DE4219347C2 - Verfahren zum Erzeugen einer strukturierten Alkalihalogenidschicht und damit hergestellte Leuchtstoffschicht - Google Patents

Description

Als Leuchtstoffe für Röntgendetektoren können dotierte Al­ kalihalogenide verwendet werden. Für verfeinerte Röntgen­ detektoren für die digitale Radiographie, also für die di­ gitale Erfassung von Röntgenbildern, sind Leuchtstoff­ schichten mit hoher Lichtausbeute erforderlich. Bei Verwen­ dung von Cäsiumiodid als Leuchtstoff sind dafür Schichten in einer Dicke von 400 bis 600 µm nötig. Um auch mit sol­ chen dicken Schichten eine gute Ortsauflösung des Röntgen­ bildes zu erhalten, muß durch besondere Maßnahmen die Querleitung des Lumineszenzlichtes innerhalb der Leucht­ stoffschicht unterdrückt werden.

Bisher wurden derartige Leuchtstoffschichten in Form von parallel angeordneten Kristallnadeln, zum Beispiel aus na­ triumdotiertem Cäsiumiodid CsI : Na hergestellt, wobei eine Länge der Kristallnadeln etwa gleich der Schichtdicke angestrebt wird. Eine gute Ortsauflösung wird erhalten, wenn die Nadeln einen hinreichend kleinen Durchmesser auf­ weisen. Diese wirken als Lichtleiter, wobei das Lumines­ zenzlicht überwiegend innerhalb der einzelnen Kristalle den unter der Leuchtstoffschicht angeordneten Detektoren zugeleitet wird, ohne daß es sich in eine andere Richtung parallel zur Schicht und senkrecht zur Nadelorientierung ausbreiten kann. Derartige aus parallelen Kristallnadeln aufgebaute Leuchtstoffschichten werden durch Aufdampfen hergestellt. Obwohl diese Technologie sehr weit fortge­ schritten ist, kann die Struktur der Leuchtstoffschicht nur indirekt durch Beeinflussung der Diffusion eingestellt werden. Dadurch kommt es immer wieder vor, daß Nadeln zu­ sammenwachsen, wobei sich der Querschnitt des Lichtleiters vergrößert oder ein "Übersprechen" von Licht quer zu den gewachsenen Nadeln erfolgt. In jedem Fall führt dies zu einer Verschlechterung der Auflösung des Röntgenbildes.

Aus der EP 0 185 534 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Alkalikalogenidleuchtstoffschicht auf einem Substrat bekannt. Beim Aufdampfen von Leuchtstoff auf die mit Ver­ tiefungen versehene Oberfläche des Substrats werden in der Leuchtstoffschicht Kristallversetzungen erhalten, die die Leuchtstoffschicht strukturieren.

Aus der gattungsgemäßen US 4 947 046 ist ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Leuchtstoffschicht durch Schrägauf­ dampfen von Alkalihalogenid auf ein Substrat bekannt. Auch hier weist das Substrat ein Muster von flachen Vertiefun­ gen auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbesser­ tes Verfahren zur Herstellung einer Alkalihalogenidschicht anzugeben, welches in einfacher und reproduzierbarer Weise zu einer Leuchtstoffschicht mit hoher Ortsauflösung führt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfah­ ren nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine derart hergestellte Leuchtstoffschicht sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Alkalihaloge­ nidschicht zu strukturieren, um diese in vollständig von­ einander getrennte Bereiche aufzutrennen, zwischen denen ein Übersprechen von Licht nicht mehr möglich ist. Bei aus­ reichend kleinem Abmesser der so geschaffenen Bereiche wird eine hohe Ortsauflösung bei der Detektion von Röntgen­ licht erzielt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine strukturierte Alkalihalogenidschicht direkt und allein durch Aufdampfen erhalten, ohne daß danach irgendwelche Ätzverfahren oder sonstige Materialabtragungsprozesse er­ forderlich sind. Trotzdem werden bei einer der Dicke der Alkalihalogenidschicht angemessenen Breite der Vertiefun­ gen in der Substratoberfläche durchgehende Gräben bzw. vollständig voneinander getrennte Schichtbereiche erhal­ ten. Beim Aufwachsen der Schicht überträgt sich das Muster der Vertiefungen im Substrat durch einen Abschattungs­ effekt auf die Leuchtstoffschicht, da in den abgeschatte­ ten Vertiefungen ein Kristallwachstum nicht stattfindet. Voraussetzung für den Abschattungseffekt ist ein gerich­ tetes Aufdampfen unter spitzem Winkel, so daß die Kanten der Substratoberfläche an den Vertiefungen als schatten­ bildendes Element wirken können.

