אספקה אוטומטית של מטרות מיקרו-פבריקט לניסויים אינטנסיביים בהקרן לייזר

Summary

פרוטוקול מוצג עבור הקרן אוטומטית של רדידות זהב דקות עם פולסים לייזר בעוצמה גבוהה. הפרוטוקול כולל תיאור שלב אחר שלב של תהליך ייצור היעד micromachining ומדריך מפורט לאופן שבו מטרות מובאות למוקד הלייזר בקצב של 0.2 הרץ.

Abstract

מתואר הוא הליך ניסיוני המאפשר הקרן לייזר בהקבר של מטרות microfabricated. המטרות מובאות למוקד הלייזר על ידי לולאת משוב סגורה הפועלת בין מניפולטור היעד לבין חיישן טווח. תהליך ייצור היעד מוסבר בפירוט. תוצאות מייצגות של קורות פרוטון ברמת MeV שנוצרו על ידי הקרן של רדידות זהב בעובי 600 נה"מ בקצב של 0.2 הרץ ניתנות. השיטה מושווה עם מערכות יעד אחרות מתחדשות ואת הסיכויים להגדיל את שיעורי הזריקה מעל 10 הרץ נדונים.

Introduction

הקרנות לייזר בעוצמה גבוהה של מטרות מוצקות יוצרות צורות מרובות של קרינה. אחד מהם הוא פליטת יונים אנרגטיים עם אנרגיות במגה אלקטרון וולט (MeV) רמה^1. מקור קומפקטי של יונים MeV יש פוטנציאל עבור יישומים רבים, כגון פרוטון מהיר^{הצתה 2}, רדיוגרפיה^{פרוטון 3}, הקרנות^{יון 4}, ו ניוטרונים^{דור 5}.

אתגר מרכזי בביצוע האצת לייזר-יון מעשית היא היכולת למקם מטרות בקנה מידה מיקרומטר במדויק בתוך המוקד של הלייזר בקצב גבוה. מעט טכנולוגיות לאספקת יעד פותחו כדי לענות על האתגר הזה. הנפוצות ביותר הן מערכות יעד המבוססות על קלטות עבות בקנה מידה מיקרומטר. מטרות אלה הן פשוט לחדש, ניתן למקם בקלות בתוך המוקד של הלייזר. יעד קלטת נעשה באמצעות VHS^{6,נחושת 7,}מיילר, ו Kapton⁸ קלטות. מערכת כונן הקלטת מורכבת בדרך כלל משני סלילים ממונעים עבור מתפתל ושחרר ושני סיכות אנכיות להציב ביניהם כדי לשמור על הקלטת^{בעמדה 9}. הדיוק במיקום משטח הקלטת הוא בדרך כלל קטן מטווח ריילי של הקרן המיקודה. סוג אחר של יעד לייזר מתחדש הוא גיליונות נוזליים¹⁰. מטרות אלה מועברות במהירות לאזור האינטראקציה ומציגות כמות נמוכה מאוד של פסולת. מערכת זו כוללת משאבת מזרק בלחץ גבוה המסופקת ללא הרף עם נוזל ממאגר מים. לאחרונה, מטוסי מימן קריוגנים^{חדשניים 11} הוקמו כאמצעי לספק מטרות אולטרה-דקות, דלות פסולת, הניתנות לתוססות.

החסרונות העיקריים של כל מערכות היעד המתחדשות הללו היא הבחירה המוגבלת של חומרי מטרה וגיאומטריות, המוכתבים על ידי דרישות מכניות כגון כוח, צמיגות וטמפרטורת התכה.

כאן, מערכת מסוגלת להביא מטרות מיקרו-מכונות למוקד של לייזר בעוצמה גבוהה בקצב של 0.2 הרץ מתואר. מיקרו-תחוחזר מציעה מבחר רחב של חומרי יעד בגיאומטריות רב-תכליתיות¹². מיקום היעד מתבצע על ידי משוב בלולאה סגורה בין חיישן עקירה מסחרי ומניפולטור ממונע.

