DE19730899A1 - Ionisierende Strahlungsquelle für miniaturisierte Ionen-Mobilitätsspektrometer unter Verwendung mikrostrukturtechnischer Fertigungsmethoden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine radioaktive Ionenquelle zur Erzeugung von niederenergetischer α- oder β-Strahlung.

Solche Ionenquellen 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 500 mCi 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).

Im einem weiteren Prospekt (43041990R1.000) der Firma Amersham Buchler, Braunschweig werden Alpha-/Beta-Referenzstrahler - Typ 16/25 angeboten. Diese umfassen u. a. den Alphastrahler Am-241 mit Aktivitäten zwischen 185 Bq und 3 kBq. Der radioaktive Stoff ist homogen in die Oberfläche einer eloxierten Aluminiumfolie mit dem Durchmesser 16 mm und der Dicke 0,3 mm eingebracht. Die Dicke der von der Oberfläche aus aktivierten Schicht beträgt ca. 5 Mikrometer.

Eine gängige Alternative ist ebenfalls, daß sich der radioaktive Stoff, z. B. Americiumoxid, in eine etwa 2 Mikrometer dicken Goldmatrix zwischen einer etwa 1 Mikrometer dicken Goldschicht und einer etwa 2 Mikrometer dicken Deckschicht aus Gold-Palladium-Legierung auf einem etwa 0,2 mm dicken Träger aus Silber befindet.

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-Spektrometers unter Verwendung von mikrostrukturtechnischen Verfahren, z. B. auf Silizium (Si)-Basis, sind die bekannten Ionenquellen 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.

In einer ersten Ausführungsform 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 weit 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 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 kristallisiert in Diamantstruktur aus. Diese ist identisch mit der Zinkblendestruktur, bei der die Basis aus Atomen der gleichen Sorte bestehen (Fig. 1). Es handelt sich hierbei um zwei ineinander geschobene kubisch-flächenzentrierte Gitter (face centered cubic, fcc), deren beiden Basisatome sich auf den Positionen (0,0,0) und (114, 114, 114) 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 amu beinhaltet 1 cm³ Si eine Anzahl von 5.10²² Atomen.

1 cm² enthält somit etwa 1,4.10¹⁵ Si-Atome an der Oberfläche. Schneidet man nun den Volumenkristall durch, so erkennt man, daß jedes an der Oberfläche befindliche Si-Atome zwei ungesättigte Bindungen aufweist, sog. "Dangling Bonds" (Fig. 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 wenige freie ungesättigte Bedingungen aufzuweisen (Fig. 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 berücksichtigt, daß solch eine Oberfläche nicht idealglatt 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. 395-407).

Da sich Tritium chemisch identisch wie üblicher Wasserstoff verhält, ergibt sich nun die Möglichkeit, geläufige Verfahren zur Passivierung mit Wasserstoff statt dessen mit 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 zur erreichen, ggf. sogar 1000 oder mehr. Hier sei allerdings von 100 ausgegangen. Damit erhöht sich die Anzahl der kovalent gebundenen Tritiumatome auf 1017 cm². 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_1/2 = 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 spezifischen 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 Abschätzung 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.

In einer zweiten Ausführungsform einer radioaktiven Ionenquelle, angepaßt an die Mikrostrukturtechnologie, werden geeignete radioaktive Materialien im Abstand von der Oberfläche in das Material einer Trägerschicht in Form von Ionen implantiert. Dies hat den Vorteil, daß über die Implantationstiefe die Reichweite der radioaktiven Strahlung oberhalb der Oberfläche eingestellt werden und an die Geometrie des IM-Spektrometers angepaßt werden kann.

Ionenimplantation kommt z. Zt. als Standardverfahren zur Dotierung von Halbleitern oder zur Erzeugung vergrabener Schichten von Metallsilikaten zur Anwendung. Die radioaktiven Metallatome werden ionisiert, danach beschleunigt und auf die Oberfläche geschossen. Je nach Energie der Ionen sammeln sich die Metallatome gaußverteilt in einer bestimmten Materialtiefe an. Ein kurzer intensiver Temperschritt regeneriert sowohl den Kristall, kann aber bei geeigneten Parametern auch zu extrem scharfen Übergängen zwischen dem reinen und dotierten Halbleitermaterial führen.

