IMPLANTACIÓN IÓNICA

H.J. Dulcé Moreno1 , V.D. Dougar-Jabon°, P. A. Tsygankov* de tratamiento superficial avanzado que logren mejorar
Universidad Francisco de Paula Santander, A.A.1055 Cúcuta, propiedades de los materiales tales como:
Colombia microdureza, resistencia al desgaste por fricción,
° Universidad Industrial de Santander, A.A.678 Bucaramanga,
Colombia resistencia a la corrosión, etc. No hay duda que el
* Moscow Bauman State Technical University, Moscow, Russia progreso en estas ramas está ligado ante todo con los
éxitos en el diseño y construcción de dispositivos que,
como resultado de amplios estudios y del control de
RESUMEN los procesos que en ellos se suceden, logren la
producción de materiales con propiedades tribológicas
En este trabajo se presenta una revisión de las diferentes predeterminadas de acuerdo con una necesidad
técnicas de implantación de iones desde los específica.
implantadores por haces iónicos, utilizados en la
fabricación de semiconductores, pasando por una serie Desde los años 70 se realizan investigaciones intensas
de desarrollos con base en la tecnología de la física en el área de tratamiento de superficies de materiales
del plasma, hasta llegar a la técnica denominada de construcción por haces de partículas cargadas y
Implantación Iónica Tridimensional (3DII). especialmente por haces iónicos. Dependiendo de la
energía con la que los iones llegan a una superficie
Para cada una de las técnicas de implantación iónica puede prevalecer uno de tres procesos diferentes (ver
se presentan los dispositivos más comunes y se analizan figura 1). Si la energía es muy baja (hasta decenas de
sus características principales. Para el caso de la electrón-voltios) los iones se depositan en la superficie,
Implantación Iónica Tridimensional se describe el creándose un recubrimiento – película delgada. Si la
equipo JUPITER (Joint Universal Plasma and Ion energía es mayor (algunos centenas de electrón-voltios)
Technologies Experimental Reactor), único en el predomina un proceso de chisporroteo de la superficie
mundo, para la investigación de descargas pulsadas (conocido como sputtering), dicho proceso es útil para
de alto voltaje a bajas presiones y para el tratamiento limpieza superficial o para evaporar materiales en
superficial de materiales. Este dispositivo se implementó procesos de recubrimiento. Finalmente, a energías
en el Laboratorio de Física del Plasma y Corrosión de mucho mayores (desde 5 kilo-electrón-voltios hasta
la Universidad Industrial de Santander, con la algunos Mega-electrón-voltios), los iones penetran
colaboración financiera de COLCIENCIAS y con la dentro de la superficie sólida incrustándose a una
cooperación de la Universidad Técnica Estatal Bauman profundidad de varias capas atómicas. Este proceso
de Moscú. se conoce como implantación iónica (Molera, 1991).

PALABRAS CLAVES: Implantación iónica

tridimensional, descarga de alto voltaje, nitruración.

1. INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas de más actualidad en la industria

metalmecánica de alta tecnología, y en la fabricación
de aparatos de precisión, es el desarrollo de técnicas

1 hdulce@col1.telecom.com.co Figura 1. Tipos de procesos según el potencial acelerador

19
Las tecnologías iónicas se refieren por su realización químicos, destrucción de composiciones originales,
técnica a métodos vacío-plásmicos que permiten difusión estimulada por radiación, etc., y el producto
producir capas modificadas con adhesión del 100% final del tratamiento es una resultante de todos estos
al material tratado, diferenciándose y superando en (Sharkeev, et al, 1997). Por lo anterior hasta el presente
este aspecto a los métodos tradicionales de aplicación no se ha elaborado una teoría completa que abarque
de recubrimientos en vacío (magnetrón, acelerador, y determine en su totalidad el proceso de modificación
chisporroteo resistivo o activo). de una superficie por un haz iónico.

