DE3705295A1

DE3705295A1 - Einrichtung zur tiefenabhaengigen implantation von teilchen in ein target

Info

Publication number: DE3705295A1
Application number: DE19873705295
Authority: DE
Inventors: Anton Dr Moeslang; Dietmar Dr Kaletta
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1987-02-19
Filing date: 1987-02-19
Publication date: 1988-09-01
Also published as: GB8725159D0; FR2611304B1; GB2202420B; FR2611304A1; GB2202420A; DE3705295C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur tiefenabhängigen Implantation von Teilchen in ein Target, auf das die Teilchen als Teilchenstrahl gerichtet sind und wobei die Energie der Teilchen gleichmäßig mittels eines Moderators nach dem Prinzip des Graukeils variierbar ist.

Da die Eindringtiefe von Teilchen in Material in Form eines Targets von deren kinetischer Energie abhängt, muß z. B. bei einer homogenen Implantation die Teilchenenergie entsprechend gleichmäßig veränderbar sein. In der Praxis ist jedoch eine Variation der kinetischen Energie aufwendig und oftmals nur begrenzt möglich. Insbesondere ist bei der Verwendung von Kreisbeschleunigern mit nachfolgenden Strahlführungssystemen die Teilchenenergie (E _max ) festgelegt. Somit könnte nur in einer Schicht, welche X _max von der Auftreffoberfläche der Teilchen auf dem Target entfernt ist, implantiert werden. Um auch zwischen X _max und dieser Oberfläche Teilchen implantieren zu können, müßte die ursprüngliche Teilchenenergie E _max entsprechend abgeschwächt (moderiert) werden.

Im allgemeinen wird dazu vor dem implantierenden Material (Target) ein Keil angeordnet, durch den die Teilchen auf die gewünschte Energie abgebremst werden. Wird eine homogene Implantation gewünscht, so wird der Keil senkrecht zur Strahlrichtung zyklisch hin und her bewegt. Anstelle des Keils ist auch ein scheibenförmiger Moderator üblich, welcher mit konstanter Drehzahl um eine Achse parallel zur Strahlachse rotiert.

Ein besonderes Problem entsteht hierbei dadurch, daß beim Durchfliegen von Materie geladene Teilchen nicht nur eine Energiemoderation erfahren, sondern auch eine Richtungsänderung um den Winkel R (Standardabweichung bei Gaußverteilung) infolge vieler unabhängiger Kleinwinkel-Coulombstreuungen. Dabei gilt die Gleichung:

wobei δ _x die Materialdicke, L _x die Strahlungslänge, p der Teilchenimpuls und β c die Teilchengeschwindigkeit ist. Infolge dieser Aufstreuung kann R ohne weiteres 45° überschreiten, wenn im Bereich der Targetoberfläche implantiert werden soll, d. h. die Teilchen stark abgebremst werden müssen.

Ist z. B. in einem typischen Fall die Targetoberfläche gleich der Strahlquerschnittsfläche A₀ = 1 cm², R = 45° und der Moderator 5 cm vom Target entfernt, so wird die durch die Aufstreuung bestrahlte Fläche A₁ < 75 cm². Der Abstand Moderator- Target kann in der Praxis 5 cm deutlich überschreiten, da das Target oftmals in einem Ofen gehalten werden muß und die Moderatorhalterung und -führung ebenfalls Platz beanspruchen.

Besonders bei Teilchenimplantationen bis dicht an die Targetoberfläche führt die Winkelaufstreuung zu einem enormen Zeitverlust um den Faktor A₁/A₀. Da die effektiven Betriebskosten von Beschleunigern, welche in der Lage sind, z. B. 500 µm Eisen homogenen mit Teilchen zu implantieren (26 MeV/Nukleon), bei ca. 1200 DM pro Stunde liegen, ist eine wesentliche Zeitersparnis höchst wünschenswert.

