In diesem Report wird eine Niederenergie-Implantationskammer (NEI-Kammer) beschrieben, die im Forschungszentrum Rossendorf entwickelt und aufgebaut wurde. Die Kammer ermöglicht es, die Implantation von Ionen bei niedrigen Energien (< 30 keV) mit einer Implantationsanlage für mittlere Energien durchzuführen. In der Kammer werden der Ionenstrahl, den der Implanter liefert, auf die erwünschte niedrige Energie abgebremst. Dazu wird ein elektrostatisches Bremslinsensystem eingesetzt, das auf einem neuartigen Prinzip basiert. Das System besteht aus einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse, wobei die Öffnungsfehler beider Linsen entgegengesetzte Vorzeichen besitzen und sich gegenseitig kompensieren. Dadurch ist es möglich, Wafer gebräuchlicher Größe bei geringer Energie mit hoher Dosishomogenität zu implantieren. Die NEI-Kammer ist insbesondere für Forschungseinrichtungen eine vorteilhafte Lösung, da sie eine wesentlich kostengünstigere und flexiblere Alternative zur Anschaffung einer Niederenergie-Implantationsanlage darstellt.

In diesem Report wird eine Niederenergie-Implantationskammer (NEI-Kammer) beschrieben, die im Forschungszentrum Rossendorf entwickelt und aufgebaut wurde. Die Kammer ermöglicht es, die Implantation von Ionen bei niedrigen Energien (< 30 keV) mit einer Implantationsanlage für mittlere Energien durchzuführen. In der Kammer werden der Ionenstrahl, den der Implanter liefert, auf die erwünschte niedrige Energie abgebremst. Dazu wird ein elektrostatisches Bremslinsensystem eingesetzt, das auf einem neuartigen Prinzip basiert. Das System besteht aus einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse, wobei die Öffnungsfehler beider Linsen entgegengesetzte Vorzeichen besitzen und sich gegenseitig kompensieren. Dadurch ist es möglich, Wafer gebräuchlicher Größe bei geringer Energie mit hoher Dosishomogenität zu implantieren. Die NEI-Kammer ist insbesondere für Forschungseinrichtungen eine vorteilhafte Lösung, da sie eine wesentlich kostengünstigere und flexiblere Alternative zur Anschaffung einer Niederenergie-Implantationsanlage darstellt.

Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação &#966;0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi &#966;0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi &#966;c = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível. / This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn\'t neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose &#966;0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity &#966;0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose &#966;c = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.