מערכת אספקת היעד נבדקה באמצעות מערכת לייזר בעלת ניגודיות גבוהה, 20 TW המספקת פולסים בלייזר באורך 25 fs עם 500 mJ על היעד. סקירה של הארכיטקטורה של מערכת הלייזר ניתנת ב-Porat ואח'^{13, ותיאור}טכני של מערכת היעד ניתן בגרשוני ואח'^14. נייר זה מציג שיטה מפורטת עבור ביצוע ושימוש בסוג זה של מערכת ומראה תוצאות מייצגות של האצת לייזר-יון מייעדי רדיד זהב אולטרה דק.

ספקטרומטר היונים תומסון Parabola (TPIS)^15,16 המוצג באיור 1 שימש כדי להקליט את ספקטרת האנרגיה של היונים הנפלטים. ב-TPIS, יונים מואצים עוברים דרך שדות חשמליים ומגנטיים מקבילים, מה שממקם אותם על מסלולים פרבוליים במטוס המוקד. העקמומיות הפרבולית תלויה ביחס הגובה-מסה של היון, והמיקום לאורך המסלול נקבע על ידי אנרגיית היונים.

לוח הדמיה BAS-TR (IP)^{17 הממוקם} על המוקד של TPIS מתעד את היונים המנוגדות. ה-IP מחובר להזנה מכנית כדי לאפשר תרגום לאזור חדש לפני כל צילום.

Protocol

1. ייצור מטרה

הערה: איור 2 ואיור 3 ממחישים את תהליך הייצור של רדידות זהב עצמאיות.

1. צד אחורי
   1. השתמש וופל סיליקון בעובי 250 μm, 100 מ"מ, וופל סיליקון בלחץ גבוה במבנה גביש <100> , מצופה משני הצדדים עם ניטרוד סיליקון.
   2. לנקות את הוופל באמצעות אצטון ואחריו isopropanol ויבש עם חנקן.  לאחר מכן סובב שכבה של HMDS כדי ליצור שכבת דבק לאחר השלבים המתוארים בטבלה 1.
   3. ספין-מעיל הוופל עם שכבת פוטורסיסט AZ1518 בעקבות השלבים המתוארים בטבלה 2.
   4. אופים את הוופל ב-100 מעלות צלזיוס במשך דקה, ואז נותנים לו להתקרר.
   5. Photolithograph 1,000 μm x 1,000 μm ריבוע פתחים תחת ואקום, חשיפת הוופל 1 מחזור של 4 עד 7 שניות למנורת UV 400 ננומטר. הוופל נחשף לשפעת כוללת של 40 J/cm². השתמש במפתח AZ726K כדי לחשוף את הסיליקון nitride, ואמבטיה של מים מיובשים כדי לעצור את התהליך.
   6. השתמש ב- Reactive Ion Etcher (RIE) כדי להסיר את הסיליקון nitride במיקום של הריבועים.
   7. השתמש באמבט N-מתיל-2-pyrrolidone (NMP) למשך 20 דקות כדי להסיר את ההתנגדות השירית והפוטו-ריסט, ויצר העתק של המסכה בשכבת הסיליקון ניצ'יד. שוטפים את הוופל מתחת למים מתוקים ומתייבשים בחנקן.
   8. להטביע את הוופל ב 30%, 90 ° C, תמיסת אשלגן הידרוקסיד כדי תחריט את הסיליקון דרך פתחים מרובעים. להטביע את הוופל במשך 40 דקות עבור כל 50 μm של סיליקון שצריך להיות חרוט. מכיוון שקצב ה-etch במטוס <100> גבוה בהרבה מאחרים, אשלגן הידרוקסיד מגיע לשכבת הסיליקון התחתונה דרך בתפזורת הסיליקון לפני שהוא תחריט עומק משמעותי במסכת הסיליקון ניצ'יד.
2. צד קדמי
   1. עבור הצד הקדמי, חזור על שלבים 1.1.1-1.1.6 עם מסכה בצורת שלוש טבעות קונצנטריות.
   2. השתמש ב- RIE כדי להסיר את ניצת הסיליקון שבה ממוקמות הטבעות, ואחריו אמבט NMP להסרת שאריות התנגדות ופוטו-ריסט.
   3. לבסוף, כדי לחוסן את טבעות הסיליקון, להטביע את הוופל בחומצה חנקתית בתמיסה של 0.02 M כסף חנקתי ו 4 M מימן פלואוריד.
   4. בצד החריט של הוופל, השתמש במכונת תצהיר אדים פיזית (PVD)^{18 כדי לפלוט} שכבה של כמה מאות ננומטר של זהב על גבי סרט דק ~ 10 ננומטר של טיטניום דביק, ניקל, או כרום. שכבת הזהב המבעבעת תהפוך למטרה העצמאית של הממברנה.