Werden Teilchen mit kinetischen Energien oberhalb der Coulombschwelle implantiert, führen Kernreaktionen zu einer deutlichen Aktivierung des Inventars. Eine Aufstreuung und somit Bestrahlung über den unmittelbaren Targetbereich hinaus sollte demzufolge vermieden werden.

Da das Implantationsprofil nicht parallel zu Targetoberfläche (Winkel α ≠ 0°) liegt, ist eine tiefenabhängige Präparationsmethode (z. B. Ätzen) oder eine Analyse somit problematisch.

Zwar ist aus dem Handbuch der Physik, Band 24, Jahrgang 1929, bekannt, einen Graukeil zur Messung der Schwächung der Intensität einer Photonenstrahlung zu verwenden, bei dem zwei gegeneinander verschiebbare Keile vor den Spalt eines Spektrographen gesetzt werden. Je nach Dicke des Doppelkeils wird die Strahlung in meßbarer Weise mehr oder weniger stark geschwächt. Allerdings wird der Graukeil weder als Moderator benutzt, noch sind Vorgänge wie Streueffekte untersucht oder gar berücksichtigt worden. Außerdem verhalten sich geladene Teilchen beim Eindringen in Materie grundsätzlich anders als elektromagnetische Strahlung.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, die e. g. Einrichtung derart auszubilden, daß eine tiefenabhängige Implantation von Teilchen (z. B. Elektronen, Protonen, Alpha- Teilchen, Ionen) schichtweise zur Materialoberfläche eines Targets zeitsparend gewährleistet werden kann.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.

Die besonderen Vorteile, welche sich aus dem erfindungsgemäßen Lösungsvorschlag ergeben, sind:

- Implantationsprofil parallel zur Targetoberfläche
- definierte Teilchenimplantationen sind bis zur Targetoberfläche sichergestellt, d. h. homogene Implantationen oder willkürliche Konzentrationsprofile lassen sich herstellen.
- Teilchenimplantationen höherer Konzentration direkt an der Targetoberfläche werden erst möglich
- wesentlicher Zeit- und Unkostengewinn
- Handhabungsvorteile durch Reduzierung der Radioaktivität an Komponenten infolge geringer Aufstreuung am implantierten Target infolge verringerter Eintrittsenergie, bei der He-Implantation von Eisenbasislegierungen (200 µm) ist die Aktivität um 70% gegenüber Einfachkeilen reduziert
- beim Umbau auf neue Targetmaterialien bzw. andere Implantationsprofile muß der Doppelkeil in der Regel nicht ausgetauscht bzw. neu angefertigt werden. Die Anpassung kann durch geeignete Materialwahl des Moderatorplättchens erfolgen
- beim Einsatz einer Targetheizung kann das Moderatorplättchen als Ofenwand dienen. Temperaturgradienten an der Targetoberfläche werden somit auf ein Minimum reduziert und
- infolge der kleineren Keildicke kann auf eine Kühlung, welche an beweglichen Teilen im Vakuum aufwendig ist, oftmals ganz verzichtet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Fig. 1-8 näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Bestrahlungsanlage für ein Target 1, welches mittels des Teilchenstrahls 2 homogen bestrahlt werden soll. Der Teilchenstrahl 2 tritt mit der Energie E _max aus einer nicht dargestellten Teilchenstrahlenquelle aus und wird mittels der beiden Blenden 3 und 4 fokussiert. Zwischen den beiden Blenden 3 und 4 sind die beiden Keile 5 und 6 gegenläufig senkrecht zur Strahlrichtung 7 derart verschiebbar, daß sie bezüglich des Strahlquerschnitts immer eine konstante Dicke aufweisen (Prinzip des Graukeils).

In Strahlrichtung 7 hinter der Blende 4 gesehen, ist über der Oberfläche 8 parallel zu dieser eine Scheibe 9, ebenfalls aus Moderatormaterial wie die Keile 5 und 6, ausgerichtet angeordnet. Sie besteht möglichst nahe der Oberfläche 8. Ein Tiefenprofil 10 für eine Implantation ist eingezeichnet.

