei in Form eines Segments einer zylinderförmigen Fläche Z angeordnet. Auf diese Weise kann bereits eine sehr gute Anpassung des Phasenkontrastgitters 2 an die Strahlausbreitungsrichtung einer punktförmigen Strahlungsquelle erreicht werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Phasenkontrastgitter 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Dabei sind die Gitterlamellen 12 in Form eines Segments einer kugelförmigen Fläche K angeordnet. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der Gitterlamellen 12 noch besser an die Strahlausbreitungsrichtung einer punktförmigen Strahlungsquelle angepasst werden.
Im Nachfolgenden wird unter Bezug auf 5 die Herstellung eines Phasenkontrastgitters 2 näher erläutert, wie es einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Phasenkontrastgitters 2 wird zunächst ein Basismaterial 10 bereitgestellt, wie dies zum Beispiel in Teilbild I in 5 dargestellt ist. Bei diesem Basismaterial 10 kann es sich beispielsweise um ein flächiges Basismaterial handeln, das für die nachfolgenden Bearbeitungsschritte geeignet ist. Insbesondere sollte das Basismaterial 10 hierzu eine ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweisen und auch für die nachfolgenden Bearbeitungsprozesse geeignet sein. Zum Beispiel kann es sich bei dem Basismaterial 10 um Silizium handeln. Beispielsweise ist ein Silizium-Wafer möglich, insbesondere ein Silizium-Wafer aus n-dotiertem Silizium. Derartige Silizium-Wafer sind zum Beispiel aus dem Bereich der Mikrochipherstellung bekannt.
Wie in Teilbild II in 5 dargestellt ist, werden in das Basismaterial 10 zunächst Aussparungen eingearbeitet. Diese Aussparungen 11 können insbesondere eine quaderförmige Geometrie aufweisen. Unter quaderförmig ist in diesem Zusammenhang kein streng geometrischer Quader mit exakt geradlinigen Kantenverläufen und scharfen rechtwinkeligen Ecken zu verstehen. Vielmehr handelt es sich bei den quaderförmigen Aussparungen um Strukturen, die eine zumindest annähernd quaderförmige Geometrie aufweisen, soweit diese durch die entsprechenden technischen Prozesse möglich ist. Auch abgerundete Kanten und Ecken sind dabei möglich.
Für Phasenkontrastgitter 2 mit Gitterlamellen 12 in Form eines Segments einer zylinderförmigen Fläche Z können die Aussparungen 11 in dem Basismaterial 10 dabei durch langgezogene Schlitze realisiert werden. Sollen die Gitterlamellen 12 dagegen in Form eines Segments einer kugelförmigen Fläche K angeordnet werden, wie dies beispielsweise zuvor im Zusammenhang mit 4 beschrieben wurde, so sind anstelle einzelner langgezogener Schlitze jeweils mehrere aneinander gereihte kürzere quaderförmige Aussparungen 11 erforderlich.
Die Breite der Aussparungen 11 entspricht dabei der Dicke d der Gitterlamellen 12 des Phasengitters 2 (Stegbreite). Die Dicke der einzelnen Stege zwischen zwei benachbarten Aussparungen 11 entspricht dabei dem Abstand a zwischen benachbarten Gitterlamellen 12 (Spaltbreite).
Das Einarbeiten der Aussparungen 11 in das Basismaterial 10 kann beispielsweise durch einen Ätzprozess, wie zum Beispiel einen nasschemischen Ätzprozess erfolgen. Insbesondere kommen hierfür das elektrochemische Ätzverfahren, wie zum Beispiel Photo Assisted Electrochemical Etch (PAECE)in Frage. Darüber hinaus sind weitere Verfahren möglich, die in ein Basismaterial 10, wie beispielsweise einen Silizium-Wafer, entsprechend dünne Aussparungen 11 mit der erforderlichen Tiefe (entsprechend der Höhe h der Gitterlamellen 12) erzeugen können.
