DE102020119875A1

DE102020119875A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Führen geladener Teilchen

Info

Publication number: DE102020119875A1
Application number: DE102020119875.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Niedermayer
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-07-28
Publication date: 2022-02-03
Also published as: US20220039247A1; US11877379B2

Abstract

Eine Vorrichtung zum Führen, insbesondere Leiten oder Beschleunigen, geladener Teilchen (50) umfasst ein Substrat (110) mit einer Oberfläche (115); eine auf der Oberfläche (115) ausgebildete optisch dünnere Schicht (120); einen inhomogenen Kanal (130), der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat (110) gegenüberliegenden Seite der Schicht (120) ausgebildet ist; und eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl (140) zu erzeugen und in den Kanal (130) von einer der optisch dünneren Schicht (120) entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Dabei ist die Schicht (120) für den Laserstrahl (140) optisch dünn ausgebildet, und die Begrenzungsstrukturen weisen eine im Vergleich zur Schicht (120) hohe optische Dichte auf. Die Begrenzungsstrukturen sind ausgebildet, um die Teilchen (50) durch den Laserstrahl (140) im Kanal (130) zu führen und dabei entlang des Kanals (130) sowie in mindestens einer zum Kanal (130) senkrechten Richtung alternierend zu fokussieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen in einem Teilchenstrahl, ein Verfahren zur Herstellung eines Kanals zum Führen geladener Teilchen, ein Verfahren zum Führen geladener Teilchen in dem Kanal sowie insbesondere auf eine Beschleunigung und eine dreidimensionale Fokussierung eines Elektronenstrahls in einem Device Layer einer Silicon-on-Insulator Nanostruktur durch eine vertikale Laser-Einstrahlung mit einer Möglichkeit zu einer lateralen Ableitung von Verlustelektronen.
HINTERGRUND
Elektrisch geladene Teilchen in einem Teilchenstrahl können durch Verbreiterungen und Verjüngungen in einem inhomogenen Kanal mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfeldes geführt werden; die Teilchen im Kanal können insbesondere beschleunigt und fokussiert werden. Zur Führung der Teilchen wird eine räumliche Variation der periodisch wechselnden elektrischen Feldstärke mit einer Position der Teilchen bzw. der Teilchenpakete im Kanal abgestimmt. Die räumliche Variation der Feldstärke wird dabei mit Hilfe der Inhomogenität des Kanals bewirkt. Die vorausgesetzte hohe Präzision der Abstimmung kann durch Nanofabrikation erreicht werden. Verfahren mit diesen Merkmalen werden unter dem breit gefassten Begriff dielektrische Laserbeschleunigung (Dielectric Laser Acceleration, DLA) zusammengefasst. Im Deutschen ist auch der Begriff „Glasbeschleuniger“ gebräuchlich.
In der Patentliteratur ist dazu insbesondere bekannt, Laserlicht durch eine inhomogene Berandung des Kanals in den Kanal einzuführen. So offenbart etwa das Patent DE 10 2015 116 788 B3 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die (Energie-) Modulation eines Teilchenstrahls in einem Kanal. Eine auf eine medizinische Anwendung ausgerichtete Vorrichtung zur Beschleunigung von Elektronen nach dieser Methode ist in CA 268 1824 A1 offenbart. Einige weitere Ausführungsformen für die inhomogene Kanalberandung bietet etwa die Patentschrift US 2009 314 949 A1 . Zudem geht beispielsweise aus US 2014 070 732 A1 hervor, dass die Inhomogenität auch nicht direkt einen Querschnitt des Kanals betreffen muss, sondern innerhalb der Kanalberandung auftreten kann.
Große Bedeutung kommt bei der Führung der Teilchen neben der Beschleunigung der Fokussierung, also einer ausrichtenden Korrektur des Teilchens in seinem Bewegungsphasenraum, zu. Da sich aus physikalischen Gründen keine elektromagnetische Feldkonfiguration im Raum erzeugen lässt, die ein geladenes Teilchen in alle Raumrichtungen gleichzeitig stabilisieren könnte, werden im Allgemeinen Felder erzeugt, welche die Teilchen in mit zeitlicher Abfolge wechselnden Richtungen fokussieren. Ein dazu aus der Fachliteratur als Alternating-Phase Focusing, APF, bekanntes Verfahren nutzt einen Wechsel zwischen Positionen der Teilchen oder der Teilchenpakete relativ zu einer im Ruhesystem der Teilchen stationären Phase des elektromagnetischen Wechselfeldes aus. Dabei wechselt das Teilchen regelmäßig zwischen einer bezüglich der Fokussierung in seine Flugrichtung stabilen und einer instabilen Position, und zeitgleich zwischen einer bezüglich einer zu seiner Flugrichtung senkrechten Richtung entsprechend instabilen und stabilen Position.
Für das Erzeugen elektromagnetischer Felder zum Zweck des fokussierten Transports geladener Teilchen im Kanal können symmetrische Randbedingungen wichtig sein. In diesem Zusammenhang hat sich insbesondere zum Ausbilden eines fokussierenden Feldprofils ein Kanal mit einem für Laserlicht effektiv lediglich von zwei einander gegenüberliegenden Seiten begrenzten Querschnitt als vorteilhaft erwiesen. In bekannten Beispielen wird eine solche Konfiguration durch ein Anbringen von Begrenzungselementen, die als Beschleunigungs- und Fokussierelemente dienen, realisiert. Insbesondere kann dies durch einen Brechungsindexkontrast, d.h. zwei Materialien mit hoher und niedriger optischer Dichte, erreicht werden. So können die Beschleunigungselemente aus einem optisch dichten Material bestehen und auf einem Grund aus optisch dünnem Material angebracht sein. In dieses optisch dünne Material kann das Laserlicht unter lediglich sehr geringer Reflexion eintreten.
Zur Miniaturisierung solcher Vorrichtungen zur Führung geladener Teilchen existieren bisher experimentelle Anordnungen in Halbleiterstrukturen. Dabei kommen sogenannte Silicon-on-Insulator (SOI) wafers zum Einsatz, die eine Abfolge aus einer z.B. Silizium enthaltenden Schicht (device layer, optisch dicht und elektrisch leitfähig) und einer optisch dünnen und elektrisch isolierenden Schicht (cladding) z.B. aus Siliziumdioxid über einem oft ebenfalls Silizium enthaltenden Substrat aufweisen. Der Kanal wird in der Siliziumschicht des device layer beispielsweise mit foto- oder elektronenstrahl-lithographischen Verfahren und durch Ätzen ausgebildet. Der Kanal besitzt dann eine Berandung durch die optisch dünne Isolationsschicht und durch Siliziumstrukturen des device layer. Insbesondere für ein Fokussieren nach dem APF-Verfahren werden in solchen Vorrichtungen zwei Laserstrahlen zeitgleich durch die einander gegenüberliegenden Siliziumberandungen des Kanals in diesen eingestrahlt. Dazu müssen auch in der Isolationsschicht Strukturen ausgebildet sein, die ebenfalls durch ein Ätzen erzeugt werden.
