DE102015200739B3

DE102015200739B3 - Kreisbeschleuniger zur beschleunigung von ladungsträgern und verfahren zur herstellung eines kreisbeschleunigers

Info

Publication number: DE102015200739B3
Application number: DE102015200739.1A
Authority: DE
Inventors: Karl Haberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2016-03-24
Anticipated expiration: 2035-01-20
Also published as: US20160212834A1; US10136508B2

Abstract

Es ist ein Kreisbeschleuniger 100 zur Beschleunigung von Ladungsträgern gezeigt. Der Kreisbeschleuniger umfasst eine Ladungsträgerquelle 65, die ausgebildet ist, freie Ladungsträger zu erzeugen, eine Vakuumkammer 25, die ausgebildet ist, die freien Ladungsträger aufzunehmen, wobei die Vakuumkammer 25 mittels MEMS-Technologie hergestellt ist und wobei zumindest ein Hauptoberflächenbereich 25' der Vakuumkammer 25 ein Halbleitermaterial aufweist. Ferner weißt der Kreisbeschleuniger Elektroden 60a, b, die ausgebildet sind, die freien Ladungsträger in der Vakuumkammer 25 mittels eines Wechselstromfeldes zu beschleunigen und einen Magnetfelderzeuger 105 auf, der ausgebildet ist, ein Magnetfeld 20 senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Ladungsträger zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kreisbeschleuniger zur Beschleunigung von Ladungsträgern und ein Verfahren zur Herstellung des Kreisbeschleunigers. Ausführungsbeispiele zeigen ein MEMS-Zyklotron als Strahlenquelle.
Verschiedene Geräte benötigen hochenergetische Strahlung, sei es zu Analytik- oder Ionisationszwecken. Die einfachsten Quellen dafür sind radioaktive Substanzen. Nachteilig daran ist deren fehlende Abschalt-Möglichkeit, die den praktischen und den administrativen Umgang damit drastisch erschwert.
Hier wird eine elektrische Strahlenquelle skizziert, die sich mit den bekannten Verfahren der MEMS-Technik realisieren lässt. Der einfachste Fall einer Röntgenquelle ist ein Elektronen-Emitter kombiniert mit einer Beschleunigungsstrecke; beispielsweise ein Spindt-Emitter in Verbindung mit einer Hochspannungs-Strecke im Vakuum. Leider ist dieses einfache Konzept für höhere Energien wegen möglicher Überschläge und auch wegen der hohen, im Betrieb im Gerät anliegenden Spannung kaum miniaturisierbar.
Zyklisch durchlaufene Beschleunigungsstrecken kommen mit sehr viel geringeren elektrischen Potentialdifferenzen aus und lassen sich daher besser miniaturisieren. Der seit langem bekannteste Ansatz ist das Zyklotron. Ein vertikal zur Elektronen-Bewegung appliziertes Magnetfeld zwingt die Elektronen auf spiralförmige Bahnen; bei jedem Umlauf werden die Elektronen durch ein Wechselfeld geeigneter Frequenz beschleunigt. Dies wird seit knapp einem Jahrhundert technisch in Großanlagen realisiert.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, miniaturisiertes Konzept zur Beschleunigung von Ladungsträgern zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
Ausführungsbeispiele zeigen einen Kreisbeschleuniger zur Beschleunigung von Ladungsträgern. Der Kreisbeschleuniger weist eine Ladungsträgerquelle zur Erzeugung freier Ladungsträger und eine Vakuumkammer, die ausgebildet ist, die freien Ladungsträger aufzunehmen, auf. Die Vakuumkammer ist mittels MEMS-Technologie hergestellt. Ferner umfasst der Kreisbeschleuniger Elektroden, die ausgebildet sind, die freien Ladungsträger in der Vakuumkammer mittels eines Wechselstromfelds zu beschleunigen sowie einen Magnetfelderzeuger, der ein Magnetfeld senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Ladungsträger erzeugt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein Kreisbeschleuniger, z. B. ein Zyklotron, miniaturisiert werden kann, wenn es mittels MEMS-Technologie in bzw. auf einem Halbleitersubstrat hergestellt wird. Durch die kleine Bauform werden ferner geringe Beschleunigungsspannen benötigt, so dass tragbare Kreisbeschleuniger, beispielsweise vergleichbar zu der Form eines Barcode-Scanners hergestellt werden können. Dies ermöglicht, in Kombination mit einem Röntgentarget und einem Röntgenstrahlendetektor, die Erschaffung einer tragbaren Röntgenvorrichtung.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Elektroden aus hochdotierten Bereichen des Halbleitermaterials gebildet sind. Dies ist vorteilhaft, da durch Dotieren des Halbleitermaterials Elektroden erzeugt werden können und kein zusätzlicher Materialeinsatz, wie beispielsweise das Abscheiden einer metallischen Elektrode vermieden wird.
Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels wird die Vakuumkammer durch Ätzen des Halbleitermaterials in dem Halbleitermaterial erzeugt. Alternativ kann auf dem Halbleitermaterial eine weitere Schicht eines weiteren Materials, beispielsweise eine Schutz- oder Isolationsschicht aufgebracht sein, in die die Vakuumkammer derart geätzt wird, dass zumindest der Boden der Vakuumkammer das Halbleitermaterial aufweist. Dies ist vorteilhaft, da so das Dotieren des Halbleitermaterials, beispielsweise zur Erzeugung der Elektroden, ermöglicht wird. Weiterhin ermöglicht das Ätzen eine sehr genaue Strukturierung der Vakuumkammer.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels kann der Kreisbeschleuniger aus einem ersten Teilelement und einem zweiten Teilelement aufgebaut sein. Die beiden Teilelemente sind luftdicht miteinander verbunden, beispielsweise mittels eines Klebeverfahrens, anodischem Bonden (anodic bonding) oder Silizium-Fusionsbonden (silicon fusion bonding). Ferner können die Elektroden deckungsgleich an einem Hauptoberflächenbereich des ersten Teilelements und an einem dem Hauptoberflächenbereich des ersten Teilelements gegenüber dem Hauptoberflächenbereich des zweiten Teilelements angeordnet sein. Dies ist vorteilhaft, da somit Kräfte auf Ladungsträger, die nicht in der Rotationsebene wirken, vermieden werden. Ferner kann, beispielsweise zur Stabilisierung des ersten und des zweiten Teilelements, in der Vakuumkammer ein Steg bzw. eine Säule angeordnet sein, der die beiden Hauptoberflächenbereiche verbindet.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen ist die Ladungsträgerquelle ein Heizdraht, die zur verbesserten Ladungsträgerausbeute mit einem Erdalkali-Oxid bedeckt sein kann. Andere Ladungsträger können z. B. ein Kohlenstoffnanoröhrchen oder ein Spindt-Emitter sein, wobei der Spindt-Emitter ebenfalls mittels MEMS-Technologie hergestellt werden kann.
Ausführungsbeispiele zeigen, dass ferner als angrenzend an die Vakuumkammer und über einen Verbindungskanal verbunden mit der Vakuumkammer eine weitere Kammer angeordnet ist, in der eine Getter-Substanz vorliegt, die mit in der Vakuumkammer vorliegenden gasförmigen Molekülen reagiert und somit die Vakuumkammer evakuiert, d. h. in der Vakuumkammer ein Vakuum erzeugt. Dies ist vorteilhaft, da somit das Vakuum erzeugt und, bei einer ausreichenden Menge der Getter-Substanz, auch über einen langen Zeitraum aufrechterhalten werden kann. Zur Erhöhung der Oberfläche und damit einhergehend der Bindungsfähigkeit der Getter-Substanz, kann dieselbe beispielsweise mittels einer Infrarot-Laser-Strahlung, die das Halbleitermaterial durchdringt, lokal verdampft werden. Als Getter-Substanz kann beispielsweise Titan und/oder Magnesium verwendet werden.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist der Magnetfelderzeuger ein Permanentmagnet. Dies ermöglicht einen energieverbrauchsärmeren Betrieb des Kreisbeschleunigers, beispielsweise verglichen mit dem Einsatz von Elektromagneten als Magnetfelderzeuger. Der Magnetfelderzeuger kann zumindest zwei Polschuhe aufweisen, wobei die Vakuumkammer zwischen den zumindest zwei Polschuhen angeordnet ist. Diese Anordnung ist vorteilhaft, da somit im Inneren der Vakuumkammer in Dickenrichtung ein Magnetfeld erzeugt wird. Zwischen den Polschuhen kann ferner eine Piezofolie angeordnet sein, die einen Abstand der zumindest zwei Polschuhe derart einstellen kann, dass eine gewünschte Resonanzfrequenz der beschleunigten Ladungsträger erreicht wird. Ergänzend oder alternativ kann der Kreisbeschleuniger eine stromdurchflossene Hilfsspule aufweisen, die das Magnetfeld des Magnetfelderzeugers derart einstellt, dass eine gewünschte Resonanzfrequenz der beschleunigten Ladungsträger erreicht wird.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen weist der Kreisbeschleuniger einen Festfrequenzoszillator oder eine Gunn-Diode auf, die eine Wechselspannung an den Elektroden anlegen, wobei die Frequenz der Wechselspannung an die Geometrie der Vakuumkammer angepasst ist.
Der Kreisbeschleuniger kann ferner zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eingesetzt werden. Erfindungsgemäß ist eine Anode vorgesehen, die angrenzend an die Vakuumkammer angeordnet ist, die durch Auftreffen eines Ladungsträgers Röntgenstrahlung an die Umgebung des Kreisbeschleunigers emittiert.
Das Verfahren zur Herstellung des Kreisbeschleunigers wird in der nachfolgenden Beschreibung detailliert beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Bodenteils des Kreisbeschleunigers;
1b eine schematische Draufsicht eines Oberteils des Kreisbeschleunigers;
2 eine schematische Draufsicht des Kreisbeschleunigers mit dem verbundenen Boden- und Oberteil aus 1a, b und zwei Magneten, die über Polschuhe miteinander verbunden sind;
3 eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms des Verfahrens zur Herstellung des Kreisbeschleunigers;
4 eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms eines alternativen Verfahrens zur Herstellung des Kreisbeschleunigers.
In der nachfolgenden Beschreibung der Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass deren Beschreibung an den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.
Ziel der Erfindung ist eine miniaturisierte, nur wenige cm³ beanspruchende Strahlenquelle zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Diese Quelle arbeitet nach dem Zyklotron-Prinzip, vermeidet daher hohe Beschleunigungsspannungen und kann vorteilhaft in Kleingeräte, etwa zur Material-Analyse eingebaut werden. Die Herstellung soll im Wesentlichen mit den Methoden der Silizium-MEMS-Technologie erfolgen.
Die Grundgleichungen eines Zyklotrons verknüpfen bekanntlich die Resonanzfrequenz v und Magnetfeldstärke B mit der Elektronengeschwindigkeit v nach Resonanzfrequenz: v = 1 / 2π· e / m·B und ergeben einen Bahnradius r = m·v / e·B, wobei e / m die spezifische Ladung des zu beschleunigenden Teilchens, hier also des Elektrons ist.
Eine darauf basierende Abschätzung ergibt für Radien von typisch 0,2 cm und Magnetfeldstärken von 1,3 Tesla eine Resonanzfrequenz im Bereich von typisch 30 GHz.
