Jonimplanter och jonstråleanalys med keV joner

För jonimplantationer och jonstråleanalys med keV-joner finns en mångsidig acceleratorplattform som kan producera jonstrålar från en betydande andel av alla grundämnen.

Tandemlaboratoriet har en acceleratorplattform av typen Danfysik 1090 för jonimplantationer och analysmetoder med keV-joner. Instrumentet kan producera jonstrålar från en betydande andel av alla grundämnen i det periodiska systemet och kan nyttiggöras för ett brett spektrum av tillämpningar.

Jonerna accelereras upp till 350 keV och styrs sedan in i ett av tre strålrör för olika tillämpningar.

• Jonimplantationer. 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.
• ToF-MEIS systemet. Det andra strålröret består av vårt unika system för så kallad time-of-flight medium-energy ion scattering (ToF-MEIS) som används för icke-destruktiv djupupplöst kristallografi och sammansättningsanalys i tunna filmer och andra materialprover.
• Multifunktionell spridningskammare. Det tredje strålröret når en multifunktionell spridningskammare. Den används bland annat för djupprofilering av ¹¹B och ¹⁸O med hjälp av kärnreaktioner.

Brett utbud av tillgängliga grundämnen för jonimplantationer med energier upp till 350 keV.

Jonimplantationer används regelbundet både av akademiska forskare och inom industrin för många tillämpningar, till exempel i tillverkning av mikrochip. Tandemlaboratoriets implanteranläggning är den enda akademiskt drivna och öppet tillgängliga i sitt slag i Sverige. Både forskare och företag som inte har tillgång till en egen implanter kan ansöka om stråltid.

Målkammaren nås via en renrumsmiljö för att säkerställa ultrarena ytor under provpreparation och montering.

Brett utbud av grundämnen för implantation

På Tandemlaboratoriets jonimplanter finns ett brett utbud av tillgängliga källmaterial så att önskemål om olika joner kan tillgodoses. Exempel på tillgängliga joner inkluderar sådana som typiskt förekommer vid bearbetning av halvledare (B, BF2, Al, P, As och andra), olika metaller (exempelvis Fe, W) samt lätta och tunga ädelgaser.

Anpassa partikelflöde, dos och laddningstillstånd

Vi kan anpassa partikelflöde och dos samt välja att leverera enkelladdade eller dubbelladdade joner. Det senare möjliggör vid maximal accelerationsspänning jonenergier upp till 700 keV. På grund av den höga uppnåbara strålströmmen (upp till ett fåtal mA) kan vi utföra implantationer vid mycket höga doser. Se publikationen nedan för ett exempel.

Time-of-flight medium-energy ion scattering (ToF-MEIS)-systemet är Tandemlaboratoriets egen design med pulsade keV-jonstrålar för in-situ-studier av tunna skikt

Time-of-flight medium-energy ion scattering (ToF-MEIS)-systemet är designat av Tandemlaboratoriets forskare och kombinerar pulsade keV-jonstrålar med avancerade detektionssystem.

Denna unika utrustning har utvecklats för att analysera den kemiska sammansättningen och kristallstrukturen hos tunna skikt med mycket hög djupupplösning och på ett icke-destruktivt sätt.

I strålröret delas keV-jonstrålen från implanterplattformen upp i korta pulser med en längd på ca 1 nanosekund. Uppdelningen i tid möjliggör mätning av energi med mycket hög upplösning, vilket är fördelaktigt för såväl grundforskning om växelverkan mellan joner och fasta material.  som för att studera material med djupupplösning i nanometerområdet.

Vinkelupplösta mätningar

Spridningskammaren där provet placeras 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.

Djupupplösning under en nanometer

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 preparering av tunna filmer för in-situ-studier av effekter på och nära ytan.

Den multifunktionella spridningskammaren för sub-MeV-jonstråleanalys kan bland annat användas för djupprofilering av isotoperna ¹¹B och ¹⁸O med hjälp av kärnreaktioner.

Detta strålrör är avsett för sub-MeV-jonstråleanalys. Flera detektorer möjliggör materialkarakterisering nära ytan med hög upplösning.

Isotopselektiva studier av materialdiffusion

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.