Dazu ist das grabenförmige Muster von Vertiefungen so aus­ gestaltet, daß die Grabenbreite gegenüber der Grabentiefe gering ist.

Eine vollständige Abschattung wird erzielt, wenn die übli­ cherweise grabenförmigen Vertiefungen zumindest eine Flanke mit einem Böschungswinkel größer als der Aufdampf­ winkel aufweisen. Ein optimaler Aufdampfwinkel beträgt zum Beispiel 45° gegen die Oberfläche des Substrats, wobei der Böschungswinkel der Vertiefung dann steiler bzw. größer als 45° sein sollte.

Da ein statisches Schräg-Aufdampfen zu einem schrägen Auf­ wachsen der Alkalihalogenidkristallnadeln führen würde und da ein Abschattungseffekt nur bei Vertiefungen auftritt, die quer zur Aufdampfrichtung bzw. quer zur Projektion der Aufdampfrichtung auf die Substratoberfläche verlaufen, wird das Substrat in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung während des Aufdampfens gedreht. Die Drehachse steht dabei senkrecht zur Substratoberfläche. Dadurch wird bewirkt, daß die Kristallnadeln senkrecht zum Substrat wachsen und daß sich in der Alkalihalogenidschicht ein Grabenmuster mit annähernd senkrechten Wänden ausbildet.

Da sich mit erhöhter Temperatur auch die Diffusionsge­ schwindigkeit der Alkalihalogenide erhöht, wird beim erfin­ dungsgemaßen Verfahren insbesondere bei höheren Substrat­ temperaturen mit zunehmender Schichtdicke der Alkalihalo­ genidschicht ein Zuwachsen bzw. eine Verengung der Gräben beobachtet. Bei größeren Schichtdicken muß dem durch eine erhöhte Breite der grabenförmigen Vertiefungen im Substrat Rechnung getragen werden. Aus dem gleichen Grund wird mit steigender Temperatur auch die Tiefe der Vertiefungen für die spätere Grabenbreite entscheidend. So bilden sich zum Beispiel bei Substrattemperaturen oberhalb 200°C nur noch an zum Beispiel mehr als 5 µm tiefen Vertiefungen durchge­ hende Gräben in der Alkalihalogenidschicht, während bei Substrattemperaturen unter 100°C Vertiefungen ab 1 µm Tie­ fe bereits zu Gräben in der Schicht führen. Da ausschließ­ lich die effektive Abschattung beim Aufdampfen für die Grabenbreite maßgeblich ist, wird klar, daß eine optimale Abschattung erst ab einem bestimmten Aspektverhältnis der Vertiefungen erhalten wird. Das heißt, daß erst bei aus­ reichender Tiefe die Breite der Vertiefung auch für die Breite des Grabens in der Alkalihalogenidschicht maßgeb­ lich ist, während eine nicht ausreichende Tiefe bzw. ein zu geringes Aspektverhältnis bei gleicher Breite zu einer geringeren Abschattung führt. Im Extremfall können sich bei zu flachen bzw. zu breiten Vertiefungen an beiden Sub­ stratkanten der Vertiefung getrennte Schattenzonen bilden, die pro Vertiefung zu zwei Gräben in der Alkalihalogenid­ schicht führen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Sub­ stratoberfläche im Bereich der aufwachsenden inselförmigen Schichtberei­ che mit einer Zwischenschicht beschichtet, die das Kristallwachstum der Halogenidschicht gegenüber dem reinen Substratmaterial begünstigt. Besteht das Substrat beispielsweise aus Aluminium, bzw. weist es eine Oberflä­ che aus Aluminium auf, so kann eine das Kristallwachstum von Alkalihalogeniden begünstigende Zwischenschicht aus Aluminiumoxid bestehen. Weitere geeignete Zwischenschich­ ten bestehen aus Siliziumdioxid SiO₂ oder aus organischen Lacken, die das Kristallwachstum von Alkalihalogeniden ebenfalls begünstigen.