Die hier skizzierten Parameter bzw. Werkstoffe und Verarbeitungsschritte sind mittlerweile verhältnismäßig preiswert und können insbesondere mit den Methoden der MEMS-Technik realisiert werden: Permanentmagnete auf NdFeB (Neodym-Eisen-Bor) mit Remanenzfeldstärken von 1,3 Tesla und auch darüber sind preiswert erhältlich und Hochfrequenz-Oszillatoren sind bis in den angesprochenen Frequenzbereich und auch weit darüber preiswert und miniaturisiert, etwa eingesetzt als Abstands-Radar in Automobilen, mittlerweile weit verbreitet.
Das für die Beschleunigung nötige Vakuum-Behältnis wird mittels MEMS-Technik hergestellt und soll nachfolgend anhand zweckmäßiger Ausführungsbeispiele wie folgt beschrieben werden:
Die Figuren nehmen Bezug auf einen momentan als vorteilhaft angesehenen Herstellungsprozess. Dementsprechend kann das Zyklotron bzw. der Kreisbeschleuniger aus zwei später flächig zu verbindenden Siliziumteilen gefertigt werden. Zweckmäßigerweise wird in einem anderen Teilstück die Vakuumfunktionalität und auf dem anderen Teilstück die elektrische Funktionalität verwirklicht. Die Vorrichtung kann jedoch auch mittels eines anderen Verfahrens realisiert werden, beispielsweise indem die Funktionalität in einem Teilstück realisiert ist und das zweite Teilstück ausschließlich als Deckplatte fungiert, oder indem der Kreisbeschleuniger beispielsweise aus mehr als zwei Teilstücke aufgebaut ist.
1a zeigt ein mittels der üblichen MEMS-Technik prozessiertes Stück Silizium 5, das ein Bodenteil 100' eines Kreisbeschleunigers definiert, in den typischen Abmessungen 10, 15, 20 von 12 × 9 × 0.4 mm bzw. 10 × 10 × 0,5 mm. Ferner können auch Halbleitersubstrate anderer Abmessungen verwendet werden. Ätztechnisch ist darin eine nicht notwendigerweise durch Rechtecke begrenzte Struktur 25 eingeätzt, die den späteren Vakuumbehälter formt.
Die Ätztiefe beträgt beispielsweise 0.2 mm (200 μm). Die Oberfläche dieser geätzten Cavity 25 kann mit einem Isolator wie SiO2 beschichtet sein.
An den großen Bereich 25, der die Vakuumkammer bildet, schließen sich weitere Bereiche an, die der Einfachheit halber, aber nicht notwendigerweise symmetrisch angelegt sind. Der große Bereich 25 stellt die evakuierte Zyklotronkammer dar. Daran schließen sich über einen Kanal 30 verbunden die zur Evakuierung verwendeten Kammern 35 an, die vorteilhaft mit einer Getter-Substanz 40 (z. B. Titan oder Magnesium) teilbeschichtet sind.
Ein im Bild oben dargestellter Bereich dient als Austrittsfenster 45 für die beschleunigten Elektronen. Vorteilhaft ist es, die „Anode” 50, also das die Röntgenstrahlen erzeugende Brems-Target in das Silizium 5 zu integrieren. Dazu können Teile der tiefgeätzten Struktur mit dem Material Wolfram gefüllt werden. Wolfram ist einerseits ein in der CMOS-Fertigung toleriertes und breit verwendetes Material, das eine für die effiziente Erzeugung von Bremsstrahlung günstige, weil hohe Ordnungszahl aufweist, und andererseits gelingt durch die enge physische Anordnung eine effiziente Wärmeabfuhr in das umgebende Silizium. Auch andere Target-Materialien wie Kupfer sind vorstellbar.
1b zeigt den in den Abmessungen praktisch gleichen „Deckel” 100'' des MEMS-Zyklotrons bzw. des Kreisbeschleunigers. Er trägt im Wesentlichen die für den Betrieb nötigen elektrischen Komponenten. Dieser Deckel kann gleichfalls tiefgeätzt sein, ist aber an seiner Oberfläche mit einem Isolator beschichtet, weil er die Beschleunigungs-„Dees” (die Elektroden 60a, b) und den Elektronenemitter 65 trägt. Als Elektroden 60a, b am besten geeignet sind Metallschichten (z. B. Aluminium, Wolfram), die entsprechend lithographisch strukturiert sind. Durch geeignete Formgebung erhält das Zyklotron einen bevorzugten Drehsinn. Dieser ist nicht zwingend nötig, vereinfacht aber die Anordnung des Targets.
Auch der Vakuumteil (vgl. 1a) kann vorteilhafterweise mit geometrisch korrespondierenden Elektroden aus Metall versehen sein, um eine Axial-Komponente der Elektronenbewegung zu unterdrücken. Zweckmäßigerweise sind dann beide Elektroden elektrisch leitend verbunden.
In Kombination zeigen 1a und 1b einen Kreisbeschleuniger 100 (vgl. 2) zur Beschleunigung von Ladungsträgern. Der Kreisbeschleuniger 100 umfasst eine Ladungsträgerquelle 65, eine Vakuumkammer 25 sowie Elektroden 60a, b. Ferner umfasst der Kreisbeschleuniger einen Magnetfelderzeuger (in 2 gezeigt), der ein Magnetfeld 70 erzeugt, das senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Ladungsträger verläuft. Die Ladungsträgerquelle 65 ist ausgebildet, freie Ladungsträger zu erzeugen, die von der Vakuumkammer 25 aufgenommen werden. Die Vakuumkammer wird mittels MEMS-Technologie hergestellt und kann zumindest an einem Hauptoberflächenbereich 25' der Vakuumkammer 25 ein Halbleitermaterial aufweisen. Die Elektroden 60a, b sind ausgebildet, die freien Ladungsträger in der Vakuumkammer 25 mittels eines Wechselstromfeldes zwischen der Elektrode 60a und der Elektrode 60b zu beschleunigen.
