Entrega automatizada de alvos microfabricados para experimentos intensos de irradiação a laser

Experimentos intensos de radiação laser de alvos de escala de submicrômetro são atualmente realizados a taxas de tiro lento. Nosso protocolo resolveu esse desafio colocando esses alvos rapidamente no foco do laser de forma automatizada. Nosso sistema de destino permite a coleta de dados incorporando um grande número de tiros a laser com parâmetros de destino alterados em pequenos incrementos, bem como aplicações que se beneficiam de uma alta dose global de radiação.

A demonstração visual deste protocolo mostrará as sutilezas do processo de fabricação de wafers e alinhamento de alvos. Demonstrando o processo de fabricação-alvo estão o engenheiro de processo Nirit Porecki Shamay e Nofar Livni. Para fabricar a parte traseira, use um wafer de silício de 100 milímetros de espessura de 250 milímetros de altura em uma formação de cristal de um zero a zero revestida em ambos os lados com nitreto de silício.

Limpe o wafer com acetona e com isopropanol. Em seguida, gire o wafer com HMDS resiste a formar uma camada adesiva. Gire o wafer com um fotoresist positivo AZ 1518.

Asse o wafer a 100 graus Celsius por um minuto. Fotolitógrafo 1.000 por 1.000 micrometros de aberturas quadradas sob vácuo, expondo o wafer em um ciclo de quatro a sete segundos a uma lâmpada UV de 400 nanômetros para que o wafer seja exposto a uma fluência global de 40 joules por centímetro quadrado. Em seguida, use um desenvolvedor AZ 726 para expor o nitreto de silício e um banho de água desidratada para parar o processo.

Use um íon reativo etcher para remover o nitreto de silício na localização dos quadrados. Coloque o wafer em um banho de NMP por 20 minutos para remover a resistência residual e fotoresist, produzindo uma réplica da máscara na camada de nitreto de silício. Em seguida, lave-o sob água doce e deixe secar.

Afunde o wafer em uma solução de hidróxido de potássio de 30%90 graus Celsius para gravar o silício através das aberturas quadradas. Para fabricar o lado frontal, repita o procedimento descrito anteriormente com uma máscara em forma de três anéis concêntricos. Use o íon reativo etcher para remover o nitreto de silício onde os anéis estão localizados, seguido de um banho NMP para remover as sobras de resistência e fotoresist.

Endureça os anéis de silício afundando o wafer em ácido nítrico e em uma solução de 0,02 nitrato de prata molar e quatro flúor de hidrogênio molar. No lado gravado do wafer, use uma máquina de deposição de vapor físico para sputter uma camada de algumas centenas de nanômetros de ouro em cima de um filme de 10 nanômetros de titânio adesivo, níquel ou cromo. Bloqueie o feixe e traga o primeiro alvo à vista sob um microscópio de alta ampliação.

Aponte um sensor de triangulação para o anel áspero mais próximo do alvo e regissuça sua leitura de deslocamento. Deixando o microscópio no lugar, mova o wafer para longe para limpar o caminho do feixe. Use os dois espelhos dobráveis e o espelho parabólico fora do eixo para alinhar o feixe em baixa potência no campo de visão do microscópio.

Ajuste esses três espelhos para corrigir astigmatismos na viga. O resultado deve ser um ponto focal quase difração limitado. Bloqueie o raio laser e traga o alvo de volta ao foco do microscópio.

Em seguida, valide sua posição usando o microscópio e a leitura dos sensores variados. Use o software para implementar um feedback em loop fechado entre o manipulador do eixo focal do alvo e a leitura do sensor de deslocamento usando o valor de deslocamento previamente registrado como ponto de setpoint. Uma vez que o posicionamento de loop fechado tenha atingido uma distância de tolerância desejada do setpoint, irradie o alvo com um único pulso laser de alta potência.

Registo dados de diagnósticos de partículas e repita o processo com o próximo alvo colocado em foco pelo software. Este sistema de entrega de alvos foi empregado para acelerar íons a partir da parte traseira de 600 nanômetros de folhas de ouro de espessura. Uma série temporal do deslocamento do alvo ao longo do eixo focal é mostrada aqui.

Os valores são relativos ao setpoint de posição focal. Os pontos verdes indicam quando o deslocamento do alvo estava dentro de um valor de tolerância de um micrômetro do ponto de setpoint, que é quando um tiro a laser foi tomado. Os traços do espectrômetro de íons thomson parabola foram obtidos a partir de 14 irradiações consecutivas de 600 nanômetros de espessura de alvos de folha de ouro.

Os espectros energéticos foram derivados desses traços. A estabilidade de pico ao pico da energia máxima de prótons ficou em 10%Após este procedimento, as investigações de aceleração de íons e elétrons a partir da geração de neurônios de folhas sólidas podem ser realizadas de forma sistemática.