Nachdem die Aussparungen 11 in das Basismaterial 10 eingearbeitet worden sind, kann eine Passivierung der Oberfläche des Basismaterials erfolgen (Teilbild III in 5). Insbesondere kann dabei die Oberfläche des Basismaterials 10 in den Aussparungen 11 passiviert werden. Hierzu wird die Oberfläche des Basismaterials 10 derart behandelt, dass die Oberfläche weitestgehend resistent gegen Ätzprozesse oder ähnliches wird. Beispielsweise kann diese Passivierung mittels Sauerstoff oder Stickstoff erfolgen.
In einem weiteren Schritt können die Aussparungen 11 des Basismaterials 10 mit dem Material für die Gitterlamellen 12 ausgefüllt werden, wie in Teilbild IV in 5 dargestellt. Hierzu kann beispielsweise das gewünschte Material für die Gitterlamellen 12 zunächst geschmolzen werden und anschließend in flüssigem Zustand in die Aussparungen 11 des Basismaterials 10 eingefüllt werden. Für das flüssige Verfüllen des Materials der Gitterlamellen 12 in die Aussparungen 11 des Basismaterials 10 muss das Material der Gitterlamellen 12 daher einen Schmelzpunkt aufweisen, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Basismaterials 10. Beispielsweise sind hierzu Materialien mit einem Schmelzpunkt von maximal 900 °C besonders geeignet. Darüber hinaus sollte das Material für die Gitterlamellen 12 auch einen geeigneten Röntgenschwächungskoeffizienten aufweisen. Hierzu sind insbesondere für das Phasenkontrastgitter 2-1 zwischen Strahlungsquelle 3 und Probe 4, sowie das Phasenkontrastgitter 2-3 unmittelbar vor dem Detektor 5 Materialien mit einem großen Röntgenschwächungskoeffizienten bzw. einer hohen Ordnungszahl geeignet. Beispielsweise eignen sich hierzu Materialien wie Blei, Bismut, Indium, Zink, Zinn, Kupfer, Silber, Gold, sowie Legierungen mit einem oder mehreren dieser Materialien.
Für das Phasenkontrastgitter 2-2 (G1-Gitter) zwischen Probe 4 und dem Phasenkontrastgitter 2-3 unmittelbar vor dem Detektor 5 dagegen sind Materialien mit einem niedrigen Röntgenschwächungskoeffizienten, bzw. niedriger Ordnungszahl geeignet. Darüber hinaus sollte für das Phasenkontrastgitter 2-2 das Material der Gitterlamellen 12 und das Material in den Zwischenräumen zwischen den Gitterlamellen 12 einen unterschiedlichen, vorzugsweise signifikant unterschiedlichen Röntgen-Phasenschubkoeffizienten aufweisen.
Nachdem die Aussparungen 11 in dem Basismaterial 10 mit dem gewünschten Material für die Gitterlamellen 12 verfüllt worden sind und das Material für die Gitterlamellen 12 ausgehärtet ist, kann in einem weiteren Schritt optional eine Trägerschicht 13 auf das Basismaterial 10 aufgebracht werden (Teilbild V in 5). Diese Trägerschicht 13 wird dabei auf die Seite des Basismaterials 10 aufgebracht, auf der sich die zwischenseitlich verfüllten Aussparungen 11 befinden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Trägerschicht 13 um ein geeignetes Polymer, wie zum Beispiel Silikon oder einen weiteren Kunststoff, handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei der Trägerschicht 13 um ein Material, das sich gut mit dem Material der Gitterlamelle 12 verbindet und dabei eine hohe Flexibilität aufweist.
Anschließend kann, wie in Teilbild VI in 5 dargestellt, das verbleibende Basismaterial 10 ganz oder zumindest teilweise entfernt werden. Hierzu eignen sich beispielsweise geeignete Ätzprozesse. Insbesondere kann dies durch einen anisotropen Ätzprozess erfolgen. Beispielsweise kann dies durch Ätzen mit Kaliumhydroxyd (KOH) erfolgen. Aufgrund der zuvor beschriebenen Passivierung des Basismaterials 10 bleiben dabei die Gitterlamellen 12 weitestgehend geschützt. Ist dabei eine Trägerschicht 13 auf das Basismaterial 10 und die Gitterlamellen 12 aufgebracht worden, so kann das Basismaterial 10 vollständig entfernt werden. In diesem Fall werden die einzelnen Gitterlamellen 12 durch die Trägerschicht 13 gehalten. Alternativ kann auch ein geringer Rest des Basismaterials 10 verbleiben, so dass die Gitterlamellen 12 auch durch das verbleibende Basismaterial 10 gehalten werden können. In diesem Fall ist die optionale Trägerschicht 13 nicht zwingend erforderlich.
