Haz de iones
Haz de átomos cargados (iones)

Un pequeño cohete de haz de iones que está siendo probado por la NASA.

Un haz de iones es un haz de iones , un tipo de haz de partículas cargadas . Los haces de iones tienen muchos usos en la fabricación de productos electrónicos (principalmente implantación de iones ) y otras industrias. Hay muchas fuentes de haces de iones , algunas derivadas de los propulsores de vapor de mercurio desarrollados por la NASA en la década de 1960. Los haces de iones más utilizados son los de iones con una sola carga.

Unidades

La densidad de corriente iónica se mide normalmente en mA/cm 2 y la energía iónica en electronvoltios (eV). El uso de eV es conveniente para convertir entre voltaje y energía, especialmente cuando se trabaja con haces de iones con una sola carga. [1]

Fuentes de iones de haz ancho

La mayoría de las aplicaciones comerciales utilizan dos tipos populares de fuentes de iones, con rejilla y sin rejilla, que difieren en las características de corriente y potencia y en la capacidad de controlar las trayectorias de los iones. [1] En ambos casos, se necesitan electrones para generar un haz de iones. Los tipos más comunes de emisores de electrones son los de filamento caliente y los de cátodo hueco .

Fuente de iones en rejilla

En una fuente de iones enrejada, se utilizan descargas de CC o RF para generar iones, que luego se aceleran y diezman mediante rejillas y aberturas. En este caso, la corriente de descarga de CC o la potencia de descarga de RF se utilizan para controlar la corriente del haz.

La densidad de corriente de iones que se puede acelerar utilizando una fuente de iones en rejilla está limitada por el efecto de carga espacial , que se describe mediante la ley de Child : donde es el voltaje entre las rejillas, es la distancia entre las rejillas y es la masa del ion. j {\displaystyle j} j ≈ 4 ϵ 0 9 2 e m ( Δ V ) 3 2 d 2 , {\displaystyle j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},} Δ V {\displaystyle \Delta V} d {\displaystyle d} m {\displaystyle m}

Las rejillas están espaciadas lo más cerca posible para aumentar la densidad de corriente, normalmente . Los iones utilizados tienen un impacto significativo en la corriente máxima del haz de iones, ya que . En igualdad de condiciones, la corriente máxima del haz de iones con criptón es solo el 69% de la corriente máxima de iones de un haz de argón ; con xenón, la relación cae al 55%. [1] d ∼ 1   m m {\displaystyle d\sim 1\ \mathrm {mm} } j ∝ m − 1 / 2 {\displaystyle j\propto m^{-{1}/{2}}}

Fuentes de iones sin rejilla

En una fuente de iones sin rejilla, los iones se generan mediante un flujo de electrones, sin rejillas. La fuente de iones sin rejilla más común es la fuente de iones de Hall final, con la que se utiliza la corriente de descarga y el flujo de gas para controlar la corriente del haz.

Aplicaciones

Modificación y análisis de materiales

Carl Zeiss Crossbeam 550: combina un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo (FE-SEM) con un haz de iones enfocado (FIB).
Canales nanofluídicos fabricados con un Zeiss Crossbeam 550 L, en un sello maestro de silicio

Los haces de iones se pueden utilizar para la modificación de materiales (por ejemplo, mediante pulverización catódica o grabado con haz de iones) y para el análisis con haz de iones .

La aplicación de un haz de iones, grabado o pulverización catódica, es una técnica conceptualmente similar al chorro de arena , pero que utiliza átomos individuales en un haz de iones para eliminar un objetivo. El grabado iónico reactivo es una extensión importante que utiliza la reactividad química para mejorar el efecto físico de la pulverización catódica.

En un uso típico en la fabricación de semiconductores , una máscara puede exponer selectivamente una capa de fotorresistencia sobre un sustrato hecho de un material semiconductor , como una oblea de dióxido de silicio o arseniuro de galio . La oblea se revela y, para una fotorresistencia positiva, las partes expuestas se eliminan en un proceso químico. El resultado es un patrón que queda en las áreas de superficie de la oblea que se habían enmascarado de la exposición. Luego, la oblea se coloca en una cámara de vacío y se expone al haz de iones. El impacto de los iones erosiona el objetivo, desgastando las áreas no cubiertas por la fotorresistencia.