En el proceso de implantación de iones acelerados Entre los principales mecanismos que producen
tiene lugar la modificación en las capas superficial y endurecimiento de metal se pueden mencionar
subsuperficial del material original sin cambio en las algunos: creación de composiciones químicas, defectos
dimensiones geométricas de la pieza tratada y no se por radiación de la red cristalina, formación de capas
presenta, como en el caso de chisporroteo, una subsuperficiales que provocan la tensión compresión
frontera bien definida capa – material original con – extensión en la superficie de material. Todavía no
diferentes características físicas (por ejemplo, diferente existe una solución al problema de determinar con
coeficiente de expansión térmica). En este sentido este exactitud cual es el efecto de modificación y el
método es próximo a los procesos tradicionales de comportamiento de la capa que se desgasta ya que el
saturación de superficies de materiales sólidos con grosor de capas obtenidas por implantación iónica en la
adición de aleado tales como nitruración, mayoría de los casos no supera un micrómetro (10-6 m).
carbonización, cementación con boro, etc. Es muy Sin embargo los resultados impresionantes en la
importante tener en cuenta que el mecanismo de modificación de las propiedades tribológicas de
adición difiere radicalmente ya que la concentración materiales por los métodos de implantación iónica han
de aditivo se determina no por las constantes de obligado a los investigadores a buscar los métodos
difusión del proceso en equilibrio de saturación de la óptimos de la nueva tecnología, y a diseñar equipos
superficie sino por las interacciones cinéticas del ion, con tecnologías especializadas.
acelerado hasta decenas kilo-electrón-voltios, con la
red cristalina del material a tratar (Ziegler, et al, 1985). Una razón por la que no se utiliza ampliamente en la
Una consecuencia de esta diferencia es que la industria este método es la no existencia de un equipo
concentración del elemento implantado puede simple, seguro y económico.
alcanzar un 20-70% en comparación con 3-7% que
es común para los procesos de difusión. Con todo 2. DESARROLLO DE LAS TÉCNICAS DE
esto el tratamiento por implantación no se acompaña IMPLANTACIÓN IÓNICA
por calentamiento significativo del material tratado que
es una ventaja muy grande frente a los métodos físico- La implantación iónica se ha usado durante más de
químicos donde la temperatura del procesamiento es 40 años en la industria de semiconductores debido a
alta, en algunos casos supera la temperatura de las posibilidades únicas en la formación de capas de
transformación de fase. Una temperatura alta puede grosor predeterminado con una conductividad
producir deformación de las piezas tratadas. seleccionada a una profundidad dada dentro de una
base semiconductora.
El ion frenado en el material participa y estimula una
gran cantidad de procesos a nivel superficial y Desde la mitad de la década de los 60 todos los
subsuperficial: crecimiento y traslación de equipos industriales se diseñaban para funcionar con
dislocaciones, formación de nuevos compuestos elementos microelectrónicos en condiciones específicas
20
de fabricación. En primer lugar se debía dar una fabricados en los 80 tienen “lunares” de los equipos
organización del proceso de fabricación en antecesores destinados para fabricación de
condiciones de alto vacío (HV, presiones no mayores semiconductores. Uno de los equipos industriales más
a 10-3Pa) donde se minimizaban las posibilidades de perfectos construidos con un esquema tradicional para
contaminación del semiconductor por impurezas implantación iónica de materiales es el equipo de la
especialmente en la zona de ubicación de la base empresa Danfysik (Denmark), serie 1090- 200
(blanco); en segundo lugar se debía conseguir una (Streade, 1989). Este equipo está diseñado según un
dosis de iones a implantar generalmente baja (hasta esquema clásico de la técnica de fabricación de
1020 m-2) con energía hasta 1x106 eV; en tercer lugar semiconductores representado en la figura 2, y que
se debía cumplir con exigencias rígidas para como se puede observar incluye:
separación por masas de los iones a implantar, - fuente iónica y sistema de extracción de iones (1),
homogeneidad energética de iones, barrido regular - separador de masas (2),
del haz iónico sobre la superficie plana del blanco y - sistema de aceleración de iones (3),
precisión de focalización. Los esfuerzos hechos en esta - sistema de formación y de barrido de haz iónico
área permitieron, al inicio de los años 80, crear unos
sobre un material a tratar (4),
equipos efectivos y perfectos para aleación iónica de
- cámara de tratamiento con una mesa especial
semiconductores (Ziegler, 1992). Entre las empresas
multicoordenada y móvil sobre la cual se colocan
que construyeron y aún producen equipos industriales
los objetos a tratar (5),
para implantación iónica se pueden mencionar: Eaton
- sistema de vacío (6).
Corporation (USA), Balzers (Lichtenstein), Nissan
Electric (Japan), Hitachi (Japan), Varian Corporation
(USA), Vesuvio (Russia).