Trotz der Fokussierung können z.B. durch nichtlineare Prozesse Teilchen aus dem Stahl verloren gehen. Solche gestreuten Teilchen (stray particles) können die Stabilität des Teilchenstrahls aufgrund der Coulomb-Wechselwirkung empfindlich stören. Dies stellt insbesondere für die gerade beschriebenen Vorrichtungen ein Problem dar, weil sich Erdungen der den Kanal begrenzenden Siliziumstrukturen nicht ohne Weiteres anbringen lassen: Erdungsbahnen in Richtung der einfallenden Laserstrahlen stören ein Heranführen des Laserlichts, solche durch die optisch dünne, elektrisch isolierende Schicht sind technisch aufwendig und brechen die gerade durch diese Schicht erreichte Symmetrie. Eine weitere Schwierigkeit insbesondere bei den das APF-Verfahren nutzenden bestehenden Vorrichtungen besteht in der präzise abgestimmten Einstrahlung der beiden Laserstrahlen durch die Seiten des Kanals, welche zur Erzeugung eines symmetrischen Feldes phasengleich (d.h. zeitgleich mit Abweichungen von unter einer Femtosekunde) eintreffen müssen. Das dafür notwendige Ätzen nicht nur der Silizium- sondern insbesondere auch der Isolationsschicht ist technisch aufwendig und wirtschaftlich ineffizient. Die Streuung der Elektronen und die Feinabstimmung zweier Laserstrahlen behindern zusätzlich eine effiziente Miniaturisierung solcher Vorrichtungen.
Es besteht somit ein Bedarf nach einer auf effizientere Weise längenskalierbaren Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel wird zumindest teilweise durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1, einen Teilchenbeschleuniger nach Anspruch 7, ein Verfahren nach Anspruch 8 und ein Verfahren nach Anspruch 9 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Führen (insbesondere Fokussieren und Beschleunigen) geladener Teilchen. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche, eine Schicht einer niedrigen optischen Dichte bzw. mit einem niedrigen Brechungsindex auf der Oberfläche, einen inhomogenen Kanal, der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen begrenzt ist. Der Kanal ist auf einer der Oberfläche des Substrats gegenüberliegenden Seite der Schicht ausgebildet. Der Kanal umfasst optional Erdungsbahnen, die ebenfalls auf der dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Schicht und außerhalb des Kanals ausgebildet sind. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen und diesen in den Kanal von einer der Schicht entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Dabei ist die Schicht für den mindestens einen Laserstrahl optisch dünn, d.h. mit niedrigem Brechungsindex, ausgebildet, und die Begrenzungsstrukturen weisen eine im Vergleich zu der Schicht hohe optische Dichte auf. Die Begrenzungsstrukturen sind optional an jeweils mindestens eine Erdungsbahn angeschlossen, um Teilchen aus dem Kanal abzuleiten, die aus dem Kanal in die Begrenzungsstrukturen austreten. Der inhomogene Kanal ist ausgebildet, um die Teilchen durch den Laserstrahl im Kanal zu führen und entlang des Kanals sowie in mindestens einer zum Kanal senkrechten Richtung alternierend zu fokussieren.
Die Teilchen können insbesondere Elektronen sein. Das Substrat und die optisch dünne Schicht können insbesondere Teile einer Nanostruktur wie etwa eines SOI wafers sein und beispielsweise Silizium (hoher Brechungsindex) bzw. Siliziumdioxid (niedriger Brechungsindex) aufweisen. Die Schicht ist dann auch elektrisch isolierend. Der Kanal ist auf einer Seite durch die optisch dünne Schicht begrenzt.
Die den Kanal bildenden Begrenzungsstrukturen sind aus einem optisch dichteren Material als die Schicht, wobei ein hoher Kontrast, also Unterschied in optischer Dichte bzw. in Brechungsindizes, zwischen den Begrenzungsstrukturen und der Schicht vorteilhaft ist. Die Begrenzungsstrukturen können durchgehend oder aus einer Vielzahl einzelner Elemente zusammengesetzt sein.
Gerade bei Verjüngungen des Kanalquerschnitts können aus ihrer vorgesehenen Flugbahn gestreute Teilchen auf die Begrenzungsstrukturen auftreffen und die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung durch elektrostatische Kräfte stören. Durch ein Ableiten kann diese Störung verhindert werden. Falls der Kanal dafür Erdungsbahnen aufweist, können diese selbst nur schwach leitend sein und somit vorteilhafterweise in einem Schritt mit den Begrenzungsstrukturen erzeugt werden. Die Erdungsbahnen können insbesondere aus demselben Material bestehen wie die Begrenzungsstrukturen; dabei kann das Material insbesondere Silizium aufweisen. Metalle können wegen ihrer niedrigen Laser-Zerstörschwelle vollständig vermieden werden. In Ausführungsbeispielen enthalten die Erdungsbahnen lediglich ein relativ zur optisch dünnen, elektrisch isolierenden Schicht besser leitendes Material; beispielsweise kann Silizium für ein auftreffendes Teilchen bereits ausreichend leitend wirken, um eine Aufladung zu verhindern. Das Material der Begrenzungsstrukturen und/oder der Erdungsbahnen kann auch etwa durch (homogene oder inhomogene) Dotierung mit z.B. Antimon oder Aluminium halbleitendes Silizium aufweisen. Die Möglichkeit einer lateralen Ableitung von aus dem Kanal gestreuten Teilchen ist eine direkte Konsequenz der Einstrahlung des Laserstrahls aus einer anderen als der Kanalwandrichtung.
Die Strahlungseinrichtung erzeugt wiederholte, zeitlich begrenzte Laserlichtpulse, die den mindestens einen gepulsten Laserstrahl bilden. Eine Pulsdauer ist vorteilhafterweise auf eine Repetitionsrate von räumlich getrennten Teilchenpaketen, die durch die Teilchen gebildet werden, abgestimmt. Insbesondere kann auch die Teilchenquelle durch den Laser betrieben werden. Vorteilhafterweise ist die Pulsdauer so kurz, dass eine zweite Reflexion von einer der Oberfläche des Substrats gegenüberliegenden Seite des Substrats zeitlich so versetzt im Kanal ankommt, dass die Teilchen nicht mehr von dieser zweiten Reflexion gestört werden. Durch anti-reflektive Beschichtung kann die Reflexion von der gegenüberliegenden Seite des Substrats auch vollständig unterbunden werden.
Die Strahlungseinrichtung strahlt den mindestens einen Laserstrahl nicht lateral oder entlang der optisch dünnen Schicht in den Kanal ein, sondern unter einem Winkel von einer der optisch dünnen Schicht gegenüberliegenden Seite des Kanals. Der Winkel kann insbesondere 90 Grad betragen; die Strahlungseinrichtung kann also ausgebildet sein, um zumindest einen Laserstrahl senkrecht auf die den Kanal begrenzende elektrisch isolierende Schicht einzustrahlen. Der Kanal weist weiter Wände oder andere begrenzende Strukturen auf, die den Kanalquerschnitt in räumlicher Variation verjüngen und verbreitern. Diese Inhomogenität des Kanals stellt für das elektromagnetische Schwingungsfeld Randbedingungen dar, die so beschaffen sind, dass das elektromagnetische Schwingungsfeld in den Kanal eintretende Teilchen führt, also insbesondere entlang des Kanals beschleunigt und/oder transportiert, und zudem alternierend fokussiert. Die Länge des Kanals kann beliebig gewählt werden, es kann also über eine längere Distanz eine erhebliche Beschleunigung erzielt werden, wobei der Teilchenstrahl durch die alternierende Fokussierung transversal gefangen ist. Alternierend soll bedeuten, dass die Fokussierung in zeitlicher bzw. in Längsrichtung des Kanals räumlicher Abfolge in verschiedene Richtungen wechselt. Die Beschleunigung kann dabei nach dem bekannten DLA-Verfahren erfolgen Die alternierende Fokussierung kann insbesondere nach dem APF-Verfahren geschehen.
