EP4022663A1 - Elektronenquelle zum erzeugen eines elektronenstrahls - Google Patents

Elektronenquelle zum erzeugen eines elektronenstrahls

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EP4022663A1
EP4022663A1 EP20751508.1A EP20751508A EP4022663A1 EP 4022663 A1 EP4022663 A1 EP 4022663A1 EP 20751508 A EP20751508 A EP 20751508A EP 4022663 A1 EP4022663 A1 EP 4022663A1
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EP
European Patent Office
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graphene
cathode
electron source
anode
electron
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20751508.1A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Weber
Michael Krieger
Christian Ott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
Original Assignee
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg filed Critical Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an electron source for generating an electron beam.
  • the invention also relates to a method for generating an electron beam.
  • Electron sources are used, among other things, in electron microscopy and for the generation of X-rays.
  • a point source of high brilliance and low energy dispersion is required;
  • a high stability and service life with vacuum conditions that are as uncritical as possible are desirable.
  • Thermal emitters with low brilliance but simple construction are known from the prior art. Also known are monocrystalline tungsten or LaB6 field effect emitters which, although they have a high level of brilliance, have extreme vacuum requirements due to ion bombardment and can only be operated stably over short periods of time. Finally, so-called Schottky emitters are known which are operated at high temperatures and represent a sensible compromise between field effect emitters and the more stable thermal emitters. However, Schottky emitters are expensive, usually have to be selected by hand and require complex adjustment during installation; in addition, their shelf life is limited to one to a few years.
  • the invention is based on the object of providing an improved electron source for generating an electron beam. Another object of the invention is to provide an improved method for generating an electron beam. In particular, the invention is intended to overcome disadvantages of the electron sources and methods for generating an electron beam known from the prior art.
  • the object set is achieved by an electron source with the features of claim 1.
  • the electron source according to the invention has a cathode with a substrate which comprises silicon carbide.
  • the substrate of a component (for example the cathode) of the electron source is a material on which the component (and possibly other components) are directly (in the sense that the component is directly in mechanical connection with the substrate) or indirectly (in the sense that components are mechanically connected to the substrate by means of another component or another material).
  • Silicon carbide in the context of the present invention can have defects and / or be doped with foreign atoms. It can be single or multicrystalline.
  • This aspect of the invention can take advantage of the fact that silicon carbide has good high-voltage strength. It can also take advantage of the fact that processes for manufacturing silicon carbide on an industrial scale are available. Finally, with silicon carbide it can advantageously be achieved that with electrical potential differences of a few kilovolts, as required for an electron source, surface currents only play a subordinate role.
  • the invention can advantageously be achieved that several components of the electron source can be arranged on a common substrate comprising silicon carbide, which can result in greater integration. This can simplify the manufacture of the electron source according to the invention. Miniaturization, that is to say a reduction in the installation space required for the electron source, can also advantageously be achieved. In particular, an on-chip electron source can be realized with the invention.
  • one or more components of the electron source can be arranged with other electronic, mechanical or mechatronic components on a common substrate comprising silicon carbide, which can also result in a higher integration density.
  • This can simplify the manufacture of devices that include an electron source. It is also advantageously possible to achieve miniaturization, that is to say a reduction in the installation space that is required for a device that includes an electron source.
  • an on-chip device which has an electron source can be realized with the invention.
  • an electron source for generating an electron beam which comprises an anode which has a graphene layer.
  • a graphene layer in the context of the present invention is a graphene monolayer or a graphene multilayer with a maximum of 100 graphene monolayers lying on top of one another.
  • a single layer of in one is used as a graphene monolayer carbon atoms arranged in a hexagonal lattice.
  • a graphene monolayer according to the invention can - locally or completely - be chemically modified, have lattice distortions and / or defects and / or be doped with foreign atoms.
  • a completely or partially oxidized graphene layer is also a graphene layer in the context of the present invention. However, the preferred graphene layer is not or only partially oxidized or chemically modified.
  • a multilayer graphene layer according to the invention preferably has less than 50, particularly preferably less than 15, particularly preferably less than 4, preferably less than 3 monolayers.
  • This aspect of the invention can take advantage of the fact that graphene is one of the materials with particularly high permissible current densities.
  • the invention can also take advantage of the fact that graphene is extremely robust.
  • the object is also achieved by a method for generating an electron beam having the features of claim 15.
  • electrons are emitted from a cathode, the cathode having a substrate comprising silicon carbide.
  • electrons are accelerated to an anode, which comprises a graphene layer.
  • the invention is suitable for the monolithic production of a miniaturized source of a high-energy, focused electron beam, including its use as an on-chip X-ray source. All components of the electron source according to the invention can be manufactured from or on a single silicon carbide chip.
  • the substrate particularly preferably consists predominantly, particularly preferably completely, of silicon carbide.
  • the preferred silicon carbide of the invention is one of the polytypes 4H-SiC and 6H-SiC.
  • the preferred cathode comprises a graphene layer, preferably the cathode consists of one or more graphene layers.
  • the preferred graphene layer (s) of the cathode is / are in contact with the silicon carbide of the substrate.
  • the graphene layer of the cathode is preferably grown epitaxially with the silicon carbide, for example by thermal decomposition.
  • a suitable method for producing epitaxial graphene on silicon carbide is from KV Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, GL
  • Kellogg L. Ley, J.L. McChesney, T. Ohta, S.A. Reshanov, J. Rohrl, E. Rotenberg, A.K. Schmid, D. Waldmann, H.B. Weber, T. Seyller, Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of Silicon Carbide, Nat Mater, 8 (2009) 203-207 and from Hertel, F. Kisslinger, J. Jobst, D. Waldmann, M. Krieger, HB Weber, Current annealing and electrical breakdown of epitaxial graphene, Applied Physics Leiters, 98 (2011) 212109 known. The methods described there can also be used in an analogous manner on 4H-SiC.
  • Epitaxial graphene in particular on silicon carbide, can advantageously allow particularly high current densities and be extremely robust. This can be used in the invention to achieve high currents or to withstand an oppositely accelerated parasitic ion bombardment and thus enable stable operation of the electron source according to the invention.
  • the preferred electron source has an anode.
  • it preferably has an acceleration path between the cathode and the anode in order to extract electrons from the cathode due to an electrical potential difference, also referred to as extraction voltage, between the cathode and anode and to accelerate them from the cathode towards the anode.
  • the potential difference is greater than 100 V (volts), preferably greater than 300 V, particularly preferably greater than 1 kV (kilovolts), particularly preferably greater than 9 kV, particularly preferably greater than 15 kV.
  • the potential difference is preferably less than 40 kV, particularly preferably less than 30 kV, particularly preferably less than 25 kV, for example 20 kV.
  • This embodiment of the invention is particularly suitable for an electron source for generating X-rays.
  • the potential difference is greater than 90 kV, preferably greater than 200 kV, particularly preferably greater than 350 kV.
  • the potential difference is preferably less than 1,500 kV, particularly preferably less than 800 kV, for example 400 kV.
  • the preferred anode comprises a graphene layer, preferably the anode consists of one or more graphene layers.
  • the preferred anode has a substrate comprising silicon carbide.
  • the preferred graphene layer (s) of the anode is / are in contact with the silicon carbide of the substrate.
  • the graphene layer of the anode is preferably grown epitaxially with the silicon carbide of the substrate, for example by thermal decomposition.
  • the preferred anode is a perforated anode in the sense that it has a channel which plays the role of the hole of the perforated anode.
  • Graphene layer (s) adjoins the channel, preferably on opposite sides of the channel.
  • the channel can be open or closed at the end facing away from the cathode.
  • the perforated anode comprises two graphene layers, which particularly preferably lie in a common plane. Edges of the graphene layers facing each other form the channel of the perforated anode, which is open on both sides.
  • the preferred channel comprises a groove in the substrate running in the longitudinal direction of the channel.
  • the graphene layer (s) of the anode is or are preferably arranged, directly or indirectly, on the areas of the substrate adjoining the channel.
  • the preferred substrate comprises or consists of silicon carbide.
