DE19730899B4

DE19730899B4 - Ionenmobilitätsspektrometer mit einer radioaktiven β-Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE19730899B4
Application number: DE19730899A
Authority: DE
Inventors: Roland Schnurpfeil; Stefan Klepel
Original assignee: Bruker Daltonik GmbH
Current assignee: Bruker Daltonics GmbH and Co KG
Priority date: 1997-07-18
Filing date: 1997-07-18
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2017-07-19
Also published as: DE19730899A1

Abstract

Ionenmobilitätsspektrometer mit einer radioaktiven β-Strahlungsquelle zur Erzeugung von Ionen im Ionisationsraum des Ionenmobilitätsspektrometers, dadurch gekennzeichnet, daß die β-Strahlenquelle aus einer Halbleiterschicht besteht, deren Oberfläche mit kovalent gebundenem Tritium passiviert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus der DE 41 34 212 A1 bekannt ist.

β-Strahlenquellen sind beispielsweise bekannt aus dem Prospekt „Industrial gauging and analytical instrumentation sources" der Firma Amersham, England (Juli 1996). Dort ist auf Seite 29 eine Tritiumquelle für niederenergetische β-Strahlung beschrieben. Das Tritium ist in einer dünnen Titanschicht auf einer Edelstahl- oder Kupferfolie absorbiert mit einer Fläche von 30–10 mm² und einer Dicke von 0,25 mm. Die Maximalaktivität ist mit 18,5 GBq angegeben.

Das Problem üblicher im Handel erhältlicher Tritiumquellen besteht darin, daß das Tritium lediglich in ein Trägermaterial (Metall) hineindiffundiert ist (physisorbiert) und nicht fest gebunden ist (chemisorbiert).

Aus der EP 0 476 845 A1 ist eine radiolumineszierende Quelle bekann, die in einer amorphen Halbleitermatrix Tritium enthält. Einen Hinweis auf die Verwendung dieser Quelle in einem Ionenmobilitätsspektrometer findet sich dort jedoch nicht.

Die Erzeugung von Ionen ist, wie der Name schon sagt, eine grundlegende Voraussetzung bei der Ionenmobilitätsspektrometrie (IMS). Hierfür haben sich relativ niederenergetische, radioaktive, ionisierende Strahlungsquellen mit einer Reichweite in Umgebungsluft von einigen Millimetern bewährt. Bei einer Miniaturisierung eines IM-Spektometers unter Verwendung von mikrostrukturtechnischen Verfahren, vergl. die DE 41 34 212 A1 , z.B. auf Silizium (Si)-Basis, sind die bekannten Strahlungsquellen aufgrund ihrer Bauform und -größe jedoch nur bedingt einsetzbar.

Es besteht daher der Bedarf nach Strahlungsquellen, die an die veränderte, i.a. verkleinerte Geometrie und Bauart angepaßt sind, ohne dabei effektiv an Aktivität zu verlieren. Insbesondere sollte nach Wegen gesucht werden, auch die Ionenquelle anlehnend an die Mikrostrukturtechnologie zu gestalten.

Bei der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Ionenquelle aus einer Trägerschicht aus Halbleitermaterial besteht, an deren Oberfläche Tritium (³H) chemisch kovalent gebunden ist.

Die kovalente Bindung verhindert bis zu recht hohen Temperaturen, daß sich das Tritium wieder von der Quelle löst und möglicherweise in die Umgebung gelangt. Die Verwendung einer halbleitenden Schicht als Träger gestattet es, auch bei der Ionenquelle die aus der weiter entwickelten Halbleitertechnologie bekannten Fertigungsverfahren zu übernehmen. Insbesondere kann die halbleitende Schicht auf nahezu beliebige Strukturen aufgebracht und mit leitfähigen Kontakten versehen werden.

Vorzugsweise ist die Oberfläche porös, z.B. durch die Verwendung einer amorphen Halbleiterschicht. Dies hat den Vorteil, dass die effektive Oberfläche vervielfacht wird und dadurch um Größenordnungen mehr Tritium fest gebunden werden kann als bei einer glatten Einkristalloberfläche.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Halbleiter Silizium. Die Siliziumtechnologie ist besonders weit entwickelt. Dies gilt auch für die Hydrierung (Passivierung) von Siliziumoberflächen, wobei nun einfach der übliche Wasserstoff durch das radioaktive Isotop Tritium ersetzt werden muß.

