微加工工艺在惯性约束聚变分解实验用靶制备中的应用研究

摘要

瑞利-泰勒不稳定性是惯性约束聚变分解实验的重要研究内容，本文围绕ICF分解实验中需要用到的几种靶型及其制备展开研究。本论文第二章介绍了当前国内外研究瑞利-泰勒不稳定性增长实验所用靶型的制备及应用情况。从实验用靶来看，调制靶的设计正从平面向立体发展，出现了球形和柱形等新靶形，制备手段包括精密机械微加工方法、激光束、电子束、离子束微加工方法、半导体工艺微加工方法等。根据国外球形和柱形等新靶型的参数，结合国内现有的工艺条件和具体实验需求，对国内可能采用的靶型及其制备工艺进行了研究探索。本论文第三章介绍了采用激光干涉法在光刻胶表面制备正弦起伏图形，结合电镀图形转移工艺获得了一系列Ni基图形转移模板，并进一步将正弦起伏图形使用旋涂镀膜方法转移到聚合物薄膜表面，制备出(溴代)聚苯乙烯二维调制箔靶的工艺过程。研究了图形的精确转移工艺，对工艺参数的优化进行了讨论，重点介绍了旋涂参数的摸索和深振幅样品的脱膜工艺研究。比较了光刻胶表面图形和一次、二次电镀转移图形以及转移到聚苯乙烯薄膜上图形的形貌，测定了图形转移过程中的深度变化，结果表明：经过整个制备工艺后，图形形貌未遭破坏，仍具有较好的正弦状起伏图形。获得聚合物膜后再进行微切割获得长度为1.5mm左右，宽度为250～400μm的微型侧照明实验用靶，靶型侧面形貌的显微镜观察结果显示：正弦起伏图形清晰，可以满足分解实验要求。在二维调制靶研究的基础上，探讨了在聚合物膜上获得具有不同参数的三维调制箔靶的工艺过程。本论文第四章以半导体光刻工艺结合化学腐蚀工艺实现对硅片的定向自截止腐蚀，获得自支撑Si平面薄膜，在此基础上，结合离子束刻蚀工艺，在Si薄膜表面引入网格或条状图形，获得刻蚀深度为1.0μm左右，网格尺寸为25×25μm，或条状线宽为5μm的Si刻蚀膜；测量了Si刻蚀膜的形貌和刻蚀深度；研究了离子束刻蚀参数对图形形貌的影响，并介绍了采用两种靶型获得的像传递函数信息。本论文第四章还介绍了以半导体光刻工艺结合腐蚀工艺制备Al调制靶的情况。选用合适的腐蚀液，使腐蚀液既不容易侵蚀坚膜后的光刻胶又能较快地腐蚀掉裸露部分的Al膜，使用失重法研究了腐蚀条件(温度、时间等)对腐蚀速率的影响，通过控制工艺条件来控制Al靶表面的微结构，对图形的形貌和样品表面成分进行了测量和分析。结果表明：Al靶表面调制图形的周期为50μm，调制深度达到20μm；钻蚀导致图形形貌近似于正弦起伏；Al靶表面所含的主要成分为铝和氧。本论文第五章对激光微加工技术用于瑞利-泰勒不稳定性研究用的柱形和球形靶的制备情况进行了调研，分析、比较了几种常见的微细加工工艺以及短波长紫外激光器和超短脉冲激光器各自用于微加工的特点；提出了柱形和球形靶的研制设想和激光微加工系统的设计方案，讨论了加工参数对加工质量的影响；并在此基础上进行了初步的飞秒激光微加工实验探索，在平面有机膜和石英玻璃表面获得了刻蚀图形，讨论了加工质量及其改进措施，为调制靶的加工进行了初步的摸索。本论文第六章介绍了以钛酸丁酯和苯甲酰丙酮为源，经Sol-Gel工艺，获得具有负性光刻胶性质的TiO2光敏凝胶薄膜并结合掩膜曝光和显影工艺，将条状或网格状的光栅图形引入光敏凝胶表面，获得光敏凝胶光栅的过程。它的敏感波长在360nm附近，与反应生成的螯合环有关。还介绍了以锆酸丁酯和苯甲酰丙酮为源，结合sol-gel工艺，以溶液浸渍法制备ZrO2光敏凝胶光栅的过程。获得光栅周期在2～1μm，深度120～200nm的ZrO2薄膜光栅。采用紫外分光光度计、红外分光光度计、AFM测量了凝胶光栅的参数，研究了图形的转移过程并优化了工艺。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。关键词：惯性约束聚变，瑞利-泰勒不稳定性，平面调制靶，自支撑靶，激光微加工，光敏凝胶光栅

