باریکه یونی

باریکهٔ یونی (به انگلیسی: ion beam) نوعی باریکه ذرات باردار است که از یون تشکیل شده است. باریکه‌های یونی کاربردهای زیادی در تولید لوازم الکترونیکی (عمدتاً کاشت یون) و سایر صنایع دارند. منابع باریکه‌های یونی متنوعی وجود دارد که برخی از آن‌ها، رانشگرهای بخار جیوه ای اند؛ که توسط ناسا در دهه ۱۹۶۰ توسعه یافتند. رایج‌ترین باریکه‌های یونی از یون‌های تک بار هستند.

واحدهای اندازه‌گیری

چگالی جریان یون به‌طور معمول بر حسب $mA/cm^{2}$ و انرژی یون بر حسب eV اندازه‌گیری می‌شود. استفاده از eV برای تبدیل بین ولتاژ و انرژی، به ویژه در هنگام برخورد با باریکه‌های یونی تک بار، و همچنین تبدیل بین انرژی و دما (1eV = 11600k) راحت است.

منابع باریکهٔ یونی پهن

اکثر کاربردهای تجاری از دو نوع محبوب منبع یونی، شبکه ای و بدون شبکه استفاده می‌کنند که از نظر ویژگی‌های جریان و توان و توانایی کنترل مسیرهای یونی متفاوت هستند. در هر دو مورد، برای تولید یک باریکه یونی، به الکترون‌ها نیاز است. متداول‌ترین گسیل‌کننده‌های الکترون فیلامنت داغ و کاتد توخالی هستند.

منابع یونی شبکه‌ای

در یک منبع یون شبکه‌ای، تخلیه DC یا RF برای تولید یون‌ها استفاده می‌شود که سپس با استفاده از شبکه‌ها و دیافراگم‌ها تسریع و از بین می‌روند. در اینجا از جریان تخلیه DC یا توان تخلیه RF برای کنترل جریان باریکه استفاده می‌شود.

چگالی جریان یونی که می‌توان با استفاده از منبع یون شبکه ای شتاب داد، توسط اثر بار فضایی محدود می‌شود، که توسط قانون چایلد توضیح داده شده است.

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

شبکه‌ها تا حد امکان نزدیک به هم قرار می‌گیرند تا چگالی جریان را افزایش دهند. یون‌های استفاده شده تأثیر قابل توجهی بر حداکثر جریان باریکه یونی دارند، حداکثر جریان باریکه یونی با کریپتون، تنها ۶۹٪ حداکثر جریان یونی یک باریکه آرگون است، و با زنون این نسبت به ۵۵٪ کاهش می‌یابد.

منابع یونی بدون شبکه

در یک منبع یونی بدون شبکه، یون‌ها توسط جریانی از الکترون‌ها (بدون شبکه) تولید می‌شوند. رایج‌ترین منبع یونی بدون شبکه، منبع یون انتهایی هال است. در اینجا از جریان تخلیه و جریان گاز برای کنترل جریان باریکه استفاده می‌شود.

کاربردها

حکاکی یا کندوپاش باریکه یونی

یکی از انواع منابع باریکه یونی دووپلاسماترون است. باریکه‌های یونی را می‌توان برای کندوپاش یا حکاکی باریکه یونی و برای تحلیل باریکه یونی استفاده کرد.

کاربرد باریکه یونی، اچ کردن، یا کندوپاش کردن، فنّی است که از نظر مفهومی شبیه به سندبلاست است، اما از اتم‌های منفرد در یک باریکه یون برای فرسایش هدف استفاده می‌کند. حکاکی یون واکنشی، یک توسعه مهم است که از واکنش شیمیایی برای تقویت اثر کندوپاش فیزیکی استفاده می‌کند.

در یک استفاده معمولی، درساخت ادوات نیم رسانا، یک ماسک می‌تواند به‌طور انتخابی یک لایه مقاوم به نور را بر روی یک بستر ساخته شده از یک ماده نیمه رسانا، مانند دی‌اکسید سیلیکون یا ویفر آرسنید گالیم قرار دهد. ویفر توسعه یافته است، و برای مقاومت نوری مثبت، بخش‌های در معرض، در یک فرایند شیمیایی حذف می‌شوند. نتیجه آن، الگویی است که بر روی نواحی سطح ویفر که از نوردهی پوشانده شده بود، باقی مانده است. سپس ویفر در یک محفظه خلاء قرار داده می‌شود و در معرض باریکه یون قرار می‌گیرد. برخورد یون‌ها هدف را فرسایش می‌دهند و نواحی را که تحت پوشش نور مقاوم نیستند، از بین می‌برد.

