강렬한 레이저 조사 실험을 위한 미세 가공 대상의 자동 전달

요약

고강도 레이저 펄스가 있는 얇은 금호일의 자동 조사를 위한 프로토콜이 제시됩니다. 이 프로토콜에는 마이크로머시닝 대상 제조 공정에 대한 단계별 설명과 대상이 0.2Hz의 속도로 레이저 초점에 어떻게 유입되는지에 대한 자세한 가이드가 포함되어 있습니다.

초록

설명은 미세 가공 대상의 고출력 레이저 조사를 가능하게 하는 실험 절차입니다. 대상은 대상 조작기와 레인징 센서 간에 작동하는 닫힌 피드백 루프에 의해 레이저 초점으로 가져온다. 대상 제조 공정은 자세히 설명되어 있습니다. 0.2Hz의 속도로 600nm 두께의 금호호를 조사하여 생성된 MeV 수준의 양성자 빔의 대표적인 결과가 주어진다. 이 방법은 다른 보충 대상 시스템과 비교되며 샷 속도를 10Hz 이상으로 높일 것이라는 전망이 논의됩니다.

서문

고체 표적의 고강도 레이저 조사는 여러 형태의 방사선을 생성합니다. 이들 중 하나는 메가 전자 볼트 (MeV) 레벨^1에서에너지를 가진 에너지 이온의 방출이다. MeV 이온의 소형 공급원은 양성자^{고속점화2,}양성자 방사선촬영^3,이온 방사선요법^4,중성자 세대⁵와 같은 많은 응용 분야에 대한 잠재력을 가지고 있다.

레이저 이온 가속을 실용화하는 데 있어 가장 큰 과제는 레이저의 초점 내에서 마이크로미터 스케일 표적을 높은 속도로 정확하게 배치하는 기능입니다. 이 과제에 답하기 위해 개발된 표적 전달 기술은 거의 없습니다. 가장 일반적인 것은 마이크로미터 규모의 두꺼운 테이프를 기반으로 하는 대상 시스템입니다. 이러한 표적은 보충하기 쉽고 레이저 초점 내에서 쉽게 배치 될 수 있습니다. 테이프 대상은 VHS^6,구리^7,마일라 및 Kapton⁸ 테이프를 사용하여 만들어졌습니다. 테이프 드라이브 시스템은 일반적으로 구불구불한 긴장을 풀기 위한 두 개의 전동 스풀과 테이프를 위치^9에유지하기 위해 두 개의 수직 핀으로 구성됩니다. 테이프 표면 을 배치하는 정확도는 일반적으로 초점 빔의 레일리 범위보다 적습니다. 보충 가능한 레이저 표적의 또 다른 유형은 액체 시트^10입니다. 이러한 대상은 상호 작용 영역으로 신속하게 전달되며 매우 적은 양의 파편을 도입합니다. 이 시스템은 지속적으로 저수지에서 액체와 함께 공급 되는 고압 주사기 펌프를 포함한다. 최근에는 초박형, 저파편, 보충 대상을 제공하는 수단으로 새로운 극저온^{수소제트(11)가} 설립되었습니다.

이러한 모든 보충 대상 시스템의 주요 단점은 강도, 점도 및 용융 온도와 같은 기계적 요구 사항에 의해 결정되는 대상 재료 및 기하학의 제한된 선택입니다.

여기서, 0.2Hz의 속도로 고강도 레이저의 초점에 마이크로 머신된 표적을 가져올 수 있는 시스템이 설명된다. 마이크로머시닝은 다재다능한^{지오메트리(12)에서}다양한 대상 재료를 제공한다. 대상 포지셔닝은 상용 변위 센서와 전동 식 조작기 간의 폐쇄 루프 피드백에 의해 수행됩니다.