Esse trabalho descreve um implantador iônico em termos de sua caracterização e aplicação. O texto está dividido em três capítulos que são apresentados resumidamente a seguir. O primeiro capítulo descreve em detalhes um novo tipo de implantador, denominado implantador invertido. Nesse capítulo é descrito o desenvolvimento e a caracterização do implantador invertido. A otimização de uma parte dos circuitos eletrônicos e o desenvolvimento e construção do restante dos circuitos é dada em detalhes. Uma caracterização do implantador quanto à maximização do feixe iônico é apresentada, onde é realizado um estudo sistemático com a variação de parâmetros como potencial extrator, corrente do canhão de plasma (arco catódico) dentre outros. Finalizando o primeiro capítulo, é apresentado um mapeamento da densidade do feixe iônico no porta amostras do implantador invertido. No segundo capítulo é discutida a neutralidade do feixe iônico do implantador invertido. Um feixe neutro viabiliza implantações em amostras isolantes, sem que haja acúmulo de cargas positivas, o que levaria a amostra a um potencial diferente do planejado. A energia de implantação efetiva foi avaliada estudando os perfis de implantação através de microscopia de força atômica condutiva (AFM-C) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM), e comparando com simulações numéricas realizadas pelo programa TRIDYN. Os resultados sugerem que o feixe não é neutro. No terceiro capítulo, o implantador invertido foi utilizado para modificação de superfície de alumina, gerando uma camada de nanocompósito logo abaixo de sua superfície, formada por nanopartículas de titânio na matriz de alumina. A formação dessas nanopartículas se dá espontaneamente e pode ser explicada pela ocorrência de concentração dos átomos metálicos acima do limite de solubilidade no substrato implantado, levando à nucleação e crescimento das nanopartículas metálicas. Caracterização por TEM foi utilizada para a visualização direta das nanopartículas que apresentaram dimensões da ordem de 20 nm. Simulações utilizando o programa TRIDYN foram realizadas, gerando perfis de profundidade dos íons de titânio implantados no substrato de alumina, que mostraram excelente acordo com o perfil em profundidade obtido por RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Medidas de resistividade da camada compósita foram obtidas, in situ, em função da dose implantada. Utilizando modelos teóricos de percolação foi possível determinar a dose de saturação &#966;0 = 2,2 x 1016 átomos/cm2, que é a dose máxima para a qual o material continua a ser um nanocompósito, e para a condutividade de saturação foi &#966;0 = 480 S/m. A dose de percolação obtida foi &#966;c = 0,84 x 1016 átomos/cm2, que é a dose abaixo da qual o material tem a mesma condutividade que a matriz isolante. O expoente crítico obtido foi t = 1,4 e, como a condição t < 2 é satisfeita, o processo de condutividade se dá devido a percolação, sendo o tunelamento desprezível. / This work describes an ion implanter in terms of characterization and application. The text is divided in three chapters that are briefly presented below. The first chapter describes in detail a new type of implanter called inverted implanter. In this chapter is considered my contribution in the development and characterization of the inverted implanter. The optimization of part of the electronic circuits, and development and construction of other circuits are given in details. A characterization of the implanter by the maximization the ion beam is presented, where is carried out a systematic study through the variation of parameters such as extractor potential, plasma gun current (cathodic arc) and others. Finally, it presents a mapping of the ion beam density at the sample holder of the inverted implanter. The second chapter discusses the neutrality of the ion beam of the inverted implanter. A neutral beam allows implantation into insulating samples without positive charges accumulation, which would lead sample at a different potential than expected. The effective energy evaluation was carried out studying the implantation profiles by conductive atomic force microscopy (AFM-C) and transmission electron microscopy (TEM), and compared with numerical simulations performed by TRIDYN program. The results suggest that the ion beam isn\'t neutral. In the third chapter, the inverted implanter was used for alumina surface modification, generating a nanocomposite layer just below the surface, formed by titanium nanoparticles in alumina matrix. The nanoparticles formation occurs spontaneously and can be explained by the occurrence of metal atom concentration above the solubility limit in the impalnted substrate, leading to nucleation and growth of metal nanoparticles. Characterization by TEM was used for direct visualization of the nanoparticles what presented dimensions of about 20 nm. Simulations using the TRIDYN program were performed, generating depth profiles of titanium ions implanted into the alumina substrate, which showed excellent agreement with the depth profile obtained by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). Resistivity measurements were obtained from the composite layer, in situ, as function of implanted dose. Using theoretical percolation models, it was possible to determine the saturation dose &#966;0 = 2,2 x 1016 atoms/cm2, that is the maximum dose for which the material remains a nanocomposite, and the saturation conductivity &#966;0 = 480 S/m. The percolation was achieved for dose &#966;c = 0,84 x 1016 atoms/cm2, that is the dose below which the material has the same conductivity as the insulating matrix. The critical exponent obtained was t = 1,4 and, since it satisfies to condition t < 2, the conductivity process is due to percolation, tunneling being negligible.

O objetivo desse trabalho foi estudar a viabilidade de adaptação do Implantador Iônico da Universidade de São Paulo para a técnica de Accelerator Mass Spectrometry (AMS), tendo em vista as baixas energias utilizadas por este acelerador de partículas. A técnica de AMS, amplamente utilizada para a análise de Carbono-14 no estudo de datação de fósseis, requer que algum componente do acelerador garanta a quebra de moléculas de massa 14, contaminantes no processo de medição dos átomos de carbono com massa 14. Com a utilização de energias da ordem de dezenas de keV no acelerador, o estudo do processo de quebra de moléculas para estas energias foi realizado através do projeto, construção e caracterização de um stripper gasoso. Para caracterizar o stripper implementado foram realizadas medidas de seção de choque para troca de carga do feixe e quebra molecular em função da pressão de gás injetado no stripper. Também investigou-se a influência do átomo utilizado como gás, através de três diferentes gases injetados no stripper: Hélio, Argônio e Xenônio. Alguns feixes posivos foram produzidos no Implantador para o estudo destas seções de choques: Ar+, Ar(2+), CO+, CO2(+) e O2(+). O projeto do stripper foi idealizado para minimizar a variação de pressão no interior do implantador, visando preservar as condições da fonte de íons. Curvas de perfil de pressão de gás dentro do tubo do stripper foram calculadas segundo as teorias da Tecnologia do Vácuo que permitiram tanto a estimativa desta variação quanto a quantidade de gás no interior do stripper. Também foram realizados estudos do perfil de pressão em stripper com outras geometrias (cônicas abertas e fechadas), buscando estimar a otimização da espessura do stripper em função da injeção de gás em sua base. Baseando-se nos resultados, foram apontadas mudanças necessárias no atual estágio de adaptação desse acelerador de partículas para que se torne possível a concepção de um sistema AMS em sua linha de pesquisa. / The present work aimed on studying the feasibility of adapting the Ion Implanter of University of Sao Paulo to the Accelerator Mass Spectrometry technique, taking into account the low energies employed by this type of particle accelerator. The AMS technique, largely applied to the Carbon-14 analysis for fossil dating, requires the breaking of molecules with mass 14 by some component in the accelerator, since these lead to interference on the Carbon-14 counting process. By employing energies on the level of keV in the accelerator, the study of the breaking process of the molecules for this energy was accomplished by means desiring, building and characterization of a gaseous stripper. In order to characterize the installed stripper, measurements were taken of the charge state exchange and molecular break up process as a function of the pressure of the gas injection into the stripper. The influence of the atom employed as gas was also investigated. The experiments were realized with the following different gases: Helium, Argon and Xenon. Some positive beams were produced on the implanter: Ar+, \\Ar(2+), CO+, CO2(+) and O2(+). The designed stripper was idealized to minimize the pressure variation on the inside of the implanter in order to preserve the conditions of the ion source. Pressure profiles of the gas inside the stripper were calculated according to the Vacuum Technology theory, which allowed estimating the quantity of gas inside the stripper. Studies on the pressure profile for different stripper geometries (open and closed conic forms) were also carried out to estimate the optimization of the stripper thickness as a function of the gas injection on its base. Based on the results, specifications for further work and changes on the current system were listed to make it possible to implement the AMS system.