ابزارهای باریکه یون متمرکز (FIB) کاربردهای متعددی برای شناسایی دستگاه‌های لایه نازک دارند. با استفاده از یک باریکه یون متمرکز و با روشنایی بالا، در یک الگوی شطرنجی اسکن شده، مواد با الگوهای مستطیلی دقیق حذف می‌شوند (پراکنده می‌شوند) که نمایه دو بعدی یا چینه‌شناسی یک ماده جامد را نشان می‌دهد. رایج‌ترین کاربرد، تأیید یکپارچگی لایه اکسید گیت در یک ترانزیستور سیماس است. یک محل حفاری واحد، یک مقطع را برای تحلیل با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی در معرض دید قرار می‌دهد. حفاری‌های دوگانه در دو طرف یک پل با ورقه‌تک‌بلوری (به انگلیسی: lamella) نازک برای تهیه نمونه‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می‌شود.

یکی دیگر از کاربردهای رایج ابزارهای FIB برای تأیید طراحی یا تحلیل خرابی افزاره‌های نیم‌رسانا است. تأیید طراحی ترکیبی از حذف انتخابی مواد با لایه‌نشانی مواد رسانا، دی‌الکتریک یا عایق به کمک گاز است. دستگاه‌های نمونه اولیه مهندسی ممکن است با استفاده از باریکه یون در ترکیب با لایه‌نشانی مواد به کمک گاز، اصلاح شوند تا مسیرهای رسانای مدار مجتمع را دوباره سیم‌کشی کنند. این فنونها به‌طور مؤثر برای تأیید همبستگی بین طراحی CAD و مدار نمونه اولیه عملکردی واقعی استفاده می‌شوند، در نتیجه از ایجاد یک ماسک جدید به منظور آزمایش تغییرات طراحی جلوگیری می‌شود.

علم مواد از کندوپاش برای گسترش فنون‌های تحلیلی سطحی مانند طیف‌سنجی جرمی یونی ثانویه یا طیف‌سنجی الکترونی (XPS, AES) استفاده می‌کند تا بتوانند مشخصات عمقی آن‌ها را ایجاد کنند.

زیست‌شناسی

در رادیوبیولوژی از باریکه‌های یونی گسترده یا متمرکز برای مطالعه سازوکارهای ارتباطی بین سلولی و درون سلولی، انتقال سیگنال و آسیب و ترمیم DNA استفاده می‌شود.

دارو

باریکه‌های یون نیز در ذره درمانی، اغلب در درمان سرطان استفاده می‌شود.

برنامه‌های فضایی

باریکه‌های یونی تولید شده توسط رانشگرهای یونی و پلاسما در یک فضاپیما می‌توانند برای انتقال نیرو به یک جسم مجاور (مانند فضاپیمای دیگر، یک سیارک و غیره) که توسط باریکه تابش می‌شود، استفاده شوند. نشان داده شده است که این روش نوآورانه پیشرانه به نام Ion Beam Shepherd در زمینه حذف زباله‌های فضایی فعال و همچنین انحراف سیارک‌ها مؤثر است.

باریکه‌های یونی با انرژی بالا

باریکه‌های یونی پرانرژی تولید شده توسط شتاب‌دهنده‌های ذرات در فیزیک اتمی، فیزیک هسته ای و فیزیک ذرات استفاده می‌شود.

سلاح

استفاده از باریکه‌های یونی به عنوان یک سلاح باریکه ذرات از نظر تئوری امکان‌پذیر است، اما اثبات نشده است. سلاح‌های باریکهٔ الکترونی توسط نیروی دریایی ایالات متحده در اوایل قرن بیستم آزمایش شده‌اند، اما اثر ناپایداری شیلنگ، مانع از دقیق بودن آنها در فاصله بیش از ۳۰ اینچ می‌شود.

جستارهای وابسته

منابع

http://www.ionsources.com/PDF/Broad-Beam_BookPreview.pdf((PDF). Fort Collins, Colorado 80524: Kaufman & Robinson, Inc. ISBN.9780985266400)
Giannuzzi, Lucille A. , Stevie, Fred A. Introduction to Focused Ion Beams: Instrumentation, Theory, Techniques, and Practice, Springer 2005 – 357 pages
"Sputtering limits versus signal-to-noise limits in the observation of Sn balls in a Ga[sup +] microscope" (Castaldo, V. ; Hagen, C. W. ; Rieger, B. ; Kruit, P. (2008).)
Retrieved 2009-08-06. "Introduction : Focused Ion Beam Systems"
C. Bombardelli and J. Peláez, "Sistema de modificación de la posición y actitud de cuerpos en órbita por medio de satélites guía", Patent number P201030354. Presented at the Spanish Patent Office on March 11, 2010. PCT Patent Application PCT/ES2011/000011