Nachdem beispielsweise durch die zuvor ausgeführten Schritte ein zunächst planares Phasenkontrastgitter bereitgestellt worden ist, kann nun, wie in Teilbild VII in 5 dargestellt, diese planare Gitterstruktur in einer oder zweier Raumrichtungen gebogen werden. Hierzu kann die planare Gitterstruktur beispielsweise auf eine zylinderförmige oder kugelförmige Form 20 aufgebracht werden. Auf diese Weise wird die planare Gitterstruktur wie gewünscht gekrümmt. Die Form 20 weist dabei auf ihrer gekrümmten Seite einen Radius auf, der dem Radius der gewünschten Fläche des zylinderförmigen bzw. kugelförmigen Segments für das spätere Phasenkontrastgitter entspricht.
Alternativ kann das planare Phasenkontrastgitter auch auf andere Weise gekrümmt werden. So kann das planare Phasenkontrastgitter zum Beispiel an gegenüberliegenden Außenseiten eingespannt werden und durch Ausüben einer Kraft auf die eingespannten Seiten des Phasenkontrastgitters eine Krümmung hervorgerufen werden. Andere Verfahren zur Krümmung des ursprünglich planaren Phasenkontrastgitters sind darüber hinaus ebenso möglich.
Anschließend können, wie in Teilbild VIII in 5 dargestellt, die Zwischenräume zwischen den einzelnen Gitterlamellen 12 mit einem geeigneten Füllmaterial 14 ausgefüllt werden. Für das erste und das dritte Phasenkontrastgitter 2-1 und 2-3 (G0-Gitter und G2-Gitter) weist das Füllmaterial 14, mit dem die Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen 12 verfüllt werden, in der Regel eine zu dem Röntgenschwächungskoeffizienten bzw. der Ordnungszahl der Gitterlamellen 12 stark abweichenden Röntgenschwächungskoeffizienten bzw. Ordnungszahl auf. So sollte der Zwischenraum zwischen den einzelnen Gitterlamellen 12 insbesondere für das erste Phasenkontrastgitter 2-1 zwischen Strahlungsquelle 3 und Probe 4, sowie für das dritte Phasenkontrastgitter 2-3 unmittelbar vor dem Detektor 5 ein Füllmaterial mit geringer Ordnungszahl bzw. kleinem Röntgenschwächungskoeffizienten aufweisen. Alternativ sind für die Gitter 2-2 (G1-Gitter) sowohl für die Gitterlamellen 12, als auch für das Füllmaterial in den Zwischenräumen zwischen den Gitterlamellen 12, vorzugsweise Materialien geeignet, die die jeweilige Röntgenstrahlung möglichst wenig absorbieren. Der Röntgen-Phasenschubkoeffizient des Materials der Gitterlamellen 12 und des Füllmaterials in den Zwischenräumen der Gitterlamellen 12 sollen dabei insbesondere für G1-Gitter vorzugsweise unterschiedlich sein.
Beispielsweise sind als Füllmaterialien aushärtbare Polymere, insbesondere Polymere auf Epoxidbasis geeignet. Nach dem Aushärten des Füllmaterials 14, das in die Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen 12 eingebracht worden ist, entsteht ein stabiles Phasenkontrastgitter 2. Das so gekrümmte Phasenkontrastgitter 2 kann anschließend, beispielsweise, nachdem das Füllmaterial in den Zwischenräumen zwischen den Gitterlamellen 12 ausgehärtet ist, von der Form 20 abgenommen und in einem zuvor beschriebenen Gitterinterferometer eingesetzt werden.
