Un haz de iones es un tipo de haz de partículas cargadas formado por iones . Los haces de iones tienen muchos usos en la fabricación de productos electrónicos (principalmente implantación de iones ) y otras industrias. Existe una variedad de fuentes de haces de iones , algunas derivadas de los propulsores de vapor de mercurio desarrollados por la NASA en los años 1960. Los haces de iones más comunes son los de iones con carga única.
La densidad de corriente iónica normalmente se mide en mA/cm 2 y la energía iónica en eV. El uso de eV es conveniente para convertir entre voltaje y energía, especialmente cuando se trata de haces de iones con carga única, así como para convertir entre energía y temperatura (1 eV = 11600 K). [1]
La mayoría de las aplicaciones comerciales utilizan dos tipos populares de fuente 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 emisores de electrones más comunes son los filamentos calientes y los cátodos huecos.
En una fuente de iones en rejilla, se utilizan descargas de CC o RF para generar iones, que luego se aceleran y diezman mediante rejillas y aberturas. Aquí, 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 que se puede acelerar utilizando una fuente de iones en red está limitada por el efecto de carga espacial , que se describe mediante la ley de Child :
Las rejillas se colocan 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 sólo el 69% de la corriente máxima de iones de un haz de argón , y con xenón la proporción cae 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 extremo Hall. En este caso, la corriente de descarga y el flujo de gas se utilizan para controlar la corriente del haz.
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Un tipo de fuente de haz de iones es el duoplasmatrón . Los haces de iones se pueden utilizar para pulverización catódica o grabado con haces de iones y para análisis de haces 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 extirpar un objetivo. El grabado con iones reactivos 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 fotorresistente sobre un sustrato hecho de un material semiconductor como una oblea de dióxido de silicio o de arseniuro de galio . Se revela la oblea y, para obtener una fotoprotección 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 quedado enmascaradas por 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 el fotoprotector.
Los instrumentos de haz de iones enfocados (FIB) tienen numerosas aplicaciones para la caracterización de dispositivos de película delgada. Utilizando un haz de iones enfocado y de alto brillo en un patrón rasterizado escaneado, el material se elimina (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 puerta en un transistor CMOS. Un único sitio de excavación expone una sección transversal para su análisis utilizando 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 para la verificación del diseño y/o análisis de fallas 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 dispositivos prototipo de ingeniería se pueden modificar 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 eficazmente 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 cambios de diseño.
La ciencia de materiales utiliza la pulverización catódica para ampliar las técnicas analíticas de superficies, como la espectrometría de masas de iones secundarios o la espectroscopia electrónica ( XPS , AES ), para que puedan perfilarlas en profundidad.
En radiobiología se utiliza un haz de iones amplio o enfocado para estudiar los mecanismos de comunicación intercelular e intracelular, transducción de señales y daño y reparación del ADN .
Los haces de iones también se utilizan en la terapia con partículas , con mayor frecuencia en el tratamiento del cáncer.
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. Se ha demostrado que esta innovadora técnica de propulsión denominada Ion Beam Shepherd es eficaz en el ámbito de la eliminación activa de desechos espaciales y 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 .
El uso de haces de iones como arma de haces de partículas es teóricamente posible, pero no ha sido demostrado. La Marina de los EE. UU. 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 de aproximadamente 30 pulgadas. Consulte arma de haz de partículas para obtener más información sobre este tipo de arma.
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