En la década de los 70 se prestó atención a las

posibilidades de la tecnología de implantación iónica
en el área de modificaciones de materiales metálicos.
Se obtuvieron resultados positivos que mostraron
cambio significativo de las propiedades tribológicas
de metales, aumento de la resistencia a la corrosión, Figura 2. Esquema de un implantador para fabricación de
aumento de resistencia a la fatiga de metales. Los semiconductores.
resultados más completos de las investigaciones en
esta etapa de desarrollo de los métodos de La dosis de iones implantados con la cual se
implantación iónica para los materiales de construcción manifiestan efectos en la superficie de los materiales
se colectan en una monografía (Hirvonen, 1980). Las es significativamente mayor que la requerida en la
investigaciones se realizaron en equipos modernizados producción de semiconductores. Para garantizar
(originalmente destinados para tratamiento de productividad aceptable de los equipos industriales se
semiconductores) que fueron adecuados para utilizan fuentes iónicas que logren valores grandes de
experimentos de laboratorio. corriente de iones y que tengan la posibilidad de
generar iones de metales, gases simples y complejos.
Al inicio de los años 80 se comprendió que el método En el implantador Danfysik 1090-200 se utiliza una
de implantación iónica poseía un valor práctico en el fuente iónica plásmica Chordis 920 con la corriente
mejoramiento de las propiedades superficiales de los de salida 4x10-2 A. La fuente se adiciona con un sistema
materiales, y una serie de empresas comenzaron a de chisporroteo para metales refractarios. Tal fuente
diseñar equipos especializados. Muchos equipos permite alcanzar una corriente en haz mayor que
21
5x10-3 A para N+ y Ar y 2x10-3 A para Ti+, Y+, Ni+. El hay restricciones rígidas sobre composición
sistema de separación de masas garantiza resolución (especialmente isotópica). Esto permitió obviar los
en masas M/DM = 200, que permite manejar la sistemas de separación de masas en equipos
composición isotópica del haz. Después de la especializados, produciendo un aumento en la
separación los iones unicargados se aceleran hasta productividad y disminución significativa en el costo
2x105 eV y se barre en dos coordenadas X-Y sobre la de equipos. Algunos cambios en el esquema clásico
superficie plana de dimensión 0,40 m x 0,40 m. La fueron hechos por las empresas Leybold AG (Alemania)
potencia media consumida es de 6,0x10 4 W en los equipos LION6000 y Zymer Inc. (USA) modelo
aproximadamente. El área ocupada por el equipo es Z-100. El implantador LION6000 tiene en su
48 m2, la altura máxima del equipo es 3 m. La cámara composición una fuente de radiofrecuencias que
de tratamiento donde se ubica la mesa de funciona en condiciones de resonancia ciclotrónica
manipulación es de 0,6x0,6x0,7 m3. La mayoría de electrónica a una presión de 10-2 Pa (Korber and Munz,
las piezas industriales a tratar tienen configuraciones 1989). Debido al alto grado de ionización del gas de
complejas no planas que obliga a utilizar sistemas de trabajo se logra generar una densidad de la corriente
rotación y traslación para tratamiento uniforme de las iónica de 20 A/m2. El voltaje de aceleración puede
piezas por todos lados. Sin embargo es preferible alcanzar 1,5x105 V y la corriente iónica 4,0x10-3 A.
garantizar el ángulo de incidencia de iones normal ya En el diseño Z-100 los especialistas no prescindieron
que una desviación de 30° respecto a la normal del sistema de barrido (scanning bidimensional) pero
produce disminución de la dosis implantada en 1,2 a aplicaron esfuerzos máximos para simplificar el manejo
2 veces. En algunos casos esto no es aceptable, no y explotación del equipo, es decir buscaron garantizar
solo debido a la caída en la productividad del manejo del equipo por un personal no muy calificado
tratamiento sino a la pérdida de calidad, especialmente (Denholm and Wittkower, 1985). Esta propiedad junto
para detalles que funcionan en condiciones de carga. con las posibilidades técnicas provocó una difusión
Para resolver este problema se diseñaron sistemas de amplia del implantador.
manipulación complejos y costosos, ya que debían