Unter MEMS(mikroelektromechanisches System)-Technologie wird ein maskendefiniertes Ätz- und Dotierverfahren verstanden, das vorzugsweise auf Halbleitermaterialien, aber auch zusammen mit anderen Materialien verwendet werden kann. Als Ätzverfahren kann beispielsweise ein Nass- oder Trockenverfahren eingesetzt werden. Ein weiteres Merkmal der MEMS-Technologie ist die Möglichkeit, sehr dünne Schichten auf die Oberfläche des Halbleitermaterials auftragen zu können. Somit ist es beispielsweise möglich, dünne Metallschichten abzuscheiden, die beispielsweise als Elektrode fungieren. Ferner ist das Abscheiden von Lithografiemasken möglich, die durch gezielte Belichtung strukturiert werden. Je nach Verfahren sind entweder die belichteten oder die unbelichteten Bereiche gegen das Ätzen durch das Ätzmedium geschützt. Somit lassen sich gezielt Bereiche in dem Halbleitermaterial herausätzen.
Die Elektroden 60a, b lassen sich demnach durch gezieltes Dotieren des Halbleitermaterials 5 oder durch Abscheiden beispielsweise einer Metallschicht erzeugen. Das Abscheiden kann mittels CVD (Chemical Vapor Deposition, dt.: chemische Gasphasenabscheidung), PVD (Physical Vapor Deposition, dt.: physikalische Gasphasenabscheidung) oder einem anderen geeigneten Verfahren erfolgen.
Wie bereits beschrieben kann die Vakuumkammer 25 durch Ätzen des Halbleitermaterials 5 erzeugt werden. Alternativ kann die Vakuumkammer 25 auch in eine auf das Halbleitermaterial aufgebrachte Schicht eines weiteren Materials, z. B. eine Schutz- oder Isolierschicht, geätzt werden, so dass beispielsweise nur die Oberfläche des Halbleitermaterials 5 freigeätzt wird. Dabei ist es möglich, das Halbleitermaterial als Ätzstopp zu nutzen. Ferner ist auch einer Kombination der beiden genannten Verfahren möglich, indem durch die dünne Schutz- bzw. Isolierschicht hindurch bis in das Halbleitermaterial 5 geätzt wird. Diese entstehende Vakuumkammer 25 kann ein Volumen kleiner als 100 mm³, bzw. kleiner als 50 mm³ bzw. vorzugsweise kleiner als 10 mm³ aufweisen.
Das Verbinden des in 1a gezeigten Unterteils und des in 1b gezeigten Oberteils des Kreisbeschleunigers erfolgt vakuumdicht, beispielsweise mittels upside-down Fügen, so dass in der Vakuumkammer über einen langen Zeitraum ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Die luftdichte Verbindung kann mittels eines Klebeverfahrens, anodischem Bonden oder Silizium-Fusionsbonden hergestellt werden. Der Verschluss wird z. B. an einer umlaufenden Bondfläche 75 realisiert. Wie bereits beschrieben, kann es vorteilhaft sein, die Elektroden 65a, b deckungsgleich an einem Hauptoberflächenbereich 25' des ersten Teilelements 100' und an einem dem Hauptoberflächenbereich 25' des ersten Teilelements 100' gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich 25'' des zweiten Teilelements 100'' anzuordnen.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels kann in der Vakuumkammer 25 bzw. im Zentrum des Beschleunigungsraums 25 eine Siliziumsäule 80 stehengelassen, d. h. vom Ätzen der Vakuumkammer 25 ausgenommen sein. Diese kann eine Grundfläche, die zu den Hauptoberflächenbereichen der Teilelemente zeigt, von beispielsweise weniger als 1 mm² aufweisen. Diese Säule 80 kann die evakuierte Cavity 25 (dt.: Hohlraum), die eine Fläche von bis zu 1 cm² aufweisen kann, mechanisch stützen, da sie Deckel 100'' und Unterteil 100' tragend verbinden kann. Dadurch wird die zwar geringe, aber immerhin vorhandene Durchbiegung der beiden Wände der Cavity 25 weiter minimiert, bzw. kann die Boden- und Deckenwand der Cavity dünner ausgelegt werden und somit die gesamte MEMS-Struktur dünner dimensioniert werden, wodurch sie die Anforderung an das magnetische Führungsfeld 70 weiter verringert. An der im Wesentlichen zylindrischen, vertikalen Fläche dieser Säule kann sodann eine heizbare Metallwendel (z. B. lithographisch) aufgebracht werden, die als Elektronenemitter 65 dient.
Ausführungsbeispiele zeigen die Ladungsträgerquelle 25 mit einem Heizdraht, der thermisch von dem Halbleitermaterial 5 isoliert ist. Zur Erhöhung der Anzahl der freien Ladungsträger, die von der Ladungsträgerquelle 25 abgegeben werden, ist es vorteilhaft, die Ladungsträgerquelle 25 mit einem Erdalkalioxid zu bedecken. Alternativ kann die Ladungsträgerquelle 25 ein Kohlenstoffnanoröhrchen (Carbon Nano Tube) oder ein Spindt-Emitter sein, wobei der Spindt-Emitter mittels MEMS-Technologie hergestellt ist.
