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Mikro- und nanofabrizierte Targets für physikalische Hochenergie-Experimente

Das IPHT arbeitet weltweit mit Wissenschaftlern an neuen physikalischen Methoden und entwickelt dafür auf die jeweiligen Experimente spezifisch zugeschnittene Testobjekte, z. B. multilagige Targets zum Nachweis der nanoskaligen axialen Auflösung einer neuartigen optischen Kohärenztomographie oder freitragende Silizium-Spaltblenden für kryogene Wasserstoff-Jets als lasergetriebene Quelle für Protonenstrahlen, durchgeführt in Großbeschleuniger-Forschungsanlagen.

Abb. 1: Oben - Schematische Darstellung der Zusammensetzung des XCT-Targets. Die Bilder der zwei Bild-Ebenen sind Aufnahmen vor dem Beschichten mit den Silizium-Lagen. Unten: Rekonstruktion des Targets durch die XCT-Tomographie.

Abb. 2: Geometrie und REM-Aufnahme der mit MEMS-Technologie aus SOI-Wafer gefertigten planaren Spaltblenden

Von UWE HÜBNER // SILVIO FUCHS // SEBASTIAN GÖDE

Die Mikro- und Nanostrukturierung des IPHT arbeitet weltweit mit Wissenschaftlern an der Erforschung neuartiger physikalischer Methoden und Messverfahren zusammen und entwickelt dafür spezielle, auf die jeweiligen Experimente zugeschnittene Testobjekte (Targets). Der Artikel beschreibt dazu zwei aktuelle Beispiele: Multilagige, mit nanometerdünnen und versteckt eingebetteten Gold-Strukturen versehene Targets aus Silizium zum Nachweis der nanoskaligen axialen Auflösung in der dreidimensionalen optischen Kohärenztomographie, bei der die Strahlerzeugung auf einer lasergetriebenen hohen-harmonischen Quelle beruht (XCT am IOQ der FSU Jena). Des Weiteren wurden freitragende und mit MEMS-Technologien hergestellte Silizium-Spaltblenden mit sub-µm-Dimensionen in Experimenten zur Erzeugung und zum Nachweis einer effizienten lasergetriebenen Protonenbeschleunigung aus zylindrischen und planaren kryogenen Wasserstoff-Jets gefertigt. Diese Experimente fanden an Großbeschleuniger-Anlagen (Draco - Dresden laser acceleration source im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, am SLAC - Stanford Linear Accelerator Center in Kalifornien/USA bzw. EuXFEL - European X-ray Free Electron Laser facility in Hamburg) statt.

  • a) Targets für die optische Kohärenztomographie bei extrem ultravioletter Strahlung

Extreme Ultraviolett-Mikroskopie (XUV) ist technologisch anspruchsvoll und bisher weitgehend auf Synchrotronstrahlung von Teilchenbeschleunigern und dem Zugriff auf diese Großgeräteanlagen beschränkt. Motiviert durch die hohe Auflösung und den außergewöhnlichen Materialkontrast dieses Mikroskopieverfahrens entwickelt das IOQ der FSU Jena Geräte-Alternativen in Tischgröße für die Labornutzung. Als Strahlungsquelle wird ein Ti:Sa-Lasersystem zur Generation hoher-harmonischer Strahlung verwendet. Der experimentelle Aufbau und die Ergebnisse der nichtinvasiven 3D-Querschnittsbildgebung dieser XUV-Kohärenztomographie (XCT) sind im Detail in [1] beschrieben. Zur Demonstration und zur Bestimmung der lateralen und axialen Auflösung des Verfahrens wurde am IPHT ein mit mikrolithographischen Methoden hergestelltes spezielles Multilagen-Dünnschicht-Testobjekt entwickelt, das in versteckt liegenden Ebenen nanometerdünne Gold-Strukturen in Form von Bildern bzw. Schriften aufwies. Ausgangspunkt stellte ein Siliziumwafer dar (Durchmesser 100 mm, Dicke 500 µm), auf den wiederholt 5 nm dünne Goldmuster, getrennt durch eine 100 nm dicke gesputterte Silizium-Lage, gedampft und geliftet und abschließend unter einer 200 nm dicken Siliziumschicht vergraben wurden. Die wafernähere Goldlage zeigt ein großflächiges Bild, die höhere Goldlage kleinere „XCT“-Schriftzüge in verschiedenen Größen (Abb. _01). Die erzeugten 3D-Bilder zeigen Strukturen mit einem sehr guten Materialkontrast und die Lage der vergrabenen Ebenen wurde mit einer Tiefen-Auflösung von 24 nm rekonstruiert. Es gelang zudem der Nachweis einer nur nanometerdünnen nativen Oxidschicht im 200 nm-Decksilizium, die auf eine Vakuumunterbrechung während des Si-Beschichtungsprozesses zurückgeführt wurde.