funcionar en ultra alto vacío (UHV). Además estos Las ideas y éxitos tecnológicos que ocurrieron en el
sistemas debían garantizar enfriamiento de los proceso de creación de motores de propulsión de
materiales que se calientan bajo el haz iónico. El apertura ancha para aparatos cósmicos dio origen a
sistema de manipulación de muestras es una parte de la generación siguiente de equipos para tratamiento
todos los equipos de implantación fabricados a partir iónico de materiales, estos resultaron ser más
de los haces iónicos. económicos y más simples en servicio, sin sistemas de
separación de masas y de barrido. Como ejemplo de
Otros dispositivos de implantación iónica industrial que este tipo de equipo vale la pena mencionar un
se han construido según el esquema clásico son: el implantador diseñado en Colorado State University en
equipo KAX-1000 de la empresa ULVAC (Japan) que la base de un motor de propulsión iónico creado en
produce una corriente iónica 5x10-3 A con una energía la NASA (Destefani,1988). Este sistema garantiza una
de 7,0x104 eV y el equipo ManTech de la empresa corriente hasta 5x10-2 A con energía de 8x104 eV. El
Spire (USA) que fue desarrollado con base en el implantador del Centro Tecnológico DIANA-2 de
implantador comercial para semiconductores de la Tomsk (Rusia) pertenece al tipo mencionado arriba y
empresa Eaton (USA). tiene parámetros que prácticamente coinciden con el
equipo de la Colorado State University.
Los estudios de las propiedades de materiales
implantados con haces iónicos demostraron que no Al estudiar el historial del desarrollo de equipos para
22
la implantación iónica de materiales es posible El tratamiento puede considerarse de alta calidad si el
distinguir dos tendencias: simplificación del esquema equipo garantiza:
funcional (a cuenta de renuncia del sistema de - la monoenergecidad de los iones del haz,
separación de iones y de barrido) y disminución de - la incidencia normal de los iones sobre la
energía de iones implantados con aumento simultáneo superficie a tratar,
de densidad de la corriente iónica, que produce un - la posibilidad de control y manejo de la
crecimiento en la productividad del equipo. Por temperatura de la muestra, incluso sostenimiento
ejemplo, un implantador inicial de la empresa Nissan en un nivel significativamente menor al valor de
Electric generaba iones con energía de 1x106 eV, pero las temperaturas características de estabilidad de
ahora el rango más usado es 3x104 – 8x104 eV. Esto los materiales a tratar (100-200ºC),
teniendo también en cuenta los procesos combinados - la formación de haces iónicos tanto de gases
que se observan bajo haces iónicos de alta energía. Entre como metales,
estos procesos los más conocidos son: - una velocidad de tratamiento aceptable (rapidez
- mixing, es decir mezclado de materiales de base de alcance de dosis de 2x1021 iones/m2 en un
y de la capa chisporroteada, nivel no menor a 2x105 – 3x105 s/m2).
- penning, que consiste en el proceso de incrustar
Un método completamente diferente al esquema
un recubrimiento en el material de base, utilizando
clásico lo propuso J. K. Conrad (Universidad de
iones pesados de alta energía, para aumentar la
Wisconsin, Madison, USA) (Conrad, 1988). El método
adherencia.
se denomina -Plasma Source Ion Implantation- (PSII).
En este método una pieza a tratar se coloca en la
A pesar de que la tecnología de tratamiento por haces
cámara de vacío conectada a tierra. Con una fuente
alcanzó un grado alto de perfeccionamiento y de
adicional (RF o DC) se forma el plasma de una
seguridad presentaba una desventaja esencial – el
densidad de 1013 – 1014 m-3 y después entre la pieza
tratamiento en línea recta (line of sight). La utilización
(cátodo) y las paredes de la cámara (ánodo) se aplica
de sistemas complejos de manipulación de las piezas
un pulso de alto voltaje (decenas de kilo-Voltios).
a tratar resolvía solamente parcialmente este problema,
Alrededor de la pieza se forma una capa plásmica
ya que no permitía procesar con la misma calidad
donde los iones del gas de trabajo se aceleran hasta
todas las partes de una pieza de forma compleja.