O objetivo desse trabalho foi estudar a viabilidade de adaptação do Implantador Iônico da Universidade de São Paulo para a técnica de Accelerator Mass Spectrometry (AMS), tendo em vista as baixas energias utilizadas por este acelerador de partículas. A técnica de AMS, amplamente utilizada para a análise de Carbono-14 no estudo de datação de fósseis, requer que algum componente do acelerador garanta a quebra de moléculas de massa 14, contaminantes no processo de medição dos átomos de carbono com massa 14. Com a utilização de energias da ordem de dezenas de keV no acelerador, o estudo do processo de quebra de moléculas para estas energias foi realizado através do projeto, construção e caracterização de um stripper gasoso. Para caracterizar o stripper implementado foram realizadas medidas de seção de choque para troca de carga do feixe e quebra molecular em função da pressão de gás injetado no stripper. Também investigou-se a influência do átomo utilizado como gás, através de três diferentes gases injetados no stripper: Hélio, Argônio e Xenônio. Alguns feixes posivos foram produzidos no Implantador para o estudo destas seções de choques: Ar+, Ar(2+), CO+, CO2(+) e O2(+). O projeto do stripper foi idealizado para minimizar a variação de pressão no interior do implantador, visando preservar as condições da fonte de íons. Curvas de perfil de pressão de gás dentro do tubo do stripper foram calculadas segundo as teorias da Tecnologia do Vácuo que permitiram tanto a estimativa desta variação quanto a quantidade de gás no interior do stripper. Também foram realizados estudos do perfil de pressão em stripper com outras geometrias (cônicas abertas e fechadas), buscando estimar a otimização da espessura do stripper em função da injeção de gás em sua base. Baseando-se nos resultados, foram apontadas mudanças necessárias no atual estágio de adaptação desse acelerador de partículas para que se torne possível a concepção de um sistema AMS em sua linha de pesquisa. / The present work aimed on studying the feasibility of adapting the Ion Implanter of University of Sao Paulo to the Accelerator Mass Spectrometry technique, taking into account the low energies employed by this type of particle accelerator. The AMS technique, largely applied to the Carbon-14 analysis for fossil dating, requires the breaking of molecules with mass 14 by some component in the accelerator, since these lead to interference on the Carbon-14 counting process. By employing energies on the level of keV in the accelerator, the study of the breaking process of the molecules for this energy was accomplished by means desiring, building and characterization of a gaseous stripper. In order to characterize the installed stripper, measurements were taken of the charge state exchange and molecular break up process as a function of the pressure of the gas injection into the stripper. The influence of the atom employed as gas was also investigated. The experiments were realized with the following different gases: Helium, Argon and Xenon. Some positive beams were produced on the implanter: Ar+, \\Ar(2+), CO+, CO2(+) and O2(+). The designed stripper was idealized to minimize the pressure variation on the inside of the implanter in order to preserve the conditions of the ion source. Pressure profiles of the gas inside the stripper were calculated according to the Vacuum Technology theory, which allowed estimating the quantity of gas inside the stripper. Studies on the pressure profile for different stripper geometries (open and closed conic forms) were also carried out to estimate the optimization of the stripper thickness as a function of the gas injection on its base. Based on the results, specifications for further work and changes on the current system were listed to make it possible to implement the AMS system.