In anderen Worten kann der Elektronenemitter 65 ein Spindt-Emitter, also eine mittels Ätztechnik erzeugte Nano-Spitze mit Extraktions-Elektrode sein. Einfacher ist allerdings eine Glühkathode zu realisieren; dies kann bekanntlich wie folgt erreicht werden: Am gewünschten Emissionsort, also im Zentrum des Zyklotrons 100, befindet sich eine planare Mäanderstruktur aus Metall (Wolfram), die als Heizung dient und mittels zwei oder einer (dann Schaltung gegen Bulk Silizium/Masse) Leiterbahnen versorgt wird. Es können die üblichen Verfahren für solche Heizer-Strukturen verwendet werden, also beispielsweise eine Verminderung der vertikalen Wärmeleitung vom Mäander nach unten mittels Freiätzen. Zur Steigerung der Elektronenemission kann die Mäander-Struktur mit einem Material geringer Austrittsarbeit, beispielsweise Barium oder Lanthanoxid, beschichtet werden.
Der Kreisbeschleuniger 100 bzw. der MEMS-Chip weist z. B. drei oder vier Verbindungen 85, die die Beschleunigungshochfrequenz an den Elektroden 60a, 60b sowie die Heizleistung an die Ladungsträgerquelle 85 zuführt, auf. Die in 1b gezeigten Anschlusspads 85 können vorteilhafterweise durchkontaktiert werden, um auf der richtigen Oberfläche, d. h. nach dem Verbinden der beiden Teilelemente 100, 100' an einem Außenoberflächenbereich, zu liegen.
2 zeigt das aus den beiden Teilen 100', 100'' zusammengefügte Zyklotron 100 zwischen den Polen des führenden Magnetfeldes. Das Magnetfeld 70 kann wie beschrieben von Permanent-Magneten 105 erzeugt werden, deren Magnetfluss durch hochpermeable Materialien 90 in geeigneter Weise über den Zyklotron-Beschleunigungs-Bereich 25 geleitet wird. Dabei kann die geometrische Auslegung der magnetischen Leiter 90 in bekannter Weise als „Polschuhe” dergestalt erfolgen, dass die für den bestimmungsgemäßen Betrieb nötige Homogenität einschließlich fokussierender radialer Feldkomponenten erreicht wird. Da im vorliegenden Fall das zu magnetisierende Volumen mit typisch 0,05 cm³ klein ist, kommt man mit vergleichsweise kleinen Magneten und auch dünnen (ca. 1 ... 2 × 10 mm² Querschnitt) Magnet-Leitern aus. Diese können auch aus geschichtet angeordneten hochpermeablen Folien aufgebaut werden, die dann durch ihre geometrische Formgebung lateral strukturierte „Polschuhe” formen.
Das Austrittsfenster 45 (vgl. 1a, b) der erzeugten Röntgenstrahlung 95 umfasst beispielsweise Silizium, das der Einfachheit halber im Zuge des Herstellungsprozesses lithographisch/ätztechnisch erzeugt werden kann und daher hohe Präzision bzw. geringe Dicke aufweist. Eine Schicht von etwa 10 ... 20 μm Silizium (Ordnungszahl 14) ist für die beispielsweise am Wolfram-Target (Ordnungszahl 74) erzeugte Bremsstrahlung praktisch mehrere hundertmal transparenter als Wolfram oder Blei.
Auch können anstelle der Röntgenstrahlung die beschleunigten Elektronen durch ein geeignetes Fenster ausgekoppelt werden, um auf ein wahlfreies Target zu treffen. Vorteilhaft ist hier, dass Silizium als Strukturmaterial eine vergleichsweise hohe Transparenz für Elektronen aufweist, und andererseits ätztechnisch Abmessungen von wenigen μm „Fensterdicke” hergestellt werden können.
Die Auskopplung der Elektronen aus der der Beschleunigung zugrundeliegenden Kreis- bzw. Spiralbahn erfolgt wie üblich elektrostatisch oder durch eine geeignete radiale Auslegung des magnetischen Führungsfeldes.
Die Abmessungen 205, 210, 215 des Kreisbeschleunigers 100 können beispielsweise im Bereich von 12 × 20 × 8 mm liegen.
3 zeigt ein Verfahren 300 zur Herstellung des Kreisbeschleunigers 100. In einem Schritt 305 erfolgt das Bereitstellen eines Halbleitermaterials, beispielsweise ein 10 × 10 × 0,5 mm großes Stück Silizium 5, als Substrat für den Kreisbeschleuniger. Nach dem Aufbringen einer Maske auf das Halbleitersubstrat oder einer über dem Halbleitermaterial angeordneten Schicht eines weiteren Materials in einem Schritt 310 wird in einem Schritt 315 in einen von der Maske definierten Teilbereich des Substrats eine beispielsweise kreisförmige oder rechteckige Vertiefung geätzt, die (nach einer vakuumdichten Abdeckung und Evakuierung in Schritt 355) das Beschleunigungsgefäß 25 (Vakuumkammer) darstellt. In Schritt 345 werden innerhalb der beispielsweise kreisförmigen Beschleunigungskammer zwei z. B. halbkreisförmige Elektroden („Dee”) angeordnet bzw. erzeugt. Diese beiden Elektroden können besonders zweckmäßig durch eine entsprechende Dotierung bestimmter Siliziumbereiche hergestellt werden (vgl. optionalen Schritt 345a). Alternativ können die Elektroden auch durch Abscheiden eines elektrisch leitfähigen Materials auf den Hauptoberflächenbereich 25'' der Vakuumkammer 25 erzeugt werden (Schritt 345b). An diese Elektroden 60a, b wird später die für die Beschleunigung nötige hochfrequente Spannung angelegt (beispielsweise 30 GHz, 30 V). Die vergleichsweise hohe Spannung entsteht durch Resonanzüberhöhung, als einem Vielfachen der Spannung der Ausgangsstufe des Oszillators. Nach einigen Hundert Umläufen haben die Elektronen eine Energie von etwa 200 keV erreicht.