energías de implantación. Los iones acelerados
Adicionalmente los sistemas de manipulación debían
bombardean la superficie a tratar bajo ángulos
funcionar en ultra alto vacío aumentando
cercanos a la normal y penetran efectiva y
significativamente el costo de todo el equipo. simultáneamente en la pieza por todos los lados
eliminando la necesidad de manipulación. En este
En resumen un equipo para tratamiento de materiales equipo no se encuentra la mesa de manipulación, y
por haces iónicos requería: pasa a un primer plano el problema de garantizar una
- una cámara de vacío con la presión residual en efectividad aceptable con el cumplimiento de las
el nivel de 10-2 Pa donde se pudiera colocar una exigencias de tratamiento de calidad.
mesa móvil de tres coordenadas con un sistema
de enfriamiento por agua. La mesa debía permitir Los métodos plásmicos de tratamiento superficial en
la ubicación de las muestras; los cuales la pieza a tratar sirve como cátodo no son
- una fuente de iones con un sistema de aceleración nuevos y se utilizan ampliamente en tecnologías
de haz iónico hasta 3x104 –8x104 eV y densidad industriales (Conrads and Schmidt, 2000). Entre ellos
promedia de corriente en la superficie de la se puede mencionar:
muestra de 0,1- 1,0 A/m2. - limpieza en la capa catódica de descarga
23
 luminiscente y chisporroteo (sputtering) catódico la industria metalmecánica, ya que se han encontrado
a bajos voltajes en el rango 0,1-3 kV, una serie de dificultades significativas.
- tratamiento físico-químico de materiales de
construcción en medios activos (0,3-1,0 kV) (Von Al aplicar un pulso de alto voltaje sobre un plasma de
Grun, 1987), baja densidad, previamente generado, se presenta un
- chisporroteo en vacío (magnetrón) bajo el voltaje desplazamiento de iones extraídos de zonas cercanas
de 0,05-2 kV (Munz, 1991). al objeto - cátodo. A medida que disminuye la
población de iones de estas capas se observa un
Como base de todos los métodos de tratamiento desplazamiento de la frontera de la región de escasa
superficial vía plasma se encuentran las descargas de carga espacial positiva alejándose más y más del
bajo voltaje, más conocidas como descargas cátodo. Una representación de este fenómeno se
luminescentes (Chapman, 1980). La diferencia puede observar en la figura 3. La envoltura plásmica
principal del proceso de implantación vía plasma con que abarca el objeto a tratar se desplaza durante el
los métodos mencionados está en la necesidad de pulso de descarga. Su grosor original (a) se determina
crear un flujo iónico, hacia un objeto, con energías por la densidad del plasma, la geometría de la pieza
de algunas decenas – centenas de kilo-electrón-voltios. a tratar y el potencial aplicado (Conrad, 1987;
Esta exigencia cambia la situación cualitativamente. Scheuer, et al, 1991; Tian, et al, 1999; Valentini, 2000;
Es claro que se requiere generar una descarga de alto Berktusunova and Demokan, 2001). La expansión
voltaje. siguiente (b), (c) y (d) depende de la temperatura del
plasma y de las masas de los iones. Por ejemplo, en el
La tecnología PSII (Plasma Source Ion Implantation) proceso de implantación de iones de nitrógeno en un
se realiza con un tipo de descarga de alto voltaje que cilindro del radio de 1 cm bajo el potencial de 1x105
fue descubierto y estudiado con anterioridad (Alexeff, V la envoltura inicial es de 4x10-2 m y se expande con
et al, 1969; Widner, et al, 1970; Widner, et al, 1971). la velocidad iónico-acústica 2,5x104 m/s. Luego la
En esta tecnología primero se enciende un plasma de duración de un pulso debe ser lo bastante pequeña
baja densidad por una fuente independiente (fuente para que la envoltura expandida no entre en contacto
con un cátodo calentado, descarga de ni con las paredes de la cámara ni con envolturas de
radiofrecuencias) bajo la presión del gas de trabajo los objetos próximos cuando se implantan
(nitrógeno, helio, hidrógeno, argón o metano) de simultáneamente varias piezas.
1,3x10-3 Pa hasta 1,3x10-1 Pa. Sobre esta descarga se
aplica un pulso de alto voltaje (hasta 1x105 V) con
duración de 1x10 -5 – 3x10 -5 s, y frecuencia de
repetición de 100 Hz que garantiza una corriente
media de 2x10-3 A.