Durch Verwendung des Doppelkeil-Moderators 5, 6, wobei sich beide in ihren Abmessungen vorzugsweise gleichen Keile 5 bzw. 6 senkrecht zur Strahlrichtung 7 gegenläufig hin und her bewegen, ist somit zu jedem Zeitpunkt die Energieabschwächung über die gesamte Bestrahlungsfläche gleich groß, so daß Parallelität des Tiefenprofils 10 zur Oberfläche 8 exakt erreicht wird. Zusätzlich wird damit noch etwa ein Faktor zwei in der Strahlzeit gewonnen. Weiterhin erfolgt eine drastische Reduzierung der Winkelaufstreuung R (siehe Fig. 1). Dies wird erreicht, indem die beiden Moderatorteile 5, 6 etwas dünner gemacht werden, und dieses fehlende Material in Form des Moderator-Plättchens 9 konstanter Dicke im Targethalter - wenige Millimeter vom Target 1 entfernt - integriert wird.

Man wird dabei dieses Plättchen 9 möglichst dick und die beiden Keile 5, 6 möglichst dünn wählen. Letztere sollten dann in einem Arbeitsbereich bewegt werden, der nur so dick ist, wie zur jeweiligen Implantierung unbedingt notwendig ist. In der Praxis kann das Plättchen 9 durchaus dicker sein als beide Keile 5, 6 zusammen, wobei sich die konkreten Abmessungen von Plättchen 9 und Keilen 5, 6 mit Hilfe von Fig. 2 (Eisen, Aluminium und Graphit) bestimmen lassen. Natürlich sind auch andere Materialien oder Materialkombinationen möglich. Aus Fig. 2 wird ersichtlich, daß der anfängliche Energieverlust zunächst gering ist; entsprechend gering ist somit noch die Winkelaufstreuung R nach dem Durchfliegen der Doppelkeile 5, 6. Erst nach dem Passieren des Moderatorplättchens 9 kann R große Werte annehmen, was dann aber praktisch keine Rolle mehr spielt, da es nahezu direkt vor dem Target 1 steht.

Der Vergleich von konventionellen Moderatorlösungen (einteilig, Keil oder Rad) mit der erfindungsgemäßen Moderatorlösung (3-teilig) wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unternommen.

Ausführungsbeispiel

Homogene Implantation eines Targets aus 400 µm dickem Eisen mit Alphateilchen, deren Energie E _max = 104 MeV, und deren Strahlquerschnitt A₀ = 1,0 cm² (ohne Moderatorkeile) auf dem Target beträgt.

Moderatormaterial

Graphit (gute Wärmeabstrahlung, Aktivierung vergleichsweise gering, da nur das Nuklid Be-7 erzeugt wird, große Strahlungslänge L _x).

Ein direkter Vergleich zwischen der einteiligen konventionellen Lösung und der dreitteiligen erfindungsgemäßen Lösung (gemäß Fig. 1) ist bei Targetstrommessungen nicht direkt möglich, da der Einfachkeil ein schräges (Winkel α ≠ 0) Implantationsprofil ergibt, die Winkelaufstreuung bei vorgegebener Keilposition also nicht über die gesamte Keilbreite konstant ist. Ein Vergleich wäre nur bei einer Implantation parallel zur Targetoberfläche möglich. Für eine Vergleichsmessung wurde deshalb das Moderatorplättchen 9 am Target 1 entfernt und die Doppelkeile 5, 6 entsprechend dicker gemacht. Auf Einhaltung der engen Fertigungstoleranzen wurde geachtet (siehe hierzu Fig. 3 und Fig. 4).