Optional umfassen die Begrenzungsstrukturen des Kanals eine Vielzahl von Beschleunigungselementen, die quasi-periodisch angeordnet sind, um das Fokussieren über eine nicht-homogene Phasenrelation zu erreichen. Insbesondere können die Beschleunigungselemente in zwei Reihen auf der elektrisch isolierenden Schicht angebracht sein und dadurch den Kanal begrenzen. Die Beschleunigungselemente sind dabei freistehend, also zumindest in einer Umgebung des Kanals untereinander nur durch die optisch dünne Schicht verbunden. Die Beschleunigungselemente können einzelne Zellen bilden, die jeweils zwei Beschleunigungselemente umfasst, durch welche die Teilchen hindurchgeführt werden. Die Grundflächen der Beschleunigungselemente können durch Formen wie Ellipsen, Dreiecke oder U-Formen begrenzt sein, wobei eine Abrundung von Ecken zur Vermeidung einer Feldüberhöhung vorteilhaft ist. Abstände zwischen den Beschleunigungselementen einer Begrenzungsstruktur sind so ausgebildet, dass die Teilchen geleitet und alternierend fokussiert werden. Dazu sind die Abstände der Beschleunigungselemente einer Begrenzungsstruktur unterschiedlich; insbesondere treten Sprünge im Ablauf der Abstände auf, die den Wechsel der Position der Teilchen bezüglich einer Phase des elektromagnetischen Wechselfeldes bewirken und so ein flexibles Design der Teilchendynamik nach den physikalischen Grundlagen der Alternierenden Phasen Fokussierung (APF) ermöglichen.
Insbesondere führt das APF-Verfahren in einem einfachen Fall auf eine Fokussierung der Teilchen abwechselnd in einer Richtung entlang des Kanals, bzw. in Richtung eines durch die Teilchen gebildeten Teilchenstrahls, sowie in einer Raumrichtung senkrecht dazu. In solchen Fällen können beispielsweise außerhalb des Kanals angebrachte Magnete (etwa Quadrupolmagnete) eingesetzt werden, um die Teilchen auch in einer weiteren Richtung senkrecht zum Kanal zu fokussieren. In einer Erweiterung des APF-Verfahrens ist es jedoch bekannt, durch geeignete Beschleunigungselemente allein durch das elektromagnetische Wechselfeld der eingestrahlten Laserstrahlen eine Fokussierung in einer weiteren Richtung senkrecht zum Kanal zu erreichen. Eine Verbindung dieser Form der Fokussierung in allen drei Raumrichtungen mit der Einstrahlung insbesondere eines einzelnen Laserstrahls in den Kanal begünstigt eine Miniaturisierung der Vorrichtung.
Optional umfassen die Begrenzungsstrukturen eine Vielzahl von Erdungsbahnen, und die Beschleunigungselemente sind jeweils mit einer eigenen Erdungsbahn elektrisch verbunden, um aus dem Kanal in das jeweilige Beschleunigungselement austretende Teilchen aus dem Kanal abzuleiten.
Optional weist mindestens ein Beschleunigungselement eine elliptisch begrenzte Grundfläche auf. Elliptisch begrenzt Grundflächen führen im Unterschied zu Beschleunigungselementen mit scharfen Kanten zu einem glatten elektromagnetischen Wechselfeld. Insbesondere kann es sich bei den Beschleunigungselementen um Ellipsenzylinder (Zylinder mit elliptisch begrenzter Grundfläche) handeln. Die Ellipsenzylinder bilden periodische oder quasi-periodische Einzelzellen. Die Ellipsenzylinder können insbesondere paarweise angeordnete Pfeiler sein, so dass das elektromagnetische Wechselfeld die Teilchen durch einen Spalt zwischen den Pfeilern jeweils eines Paares hindurch führt; der Spalt stellt dabei eine Verjüngung des Kanals dar.
Optional weisen die elektrisch isolierende Schicht Siliziumdioxid und das Substrat sowie die Begrenzungsstrukturen jeweils Silizium auf. Insbesondere das Silizium kann dabei auch dotiert sein. Zudem kann die Oberfläche ausgebildet sein, um den mindestens einen eingestrahlten Laserstrahl zu reflektieren, und um dadurch ein symmetrisches Wechselfeld im Kanal zu erzeugen und so die Teilchen zu führen.
Siliziumdioxid ist ein signifikant schlechterer Leiter als Silizium. Siliziumdioxid begünstigt durch seine Durchlässigkeit die Symmetrie des Wechselfeldes, wie es durch die Ellipsenzylinder und die Reflexion am Substrat ausgebildet wird. Die Oberfläche des Substrats ist insbesondere für Licht im Wellenlängenbereich des Laserstrahls (teilweise) reflektierend. Die Reflexion des Laserstrahls bewirkt eine lokale Symmetrisierung eines durch die Reflexion und den Laserstrahl erzeugten elektromagnetischen Quadrupol-Schwingungsfeldes im Kanal. Eine totale Reflexion des Laserstrahls an der Oberfläche des Substrats ist dabei nicht notwendig.
Optional ist die Strahlungseinrichtung ausgebildet, um lediglich einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen sowie in den Kanal von einer der optisch dünnen Schicht entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Vorteilhafterweise strahlt die Strahlungseinrichtung den Laserstrahl in einem Winkel von 90° zur Oberfläche des Substrats in den Kanal ein. Dabei kann die Wellenlänge des Lasers auf eine Periodenlänge in der Anordnung der Beschleunigungselemente bzw. in einer Anordnung der durch die Beschleunigungselemente gebildeten Einzelzellen angepasst sein, um eine Beschleunigung zu ermöglichen. Ausführungsformen, bei denen zwei Laserstrahlen in den Kanal einstrahlen, sehen hingegen beispielsweise zwei relativ zur elektrisch isolierenden Schicht jeweils um Winkel von z.B. 45° geneigte Einstrahlrichtungen vor.
Ausführungsbeispiele beziehen sich weiter auf einen Teilchenbeschleuniger mit einer Vorrichtung der vorangehend beschriebenen Art, wobei die geladenen Teilchen insbesondere Elektronen sind und die Strahlungseinrichtung eine Optik aufweist, um den gepulsten Laserstrahl zu formen und senkrecht oder schräg auf die Oberfläche des Substrats zu richten.
