|
||||||
Implantació irònica . És un procés de fabricació que es realitza per donar unes característiques determinades a la superfície d’un objecte.
Funcions
La implantació iònica pot emprar-se, depenent dels fins desitjats, per: dopat de semiconductors.
la introducció d’impureses en un semiconductor és l’aplicació més comuna de la implantació de ions.
Els ions dopants de bor, fòsfor o arsènic entre d’altres solen procedir de fonts gasoses causa de la seva gran puresa, si bé aquests gasos poden ser molt tòxics.
Un cop implantats en el semiconductor, cada àtom dopant origina un desplaçament de càrrega en el semiconductor (buit o electró, depenent de si és un dopant tipus P o tipus N), de manera que es modifica la conductivitat de l’semiconductor al seu voltant.
Mesotaxia: el terme mesotaxia es refereix a el creixement d’una fase d’igual estructura cristal·lina sota la superfície de l’cristall semiconductor (compareu amb epitàxia, on aquesta fase apareix a la superfície).
En aquest procés, els ions són implantats a una alta energia i dosis per poder crear una capa d’una segona fase, a més de ser necessari controlar la temperatura per evitar que l’estructura cristal·lina de l’objectiu es destrueixi.
L’orientació de la capa pot ser manipulada fins aconseguir que coincideixi amb la de l’objectiu, encara que l’estructura exacta i el paràmetre de xarxa siguin molt diferents.
Per exemple, després de la implantació de ions de níquel en una oblia de silici s’obté una capa de siliciuro de níquel que creix seguint l’orientació de l’silici de l’oblia.
- Tractament de superfícies metàl·liques.
Reforç d’eines d’acer, És possible implantar ions de nitrogen o altres en eines d’acer com ara broques de taladros.El canvi estructural causat per la implantació produeix una compressió de superfície en l’acer, protegint de la propagació de trencaments i fent-lo més resistent davant d’aquestes.
el canvi químic, per la seva banda, pot fer que l’eina sigui més resistent a la corrosió.
- Revestiment de superfícies:
En certes aplicacions, com ara dispositius protèsics com ara juntes artificials, es busca que les superfícies siguin molt resistents tant a la corrosió química com a la fricció.
la implantació d’ions és emprada en aquests casos per manipular les superfícies d’aquests dispositius per aconseguir una major fiabilidad.En funció de l’material, es poden obtenir unes característiques o unes altres depenent de l’tipus de tractament emprat.
Tipus de tractaments per implantació iònica
Superfícies implantades: el procés de consisteix en la creació d’el feix de ions, la seva acceleració fins a l’energia prevista (normalment 100-200 keV), la seva purificació i focalització, mitjançant electroimants, i el seu impacte en les zones de la superfície que es volen protegir.
La implantació iònica produeix en les superfícies canvis de composició i estructura que són l’origen del seu augment de resistència a l’desgast, fricció i corrosió.
Els ions implantats es distribueixen en una profunditat que oscil·la entre 200 i 2000 capes atòmiques (0.05μm 0.5μm) depenent de el tipus de ió, de l’material base i de l’energia de l’bombardeig.
El màxim de concentració, que per als ions lleugers com Carboni o Nitrogen pot superar el 50%, se situa a una certa profunditat i després disminueix suaument. No hi ha doncs una intercara abrupta entre la zona implantada i el material base.
Quant a la profunditat, molt reduïda si se la compara amb la de tractaments convencionals, cal dir que és l’adequada per produir els canvis que es volen produir. No interessa aprofundir més.Les superfícies implantades amb ions tipus Bor, Carboni, Nitrogen etc. s’endureixen com a conseqüència de la formació de fins precipitats (Nitrurs, etc).
També la introducció de dosis elevades d’aquests elements crea esforços compressius importants que contribueixen a el bloqueig de microesquerdes i a el tancament dels canals de corrosió.La capa d’òxid superficial present en molts metalls pot cohesionar-contribuint també a una millor protecció contra la corrosió i a una reducció dels coeficients de fricció.
Per la seva banda la implantació d’ions metàl·lics té efectes molt diversos: Per exemple el titani, en combinació amb el Carboni, produeix una dràstica reducció de l’coeficient de fricció cosa que també l’assoleix el Molibdè en combinació amb el sofre.
La implantació de crom aconsegueix formar capes d’òxid molt coherents que protegeixen les superfícies contra corrosió i desgast.
En resum: sent tres els paràmetres que caracteritzen cada implantació (tipus de ió, energia d’implantació i dosi implantada) hi ha diferents receptes per als diferents problemes, encara que en el cas dels acers, que és el material més tractat, les implantacions de nitrogen, seguides de les de crom, carboni o titani constitueixen el 90% de les solucions emprades.
Efectes de la implantació iònica d’una superfície
Efectes balístics
A grans trets, la penetració mitjana d’un ió dins d’un só1ido dependrà de la densitat de aquest, de l’energia de l’projectil i de les masses atòmiques de el blanc i de el projectil. A les energies típiques de la implantació iònica (< 200 keV) ni tan sols la implantació d’Hidrogen en materials lleugers com el Silici supera les 2 micres.