Un interés industrial en el método PSII obligó, a finales

de los años 80, a iniciar tales desarrollos a grandes
universidades, centros científicos y laboratorios
industriales como: ASTeX, University of Tennessee,
General Motors Research Laboratory, Hughes Research
Laboratory, Varian Associates Inc. entre otros (Conrad,
1989) . Pero hasta la fecha los implantadores tipo PSII
no han encontrado todavía una aplicación amplia, en Figura 3. Representación de la expansión de la cobertura en PSII

24
En la figura 4 se presentan los pulsos de corriente y de en contradicción con una de las exigencias principales
voltaje típicos del método PSII (Shamin, et al, 1991a; para el tratamiento de calidad. Además de un espectro
Shamin, Conrad, et al, 1991b). El comportamiento energético amplio de iones se puede producir un
de la corriente de descarga, que ha sido motivo de chisporreteo significativo de la superficie, incluso de
muchos estudios tanto experimentales como teóricos capas ya implantadas, lo que a su turno puede tener
(Conrad, 1987; Lieberman, 1989; Madapura, et al, como consecuencia la disminución de la dosis
1989; Qiu, et al, 1990; Qiu, et al, 1991; Emmert, et realmente alcanzable.
al, 1992; Tang, et al, 1993; Shamin, et al, 1995; Hong
and Emmert, 1995; Rej, et al, 1997; Zeng, et al, 1998; Entre otros elementos específicos de equipos PSII vale
Bektursunova and Demokan, 2001), se caracteriza por la pena mencionar un sistema de imanes permanentes
una caída prácticamente exponencial en la parte que se utilizan para aumentar el confinamiento de los
derecha del máximo que confirma el fenómeno de electrones en el volumen plásmico. Esto sin duda
movimiento de la envoltura. La duración y la dinámica requiere de una construcción compleja que aumenta
de la frontera del pulso de la corriente son consistentes el costo del equipo.
con el comportamiento del pulso de voltaje.
La tecnología de implantación iónica por inmersión
(Plasma Immersion Ion Implantation, PIII) (Qin, et al,
1992; Matossian, et al, 1997; Liu, et al, 1998a) se
desarrolló con el propósito de solucionar dos
problemas del PSII. En primer lugar, el relacionado
con las dificultades de conmutación de las fuentes
generadoras del plasma inicial y del pulso acelerador
de los iones hacia la muestra (cátodo). El segundo,
minimizar el efecto de desplazamiento de la cobertura.
Para lograr estos propósitos se agrega al esquema
del PSII un tercer electrodo donde se ubica la muestra
a tratar y se alimenta con el pulso de alto voltaje que
atrae los iones hacia él, independizándolo de los
electrodos que generan el plasma inicial (Liu, et al,
Figura 4. Pulsos de voltaje y corriente típicos de PSII 1998b; Liu, et al, 1998c; Chu and Cheung, 1998;
Mandl, et al, 1998;Tang, et al, 1998). Esta
El voltaje aplicado al cátodo permanece constante modificación solucionó el problema de la
durante aproximadamente 7 ms, durante el tiempo alimentación, pero no el del desplazamiento de la
restante cae. El tiempo relativamente pequeño de envoltura, ya que la técnica PIII sigue presentando los
mantenimiento del voltaje en un nivel constante en mismos inconvenientes que la PSII (Lieberman and
comparación con el tiempo de formación de la frontera Lichtenberg, 1994; Tian, et al, 1999; Berni, et al, 2000;
delantera y el tiempo de caída de pulso hace que el Husein, et al, 2000).
