Entwicklung von Röntgenoptiken aus Elementen der Siliziummikrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zielsetzung war die Herstellung von miniaturisierten Röntgenoptiken aus Elementen der Siliziummikrotechnik zur Führung von Röntgenstrahlung. Die Entwicklung und Fertigung widmete sich zwei verschieden Konzepten der Blendenherstellung. Zunächst wurde die Umsetzung eines klassischen Sollerspaltes mit parallel zueinander liegenden Membranen durchgeführt. Dabei sind auf einem Chip neben den Membranstrukturen auch Stapelstrukturen durch nasschemisches Ätzen integriert worden, wodurch sich zwischen 20 und 50 Chips sehr einfach und präzise zu einem Sollerspalt stapeln lassen. Die Absorption divergenter Röntgenstrahlung an den Membranen wird mit einer Goldbeschichtung erreicht. Als zweite Möglichkeit zur Realisierung der Geometrie eines Sollerspaltes, wurde das Hintereinandersetzen perforierter Membranen genutzt. Mit geraden und zueinander parallelen Schlitzen versehene Membranen müssen dabei zur Deckung gebracht werden. Die Strahlrichtung entspricht der Normalenrichtung der perforierten Membranen. Dafür wurden auf einem Chip entsprechende Schlitze geätzt. Das deckungsgleiche Positionieren der Membranen gewährleisteten böschungsartige Stapelstrukturen. Damit können bis zu 30 Chips mit Genauigkeiten von wenigen Mikrometern von Hand gestapelt werden. Die Technik der Serien perforierter Membranen eröffnet die Entwicklung vollkommen neuartiger Optiken. So ist es etwa möglich, von Beugungskegeln wie sie bei der Röntgenbeugung entstehen, Segmente aus der Sekundärstrahlung gezielt zu selektieren. Die Schlitze in den Membranen müssen dafür die zur ihrer Blendenposition passende Kegelschnittkrümmung aufweisen. Bei diesen kegelangepassten Kollimatoren stellte das entwickelte Stapelprinzip sicher, dass bis zu 30 gestapelte Chips im Kollimator in allen drei Raumrichtungen bis auf wenige Mikrometer genau zueinander ausgerichtet sind. In diesem Projekt konnten alle genannten Blendensysteme erfolgreich gefertigt werden. Die Montage der Chips zu einem Kollimator war unkompliziert. Das Kanten-volumen (H x B x T) der Optiken beträgt etwa 1cm3. Bezüglich der Fertigung gibt es derzeit kleinere Probleme beim Ätzen der Schlitzstruktur, die aber lösbar sind. Ein prinzipielles Problem besteht derzeit hinsichtlich der Haftfestigkeit des verwendeten Gold-Schichtsystems. Hier sind weitere Untersuchungen nötig, um hochabsorbierende Schichten über 2 μm Dicke zuverlässig und gut haftend abscheiden zu können. Während der Erprobung der Siliziumoptiken wurden diese mit feinmechanisch miniaturisierten Stahl-Sollerspalten verglichen. Die Tests belegen, dass die neu entwickelten Optiken Ergebnisse liefern, die mit den Stahl-Sollerspalten vergleichbar sind. Außerdem zeigten Tests mit einem optimierten Silizium-Sollerspalt, dass die neuen Optiken für bestimmte Anwendungsfelder gezielt zugeschnitten werden können. Für kegelangepasste Kollimatoren konnte bei den Tests infolge fehlerhafter Präparation bisher noch keine Verbesserung der sekundärstrahlseitigen Kollimations-eigenschaften nachgewiesen werden. Bezüglich einer späteren Anwendung werden Kollimatoren mit klassischen Sollerspalt-geometrien kurz- und mittelfristig die besten Perspektiven eingeräumt. Das ideale Einsatzgebiet der Siliziumoptiken sind derzeit kleine Röntgendiffraktometer mit kleinen Detektorflächen. Dort kommen die technischen Vorteile der Siliziummikrotechnik, wie hohe Genauigkeit, hohe Integrationsfähigkeit sowie kleine Abmessungen und geringes Bauteilgewicht am besten zum Tragen. Die für die neuen Röntgenoptiken entwickelte Chipstapeltechnologie, kann prinzipiell auch bei anderen Bauelementen zum Einsatz gelangen. In diesem Projekt wurde das Translationsverfahren weiterentwickelt, welches sich als Methode zur Analyse von eng beieinanderliegenden Beugungslinien bei hohen Strahlenergien sehr gut für große Eindringtiefen in Prüflingen eignet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Energy Dispersive X-Ray Diffraction.
Particle and Particle Systems Characterization Vol. 22 No. 6. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA Weilheim 2006: pp 391-396. ISSN 0934-0866
Kämpfe, B.; Luczak, F.
- X-ray collimators of microstructured silicon. ZfM- Jahresbericht 2006
Frühauf, J.; Gärtner, Eva; Straube, H.; Zschenderlein, U.
- Fertigung von Röntgenblenden aus Elementen der Siliziummikrotechnik. PRORA (Fachtagung Prozessnahe Röntgenanalytik) 15./16.11.2007
Zschenderlein, U; Frühauf, J.; Straube, H; Brämer, B.
- Röntgenoptiken aus mikrostrukturiertem Silizium. Tagungsband zur 8. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik, 14./15.11.2007, S.63-66.
ISBN: 978-300-022168-2
Zschenderlein, U.; Frühauf, J.; Straube, H.; Gärtner, E.; Kämpfe, B.; Luczak, F.; Zimny, F.; Petrick, H.; Böhme, H.
- High Energydispersive X-Ray Diffraction (HED-XRD) for Security Applications.
Micromaterials and Nanomaterials 10/2009, proceedings of 3rd international conference “safety and security systems in europe”. Goldenbogen Verlag Dresden 2009: p.26. ISSN 1619-2486.
Luczak, F; Kämpfe, B; Michel, B.
