ELECTROPHYSICAL COMPLEX ON BASIS OF THE ELECTROSTATIC ACCELERATOR ESA-2

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
ELECTROPHYSICAL COMPLEX ON BASIS
OF THE ELECTROSTATIC ACCELERATOR ESA-2
FOR FUNDAMENTAL AND APPLIED INVESTIGATIONS
Lagutin A.E.,
Boyko E.B.,
Kamyshan A.S.,
Komarov F.F.
Institute of Applied Physics Problems,
Belarussian State University, Minsk, Belarus
e-mail: [email protected]
1
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ ИОНОВ
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
2
УСКОРИТЕЛЬ ЭСУ-2
 диапазон энергий, кэВ
 ускоряемые ионы
 стабильность энергии
 ток на мишени
180 ÷ 1000
от Н+ до Ar+
± 0,1 %
до 40 мкА
УСКОРИТЕЛЬ HVEE AN-2500
 диапазон энергий, кэВ
 ускоряемые ионы
 стабильность энергии
 ток на мишени
1000÷2500
Н+ , Не+
± 0,01 %
до 200 мкА
Имплантационный модуль
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
3
Параметры имплантера:
1) тип имплантируемых ионов. . . . . . . . . . . . . . . . H+, H2+, N+, N2+, Ar+;
2) энергия имплантируемых ионов. . . . . . . . . . . . H+, H2+  (200  1000) кэВ,
N+, N2+  (200  1000) кэВ,
Ar+
 (200  800) кэВ;
3) немонохроматичность ионного пучка. . . . . . . .  0,5 %;
4) полный ток на мишени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . до 40 мкА;
5) минимальный диаметр пятна на мишени. . . . . 7 мм;
6) диаметр обрабатываемых пластин. . . . . . . . . . . до 100 мм;
7) тип развертки ионного пучка. . . . . . . . . . . . . . . . электростатический;
8) вакуум в мишенной камере. . . . . . . . . . . . . . . . . не более 7105 Па;
9) диапазон температуры мишени. . . . . . . . . . . . . (25  500)° С.
Ионно-лучевая модификация материалов
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
4
Формирование скрытых высокоомных термостабильных
кремнии субстехиометрической имплантацией азота
слоев
в
Первая (“горячая”) имплантация
Условия: t= 400 C, энергия N2+ 400, 280,
200 кэВ, дозы 6,5·1016, 3,3·1016 и 3,1·1016
ион/см2, соответственно. Концентрация
азота в скрытом слое составляет в среднем
11÷14 %.
Вторая (“холодная”) имплантация
Условия: энергия – 400 и 200 кэВ, доза –
0,65·1016 и 0,31·1016 ион/см2 ,
соответственно.
Постимплантационный отжиг
t= 900 ÷ 950° C в азоте в течение 30 мин.
Получено:
- среднее значение удельного
сопротивления 1,1·106 Ом·см.
- толщина скрытого слоя - около
300 нм;
- толщина приповерхностного
рабочего слоя - около 160 нм.
Энергетические спектры РОР ионов He+ с энергией
1,5 МэВ кристалла Si, после имплантации ионов N2+ :
1 – осевой <100> спектр; имплантация в исходный Si:
270 кэВ; 5·1015 ион/см2, при t = 25° C;
2 - осевой <100> спектр; 230 кэВ, 5·1016 ион/см2 при
400° C + 270 кэВ, 5·1015 ион/ см2 при t = 25° C
(- - -) – осевой <100> для исходного Si;
(−) – случайный спектр.
