Implantación iónica

Implantación iónica Concepto: La implantación iónica es un proceso de fabricación que se realiza para dar unas características determinadas a la superficie de un objeto.

Implantación irónica. Es un proceso de fabricación que se realiza para dar unas características determinadas a la superficie de un objeto.

Funciones

La implantación iónica puede emplearse, dependiendo de los fines deseados, para: dopado de semiconductores.

La introducción de impurezas en un semiconductor es la aplicación más común de la implantación de iones.

Los iones dopantes de boro , fósforo o arsénico entre otros suelen proceder de fuentes gaseosas debido a su gran pureza, si bien estos gases pueden ser muy tóxicos.

Una vez implantados en el semiconductor, cada átomo dopante origina un desplazamiento de carga en el semiconductor (hueco o electrón, dependiendo de si es un dopante tipo P o tipo N), de forma que se modifica la conductividad del semiconductor a su alrededor.

Mesotaxia: el término mesotaxia se refiere al crecimiento de una fase de igual estructura cristalina bajo la superficie del cristal semiconductor (compárese con epitaxia, donde dicha fase aparece en la superficie).

En este proceso, los iones son implantados a una alta energía y dosis para poder crear una capa de una segunda fase, además de ser necesario controlar la temperatura para evitar que la estructura cristalina del objetivo se destruya.

La orientación de la capa puede ser manipulada hasta conseguir que coincida con la del objetivo, aunque la estructura exacta y el parámetro de red sean muy diferentes.

Por ejemplo, tras la implantación de iones de níquel en una oblea de silicio se obtiene una capa de siliciuro de níquel que crece siguiendo la orientación del silicio de la oblea.

• Tratamiento de superficies metálicas.

Refuerzo de herramientas de acero, Es posible implantar iones de nitrógeno u otros en herramientas de acero tales como brocas de taladros. El cambio estructural causado por la implantación produce una compresión de superficie en el acero, protegiéndolo de la propagación de roturas y haciéndolo más resistente ante estas.

El cambio químico, por su parte, puede hacer que la herramienta sea más resistente a la corrosión.

• Revestimiento de superficies:

En ciertas aplicaciones, como por ejemplo dispositivos protésicos tales como juntas artificiales, se busca que las superficies sean muy resistentes tanto a la corrosión química como a la fricción.

La implantación de iones es empleada en estos casos para manipular las superficies de dichos dispositivos para conseguir una mayor fiabilidad. En función del material, pueden obtenerse unas características u otras dependiendo del tipo de tratamiento empleado.

Tipos de tratamientos por implantación iónica

Superficies implantadas: El proceso de consiste en la creación del haz de iones, su aceleración hasta la energía prevista (normalmente 100 - 200 keV), su purificación y focalización, mediante electroimanes, y su impacto en las zonas de la superficie que se desean proteger.

La implantación iónica produce en las superficies cambios de composición y estructura que son el origen de su aumento de resistencia al desgaste, fricción y corrosión.

Los iones implantados se distribuyen en una profundidad que oscila entre 200 y 2000 capas atómicas (0.05µm 0.5µm) dependiendo del tipo de ion, del material base y de la energía del bombardeo.

El máximo de concentración, que para los iones ligeros como Carbono o Nitrógeno puede superar el 50%, se sitúa a una cierta profundidad y luego disminuye suavemente. No hay pues una intercara abrupta entre la zona implantada y el material base.

En cuanto a la profundidad, muy reducida si se la compara con la de tratamientos convencionales, hay que decir que es la adecuada para producir los cambios que se desean producir. No interesa profundizar más. Las superficies implantadas con iones tipo Boro, Carbono, Nitrógeno etc. se endurecen como consecuencia de la formación de finos precipitados (Nitruros, etc).

También la introducción de dosis elevadas de estos elementos crea esfuerzos compresivos importantes que contribuyen al bloqueo de mícrogrietas y al cierre de los canales de corrosión. La capa de óxido superficial presente en muchos metales puede cohesionarse contribuyendo también a una mejor protección contra la corrosión y a una reducción de los coeficientes de fricción.

Por su parte la implantación de iones metálicos tiene efectos muy diversos: Por ejemplo el Titanio, en combinación con el Carbono, produce una drástica reducción del coeficiente de fricción cosa que también la logra el Molibdeno en combinación con el azufre .