Das Formen des Laserstrahls ist dabei bezüglich der Form seiner Pulse zu verstehen. Die Pulse weisen geneigte und/oder räumlich gekrümmte Fronten in ihrer Intensitätsverteilung auf, die geeignet ist, die Teilchen im Kanal zu führen und gleichzeitig alternierend zu fokussieren. Eine Erzeugung solcher Pulsformen kann dabei insbesondere aus der Fachliteratur zur DLA entnommen werden.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche, eine auf der Oberfläche ausgebildete optisch dünne Schicht, einen inhomogenen Kanal, der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Schicht ausgebildet ist, und eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen und in den Kanal von einer der elektrisch isolierenden Schicht entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Bereitstellen einer Struktur, insbesondere einer Mikro- oder Nanostruktur, mit einer Abfolge aus einer oberen, optisch dichten und zu ätzenden Schicht (z.B. Silizium), der optisch dünnen Schicht und dem Substrat, wobei die optisch dünne Schicht eine im Vergleich zur Ätzschicht (der zu ätzenden Schicht) niedrigeren Brechungsindex aufweist;
Ätzen lediglich der Ätzschicht, dadurch Ausbilden des Kanals bzw. der Begrenzungsstrukturen und der Erdungsbahnen.

Die Struktur kann insbesondere ein SOI wafer sein. Das Ätzen kann Teil eines fotolithographischen oder elektronenstrahllithographischen Verfahrens zur Ausbildung des Kanals in einer Siliziumschicht eines SOI wafers, beispielsweise mit Siliziumdioxid als elektrisch isolierender Schicht, sein. Insbesondere verlangt das Verfahren zur Herstellung vorteilhafterweise kein Ätzen der optisch dünnen Schicht.
Ausführungsbeispiele beziehen sich weiter auf ein Verfahren zum Führen geladener Teilchen in einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche, eine auf der Oberfläche ausgebildete optisch dünne Schicht, einen inhomogenen Kanal, der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Seite der Schicht ausgebildet ist, und eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen und in den Kanal von einer der elektrisch isolierenden Schicht entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Das Verfahren umfasst die Schritte:

Einstrahlen des mindestens einen gepulsten Laserstrahls in den Kanal von einer der optisch dünnen Schicht gegenüberliegenden Seite her; dadurch
Führen, insbesondere Beschleunigen, der Teilchen in dem Kanal; und
Alternierendes Fokussieren der Teilchen entlang des Kanals sowie in mindestens einer zu einer Richtung des Kanals senkrechten Richtung.

Das Beschleunigen im Kanal kann durch ein DLA-Verfahren erfolgen. Das Fokussieren und Führen kann durch ein APF-Verfahren erfolgen. Vorzugsweise führt das Fokussierverfahren alternierend auf eine Fokussierung sowohl in Richtung des Kanals wie auch in zwei voneinander unabhängige Richtungen senkrecht auf die Richtung des Kanals, bzw. in alle drei Raumrichtungen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bieten dabei gegenüber vorangehenden Vorrichtungen zur Führung geladener Teilchen die folgenden Vorteile. Die Vorrichtung erleichtert signifikant die Implementierung insbesondere eines Elektronenbeschleunigers auf einem Mikrochip. Die Beschleunigung von Elektronen mit hohen Gradienten in Mikrostrukturen erfordert ein Fokussierschema, und insbesondere für APF-Verfahren sind lasergetriebene Elektronenbeschleuniger auf einem Mikrochip bekannt, die jedoch eine Laserbeleuchtung von zwei Seiten zur Erzeugung eines symmetrischen elektromagnetischen Wechselfeldes im Kanal voraussetzen. Weiterhin ist für diese Vorrichtungen ein sehr aufwendiges lithographisches Herstellungsverfahren für die Strukturen auf dem Mikrochip erforderlich. Die SOI wafer, die dort zur Anwendung kommen, müssen sowohl in der obersten Schicht (device layer) wie auch in einem zweiten Schritt in der Glas (SiO2) aufweisenden Isolator-Schicht (cladding) geätzt werden. Die seitliche Einstrahlung erfordert perfekte Symmetrie der beiden Laserstrahlen (exakt gleiche Phase) und zwei Ätzschritte bei der Strukturherstellung, wobei besonders der zweite Schritt (ätzen der cladding-Schicht) sehr aufwendig ist. Weiterhin ist eine Erdung der obersten Schicht zur Ableitung von aus dem Teilchenstrahl verlorenen Elektronen aufgrund der seitlichen Einstrahlung nicht möglich. Das Aufladen der Strukturen könnte dabei zwar durch Aufdampfen einer extrem dünnen Metallschicht verhindert werden, jedoch senkt eine Verwendung von Metall eine Zerstörschwelle und limitiert damit in deutlich nachteilbehaftetem Maß die Amplitude der Laserstrahlen. In reinen Siliziumstrukturen lassen sich allerdings nur schwer die symmetrischen Fokussierfelder erzeugen, die für einen längenskalierbaren Beschleuniger mit Elektroneneinschluss basierend auf dem APF-Verfahren erforderlich sind. Bekannte Versuche zur Reduktion auf einen einzelnen seitlich eintreffenden Laserstrahl sind bisher insbesondere hinsichtlich einer Erzeugung eines hinreichend symmetrischen elektromagnetischen Felds im Kanal nicht erfolgreich verlaufen.
Demgegenüber stellen Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtung eine einfache Implementierung des APF-Fokussierschemas dar, indem durch den vorgestellten Aufbaus des Kanals, insbesondere mit paarweise jeweils eine Zelle bildenden Pfeilern, sowie durch den mindestens einen, von einer der elektrisch isolierenden Schicht entgegengesetzten Seite her und insbesondere vertikal in den Kanal einstrahlenden Laserstrahl die notwendigen Fokussier- und Beschleunigungsfelder generiert werden. Durch diese Beleuchtung der Strukturen von oben, anstatt von beiden Seiten, lässt sich nicht nur ein Optik-Zweig einsparen, es lassen sich auch alle vorangehend genannten Probleme gleichzeitig lösen. Die Laserfelder, die zur Fokussierung und Beschleunigung der Elektronen eingesetzt werden, sind inhärent horizontal symmetrisch und werden durch die Reflexion von der Silizium-Oberfläche des Silizium-Materials des Substrats vertikal symmetrisiert. Wegen der dabei benutzten kurzen Laserpulse ist eine Reflexion von der Substrat-Unterseite vernachlässigbar. Ausführungsformen der vorliegenden Vorrichtung stellen damit eine erhebliche Vereinfachung des technischen Aufbaus dar, da nur noch ein einziger Laserstrahl benötigt wird und sich die Optik somit miniaturisieren lässt. Weiterhin lässt sich durch die Einstrahlung in den Kanal von einer der elektrisch isolierenden Schicht entgegengesetzten Seite des Kanals auch die Chipherstellung vereinfachen, da nur noch die oberste Schicht der Vorrichtung (das device layer) mit Hilfe von z.B. Fotolithographie oder Elektronenstrahllithographie hergestellt werden muss. Für SOI wafer ist dies ein Standardprozess, der in vielen nanophotonischen Anwendungen zum Einsatz kommt. Der deutlich aufwendigere Lithographie-Schritt, um die darunterliegende Glasschicht (das cladding) zu ätzen, entfällt. Da die äußeren seitlichen Enden der insbesondere elliptischen Pfeiler nun als freier Raum zur Verfügung stehen, lassen sich zudem auf der elektrisch isolierenden Schicht bzw. im device layer Leiterbahnen erzeugen, die ausgebildet sind, um verlorene Elektronen für jede Beschleunigungszelle individuell zu beiden Seiten abzuleiten und so eine elektrostatische Aufladung der Struktur zu verhindern. Diese Leiterbahnen verbinden dabei die einzelnen Pfeiler untereinander nicht direkt. Somit bleiben jeweils ein Pfeilerpaar umfassende Einzelzellen des Kanals für die Laserfelder voneinander unabhängig, was für das Laserphasen-abhängige APF-Fokussierschema von entscheidendem Vorteil ist (höhere Bandbreite). Das zu patentierende Design erlaubt daher ein Ableiten der verlorenen Elektronen, ohne die individuellen Zellen direkt zu koppeln, was dann die im Rahmen des APF-Verfahrens zur Fokussierung genutzten Phasensprünge durch kurze Driftstrecken zwischen den Zellen ermöglicht. Die Elektronenstrahldynamik ist damit nur marginal durch die Leiterbahnen beeinflusst.
