Feix d'ions

Un feix d'ions és un tipus de feix de partícules carregades format per ions. Els feixos iònics tenen molts usos en la fabricació d'electrònica (principalment la implantació d'ions) i altres indústries. Existeixen diverses fonts de feix d'ions, algunes derivades dels propulsors de vapor de mercuri desenvolupats per la NASA als anys 60. Els feixos d'ions més comuns són els ions de càrrega única.

Un petit coet de feix d'ions que està provant la NASA.

Font d'ions

Unitats

La densitat de corrent iònica es mesura normalment en mA/cm^2 i l'energia iònica en eV. L'ús d'eV és convenient per convertir entre voltatge i energia, especialment quan es tracta de feixos iònics de càrrega única, així com per convertir entre energia i temperatura (1 eV = 11600 K).

Fonts d'ions de feix ample

La majoria de les aplicacions comercials utilitzen dos tipus populars de font d'ions, quadrícula i sense quadrícula, que es diferencien en característiques de corrent i potència i la capacitat de controlar les trajectòries d'ions. En ambdós casos es necessiten electrons per generar un feix d'ions. Els emissors d'electrons més comuns són el filament calent i el càtode buit.

En una font d'ions en quadrícula, s'utilitzen descàrregues de CC o RF per generar ions, que després s'acceleren i delman mitjançant quadrícules i obertures. Aquí, el corrent de descàrrega de CC o la potència de descàrrega de RF s'utilitzen per controlar el corrent del feix.

La densitat de corrent iònic $j$ que es pot accelerar mitjançant una font d'ions en graella està limitat per l'efecte de càrrega espacial, que es descriu per la llei de Child:$$j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},$$on $\Delta V$ és la tensió entre les xarxes, $d$ és la distància entre les quadrícules, i $m$ és la massa iònica.

Aplicacions

Carl Zeiss Crossbeam 550: combina un microscopi electrònic d'escaneig d'emissió de camp (FE-SEM) amb un feix d'ions enfocat (FIB).

Un tipus de font de feix d'ions és el duoplasmatró. Els feixos d'ions es poden utilitzar per a la polsatria o el gravat de feix d'ions i per a l'anàlisi de raigs d'ions.

L'aplicació, el gravat o la pulverització de feix d'ions és una tècnica conceptualment semblant al sorra, però que utilitza àtoms individuals en un feix d'ions per eliminar un objectiu. El gravat d'ions reactius és una extensió important que utilitza la reactivitat química per millorar l'efecte de pulverització física.

En un ús típic en la fabricació de semiconductors, una màscara pot exposar selectivament una capa de fotoresist sobre un substrat fet d'un material semiconductor com una oblia de diòxid de silici o arsenur de gal·li. Es desenvolupa l'hòstia i, per obtenir una fotoresistència positiva, les parts exposades s'eliminen mitjançant un procés químic. El resultat és un patró deixat a les àrees superficials de l'hòstia que s'havien emmascarat per l'exposició. A continuació, l'hòstia es col·loca en una cambra de buit i s'exposa al feix d'ions. L'impacte dels ions erosiona l'objectiu, esborrant les àrees no cobertes pel fotoresistent.