2. יישור

הערה: איור 4 מציג את כיוונון ההקרן של היעד.

1. להביא יעד נבחר שרירותי הראשון לתצוגה תחת מיקרוסקופ הגדלה 100x.
2. הצבע על חיישן טווח טריאנגולציה (לדוגמה, MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)^{19 אל} הטבעת המחוספסת הקרובה ביותר למטרה, והקלט את קריאת העקירה שלו.
   הערה: מודל החיישן הנע המשמש אינו מיועד ליישומים בעלי ואקום גבוה. דגמים שונים, כמו MTI-2100 מאותו ספק, תואמים ליישומים בעלי סיכון נמוך.
3. תוך השארת המיקרוסקופ במקומו, הזיזו את הוופל במרחק ידוע כדי לפנות את נתיב הקרן.
4. באמצעות שתי מראות מתקפלות והמראה הפרבולית מחוץ לציר (OAP), ליישר את הקרן בהקפת כוח נמוך לתוך שדה התצוגה של המיקרוסקופ.
5. התאם את שלוש המראות האלה כדי לתקן אסטיגמציה בקרן. התוצאה צריכה להיות מוקד כמעט מוגבל לפליטה.
6. לחסום את קרן הלייזר ולהביא את המטרה בחזרה למוקד של המיקרוסקופ. אמת את מיקומו באמצעות המיקרוסקופ והקריאה של החיישן הנע.
7. להעביר את המיקרוסקופ לעמדה שבה הוא יהיה בטוח מפני אור לייזר ופסולת.

3. רצף ההקרן ומיקום יעד אוטומטי

1. הטמע משוב בלולאה סגורה בין מניפולטור ציר המוקד של היעד לבין קריאת חיישן העקירה באמצעות תוכנה. השתמש בערך המוקלט מפרוטוקול שלב 2.2 כפוע ההגדרה. רצף הבקרה הראשי של PID^20, שהוכן באמצעות LabView, מוצג באות 5.
2. לאחר שמיקום הלולאה הסגורה הגיע למרחק סובלנות רצוי מנקודת הציון, הקרן את המטרה עם פעימת לייזר אחת בהגברה גבוהה.
3. תרגם את ה-IP באמצעות ההזנה המכנית למיקום חדש.
4. חזור על רצף ההתרנות עם היעד הבא שהובא להתמקד על ידי התוכנה.

תוצאות

מערכת אספקת יעד זו הועסקה כדי להאיץ יונים מהצד האחורי של רדידות זהב עבות 600 נה"מ. כאשר מוקרן עם עוצמת לייזר מנורמל של₀ = 5.6, יונים אלה היו מואצים על ידי מנגנון האצת נדן נורמלי היעד (TNSA)²¹. ב-TNSA, האור בעוצמה נמוכה יותר שקדם לפעימת הלייזר הראשית מיינו את פני השטח הקדמיים של רדיד ה...

Discussion

עם כמה וריאציות, תהליך ייצור היעד המתואר בפרוטוקול זה הוא נפוץ (למשל, Zaffino ואח^'23). כאן, צעד ייחודי אחד כי הוא קריטי לפעולה של מיקום אוטומטי הוא תוספת של הקשה בקנה מידה ננומטר באזורים בצורת טבעת בחלק האחורי של הוופל (שלב 1.2.3). מטרת צעד זה היא להגביר את הפיזור המפוזר של אירוע קל על הו?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
76.2 x 127mm EFL 90° Protected Gold 100Å Off-Axis Parabolic Mirror	Edmund optics	35-535
MicroTrak 3 LTS 120-20	MTI Instruments
Ultrafast high power dielectric mirrors for 800 nm	Thorlabs