Si kristalliert in Diamantstruktur aus. Diese ist identisch mit der Zinkblendestruktur, bei der die Basis aus Atomen der gleichen Sorte besteht (1). Es handelt sich hierbei um zwei ineinander geschobene kubisch-flächenzentrierte Gitter (face centered cubic, fcc), deren beide Basisatome sich auf den Positionen (0, 0, 0) und 1/4, 1/4, 1/4) befinden. Betrachten wir nun einen Si-Würfel mit einem Volumen von 1 cm³. Bei einer Dichte des Si von ρ = 2,33 g/cm³ und einer relativen Atommasse von m = 28 u beinhaltet 1 cm³ Si eine Anzahl von 5·10²² Atomen.

1 cm² enthält somit etwa 1,4·10⁵ Si-Atome an der Oberfläche. Schneidet man nun den Volumenkristall durch, so erkennt man, daß jedes an der Oberfläche befindliche Si-Atom zwei ungesättigte Bindungen aufweist, sog. „Dangling Bonds" (2). Diese sind stark reaktiv und würden unter Normalbedingungen Sauerstoff binden. Stellt man diese Oberflächen unter reinen und kontrollierten Bedingungen, wie z.B. Vakuum, her, ordnen sich die Atome der Oberfläche um, um möglichst wenig freie ungesättigte Bedingungen aufzuweisen (3).

Zusammengenommen kann bis hierher festgestellt werden, dass die tatsächliche Anzahl von möglichen freien Bindungen auf 1 cm² Si in der Größenordnung von 10¹⁵ liegt. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, daß solch eine Oberfläche nicht ideal glatt ist, sondern auch Gräben und Berge aufweisen wird, die die reale Oberfläche noch vergrößern.

Die restlichen freien Bindungen weisen immer noch ein reaktives Potential auf. Ein übliches Verfahren, um Si-Oberflächen zu passivieren, besteht darin, Wasserstoff aufzubringen und kovalent binden zu lassen. Je nach Fertigungsprinzip erfolgt das im Vakuum einfach durch Begasen mit Wasserstoff, in einem naßchemischen Verfahren wie z. B. CMOS durch Ätzen (P. Dumas, Vacuum Ultraviolet Radiation Physics, Proceedings of the 10^th VUV conference, p. 395–401).

Da sich Tritium chemisch identisch wie üblicher Wasserstoff verhält, ergibt sich nun die Möglichkeit, geläufige Verfahren zur Passivierung mit Wasserstoff statt mit dessen Tritium durchzuführen.

Wie bisher festgestellt wurde, weist 1 cm² einer Si-Oberfläche etwa 10¹⁵ freie Bindungen auf, die nun durch radioaktives Tritium gesättigt sind. Eine Vergrößerung der effektiven Oberfläche kann durch die Verwendung porösen Si erzielt werden. Faktoren von 100 sind hier leicht zu erreichen, ggf. sogar 1000 oder mehr. Hier sei allerdings von 100 ausgegangen. Damit erhöht sich die Anzahl der kovalent gebundenen Tritiumatome auf 10¹⁷ cm^–2. Einer etwaigen Absorption von Strahlung durch das poröse Si selbst wird damit ebenfalls Sorge getragen.

Nun muß eine Betrachtung des radioaktiven Zerfalls von Tritium erfolgen. Tritium hat eine Halbwertszeit von T_½ 12,3 Jahren oder 3,88 × 10⁸ Sekunden. In den ersten Jahren zerfallen von den auf 1 cm² Si gebundenen 10¹⁷ Tritiumatomen pro Jahr ca. 5 × 10¹⁵ Kerne. Das entspricht einer spezifische Aktivität von etwa 160 MBq/cm² (4,3 mCi/cm²) auf der Si-Oberfläche. Der tatsächliche Wert wird wahrscheinlich höher sein, da alle bisher erfolgten Abschätzungen mit einer großen Sicherheit nach unten erfolgten. Mit einer realen Oberfläche von 3–4 cm² kann somit die Leistung einer handelsüblichen ⁶³Ni-Quelle erzielt werden (z.B. 555 MBq/15 mCi bei 4 cm²).

Die Tritiumatome werden an der Siliziumoberfläche kovalent so fest gebunden, dass eine Temperatur von etwa 350–400 Grad Celsius nötig wäre, sie wieder zu lösen. Bei dieser Temperatur wäre allerdings auch bereits das Trägermaterial zerstört. Für andere Halbleiter gilt Ähnliches.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 die Einheitszelle der Zinkblendestruktur;

2 die Draufsicht auf eine ideale Si (001) Oberfläche;

3 die Veränderung der Bindungen an der Oberfläche eines Si-Kristalls und die kovalente Bindung des Tritiums.

