Jonimplanter
För jonimplantationer och jonstråleanalysmetoder med keV-joner har Tandemlaboratoriet en acceleratorplattform av typen Danfysik 1090. Maskinen är utrustad med en mycket mångsidig jonkälla som möjliggör för oss att producera jonstrålar från nästan alla grundämnen i det periodiska systemet för ett brett spektrum av tillämpningar. Jonerna accelereras med upp till 350 kV och styrs in i ett av tre strålrör för olika tillämpningar.
Det första strålröret är avsett för implantationer och bestrålningar. Med en partikelström på upp till ett par mA kan man utföra högdosimplantationer även på stora provytor.
Det andra strålröret består av vårt unika time-of-flight medium-energy ion scattering system som används för icke-destruktiv djupupplöst kristallografi av tunna filmer.
Slutligen når det tredje strålröret en multifunktionell spridningskammare. Den används bland annat för djupprofilering av ¹¹B och ¹⁸O med hjälp av kärnreaktioner.
Implantationer av olika jonslag för ett stort antal olika tillämpningar efterfrågas regelbundet både från industrin och akademiska forskare. Det breda utbudet av tillgängliga grundämnen innebär att vi kan tillgodose olika önskemål, från typiska dopämnen i halvledare (B, Al, P, As och andra) över olika metaller (exempelvis Fe, W) till lätta och tunga ädelgaser. Vi kan anpassa strålningsflöde och dos och kan även utföra implantationer vid mycket höga doser på grund av den höga strålström som kan uppnås (upp till ett par mA).
Målkammaren nås via en renrumsmiljö för att säkerställa ultrarena ytor under provpreparation och montering.
Specifikationer
- Brett spektrum av olika jonslag.
- Enhet för minskning av jonhastighet för jonenergier ner till 2 keV.
- Skanning och fokusering av strålen för homogen bestrålning även över stora ytor.
- Maximal waferstorlek: ∅6''. Standardprovhållare finns för 2'', 4'' och 6'' prover.
- Vattenkylning av provhållaren.
- Heta implantationer vid temperaturer upp till 650°C möjliga.
- Justerbar infallsvinkel mellan jonstrålen och provytan.
Time-of-flight medium-energy ion scattering (ToF-MEIS)-systemet är vår egen design och kombinerar pulsade keV-jonstrålar med avancerade detektionssystem. Denna unika utrustning har utvecklats för att analysera den kemiska sammansättningen och kristallstrukturen hos tunna filmer med mycket hög djupupplösning och på ett icke-destruktivt sätt. Ett annat fokus ligger på grundläggande forskning om växelverkan mellan joner och fasta material.
I strålröret delas den keV-jonstråle som kommer från implanterplattformen upp i korta pulser med en längd på ca 1 nanosekund. En så kallad drift tube buncher kan dessutom användas för att minska pulsbredden till ca 0,3 nanosekund. Denna uppdelning i tid gör att forskarna kan mäta energi med mycket hög upplösning, vilket är fördelaktigt för såväl grundläggande studier som för att uppnå hög djupupplösning.
Spridningskammaren har två detektorer. Den första är flyttbar och kan placeras i vilken spridningsvinkel som helst för mätningar i olika geometrier (bakåtspridning, framåtspridning och transmission). Den stora ytan möjliggör korta mättider samt vinkelupplösta mätningar och bilder av kristallstruktur i den direkta rymden. Den andra detektorn är placerad i en fast position längre bort från provet, vilket ger en förbättrad tidsupplösning som kan översättas till en djupupplösning på under en nanometer. Den detektortyp vi använder är inte bara känslig för joner utan kan även detektera neutrala atomer, elektroner och fotoner.
ToF-MEIS-systemet kompletteras med en provberedningskammare som möjliggör tillverkning och preparation av tunna filmer för in-situ-studier av effekter på och nära ytan.
A versatile time-of-flight medium-energy ion scattering setup using multiple delay-line detectors
Ingår i Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, s. 16-20, 2020
Ingår i Review of Scientific Instruments, s. 95107, 2012
Specifikationer ToF-MEIS system
- Icke-destruktiv mätteknik tack vare användning av en pulserande jonstråle.
- Provet monteras på en 6-axlig goniometer som möjliggör 3 translations- och 3 rotationsrörelser.
- Provhållare för transmissionsexperiment på självbärande folier finns tillgänglig.
- Uppvärmning av provet vid upp till 600°C.
- Möjlighet att variera provhållarens potential mellan -500 V och 500 V, vilket gör det möjligt att detektera sekundära joner och elektroner med låg energi.
- Två detektorer som var och en registrerar partikelns energi och position.
- Första detektorn: kan roteras runt spridningspunkten med en stor rymdvinkel på 0,13 sr.
- Andra detektorn: fixerad vid en spridningsvinkel på 135° på ett avstånd av 1050 mm för förbättrad energiupplösning.
- Möjlighet att mäta utgående laddningstillstånd av jonerna under transmissionsexperiment.
- Elektrod framför den andra detektorn för att separera neutrala atomer från joner.
- Tryck inuti kammaren <3 x 10‾⁸ mbar.
Specifikationer provpreparation
- 2 elektronstråleförångare som kan användas samtidigt för (sam-)deponering av tunna filmer.
- 1 ytterligare enhet för magnetronsputtring som kan användas i DC- eller RF-läge.
- Gasinlopp som möjliggör reaktiv tillväxt.
- Uppställning för sputtringsrengöring av prover, inklusive Wienfilter.
- Upphettning av prover vid temperaturer upp till 1200°C med hjälp av en elektronstråle.
- Ytterligare värmare kan användas även för självbärande prover som kan upphetta prover till upp till 500°C.
- Analys av restgas under drift.
Detta strålrör är avsett för sub-MeV-jonstråleanalys. Flera detektorer möjliggör materialkarakterisering nära ytan med hög upplösning. En unik egenskap hos denna uppställning är användningen av två kärnresonanser hos keV-protoner: vid 151 keV med ¹⁸O och vid 163 keV med ¹¹B. Genom att detektera de resulterande alfapartiklarna kan dessa isotoper kvantifieras djupupplöst, vilket till exempel möjliggör isotopselektiva studier av materialdiffusion. Denna förmåga har också använts för att kvantifiera bor i övergångsmetallegeringar, som är tekniskt relevanta för beläggningar eller som friktionsmaterial.
Andra tillgängliga tekniker är högupplöst spektrometri med bakåtspridda joner (RBS), även i kombination med kanalisering, och PIXE med keV-joner för detektering av så lätta element som kol.
Ingår i Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, s. 104-110, 2020
Systematic compositional analysis of sputter-deposited boron-containing thin films
Ingår i Journal of Vacuum Science & Technology. A. Vacuum, Surfaces, and Films, 2021
Specifikationer
- En PIPS-detektor (passivated implanted planar silicon detector) med stor yta (1200 mm²) och absorberfolie för att detektera alfapartiklar från kärnreaktioner.
- Ytbarriärdetektor med kyld förförstärkare för högupplöst RBS. För protoner och deuteroner kan typiska upplösningar på 3 keV (FWHM) uppnås.
- Ultrasnabb kiseldriftdetektor (SDD) med mycket tunt berylliumfönster för att detektera karakteristisk röntgenstrålning från element med Z ≥ 6.
- Provhållare ansluten till fjärrstyrd 3-axlig goniometer.
- Strålströmmar upp till µA kan uppnås.
- N₂--fälla för att förbättra kammarens tryck till <10‾⁷ mbar.