Die Fig. 3 zeigt den Targetstrom I/I₀ bzw. die Eindringtiefe (t _e) bei Fe in Abhängigkeit von der Moderatorposition 5, 6 bei neuentwickelten Dreifachmoderator (Kurve 11) und bei herkömmlichen Moderatoren (Kurve 12) - hier simuliert durch den Doppelkeilmoderator gemäß Fig. 4. Die enorme Überlegenheit der neuen, dreiteiligen Moderatorbauweise infolge stark reduzierter Winkelaufstreuung R kommt deutlich zum Ausdruck; der Zeit- und Kostengewinn beträgt mindestens eines Faktor 3. Die Keilstellung bei verschiedenen Moderatorpositionen ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Hub von 11,5 mm (START) entspricht einer Implantationstiefe (Abstand Tiefenprofil 10 zu Oberfläche 8) von 400 µm und ein Hub von 26,9 mm (STOPP) einer Implantation an der Targetoberfläche 8.

Obwohl mit 35 cm der Abstand zwischen Moderator und Target sehr groß ist, wird die Stromstärke bei größeren Implantationstiefen nur auf etwa 50% im Fall des Dreifachmoderators 5, 6, 9 reduziert. Die mit abnehmender Implantationstiefe 10 zunehmende Winkelaufstreuung R wird bei homogener Implantation durch eine zunehmende Verweildauer der Keile 5, 6 ausgeglichen. Fig. 3 zeigt auch, daß mit herkömmlichen Moderatoren (untere Kurve) nicht an der unmittelbaren Oberfläche 8 (< 35 µm) implantiert werden kann und somit eine homogene Implantation über die gesamte Probendicke gar nicht möglich ist. Selbst Bestrahlungen in Oberflächennähe (hier ca. 40-60 µm) führen bei konventioneller Lösung zu großen Zeiteinbußen und somit oft zu nicht mehr vertretbaren Bestrahlungskosten.

Es sei noch erwähnt, daß der Abfall des Targetstroms beim Dreifachmoderator 5, 6, 9 in Fig. 3 allein noch durch die inhärente Reichweitenstreuung bestimmt ist; in Eisen liegt diese bei Alphateilchen mit E _max = 104 MeV bei 28 MeV (FWHM). Für die Oberflächenimplantation spielt der Abfall im Kurvenverlauf (obere Kurve) des Targetstroms jedoch keine Rolle, da das Plättchen 9 praktisch auf der Probe 1 liegt und somit "Bestandteil des Targets" geworden ist.

Ausführungsbeispiele für die Keile 5 und 6 bzw. die Scheibe 9 sind im Schnitt und als Aufsicht in den Fig. 5 bzw. 6 und Fig. 7 bzw. 8 dargestellt. Das Moderatormaterial ist Reingraphit mit einer Dichte von 1,80 g/cm³.

Claims

1. Einrichtung zur tiefenabhängigen Implantation von Teilchen in ein Target, auf das die Teilchen als Teilchenstrahl gerichtet sind und wobei die Energie der Teilchen gleichmäßig mittels eines Moderators nach dem Prinzip des Graukeils variierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Moderator (5, 6, 9) sich aus mindestens drei Teilen zusammensetzt, von denen mindestens zwei (5, 6) als senkrecht zur Strahlrichtung (7) gegenläufig hin und her bewegbare Keile (5 und 6) ausgebildet sind, und daß mindestens
b) ein drittes Teil (9) als Scheibe geformt ist, die in unmittelbarer Nähe der Oberfläche (8) des Targets (1), parallel zu dieser ausgerichtet, angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke und der Steigwinkel der beiden Keile (5 und 6) derart ausgewählt sind, daß ihr Arbeitsbereich ausreicht, um die Teilchenimplantationsbereiche (10) im Target (1) zu überdecken, und daß mit der Stärke der Scheibe (9) die fehlende Moderatorwirkung der beiden Keile (5, 6) ausgleichbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (9) als Bauteil für eine Targetheizung einsetzbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Scheibe (9) die Abhängigkeit der Teilchenimplantation von der Winkelaufstreuung ( R ) reduzierbar ist.