flujo iónico que incide sobre el objeto (durante un
tiempo significativo no menor que 50% de la duración En resumen, se pueden enumerar como principales
del pulso) tenga un espectro significativamente no desventajas de las técnicas PSII y PIII fundamentadas
monoenergético. Este fenómeno se confirma por la en las descargas de alto voltaje con envoltura móvil:
distribución de los iones implantados dentro del - los ángulos de incidencia de los iones sobre la
material tratado (Conrad, 1989). Esto se encuentra superficie de un objeto pueden ser diferentes del
25
 normal que conduce a la no-homogeneidad de (hasta 1x105 V). Sin embargo son más conocidas sus
tratamiento del objeto, aplicaciones como base de fuentes de electrones de
- el espectro energético de los iones no es alta energía. La tecnología 3DII aprovecha las
controlable y no es monoenergético. propiedades específicas de la descarga en la rama
Una solución al problema de control del espectro izquierda de la curva de Paschen con el propósito de
energético de los iones y de garantía de la calidad del implantar iones en metales, semiconductores y
proceso se obtendría al conservar la idea del cerámicas. El primer estudio de la descarga y los
tratamiento por flujos iónicos desde la frontera primeros experimentos sobre implantación de iones
plásmica de la capa catódica (la idea de PSII) pero realizados por el método 3DII demostraron una ventaja
con la capa catódica de la descarga de alto voltaje significativa de esta tecnología frente a la tecnología
inmóvil y de grosor pequeño. La solución a este PSII (Khvesyuk and Tsygankov, 1997). El parámetro
problema fue hallada por Kvesyuk y Tsygankov más importante a tener en cuenta en las tecnologías
mediante el desarrollo de una nueva tecnología de implantación es el grado de monoenergicidad de
denominada Implantación Iónica Tridimensional 3DII iones. En la figura 5 se dan los perfiles de distribución
(Khvesyuk and Tsygankov, 1997). El método 3DII se de iones de nitrógeno por profundidad en un blanco
fundamenta en la descarga de alto voltaje y baja de Silicio obtenidos por ambos métodos. Al observar
presión que se enciende en la rama izquierda de la dichos perfiles se puede concluir que la distribución
curva de Paschen. Los pioneros en el estudio de este obtenida en el equipo 3DII corresponde mejor a las
tipo descarga fueron Klarfeld y Pokrovskaya-Soboleva exigencias de la tecnología de implantación de iones.
(Pokrovskaya-Soboleva and Klarfeld, 1957). El
conocimiento moderno sobre los procesos físicos que
tienen lugar en descargas en la rama izquierda de la
curva de Paschen es discutido por McClure (McClure,
1961). Las propiedades específicas de este tipo de
descarga son las siguientes:
- la descarga se enciende y se mantiene bajo la
diferencia de potencial entre los electrodos en el
rango desde decenas hasta centenas kilo-
electrón-voltios,
- la descarga es auto sostenida es decir no necesita
de un plasma de soporte,
- el voltaje de mantenimiento de la descarga
coincide con el voltaje de encendido,
- la descarga tiene estructura estacionaria durante
todo el periodo después de su formación (periodo
de mantenimiento de la descarga) con una capa
catódica de grosor pequeño donde cae
prácticamente todo el voltaje aplicado. Esta capa
adquiere la forma del cátodo (un objeto metálico).

