Ионный пучок

Ионный пучок — это пучок ионов , тип пучка заряженных частиц . Ионные пучки широко используются в производстве электроники (в основном, ионная имплантация ) и других отраслях. Существует множество источников ионных пучков , некоторые из которых произошли от двигателей на ртутных парах, разработанных NASA в 1960-х годах. Наиболее широко используемые ионные пучки состоят из однозарядных ионов.

Единицы

Плотность ионного тока обычно измеряется в мА/см ² , а энергия ионов в электронвольтах (эВ). Использование эВ удобно для преобразования между напряжением и энергией, особенно при работе с пучками однозарядных ионов. ^[1]

Источники ионов с широким пучком

Большинство коммерческих приложений используют два популярных типа источника ионов, сеточный и бессеточный, которые отличаются характеристиками тока и мощности, а также способностью управлять траекториями ионов. ^[1] В обоих случаях для генерации ионного пучка необходимы электроны . Наиболее распространенными типами электронных излучателей являются горячая нить и полый катод .

Сетчатый источник ионов

В сеточном ионном источнике для генерации ионов используется постоянный ток или ВЧ- разряд, которые затем ускоряются и прореживают с помощью сеток и апертур. Здесь для управления током пучка используется постоянный ток разряда или мощность ВЧ-разряда.

Плотность ионного тока , которую можно ускорить с помощью сеточного источника ионов, ограничивается эффектом пространственного заряда , который описывается законом Чайлда : где — напряжение между сетками, — расстояние между сетками, — масса иона. $j$ $j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},$ $\Delta V$ $d$ $m$

Сетки располагаются как можно ближе друг к другу для увеличения плотности тока, обычно . Используемые ионы оказывают значительное влияние на максимальный ток ионного пучка, поскольку . При прочих равных условиях максимальный ток ионного пучка с криптоном составляет всего 69% от максимального ионного тока аргонового пучка ; с ксеноном это отношение падает до 55%. ^[1] $d\sim 1\ \mathrm {mm}$ $j\propto m^{-{1}/{2}}$

Бессетчатые ионные источники

В бессеточном ионном источнике ионы генерируются потоком электронов, без сеток. Наиболее распространенным бессеточным ионным источником является ионный источник End-Hall, в котором ток разряда и поток газа используются для управления током пучка.

Приложения

Модификация и анализ материалов

Ионные пучки могут использоваться для модификации материалов (например, путем распыления или ионно-лучевого травления), а также для ионно-лучевого анализа .

Применение ионного пучка, травление или распыление — это метод, концептуально похожий на пескоструйную обработку , но использующий отдельные атомы в ионном пучке для абляции мишени. Реактивное ионное травление — это важное расширение, которое использует химическую реактивность для усиления эффекта физического распыления.

При типичном использовании в производстве полупроводников маска может выборочно экспонировать слой фоторезиста на подложке из полупроводникового материала, такого как пластина из диоксида кремния или арсенида галлия . Пластина проявляется, и для позитивного фоторезиста экспонированные участки удаляются в химическом процессе. Результатом является рисунок, оставленный на участках поверхности пластины, которые были замаскированы от экспонирования. Затем пластина помещается в вакуумную камеру и подвергается воздействию ионного пучка. Воздействие ионов разрушает мишень, стирая области, не покрытые фоторезистом.

Инструменты с фокусированным ионным пучком (FIB) имеют многочисленные применения для характеризации тонкопленочных устройств. Используя сфокусированный, яркий ионный пучок в сканированном растровом шаблоне, материал удаляется (распыляется) в точных прямолинейных шаблонах, раскрывающих двумерный или стратиграфический профиль твердого материала. Наиболее распространенным применением является проверка целостности оксидного слоя затвора в КМОП-транзисторе. Один участок раскопок обнажает поперечное сечение для анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа. Двойные раскопки по обе стороны тонкого ламельного моста используются для подготовки образцов для просвечивающего электронного микроскопа. ^[2]

Другое распространенное применение инструментов FIB — проверка конструкции и/или анализ отказов полупроводниковых приборов. Проверка конструкции сочетает в себе селективное удаление материала с газовым осаждением проводящих, диэлектрических или изоляционных материалов. Инженерные прототипы устройств могут быть модифицированы с использованием ионного пучка в сочетании с газовым осаждением материала для перемонтажа проводящих путей интегральной схемы. Эти методы эффективно используются для проверки корреляции между проектом САПР и фактической функциональной схемой прототипа, что позволяет избежать создания новой маски для проверки изменений конструкции.

Ионные пучки также используются для анализа в материаловедении. Например, методы распыления могут использоваться для анализа поверхности или профилирования глубины путем проведения вторичной ионной масс-спектрометрии . Также возможно получить информацию из спектроскопии прошедших или обратно рассеянных первичных ионов, например, профили глубины могут быть получены из спектров резерфордовского обратного рассеяния (RBS). ^[2] В отличие от вторичной ионной спектроскопии методы, основанные на рассеянии, такие как RBS, часто менее разрушительны для образца.

Биология

В радиобиологии широкий или сфокусированный ионный пучок используется для изучения механизмов межклеточной и внутриклеточной коммуникации, передачи сигналов , а также повреждения и восстановления ДНК .

Лекарство

Ионные пучки также используются в терапии частицами , чаще всего при лечении рака.

Космические приложения

Ионные пучки, создаваемые ионными и плазменными двигателями на борту космического корабля, могут использоваться для передачи силы на близлежащий объект (например, другой космический корабль, астероид и т. д.), который облучается пучком. Эта инновационная технология движения, названная Ion Beam Shepherd, показала свою эффективность в области активного удаления космического мусора, а также отклонения астероидов.

Высокоэнергетические ионные пучки

Высокоэнергетические ионные пучки, получаемые с помощью ускорителей частиц, используются в атомной физике , ядерной физике и физике элементарных частиц .

Как оружие

Ионные пучки теоретически могут быть использованы для создания оружия, но это не было продемонстрировано. Электронно-лучевое оружие было испытано ВМС США в начале 20-го века ^{[ необходима ссылка ]} , но эффект нестабильности шланга не позволяет им быть точными на расстоянии более примерно 30 дюймов.

Смотрите также

Ссылки

^ abc Гарольд Р. Кауфман и сотрудники Kaufman & Robinson Inc. (2011). Применение источников ионов с широким пучком: Введение (PDF) . Форт-Коллинз, Колорадо: Kaufman & Robinson, Inc. ISBN 978-0-9852664-0-0.
^ ab Giannuzzi, Lucille A., Stevie, Fred A. Введение в сфокусированные ионные пучки: приборы, теория, методы и практика , Springer 2005 – 357 страниц

Внешние ссылки

Параметры торможения ионных пучков в твердых телах, рассчитанные с помощью модели MELF-GOS Архивировано 25 сентября 2010 г. на Wayback Machine
ISOLDE – Установка, предназначенная для производства большого количества различных пучков радиоактивных ионов, расположенная в ЦЕРНе.