Im einzelnen zeigt 1 die Einheitszelle von Silizium, das bereits oben stellvertretend für Halbleitermaterialien besprochen wurde. Beim Si sind schwarze und weiße Atome identisch; a ist die Gitterkonstante. Das kartesische Koordinatensystem zeigt die kristallographische Richtungen an.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine ideale Si (001) Oberfläche. Schwarz sind die Atome der Oberfläche, weiß jene der ersten Volumenlage. Die „Dangling Bonds" ragen aus der Zeichenebene heraus. Die Oberfläche eines Kristalls stellt eine Störung der Volumenstruktur dar. Um die Anzahl der freien Bindungen zu minimieren, rekonstruiert die Oberfläche. Dies ist in 3 für eine Si (001) Oberfläche dargestellt. Ausgehend von der Situation im Volumen (a) kann man sich die Bindungsverhältnisse an der Oberfläche erzeugen durch eine Dehybridisierung, die auf die in (b) dargestellte Konfiguration einer idealen Oberfläche führt und eine Dimerisation, die letztlich auf die endgültige, aplanare rekonstruierte Oberfläche (c) führt; es sind je nach Präparationsbedingungen auch andere ähnliche Rekonstruktionen denkbar. Pro Oberflächenatom ergibt sich nach der hier gezeigten Rekonstruktion (c) lediglich eine halbe freie Bindung anstelle von zweien wie vorher (a).
In der Siliziumtechnologie, allgemein: Halbleitertechnologie, ist es üblich, die verbleibenden freien Bindungen durch Anlagern von z. B. Wasserstoff zu passivieren, was einerseits zu einer Absättigung der Bindungen führt, andererseits aber auch den Wasserstoff sehr fest an den Halbleiter bindet. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Tatsache aus. Indem man zur Passivierung anstelle von Wasserstoff (¹H) das chemisch äquivalente Tritium (³H) anlagert, kann man die Tritiumatome zuverlässig in bzw. an einen Festkörper binden (d). Die kovalenten Bindungen sind extrem fest, so daß weit weniger als beim reinen Adsorbieren oder Eindiffundieren, z. B. in ein Metall, die Gefahr besteht, daß bei einer Temperaturerhöhung die Tritiumatome wieder abgegeben werden und möglicherweise in die Umwelt gelangen.
Um die effektive Oberfläche und damit die Anzahl der freien Bindungen zu erhöhen, ist es vorteilhaft, eine raue Oberfläche zu verwenden, z. B. durch eine amorphe Halbleiterschicht. Die Oberflächenschicht, die das Tritium bindet, kann auf einem nahezu beliebigen Träger aufgebracht sein, z. B. aus Keramik oder wiederum aus einem halbleitenden Material. Man kann hier die ganze Palette der bekannten und weit entwickelten Fertigungsmethoden der Halbleiterindustrie einsetzen. Insbe-sondere können bei einer miniaturisierten IMS-Zelle eine ganze Reihe von Funktionen auf einem einzigen strukturierten Halbleiterbauteil integriert sein. Es kann beispielsweise eine Wand eines Ionisationsraums bilden, elektrische Kontakte, Widerstandsschichten und Elektroden können aufgebracht sein.
Die erfindungsgemäße Ionenquelle wird bevorzugt in einem miniaturisierten Ionen-Mobilitätsspektrometer eingesetzt, wie es zum Beispiel aus der DE 41 34 212 A1 bekannt ist. Die Merkmale der Erfindung gestatten es, einen verkleinerten Ionisationsraum vorzusehen und die Ionenquelle fertigungstechnisch in den Ionisationsraum zu integrieren.

Claims

Ionenmobilitätsspektrometer mit einer radioaktiven β-Strahlungsquelle zur Erzeugung von Ionen im Ionisationsraum des Ionenmobilitätsspektrometers, dadurch gekennzeichnet, daß die β-Strahlenquelle aus einer Halbleiterschicht besteht, deren Oberfläche mit kovalent gebundenem Tritium passiviert ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Halbleiterschicht porös ist.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus Silizium besteht.
Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht eine ebene Oberfläche aufweist und daß die lineare Ausdehnung des Ionisationsraums senkrecht zur ebenen Oberfläche der Halbleiterschicht kleiner ist als 2 cm.
Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Ausdehnung des Ionisationsraums senkrecht zur ebenen Oberfläche der Halbleiterschicht kleiner ist als 1 cm.