Die erfindungsgemäß hergestellte Alkalihalogenidschicht, insbesondere eine mit Natrium oder Thallium dotierte Cä­ siumiodidschicht (CsI : Na, CsI : T1) sind zur Herstellung von Leuchtstoffschichten für die Radiographie geeignet. Wird eine solche Leuchtstoffschicht mit einem Photodetek­ torarray oder einer CCD-Kamera verbunden, läßt sich ein digitales Bild der einfallenden kurzwelligen Strahlung erhalten. In diesem Fall wird das Grabenmuster so gewählt, daß die voneinander getrennten Schichtbereiche oder Inseln jeweils der Größe zum Beispiel eines CCD-Pixels entspre­ chen und genau über einem solchen aufgebracht bzw. erzeugt werden. Da ein CCD-Pixel üblicherweise einen Durchmesser von 50 bis 500 µm aufweist, entspricht dies auch dem ge­ eigneten Durchmesser für die Inseln. Diese können in einer beliebig wählbaren Form erzeugt werden, zum Beispiel qua­ dratisch, rautenförmig oder in der Form von Bienenwaben. Die sechseckige Form garantiert dabei die dichteste Packung, mit der sich bei gegebenem Pixeldurchmesser die höchste Ortsauflösung erzielen läßt.

Eine Leuchtstoffschicht aus Alkalihalogenid garantiert be­ reits bei einer Schichtdicke von 400 bis 500 µm eine hin­ reichende Lichtausbeute bei der Umwandlung der Röntgen­ strahlung. Für das Grabenmuster sind Grabenbreiten von 2 bis 10 µm ausreichend, um ein Übersprechen des Lumineszenz­ lichtes von einer Insel zur nächsten auszuschließen. Inner­ halb einer Insel, die ja einem einzigen Pixel entspricht, ist eine gute Lichtquerleitung auch über mehrere Kristall­ nadeln nicht mehr störend. Ein Zusammenwachsen der Alkali­ halogenidnadeln ist sogar erwünscht, so daß bisher erfor­ derliche Vorkehrungen, die dies unterdrücken sollten, nun wegfallen können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispiels und der dazugehörigen vier Figuren näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt drei Beispiele für ein Muster, nach dem das Substrat strukturiert werden kann,

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 verdeutlicht das Prinzip der Erfindung anhand eines schematischen Querschnitts durch eine Ver­ tiefung im Substrat während des Aufdampfens, während

Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch die strukturier­ te Leuchtstoffschicht zeigt, die hier über einer CCD-Kamera aufgebracht ist.

Ausführungsbeispiel

Als Substrat für eine strukturierte Leuchtstoffschicht kann Halbleitermaterial dienen, zum Beispiel amorphes Si­ lizium. Auch Glasplatten, Aluminiumblech, Glas oder Alumi­ niumoxid sind geeignet. Für das Ausführungsbeispiel soll ein Substrat aus Aluminiumblech verwendet werden.