  • the preferred substrate is structured, doped and / or metallized in order to divert undesired portions of the electron beam or to counteract or even completely prevent static charging.
  • the cathode and the anode are preferably arranged on the same substrate, which comprises or consists of silicon carbide.
  • the silicon carbide in particular also in connection with epitaxial graphene, has a high breakdown field strength and low leakage currents can advantageously be used here.
  • the anode comprises a second substrate, which preferably also comprises or consists of silicon carbide and can be structured, doped and / or metallized.
  • This substrate also preferably bears a graphene layer, wherein particularly preferably the surfaces of the graphene layer (s) of the first and of the second substrate lie opposite one another in order to form a channel for the electron beam between them.
  • the second substrate particularly preferably extends over the cathode.
  • the second substrate particularly preferably extends over the acceleration path between anode and cathode.
  • the second substrate particularly preferably extends over the entire electron source.
  • a further structure can be provided between the cathode and the anode, which structure is constructed in the manner of one of the embodiments of the anode described above. This can be kept at a negative potential compared to the cathode during operation and thus perform the function of a conventional Wehnelt cylinder.
  • the graphene layer of the cathode is arranged in such a way that electrons are emitted at an edge of the graphene layer of the cathode in order to be accelerated towards the anode.
  • the graphene layer preferably lies epitaxially on a pedestal on the substrate of the cathode.
  • the edge is preferably facing the anode of the electron source.
  • a preferred graphene layer of the cathode is designed as a strip.
  • the width of the preferred strip is less than 300 nm (nanometers), particularly preferably less than 100 nm, particularly preferably less than 30 nm, particularly preferably less than 10 nm.
  • Suitable strips and a suitable manufacturing process are, for example, from M. Sprinkle, M Ruan, Y. Hu, J. Hankinson, M. Rubio-Roy, B. Zhang, X. Wu, C. Berger, WA de Heer, Scalable templated growth of graphene nanoribbons on SiC, Nature nanotechnology, 5 (2010) 727-731. Special features of graphene growth on silicon carbide surfaces can be used.
  • the cathode comprises not just one but two of the or more strips. The preferred strips are arranged in parallel.
  • the graphene of the preferred graphene layer of the cathode is chemically functionalized at the edge of the graphene layer that emits the electrons of the electron beam, for For example, through carboxyl groups, fluorine or oxidation with oxygen.
  • the cathode graphene layer is divided at its emitting edge in its longitudinal direction into several sections, one or more of which are not functionalized and another or different sections are functionalized or of which one or more sections are functionalized differently than another Section or other sections.
  • a non-functionalized section can be bounded on both sides by functionalized, for example oxidized, sections.
  • the preferred cathode has a graphene-graphene tunnel contact or a graphene-graphene nanobridge.
  • a tunnel contact within the meaning of the present invention is formed from two opposing electrodes which are at their smallest distance in the area of the tunnel contact, this distance being less than 1 nm.
  • a nanobridge within the meaning of the present invention is formed by two electrodes that are connected to one another by a bridge, the bridge at its narrowest point being less than 100 nm, particularly preferably less than 10 nm, particularly preferably less than 1 nm wide.
  • the graphene-graphene tunnel contact or the graphene-graphene nano-bridge are constructed and arranged in such a way that electrons are emitted from the vicinity of the graphene-graphene tunnel contact or a graphene-graphene nano-bridge.
  • the electrons are preferably emitted in the direct vicinity of the graphene-graphene tunnel contact or the graphene-graphene nanobridge.
  • This embodiment of the invention is based, inter alia, on the knowledge that with a graphene-graphene tunnel contact and a graphene-graphene nanobridge, a spatially narrowly delimited electron plasma (also referred to as nanoplasm) can arise above the positive electrode. It is therefore particularly preferred that the cathode emits electrons from this plasma.
  • the electrons emitted in the area of the graphene-graphene tunnel contact or the graphene-graphene nanobridge can, according to the invention, be accelerated towards the anode.
  • the preferred graphene-graphene tunnel junction or the preferred graphene-graphene nanobridge face the anode for this purpose.
  • the cathode comprises one or more carbon nanotubes.
  • electrons are emitted from the carbon nanotube (s) in order to be accelerated towards the anode.
  • the preferred nanotube (s) is or are arranged on the emitting edge of the graphene layer or the graphene layers of the cathode.
  • the carbon nanotube (s) are synthesized at the edge of the graphene layer (s).
  • a suitable method for this is, for example, from J.R. Sanchez-Valencia, T. Dienel, O.
  • the carbon nanotube (s) can be used to achieve a geometric narrowing of the emission location of the electrons at the cathode.
  • a carbon nanotube within the meaning of the present invention comprises both single-walled and multi-walled carbon nanotubes.
  • a carbon nanotube can be open on both sides, open on one side or closed on both sides.
  • a carbon nanotube according to the invention can - locally or completely - be chemically modified, have lattice distortions and / or defects and / or be doped with foreign atoms.
  • a completely or partially oxidized carbon nanotube is also a carbon nanotube for the purposes of the present invention. However, the preferred carbon nanotube is not or only partially oxidized or chemically modified in some other way.
  • the wall of a multi-walled carbon nanotube according to the invention preferably has fewer than 8, particularly preferably fewer than 4 layers of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice.
  • the end of the nanotube according to the invention pointing away from the cathode is semiconducting or metallic.
  • a preferred electron source comprises electron optics, for example an electrostatic lens for focusing the electron beam.
  • the electron optics preferably comprise a substrate which has a graphene layer, particularly preferably epitaxially grown, and / or a metallization.
  • the substrate preferably comprises or consists of silicon carbide.
  • the preferred electron optics are arranged on the same substrate as the cathode and / or the anode.
  • the electron source according to the invention can have a dielectric resonance structure in order to accelerate the electrons of the electron beam.
  • Suitable resonance structures are, for example, from R.J. England, R.J. Noble, K. Bane, D.H. Dowell, C.-K. Ng, J.E. Spencer, S. Tantawi, Z. Wu, R.L. Byer, E. Peralta, K. Soong, C.-M. Chang, B. Montazeri, S.J. Wolf, B. Cowan, J. Dawson, W. Gai, P. Hommelhoff, Y.-C. Huang, C. Jing, C. McGuinness, R.B. Palmer, B. Naranjo, J. Rosenzweig, G. Travish, A.
  • the resonance structure preferably comprises a substrate which comprises or consists of silicon carbide.
  • the substrate preferably comprises or consists of silicon carbide.
  • the preferred resonance structure is arranged on the same substrate as the cathode and / or the anode and / or the electron optics.
  • the electron source has a target which is arranged and designed in such a way that the electron beam strikes the target in order to generate X-rays.
  • metallic layers for example copper, nickel or graphite, can be used as the target. It can advantageously be achieved that at the location where the electron beam impinges on the target, characteristic bremsstrahlung is generated in the form of x-ray radiation over a small area, which radiates outwards.
  • the punctual heat load on the target can in one embodiment of the invention by a pulsed operation or by varying the location of the impingement of the electron beam over time.
  • the electron beam can be deflected electrostatically with the aid of one or more deflection plates, for example in order to scan the target line by line.
  • the target preferably has a substrate which particularly preferably comprises or consists of silicon carbide.
  • the target is particularly preferably arranged on the same substrate as the cathode and / or the anode and / or the electron optics.
  • the good heat conduction of silicon carbide can be used to advantage.
  • the invention is particularly suitable for providing microfocus X-ray sources which require good focusing of the electron beam. It is also suitable for miniaturized and inexpensive X-ray sources for novel applications, in particular in the medical field, space travel and for materials research.
  • a preferred electron source comprises power electronic components, for example for controlling the cathode, the anode, the electrostatic lens and / or the dielectric resonance structure.
  • the power electronic components are preferably arranged on the same substrate as the cathode, the anode, the electron optics and / or the dielectric resonance structure.