La implantación de cromo consigue formar capas de óxido muy coherentes que protegen las superficies contra corrosión y desgaste.

En resumen: siendo tres los parámetros que caracterizan cada implantación (tipo de ion, energía de implantación y dosis implantada) hay distintas recetas para los distintos problemas, aunque en el caso de los aceros, que es el material más tratado, las implantaciones de nitrógeno, seguidas de las de cromo, carbono o titanio constituyen el 90% de las soluciones empleadas.

Efectos de la implantación iónica de una superficie

Efectos balísticos

A grandes rasgos, la penetración media de un ion dentro de un só1ido dependerá de la densidad de este, de la energía del proyectil y de las masas atómicas del blanco y del proyectil. A las energías típicas de la implantación iónica (<200 keV) ni siquiera la implantación de Hidrógeno en materiales ligeros como el Silicio supera las 2 micras.

El orden de magnitud típico de una implantación iónica es la décima de micra.

El proceso de frenado es aleatorio. Así pues los átomos implantados se distribuirán en profundidad siguiendo algún tipo de distribución estadística que podemos aproximar a una gausiana. A dosis bajas, apenas habrá átomos en superficie, mientras que habrá un pico de concentración a una determinada profundidad y a partir de ahí decrecerá hasta extinguirse.

La implantación de iones a distintas energías permite construir perfiles de implantación planos etc.

La implantación de iones produce también un efecto de sputtering de la superficie que es mas importante cuanto mayor es la masa del proyectil. Si a medida que implantamos vamos arrancando material de la superficie, es posible llegar a una situación de saturación en la que el pico de implantación se sitúa en superficie y a partir de ahí no puede aumentarse la dosis retenida. Para iones pesados la dosis de saturación puede ser muy baja.

Los efectos balísticos de la implantación iónica en el seno de los só1idos son muy variados: creación de vacantes y de intersticiales, ionización de los átomos de la red, etc. En general, y con mayor importancia para iones pesados, el ion incidente comunica gran parte de su energía a átomos de la red, desplazandolos a gran velocidad e iniciando cascadas de iones secundarios.

Efectos químicos y estructurales

Si bien los efectos balísticos pueden predecirse a partir de modelos teóricos muy ajustados, la modificación química y estructural del material debe ser caracterizada a posteriori y hoy por hoy se sigue prediciendo a partir de la experiencia.

La implantación produce en primer lugar efectos químicos en el sentido de cambios de composición y formación de nuevas aleaciones o compuestos. En este sentido la implantación iónica crea nuevos materiales en la superficie de partida.

Al ser un proceso fuera del equilibro es posible crear aleaciones metaestables, por encima de los limites de solubilidad. También, en el caso de la implantación de elementos reactivos como B. C, Ns O etc. se produce la formación de Boruros, Carburos, Nitruros, Óxidos etc., normalmente en forma de precipitados finos y dispersos, que tienen bastante que ver con los cambios de dureza superficial observados.

De alguna manera, la implantación iónica es una nueva forma de hacer química, y como en otros procesos químicos hay que tener cuidado con las perturbaciones producidas por la presencia de otros elementos. Por ejemplo, el Carbono, presente en la mayor parte de los sistemas, puede formase en superficie una capa fina de Carbono amorfo durante la implantación de otros elementos.

Esta capa contribuiría a reducir los coeficientes de fricción o a la pasivación química del material. El Oxígeno, también omnipresente, puede formar en superficie una capa de óxido con el ion implantado o con elementos del substrato. Esta capa de óxido, normalmente fina y coherente, puede también contribuir a la modificación de los coeficientes de fricción o a la pasivación del material frente a ataques químicos.

Estos efectos, normalmente no provocados, pueden llegar a ser tan interesantes que se han ideado métodos para producirlos controladamente. Además la formación dinámica de estas capas en superficie puede ser un método adecuado para incrementar las dosis de saturación de ciertos elementos, ya que siendo pulverizadas por sputtering en lugar de la verdadera superficie del material, se vuelven a crear en un proceso continuo, haciendo el papel de una capa de sacrificio que no se consume.