Beispielsweise ist ²⁴¹Americium ein Alphastrahler. Mit einer Energie der Alphateilchen von ca. 5.4 MeV beträgt die Reichweite dieser Strahlung an Luft etwa 4 cm. Für eine Miniaturisierung auch des Ionenproduktionsraumes im IMS ist das eine zu hohe Reichweite. Ist der Strahler allerdings in anderem Material als Luft begraben, ist auch die Reichweite dieser Strahlung geringer.

Nach der Regel von Bragg und Kleemann beträgt die Reichweite der Alphateilchen R = R_Luft c m^1/2/ρ.

Dabei ist R die Reichweite in Luft bzw. dem Material, m die relative Atommasse des Materials, ρ seine Dichte und c = 3,2 × 10⁻⁴ g cm⁻³ eine Konstante. Mit den Werten für Silizium ergibt sich somit eine Reichweite von 85 µm. Das ist eine für Ionenimplantation mögliche Tiefe. Allerdings will man nicht erreichen, daß keine Strahlung den Kristall verläßt, sondern ihre Reichweite nur verkürzt wird. Eine Implantation in einer Tiefe von 60 µm sollte somit noch eine mittlere Reichweite von ca. 1 cm ermöglichen. Hierbei muß allerdings eine deutliche Verringerung der Strahlungsintensität in Kauf genommen werden.

Bezieht man sich wieder auf eine Grundfläche von 1 cm², so ist jetzt auch die Dicke der dotierten/implantierten Schicht entscheidend. Diese sollte nach obigen Überlegungen etwa (10-)20 µm betragen. Das betreffende aktive Volumen ergibt sich so zu 0,002 cm³. Eine Ionenimplantation ist, je nach Material, bis zu einer Größenordnung von 10²² Ionen/cm³ zu realisieren. Es sei hier zunächst einmal 10²¹ als Wert gewählt.

²⁴¹Americium hat eine Halbwertszeit von ca. 432,6 Jahren. Pro Jahr zerfallen somit 1,6 × 10¹⁸ Kerne, was eine spezifische Aktivität unseres Materials von 5.10¹⁰ Bq/cm³ ergibt. Da unsere Schicht lediglich 0,002 cm³ beträgt, verringert sich die Aktivität entsprechend auf 10⁸ Bq/cm² in der aktiven Fläche. Geht man nun von einem Verlustfaktor der Strahlung von etwa 100 im Si aus, liegt die Quelle immer noch im Bereich von 1 MBq/cm². In der Tat wird der tatsächliche Wert wie im ersten Fall höher liegen, da auch hier die Abschätzungen nach unten abgesichert wurden. Durch Erhöhung der Implantationsrate bis zum Maximum von Am₂Si und Verbreiterung der Schicht implantierten Materials könnte die gewünschte Aktivität beliebig im Rahmen gewisser Grenzen eingestellt werden.

Vorzugsweise sind die implantierten Ionen Alphastrahler, insbesondere ²⁴¹Am. Dies hat den Vorteil, daß ihre Reichweite über die Implantationstiefe gut an die Dimensionen eines Ionenproduktionsraums eines IMS angepaßt werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das Material der Oberfläche ein Halbleiter, insbesondere Silizium. Damit kann die Ionenquelle durch Implantation direkt in ein Bauteil aus handelsüblichem Halbleitermaterial integriert werden. Alle Vorteile dieser Technologie bleiben für dieses Bauteil erhalten, insbesondere kann es hochpräzise gefertigt, dotiert, beschichtet und kontaktiert werden.

In Ausführungsformen können auch andere Trägermaterialien verwendet werden, z. B. Metalle, in die die radioaktiven Ionen mit Abstand von der Oberfläche implantiert werden.

Die Erfindung betrifft auch ein Ionen-Mobilitätsspektrometer mit einer erfindungsgemäßen radioaktiven Ionenquelle.

Es versteht sich, daß die oben geschilderten und die noch weiter unten aufgeführten Merkmale nicht nur in der jeweils genannten Kombination sondern auch in beliebiger anderer Kombination oder in Alleinstellung verwendet werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung wir anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Einheitszelle eines Kristalls in Zinkblendestruktur.