  • Suitable components are, for example, from S. Hertel, D. Waldmann, J. Jobst, A. Albert, M. Albrecht, S. Reshanov, A. Schoner, M. Krieger, H.B. Weber, Tailoring the graphene / silicon Carbide interface for monolithic wafer-scale electronics, Nature Communications, 3 (2012), from S. Hertel, M. Krieger, H.B.
  • FIG. 1 shows the cathode of an electron source according to the invention
  • FIG. 2 shows an electron source according to the invention with the cathode from FIG. 1, in which the cathode and anode are arranged on a common substrate;
  • FIG. 3 shows the electron source from FIG. 2, developed in such a way that the graphene layers of the perforated anode from FIG. 2 are opposite two further graphene layers;
  • FIG. 4 shows an electron source according to the invention with a target for generating X-rays.
  • FIG. 1 an embodiment of a cathode 1 of the electron source 2 according to the invention is shown.
  • the electron emission takes place from an edge 3 of a graphene layer of the cathode 1, which is placed on a high negative potential.
  • the edge 3 of the cathode 1 faces the anode 4 of the electron source 2.
  • the electron source 2 shown in the figures is based on the material system epitaxial graphene on silicon carbide.
  • the starting material is a silicon carbide substrate 5. Due to the material properties, an HPSI (high purity semiinsulating) 4H-SiC, which is commercially available, is particularly suitable.
  • HPSI high purity semiinsulating 4H-SiC, which is commercially available, is particularly suitable.
  • the pedestal 9 for the emitting edge 3 is structured lithographically and etched by a dry etching process in a reactive ion etching system (RIE).
  • RIE reactive ion etching system
  • an epitaxial graphene layer 6 is then produced by thermal decomposition of the silicon carbide surface (silicon side), as from the above-cited publication by KV Emtsev et al., Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon Carbide, Nat Mater, 8 (2009) 203-207.
  • the sample is heated in an oven under an argon atmosphere close to atmospheric pressure for 30 minutes at around 1,700 ° C.
  • the graphene surface 6 is defined on the pedestal and exposed by an oxygen plasma etching step. Through this excess graph areas are removed.
  • the metal contact 7 to the graphene emitter is produced in a final lithography step by vapor deposition of 5 nm titanium (Ti) and 50 nm gold (Au) and a subsequent lift-off process.
  • the cathode In an alternative embodiment of the cathode, not shown in the figures, it is spatially pointed by using epitaxially defined graphene strips.
  • the graphene strips are a few nanometers wide.
  • the current flows along the graphene strips and the electrons are emitted from the edge, which is only a few nanometers short.
  • the emitting edge (s) 3 of the cathode 1 shown in the figures or of the last-described cathode made of graphene strips can be equipped with one or more carbon nanotubes.
  • the cathode In a further alternative embodiment of the cathode, not shown in the figures, it is designed as a graphene-graphene tunnel contact or graphene-graphene nanobridge.
  • the inventors have found that above the positive electrode of such a tunnel contact or such a nano-bridge a spatially narrowly delimited electron plasma forms, which can be used to extract electrons. Because of Its light emission, similar to black body radiation at 2,000 K, is expected to have a corresponding energy dispersion (approx. 200 meV).
  • two graphene surfaces are produced on the pedestal using lithography and oxygen plasma etching in such a way that a thin graphene channel approximately 50 nm wide connects the two graphene surfaces at the pedestal edge.
  • Each graphene surface is contacted with a Ti / Au contact as described above.
  • the thin graphene channel is then opened by means of an electroburning process, so that a gap approximately 1 to 3 nm wide, also known as nanogap, is created.
  • a voltage ramp of around 0 to 100 V is applied to the two Ti / Au contacts in air.
  • the current through the graph channel increases and heats it up so that the graph channel “burns through” locally. This is shown by a drop in the current at which the voltage ramp is immediately interrupted.
  • the size of the nanogap can be adjusted via the ohmic resistance.
  • the electrons of the electron beam 8 emitted from the cathode 1 are accelerated in the direction of a perforated anode 4 by means of an extraction voltage.
  • the simplest embodiment of such a perforated anode 4 is shown in FIG. To manufacture this anode, both the pedestal
  • the graphene layer 12 is on the anode web
  • the anode bar 10 left and contacted by means of Ti / Au contacts (not shown); no additional process step is required for this.
  • the anode bar 10 can also be doped. This is done before the
  • Graphene growth process lithographically defines an implantation mask for the anode web 10 and the latter is doped by ion implantation, for example with nitrogen ions, in such a way that good conductivity is achieved; a suitable nitrogen concentration is 10 19 cm x 3 .
  • the sample is then covered with a carbon cap, the implantation damage is healed at 1,700 ° C. for a period of 30 minutes and the doping is activated.
  • the carbon cap is then removed by oxidation in oxygen at 800 ° C for a period of 30 minutes and the sample is cleaned again. The further production takes place as described above.
  • an enclosed structure can be produced by covering the structure described above.
  • a second silicon carbide substrate 13 is structured in such a way that a mirror-image anode web 14 is created for the upper side, as shown in FIG.
  • This structuring takes place with the same process steps as described above for the bottom side, including graph growth.
  • the two semiconductor wafers are then pressed and clamped, glued or connected to one another by a wafer bonding process.
  • the components of the electron source 2 are therefore located inside the chip and are therefore additionally protected against external influences.
  • the electron beam 8 exits through the side opening of the perforated anode.
  • FIG. 4 shows a further development of the electron source 2 shown in FIG. 2, which additionally has a target 15 in order to be able to be used for the generation of X-rays 16.
  • an opening for the inclined target pedestal 17 is structured in a further lithography step. This process step should take place before the structuring of the cathode platform 9 and the anode web 10.
  • the inclined target surface is achieved either by an isotropic RIE dry etching step, i.e. at higher process pressure, by gray-scale lithography or by selective electrochemical etching. In the latter process, aluminum is implanted at an incline before the graphene grows; the electrochemical process selectively removes the aluminum-doped areas.
  • the target metallization is achieved through vapor deposition of metallic layers, for example copper or nickel, through a lithographically defined mask with a subsequent lift-off process.
  • Metal and layer thickness depend on the respective application. Typical layer thicknesses are in the range between 10 nm and 1 ⁇ m. The further process steps are carried out as described above.

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Abstract

Eine Elektronenquelle (2) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (8) mit einer Kathode (1) und einer Anode (4) in Form einer Graphenschicht (6, 12), die epitaktisch mit einem Siliziumkarbid-Substrat (5) verwachsen ist. Die Erfindung eignet sich zur monolithischen Herstellung einer miniaturisierten Quelle eines hochenergetischen, fokussierten Elektronenstrahls, einschließlich dessen Nutzung als On-Chip-Röntgenquelle. Alle Komponenten können aus oder auf einem einzelnen Siliziumkarbid-Chip hergestellt werden.

Description

Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls.
Hintergrund der Erfindung
Elektronenquellen werden unter anderem in der Elektronenmikroskopie und für die Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Dabei ist insbesondere in der Elektronenmikroskopie eine Punktquelle hoher Brillanz und geringer Energiedispersion gefordert; gleichzeitig ist eine hohe Stabilität und Lebensdauer bei möglichst unkritischen Vakuumbedingungen wünschenswert.
Aus dem Stand der Technik sind thermische Emitter mit geringer Brillanz, aber einfachem Aufbau bekannt. Ebenfalls bekannt sind einkristalline Wolfram- oder LaB6-Feldeffektemitter, die zwar eine hohe Brillanz aufweisen, wegen lonenbeschusses jedoch extreme Vakuumanforderungen haben und nur über kurze Zeiträume stabil zu betreiben sind. Schließlich sind sogenannte Schottky-Emitter bekannt, die bei hohen Temperaturen betrieben werden und einen sinnvollen Kompromiss zwischen Feldeffektemittern und den stabileren thermischen Emittern darstellen. Jedoch sind Schottky-Emitter teuer, müssen in der Regel in Handarbeit selektiert werden und erfordern eine aufwändige Justierung beim Einbau; darüber hinaus ist ihre Haltbarkeit auf ein bis wenige Jahre beschränkt.
