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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung großflächiger mikrostrukturierter
Funktionselemente. Sie betrifft insbesondere das Gebiet der Herstellung
von Streustrahlrastern für
Röntgendetektoren,
Röntgendetektoren
und dgl..
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Bei
der Durchstrahlung eines Patienten mit Röntgenstrahlen wird ein Teil
derselben gestreut, d. h. er ändert
seine Richtung. Gestreute Röntgenstrahlung
verschlechtert die Ortsauflösung
von Röntgenbildern.
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Nach
dem Stand der Technik ist es bekannt, gestreute Röntgenstrahlung
mittels so genannter Kollimatoren zu absorbieren. Kollimatoren können z. B.
aus einer Wechsellagerung von Blei und Papier hergestellt sein.
Damit gelangt nur die durch das röntgentransparente Material,
z. B. Papier, durchgehende Röntgenstrahlung
auf den Detektor. Es können Röntgenbilder
verbesserter Ortsauflösung
hergestellt werden.
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Zur
weiteren Verbesserung der Ortsauflösung von Röntgenbildern ist aus Lehmann
V. und Rönnebeck
S., "MEMS techniques
applied to the fabrication of anti-scatter grids for X-ray imaging", Sensors and Actuators
A, Vol. 95 (2002), S. 202-207 ein Kollimator bekannt, der mittels
Fotolithografie und Ätztechniken
hergestellt wird. Mit dem bekannten Kollimator kann eine verbesserte
Ortsauflösung
erzielt werden. Allerdings können
mit den verwendeten Herstellungstechniken lediglich Kollimatoren
bis zu einer Größe von 10 × 10 cm
mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden. Größere Kollimatoren, wie sie
z. B. für
Röntgenspeicherleuchtstoffplatten
benötigt
werden, lassen sich mit dem bekannten Verfahren wirtschaftlich nicht
herstellen.
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Zur
Verbesserung insbesondere der Ortsauflösung von Röntgenspeicherleuchtstoffplatten
ist es aus Bier W. et al. "Herstellung
und Test von mikrostrukturierten Röntgenverstärkerfolien", Z. Med. Phys., Vol. 3 (1993) S. 141-144
bekannt, eine Kunststofffolie mit einer Vielzahl von pyramidenförmigen Mikrokammern
bereitzustellen, welche mit einem Leuchtstoff gefüllt sind.
Szintillationslicht trifft unter einem schrägen Winkel auf die Flächen der
pyramidenförmigen
Mikrokammern auf und wird z. T. reflektiert. Die Ortsauflösung einer
solchen Röntgenverstärkerfolie
ist verbessert. Nachteilig ist allerdings, dass wegen der Pyramidenform
der Mikrokammer relativ wenig Volumen mit Leuchtstoff gefüllt werden kann.
Das erhöht
nachteiligerweise die einzustrahlende Dosis.
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Aus
Burmeister et. al. "Mit
Kapillarkräften
zu Nanostrukturen in Physikalische Blätter 56, 2000, Nr. 4, S. 49-51,
ist ein Verfahren bekannt, bei welchem Nanostrukturen auf einem
Substrat abgeschieden werden. Bei dem bekannten Verfahren findet
eine durch Kapillarkräfte
verursachte Selbstorganisation von Kolloidkügelchen in einer wässrigen
Lösung statt.
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Aus
der
DE 195 18 512
C2 ist ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Mikrostrukturen
auf dielektrischen Substraten bekannt. Dabei werden die metallischen
Mikrostrukturen nach einem Volladditivverfahren auf dem Substrat
erzeugt bzw. abgeschieden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu
beseitigen. Es soll insbesondere ein Verfahren angegeben werden,
mit dem großflächige mikrostrukturierte
Funktionselemente einfach und kostengünstig herstellbar sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben
sich aus den Merkmalen der Ansprüche
2 bis 9.