Durch Ausführungen der vorliegenden Vorrichtung wird es somit zum ersten Mal möglich, mit nur einem einzigen Laserstrahl in beiden transversalen Achsen symmetrische synchrone Felder in Nanostrukturen zu erzeugen, mit denen Elektronen in dielektrischen Mikrostrukturen über beliebig lange Strecken beschleunigt werden können. Weiterhin können verlorene Elektronen effektiv abgeleitet werden, ohne dass die dazu nötigen Verbindungen bzw. Leiterbahnen die Qualität der Laserfelder negativ beeinflussen.
Es lassen sich daher als Ausführungsbeispiele der vorliegenden Vorrichtung lasergetriebene Elektronenbeschleuniger auf Mikrochips konstruieren, die deutlich kleiner sind als ihre bislang bekannten konventionellen Gegenstücke. Ein solcher miniaturisierter Elektronenbeschleuniger kann kostengünstig und einfach hergestellt und in großen Stückzahlen vertrieben werden. Anwendungen liegen beispielsweise in der Elektronenmikroskopie und -beugung, die ein entscheidendes Werkzeug zur Forschung an Makromolekülen (Physik/Chemie/Biologie) darstellt.
Figurenliste
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

1 zeigt zwei Ansichten für ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine weitere Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 1.
3 illustriert weitere Details für das Ausführungsbeispiel der 2.
4 illustriert das Ausführungsbeispiel nach 1 mit Erdungsbahnen.
5 zeigt weitere Ansichten des Ausführungsbeispiels nach 4.
6 illustriert eine Feldstärke im Querschnitt eines Kanals für ein Ausführungsbeispiel.
7 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen.
8 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Führen geladener Teilchen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt zwei Ansichten a, b eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen 50 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dargestellt in Ansicht a auf der linken Seite der Figur ist ein Querschnitt durch ein Substrat 110 mit einer reflektierenden Oberfläche 115. Auf der Oberfläche 115 ist eine optisch dünne und elektrisch isolierende Schicht 120 ausgebildet. Weiter ist ein inhomogener Kanal 130 im Querschnitt zu sehen, der auf einer dem Substrat 110 gegenüberliegenden Seite der elektrisch isolierenden Schicht 120 ausgebildet ist. Der Kanal 130 wird gebildet durch zwei Begrenzungsstrukturen, die hier jeweils als eine Reihe von Ellipsenzylindern als Beschleunigungselemente 132 ausgeführt sind. Erdungsleitungen für die Begrenzungsstrukturen sind in dieser Figur nicht dargestellt. Ebenfalls nicht dargestellt ist eine Strahlungseinrichtung, die einen gepulsten Laserstrahl 140 erzeugt, für den eine Einfallrichtung durch einen vertikalen Pfeil angegeben ist. Der Laserstrahl 140 strahlt in den Kanal von einer der elektrisch isolierenden Schicht 120 entgegengesetzten Seite her und hier insbesondere vertikal auf die optisch dünne Schicht 120 ein. Der Laserstrahl 140 durchdringt die optisch dünne Schicht 120. Die Oberfläche 115 bewirkt eine (teilweise) Reflexion des Laserstrahls 140, und der Kanal 130 ist so ausgebildet, dass durch den Laserstrahl 140 und die Reflexion im Kanal 130 ein elektromagnetisches Wechselfeld entsteht, das in Ansicht a die Teilchen 50 mit Flugrichtung vertikal auf die dargestellte Querschnittsebene führt, also insbesondere leitet und/oder beschleunigt. Zusätzlich ist der Kanal 130 so ausgebildet, dass das elektromagnetische Wechselfeld geeignet ist, um die Teilchen 50 in Richtung des Kanals 130 und in mindestens einer zum Kanal 130 senkrechten Richtung (zum Beispiel orthogonal zur Einfallsrichtung des Laserstrahls 140 und zur Richtung des Kanals 130) alternierend zu fokussieren.
In Ansicht b auf der rechten Seite der Figur ist eine perspektivische Sicht auf den Kanal 130 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kanal 130 auf der optisch dünnen Schicht 120 durch die Vielzahl Silizium aufweisender Beschleunigungselemente 132 mit elliptischer Grundfläche begrenzt bzw. gebildet. Die Beschleunigungselemente 132 bilden eine Begrenzung des Kanals 130 durch ihre Anordnung in zwei Reihen, wobei sich jeweils zwei Beschleunigungselemente 132 paarweise gegenüberstehen. Die Beschleunigungselemente 132 stehen in Brechungsindexkontrast zu der optisch dünnen Schicht 120, weisen also eine höhere optische Dichte bzw. einen höheren Brechungsindex auf als die Schicht 120. Ein Unterschied in einem Brechungsindex der Beschleunigungselemente 132 gegenüber einem Brechungsindex der Schicht 120 kann dabei einen Faktor 1,5 oder auch mehr umfassen. Die Abstände zwischen den Beschleunigungselementen 132 ist einer Geschwindigkeit der Teilchen 50 entlang des Kanals 130 angepasst; die Länge der Einzelzelle λ_g = β λ (beispielsweise Abstand zweier Beschleunigungselemente 132 in einer Reihe) wird bestimmt durch die relative Geschwindigkeit β = v/c der Teilchengeschwindigkeit v im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit c und durch eine Wellenlänge λ des eingestrahlten Laserlichts 140.
Abweichungen 137 der Beschleunigungselemente 132 von Abständen der Größenordnung λ_g bewirken Sprünge der Phase des Laserlichts 140 für Teilchen 50. Dadurch wird das Alternierende Phasenfokussierschema APF implementiert. Die Phasensprünge zur Teilchenfokussierung gestalten dabei die Elektronendynamik gemäß dem aus der Fachliteratur bekannten Verfahren des Alternating-Phase Focusing (APF).