Eine aktuelle Bewertung der verschiedenen Quellentypen erfolgt in X. Shao, A. Srinivasan, W.K. Ang, A. Khursheed, A high-brightness large-diameter graphene coated point cathode field emission electron source, Nature Communications, 9 (2018) 1288. Diese Schrift offenbart auch einen Feldeffektemitter, der eine Kathode aus mit Graphen beschichtetem Nickel aufweist. Die Herstellung bekannter Elektronenquellen kann nachteiligerweise aufwändig sein. Auch kann bei bekannten Elektronenquellen die Größe des Bauraums, den sie benötigen, nachteilig sein. Insbesondere kann bei bekannten Elektronenquellen nachteilig sein, dass die Kathode und die Mittel zum Extrahieren von Elektronen aus der Kathode diskrete Baugruppen bilden. In analoger Weise kann bei bekannten Elektronenquellen, die eine Elektronenoptik, eine Nachbeschleunigung und/oder eine elektronische Steuerung aufweisen, nachteilig sein, dass diese Baugruppen als zu der/n Baugruppe(n) der Kathode und/oder des Mittels zum Extrahieren der Elektronen diskrete Baugruppen ausgebildet sind.
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls bereitzustellen. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls bereitzustellen. Insbesondere sollen mit der Erfindung Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Elektronenquellen und Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls überwunden werden.
Erfindungsgemäße Lösung
Die Bezugszeichen in sämtlichen Ansprüchen haben keine einschränkende Wirkung, sondern sollen lediglich deren Lesbarkeit verbessern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Elektronenquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Elektronenquelle weist eine Kathode mit einem Substrat, das Siliziumkarbid umfasst, auf. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist das Substrat einer Komponente (zum Beispiel der Kathode) der Elektronenquelle ein Material, auf dem die Komponente (und eventuell andere Komponenten) direkt (in dem Sinne, dass die Komponente unmittelbar mit dem Substrat in mechanischer Verbindung steht) oder indirekt (in dem Sinne, dass Komponente vermittels einer anderen Komponente oder eines anderen Materials mit dem Substrat in mechanischer Verbindung stehen) fest angeordnet ist. Siliziumkarbid im Sinne der vorliegenden Erfindung kann Fehlstellen aufweisen und/oder mit Fremdatomen dotiert sein. Es kann ein- oder mehrkristallin sein.
Dieser Aspekt der Erfindung kann ausnutzen, dass Siliziumkarbid eine gute Hochspannungsfestigkeit aufweist. Sie kann auch ausnutzen, dass Prozesse zur Fertigung von Siliziumkarbid in industriellem Maßstab zur Verfügung stehen. Schließlich ist mit Siliziumkarbid vorteilhafterweise erreichbar, dass bei elektrischen Potenzialdifferenzen von einigen Kilovolt, wie Sie für eine Elektronenquelle erforderlich sind, Oberflächenströme eine nur nachrangige Rolle spielen.
Mit der Erfindung ist vorteilhafterweise erreichbar, dass mehrere Komponenten der Elektronenquelle auf einem gemeinsamen Siliziumkarbid-umfassenden Substrat anordenbar sind, was eine höhere Integration zur Folge haben kann. Dadurch kann die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektronenquelle vereinfacht werden. Auch ist vorteilhafterweise eine Miniaturisierung, also eine Verminderung des für die Elektronenquelle erforderlichen Bauraums, erreichbar. Insbesondere kann mit der Erfindung eine On-Chip-Elektronenquelle realisiert werden.
Mit der Erfindung ist auch vorteilhafterweise erreichbar, dass eine oder mehrere Komponenten der Elektronenquelle mit anderen elektronischen, mechanischen oder mechatronischen Komponenten auf einem gemeinsamen Siliziumkarbid-umfassenden Substrat anordenbar sind, was ebenfalls eine höhere Integrationsdichte zur Folge haben kann. Dadurch kann die Herstellung von Vorrichtungen, die eine Elektronenquelle umfassen, vereinfacht werden. Auch ist vorteilhafterweise eine Miniaturisierung, also eine Verminderung des Bauraums, der für eine Vorrichtung, die eine Elektronenquelle umfasst, erforderlich ist, erreichbar. Insbesondere kann mit der Erfindung eine On-Chip-Vorrichtung, die eine Elektronenquelle aufweist, realisiert werden.
Außerdem geling die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe durch eine Elektronenquelle zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, die eine Anode umfasst, die eine Graphenschicht aufweist.
Eine Graphenschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Graphen-Monoschicht oder eine Graphen-Mehrfachschicht mit höchstens 100 übereinanderliegenden Graphen- Monoschichten. Hierbei wird als Graphen-Monoschicht eine einzige Lage von in einem hexagonalen Gitter angeordneten Kohlenstoffatomen bezeichnet. Eine erfindungsgemäße Graphen-Monoschicht kann - lokal oder vollständig - chemisch modifiziert sein, Gitterverzerrungen und/oder Fehlstellen aufweisen und/oder mit Fremdatomen dotiert sein. Auch eine ganz oder teilweise oxidierte Graphenschicht ist eine Graphenschicht im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die bevorzugte Graphenschicht ist jedoch nicht oder nur teilweise oxidiert oder chemisch modifiziert. Eine mehrlagige erfindungsgemäße Graphenschicht weist vorzugsweise weniger als 50, besonders vorzugsweise weniger als 15, besonders vorzugsweise weniger als 4, vorzugsweise weniger als 3 Monoschichten auf.
Dieser Aspekt der Erfindung kann ausnutzen, dass Graphen zu den Materialien mit besonders hohen zulässigen Stromdichten zählt. Auch kann die Erfindung ausnutzen, dass Graphen ausgesprochen robust ist.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt auch durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Elektronen aus einer die Kathode emittiert, wobei die Kathode ein Substrat aufweist, das Siliziumkarbid umfasst. Alternativ oder zusätzlich werden Elektronen zu einer Anode, die eine Graphenschicht umfasst, beschleunigt.
Die Erfindung eignet sich zur monolithischen Herstellung einer miniaturisierten Quelle eines hochenergetischen, fokussierten Elektronenstrahls, einschließlich dessen Nutzung als On- Chip-Röntgenquelle. Alle Komponenten der erfindungsgemäßen Elektronenquelle können aus oder auf einem einzelnen Siliziumkarbid-Chip hergestellt werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Besonders vorzugsweise besteht das Substrat überwiegend, besonders vorzugsweise vollständig aus Siliziumkarbid. Das bevorzugte Siliziumkarbid der Erfindung ist einer der Polytypen 4H-SiC und 6H-SiC. Die bevorzugte Kathode umfasst eine Graphenschicht, vorzugsweise besteht die Kathode aus einer oder mehreren Graphenschichten. Die bevorzugte(n) Graphenschicht(en) der Kathode steht/en in Kontakt mit dem Siliziumkarbid des Substrats. Vorzugsweise ist die Graphenschicht der Kathode mit dem Siliziumkarbid epitaktisch verwachsen, zum Beispiel durch thermische Zersetzung. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung epitaktischen Graphens auf Siliziumkarbid ist aus K.V. Emtsev, A. Bostwick, K. Horn, J. Jobst, G.L.
Kellogg, L. Ley, J.L. McChesney, T. Ohta, S.A. Reshanov, J. Rohrl, E. Rotenberg, A.K. Schmid, D. Waldmann, H.B. Weber, T. Seyller, Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of Silicon Carbide, Nat Mater, 8 (2009) 203-207 und aus Hertel, F. Kisslinger, J. Jobst, D. Waldmann, M. Krieger, H.B. Weber, Current annealing and electrical breakdown of epitaxial graphene, Applied Physics Leiters, 98 (2011) 212109 bekannt. Die dort beschriebenen Verfahren sind auch in analoger Weise auf 4H-SiC anwendbar.
