DE19758512A1 - Ionen-Mobilitätsspektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ionenmobilitätsspektrometer mit einer radioaktiven Ionenquelle zur Erzeugung von α- oder niederenergetischer 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).

In einem weiteren Prospekt (4304/990R1.000) 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 einer 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.

Bei einem erfindungsgemäßen Ionenmobilitätsspektrometer mit 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 wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 implantierte Schicht aus radioaktiven Ionen in einer Oberfläche einer Trägerschicht einer Ionenquelle.

In Fig. 1 ist äußerst schematisch eine 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 (7)

1. Ionenmobilitätsspektrometer mit einer radioaktiven Ionenquelle (101) zur Er­ zeugung von α- oder niederenergetischer β-Strahlung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionenquelle (101) aus einer Trägerschicht (102) besteht, in die radioaktive Materialien in Form von Ionen in einer Schicht (104) im Ab­ stand d von ihrer Oberfläche (103) implantiert sind.

2. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Materialien einen Alphastrahler umfassen.

3. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Materialien ²⁴¹Am umfassen.

4. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (102) aus einem Halbleiter­ material besteht.

5. Ionenmobilitätsspektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht (102) aus Silizium besteht.

6. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen in einer Schicht (104) in der Tiefe d von mehr als 20 µm, vorzugsweise mehr als 50 µm, insbesondere bei etwa 60 µm unterhalb der Oberfläche (103) implantiert sind.

7. Ionenmobilitätsspektrometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Ionisationsraum umfaßt, daß die Io­ nenquelle (101) eine ebene Oberfläche (103) aufweist und in den Ionisati­ onsraum fertigungstechnisch integriert ist und daß die lineare Ausdehnung des Ionisationsraums senkrecht zur ebenen Oberfläche (103) der Ionen­ quelle (101) kleiner ist als 2 cm, vorzugsweise kleiner als 1 cm.