2 zeigt eine weitere Ansicht des Ausführungsbeispiels aus 1. Ein Puls des eingestrahlten Laserstrahls 140 ist so geformt, dass er die Teilchen 50 im Kanal 130 führt und gleichzeitig zu Paketen (bunches) formt, so dass die Teilchenpakete sich nicht auflösen und nicht die Begrenzungsstrukturen bzw. die Beschleunigungselemente 132 treffen.
Alternativ zur hier dargestellten Ausführungsform mit lediglich einem Laserstrahl 140 können auch mehrere Laserstrahlen verwendet werden. Beispielsweise können zwei Laserstrahlen unter gleichem Winkel jeweils um 45° gegenüber der optisch dünnen Schicht 120 geneigt in den Kanal 130 einfallen. Auf diese Weise kann auch ein alternatives elektromagnetisches Wechselfeld, welches beispielsweise Teilchen in vertikale Richtung ablenkt, ausgebildet werden.
3 zeigt weitere Details des Ausführungsbeispiels aus 1.
Die Figur zeigt in einem Teil 1 einen Längsschnitt durch das Substrat 110, die elektrisch isolierende Schicht 120 und den Kanal 130. Es ist eine elektrische Feldstärke in Längsrichtung eines Pulses des Laserstrahl 140 in beliebigen linearen Einheiten dargestellt. Die Pulse des Laserstrahls 140 dringen in die elektrisch isolierende Schicht 120 ein und werden insbesondere an der Oberfläche 115 zumindest teilweise reflektiert. Dadurch wird das elektromagnetische Wechselfeld im Kanal 130 in einer Richtung vertikal zur isolierenden Schicht 120 symmetrisiert. Die genaue Form der Pulse ist im einfachsten Falle eine ebene Welle (Gaussscher Ellipsoid-Puls); optional sind Fronten der Pulse auf die Bewegung der Teilchen abgestimmt, d.h. in angepasster Weise geneigt (tilted), wobei die Phasenfronten parallel zur Elektronenstrahlachse bleiben. Die Pulse können auch eine inhomogene Intensitätsverteilung in der Richtung entlang des Kanals 130 aufweisen. Verfahren für eine Erzeugung von gepulstem Laserlicht mit einer zumindest teilweise einstellbaren Intensitätsverteilung und mit geneigten Pulsfronten in der Lasereinrichtung sind in der Fachliteratur bekannt.
Die Figur zeigt in einem Teil 2 einen Dickenverhältnisse qualitativ wiedergebenden Querschnitt durch das Substrat 110, die elektrisch isolierende Schicht 120 und den Kanal 130. In Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung insbesondere auf einem Silicon-on-Insulator (SOI) wafer ausgebildet. Ein solcher wafer umfasst beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht 120 (cladding) zwischen zwei Schichten Silizium, von denen eine als Substrat 110 (bulk) dient, und in der anderen (device layer) durch lithographische Verfahren der Kanal 130 ausgebildet wird. Das device layer bzw. die Beschleunigungselemente 132 können dabei über der isolierenden Schicht 120 beispielsweise 220 nm hoch sein; eine Dicke der isolierenden Schicht 120 kann etwa 3 µm betragen, und das Substrat 110 kann eine Dicke von ca. 725 µm aufweisen. Eine zeitliche Halbwertsbreite (Full Width at Half Maximum, FWHM) für Pulse des Laserstrahls 140 kann etwa im Bereich von 800 bis 1000 fs liegen, bei geneigten Pulsfronten auch etwas kürzer sein. Für einen Durchlauf durch die Isolationsschicht kann Licht etwa 14 fs benötigen; der an der Oberfläche 115 reflektierte Laserstrahl tritt dann etwa 28 fs nach seinem Eintreten in die elektrisch isolierende Schicht als reflektierter Strahl wieder in den Kanal ein. Für einen Durchlauf durch die Siliziumschicht des Substrats kann Licht hingegen etwa 8.2 ps benötigen; eine Störung des elektromagnetischen Wechselfeldes im Kanal durch eine weitere Reflexion an einer Unterseite des Substrats 110 erreicht den Kanal somit erst deutlich nach dem Abklingen des Laserpulses und nach der Passage des Elektronenpulses.
Die Figur zeigt in einem Teil 3 eine vergrößerte Darstellung des Querschnitts aus Teil 2 im Bereich der elektrisch isolierenden Schicht 120. Hier sind zwei Beschleunigungselemente 132 zu sehen, die den Kanal 130 beranden und einen Spalt für die Teilchen 50 bilden.
Die Figur zeigt in einem Teil 4 ein Beispiel für einen Schnitt durch eine synchrone Feldstärke e₁ des elektromagnetischen Wechselfeldes, wie es durch den Laserstrahl 140 und seine Reflexion im Kanal 130 erzeugt werden kann. Die synchrone Feldstärke in Abhängigkeit der transversalen Position (x, y) ist darin folgendermaßen definiert: $e_{1} (x, y) = \frac{1}{λ_{g}} \int_{- λ_{g} / 2}^{λ_{g} / 2} E_{z} (x, y, z) e^{i \frac{2 π z}{β λ}} d z,$
wobei E_z (x, y, z) das elektrische Feld in Kanalrichtung am Ort z entlang des Kanals im Frequenzbereich ist, für eine Frequenz, die durch c / λ mit der Wellenlänge λ und der Lichtgeschwindigkeit c gegeben ist. Weiter ist β = v/c eine Relativgeschwindigkeit der Teilchen, gebildet aus der Teilchengeschwindigkeit v im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit c.
Ein Kreuz in einer mittleren Region des Bildes gibt einen Symmetriepunkt des Feldstärkeprofils und gleichzeitig eine zentrale Position des rechtwinklig zur Zeichenebene ausgerichteten Teilchenstrahls wieder. Die horizontale Achse zeigt Abstände in nm von dieser Position; die vertikale Achse zeigt eine Höhe in nm über der elektrisch isolierenden Schicht 120. Eine Skala neben dem Bild indiziert eine Größe der Feldstärke, normiert auf die einfallende Feldstärke. Die genaue Form des Potentialprofils hängt von der Beschaffenheit der Beschleunigungselemente bzw. Einzelzellen 132 ab und kann einer transversalen Phasenraumverteilung der Teilchen 50 an der Position des dargestellten Querschnitts im Kanal angepasst werden.
4 zeigt insbesondere Erdungsbahnen 152 im Ausführungsbeispiel der 1. Jedes Beschleunigungselement 132 ist über eine eigene Erdungsbahn 152 mit einer Erdungsstruktur 155 verbunden und auf diese Weise geerdet. Die Erdungsbahnen 152 sind ausgebildet auf der dem Substrat 110 gegenüberliegenden Seite der Schicht 120 außerhalb des Kanals 130. Die Erdungsbahnen 152 sind zudem ausgebildet, um aus ihrer Flugbahn bzw. dem Kanal 130 hinreichend ausgescherte Teilchen 50, die auf Beschleunigungselemente 132 auftreffen, aus dem Kanal 130 abzuleiten. Die Beschleunigungselemente 132 und in der dargestellten Ausführungsform auch die Erdungsbahnen 152 sind aus einem für den Laserstrahl 140 optisch dichten Material, während die Schicht 120 optisch dünn und für den Laserstrahl nahezu transparent ist. Dabei ist ein großer optischer Kontrast vorteilhaft; die optischen Dichte bzw. ein Brechungsindex der Beschleunigungselemente 132 kann beispielsweise um einen Faktor 3 oder mehr höher als die optische Dichte bzw. ein Brechungsindex der Schicht 120 sein. Die optisch dünne Schicht 120 ist zudem elektrisch isolierend.