  • b) Erzeugung einer effizienten lasergetriebenen Protonenbeschleunigung aus zylindrischen und planaren kryogenen Wasserstoff-Jets

Wir berichten in [2] über die neuesten experimentellen Ergebnisse, die einen kontinuierlichen kryogenen Wasserstoffstrahl als eine erneuerbare, lasergesteuerte Quelle reiner Protonenstrahlen nutzen, die mit dem 150 TW Ultrakurzpulslaser Draco (Dresden laser acceleration source in Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) erzeugt wurden. Effiziente Protonenbeschleunigungen, die Cut-Off-Energien von bis zu 20 MeV erreichen, mit Partikelzahlen von mehr als 109 Partikeln pro MeV pro Steradiant, zeigen erstmals, dass die Beschleunigungsleistung vergleichbar ist mit Folientargets mit Dicken im Mikrometerbereich. Die Technologie zur Erzeugung kryogener Wasserstoffjets wurden am SLAC und European XFEL entwickelt. Zwei unterschiedliche Target-Geometrien wurden getestet und deren Protonenstrahlabgabe charakterisiert: zylindrische Löcher (∅ 5 μm) und planare Schlitze (20 μm × 2 μm). In beiden Fällen wurden typische „Target Normal Sheath Acceleration“ - Emissionsmuster mit exponentiellen Protonenenergiespektren detektiert. Im Vergleich zur zylindrischen runden Blendengeometrie wurden beim planaren Jet signifikant höhere Protonenzahlen in Laser-Vorwärtsrichtung beobachtet. Dies wird durch zweidimensionale „Particle-in-Cell“ (2D3V PIC) -Simulationen bestätigt. Diese zeigen, dass eine planare Jetgeometrie zu optimalen Beschleunigungsbedingungen (in dem untersuchten Laserregime) führt [2].

Die planaren Spaltblenden wurden am IPHT in einer Kombination von Elektronenstrahllithographie und MEMS-Technologie hergestellt. Ausgangspunkt war ein SOI-Wafer (Silicon-on-Insulator) mit einer 2 µm dicken Siliziumschicht als „Device-Layer“. In diese wurden mikrolithographisch und mittels Plasmaätzen die präzisen Schlitzstrukturen mit Breiten von 500 nm bis 10 µm und Längen bis 20 µm geätzt. Um freitragende Blenden zu erhalten (Abb. _02), wurden abschließend rückseitig das Silizium und Siliziumoxid nasschemisch entfernt. Bei einer Blendengröße von 3 mm x 3 mm und der Anordnung auf einem 4“ Wafer (100 mm) stehen mehr als 500 Spaltblenden für die Experimente in den Großbeschleunigeranlagen zur Verfügung.

Gefördert von: DFG, BMBF, HGF

Zugehörige Publikationen

[1] Optica 903, Vol. 4, No. 8 / August 2017

[2] Scientific Reports 7, Article number: 10248 (2017)

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