Tecnología de implantación de iones en materiales inmersos

El ININ hoy
Tecnología de implantación de iones en materiales
inmersos en un PLASMA
Por investigadores del Laboratorio de Física de
Plasmas * (rlc@nuclear.inin.mx)
La implantación de iones basada en el uso
de aceleradores lineales, es una tecnología muy desarrollada que se usa para la
modificación de las propiedades de los
materiales en su parte superficial. Una limitación fundamental al uso más amplio
de la implantación de iones mediante esta
tecnología la constituyen las grandes áreas
requeridas para implementar las aplicaciones industriales y el tiempo prolongado en
el que se lleva a cabo el proceso, lo cual
origina que esta técnica resulte costosa y
compleja.
Sin embargo, una nueva tecnología alternativa basada en el tratamiento de materiales mediante la implantación de iones
por inmersión en plasma, PIII por sus siglas
en inglés (Plasma Immersion Ion
Implantation), supera varias de las limitaciones de los aceleradores aplicando una
alta densidad de iones de manera simple,
rápida, eficiente y económica. Inicialmente
las investigaciones en PIII se centraron en
la implantación de iones de nitrógeno para
mejorar la resistencia al desgaste y corrosión de los metales.
La tecnología PIII es esencialmente un proceso pulsado del cual se hará aquí una breve y sencilla descripción; la evolución durante la aplicación de un pulso de voltaje
negativo, se describe en la Figura 1. La cubierta o capa de plasma que normalmente
existe alrededor de un conductor sin voltaje
aplicado y que se caracteriza por un exceso
de electrones, se altera drásticamente durante la aplicación del pulso y puede dejar
de existir. Inicialmente (t = 0), el plasma se
encuentra en condiciones de casi neutralidad (Figura 1.a), no así la cubierta o capa de
plasma que, como se dijo, tiene un exceso
de carga negativa. Durante de la aplicación
de un pulso intenso de voltaje negativo a la
pieza de trabajo, con duración de varios
microsegundos como es el caso en PIII, la
cubierta o capa se altera drásticamente; la
pequeña masa de los electrones hace que
éstos sean los primeros en responder al
pulso en un tiempo muy corto, siendo expulsados de una región de plasma en la
vecindad de la superficie de la pieza de trabajo. Durante este proceso, queda descubierta una “matriz” de iones del plasma (Figura 1.b). En esta fase inicial de corta duración los iones permanecen casi inmóviles a
causa de su gran masa; entonces, todavía
bajo la acción del pulso, un número adicional de electrones más lejanos son rechaza-
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dos, de modo que en el límite exterior de la
“matriz”, el potencial negativo de la pieza
de trabajo está prácticamente bloqueado
(“apantallado”) debido al efecto de pantalla
que ejercen los iones sobre este potencial.
Es decir, a grandes distancias de la pieza
de trabajo (varios centímetros dependiendo del tamaño del pulso), el plasma permanece prácticamente inalterado excepto por
la generación de ondas de plasma debido
a la aplicación del pulso. El efecto producido en la vecindad de la pieza de trabajo por
la aplicación del pulso es que aparece una
región alrededor de ésta con un gradiente
de densidad de carga positiva, un gradiente
de potencial y por lo tanto un campo eléctrico que actuará sobre los iones para impulsarlos hacia la muestra.
Después de formada la “matriz” de iones,
se establece el flujo de la corriente iónica,
cuya magnitud es casi constante (Figura
1.c). Cuando los iones son implantados, la
muestra emite electrones adicionales en dependencia de la función de trabajo del material y de la energía de los iones. Por ello,
(a)
Plasma
uniforme
(b)
Pieza de
trabajo
(c)
“Matriz de iones”
(d)
Figura 1. Tiempo de evolución de la cubierta de plasma durante
el pulso PIII: (a) t=0 condiciones iniciales; (b) t»5 ns repulsión de
electrones cerca de la pieza de trabajo; (c) t»1 ms efecto de la
implantación sobre la matriz de iones a través de la cubierta (d)
t>2 ms cubierta expandida por efecto del pulso de alto voltaje.
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se fuerza la cubierta a extenderse a relativamente mayores distancias de la pieza de
trabajo y descubrir más iones (Figura 1.d). El
ancho del pulso y la densidad de iones del
plasma se ajustan para que los iones de la
capa sean introducidos en la pieza de trabajo, permanentemente inmersa en el plasma. Durante esta parte del proceso (Figura
1.c) la corriente está limitada por disponibilidad de iones en la “matriz”. El plasma actúa
como una capa resistente a la energía de
alimentación pulsada de alto voltaje.