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Nach
Maßgabe
der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung großflächiger mikrostrukturierter Funktionselemente
mit folgenden Schritten vorgesehen:
- a) Herstellung
einer Matrize durch Abscheiden eines ersten Stoffs in einer vorgegebene
Zwischenräume
aufweisenden, aus nadelförmigen
Kristallen gebildeten Struktur auf einem Substrat,
- b) Verfüllen
der Zwischenräume
mit einem zweiten Stoff, der sich vom ersten Stoff durch mindestens
eine Eigenschaft unterscheidet,
- c) selektives Entfernen des ersten Stoffs unter Ausnutzung der
mindestens einen unterschiedlichen Eigenschaft und
- d) Verfüllen
der durch das Entfernen des ersten Stoffs verbliebenen Hohlräume mit
einem dritten Stoff.
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Zum
Abscheiden des ersten Stoffs macht man sich zweckmäßigerweise
die Selbstorganisation des Stoffs beim Abscheiden zu Nutze. Das
Abscheiden kann beispielsweise aus der Gasphase mittels CVD-Verfahren
erfolgen, wobei je nach den verwandten chemisch-physikalischen Parametern
sich bestimmte Strukturen ausbilden. Es ist aber auch möglich, z.
B. mittels biologischer Verfahren organische Strukturen auf einem
Substrat zu erzeugen. Die durch die Struktur gebildeten Zwischenräume werden
in einem zweiten Schritt mit einem zweiten Stoff verfüllt. Der
zweite Stoff unterscheidet sich vom ersten Stoff derart, dass in
einem dritten Schritt des Verfahrens der erste Stoff selektiv vom
Substrat entfernt werden kann. Es verbleibt eine durch den zweiten Stoff
gebildete Sekundärstruktur.
Die durch die Sekundärstruktur
gebildeten Hohlräume
werden in einem vierten Schritt mit einem dritten Stoff verfüllt. Der dritte
Stoff ist verschieden vom zweiten Stoff.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich auf relativ einfache und
kostengünstige
Weise großflächige Funktionselemente
herstellen. Derartige Funktionselemente können in vielerlei Hinsicht verwendet
werden. Sie eignen sich insbesondere zur Herstellung eines Kollimators
für die
Röntgendiagnostik,
zur Herstellung von strukturierten Röntgenleuchtstofffolien und
zur Herstellung von Mikrosieben und dgl.. So können z. B. ohne weiteres Kollimatoren für Röntgenspeicherleuchtstoffschichten
in einer Größe von 40 × 40 cm
hergestellt werden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der erste Stoff mittels Aufdampfen
im Vakuum auf das Substrat aufgebracht. Das Aufdampfen kann beispielsweise
in einem herkömmlichen
CVD-Verfahren durchgeführt
werden.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
insbesondere großflächige Streustrahlraster
für die
Mammografie hergestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist die
Struktur aus nadelförmigen
Kristallen gebildet. In diesem Fall wird als erster Stoff zweckmäßigerweise
ein undotiertes oder dotiertes Alkalihalogenid, vorzugsweise CsJ,
verwendet. Derartige Alkalihalogenide lassen sich im CVD-Verfahren
bei Wahl geeigneter Prozessparameter herstellen. Die Größe der zwischen
den nadelförmigen
Kristallen gebildeten Zwischenräume
können durch
geeignete Wahl der Prozessparameter in einem weiten Bereich eingestellt
werden.
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Als
zweiter Stoff kann ein Röntgenstrahlen absorbierendes
Material, vorzugsweise Blei, verwendet werden. Blei weist einen
Schmelzpunkt von 600 K auf. Der Schmelzpunkt von CsJ liegt im Bereich von
900 K. Infolgedessen wird CsJ durch Vergießen mit Blei nicht beschädigt. Das
Vergießen
erfolgt zweckmäßigerweise
unter Vakuum. Damit wird sichergestellt, dass die Zwischenräume vollständig ausgefüllt werden.
Ein Verfüllen
der Zwischenräume mit
Blei ermöglicht
eine einfache Herstellung eines Streustrahlrasters für röntgenografische
Anwendungen, insbesondere für
die Mammografie.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung wird als zweiter Stoff ein Kunststoff,
vorzugsweise Epoxidharz, Polyamid, Acrylat oder Silikon, verwendet.