Epitaktisches Graphen, insbesondere solches auf Siliziumkarbid, kann vorteilhafterweise besonders hohe Stromdichten zulassen und ausgesprochen robust sein. Dies kann bei der Erfindung ausgenutzt werden, um hohe Ströme zu erreichen bzw. um einem entgegengesetzt beschleunigten parasitären lonenbeschuss standzuhalten und somit einen stabilen Betrieb der erfindungsgemäßen Elektronenquelle zu ermöglichen.
Die bevorzugte Elektronenquelle weist eine Anode auf. Außerdem weist sie vorzugsweise eine Beschleunigungsstrecke zwischen Kathode und der Anode auf, um Elektronen aufgrund einer elektrischen Potenzialdifferenz, auch als Extraktionsspannung bezeichnet, zwischen Kathode und Anode aus der Kathode zu extrahieren und von der Kathode in Richtung Anode zu beschleunigen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Potenzialdifferenz größer als 100 V (Volt), vorzugsweise größer als 300 V, besonders vorzugsweise größer als 1 kV (Kilovolt), besonders vorzugsweise größer als 9 kV, besonders vorzugsweise größer als 15 kV. Vorzugsweise ist die Potenzialdifferenz kleiner als 40 kV, besonders vorzugsweise kleiner als 30 kV, besonders vorzugsweise kleiner als 25 kV, zum Beispiel 20 kV. Diese Ausführung der Erfindung eignet sich besonders für eine Elektronenquelle zum Erzeugen von Röntgenstrahlung. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Potenzialdifferenz größer als 90 kV, vorzugsweise größer als 200 kV, besonders vorzugsweise größer als 350 kV. Vorzugsweise ist die Potenzialdifferenz kleiner als 1 500 kV, besonders vorzugsweise kleiner als 800 kV, zum Beispiel 400 kV. Diese Ausführung der Erfindung eignet sich besonders für die Erzeugung hochenergetischer Elektronenstrahlen.
Die bevorzugte Anode umfasst eine Graphenschicht, vorzugsweise besteht die Anode aus einer oder mehreren Graphenschichten. Die bevorzugte Anode hat ein Substrat, das Siliziumkarbid aufweist. Die bevorzugte(n) Graphenschicht(en) der Anode steht/en in Kontakt mit dem Siliziumkarbid des Substrats. Vorzugsweise ist die Graphenschicht der Anode mit dem Siliziumkarbid des Substrats epitaktisch verwachsen, zum Beispiel durch thermische Zersetzung.
Die bevorzugte Anode ist eine Lochanode in dem Sinne, dass sie einen Kanal, der die Rolle des Lochs der Lochanode spielt, aufweist. An den Kanal grenzt oder grenzen Graphenschicht(en) an, vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten des Kanals. Der Kanal kann an dem der Kathode abgewandten Ende offen oder geschlossen sein. In einer bevorzugten Ausführung umfasst die Lochanode zwei Graphenschichten, die besonders vorzugsweise in einer gemeinsamen Ebene liegen. Einander zugewandte Kanten der Graphenschichten bilden den beidseitig offenen Kanal der Lochanode.
Der bevorzugte Kanal umfasst eine in Längsrichtung des Kanals verlaufende Nut in dem Substrat. Auf den an den Kanal angrenzenden Bereichen des Substrats ist oder sind vor zugsweise die Graphenschicht(en) der Anode angeordnet, direkt oder indirekt.
Das bevorzugte Substrat umfasst oder besteht aus Siliziumkarbid. Das bevorzugte Substrat ist strukturiert, dotiert und/oder metallisiert, um unerwünschte Anteile des Elektronenstrahls abzuleiten oder einem statischen Aufladen entgegenzuwirken oder diese sogar vollständig zu unterbinden.
Kathode und die Anode sind vorzugsweise auf demselben Substrat, das Siliziumkarbid aufweist oder daraus besteht, angeordnet. Dabei kann vorteilhafterweise ausgenutzt werden, dass das Siliziumkarbid, insbesondere auch in Verbindung mit epitaktischem Graphen, eine hohe Durchbruchfeldstärke und geringe Leckströme aufweist.
In einer Ausführung der Anode umfasst diese ein zweites Substrat, das vorzugsweise ebenfalls Siliziumkarbid aufweist oder daraus besteht und strukturiert, dotiert und/oder metallisiert sein kann. Auch dieses Substrat trägt vorzugsweise eine Graphenschicht, wobei sich besonders vorzugsweise die Flächen der Graphenschicht(en) des ersten und des zweiten Substrats gegenüberliegen, um zwischen sich einen Kanal für den Elektronenstrahl bilden. Besonders vorzugsweise ersteckt sich das zweite Substrat über die Kathode. Besonders vorzugsweise ersteckt sich das zweite Substrat über die Beschleubigungsstrecke zwischen Anode und Kathode. Besonders vorzugsweise ersteckt sich das zweite Substrat über die gesamte Elektronenquelle.
Zwischen Kathode und Anode kann eine weitere Struktur vorgesehen sein, die nach der Art einer der oben beschriebenen Ausführungsformen der Anode aufgebaut ist. Diese kann im Betrieb auf einem gegenüber der Kathode negativen Potenzial gehalten werden und so eine Funktion eines konventionellen Wehnelt-Zylinders ausführen.
Bei einer bevorzugten Elektronenquelle ist die Graphenschicht der Kathode so angeordnet, dass Elektronen an einer Kante der Graphenschicht der Kathode emittiert werden, um zur Anode hin beschleunigt zu werden. Vorzugsweise liegt die Graphenschicht dabei epitaktisch auf einem Podest des Substrats der Kathode. Die Kante ist vorzugsweise der Anode der Elektronenquelle zugewandt.
Eine bevorzugte Graphenschicht der Kathode ist als Streifen ausgebildet. Die Breite des bevorzugten Streifens beträgt weniger als 300 nm (Nanometer), besonders vorzugsweise weniger als 100 nm, besonders vorzugsweise weniger als 30 nm, besonders vorzugsweise weniger als 10 nm. Geeignete Streifen und ein geeignetes Herstellungsverfahren sind zum Beispiel aus M. Sprinkle, M. Ruan, Y. Hu, J. Hankinson, M. Rubio-Roy, B. Zhang, X. Wu, C. Berger, W.A. de Heer, Scalable templated growth of graphene nanoribbons on SiC, Nature nanotechnology, 5 (2010) 727-731. Dabei können Besonderheiten des Graphenwachstums auf Siliziumkarbid-Oberflächen ausgenutzt werden. Vorzugsweise findet beim Betrieb der Elektronenquelle ein Stromfluss in Längsrichtung des Graphenstreifens statt. Die Elektronenemission erfolgt an der Kante einer schmalen Seite des Streifens. Die emittierende Kante ist vorzugsweise weniger als 300 nm, besonders vorzugsweise weniger als 100 nm, besonders vorzugsweise weniger als 30 nm, besonders vorzugsweise weniger als 10 nm breit. In einer Ausführung der Erfindung umfasst die Kathode nicht nur einen, sondern zwei der oder mehr Streifen. Die bevorzugten Streifen sind parallel angeordnet.
Das Graphen der bevorzugten Graphenschicht der Kathode ist an der die Elektronen des Elektronenstrahls emittierenden Kante der Graphenschicht chemisch funktionalisiert, zum Beispiel durch Karboxylgruppen, Fluor oder Oxidation mit Sauerstoff. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Energieverteilung der Elektronen eingeengt und/oder die Stabilität der Emissionskante verbessert werden. In einer Ausführung der Erfindung ist die Kathoden- Graphenschicht an ihrer emittierenden Kante in ihrer Längsrichtung in mehrere Abschnitte unterteilt, von denen einer oder mehrere nicht funktionalisiert und ein anderer oder andere Abschnitte funktionalisiert sind oder von denen einer oder mehrere Abschnitte anders funktionalisiert sind als ein anderer Abschnitt oder andere Abschnitte. Beispielsweise kann ein nicht-funktionalisierter Abschnitt zu beiden Seiten von funktionalisierten, zum Beispiel oxidierten, Abschnitten begrenzt sein. Mit dieser Ausführung der Erfindung ist eine Einengung des emittierenden Bereichs der emittierenden Kante erreichbar.