Fig. 1 zeigt verschiedene Muster, nach denen die dunkel dargestellten Vertiefungen in das Substrat eingebracht wer­ den können. Je nach Substratart eignen sich dazu verschie­ dene Techniken, zum Beispiel Ritzen mit einem harten Werk­ zeug, Sägen, photolithographisch unterstütztes Atzen oder Einprägen unter Druck. Für das ausgewählte Aluminiumblech als Substrat hat sich das Einprägen mit einer Klinge als beste Verfahrensvariante ergeben. Im Querschnitt weisen so erzeugte Vertiefungen steile Böschungswinkel BW von über 60° gegen die Horizontale auf, sind bis zu 70 µm tief und ca. 20 bis 30 µm breit. Möglich ist es auch, mit einer Pho­ tolacktechnik eine als Ätzmaske dienende Photolackstruktur zu erzeugen und danach das Substrat mit Phosphorsäure/Sal­ petersäure (H₃PO₄/HNO₃) zu behandeln, wobei bis zu 20 µm tiefe und 30 µm breite Vertiefungen erzeugt werden können. Je nach Art der Herstellung kann der Querschnitt so erzeug­ ter Vertiefungen variieren, was aber für den Erfolg des Verfahrens bei Einhaltung eines Mindestböschungswinkels BW und eines Mindestaspektverhältnisses t/b ohne Belang ist.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens. Das Aluminiumsubstrat AS wird derart auf einem Substratträger ST aufgebracht, daß das Muster der Vertiefungen nach unten weist. Der Substratträ­ ger ST selbst ist an einer Drehachse DA befestigt, die über einen Antriebsmotor AM mit einstellbarer Drehgeschwin­ digkeit angetrieben werden kann. Als Alkalihalogenid­ schicht soll eine natriumdotierte Cäsiumiodidschicht aufge­ bracht werden. Das Halogenid wird dazu in einem beheizba­ ren Verdampferschiffchen VS vorgelegt. Dieses Schiffchen weist an seiner oberen Öffnung zumindest zwei Leitbleche LB auf, die das Austreten des Cäsiumiodiddampfes nur in einer bevorzugten Richtung zulassen, die zu einem gewünsch­ ten Aufdampfwinkel AW auf dem Substrat AS führt. Vervoll­ ständigt wird die Anordnung durch eine Substratheizung, hier eine Heizlampe HL, und ein Thermoelement, das bei­ spielsweise auf der Oberseite des Substratträgers ST auf­ gebracht sein kann und über einen Schleifring-Kontakt an der Drehachse abgegriffen werden kann (in der Figur nicht dargestellt). Über die Temperatur im Verdampfungsschiff­ chen VS wird eine Bedampfungsrate von weniger als 5 µm pro Minute eingestellt. Die Drehgeschwindigkeit des Substrat­ trägers ST wird auf 3 bis 12 pro Minute festgelegt.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Substrat AS und eine darin befindliche Vertiefung SV. Die steilen Wände der trapezförmigen Vertiefung SV besitzen einen Böschungswinkel BW von mehr als 60°. Mit dem Pfeil DR ist die Aufdampfrichtung des Cäsiumiodiddampfes symbo­ lisiert. Genaugenommen stellt DR eine aus allen Geschwin­ digkeitsvektoren von Cäsiumiodidmolekülen gemittelte mitt­ lere Richtung dar. Durch Anordnung des Verdampferschiff­ chens VS und der Leitbleche LB wird DR so eingestellt, daß sich ein Aufdampfwinkel AW von ca. 45° zur Oberfläche des Substrats AS ergibt. Mit DR′ ist die Situation nach einer Drehung des Substrats um 180° dargestellt. Eine optimale Abschattung wird wie im vorliegenden Fall erreicht, wenn die beiden die Substratkanten SK berührenden Geraden DR und DR′ ihren Schnittpunkt innerhalb der Vertiefung SV und nicht im Substrat AS selbst besitzen.

Die auf die Oberfläche des Aluminiumsubstrats AS auftref­ fenden Cäsiumiodidmoleküle erzeugen dort eine Keimschicht KS, während die Entstehung einer solchen innerhalb der Vertiefung SV aufgrund der Abschattung unterbleibt. Mit zunehmendem Kristallwachstum senkrecht zur Substratober­ fläche wird die Keimschicht zu einer dicken Cäsiumiodid­ schicht, in der oberhalb der Vertiefung SV eine grabenför­ mige Lücke verbleibt. Während des weiteren Aufwachsens wird so die Substratkante SK durch die Oberkante der auf­ wachsenden Schicht KS und ersetzt und führt in gleicher Weise zu einer Abschattung, die die Ausbildung eines durchgehenden Grabens in der Kristallschicht ermöglicht.