Fig. 2 Draufsicht auf eine ideale Si (001) Oberfläche.

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

Fig. 4 Implantierte Schicht aus radioaktiven Ionen in einer Oberfläche.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 die Elementarzelle von Silizium, das bereits oben stellvertretend für Halbleitermaterialien besprochen wurde. Beim Si sind schwarze und weiße Atome gleichberechtigt und hier nur zur Erleichterung unterschiedlich gestaltet. a ist die Gitterkonstante. Das kartesische Koordiantensystem zeigt die kristallographischen Richtungen an.

Fig. 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 Fig. 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 (3 H) an lagert, 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 rauhe 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. Insbesondere 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.

In Fig. 4 ist äußerst schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die radioaktiven Atome der Ionenquelle (101) werden nicht an die Oberfläche 103 einer Trägerschicht 102 kovalent gebunden sondern, mittels Ionenimplantation als Ionen in das Trägermaterial definiert eingeschossen, so daß sie in einer endlichen Tiefe d unterhalb der Oberfläche zur Ruhe kommen und dort eine Dotierungsschicht 104 bilden. Diese Schicht kann durch einen Temperschritt nachdem noch einmal gezielt definiert werden.

Wie bereits oben diskutiert, bietet sich diese Art der Ionenquelle für ein miniaturisiertes IMS besonders für den Alphastrahler ²⁴¹Am an. Durch Einstellen der Beschleunigungsspannung beim Implantieren kann die Tiefe d der Dotierungsschicht unter der Oberfläche recht gut definiert und angepaßt werden. Damit wird es möglich, die effektive Reichweite der Alphastrahlung oberhalb der Oberfläche an einen miniaturisierten Ionisationsraum des IMS anzupassen.

Vorzugsweise besteht die Trägerschicht wie beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wieder aus einem Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, mit den bereits geschilderten Vorteilen. In einem Ausführungsbeispiel ist der Strahler ²⁴¹Am, der Träger Si und die optimale Tiefe d = 60 Mikrometer. Der Ionisationsraum des IMS hat dann Lineardimensionen von etwa 1 cm.

Da die Fixierung der radioaktiven Atome nicht über eine kovalente Bindung an den Halbleiter erfolgt sondern durch Einschießen weit unter die Oberfläche, kann als Trägermaterial anstelle des bevorzugten Halbleiters auch ein Metall verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Ionenquelle wird bevorzugt in einem miniaturisierten Ionen-Mobilitätsspektrometer eingesetzt. Die Merkmale der Erfindung gestatten es, einen verkleinerten Ionisationsraum vorzusehen und die Ionenquelle fertigungstechnisch in den Ionisationsraum zu integrieren.

Claims (11)

1. Radioaktive Ionenquelle (1) zur Erzeugung von niederenergetischer α- oder β-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Trägerschicht (2) aus Halbleitermaterial besteht, an deren Oberfläche (3) Tritium (³H) chemisch, kovalent gebunden ist.

2. Radioaktive Ionenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (3) porös ist.

3. Radioaktive Ionenquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist.

4. Radioaktive Ionenquelle (101) zur Erzeugung von niederenergetischer α- oder β-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Trägerschicht (102) besteht, in die radioaktive Materialien in Form von Ionen in einer Schicht (104) im Abstand d von ihrer Oberfläche (103) implantiert sind.

5. Radioaktive Ionenquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Materialien einen Alphastrahler umfassen.

6. Radioaktive Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Materialien ²⁴¹Am umfassen.

7. Radioaktive Ionenquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (102) aus einem Halbleitermaterial besteht.

8. Radioaktive Ionenquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (102) aus Silizium besteht.

9. Radioaktive Ionenquelle nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in einer Schicht (104) in der Tiefe d von mehr als 20 Mikrometern, vorzugsweise mehr als 50 Mikrometern, insbesondere etwa bei 60 Mikrometern unterhalb der Oberfläche (103) implantiert sind.

10. Ionen-Mobilitätsspektrometer mit einer radioaktiven Ionenquelle (1; 101) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

11. Ionen-Mobilitätsspektrometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Ionisationsraum umfaßt, dessen lineare Ausdehnung senkrecht zur Oberfläche der Ionenquelle kleiner ist als 2 cm, vorzugsweise kleiner als 1 cm.