Los instrumentos de haz de iones enfocado (FIB) tienen numerosas aplicaciones para la caracterización de dispositivos de película delgada. Mediante un haz de iones enfocado de alto brillo en un patrón de trama escaneado, se elimina material (pulveriza) en patrones rectilíneos precisos que revelan un perfil bidimensional o estratigráfico de un material sólido. La aplicación más común es verificar la integridad de la capa de óxido de compuerta en un transistor CMOS. Un solo sitio de excavación expone una sección transversal para su análisis mediante un microscopio electrónico de barrido. Se utilizan excavaciones dobles a cada lado de un puente de láminas delgadas para preparar muestras de microscopio electrónico de transmisión. [2]

Otro uso común de los instrumentos FIB es la verificación del diseño y/o el análisis de fallos de dispositivos semiconductores. La verificación del diseño combina la eliminación selectiva de material con la deposición de material asistida por gas de materiales conductores, dieléctricos o aislantes. Los dispositivos prototipo de ingeniería pueden modificarse utilizando el haz de iones en combinación con la deposición de material asistida por gas para volver a cablear las vías conductoras de un circuito integrado. Las técnicas se utilizan de manera eficaz para verificar la correlación entre el diseño CAD y el circuito prototipo funcional real, evitando así la creación de una nueva máscara con el fin de probar los cambios de diseño.

Los haces de iones también se utilizan con fines analíticos en la ciencia de los materiales. Por ejemplo, las técnicas de pulverización catódica se pueden utilizar para el análisis de superficies o el perfilado de profundidad mediante la realización de espectrometría de masas de iones secundarios . También es posible obtener información de la espectroscopia de iones primarios transmitidos o retrodispersados, por ejemplo, los perfiles de profundidad se pueden obtener a partir de espectros de retrodispersión de Rutherford (RBS). [2] A diferencia de la espectroscopia de iones secundarios, las técnicas basadas en dispersión como la RBS suelen ser menos destructivas para la muestra.

Biología

En radiobiología, se utiliza un haz de iones amplio o enfocado para estudiar los mecanismos de comunicación intercelular e intracelular, la transducción de señales y el daño y reparación del ADN .

Medicamento

Los haces de iones también se utilizan en la terapia de partículas , con mayor frecuencia en el tratamiento del cáncer.

Aplicaciones espaciales

Los haces de iones producidos por propulsores de iones y plasma a bordo de una nave espacial se pueden utilizar para transmitir una fuerza a un objeto cercano (por ejemplo, otra nave espacial, un asteroide, etc.) que es irradiado por el haz. Esta innovadora técnica de propulsión, denominada Ion Beam Shepherd, ha demostrado ser eficaz en el área de eliminación activa de desechos espaciales, así como en la desviación de asteroides.

Haces de iones de alta energía

Los haces de iones de alta energía producidos por aceleradores de partículas se utilizan en física atómica , física nuclear y física de partículas .

Como arma

En teoría, los haces de iones se pueden utilizar para fabricar un arma, pero esto no se ha demostrado. La Marina de los EE. UU. probó armas de haces de electrones a principios del siglo XX [ cita requerida ] , pero el efecto de inestabilidad de la manguera impide que sean precisas a una distancia de más de aproximadamente 30 pulgadas.

Véase también

Referencias

  1. ^ abc Harold R. Kaufman y el personal de Kaufman & Robinson Inc. (2011). Aplicaciones de fuentes de iones de haz ancho: una introducción (PDF) . Fort Collins, Colorado: Kaufman & Robinson, Inc. ISBN 978-0-9852664-0-0.
  2. ^ ab Giannuzzi, Lucille A., Stevie, Fred A. Introducción a los haces de iones enfocados: instrumentación, teoría, técnicas y práctica , Springer 2005 – 357 páginas
  • Parámetros de frenado de haces de iones en sólidos calculados mediante el modelo MELF-GOS Archivado el 25 de septiembre de 2010 en Wayback Machine
  • ISOLDE – Instalación dedicada a la producción de una gran variedad de haces de iones radiactivos ubicada en el CERN
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