Ионно-лучевая модификация материалов
Пленки полиметилметакрилата [C5H8O2]n
Условия: N2+ c энергией 300 кэВ и дозами 1012 ÷1015 ион/см2
0,80
0,60
1,8
0,40
0,20
0,00
1E+12
1E+13
1E+14
Доза, ион/
1E+15
см2
Дозовые зависимости изменения
толщины Δ d/d пленок ПММА
К-нт преломления
Отн. изменение толщины
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
5
Изменение оптических характеристик органических материалов
1,7
1,6
1,5
1,4
1E+12
1E+13
1E+14
1E+15
Доза, ион/ см2
Дозовые зависимости изменения
коэффициента преломления пленок ПММА
Ионно-лучевая модификация материалов
Режимы имплантации, при комнатной температуре
Энергия ионов
+
H , кэВ
Доза, ион/см
2
50
130
220
300
400
4,2·1013
5,3·1013
6,2·1013
8,0·1013
1·1014
20
10
-3
Концентрация вакансий (см )
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
6
Создание вертикальной изоляции в арсениде галлия
19
10
18
10
1
2
3
5
4
17
10
0
1
2
3
4
Глубина (мкм)
Зависимость удельного сопротивления облученного
эпитаксиального слоя GaAs c начальным
сопротивлением 0,55 Ом∙см от температуры
Удельное сопротивление
изоляции 3∙108 Ом∙см
Аналитический модуль РОР с ЭСА
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
7
Электростатический анализатор энергии
Параметры ЭСА:
АНАЛИТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ
РЕЗЕРФОРДОВСКОГО
ОБРАТНОГО
РАССЕЯНИЯ
ИОНОВ
1. Угол поворота ионного пучка Ф е = 900
2. Радиус кривизны r0 = 30 cм, r2 – r1 = 0,8 cм
3. Телесный угол, стягиваемый детектором ΔΩ = 1,3·10-4 ср
4. Потенциал на электродах ЭСА от ± 45 до ± 7500 В
5. Диапазон анализируемых энергий от 40 до 281 кэВ
6. Энергетическое разрешение 1 %
1,0
0,8
1
0,6
0,4
2
0,2
0,0
780 800 820 840 860
Номер канала
Энергетический спектр обратно рассеянных
протонов с энергией 240 кэВ пленкой золота (1)
и производная dN/dE высокоэнергетической
границы спектра (2)
Нормированный выход
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
8
Нормированный выход
Электростатический анализатор энергии
1,2
0,9
1
0,6
2
0,3
0,0
720
760
800
840
Номер канала
Энергетический спектр обратно рассеянных
протонов с энергией 240 кэВ пленкой хрома (1)
и производная dN/dE высокоэнергетической
границы спектра (2)
Применение спектрометра РОР с ЭСА
Условия: анализирующий пучок – Н+;
Образец: Si, имплантация As с
энергия пучка - 210 ÷ 240 кэВ;
энергией 32 кэВ, доза 1015 ион/см2,
отжиг t = 1050° C в течение 10 с.
угол регистрации протонов – 164°;
вакуум в камере – 10-4 Па.
O
Si
300
200
х10
As
100
Выход отсчетов
8000
400
Выход отсчетов
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
9
Исследование процессов сегрегации ионно-имплантированной
примеси на границе раздела кремний – оксид кремния
6000
Si
4000
x30
As
O
2000
0
0
600
640
680
720
Номер канала
+
Спектр РОР с ЭСА Н с энергией 214 кэВ
60
80 100 120 140 160 180 200 220
Номер канала
Осевой (○) и “случайный” (■) спектр РОР
ионов Не+ с энергией 1 МэВ
Применение спектрометра РОР с ЭСА
0,7
Концентрация, %
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
10
0,8
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
Послойный состав структуры
0,1
0,0
0
10
20
30
40
50
60
Глубина, нм
Расчетный профиль распределения
мышьяка по глубине
70
ат./cм2
Si, %
As, %
O, %
4,5·1016
33,3
0
66,7
1,0·1016
97,5
2,5
0
2,0·1017
99,65
0,35
0
1,0·1017
99,85
0,15
0
∞
100
0
0
Применение спектрометра РОР с ЭСА
Ширина энергетического распределения ионов ΔЕфакт.определяется:
ΔЕфакт.= (ΔЕ2изм.- ΔЕ2кал.)1/2
Измеренные параметры ионного пучка
Еуск.,кэВ
Еизм., кэВ
∆Е, кэВ
100
75,5
2,42
120
92,5
4,27
130
115,0
5,06
150
133,0
2,53
200
200,0
3,65
240
222,0
3,38
Нормированный выход
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
11