Inicialmente estas descargas se utilizaron como

conmutadores en equipos que necesitan transmisión Figura 5. Perfiles Auger de implantación de N2+ en silicio
de grandes corrientes (hasta 1x104 A) a altos voltajes para 3DII (arriba) y PSII (abajo)

26
En la actualidad solo existe un equipo construido en técnicas tradicionales de implantación con base en la
concordancia con la tecnología 3DII, este es el JÚPITER tecnología de los plasmas (PSII y PIII), que trabajan en
del Laboratorio de Física del Plasma y Corrosión de la un régimen de bajo vacío (LV) y que utilizan una
Universidad Industrial de Santander. A pesar de que el combinación de fuentes DC o RF, para generar un
JÚPITER esta basado en el equipo antecesor de plasma previo, y fuentes pulsadas de alto voltaje (HVP)
laboratorio 3DII (que ya no existe) difiere con pulsos de muy corta duración (del orden de ms),
significativamente de su prototipo, especialmente en para atraer los iones hacia las superficies a tratar.
la parte electrónica y parámetros del generador de Finalmente se llega a la tecnología de Implantación
alto voltaje. Además por su productividad (velocidad Iónica Tridimensional (3DII), que trabaja en un régimen
de aumento de dosis) y sus dimensiones es un equipo de alto vacío (HV) y que utiliza descargas pulsadas de
que se puede considerar como semi-industrial. alto voltaje (HVP) con pulsos rectangulares de duración
hasta 2,5 ms, los cuales realizan simultáneamente
El dispositivo JUPITER que se fundamenta en las descargas las dos funciones requeridas para una implantación
pulsadas de alto voltaje a bajas presiones, posee los iónica eficiente, es decir generan un plasma de alta
parámetros de pulso: duración hasta 2,5x10 -3 s, densidad y atraen los iones hacia la superficie de las
frecuencia de repetición hasta 60 Hz y voltaje hasta muestras que funcionan como cátodo, sin que se
6x104 V. Con los anteriores parámetros se garantiza presente movilidad de la capa catódica.
la implantación de iones cuasi monoenergéticos con
un ángulo de incidencia normal a la superficie de los
materiales a tratar; además se consiguen altas dosis
de átomos implantados en cortos tiempos de
tratamiento, dichas dosis son suficientes para mejorar
propiedades tribológicas de aceros al carbón tales
como: aumento de la resistencia a la corrosión,
disminución de la permeación de hidrógeno, etc.

A partir de los resultados experimentales obtenidos y

la experiencia de manejo se puede afirmar que el
equipo JUPITER por su productividad,
monoenergecidad de iones, ángulo de incidencia,
simplicidad en manejo, servicio de los sistemas del
equipo, y seguridad, es más eficiente que los equipos Figura 6. Evolución de las técnicas de implantación iónica.
existentes y reportados hasta la fecha (Dougar, et al,
2002). Este equipo se puede utilizar para el
mejoramiento de piezas que funcionan en condiciones CONCLUSIONES
severas; por ejemplo sierras que cortan madera sin
enfriamiento, etc. El desarrollo de las técnicas de implantación iónica se
ha dado fundamentalmente por dos razones; la
En la figura 6 se presenta un esquema comparativo primera, la necesidad de producir materiales
donde se puede observar el desarrollo de las técnicas semiconductores; la segunda, la búsqueda de técnicas
de implantación: se inicia con la implantación por de tratamiento superficial de materiales metálicos. En
haces iónicos (IBI), que requieren montajes complejos esta última han sido importantes los aportes de la
y sistemas de ultra alto vacío (UHV). Se pasa por las tecnología del plasma.
27
La implantación iónica tridimensional (Three Chapman B., Glow Discharge Processes, John Wiley,
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