Después de varios microsegundos y al final
de la duración del pulso, los iones de la “matriz” son acelerados e impelidos por el campo eléctrico mencionado hacia la superficie
de la pieza de trabajo, de tal manera que se
depositan en ella regresando el sistema a
un estado similar al que prevalecía antes
del inicio del proceso descrito (t = 0).
El proceso experimental de la tecnología PIII
se ilustra en la Figura 2. Un pulso negativo
de alto voltaje típicamente de entre 5 y 300
kV y una duración de entre 1 y 200 ms a
una frecuencia entre 10-2000 Hz se aplica
a una pieza de trabajo inmersa en un plasma. Los iones del plasma, acelerados por el
potencial eléctrico que se genera como resultado de la acción del pulso, son implantados dentro de la superficie de la pieza de
trabajo. Debido a que estos iones son acelerados desde todas direcciones, penetran
simultáneamente en toda la superficie de
la pieza de trabajo expuesta. Con estas condiciones se logra que la tecnología PIII ofrezca ventajas sobre las técnicas convencionales y que los tiempos de implante sean
pequeños comparados con los de las técnicas de haces de iones de altas corrientes.
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Los resultados de las investigaciones en los
campos tribológicos1 y de corrosión han
mostrado que la tecnología PIII es muy prometedora. A partir de las investigaciones en
este campo, se han propuesto estrategias
para combinar la implantación de iones con
depósitos (PIII&D). El avance en esta área
es continuo; se investigan nuevos conceptos y se diseñan nuevas fuentes de plasma, por ejemplo, para la nitruración de
titanio y carbono. Las principales aplicaciones de la tecnología PIII en las que actualmente se trabaja en el mundo son: a) implantación y depósito de iones metálicos;
b) implantación en piezas con cavidades;
c) industria de los semiconductores; y d)
tratamiento de polímeros.
El equipo de trabajo del Laboratorio de Física de Plasmas* está integrado por los investigadores Antonio Mercado Cabrera,
Arturo Eduardo Muñoz Castro, Esteban
Chávez Alarcón, Óscar Gerardo Godoy Cabrera, Raúl Valencia Alvarado, Régulo López
Callejas y Samuel R. Barocio, así como por
los técnicos Maria Teresa Torres Martínez e
Isaías Contreras Villa. Las actividades del
grupo en esta línea de investigación, han
aportando un desarrollo tecnológico de innovación por medio del cual se lleva a cabo
la implantación de iones en piezas de trabajo de dos y tres dimensiones, diseñando
y construyendo la instrumentación faltante,
ya que se aprovecha totalmente la infraestructura de la máquina del Tokamak Novillo. El proceso PIII se está realizando en: una
cámara toroidal cuyas dimensiones son: radio mayor 23 cm, radio menor 8 cm; y b)
Una cámara cilíndrica cuyo volumen es de
30 litros. Las fuentes de plasma utilizadas
Cámara de vacío
+
+
+
+
+
Fuente de alto
voltaje pulsada
+
+
+
Diferentes
sistemas de
diagnóstico
Pieza de trabajo
+
Aislamiento eléctrico
+
+
+
+
A la bomba de
vacío
+
+
+
+
Figura 2. Descripción esquemática del proceso de Implantación
Iónica por Inmersión en Plasma (PIII)
son: a) Un generador de RF de 13.56 MHz y
una fuente de corriente directa de 1 kW.
Para la polarización de la pieza de trabajo
se utiliza un generador de pulsos de hasta
15 kV con ancho variable de 2 a 200 ms y
razón de repetición de 50 a 2000 Hz. Los
sistemas de diagnóstico del plasma son sondas eléctricas, sondas magnéticas,
espectroscopía óptica de emisión y análisis
de gases residuales. La caracterización de
las piezas de trabajo se realiza principalmente mediante microdureza Vickers y Knoop,
perfilometría, microscopía electrónica de
barrido, difracción de rayos X y pruebas
electroquímicas de corrosión. ’
La palabra tribología proviene del griego
tribós = frotamiento y lógos = tratado. Es
decir, se refiere al estudio de la fricción: la
ciencia y la tecnología de la interacción de
superficies con movimientos relativos, que
se manifiesta como fricción y que, por lo
tanto, está relacionada con el desgaste mecánico.
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