Ионный луч

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. множество источников ионных пучков Существует , некоторые из которых созданы на основе двигателей на парах ртути , разработанных НАСА в 1960-х годах. Наиболее распространенными ионными пучками являются однозарядные ионы.

Единицы [ править ]

Плотность ионного тока обычно измеряется в мА/см. ²и 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 [ править ]

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 электроны необходимы для генерации ионного пучка. Наиболее распространенными эмиттерами электронов являются горячая нить накала и полый катод.

Сетчатый источник ионов [ править ]

В решетчатом источнике ионов постоянного или радиочастотного для генерации ионов используются разряды 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 $j$ который можно ускорить с помощью источника ионов с сеткой, ограничен эффектом пространственного заряда , который описывается законом Чайлда :

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

где

\Delta V

- напряжение между сетками,

d

расстояние между сетками, а

m

– масса иона.

Сетки располагаются как можно ближе, чтобы увеличить плотность тока, обычно $d\sim 1\ \mathrm {mm}$ . Используемые ионы оказывают существенное влияние на максимальный ток ионного пучка, поскольку $j\propto m^{-{1}/{2}}$ . 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]

Бессеточные источники ионов [ править ]

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 [ править ]

Ионно-лучевое травление или распыление [ править ]

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 используются отдельные атомы ионного луча , но в котором для абляции мишени . Реактивное ионное травление является важным расширением, которое использует химическую реактивность для усиления эффекта физического распыления.

При типичном использовании в производстве полупроводников маска материала , может избирательно обнажать слой фоторезиста на подложке , изготовленной из полупроводникового такого как диоксида кремния или арсенида галлия пластина . 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. С помощью сфокусированного ионного луча 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 [ править ]

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

Медицина [ править ]

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

Космические применения [ править ]

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 высоких энергий [ править ]

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

Вооружение [ править ]

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.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

[KRI-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кауфман, Гарольд Р. (2011). Применение широколучевых источников ионов: введение (PDF) . Kaufman & Robinson, Inc. Форт-Коллинз, Колорадо, 80524: ISBN 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 г. - 357 страниц.

[1]

[2]