Ионный луч

Пучок заряженных атомов (ионов)

Небольшая ионно-лучевая ракета проходит испытания НАСА.

Ионный пучок — это разновидность пучка заряженных частиц , состоящего из ионов . Ионные пучки находят множество применений в производстве электроники (в основном, ионная имплантация ) и других отраслях. Существует множество источников ионных пучков , некоторые из которых созданы на основе двигателей на парах ртути , разработанных НАСА в 1960-х годах. Наиболее распространенными ионными пучками являются однозарядные ионы.

Единицы

Плотность ионного тока обычно измеряется в мА/см ² , а энергия ионов - в эВ. Использование эВ удобно для преобразования напряжения в энергию, особенно при работе с однозарядными ионными пучками, а также для преобразования энергии в температуру (1 эВ = 11600 К). ^[1]

Широколучевые источники ионов

В большинстве коммерческих приложений используются два популярных типа источников ионов: сеточный и бессеточный, которые различаются токовыми и мощностными характеристиками, а также способностью управлять траекториями ионов. ^[1] В обоих случаях для генерации ионного пучка необходимы электроны. Наиболее распространенными эмиттерами электронов являются горячая нить накала и полый катод.

Сетчатый источник ионов

В решетчатом источнике ионов для генерации ионов используются разряды постоянного или радиочастотного тока , которые затем ускоряются и уничтожаются с помощью решеток и апертур. Здесь для управления током луча используется постоянный ток разряда или мощность радиочастотного разряда.

Плотность ионного тока , которую можно ускорить с помощью сеточного источника ионов, ограничивается эффектом пространственного заряда , который описывается законом Чайлда : ${\displaystyle j}$

$${\displaystyle j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},}$$

${\displaystyle \Delta V}$ ${\displaystyle d}$ ${\displaystyle m}$

Сетки располагаются как можно ближе, чтобы увеличить плотность тока, как правило . Используемые ионы оказывают существенное влияние на максимальный ток ионного пучка, поскольку . При прочих равных условиях максимальный ток ионного пучка с криптоном составляет всего 69% от максимального ионного тока пучка аргона , а с ксеноном это соотношение падает до 55%. ^[1] ${\displaystyle d\sim 1\ \mathrm {mm} }$ ${\displaystyle j\propto m^{-{1}/{2}}}$

Бессеточные источники ионов

В бессеточном источнике ионов ионы генерируются потоком электронов (без сеток). Наиболее распространенным бессеточным источником ионов является источник ионов Энд-Холла. Здесь ток разряда и поток газа используются для управления током пучка.

Приложения

Ионно-лучевое травление или распыление

Carl Zeiss Crossbeam 550 – сочетает в себе сканирующий электронный микроскоп с полевой эмиссией (FE-SEM) и сфокусированный ионный луч (FIB).

Каналы для нанофлюидики , изготовленные с помощью Zeiss Crossbeam 550 L, на кремниевом мастер-штампе.

Одним из типов источников ионного пучка является дуоплазматрон . Ионные пучки могут использоваться для распыления или ионно-лучевого травления, а также для ионно-лучевого анализа .

Нанесение ионного луча, травление или распыление — это метод, концептуально похожий на пескоструйную очистку , но в котором для абляции мишени используются отдельные атомы ионного луча . Реактивное ионное травление является важным расширением, которое использует химическую реактивность для усиления эффекта физического распыления.

При типичном использовании в производстве полупроводников маска может выборочно обнажать слой фоторезиста на подложке , изготовленной из полупроводникового материала , такого как пластина диоксида кремния или арсенида галлия . Пластина проявляется, и для получения позитивного фоторезиста экспонированные части удаляются химическим процессом. В результате на участках поверхности пластины, которые были замаскированы от воздействия, остается рисунок. Затем пластину помещают в вакуумную камеру и подвергают воздействию ионного луча. Воздействие ионов разрушает мишень, стирая участки, не покрытые фоторезистом.

Приборы сфокусированного ионного пучка (FIB) имеют множество применений для определения характеристик тонкопленочных устройств. Используя сфокусированный ионный луч высокой яркости в сканированном растре, материал удаляется (распыляется) по точным прямолинейным узорам, раскрывая двумерный или стратиграфический профиль твердого материала. Наиболее распространенным применением является проверка целостности оксидного слоя затвора КМОП-транзистора. На одном месте раскопок имеется поперечный разрез для анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа. Двойные выемки по обе стороны тонкого ламельного моста используются для подготовки образцов для трансмиссионного электронного микроскопа. ^[2]

Другое распространенное использование инструментов FIB — проверка конструкции и/или анализ отказов полупроводниковых устройств. Проверка конструкции сочетает в себе выборочное удаление материала с осаждением проводящих, диэлектрических или изоляционных материалов с помощью газа. Инженерные прототипы устройств могут быть модифицированы с использованием ионного луча в сочетании с осаждением материала с помощью газа, чтобы перемонтировать проводящие пути интегральной схемы. Эти методы эффективно используются для проверки корреляции между проектом САПР и реальной схемой функционального прототипа, что позволяет избежать создания новой маски с целью тестирования изменений конструкции.

В материаловедении распыление используется для расширения методов анализа поверхности, таких как масс-спектрометрия вторичных ионов или электронная спектроскопия ( XPS , AES ), чтобы можно было профилировать их по глубине.

Биология

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

Лекарство

Ионные пучки также используются в терапии частиц , 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 лучом. Эта инновационная технология движения под названием Ion Beam Shepherd доказала свою эффективность в области активного удаления космического мусора, а также отклонения астероидов.

Пучки ионов высокой энергии

Пучки ионов высоких энергий, создаваемые ускорителями частиц , используются в атомной физике , ядерной физике и физике элементарных частиц .

Вооружение

Использование ионных пучков в качестве пучкового оружия теоретически возможно, но не было продемонстрировано. Электронно-лучевое оружие было испытано ВМС США в начале 20-го века, но эффект нестабильности шланга не позволяет ему быть точным на расстоянии более 30 дюймов. См. «Лучевое оружие» для получения дополнительной информации об этом типе оружия.

Смотрите также

• Источник ионов
• Ионный двигатель
• Ионный ветер

Рекомендации

1. Кауфман, Гарольд Р. (2011). Применение широколучевых источников ионов: введение (PDF) . Форт-Коллинз, Колорадо, 80524: ISBN Kaufman & Robinson, Inc. 9780985266400.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
2. Джаннуцци, Люсиль А., Стиви, Фред А. Введение в сфокусированные ионные пучки: приборы, теория, методы и практика , Springer 2005 - 357 страниц.

Внешние ссылки

• Параметры торможения ионных пучков в твердых телах, рассчитанные по модели MELF-GOS
• ИЗОЛЬДЕ - Установка, предназначенная для производства большого количества пучков радиоактивных ионов, расположенная в ЦЕРНе.