Es handelt sich dabei um für
Röntgenstrahlen
durchlässige
Materialien. Das hergestellte Raster eignet sich zur Herstellung
einer strukturierten Leuchtstoffschicht für die Detektion von Röntgenstrahlen.
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Zweckmäßigerweise
kann als zweiter Stoff ein Licht reflektierendes und/oder elektrisch
leitfähiges
Material verwendet werden. Damit wird eine hohe Lichtausbeute bei
einer strukturierten Leuchtstoffschicht gewährleistet. Die Verwendung von elektrisch
leitfähigem
Material wirkt der Ausbildung statischer Aufladungen entgegen.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung ist dem zweiten Stoff zumindest ein
aus der folgenden Gruppe ausgewählter
Zusatz zugesetzt: TiO2, C, Ag, CoCl2, organischer Farbstoff, vorzugsweise Indigo. Ein
Zusatz von TiO2 erhöht die Reflexion des zweiten Stoffs,
ein Zusatz von C erhöht
die Absorption und bewirkt eine elektrische Leitfähigkeit.
Ein Zusatz von Ag bewirkt eine Erhöhung der Reflexion und der
elektrischen Leitfähigkeit.
Ein Zusatz von CoCl2 trägt zu einer spezifischen Reflexion
von emittiertem Szintillationslicht bei. Organische Farbstoffe bewirken
eine verbesserte Absorption von zur Stimulation von Röntgenspeicherleuchtstoffschichten
verwendetem Licht.
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Vorteilhafterweise
wird der erste Stoff durch Lösen
in einer Flüssigkeit,
vorzugsweise Wasser, entfernt. Insbesondere Alkalihalogenide sind
wasserlöslich
und können
auf diese Weise einfach entfernt werden. Nach dem Entfernen des
ersten Stoffs bleibt der mit dem Substrat verbundene zweite Stoff
zurück.
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Als
dritter Stoff wird zweckmäßigerweise
ein Kunststoff, vorzugsweise Epoxidharz, Polyamid, Acrylat oder
Silikon oder ein Gemisch aus einem Binder und einem Leuchtstoff,
verwendet. Die genannten Kunststoffe sind transparent für Röntgenstrahlen. Im
Falle der Verwendung von Blei als zweiten Stoff kann damit ein mechanisch
stabiles Streustrahlraster hergestellt werden. Die Verwendung eines
Gemischs aus einem Binder und einem Leuchtstoff ermöglicht die
Herstellung einer strukturierten Leuchtstoffschicht. In diesem Fall
wird als erster Stoff vorzugsweise ein für Röntgenstrahlen transparenter
Stoff, vorzugsweise ein Kunststoff, verwendet.
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Nachfolgend
werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Bruchkante einer CsJ-Schicht,
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2a,
b eine schematische Schnittansicht und eine Draufsicht auf auf einem
Substrat abgeschiedene CsJ-Kristalle,
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3a,
b eine Schnittansicht und eine Draufsicht der in den 2a,
b gezeigten Struktur, wobei die Zwischenräume verfüllt sind,
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4 eine
Schnittansicht gemäß 3a, wobei
das Substrat entfernt worden ist,
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5 eine
Schnittansicht gemäß 4,
wobei das die Nadeln bildende CsJ entfernt worden ist,
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6 eine
Schnittansicht, wobei die Hohlräume
gemäß
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5 mit
einem dritten Stoff verfüllt
worden sind,
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7 eine
Schnittansicht gemäß 6,
wobei eine obere Schicht abgetragen worden ist und
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8 die
Funktion einer strukturierten Leuchtstoffschicht.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer im CVD-Verfahren hergestellten
CsJ-Schicht. Die Schicht besteht aus senkrecht von einem (hier nicht
gezeigten) Substrat sich erstreckenden nadelförmigen Kristallen. Die nadelförmigen Kristalle
haben einen Durchmesser in der Größenordnung einiger μm. Die Dicke
der aus den nadelförmigen
Kristallen gebildeten Schicht kann zwischen etwa 100 μm und 1 mm
betragen. Die Größe der zwischen
den nadelförmigen
Kristallen gebildeten Zwischenräume kann
durch geeignete Wahl der Prozessparameter beim CVD-Verfahren eingestellt
werden.