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1惯性约束聚变国内外研究现状与发展趋势

1.1.1惯性约束聚变概念的提出

1.1.2各国的研究现状和发展趋势

1.1.3惯性约束聚变靶的制备

1.2微细加工技术综述

1.2.1微细加工技术的含义

1.2.2微细加工技术的应用

1.2.3微细加工技术的发展

1.3应用于惯性约束聚变实验用靶制备的微细加工工艺

1.3.1光学曝光微细加工技术

1.3.2图形刻蚀微细加工技术

1.3.3薄膜制备微细加工技术

1.3.4激光微细加工技术

1.4本论文的目的和内容

第二章 国内外瑞利-泰勒不稳定性实验用靶的制备和应用

2.1引言

2.1.1聚爆中的瑞利-泰勒流体力学不稳定性

2.1.2惯性约束聚变分解实验

2.2国外调制靶现状

2.2.1平面调制靶的应用

2.2.2柱形靶的应用

2.2.3球形靶的应用

2.3国内调制靶制备和应用现状

2.4本章小结

第三章二维正弦调制靶的图形转移研究

3.1引言

3.2二维正弦调制靶的图形转移

3.2.1聚合物平面调制靶制备工艺

3.2.2表面调制图形的获得

3.2.3电镀图形转移

3.2.4箔靶制备及其厚度控制

3.2.5箔靶形貌监测

3.2.6深振幅箔靶的脱膜工艺

3.2.7微切割方法制备侧照明用靶

3.2.8三维调制图形制备探索

3.3本章小结

第四章 自支撑硅薄膜靶和深振幅铝调制靶的制备工艺研究

4.1引言

4.2自支撑硅薄膜靶的制备工艺研究

4.2.1硅平面薄膜和硅刻蚀膜的制备

4.2.2测量

4.2.3结果与讨论

4.3深振幅铝调制靶的制备工艺研究

4.3.1铝调制靶的制备

4.3.2测量

4.3.3结果与讨论

4.4本章小结

第五章 激光微细加工方法用于调制靶制备的发展现状及实验探索

5.1引言

5.2工艺设想及系统方案

5.2.1柱形靶与球形靶研制的工艺设想

5.2.2激光微细加工系统设计方案

5.2.3短波长紫外激光器和超短脉冲激光器比较

5.3飞秒激光微加工制备调制靶的初步实验探索

5.3.1激光与材料相互作用的机理

5.3.2飞秒激光烧蚀的物理机制

5.3.3飞秒激光烧蚀实验

5.4本章小结

第六章惯性约束聚变驱动器中色分离相位光栅的溶胶-凝胶工艺制备研究

6.1引言

6.2二氧化钛光敏凝胶薄膜表面光栅图形的制备工艺

6.2.1溶胶的制备

6.2.2凝胶膜的形成

6.2.3紫外曝光

6.2.4光栅图形的显影

6.2.5后续热处理

6.3二氧化锆光敏凝胶薄膜表面光栅图形的制备工艺

6.3.1反应原理

6.3.2制备工艺

6.4测量结果与讨论

6.4.1二氧化钛凝胶膜曝光前后的紫外吸收特性

6.4.2二氧化钛凝胶膜曝光前后的红外特性

6.4.3二氧化钛光敏凝胶膜的形貌测量

6.4.4二氧化钛光敏凝胶光栅图形的测量

6.4.5二氧化锆凝胶膜曝光前后的紫外吸收特性

6.4.6二氧化锆凝胶膜曝光前后的红外特性

6.4.7二氧化锆光敏凝胶光栅图形的测量

6.5本章小结

第七章结论与展望

7.1总结

7.2进一步工作的展望

致谢

参考文献

附录

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果