대상 전달 시스템은 고대비 20TW 레이저 시스템을 사용하여 테스트되었으며, 25fs 길이의 레이저 펄스를 500mJ로 전달합니다. 레이저 시스템의 아키텍처에 대한 검토는 Porat 외^13에서주어지며, 대상 시스템에 대한 기술적 설명은 Gershuni 외^14에서주어진다. 이 백서는 이러한 유형의 시스템을 만들고 사용하기 위한 상세한 방법을 제시하며 초박형 금호포 표적에서 레이저 이온 가속의 대표적인 결과를 보여줍니다.

도 1에 나타난 톰슨 파라볼라 이온 분광계(TPIS)^15,16은 방출된 이온의 에너지 스펙트럼을 기록하는 데 사용되었다. TPIS에서 가속 된 이온은 평행 전기 및 자기장을 통과하여 초점 평면의 포물선 궤적을 배치합니다. 포물선 곡률은 이온의 전하 대 질량 비율에 따라 달라지며, 궤도를 따라 위치는 이온의 에너지에 의해 설정됩니다.

TPIS의 초점 평면에 위치한 BAS-TR 이미징 플레이트(IP)^{(IP) 17은} 임핑 이온을 기록한다. IP는 각 촬영 전에 신선한 영역으로 변환할 수 있도록 기계 피드스루에 부착됩니다.

프로토콜

1. 표적 제작

참고: 그림 2 및 도 3은 독립형 금호의 제조 과정을 보여줍니다.

1. 백 사이드
   1. 두께 250 μm, 직경 100mm, 고응 실리콘 웨이퍼를 실리콘 질화물로 양쪽에 코팅한 100> 크리스탈 형성에 사용합니다.
   2. 아세톤을 사용하여 웨이퍼를 청소한 다음 이소프로판올을 닦고 질소로 건조시다.  그런 다음 HMDS 레이어를 스핀 코팅하여 표 1에설명된 단계에 따라 접착제 레이어를 형성합니다.
   3. 표 2에설명된 단계에 따라 AZ1518 포토레지스트 레이어로 웨이퍼를 스핀 코팅합니다.
   4. 웨이퍼를 100°C에서 1분간 굽은 다음 식힙니다.
   5. Photolithograph 1,000 μm x 1,000 μm 사각형 개구부 진공 상태에서 4~7초의 웨이퍼를 400nm UV 램프로 노출시다. 웨이퍼는 40 J/cm^2의전체 연도에 노출됩니다. AZ726K 개발자를 사용하여 실리콘 질화물을 노출하고 탈수된 물 목욕을 사용하여 공정을 중지합니다.
   6. 반응성 이온 에서(RIE)를 사용하여 사각형의 위치에서 실리콘 진골을 제거합니다.
   7. N-메틸-2-피롤리돈(NMP) 목욕을 20분 동안 사용하여 잔류 저항 및 포토레지스트를 제거하여 실리콘 저티라이드 층에 마스크의 복제본을 생성합니다. 담수로 웨이퍼를 씻고 질소로 말리십시오.
   8. 웨이퍼를 30%, 90°C, 수산화칼륨으로 가라앉히고 사각형 개구부를 통해 실리콘을 식히게 한다. 에칭해야 하는 실리콘 50μm당 웨이퍼를 40분 동안 가라앉히면 됩니다. /lt;100> 평면의 에칭 속도가 다른 것보다 훨씬 높기 때문에 수산화 칼륨은 실리콘 벌크를 통해 하단 실리콘 질화물 층에 도달한 후 실리콘 질화물 마스크의 상당한 깊이를 에칭합니다.
2. 프론트 사이드
   1. 앞면의 경우, 3개의 동심 링 모양의 마스크로 1.1.1-1.1.6 단계를 반복합니다.
   2. RIE를 사용하여 링이 있는 실리콘 진타를 제거하고 NMP 욕조를 사용하여 레지스트 및 포토레지스트 남은 것을 제거합니다.
   3. 마지막으로 실리콘 링을 거칠게 하기 위해 웨이퍼를 질산으로 가라앉히고 0.02M 은 질산및 4M 수소 불소용액으로 가라앉습니다.
   4. 웨이퍼의 에칭 된 쪽에서, 접착 티타늄, 니켈 또는 크롬의 ~ 10 nm 박막 위에 수백 나노미터의 금층을 스퍼터물리적 증기 증착 기계 (PVD) (PVD)^18을 사용합니다. 스퍼터드 골드 층은 독립형 멤브레인 대상이 됩니다.