Pero además de los efectos químicos están también los efectos estructurales, como la amortización de las capas superficiales, la formación de precipitados endurecedores o la creación de tensiones compresivas que aumentan la elasticidad superficial y bloquean el crecimiento de las microgrietas, con lo que trabajan mejor a fatiga.

Los efectos tribológicos (referentes al rozamiento entre los cuerpos) de una implantación iónica dependen muchas veces de una combinación de efectos químicos y estructurales, y hay que admitir que no siempre se tiene una explicación definitiva de los cambios de comportamiento observados, cosa que no es extraña si se admite también que la tribología (Ciencia que estudia el rozamiento entre cuerpos) está todavía desarrollando sus esquemas teóricos.

Algunas aplicaciones prácticas

Los problemas típicos que se resuelven por implantación iónica son los de desgaste adhesivo, desgaste abrasivo no muy severo, fricción y determinados tipos de corrosión u oxidación. La mayor parte de los materiales tratados son aceros aunque las aleaciones de Aluminio o de Titanio responden todavía mejor, siendo muy interesantes también los resultados sobre metal duro, capas de Cromo o recubrimientos de TiN. Hay también una serie de aplicaciones en desarrollo sobre vidrio, cerámicas y polímeros.

Aunque los ámbitos en los que se ha empleado la implantación iónica son muy numerosos y todavía se siguen identificando nuevas aplicaciones, el 90% de los casos tratados por empresas y centros de subcontratación corresponden a una serie de problemas típicos donde la implantación iónica es la solución mas adecuada desde los puntos de vista técnico y económico. Conviene citar los mas conocidos:

A- Moldes de Inyección de plástico

Aumentos de vida útil de hasta 4 veces mediante la implantación de Cromo para problemas de desgaste con corrosión, o hasta de 9 veces mediante la implantación de Nitrógeno para el desgaste por inyección de plásticos cargados.

Esta es una de las aplicaciones mas extendidas en Europa, con especial incidencia en Dinamarca y en el Reino Unido. Moldes de inyección de plástico para jugerería de precisión, aparallaje eléctrico, Compact Discs, objetos ornamentales y objetos de series largas son los escenarios más habituales para la aplicación de la implantación iónica.

La implantación iónica proporciona especial protección a los orificios y canales de entrada del plástico (puede aplicarse restrictivamente), así como a las superficies con texturas o pulidos especiales cuyo deterioro invalida al molde.

B- Útiles para fabricación de envases metálicos

Aumentos de hasta 5 veces mediante implantación de Nitrógeno en troqueles, punzones y matrices. Es otra de las aplicaciones mas extendidas en Dinamarca y en España.

C- Prótesis de cadera o rodilla

Aumentos de vida de mas de 10 veces en prótesis de aleación Ti6A14V. Esta es la aplicación mas extendida en USA.

D- Cuchillas y otros útiles para corte de papel

Aumentos de vida de 3 a 10 veces mediante la implantación de Nitrógeno en el borde de corte. En ocasiones el tratamiento sigue siendo eficaz después del re afilado.

E- Punzones, troqueles, matrices y útiles para estampación, deformación de chapa o conformado de tubos

Solución de problemas de fricción, en ocasiones prescindiendo de lubricantes. Aumentos de vida de 4 a 8 veces.

F- Cuchillas, extrusores, rodillos y otros útiles empleados en la industria alimentaría

Aumento de resistencia a problemas combinados de desgaste y ataque químico. Aumento de vida muy variable, dependiendo del caso.

Implantación iónica en problemas de desgaste y fricción

Uno de los primeros datos que promovieron el interés por la implantación iónica de metales fue la constatación de que los Aceros implantados con Nitrógeno, a dosis altas, aumentaban, a veces dramáticamente, su resistencia al desgaste.

Este comportamiento se ha descrito, no solo para la mayor parte de los aceros, sino también para otras aleaciones metálicas, especialmente de Aluminio o de Titanio. En todos los casos se atribuye esta mejora a la formación de un precipitado disperso de Nitruros (en el caso de los aceros de Nitruro de Cromo especialmente), aunque a veces pueden colaborar otros fenómenos, como los esfuerzos compresivos que producen una mayor elasticidad superficial etc

Los metales duros (WC-Co cementados) también pueden aumentar su resistencia al desgaste mediante la implantación de Nitrógeno o de ciertos iones metálicos. El coeficiente de fricción permanece notablemente bajo en aceros implantados con Titanio más Carbono. Otra solución es la implantación de carbono a dosis tan altas que se forma una capa fina de carbono en superficie. Además, la mayor parte de las implantaciones habituales para la reducción del desgaste tienen también efectos beneficiosos sobre la fricción.

