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 10 ¹⁹ 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.