Измерение энергетических распределений ионов в пучке
нейтронного генератора НГ-12 ГНУ «ОИЭЯИ-Сосны»
1,0
0,8
2
1
0,6
0,4
0,2
0,0
730
740
750
760
770
780
Номер канала
Энергетический спектр рассеянных ионов
атомарного водорода с энергией 222 кэВ
никелевой мишенью (1) и производная от
края спектра (2)
Применение спектрометра РОР с ЭСА
полированный
шлифованный ( 1 мкм)
шлифованный ( 4 мкм)
Нормированный выход
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
12
Контроль качества поверхности Si с различной степенью шероховатости
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-6
-4
-2
0
2
4
6
Энергетическое разрешение, кэв
Энергетические спектры РОР поверхности кремния с
различной степенью шероховатости
Экспериментальная установка
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
13
Параметры установки:
1) Измеренная угловая
расходимость зондирующего
пучка ± 210-2 град. при
немонохроматичности менее
0,1 %;
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С
ТВЕРДЫМ ТЕЛОМ
2)скорость сканирования угловых
распределений не превышает
2,510-3 град./с;
3)диапазон сканирования 0 ÷ 7,0
град.;
4) полное измеренное
энергетическое разрешение
системы регистрации 19 кэВ.
Взаимодействие протонов с кремнием
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
14
Угловые распределения энергетических потерь протонов в <111> кристалле Si толщиной
1,3 (а) и 2 мкм (б). Угол между кристаллографической осью и пучком 0°.
15
6
,
0
4
,
0
2
,
0
0
,
1,0
1
2
0,8
полированный
шлифованный (1 мкм)
0,6
0,4
0,2
0,0
0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8
Угол сканирования, град.
Нормированный выход
8
,
0
.е
,тн
д
о
х
ы
В
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
,0
0
,
1
Нормированный выход
Взаимодействие протонов с кремнием
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
240
280
320
360
400
Энергия, кэВ
Угловые
распределения
отраженных
поверхностью
кремния
протонов
с
энергией 380 кэВ при углах падения 0,3º
(1) и 0,5º (2)
Энергетические спектры отраженных
поверхностью (111) кремния протонов
с энергией 380 кэВ при угле влета
относительно поверхности 0,5° и угле
регистрации 1°
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
16
Нормированный выход
Прохождение протонов через капилляры
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
-0,06
-0,03
0,00
0,03
0,06
Угол сканирования, град.
Угловые распределения протонов с энергией 240 кэВ
при прохождении стеклянного капилляра длиной 60 мм и
диаметром 0,5 мм
Выводы
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ ИМ. А.Н. СЕВЧЕНКО БГУ, ЛАБОРАТОРИЯ ЭЛИОНИКИ
17
- создан спектрометр РОР с энергетическим разрешением 1 % за счет
использования разработанного электростатического анализатора энергии для
измерения профилей концентрации мелкозалегающей примеси;
- разработана установка для исследования процессов взаимодействия
заряженных частиц с твердым телом;
- разработан высокоэнергетический имплантационный модуль для ионнолучевой модификации приповерхностных слоев твердотельных материалов.
На основе созданного исследовательско-имплантационного комплекса
экспериментально изучены:
– процессы сегрегации имплантированной примеси на границе раздела
кремний-оксид кремния, происходящие в результате быстрого термического
отжига;
– процессы формирования скрытых высокоомных термостабильных слоев в
кремнии, вертикальной изоляции в арсениде галлия, модификации
оптических характеристик диэлектрических материалов;
- процессы взаимодействия ускоренных ионов водорода с монокристаллами
кремния в режимах движения на просвет и отражение при углах падения ионов
на поверхность мишени близких к углу Линдхарда (до 2÷3 ΨL).