Soll das Phasenkontrastgitter 2 Gitterlamellen 12 mit einem niedrigen Röntgenschwächungskoeffizienten aufweisen, die mit einem Füllmaterial 14 mit hohem Röntgenschwächungskoeffizienten in den Zwischenräumen der Gitterlamellen verfüllt sind, so kann auch als Basismaterial 10 ein Basismaterial mit niedrigem Röntgenschwächungskoeffizienten verwendet werden, das wie zuvor beschrieben strukturiert werden kann, ohne dass dabei die Aussparungen 11 mit Gittermaterial verfüllt werden. Anschließend kann dann das so bereitgestellte planare Phasenkontrastgitter direkt gebogen oder zum Biegen beispielsweise auf eine zylinderförmige oder kugelförmige Form aufgebracht werden und mit einem geeigneten Füllmaterial 10 mit hohem Röntgenschwächungskoeffizienten verfüllt werden. In diesem Fall entfällt somit der Schritt des Einbringens von Gittermaterial in die Aussparungen des strukturierten Basismaterials 10 sowie das anschließende vollständige oder teilweise Entfernen des verbliebenen Basismaterials.
Steht ein geeignetes Basismaterial 10 mit hohem Röntgenschwächungskoeffizienten zur Verfügung, so kann der zuvor beschriebene vereinfachte Prozess auch zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters 2 auch für Gitterlamellen mit hohem Röntgenschwächungskoeffizienten und Zwischenräumen mit niedrigem Röntgenschwächungskoeffizienten realisiert werden.
Analog kann auch für das mittlere Phasenkontrastgitter 2-2 (G1-Gitter) auf gleiche Weise ein Phasenkontrastgitter 2-2 mit unterschiedlichen Röntgen-Phasenschubkoeffizienten hergestellt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters 2, wie es einem Ausführungsbeispiel zugrunde liegt.
Das Verfahren umfasst dabei mindestens einen Schritt zum Bereitstellen eines planaren Phasenkontrastgitters mit einer Mehrzahl von Gitterlamellen, sowie einen Schritt S6 zum Biegen des bereitgestellten planaren Phasenkontrastgitters mit den Gitterlamellen 12 in Form eines Segments einer zylinderförmigen oder kugelförmigen Fläche, sowie einem Schritt S7 zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen 12 mit einem Füllmaterial 14.
Zum Bereitstellen der Gitterlamellen 12 für das erfindungsgemäße Phasenkontrastgitter 2 kann in Schritt S1 ein Basismaterial 10 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann es sich bei diesem Basismaterial 10 um Silizium, wie zum Beispiel n-dotiertes Silizium, insbesondere um einen Silizium-Wafer handeln. In dieses Basismaterial 10 werden in Schritt S2 Aussparungen eingebracht. Beispielsweise kann es sich bei den Aussparungen 11 um quaderförmige Aussparungen handeln. Anschließend wird in Schritt S3 in diese Aussparungen ein Gitterwerkstoff eingebracht. Durch das Einbringen dieses Gitterwerkstoffs in die Aussparungen entsteht somit eine Mehrzahl von Gitterlamellen 12.
Optional kann in einem Schritt S4 daraufhin eine Trägerschicht 13 auf das Basismaterial 10 aufgebracht werden, wobei die Trägerschicht 13 auf der Seite des Basismaterials 10 aufgebracht wird, auf der die Aussparungen in das Basismaterial 10 eingearbeitet worden sind,.
Schließlich kann in Schritt S5 das verbliebene Basismaterial 10 um die Gitterlamellen 12 ganz oder zumindest teilweise entfernt werden. Das Entfernen des Basismaterials kann zum Beispiel mittels eines geeigneten Ätzprozesses erfolgen. Insbesondere kann dies durch einen anisotropen Ätzprozess erfolgen. Beispielsweise kann dies durch Ätzen mit Kaliumhydroxyd (KOH) durchgeführt werden.