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2a zeigt
eine schematische Schnittansicht gemäß 1. Auf einem
Substrat 1 ist in Form senkrecht sich erstreckender nadelförmiger CsJ-Kristalle
ein erster Stoff 2 aufgebracht. 2b zeigt
eine Draufsicht auf 2a. Zwischen den nadelförmigen Kristallen
sind Zwischenräume 3 gebildet.
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Bei
der Schnittansicht gemäß 3a sowie der
dazu korrespondierenden Draufsicht nach 3b sind
die Zwischenräume 3 mit
einem zweiten Stoff 4 verfüllt. Bei dem zweiten Stoff
kann es sich um Röntgenstrahlen
absorbierende Stoffe, wie Blei oder mit Metallen gefüllte Kunststoffe,
handeln. Es ist aber auch möglich,
dass der zweite Stoff ein für
Röntgenstrahlen
transparentes Material, beispielsweise ein Kunststoff, vorzugsweise
Epoxidharz, Polyamid, Silikon oder Acrylat ist.
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4 zeigt
eine Schnittansicht gemäß 3a,
wobei das Substrat 1 entfernt worden ist. Damit ist die
aus den nadelförmigen
Kristallen 2 gebildete Schicht zugänglich für Lösungsmittel, z. B. Wasser.
Mit dem Lösungsmittel
können
die nadelförmigen
Kristalle 2 aus der Struktur herausgelöst werden. Zurück bleiben
die in 5 gezeigten Hohlräume 5.
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6 zeigt
eine Schnittansicht gemäß 5,
wobei die Hohlräume 5 mit
einem dritten Stoff 6 verfüllt sind. Es kann sich dabei
um für
Röntgenstrahlen
transparente Stoffe, z. B. die vorgenannten Kunststoffe, handeln.
Als dritter Stoff 6 kommt aber auch ein Gemisch aus einem
Leuchtstoff und einem Binder in Betracht.
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In 7 ist
eine obere Schicht des hergestellten Funktionselements abgetragen.
Ein solches Funktionselement kann beispielsweise als Röntgenstreustrahlraster
verwendet werden. In diesem Fall ist der zweite Stoff 4 aus
Blei und der dritte Stoff 6 aus einem Kunststoff hergestellt.
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8 zeigt
die Funktion eines weiteren Funktionselements. Dabei ist der zweite
Stoff 4 aus einem Kunststoff und der dritte Stoff 6 aus
einem aus Leuchtstoff und Binder gebildeten Gemisch hergestellt.
Einfallende Röntgenstrahlung
R trifft auf das aus dem Leuchtstoff und Binder gebildete Gemisch auf.
Röntgenquanten
werden vom Leuchtstoff absorbiert. Infolgedessen wird Licht L emittiert.
Das emittierte Licht L wird an den Grenzflächen zwischen dem zweiten Stoff 4 und
dem dritten Stoff 6 reflektiert und tritt an der gegenüberliegenden
Seite aus der strukturierten Röntgenleuchtstoffschicht
aus. Der dritte Stoff 6 liegt in Form nebeneinander stehender
Zylinder vor. Er erfüllt
im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik bekannten mit Leuchtstoff
gefüllten
pyramidenförmigen
Mikrokammern ein wesentlich größeres Volumen.
Infolgedessen kann mit einer geringeren einzustrahlenden Dosis gearbeitet
werden.
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Bei
dem in 7 gezeigten Röntgenstreustrahlraster
wird unter einem schrägen
Winkel einfallende Röntgenstrahlung
durch den aus Blei gebildeten zweiten Stoff 4 absorbiert.
Auch das gemäß 7 vorgeschlagene
Röntgenstreustrahlraster trägt zu einer
besonders guten Ortsauflösung
bei. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
das Röntgenstreustrahlraster
gemäß 7 zu
kombinieren mit der in 8 gezeigten strukturierten Leuchtstoffschicht.
Damit kann ein Röntgendetektor
bereitgestellt werden, der eine besonders gute Ortsauflösung aufweist.