[論文レビュー] Fabrication of High Aspect Ratio Micro-Penning-Malmberg Gold Plated Silicon Trap Arrays

Alireza Narimannezhad, Joshah Jennings+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2013

Muon and positron interactions and applications参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、10 Vの電場を用いて最大10^12個のポジトロンを貯蔵可能な、高長細比（1000:1）のマイクロ・ペニング・マルムバーグ金めっきシリコントラップアレイの新規なプロセスを提示する。深掘り反応イオンエッチング（DRIE）、金スパッタリング、熱的圧着接合、電気めっきを組み合わせることで、均一で低仕事関数の表面を実現し、WARP シミュレーションにより、10 cmの長さのトラップで60%以上のポジトロンを保持するためには、磁場の整列精度を2×10^{-4}°以内に制御する必要があることが示された。

ABSTRACT

Acquiring a portable high density charged particles trap might consist of an array of micro-Penning-Malmberg traps (microtraps) with substantially lower end barriers potential than conventional Penning-Malmberg traps [1]. We report on the progress of the fabrication of these microtraps designed for antimatter storage such as positrons. The fabrication of large length to radius aspect ratio (1000:1) microtrap arrays involved advanced techniques including photolithography, deep reactive ion etching (DRIE) of silicon wafers to achieve through-vias, gold sputtering of the wafers on the surfaces and inside the vias, and thermal compression bonding of the wafers. This paper describes the encountered issues during fabrication and addresses geometry errors and asymmetries. In order to minimize the patch effects on the lifetime of the trapped positrons, the bonded stacks were gold electroplated to achieve a uniform gold surface. We show by simulation and analytical calculation that how positrons confinement time depends on trap imperfections.

研究の動機と目的

• 陽子や反物質を高密度で貯蔵可能なスケーラブルでポータブルな荷電粒子トラップの開発。特にポジトロンを対象とする。
• 従来のペニング・マルムバーグトラップが、大容量の電荷貯蔵に現実的でない高電位を要するという制限を克服すること。
• シリコンウェハーより1000:1の長細比（100 μm径、100 mm長さ）のマイクロトラップアレイを、幾何的不純度を最小限に抑えて作製すること。
• ボンデッドスタックの金電気めっきにより、パッチ効果を低減し、ポジトロンの閉じ込め寿命を延長すること。
• 幾何的および磁場のずれがポジトロン閉じ込め時間に与える影響を、シミュレーションと解析的モデルを用いて定量化すること。

提案手法

• 100 mmのシリコンウェハに100 μmの穴をSU-8レジストを用いてフォトレジストでパターン形成し、均一性80 μmを達成。
• ボッシュプロセスによる深掘り反応イオンエッチング（DRIE）を用い、垂直な側壁を持つ高長細比の貫通ビアを形成。
• 回転ダイを使用して、ウェハ両面および内部ビア壁への均一なコーティングを実現するための金スパッタリング。
• 高精度の機械加工ジグを用いた熱的圧着接合により、4 μmの位置合わせ精度を達成。
• マイクロキャビティを埋めるためにボンデッドスタックの金電気めっきを実施し、滑らかで均一な表面を形成し、パッチ電場効果を低減。
• WARP粒子-セルフコンシステントシミュレーションを用いて、幾何的および磁場のずれが異なる条件でのポジトロン閉じ込めダイナミクスをモデル化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロトラップダイの幾何的ずれは、高長細比シリコントラップアレイにおけるポジトロン閉じ込め時間にどのように影響するか？
• RQ2 10 cmの長さのマイクロトラップで60%以上のポジトロン保持率を維持するには、どの程度の磁場ずれが許容されるか？
• RQ3 マイクロキャビティに起因する表面パッチ電場はポジトロン閉じ込めにどの程度悪影響を及ぼし、電気めっきによってこれを緩和できるか？
• RQ4 直径の変動（±2 μm）が、計算されたパッチ電場効果と比較して、閉じ込めに与える影響はどの程度か？
• RQ5 高長細比エッチングにおけるバウイングやノッチを最小限に抑えるために、最適なプロセスパラメータ（例：DRIEステップ時間、マスク選択性）は何か？

主な発見

• ボッシュDRIEプロセスにより、シリコンウェハに高長細比（1000:1）の垂直な穴が成功裏に形成されたが、装置の制限によりバウイングが依然として発生した。
• 金スパッタリングにより、内部ビア壁への均一なコーティングが達成されたが、マイクロキャビティが検出され、後に電気めっきで埋められた。
• 金電気めっきにより、パッチ電場効果が効果的に低減された。表面の仕事関数はケルビンプローブ法により測定される見込みである。
• WARPシミュレーションにより、ダイのずれが2 μmを超えるとポジトロン損失が著しく増加し、貯蔵容量が低下することが判明した。
• 10 cmの長さのトラップで60%以上のポジトロンを保持するためには、磁場のずれを2×10^{-4}°以内に制御する必要がある。
• 閉じ込められたポジトロンの割合は、α(Lg)^{-2}に比例し、ここでαは度単位のずれ角、Lgはmm単位のトラップ長さである。回帰式はy = -6.32x + 79.81（R² ≈ 0.9）で、良好な適合が得られた。