Die bevorzugte Kathode weist einen Graphen-Graphen-Tunnelkontakt oder eine Graphen- Graphen-Nanobrücke auf. Ein Tunnelkontakt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird aus zwei gegenüberliegenden, Elektroden gebildet, die im Bereich des Tunnelkontakts ihren geringsten Abstand haben, wobei dieser Abstand weniger als 1 nm beträgt. Eine Nanobrücke im Sinne der vorliegenden Erfindung wird durch zwei Elektroden gebildet, die durch eine Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Brücke an ihrer schmälsten Stelle weniger als 100 nm, besonders vorzugsweise weniger als 10 nm, besonders vorzugsweise weniger als 1 nm breit ist. Der Graphen-Graphen-Tunnelkontakt oder die Graphen-Graphen- Nanobrücke sind so aufgebaut und angeordnet, dass Elektronen aus der Umgebung des Graphen-Graphen-Tunnelkontakts oder eine Graphen-Graphen-Nanobrücke emittiert werden.
Vorzugsweise werden die Elektronen in direkter Umgebung des Graphen-Graphen- Tunnelkontakts oder der Graphen-Graphen-Nanobrücke emittiert. Dieser Ausführung der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Graphen-Graphen- Tunnelkontakt und einer Graphen-Graphen-Nanobrücke ein räumlich eng begrenztes Elektronenplasma (auch als Nanoplasma bezeichnet) oberhalb der positiven Elektrode entstehen kann. Es ist deshalb besonders bevorzugt, dass die Kathode Elektronen aus diesem Plasma emittiert.
Mit der Technik der Elektronenemission im Bereich eines Graphen-Graphen-Tunnelkontakts oder eine Graphen-Graphen-Nanobrücke kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass ein parasitärer, rückwärtsgewandter lonenbeschuss direkt auf eine Festkörperspitze auftreffen und diese schädigen kann. Stattdessen ist erreichbar, dass der lonenbeschuss streifend am Kathodenmaterial vorbei erfolgt. Mit einer Kathode gemäß dieser Ausführung der Erfindung ist vorteilhafterweise auch ein großer dynamischer Bereich möglicher Emissionsströme, ausgezeichnete Langzeitstabilität, sowie schneller An-/Ausschaltzeiten im Nanosekunden-Bereich erreichbar.
Die im Bereich des Graphen-Graphen-Tunnelkontakts oder der Graphen-Graphen- Nanobrücke emittierten Elektronen können erfindungsgemäß zur Anode hin beschleunigt werden. Der bevorzugte Graphen-Graphen-Tunnelkontakt oder die bevorzugte Graphen- Graphen-Nanobrücke sind zu diesem Zweck der Anode zugewandt.
In einer Ausführung der Erfindung umfasst die Kathode eine oder mehrere Kohlenstoffnanoröhre(n). Vorzugsweise werden Elektronen aus der/den Kohlenstoffnanoröhre(n) emittiert, um zur Anode hin beschleunigt zu werden. Die bevorzugten Nanoröhre(n) ist oder sind an der emittierenden Kante der Graphenschicht oder der Graphenschichten der Kathode angeordnet. Zu diesem Zweck ist bevorzugt, dass die Kohlenstoffnanoröhre(n) an der Kante der Graphenschicht(en) synthetisiert sind. Eine geeignete Methode hierfür ist zum Beispiel aus J.R. Sanchez-Valencia, T. Dienel, O.
Gröning, I. Shorubalko, A. Mueller, M. Jansen, K. Amsharov, P. Ruffieux, R. Fasel,
Controlled synthesis of single-chirality carbon nanotubes, Nature, 512 (2014) 61 bekannt. Vorteilhafterweise kann mit der/den Kohlenstoffnanoröhre(n) eine geometrische Einengung des Emissionsorts der Elektronen an der Kathode erreicht werden.
Eine Kohlenstoffnanoröhre im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl einwandige als auch mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren. Eine Kohlenstoffnanoröhre kann beidseitig offen, einseitig offen oder beidseitig geschlossen sein. Auch Kohlenstoffnanorollen, also aufgerollte ein-oder mehrlagige Graphenschichten fallen im Sinne der vorliegenden Erfindung unter den Begriff der Kohlenstoffnanoröhren. Eine erfindungsgemäße Kohlenstoffnanoröhre kann - lokal oder vollständig - chemisch modifiziert sein, Gitterverzerrungen und/oder Fehlstellen aufweisen und/oder mit Fremdatomen dotiert sein. Auch eine ganz oder teilweise oxidierte Kohlenstoffnanoröhre ist eine Kohlenstoffnanoröhre im Sinne der vorliegenden Erfindung. Die bevorzugte Kohlenstoffnanoröhre ist jedoch nicht oder nur teilweise oxidiert oder auf andere Weise chemisch modifiziert. Die Wand einer mehrwandigen erfindungsgemäßen Kohlenstoffnanoröhre weist vorzugsweise weniger als 8, besonders vorzugsweise weniger als 4 Lagen von in einem hexagonalen Gitter angeordneten Kohlenstoffatomen auf. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das von der Kathode wegweisende Ende der erfindungsgemäßen Nanoröhre halbleitend oder metallisch ausgebildet.
Eine bevorzugte Elektronenquelle umfasst eine Elektronenoptik, zum Beispiel eine elektrostatische Linse zum Fokussieren des Elektronenstrahls. Die Elektronenoptik umfasst vorzugsweise ein Substrat, das eine, besonders vorzugsweise epitaktisch verwachsene, Graphenschicht und/oder eine Metallisierung aufweist. Vorzugsweise umfasst das Substrat Siliziumkarbid oder besteht daraus. Die bevorzugte Elektronenoptik ist auf demselben Substrat wie die Kathode und/oder die Anode angeordnet.
Die erfindungsgemäße Elektronenquelle kann eine dielektrische Resonanzstruktur ausweisen, um die Elektronen des Elektronenstrahls zu beschleunigen. Geeignete Resonanzstrukturen sind zum Beispiel aus R.J. England, R.J. Noble, K. Bane, D.H. Dowell, C.-K. Ng, J.E. Spencer, S. Tantawi, Z. Wu, R.L. Byer, E. Peralta, K. Soong, C.-M. Chang, B. Montazeri, S.J. Wolf, B. Cowan, J. Dawson, W. Gai, P. Hommelhoff, Y.-C. Huang, C. Jing, C. McGuinness, R.B. Palmer, B. Naranjo, J. Rosenzweig, G. Travish, A. Mizrahi, L. Schächter, C. Sears, G.R. Werner, R.B. Yoder, Dielectric laser accelerators, Reviews of Modern Physics, 86 (2014) 1337-1389 bekannt. Mit einer Resonanzstruktur können die Elektronen des Elektronenstrahls nachbeschleunigt werden, zum Beispiel, um hochenergetische Elektronen zu erzeugen. Geeignete Anwendungen für derartige hochenergetische Elektronenstrahle umfassen eine Mikrochip-Elektronenstrahlerzeugung für medizinische Anwendungen, einen kompakten Teilchenbeschleuniger, ein On-Chip-Synchrotron und eine kompakte Elektronenmikroskopie. Die Resonanzstruktur umfasst vorzugsweise ein Substrat, das Siliziumkarbid umfasst oder daraus besteht. Vorzugsweise umfasst das Substrat Siliziumkarbid oder besteht daraus. Die bevorzugte Resonanzstruktur ist auf demselben Substrat wie die Kathode und/oder die Anode und/oder die Elektronenoptik angeordnet.