2. 정렬

참고: 그림 4는 대상 조사 설정을 보여 주어 있습니다.

1. 100x 배율 현미경으로 첫 임의로 선택된 대상을 뷰로 가져옵니다.
2. 삼각 측량 범위 센서(예: MTI/MicroTrak 3 LTS 120-20)를 대상에 가장 가까운 거친 링에 가리키고 변위 판독값을 기록합니다.
   참고: 사용되는 범위 센서 모델은 고진공 응용 을 위한 것이 아닙니다. 동일한 공급업체의 MTI-2100과 같은 다양한 모델은 저기스 링 응용 프로그램과 호환됩니다.
3. 현미경을 제자리에 두는 동안 웨이퍼를 이동하여 알려진 거리를 이동하여 빔 경로를 지웁웁습니다.
4. 두 개의 접이식 거울과 오프축 포물선 거울(OAP)을 사용하여 저전력의 빔을 현미경의 시야에 정렬합니다.
5. 이 세 개의 거울을 조정하여 빔의 난시를 수정합니다. 결과는 거의 회절 제한 초점 지점이어야한다.
6. 레이저 빔을 차단하고 현미경의 초점에 다시 대상을 가지고. 현미경과 범위 센서의 판독을 사용하여 위치를 검증합니다.
7. 현미경을 레이저 빛과 파편으로부터 안전하게 보관할 위치로 이동합니다.

3. 조사 서열 및 자동 대상 위치 지정

1. 대상의 초점 축 조작기와 소프트웨어를 사용하여 변위 센서 판독 사이에 닫힌 루프 피드백을 구현합니다. 프로토콜 단계 2.2에서 기록된 값을 설정점으로 사용합니다. LabView로 준비된 기본 PID²⁰ 제어 시퀀스는 그림 5에표시됩니다.
2. 닫힌 루프 포지셔닝이 설정점에서 원하는 공차 거리에 도달하면 단일 고전력 레이저 펄스로 대상을 조사합니다.
3. 기계 식 피드스루를 사용하여 IP를 새 위치로 변환합니다.
4. 소프트웨어에 의해 초점을 가져온 다음 대상으로 조사 순서를 반복합니다.

결과

이 표적 전달 시스템은 600 nm 두께의 금호의 뒷면에서 이온을 가속화하기 위해 사용되었습니다. ₀ = 5.6의 정규화된 레이저 강도로 조사했을 때, 이들 이온은 표적 정상 칼집 가속(TNSA)^{메커니즘(21)에}의해 가속되었다. TNSA에서, 주 레이저 펄스 이전의 저강도 광은 표적 호일의 전면 표면을 이온화시켰다. 주요 레이저 펄스에 의해 가해지는 숙고력은 대량 물질을 통해 뜨거운 ?...

토론

일부 변형을 통해, 이 프로토콜에 기재된 표적 제조 공정은 일반적이다(예를 들어, 자피노 외^23). 여기서, 자동 포지셔닝의 작동에 중요한 하나의 독특한 단계는 웨이퍼 의 뒷면에 링 모양 영역에 나노미터 규모의 거칠기의 추가이다 (단계 1.2.3). 이 단계의 목적은 해당 영역의 웨이퍼에 있는 빛 인시던트의 분산 분산을 증가시키는 것입니다. 레인지 센서는 웨이퍼에 저전력 레이저...

자료

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