Ein eingesetztes Bild 5 zeigt eine Vergrößerung des Kanals 130 auf der elektrisch isolierenden Schicht 120 mit Beschleunigungselementen 132 und den von ihnen ausgehenden Erdungsbahnen 152. Ein weiteres eingesetztes Bild 6 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau mit einem qualitativ dargestellten Dickenverhältnis von Substrat 110, optisch dünner Schicht 120 und Strukturen des Kanals 130.
Durch Ausführungsbeispiele der vorgestellten Vorrichtung sind skalierbare und insbesondere längenskalierbare Beschleuniger beispielsweise für Elektronen als Teilchen 50 realisiert, die eine Energievervielfachung z.B. von 20 keV auf 60 keV oder auch auf 1 MeV bzw. eine entsprechende Beschleunigung der Elektronen bei Länge des Kanals 130 unterhalb von ca. 2 cm bewirken.
5 zeigt weitere Ansichten des Ausführungsbeispiels aus 4. In einem oberen Teil der Figur ist eine perspektivische Sicht in Richtung des Kanals 130 auf das Substrat 110, die optisch dünne Schicht 120 und die Strukturen des Kanals 130 mit den Erdungsbahnen 152 dargestellt. In einem unteren Teil der Figur ist ein Ausschnitt des Querschnitts aus dem eingesetzten Bild 6 in der 3 in Vergrößerung dargestellt. Dieser Teil zeigt die optisch dünne Schicht 120 und darauf die Strukturen des Kanals 130 mit Beschleunigungs-und Fokussierelementen 132, Erdungsbahnen 152 und der Erdungsstruktur 155 für die Erdung der Beschleunigungselemente 132 über die Erdungsbahnen 152.
6 zeigt drei Profile a, b, c für eine synchrone Feldstärke e₁ des elektromagnetischen Wechselfeldes im Kanal 130 (hier nicht dargestellt), wie sie durch den Laserstrahl 140 und seine Reflexion im Kanal 130 erzeugt werden kann. Ein Kreuz in einer mittleren Region jedes der Profile a, b, c gibt einen Symmetriepunkt des jeweiligen Feldstärkeprofils und gleichzeitig eine zentrale Position des rechtwinklig zur Zeichenebene ausgerichteten Teilchenstrahls wieder. Die horizontale Achse zeigt jeweils Abstände in nm von dieser Position; die vertikale Achse zeigt jeweils eine Höhe in nm über der elektrisch isolierenden Schicht 120. Eine Skala neben dem Bild indiziert jeweils die Amplitude der auf die einfallende Laserfeldstärke normierten synchronen Feldstärke, die ein Teilchen 50 in Richtung des Kreuzes des jeweiligen Profils bewegt und so in allen drei Raumrichtungen alternierend fokussiert. Die drei Profile a, b, c entsprechen drei aufsteigenden Werten der relativen Geschwindigkeit β = v/c der Teilchengeschwindigkeit v im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit c. Bei einer Beschleunigung der Teilchen entlang des Kanals 130 entspricht dies gleichzeitig drei aufsteigenden Positionen entlang des Kanals 130. Ein Feldstärkeprofil kann für jede relative Geschwindigkeit β berechnet werden. Eine Drift des durch das Kreuz bezeichneten Symmetriepunktes in einem der dargestellten Profile kann durch geeignete Anpassung der Beschleunigungselemente 132 kompensiert und eine Variation der Position des Symmetriepunkts im Querschnitt entlang des Kanals dadurch verhindert bzw. minimiert werden. Die genaue Form des Feldstärkeprofils hängt von der Beschaffenheit der Beschleunigungselemente 132 bzw. der durch jeweils zwei Beschleunigungselemente 132 gebildeten Einzelzellen und einer Geschwindigkeit der Teilchen 50 ab.
7 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen 50. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat 110 mit einer Oberfläche 115, eine auf der Oberfläche 115 ausgebildete optisch dünne Schicht 120, einen inhomogenen Kanal 130, der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat 110 gegenüberliegenden Seite der optisch dünnen Schicht 120 ausgebildet ist, und eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl 140 zu erzeugen und in den Kanal 130 von einer der optisch dünnen Schicht 120 entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Die Begrenzungsstrukturen können insbesondere eine Vielzahl von Beschleunigungselementen 132 umfassen. Ein hoher optischer Kontrast zwischen denBegrenzungsstrukturen bzw. den Beschleunigungselementen 132 und der optisch dünnen Schicht 120 ist dabei vorteilhaft; ein Brechungsindex der Beschleunigungselemente 132 kann gegenüber einem Brechungsindex der Schicht 120 etwa um einen Faktor 3 größer sein. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen S110 einer Mikro- oder Nanostruktur, wie etwa eines SOI wafers, die eine Abfolge aus einer Ätzschicht (etwa ein Silizium aufweisendes device layer), der optisch dünnen Schicht 120 (etwa einem Glas bzw. Siliziumdioxid aufweisenden cladding) und dem Substrat 110 (etwa einem wiederum Silizium aufweisenden bulk) umfasst. Ein weiterer Schritt des Verfahrens umfasst ein Ätzen S120 lediglich der Ätzschicht, wodurch ein Ausbilden des Kanals 130 und der Erdungsbahnen 152 stattfindet.
Insbesondere umfasst das Verfahren vorteilhafterweise kein Ätzen der optisch dünnen Schicht 120. Die optisch dünne Schicht 120 kann eine Ätzstoppschicht darstellen, d.h. wenn die obere Ätzschicht geätzt wird, stoppt der Ätzprozess automatisch auf der beispielhaften Oxidschicht 120. In Ausführungsbeispielen findet das Ätzen S120 als Schritt eines Verfahrens der Foto- oder Elektronenstrahllithographie statt; solche Verfahren sind in der Halbleitertechnik bekannt. Insbesondere sind fertige SOI wafer bereits kommerziell verfügbar. Dies ist für eine Durchführung einer Fokussierung nach dem APF-Verfahren bedeutsam.