Zusammenfassend schafft die vorliegende Erfindung ein Phasenkontrastgitter für ein Gitterinterferometer sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Phasenkontrastgitters. Das Phasenkontrastgitter weist dabei eine Form auf, die senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Strahlung in den Gitterinterferometer zumindest in eine Richtung gekrümmt ist. Zur Stabilisierung des Phasenkontrastgitters werden die Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen mit einem Füllmaterial verfüllt. Die Herstellung eines solchen Phasenkontrastgitters kann durch Ätzen der negativen Struktur in ein Basismaterial, wie zum Beispiel einen Silizium-Wafer, erfolgen. Die so entstandene negative Struktur kann mit geeignetem Material verfüllt werden, um Gitterlamellen des Phasenkontrastgitters zu bilden. Die dabei gewonnene Gitterlamellenstruktur kann gekrümmt werden und anschließend durch Verfüllen mit dem Füllmaterial stabilisiert werden. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der Gitterlamellen eines Phasenkontrastgitters an die Strahlausbreitungsrichtung in dem Gitterinterferometer angepasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010017425 A1 [0003]

Claims

Phasenkontrastgitter (2) für ein Gitterinterferometer (1), mit: einer Mehrzahl von Gitterlamellen (12), die in Form eines zylinderförmigen oder kugelförmigen Segments angeordnet sind.
Phasenkontrastgitter (2) nach Anspruch 1, wobei Zwischenräume zwischen den Gitterlamellen mit einem Füllmaterial (14) gefüllt sind.
Phasenkontrastgitter (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gitterlamellen (12) ein Gittermaterial mit Gold, Silber, Blein, Indium, Bismut, Zinn, Zink und/oder Kupfer und/oder eine Verbindung mit einem oder mehreren dieser Elemente umfassen.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Material der Gitterlamellen (12) einen Schmelzpunkt von maximal 900 °C aufweist.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Füllmaterial (14) einen Röntgenschwächungskoeffizienten aufweist, der von dem Röntgenschwächungskoeffizienten des Gittermaterials der Gitterlamellen (12) verschieden ist.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Füllmaterial (14) und das Material der Gitterlamellen (12) unterschiedliche Röntgen-Phasenschubkoeffizienten aufweisen.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Gitterlamellen (12) eine quaderförmige Außengeometrie aufweisen.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Gitterlamellen (12) in azimutaler Richtung eine Dicke (d) zwischen einem Mikrometer und 100 Mikrometer aufweisen.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Gitterlamellen (12) in azimutaler Richtung einem Abstand (a) von zwischen 1 und 100 Mikrometer aufweisen.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Gitterlamellen (12) in radialer Richtung eine Höhe (h) von mindestens 5 Mikrometer aufweisen.
Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gitterlamellen (12) auf einem Trägermaterial (13) angeordnet sind.
Gitterinterferometer (1) mit einem Phasenkontrastgitter (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zur Herstellung eines Phasenkontrastgitters (2) für ein Gitterinterferometer (1), mit den Schritten: Bereitstellen eines planaren Phasenkontrastgitters mit einer Mehrzahl von Gitterlamellen (12); und Biegen des bereitgestellten planaren Phasenkontrastgitters in Form eines zylinderförmigen oder kugelförmigen Segments.
Verfahren nach Anspruch 13, mit einem Schritt zum Ausfüllen (S7) von Zwischenräumen zwischen den Gitterlamellen (12) mit einem Füllmaterial (14).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, ferner umfassend die Schritte: Bereitstellen (S1) eines Basismaterials (10); Einarbeiten (S2) von Aussparungen in das Basismaterial (10); Verfüllen (S3) der eingearbeiteten Aussparungen mit einem Gitterwerkstoff, wobei durch den in die Aussparungen eingebrachten Gitterwerkstoffs eine Mehrzahl von Gitterlamellen (12) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend einen Schritt zum zumindest teilweisen Entfernen (S5) des verbliebenen Basismaterials (10) um die Gitterlamellen (12).
Verfahren nach Anspruch 16, ferner umfassend einen Schritt zum Aufbringen (S4) einer Trägerschicht (13) auf das Basismaterial (10) auf der Seite der Aussparungen, nachdem der Gitterwerkstoff in die Aussparungen eingebracht worden ist.