In einer Ausführung weist die Elektronenquelle ein Target auf, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass der Elektronenstrahl auf das Target trifft, um Röntgenstrahlung zu erzeugen. Als Target kommen insbesondere metallische Schichten, zum Beispiel Kupfer, Nickel oder Graphit, in Frage. Es ist vorteilhafterweise erreichbar, dass am Ort des Auftreffens des Elektronenstrahls auf das Target auf kleiner Fläche charakteristische Bremsstrahlung in Form von Röntgenstrahlung entsteht, die nach außen abstrahlt. Die punktuelle Wärmebelastung des Targets kann in einer Ausführung der Erfindung durch einen gepulsten Betrieb oder durch ein zeitliches Variieren des Ort des Auftreffens des Elektronenstrahls verringert werden. Beispielsweise kann der Elektronenstrahl zu diesem Zweck elektrostatisch mit Hilfe einer oder mehrerer Ablenkplatten abgelenkt werden, zum Beispiel, um das Target zeilenweise abzutasten.
Das Target weist vorzugsweise ein Substrat auf, das besonders vorzugsweise Siliziumkarbid umfasst oder daraus besteht. Besonders vorzugsweise ist das Target auf demselben Substrat wie die Kathode und/oder die Anode und/oder die Elektronenoptik angeordnet. Dabei kann vorteilhaft die gute Wärmeleitung von Siliziumkarbid ausgenutzt werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Bereitstellen von Mikrofokusröntgenquellen, die eine gute Fokussierung des Elektronenstrahls erfordern. Sie eignet sich auch für miniaturisierte und kostengünstige Röntgenquellen für neuartige Anwendungen, insbesondere im medizinischen Bereich, der Raumfahrt und für die Materialforschung.
Eine bevorzugte Elektronenquelle umfasst leistungselektronische Komponenten, zum Beispiel zum Ansteuern der Kathode, der Anode, der elektrostatischen Linse und/oder der dielektrischen Resonanzstruktur. Vorzugsweise sind die leistungselektronischen Komponenten auf demselben Substrat wie die Kathode, die Anode, die Elektronenoptik und/oder die dielektrische Resonanzstruktur angeordnet. Geeignete Komponenten sind zum Beispiel aus S. Hertel, D. Waldmann, J. Jobst, A. Albert, M. Albrecht, S. Reshanov, A. Schoner, M. Krieger, H.B. Weber, Tailoring the graphene/silicon Carbide interface for monolithic wafer-scale electronics, Nature Communications, 3 (2012), aus S. Hertel, M. Krieger, H.B. Weber, Monolithic circuits with epitaxial graphene/silicon Carbide transistors, Physica Status Solidi-Rapid Research Leiters, 8 (2014) 688 - 691, aus EP 2535937 B1 und aus DE 102011016900 A1 bekannt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand mehrerer in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
Es zeigt schematisch: Figur 1 die Kathode einer erfindungsgemäßen Elektronenquelle;
Figur 2 eine erfindungsgemäße Elektronenquelle mit der Kathode aus Figur 1 , bei der Kathode und Anode auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind;
Figur 3 die Elektronenquelle aus Figur 2, so weitergebildet, dass den Graphenschichten der Lochanode aus Figur 2 zwei weitere Graphenschichten gegenüberliegen; und
Figur 4 eine erfindungsgemäße Elektronenquelle mit einem Target zum Erzeugen von Röntgenstrahlung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungen der Erfindung
Bei der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
In Figur 1 ist eine Ausführung einer Kathode 1 der erfindungsgemäßen Elektronenquelle 2 dargestellt. Die Elektronenemission erfolgt aus einer Kante 3 einer Graphenschicht der Kathode 1, die auf ein hohes negatives Potential gelegt wird. Die Kante 3 der Kathode 1 liegt, wie in Figur 2 dargestellt, der Anode 4 der Elektronenquelle 2 zugewandt.
Die in den Figuren dargestellte Elektronenquelle 2 basiert auf dem Material System epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid. Ausgangsmaterial ist ein Siliziumkarbid-Substrat 5. Aufgrund der Materialeigenschaften eignet sich insbesondere ein HPSI (high purity semiinsulating) 4H-SiC, das kommerziell erhältlich ist. Nach nasschemischer Reinigung des Halbleiters wird das Podest 9 für die emittierende Kante 3 lithographisch strukturiert und durch einen Trockenätzprozess in einem Reactive-Ion-Etching-System (RIE) geätzt. Nach einem weiteren Reinigungsschritt wird im Anschluss eine epitaktische Graphenschicht 6 durch thermische Zersetzung der Siliziumkarbid-Oberfläche (Silizium-Seite) hergestellt, wie aus der oben zitierten Schrift von K.V. Emtsev et al., Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of Silicon Carbide, Nat Mater, 8 (2009) 203-207 bekannt. Hierzu wird die Probe in einem Ofen unter Argonatmosphäre nahe Atmosphärendruck für 30 min auf circa 1 700° C erhitzt. In einem zweiten Lithographieschritt wird die Graphenfläche 6 auf dem Podest definiert und durch einen Sauerstoffplasmaätzschritt freigestellt. Hierdurch werden überschüssige Graphenbereiche entfernt. Der Metallkontakt 7 zum Graphenemitter wird in einem abschließenden Lithographieschritt durch Aufdampfen von 5 nm Titan (Ti) und 50 nm Gold (Au) und nachfolgendem Lift-off-Prozess hergestellt.
Bei einer in den Figuren nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Kathode ist diese durch Verwendung epitaktisch definierter Graphenstreifen räumlich zugespitzt. Die Graphenstreifen sind wenige Nanometer breit. Im Betrieb erfolgt der Stromfluss längs der Graphenstreifen, und die Elekronen werden aus der nur wenige Nanometer kurzen Kante emittiert.
Für die Herstellung der Graphenstreifen kann auf das Verfahren zurückgegriffen werden, das in der oben genannten Schrift von M. Sprinkle et al. , Scalable templated growth of graphene nanoribbons on SiC, Nature nanotechnology, 5 (2010) 727-731 beschrieben ist. Dabei werden zunächst Nanofacetten auf der (1-10n) Kristallfläche hergestellt. Dies erfolgt entweder, wie von Sprinkle et al. vorgeschlagen, durch RIE-Trockenätzen einer Stufe mit nachfolgendem Temperschritt bei circa 1 200° C oder durch einen Step-Bunching-Prozess bei 1 700° C für eine Dauer von 30 Minuten, wobei die Probe in einen Container aus keramischem Siliziumkarbid liegt. In einem zweiten Temperschritt ohne Siliziumkarbid- Container werden bei etwas niedrigerer Temperatur (circa 1 400° C bis 1 500° C) Graphenstreifen auf den Nanofacetten gezüchtet. Hierbei wird ausgenutzt, dass das Graphenwachstum auf diesen Flächen schneller ist als auf der Si-Fläche der Terrassen. Die weitere Prozessierung erfolgt wie oben beschrieben.
Die emittierende(n) Kante(n) 3 der in den Figuren dargestellten Kathode 1 oder der zuletzt beschriebenen Kathode aus Graphenstreifen kann oder können mit einer oder mehreren Kohlenstoffnanoröhren ausgestattet sein. Zur Herstellung dieser Nanoröhren eignet sich das in der vorgenannten Schrift von J.R. Sanchez-Valencia et al., Controlled synthesis of single- chirality carbon nanotubes, Nature, 512 (2014) 61 beschriebene Verfahren.
Bei einer weiteren in den Figuren nicht dargestellten alternativen Ausführungsform der Kathode ist diese als Graphen-Graphen-Tunnelkontakt oder Graphen-Graphen-Nanobrücke ausgebildet. Die Erfinder haben festgestellt, dass sich oberhalb der positiven Elektrode eines solchen Tunnelkontakts oder einer solchen Nanobrücke ein räumlich eng begrenztes Elektronenplasma ausbildet, das sich zum Extrahieren von Elektronen nutzen lässt. Wegen seiner Lichtemission ähnlich einer Schwarzkörperstrahlung bei 2 000 K ist eine entsprechende Energiedispersion (circa 200 meV) zu erwarten.