In einem Schritt 350 wird die Ladungsträgerquelle 65, beispielsweise in die Mitte des in Schritt 315 geätzten Hohlraums eingefügt. Die Ladungsträgerquelle 25 wird alternativ auch als Elektronenquelle oder Emitter bezeichnet. Im einfachsten Fall handelt es sich bei diesem Emitter um eine thermisch vom Substrat isolierte Metallstruktur (Mäander), der auf die für die Elektronenemission nötige Temperatur aufgeheizt wird. Üblicherweise kann wie in der Vakuumröhrentechnik bekannt die Emission durch Beschichtung beispielsweise mit Erdalkalioxiden (WAO) gesteigert werden. Alternativ dazu können Emitter als Spindt-Emitter (hochfeingeätzte Silizumspitzen) oder auch als CNT (Carbon Nano Tube) Emitter realisiert werden. Auch eine Kombination mehrerer Emitterprinzipien ist vorteilhaft denkbar.
In zwei Schritten 320 und 325 können neben dem Beschleunigungsgefäß 25 auf dem Silizium eine oder mehrere weitere Kammern 35 in einen von der Maske definierten zweiten Teilbereich des Substrats sowie ein Verbindungskanal 30 in einen von der Maske definierten dritten Teilbereich des Substrats geätzt werden. Die Vakuumkammer 25 wird mittels des Kanals 30 mit der oder den weiteren Nebenkammern 35 verbunden, die zur Evakuierung und Vakuumhaltung dienen.
Nach der Strukturdefinition erfolgt in dem bereits erwähnten Schritt 355 das luftdichte Verschließen bzw. das vakuumdichte Zusammenfügen der beiden Teilelemente 100 und 100'' beispielsweise mittels eines Bondprozesses. Das Verschließen kann bereits im Vakuum erfolgen oder alternativ kann die Vakuumkammer anschließend evakuiert werden. Um Restgase zu binden wird vorteilhafterweise ein in den Nebenkammern 35 angeordneter Metallbelag (z. B. Titan, Magnesium), eine sogenannte Getter-Substanz, in einem optionalen Schritt 335 eingebracht. Das oberflächenfrische Metall bindet an der Oberfläche alsbald erste reaktive Gase (O₂, N₂, H₂O) unter Bildung von z. B. MgO oder TiO₂ und evakuiert die Kammer. Eine schnellere und vollständigere Evakuierung der Kammer von den Restgasen erfolgt durch Erwärmen der Gettersubstanz (beispielsweise mittels eines Lasers), wodurch die Reaktion der frischen Oberfläche der Gettersubstanz mit den Restgasen verbessert wird. Ferner erhält ein Überschuss an reaktionsfähigem Metall im Sinne eines Getters das Vakuum über sehr lange Zeiträume aufrecht.
Wird das Beschleunigungsgefäß 100' nur aus einem Teilbereich mit aktiven Komponenten hergestellt, d. h. die elektrischen Strukturen sowie die Struktur der Vakuumhaltung werden im Teilelement 100' realisiert, erfolgt das Verschließen des nach oben offenen Beschleunigungsgefäßes mittels gängiger Verfahren wie Silicon Fusion Bonding oder auch Anodic Bonding mittels eines weiteren Silizium-Stücks. Alternativ können auch andere Deckschichten, beispielsweise Quarz oder Metallfolien, zum Einsatz kommen. Die gesamte Struktur soll weniger als typisch 0.7 mm dick bei Abmessungen von typisch 1 cm² sein. Das vom Magnetfeld zu durchflutenden Volumen ist somit bei Polschuhabständen von weniger als 1 mm nur wenige Kubikmillimeter groß und daher leicht zu realisieren.
Diese miniaturisierte Struktur wird in einem Schritt 360 in ein im Wesentlichen mittels eines oder mehrerer Permanentmagnete erzeugtes Magnetfeld verbracht. Eine geeignete Beschaltung des Elektronenemitters führt zur Emission von Elektronen, das Hochfrequenzfeld beschleunigt diese Elektronen, wobei als typische End-Energie etwa 30 ... 200 keV angestrebt wird. Bei höheren Energien sind relativistische Effekte bei dieser einfachen Konfiguration zu beachten.
In einem optionalen Schritt 330 kann zunächst ein Graben in einen vierten Teilbereich des Substrats oder der Schutz bzw. Isolationsschicht geätzt werden, in den in Schritt 340 eine Anode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung abgeschieden wird. Die beschleunigten Elektronen werden schließlich auf die Anode gelenkt oder, falls keine Anode vorhanden ist, durch ein Fenster extrahiert. Ein solches Fenster kann aus dünnem Graphit, Diamant oder zweckmäßigerweise aus dünnem Silizium bestehen. Die beschleunigten Elektronen können auch außerhalb des eigentlichen Zyklotrons auf ein Target gerichtet werden. Dies bietet den Vorteil, wahlfrei verschiedene Targets, (auch als Anti-Kathode oder Anode bezeichnet) verwenden zu können und dadurch entsprechend des verwendeten Materials bevorzugt charakteristische Röntgenstrahlung zu generieren.
Die beschleunigten Elektronen können auch innerhalb des Zyklotrons, also auf demselben Substrat auf ein Target gerichtet werden. Für die Erzeugung von Röntgenstrahlen sind Targets mit hoher Kernladungszahl bevorzugt geeignet, wenn überwiegend die spektral kontinuierliche Bremsstrahlung erzeugt werden soll. Ein geeignetes Material dafür ist Wolfram. Wolfram bietet den Vorteil, im Rahmen der Silizium-MEMS-Technik technologisch zur Verfügung zu stehen. So kann beispielsweise ein photolithographisch strukturierter, tiefgeätzter Graben in Schritt 345 im Silizium erzeugt werden und mit chemisch abgeschiedenem Wolfram in Schritt 350 aufgefüllt werde. Dies dient dann als „Anode”. Die Auskopplung der Elektronen aus der Kreisbahn erfolgt wie üblich durch ein entweder permanent oder gepulst angelegtes radiales E-Feld an eine Elektrode. Diese Elektrode kann ebenfalls durch einen hoch dotierten Bereich realisiert werden.