En resumen, la implantación iónica es una herramienta útil para solucionar problemas de desgaste adhesivo (o abrasivo no muy severo), así como problemas de fricción.

Implantación iónica en problemas de corrosión

Así como los problemas de desgaste/fricción se tratan en la practica con no mas de media docena de soluciones, para la variadísima problemática de corrosión se han intentado todo tipo de implantaciones, a veces de iones exóticos o en dosis muy reducidas.

No obstante, el caso mas explotado es la implantación de Cromo para evitar el ataque químico por gases corrosivos en moldes de inyección de plástico, así como la constatación de que la implantación de Nitrógeno mejora también la resistencia a la oxidación.

El hecho de que la implantación iónica no sea un tratamiento adecuado a temperaturas altas hace que algunos de los problemas tecnológicos mas candentes (corrosión de superaleaciones en turbinas etc.) estén fuera del alcance de esta técnica.

Implantación iónica para la solución de otros problemas

La mayor parte de las aplicaciones industriales de implantación de metales se centran en el desgaste, fricción y corrosión, pero hay otras situaciones concretas en las que la implantación iónica puede colaborar a mejorar el comportamiento de útiles y componentes.

Suelen citarse aumentos en la resistencia a la fatiga, posiblemente debidos al bloqueo de las microgrietas en las superficies implantadas, aumentos en la resistencia a la cavitación etc. Tiene también un interés creciente la implantación de otros material es entre los que se incluyen vidrio s, polímeros (para hacerlos conductores), elastómeros, cerámicas e incluso fibras para materiales compuestos.

Algunas de las implantaciones que más interés despiertan en los últimos tiempos se relacionan con la biocompatibilidad o las propiedades bacteriostáticas de materiales que van a estar en contacto prolongado con el cuerpo humano.

Algunos problemas de la implantación de iones

Daño cristalográfico

Cada ion individualmente produce muchos defectos puntuales en el cristal objeto del impacto como son las vacantes y los intersticiales. Las vacantes son puntos de la red cristalina que no están ocupados por ningún átomo: en este caso el ion colisiona con el átomo del objetivo, resultando una importante transferencia de energía que obliga a este último a abandonar su posición en la estructura.

Este átomo del sólido se convierte así en un proyectil que lo atraviesa, pudiendo provocar sucesivas colisiones. Los intersticiales aparecen cuando algunos átomos (o el propio ion original) llegan al sólido y no encuentran huecos vacantes en la red. Estos defectos puntuales pueden moverse y aglomerarse, resultando en bucles de dislocación y otros defectos.

Observaciones acerca de materiales peligrosos

En la implantación de iones que se lleva a cabo en el proceso de fabricación de obleas, es importante minimizar la exposición de los trabajadores a los materiales tóxicos empleados durante el proceso. Entre estos tóxicos destacan la arsina y la fosfina. Por esta razón, las instalaciones de fabricación de semiconductores están altamente automatizadas, debiendo contar con sistemas de liberación segura de botellas de gas a presión negativa.

Otros elementos a tener en cuenta son el antimonio, el arsénico, el fósforo y el boro. Los residuos generados son liberados si se abren las máquinas a presión atmosférica, de modo que es necesario contar con bombas de vacío que los recojan. Es primordial no resultan expuesto a estos elementos carcinógenos, corrosivos, inflamables y tóxicos.

Alta tensión

La existencia de fuentes de alta tensión en este tipo de instalaciones puede suponer un importante riesgo de electrocución. Además, las colisiones atómicas de alta energía pueden generar en algunos casos radioisótopos.

Los operadores y el personal de mantenimiento deben conocer y observar todos los consejos de seguridad del fabricante y/o empresa encargada del equipo. Antes de entrar en una zona de alta tensión, los componentes terminales deben ser conectados a tierra con las herramientas adecuadas. Posteriormente deben apagarse y bloquearse las fuentes de tensión para evitar descargas inesperadas.

Fuente

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