haz de iones

En una fuente de iones con rejilla, 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 iónica${\displaystyle j}$La aceleración que se puede lograr utilizando una fuente de iones en rejilla está limitada por el efecto de carga espacial , que se describe mediante la ley de Child : $${\displaystyle j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},}$$ dónde${\displaystyle \Delta V}$es el voltaje entre las redes,${\displaystyle d}$es la distancia entre las cuadrículas, y${\displaystyle m}$es la masa del ion.

Las rejillas están espaciadas lo más cerca posible para aumentar la densidad de corriente, típicamente${\displaystyle d\sim 1\ \mathrm {mm} }$Los iones utilizados tienen un impacto significativo en la corriente máxima del haz de iones, ya que${\displaystyle j\propto m^{-{1}/{2}}}$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 se reduce al 55%. ^{[ 1 ]}

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 efecto Hall final , en la que la corriente de descarga y el flujo de gas se utilizan para controlar la corriente del haz.

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

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

En una aplicación típica en la fabricación de semiconductores , una máscara permite exponer selectivamente una capa de fotorresina sobre un sustrato de material semiconductor , como una oblea de dióxido de silicio o arseniuro de galio . La oblea se revela y, en el caso de una fotorresina positiva, las partes expuestas se eliminan mediante un proceso químico. El resultado es un patrón que queda en las áreas de la superficie de la oblea que habían sido enmascaradas. A continuación, la oblea se coloca en una cámara de vacío y se expone al haz de iones. El impacto de los iones erosiona el material, desgastando las áreas no cubiertas por la fotorresina.

Los instrumentos de haz de iones focalizado (FIB) tienen numerosas aplicaciones para la caracterización de dispositivos de película delgada. Mediante un haz de iones focalizado de alta luminosidad en un patrón de barrido, se elimina (pulveriza) material en patrones rectilíneos precisos, revelando un perfil bidimensional o estratigráfico de un material sólido. La aplicación más común es verificar la integridad de la capa de óxido de puerta en un transistor CMOS. Un único punto de excavación expone una sección transversal para su análisis mediante un microscopio electrónico de barrido. Se utilizan excavaciones dobles a ambos lados de un puente de láminas delgadas para preparar muestras para 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 materiales conductores, dieléctricos o aislantes asistida por gas. Los prototipos de ingeniería pueden modificarse mediante el haz de iones en combinación con la deposición de material asistida por gas para reconfigurar las vías conductoras de un circuito integrado. Estas técnicas se utilizan eficazmente para verificar la correlación entre el diseño CAD y el prototipo funcional real, evitando así la creación de una nueva máscara para probar los cambios de diseño.

Los haces de iones también se utilizan para análisis 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 espectrometría de masas de iones secundarios . También es posible obtener información de la espectroscopia de iones primarios transmitidos o retrodispersados; por ejemplo, se pueden obtener perfiles de profundidad a partir de espectros de retrodispersión de Rutherford (RBS). ^{[ 2 ]} A diferencia de la espectroscopia de iones secundarios, las técnicas basadas en la dispersión, como la RBS, suelen ser menos destructivas para la muestra.

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

Los haces de iones también se utilizan en la terapia de partículas , sobre todo en el tratamiento del cáncer.

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

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

En teoría, los haces de iones podrían utilizarse para fabricar un arma, pero esto no se ha demostrado. La Armada de los Estados Unidos probó armas de haz de electrones a principios del siglo XX, pero el efecto de inestabilidad de la manguera impide que sean precisas a una distancia superior a aproximadamente 76 centímetros (30 pulgadas).