Die Erzeugung des Magnetfeldes mittels Permanentmagnet minimiert den Energieverbrauch. Allerdings sind die Anregungsfrequenz und Magnetfeld verknüpft. Vorteilhafterweise betreibt man die elektrische Anregung bei ihrer Resonanzfrequenz, die durch die geometrischen Gegebenheiten festgelegt ist und sich praktischerweise kaum verstimmen lässt. Sinnvoller ist es die Magnetfeldstärke anzupassen. Dies kann entweder dynamisch durch eine stromdurchflossene Hilfsspule, also elektrisch erfolgen, deren Feld sich zum Permanentfeld addiert. Diese Spule braucht allerdings Strom. Vorteilhafter ist es den „Magnetspalt” durch eine geringfügige geometrische Veränderung dergestalt einzustellen, dass sich die für eine Beschleunigung optimalen Parameter ergeben. Dies kann beispielsweise durch eine Piezo-Folie zwischen Magnet und Beschleunigungs-Gefäß erfolgen, die den Polschuh-Abstand im μm-Bereich variiert. Die Piezo-Folie justiert die Luftspalte, um das Magnetfeld der im Wesentlichen aus Resonanz-Gründen festen Beschleunigungsfrequenz wenn nötig anzupassen.
Das hier skizzierte MEMS-Zyklotron liefert Elektronen-Ströme im Bereich von typisch 1 μA. Die Gesamtleistung und somit die thermische Belastung liegt damit bei einigen 100 mW. Dies ist im Vergleich zu herkömmlichen Röntgenquellen gering, reicht aber für viele Zwecke der Analytik bei weitem aus, insbesondere seit extrem sensitive Detektoren verfügbar sind. Die Vorteile sind die sehr geringe Baugröße, die vergleichsweise preiswerte Herstellung und der Wegfall hoher Spannungen. Somit sind auch Handheld-Geräte realisierbar, beispielsweise für die Material-Analyse mittels Röntgen-Fluoreszenz.
4 zeigt ein Verfahren 400 zur Herstellung eines Halbleitermaterials, das sich durch den Schritt 407 von dem in 3 gezeigten Verfahren 300 unterscheidet. Die Schritte 305 und 405, 310 und 410 etc. sind ferner äquivalent. In Schritt 407 wird die Schutz- bzw. Isolationsschicht auf das Halbleitersubstrat 5 aufgebracht. Ferner werden die nachfolgenden Schritte in der über dem Halbleitermaterial angeordneten Schicht des weiteren Materials, beispielsweise der Schutz- oder Isolationsschicht durchgeführt, so dass die Ätzprozesse an der Oberfläche des Halbleitersubstrats stoppen oder auch in die Oberfläche des Halbleitersubstrats eindringen. Ergänzend ist anzumerken, dass in den Verfahren 300 und 400 die Ätzvorgänge in den Schritten 315, 415, 320, 420, 325, 425, 330 und 430 in einem Schritt, d. h. mit der in Schritt 310 bzw. 410 aufgebrachten Maske erfolgen kann. Ebenso können die Verfahrensschritte beliebig untereinander vertauscht werden, um den Fertigungsprozess zu optimieren.
Bezogen auf alle genannten Ausführungsbeispiele ist anzumerken, dass die genannten Zahlenwerte beispielhaft und insbesondere nicht beschränkend sind.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Kreisbeschleuniger (100) zur Beschleunigung von Ladungsträgern mit folgenden Merkmalen: einer Ladungsträgerquelle (65), die ausgebildet ist, freie Ladungsträger zu erzeugen; einer Vakuumkammer (25), die ausgebildet ist, die freien Ladungsträger aufzunehmen, wobei die Vakuumkammer (25) mittels MEMS-Technologie hergestellt ist; Elektroden (60a, b), die ausgebildet sind, die freien Ladungsträger in der Vakuumkammer (25) mittels eines Wechselstromfeldes zu beschleunigen; einem Magnetfelderzeuger (105), der ausgebildet ist, ein Magnetfeld (70) senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Ladungsträger zu erzeugen; wobei angrenzend an die Vakuumkammer (25) eine Anode (50) angeordnet ist, die ausgebildet ist, durch Auftreffen eines Ladungsträgers Röntgenstrahlung (95) in die Umgebung des Kreisbeschleunigers (100) zu emittieren.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Elektroden (60a, b) aus hochdotierten Bereichen eines Halbleitermaterials gebildet sind.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vakuumkammer (25) durch Ätzen eines Halbleitermaterials oder durch Ätzen einer auf dem Halbleitermaterial aufgebrachten Schicht eines weiteren Materials hergestellt ist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vakuumkammer (25) ein Volumen kleiner als 100 mm³ bzw. kleiner als 50 mm³ bzw. kleiner als 10 mm³ aufweist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kreisbeschleuniger (25) ein erstes Teilelement (100') und ein zweites Teilelement (100'') aufweist, die vakuumdicht miteinander verbunden sind.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß Anspruch 5, wobei die luftdichte Verbindung mittels eines Klebeverfahrens, anodischem Bonden oder Silizium Fusionsbonden hergestellt ist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Elektroden (60a, b) deckungsgleich an einem Hauptoberflächenbereich (25') des ersten Teilelements (100') und an einem dem Hauptoberflächenbereich (25') des ersten Teilelements (100') gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich (25'') des zweiten Teilelements (100'') angeordnet sind.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der Ansprüche 5–7, wobei zwischen einem Hauptoberflächenbereich (25') des ersten Teilelements (100') und an einem dem Hauptoberflächenbereich (25') des ersten Teilelements (100') gegenüberliegenden Hauptoberflächenbereich (25'') des zweiten Teilelements (100'') eine Säule (80) angeordnet ist, die die beiden Hauptoberflächenbereiche (25', 25'') verbindet, wobei die Säule (80) ausgebildet ist, die beiden Hauptoberflächenbereiche (25', 25'') mechanisch zu stützen.