Zur Herstellung des Graphen-Graphen-Tunnelkontakts werden zwei Graphenflächen auf dem Podest derart mittels Lithographie und Sauerstoffplasmaätzen hergestellt, dass an der Podestkante ein nur dünner Graphenkanal einer Breite von circa 50 nm die beiden Graphenflächen verbindet. Jede Graphenfläche wird mit einem Ti/Au-Kontakt wie oben beschrieben kontaktiert. Anschließend wird der dünne Graphenkanal mittels Elektroburning- Prozess geöffnet, so dass ein circa ein bis 3 nm breiter Spalt, auch als Nanogap bezeichnet, entsteht. Beim Elektroburning-Prozess wird hierfür eine Spannungsrampe von circa 0 bis 100 V an die beiden Ti/Au-Kontakte an Luft angelegt. Dabei steigt der Strom durch den Graphenkanal an und heizt diesen auf, so dass es zu einem lokalen „Durchbrennen“ des Graphenkanals kommt. Dies zeigt sich in einem Abfall des Stromes, bei dem die Spannungsrampe sofort unterbrochen wird. Durch Wiederholung des Prozesses kann die Größe des Nanogaps über den ohmschen Widerstand eingestellt werden.
Im Betrieb der Elektronenquelle 2 werden die aus der Kathode 1 emittierten Elektronen des Elektronenstrahl 8 mittels einer Extraktionsspannung in Richtung einer Lochanode 4 beschleunigt. Die einfachste Ausführung einer solchen Lochanode 4 ist in Figur 2 dargestellt. Zur Herstellung dieser Anode werden im gleichen RIE-Trockenätzschritt sowohl das Podest
9 für die Kathode 1 als auch ein Anodensteg 10 mit der einen Kanal 11 der Anode 4 bildenden Unterbrechung hergestellt. Beim anschließenden Graphenstrukturierungsprozess (Lithographie und Sauerstoffplasmaätzen) wird die Graphenschicht 12 auf dem Anodensteg
10 belassen und mittels Ti/Au- Kontakten (nicht dargestellt) kontaktiert; hierfür ist kein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich. Zur Verbesserung der Lochanodeneigenschaften kann der Anodensteg 10 auch dotiert werden. Hierzu wird vor dem
Graphenwachstumsprozess lithographisch eine Implantationsmaske für den Anodensteg 10 definiert und letzterer durch Ionenimplantation, zum Beispiel mit Stickstoffionen, derart dotiert, dass eine gute Leitfähigkeit erzielt wird; eine geeignete Stickstoffkonzentration beträgt 1019 cm·3. Die Probe wird anschließend mit einem Carbon-Cap bedeckt, der Implantationsschaden wird bei 1 700° C für die Dauer von 30 Minuten ausgeheilt und die Dotierung wird aktiviert. Das Carbon-Cap wird anschließend durch Oxidation in Sauerstoff bei 800° C für die Dauer von 30 Minuten entfernt und die Probe erneut gereinigt. Die weitere Herstellung erfolgt wie oben beschrieben. Um eine einer üblichen Lochanode genauere Entsprechung zu realisieren, kann eine eingeschlossene Struktur durch Deckelung der zuvor beschriebenen Struktur hergestellt werden. Hierfür wird ein zweites Siliziumkarbid-Substrat 13 derart strukturiert, dass ein spiegelbildlicher Anodensteg 14 für die Oberseite entsteht, wie in Figur 3 dargestellt. Diese Strukturierung erfolgt mit den gleichen Prozessschritten wie zuvor für die Unterseite beschrieben, einschließlich Graphenwachstum. Die beiden Halbleiterscheiben werden anschließend aufeinandergepresst und geklemmt, geklebt oder durch einen Waferbonding- Prozess miteinander verbunden. Die Komponenten der Elektronenquelle 2 befinden sich hierdurch im inneren des Chips und sind dadurch gegen äußere Einflüsse zusätzlich geschützt. Der Elektronenstrahl 8 tritt durch die seitliche Öffnung der Lochanode aus.
In gleicher Weise wie diese Lochanode, kann (in den Figuren nicht dargestellt) ein zweiter Steg mit entsprechenden Kontakten hergestellt werden, der die Funktion eines Wehneltzylinders zur Einstellung der Elektronenstrahlintensität übernimmt.
Figur 4 zeigt eine Weiterbildung der in der Figur 2 dargestellten Elektronenquelle 2, die zusätzlich ein Target 15 aufweist, um für die Erzeugung von Röntgenstrahlung 16 genutzt werden zu können. Zur Herstellung wird in einem weiteren Lithographieschritt eine Öffnung für das schräggestellte Targetpodest 17 strukturiert. Dieser Prozessschritt soll vor der Strukturierung des Kathodenpodestes 9 und des Anodenstegs 10 erfolgen. Die schräge Targetfläche wird entweder durch einen isotropen RIE-Trockenätzschritt, das heißt bei höherem Prozessdruck, durch Graustufenlithographie oder durch selektives elektrochemisches Ätzen erzielt. Bei letzterem Verfahren wird vor dem Graphenwachstum unter schrägem Einfall Aluminium implantiert; der elektrochemische Prozess entfernt selektiv die aluminiumdotierten Bereiche. Die Targetmetallisierung wird durch Aufdampfen metallischer Schichten, zum Beipiel Kupfer oder Nickel, durch eine lithographisch definierte Maske mit anschließendem Lift-Off- Prozess erzielt. Metall und Schichtdicke hängen von den jeweiligen Anwendungen ab. Typische Schichtdicken liegen im Bereich zwischen 10 nm und 1 pm. Die weiteren Prozessschritte erfolgen wie oben beschrieben.

Claims

Ansprüche
1. Elektronenquelle (2) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (8) mit einer Kathode (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (2) außerdem ein Substrat (5) der Kathode (1), das Siliziumkarbid aufweist, umfasst.
2. Elektronenquelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) eine Graphenschicht (6), die epitaktisch mit dem Siliziumkarbid des Substrates (5) verwachsen ist, umfasst.
3. Elektronenquelle (2) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenquelle (2) außerdem eine Anode (4) aufweist.
4. Elektronenquelle (2) zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (8), die eine Anode (4), die eine Graphenschicht (12) aufweist, umfasst.
5. Elektronenquelle (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (4) auf einem Substrat (5), das Siliziumkarbid aufweist, angeordnet ist.
6. Elektronenquelle (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) und die Anode (4) auf demselben Substrat (5) angeordnet sind.
7. Elektronenquelle (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode ein zweites Substrat umfasst.
8. Elektronenquelle (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphenschicht (6) der Kathode so angeordnet ist, dass Elektronen an einer Kante (3) der Graphenschicht der Kathode (1) emittiert werden, um zur Anode (4) hin beschleunigt zu werden.
9. Elektronenquelle (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphenschicht der Kathode als Streifen ausgebildet ist.
10. Elektronenquelle (2) nach einem der der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen Graphen-Graphen-Tunnelkontakt oder eine Graphen-Graphen- Nanobrücke aufweist der oder die so angeordnet ist, dass Elektronen aus der Umgebung des Graphen-Graphen-Tunnelkontakts oder eine Graphen-Graphen- Nanobrücke emittiert werden, um zur Anode hin beschleunigt zu werden.
11. Elektronenquelle (2) nach einem der der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (1) eine Kohlenstoffnanoröhre umfasst.
12. Elektronenquelle (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine elektrostatische Linse zum Fokussieren des Elektronenstrahls (8) aufweist.
13. Elektronenquelle (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dielektrische Resonanzstruktur ausweist, um die Elektronen des Elektronenstrahls (8) zu beschleunigen.
14. Elektronenquelle (2) nach einem der der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Target (15) umfasst, das so angeordnet und ausgebildet ist, dass der Elektronenstrahl (8) das Target (15) trifft, um Röntgenstrahlung (16) zu erzeugen.
15. Elektronenquelle (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie leistungselektronische Komponenten umfasst, die auf demselben Substrat (5) wie die Kathode (1) und/oder die Anode (4) angeordnet ist.
16. Verfahren zum Erzeugen eines Elektronenstrahls (8), bei dem Elektronen aus einer Kathode (1), die ein Substrat (5) aufweist, das Siliziumkarbid umfasst, emittiert werden und/oder zu einer Anode (4), die eine Graphenschicht (12) umfasst, beschleunigt werden.
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