Ионный пучок - Ion beam

Маленькая ракета с ионным пучком проходит испытания НАСА.

An ионный пучок это тип пучок заряженных частиц состоящий из ионы. Ионные пучки находят множество применений в производство электроники (в основном ионная имплантация ) и другие отрасли. Разнообразие источники ионного пучка существует, некоторые производные от двигатели на парах ртути разработан НАСА в 1960-е гг. Наиболее распространены ионные пучки однозарядных ионов.

Единицы

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

Источники ионов с широким пучком

В большинстве коммерческих приложений используются два популярных типа источников ионов, сеточные и бессеточные, которые различаются по токовым и энергетическим характеристикам, а также по способности управлять траекториями ионов.^[1] В обоих случаях электроны необходимы для генерации ионного пучка. Наиболее распространенными эмиттерами электронов являются горячая нить накала и полый катод.

Сеточный источник ионов

В сеточном источнике ионов ОКРУГ КОЛУМБИЯ или РФ разряда используются для генерации ионов, которые затем ускоряются и уничтожаются с помощью решеток и отверстий. Здесь ток разряда постоянного тока или мощность ВЧ разряда используются для управления током пучка.

Плотность ионного тока ${ displaystyle j}$ который может быть ускорен с помощью сеточного источника ионов, ограничен космический заряд эффект, который описывается Детский закон:

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

где ${ displaystyle Delta V}$ напряжение между сетками, ${ displaystyle d}$ - расстояние между сетками, а ${ displaystyle m}$ - масса иона.

Сетки размещают как можно ближе, чтобы увеличить плотность тока, обычно ${ Displaystyle д сим 1 mathrm {мм}}$ . Используемые ионы оказывают значительное влияние на максимальный ток ионного пучка, поскольку ${ displaystyle j propto m ^ {гидроразрыв- {1} {2}}}$ . При прочих равных максимальный ток ионного пучка при криптон составляет всего 69% от максимального ионного тока аргон луч, и с ксенон соотношение снижается до 55%.^[1]

Бессеточные источники ионов

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

Приложения

Ионно-лучевое травление или напыление

Carl Zeiss Crossbeam 550 - сочетает в себе автоэмиссионный растровый электронный микроскоп (FE-SEM) со сфокусированным ионным пучком (FIB).

Нанофлюидика каналы, изготовленные на Zeiss Crossbeam 550 L, в силиконовом мастер-штампе

Один тип источник ионного пучка это дуоплазматрон. Ионные пучки можно использовать для распыление или травление ионным пучком и для ионно-лучевой анализ.

Нанесение ионного пучка, травление или распыление - это метод, концептуально похожий на пескоструйная обработка, но используя отдельные атомы в ионном пучке для удалять цель. Реактивное ионное травление является важным расширением, которое использует химическую реактивность для усиления физического эффекта распыления.

При типичном использовании в производство полупроводников, а маска может выборочно обнажить слой фоторезист на субстрат сделанный из полупроводник материал, такой как диоксид кремния или арсенид галлия вафля. Пластина проявляется, и для положительного фоторезиста открытые части удаляются химическим способом. В результате на тех участках поверхности пластины, которые были замаскированы от экспонирования, остается узор. Затем пластина помещается в вакуумная камера, и подвергались воздействию ионного пучка. Воздействие ионов разрушает мишень, стирая участки, не покрытые фоторезистом.

Сфокусированный ионный пучок (FIB) инструменты имеют множество применений для определения характеристик тонкопленочных устройств. Используя сфокусированный ионный пучок высокой яркости в сканированном растровом узоре, материал удаляется (распыляется) в виде точных прямолинейных узоров, открывающих двумерный или стратиграфический профиль твердого материала. Наиболее распространенное применение - проверка целостности оксидного слоя затвора в КМОП-транзисторе. Одно место раскопок представляет собой поперечный разрез для анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа. Двойные выемки по обе стороны тонкой перемычки из ламелей используются для подготовки образцов для просвечивающего электронного микроскопа.^[2]

Другое распространенное использование инструментов FIB - проверка конструкции и / или анализ отказов полупроводниковых приборов. Проверка конструкции сочетает выборочное удаление материала с нанесением проводящих, диэлектрических или изоляционных материалов с помощью газа. Инженерные прототипы устройств могут быть модифицированы с использованием ионного пучка в сочетании с осаждением материала с помощью газа для изменения проводки проводящих путей интегральной схемы. Эти методы эффективно используются для проверки корреляции между проектом САПР и фактической схемой функционального прототипа, что позволяет избежать создания новой маски с целью тестирования изменений конструкции.

Материаловедение использует распыление для расширения методов анализа поверхности, таких как вторично-ионная масс-спектрометрия или электронная спектроскопия (XPS, AES ), чтобы они могли профилировать их по глубине.

Биология

В радиобиология широкий или сфокусированный ионный пучок используется для изучения механизмов меж- и внутриклеточной коммуникации, преобразование сигнала и повреждение ДНК и ремонт.

Лекарство

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

Космические приложения

Пучки ионов, 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 техника движения под названием Ion Beam Shepherd было показано, что он эффективен в области активного удаления космического мусора, а также отклонения астероидов.

Пучки ионов высоких энергий

Пучки ионов высокой энергии, производимые ускорители частиц используются в атомная физика, ядерная физика и физика элементарных частиц.

Вооружение

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

Смотрите также

использованная литература

^ ^а ^б ^c Кауфман, Гарольд Р. (2011). Применение широкополосных источников ионов: введение (PDF). Форт-Коллинз, Колорадо, 80524: Kaufman & Robinson, Inc. ISBN 9780985266400.CS1 maint: location (ссылка на сайт)
^ Джаннуцци, Люсиль А., Стиви, Фред А. Введение в сфокусированные ионные пучки: приборы, теория, методы и практика, Springer 2005 - 357 стр.

внешние ссылки

[KRI-1] а ^б ^c Кауфман, Гарольд Р. (2011). Применение широкополосных источников ионов: введение (PDF). Форт-Коллинз, Колорадо, 80524: Kaufman & Robinson, Inc. ISBN 9780985266400.CS1 maint: location (ссылка на сайт)

[2] Джаннуцци, Люсиль А., Стиви, Фред А. Введение в сфокусированные ионные пучки: приборы, теория, методы и практика, Springer 2005 - 357 стр.

[1]

[2]