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ladungsträgerquelle (65) ein Heizdraht ist, der thermisch von einem Halbmaterial (5) isoliert ist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ladungsträgerquelle (65) mit einem Erdalkali-Oxid bedeckt ist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ladungsträgerquelle (65) ein Kohlenstoff Nanoröhrchen oder ein Spindt-Emitter ist, wobei der Spindt Emitter mittels MEMS-Technologie hergestellt ist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kreisbeschleuniger (100), angrenzend an die Vakuumkammer (25) und über einen Verbindungskanal (30) verbunden mit der Vakuumkammer (25) eine weitere Kammer (35) aufweist, wobei in der weiteren Kammer (35) eine Getter-Substanz (40) angeordnet ist, die ausgebildet ist, mit in der Vakuumkammer (25) vorliegenden gasförmigen Molekülen zu reagieren und somit in der Vakuumkammer (25) ein Vakuum zu erzeugen.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß Anspruch 12, wobei die Getter-Substanz (40) ausgebildet ist, durch Erhitzen mittels einer ein Halbleitermaterial durchdringenden Infrarot-Laser-Strahlung, lokal zu verdampfen, um als Getter (40) mit vergrößerter Oberfläche zu wirken.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Getter-Substanz (40) Titan und/oder Magnesium aufweist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfelderzeuger (105) einen Permanentmagneten aufweist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfelderzeuger (105) zumindest zwei Polschuhe aufweist; wobei die Vakuumkammer (25) zwischen zumindest zwei Polschuhen (90) des Magnetfelderzeugers (105) angeordnet ist.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß Anspruch 16, wobei zwischen den zumindest zwei Polschuhen (90) eine Piezo-Folie angeordnet ist, die ausgebildet ist, einen Abstand der zumindest zwei Polschuhe (90) derart einzustellen, dass eine gewünschte Resonanzfrequenz der beschleunigten Ladungsträger erreicht wird.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Magnetfelderzeuger (105) eine Mehrzahl geschichtet angeordneter, hochpermeabler Folien aufweist, die ausgebildet sind, lateral strukturierte Polschuhe (90) zu formen.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kreisbeschleuniger (100) eine stromdurchflossene Hilfsspule aufweist, die ausgebildet ist, das Magnetfeld (70) des Magnetfelderzeugers (105) derart einzustellen, dass eine gewünschte Resonanzfrequenz der beschleunigten Ladungsträger erreicht wird.
Kreisbeschleuniger (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kreisbeschleuniger (100) einen Festfrequenz-Oszillator oder eine Gunn-Diode aufweist, die ausgebildet ist, eine Wechselspannung an die Elektroden (60a, b) anzulegen, wobei der Wechselspannung eine Frequenz aufweist, die an die Geometrie der Vakuumkammer (25) angepasst ist.
Verfahren (300) zur Herstellung eines Kreisbeschleunigers (100) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats (5), das ein Halbleitermaterial aufweist, für den Kreisbeschleuniger (100); Aufbringen einer Maske auf das Substrat (5); Ätzen einer Vakuumkammer (25) in einen von der Maske definierten Teilbereich des Halbleitermaterials oder einer über dem Halbleitermaterial angeordneten Schicht eines weiteren Materials; Erzeugen von Elektroden (60a, b) an einem Hauptoberflächenbereich (25'') der Vakuumkammer (25); Einfügen einer Ladungsträgerquelle (65) in die Vakuumkammer; vakuumdichtes Verschließen und Evakuieren der Vakuumkammer (25); Anordnen eines Magnetfelderzeugers (105), so dass ein Magnetfeld (70) in Dickenrichtung der Vakuumkammer (25) erzeugt wird; Anordnen einer Anode (50) angrenzend an die Vakuumkammer (25), wobei die Anode ausgebildet ist, durch Auftreffen eines Ladungsträgers Röntgenstrahlung (95) in die Umgebung des Kreisbeschleunigers (100) zu emittieren.
Verfahren (300, 400) gemäß Anspruch 21 mit: Ätzen einer weiteren Kammer (35) in einen von der Maske definierten zweiten Teilbereich des Substrats oder der über dem Halbleitermaterial angeordneten Schicht des weiteren Materials; Ätzen eines Verbindungskanals (30) in einen von der Maske definierten dritten Teilbereich des Substrats oder der über dem Halbleitermaterial angeordneten Schicht des weiteren Materials; Einbringen einer Getter-Substanz (40) in die weitere Kammer (35).
Verfahren (300, 400) gemäß einem der Ansprüche 21–22 mit: Ätzen eines Grabens in einen von der Maske unbedeckten vierten Teilbereich des Substrats oder der über dem Halbleitermaterial angeordneten Schicht des weiteren Materials; Abscheiden einer Anode (50) zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in den Graben.
Verfahren (300, 400) gemäß einem der Ansprüche 21–23 mit: Dotieren des Halbleitermaterials in einem Hauptoberflächenbereich (25'') der Vakuumkammer (25) zur Erzeugung der Elektroden (60a, b); oder Abscheiden eines elektrisch leitfähigen Materials auf einem Hauptoberflächenbereich (25'') der Vakuumkammer (25) zur Erzeugung der Elektroden (60a, b).