イオンビーム

グリッド型イオン源では、直流放電または高周波放電を用いてイオンを生成し、グリッドと開口部を用いて加速および間引きを行う。ここでは、直流放電電流または高周波放電電力を用いてビーム電流を制御する。

イオン電流密度${\displaystyle j}$グリッド状イオン源を用いて加速できる粒子は、空間電荷効果によって制限される。空間電荷効果は、チャイルドの法則によって説明される。 $${\displaystyle j\approx {\frac {4\epsilon _{0}}{9}}{\sqrt {\frac {2e}{m}}}{\frac {(\Delta V)^{\frac {3}{2}}}{d^{2}}},}$$ どこ${\displaystyle \Delta V}$グリッド間の電圧は、${\displaystyle d}$はグリッド間の距離であり、${\displaystyle m}$はイオンの質量です。

電流密度を高めるためにグリッドはできるだけ密に配置され、通常は${\displaystyle d\sim 1\ \mathrm {mm} }$使用されるイオンは最大イオンビーム電流に大きな影響を与える。${\displaystyle j\propto m^{-{1}/{2}}}$他の条件がすべて同じであれば、クリプトンを用いた場合の最大イオンビーム電流はアルゴンビームの最大イオン電流のわずか69%であり、キセノンを用いた場合はその比率は55%に低下する。^{[ 1 ]}

グリッドレスイオン源では、グリッドを用いずに電子の流れによってイオンが生成されます。最も一般的なグリッドレスイオン源はエンドホール型イオン源であり、放電電流とガス流量を用いてビーム電流を制御します。

イオンビームは、材料の改質（例えば、スパッタリングやイオンビームエッチング）やイオンビーム分析に利用できる。

イオンビーム照射、エッチング、またはスパッタリングは、概念的にはサンドブラストに似た技術ですが、イオンビーム中の個々の原子を用いてターゲット をアブレーションします。反応性イオンエッチングは、化学反応性を利用して物理的なスパッタリング効果を高める重要な拡張技術です。

半導体製造における典型的な使用例として、マスクを用いて、二酸化ケイ素やガリウムヒ素ウェハなどの半導体材料でできた基板上にフォトレジスト層を選択的に露光する。ウェハを現像し、ポジ型フォトレジストの場合は、露光された部分を化学処理で除去する。その結果、露光がマスクされていたウェハ表面にパターンが残る。次に、ウェハを真空チャンバーに入れ、イオンビームを照射する。イオンの衝撃によってターゲットが侵食され、フォトレジストで覆われていない領域が削り取られる。

集束イオンビーム（FIB）装置は、薄膜デバイスの特性評価に数多くの用途があります。高輝度の集束イオンビームを走査ラスターパターンで使用すると、材料が精密な直線パターンで除去（スパッタリング）され、固体材料の二次元または層状プロファイルが明らかになります。最も一般的な用途は、CMOSトランジスタのゲート酸化膜層の完全性を検証することです。単一の掘削箇所から断面が露出し、走査型電子顕微鏡を使用して分析できます。薄いラメラブリッジの両側に2つの掘削を行うことで、透過型電子顕微鏡サンプルを準備できます。^{[ 2 ]}

FIB装置のもう一つの一般的な用途は、半導体デバイスの設計検証や故障解析です。設計検証では、選択的な材料除去と、導電性、誘電体、または絶縁性材料のガスアシストによる材料堆積を組み合わせます。集積回路の導電経路を再配線するために、イオンビームとガスアシストによる材料堆積を組み合わせて、エンジニアリングプロトタイプデバイスを改造することができます。これらの技術は、CAD設計と実際の機能プロトタイプ回路との相関関係を検証するために効果的に使用され、設計変更をテストするために新しいマスクを作成する必要がなくなります。

イオンビームは、材料科学における分析目的にも使用されます。たとえば、スパッタリング技術は、二次イオン質量分析法を実行することによって、表面分析や深さプロファイルに使用できます。透過または後方散乱された一次イオンの分光法から情報を得ることも可能で、たとえば、ラザフォード後方散乱（RBS）スペクトルから深さプロファイルを取得できます。^{[ 2 ]}二次イオン分光法とは異なり、RBSのような散乱ベースの技術は、多くの場合、サンプルへの破壊が少ないです。

放射線生物学では、広範囲または集束されたイオンビームを使用して、細胞間および細胞内コミュニケーション、シグナル伝達、DNA損傷および修復のメカニズムを研究します。

イオンビームは粒子線治療にも用いられ、最もよく用いられるのはがん治療である。

宇宙船に搭載されたイオン推進器やプラズマ推進器によって生成されたイオンビームは、照射された近傍の物体（例えば、別の宇宙船、小惑星など）に力を伝達するために使用できる。イオンビーム・シェパードと呼ばれるこの革新的な推進技術は、宇宙デブリの能動的な除去や小惑星の軌道変更の分野で有効であることが実証されている。

粒子加速器によって生成される高エネルギーイオンビームは、原子物理学、核物理学、素粒子物理学において利用される。

イオンビームは理論的には兵器として使用できるが、実証はされていない。電子ビーム兵器は20世紀初頭にアメリカ海軍によって試験されたが、ホースの不安定性効果により、約30インチ以上の距離では命中精度が確保できなかった。