8 zeigt Schritte eines Verfahrens zum Führen geladener Teilchen 50 in einem Kanal 130 einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen 50. Die Vorrichtung umfasst ein Substrat 110 mit einer Oberfläche 115, eine auf der Oberfläche 115 ausgebildete optisch dünne Schicht 120, einen inhomogenen Kanal 130, der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat 110 gegenüberliegenden Seite der optisch dünnen Schicht 120 ausgebildet ist, mindestens zwei Erdungsbahnen 152, ausgebildet auf der dem Substrat 110 gegenüberliegend Seite der Schicht 120, und eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl 140 zu erzeugen und in den Kanal 130 von einer der optisch dünneren Schicht 120 entgegengesetzten Seite her einzustrahlen. Die Begrenzungsstrukturen können insbesondere eine Vielzahl von Beschleunigungselementen 132 umfassen. Ein hoher optischer Kontrast zwischen den Begrenzungsstrukturen bzw. den Beschleunigungselementen 132 und der optisch dünnen Schicht 120 ist dabei vorteilhaft; ein Brechungsindex der Beschleunigungselemente 132 kann gegenüber einem Brechungsindex der Schicht 120 etwa um einen Faktor 3 größer sein. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Einstrahlen S210, durch die Strahlungseinrichtung, des mindestens einen gepulsten Laserstrahls 140 in den Kanal 130 von einer der optisch dünnen Schicht 120 entgegengesetzten Seite her, wobei die Oberfläche 115 eine Reflexion des Laserstrahls 140 bewirkt. Dadurch bildet sich im Kanal 130 ein quadrupolares synchrones elektromagnetisches Wechselfeld. Ein zweiter Schritt umfasst ein Führen S220, also insbesondere ein Beschleunigen und/oder Leiten vermittels des elektromagnetischen Wechselfeldes, der Teilchen 50 in dem Kanal 130. Gleichzeitig erfolgt ein alternierendes Fokussieren S230, insbesondere nach dem APF-Verfahren, der Teilchen 50 entlang des Kanals 130 sowie in mindestens einer zum Kanal 130 senkrechten Richtung.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

50: geladene Teilchen
110: Substrat
115: reflektierende Oberfläche
120: optisch dünne Schicht (kleiner Brechungsindex)
130: Kanal (Vakuum)
132: Beschleunigungs- und Fokussierelement (optisch dicht, großer Brechungsindex)
137: Abweichung in regelmäßigen (periodischen oder quasiperiodischen) Abständen der Begrenzungselemente zum Bewirken eines Phasensprungs
140: gepulster Laserstrahl
152: Erdungsbahn (elektrisch leitfähig, z.B. gleiches Material wie 132)
155: Erdungsstruktur (elektrisch leitfähig, z.B. gleiches Material wie 132)
S110, S120: Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen
S210, S220, S230: Schritte eines Verfahrens zum Führen geladener Teilchen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015116788 B3 [0003]
CA 2681824 A1 [0003]
US 2009314949 A1 [0003]
US 2014070732 A1 [0003]

Claims

Eine Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen (50) mit einem Substrat (110) mit einer Oberfläche (115); einer Schicht (120) auf der Oberfläche (115); einem inhomogenen Kanal (130), ausgebildet durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat (110) gegenüberliegenden Seite der Schicht (120); einer Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl (140) zu erzeugen und in den Kanal (130) von einer der Schicht (120) entgegengesetzten Seite her einzustrahlen, wobei die Schicht (120) für den mindestens einen Laserstrahl (140) optisch dünn ausgebildet ist und die Begrenzungsstrukturen eine im Vergleich zur Schicht (120) hohe optische Dichte aufweisen, und wobei die Begrenzungsstrukturen ausgebildet sind, um die Teilchen (50) durch den mindestens einen Laserstrahl (140) im Kanal (130) zu führen und dabei entlang des Kanals (130) sowie in mindestens einer zum Kanal (130) senkrechten Richtung alternierend zu fokussieren.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die beiden Begrenzungsstrukturen des Kanals (130) eine Vielzahl von Beschleunigungselementen (132) umfassen, die quasi-periodisch angeordnet sind, um das Fokussieren über eine nichthomogene Phasenrelation zu erreichen.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Begrenzungsstrukturen eine Vielzahl von Erdungsbahnen (152) umfassen, und die Beschleunigungselemente (132) jeweils mit einer eigenen Erdungsbahn (152) elektrisch verbunden sind, um aus dem Kanal (130) in das jeweilige Beschleunigungselement (132) austretende Teilchen (50) aus dem Kanal (130) abzuleiten.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei mindestens ein Beschleunigungselement (132) eine elliptische Grundfläche aufweist.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Schicht (120) Siliziumdioxid und die Beschleunigungselemente (132) sowie das Substrat (110) jeweils Silizium aufweisen, und/oder wobei die Oberfläche (115) ausgebildet ist, um den mindestens einen eingestrahlten Laserstrahl (140) zu reflektieren, um dadurch ein symmetrisches Wechselfeld im Kanal (130) zu erzeugen und so die Teilchen (50) im Kanal (130) zu führen.
Die Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Strahlungseinrichtung ausgebildet ist, um nur einen gepulsten Laserstrahl (140) in den Kanal (130) von einer der Schicht (120) entgegengesetzten Seite her senkrecht oder schräg einzustrahlen, um ein in zwei Richtungen transversal zum Kanal (130) symmetrisches Fokussierfeld zu erzeugen.
Ein Teilchenbeschleuniger mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geladenen Teilchen (50) insbesondere Elektronen sind und die Strahlungseinrichtung eine Optik aufweist, um den mindestens einen gepulsten Laserstrahl (140) zu formen und senkrecht oder schräg auf die Oberfläche (115) zu richten.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen (50) mit einem Substrat (110) mit einer Oberfläche (115), einer auf der Oberfläche (115) ausgebildeten Schicht (120), einem inhomogenen Kanal (130), der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat (110) gegenüberliegenden Seite der Schicht (120) ausgebildet ist, und mit einer Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl (140) zu erzeugen und in den Kanal (130) von einer der Schicht (120) entgegengesetzten Seite her einzustrahlen, das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen (S110) einer Struktur mit einer Abfolge aus einer oberen Schicht, der Schicht (120) und dem Substrat (110), wobei die Schicht (120) für den Laserstrahl eine im Vergleich zur Ätzschicht geringe optische Dicke aufweist; und Ätzen (S120) lediglich der oberen Schicht, dadurch Ausbilden der Begrenzungsstrukturen des Kanals (130).
Ein Verfahren zum Führen geladener Teilchen (50) in einer Vorrichtung zum Führen geladener Teilchen (50), die Vorrichtung umfasst ein Substrat (110) mit einer Oberfläche (115), eine auf der Oberfläche (115) ausgebildete Schicht (120), einen inhomogenen Kanal (130), der durch zwei einander gegenüberliegende Begrenzungsstrukturen auf einer dem Substrat (110) gegenüberliegenden Seite der Schicht (120) ausgebildet ist, und eine Strahlungseinrichtung, die ausgebildet ist, um mindestens einen gepulsten Laserstrahl (140) zu erzeugen und in den Kanal (130) von einer der Schicht (120) entgegengesetzten Seite her einzustrahlen, das Verfahren umfasst die Schritte: Einstrahlen (S210) des mindestens einen Laserstrahls (140) in den Kanal (130) von einer der Schicht (120) entgegengesetzten Seite her, wobei die Oberfläche (115) eine Reflexion des mindestens einen Laserstrahls (140) bewirkt; dadurch Führen (S220) der Teilchen (50) in dem Kanal (130); und Alternierendes Fokussieren (S230) der Teilchen (50) entlang des Kanals (130) sowie in mindestens einer zum Kanal (130) senkrechten Richtung.