Fig. 4 zeigt die entstandene Schicht im schematischen Querschnitt nach einer Aufdampfzeit von ca. 100 Minuten, in der eine Schichtdicke von ca. 400 bis 500 µm erreicht ist. Gut zu erkennen ist, daß die einzelnen Inseln In in der fertigen Kristallschicht vollständig durch Gräben Gr voneinander getrennt sind. Nach oben verengen sich die Gräben Gr, da die Grenze der Abschattung aufgrund von thermischer Diffusion oder durch in einer von DR abwei­ chenden Richtung auftreffenden Dampfmolekülen nicht scharf ausgeprägt ist, was bei nicht geeignet gewähltem Graben­ querschnitt im Extremfall zum Zusammenwachsen der Inseln In führen könnte.

In Fig. 4 ist weiterhin dargestellt, wie ein Röntgende­ tektor für die digitale Radiographie unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Alkalihalogenidschicht weiter auf­ gebaut ist. Hierbei ist das Substrat AS der Röntgenquelle zugewandt, die durch Gräben Gr getrennten Inseln In der Leuchtstoffschicht befinden sich genau gegenüber von CCD- Einzelelektroden ED, welche wie die Leuchtstoffinseln In als 2-dimensionale Matrix angeordnet sind.

Claims (15)

1. Verfahren zum Erzeugen einer Alkalihalogenidschicht auf einem Substrat (AS), die durch ein Muster von Gräben (Gr) in unterschiedliche Schichtbereiche (In) getrennt ist, bei dem ein Substrat (AS) mit einem den gewünschten Gräben (Gr) entsprechenden Muster von Vertiefungen (SV) verwendet wird, und bei dem die Schicht durch Schrägbedampfen des Substrats (AS) mit Alkalihalogenid unter einem spitzen Auf­ dampfwinkel (AW) erzeugt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die grabenförmigen Vertie­ fungen (SV) an zumindest einer Flanke einen Böschungswinkel (BW) größer als (AW) aufweisen, und die Grabenbreite (b) gegenüber der Grabentiefe (t) klein genug ist, so daß während des Aufdampfens ein gegenüber dem Alkalihalogenid­ dampf abgeschatteter Bereich entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (AS) während des Aufdampfens um eine senkrecht zu seiner Oberfläche stehende Achse (DA) gedreht wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem in den Vertiefungen (SV) ein Böschungswinkel (BW) größer oder gleich 45° eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Substrat mit Vertiefungen einer Breite (b) von 5 bis 50 µm, vorzugsweise 20 bis 30 µm verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Substrat während des Aufdampfens bei einer Temperatur von 50 bis 250°C gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Substrat verwendet wird, das auf den von den Vertiefungen umgrenzten Bereichen der Oberfläche eine Beschichtung auf­ weist, die das Kristallwachstum begünstigt.

7. Leuchtstoffschicht mit hoher Ortsauflösung für auftref­ fende Strahlung, gemäß dem Verfahren nach einem der Patent­ ansprüche 1 bis 6, die

• - durch ein Grabenmuster vollständig voneinander getrennte inselförmige Schichtbereiche aufweist,
• - auf einem Substrat mit dem Grabenmuster entsprechenden Vertiefungen aufgebracht ist,

wobei die Inseln einen maximalen Durchmesser von 50 bis 500 µm aufweisen und die Vertiefungen im Substrat 5 bis 50 µm breit sind.

8. Leuchtstoffschicht nach Anspruch 7, die dotiertes Cä­ siumiodid CsI als Leuchtstoff umfaßt.

9. Leuchtstoffschicht nach Anspruch 7 oder 8, die über einem photovoltaisch aktiven Halbleiterkörper angeordnet ist.

10. Leuchtstoffschicht nach einem der Ansprüche 7 bis 9, die über einer CCD-Kamera angeordnet ist.

11. Leuchtstoffschicht nach einem der Ansprüche 7 bis 10, die über einer lichtleitenden Faserplatte aufgebracht ist.

12. Leuchtstoffschicht nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die eine Dicke von 400 bis 500 µm aufweist.

13. Leuchtstoffschicht nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der zwischen den Bereichen der Substratoberfläche unter den Inseln und der Leuchtstoffschicht eine Zwi­ schenschicht aufgebracht ist, die das Wachstum der die Leuchtstoffschicht bildenden Kristalle begünstigt.

14. Verwendung der Leuchtstoffschicht nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 13 in einem Leuchtschirm für die digitale Radiographie.