L’ordre de magnitud típic d’una implantació iònica és la desena de micra.
El procés de frenada és aleatori. Així doncs els àtoms implantats es distribuiran en profunditat seguint algun tipus de distribució estadística que podem aproximar a una gausiana. A dosis baixes, tot just hi haurà àtoms en superfície, mentre que hi haurà un pic de concentració a una determinada profunditat ia partir d’aquí decreixerà fins extingir-se.
La implantació d’ions a diferents energies permet construir perfils d’implantació plànols etc .
la implantació d’ions produeix també un efecte de sputtering de la superfície que és mes important com més gran és la massa de l’projectil. Si a mesura que vam implantar anem arrencant material de la superfície, és possible arribar a una situació de saturació en què el pic d’implantació se situa en superfície i a partir d’aquí no pot augmentar-se la dosi retinguda. Per ions pesats la dosi de saturació pot ser molt baixa.
Els efectes balístics de la implantació iònica en el si dels só1idos són molt variats: creació de vacants i de intersticials, ionització dels àtoms de la xarxa , etc. En general, i amb major importància per a ions pesats, l’ió incident comunica gran part de la seva energia a àtoms de la xarxa, desplaçant-los a gran velocitat i iniciant cascades d’ions secundaris.
Efectes químics i estructurals
Si bé els efectes balístics poden predir a partir de models teòrics molt ajustats, la modificació química i estructural de l’material ha de ser caracteritzada a posteriori i ara per ara se segueix predient a partir de l’experiència.
La implantació produeix en primer lloc efectes químics en el sentit de canvis de composició i formació de nous aliatges o compostos. En aquest sentit la implantació iònica crea nous materials en la superfície de partida.
A l’ésser un procés fora de l’equilibri és possible crear aliatges metaestables, per sobre dels límits de solubilitat. També, en el cas de la implantació d’elements reactius com B. C, Ns O etc. es produeix la formació de borurs, Carburos, Nitrurs, Òxids etc., normalment en forma de precipitats fins i dispersos, que tenen bastant a veure amb els canvis de duresa superficial observats.
D’alguna manera, la implantació iònica és una nova forma de fer química, i com en altres processos químics cal anar amb compte amb les pertorbacions produïdes per la presència d’altres elements. Per exemple, el Carboni, present en la major part dels sistemes, pot formés en superfície una capa fina de Carboni amorf durant la implantació d’altres elements.
Aquesta capa contribuiria a reduir els coeficients de fricció o la passivació química de l’material. El Oxigen, també omnipresent, pot formar en superfície una capa d’òxid amb l’ió implantat o amb elements de el substrat. Aquesta capa d’òxid, normalment fina i coherent, pot també contribuir a la modificació dels coeficients de fricció o a la passivació de l’material enfront d’atacs químics.
Aquests efectes, normalment no provocats, poden arribar a ser tan interessants que s’han ideat mètodes per produir-los controladament.A més la formació dinàmica d’aquestes capes en superfície pot ser un mètode adequat per incrementar les dosis de saturació de certs elements, ja que sent polvoritzades per sputtering en lloc de la veritable superfície de l’material, es tornen a crear en un procés continu, fent el paper d’una capa de sacrifici que no es consumeix.
Però a més dels efectes químics estan també els efectes estructurals, com l’amortització de les capes superficials, la formació de precipitats enduridors o la creació de tensions compressives que augmenten l’elasticitat superficial i bloquegen el creixement de les microesquerdes, de manera que treballen millor a fatiga.
els efectes tribològics (referents a la fricció entre els cossos) d’una implantació iònica depenen moltes vegades d’una combinació d’efectes químics i estructurals, i cal admetre que no sempre es té una explicació definitiva dels canvis de comportament observats, cosa que no és ext raña si s’admet també que la tribologia (Ciència que estudia la fricció entre cossos) està encara desenvolupant els seus esquemes teòrics.
Algunes aplicacions pràctiques
Els problemes típics que es resolen per implantació iònica són els de desgast adhesiu, desgast abrasiu no molt sever, fricció i determinats tipus de corrosió o oxidació. La major part dels materials tractats són acers encara que els aliatges d’Alumini o de Titani responen encara millor, sent molt interessants també els resultats sobre metall dur, capes de Crom o recobriments de TiN. Hi ha també una sèrie d’aplicacions en desenvolupament sobre vidre, ceràmiques i polímers.
Tot i que els àmbits en què s’ha emprat la implantació iònica són molt nombrosos i encara es segueixen identificant noves aplicacions, el 90% dels casos tractats per empreses i centres de subcontractació corresponen a una sèrie de problemes típics on la implantació iònica és la solució més adequada des dels punts de vista tècnic i econòmic. Convé citar els més coneguts:
A- Motlles de Injecció de plàstic
Augments de vida útil de fins a 4 vegades mitjançant la implantació de Crom per problemes de desgast amb corrosió, o fins i tot de 9 vegades mitjançant la implantació de Nitrogen per al desgast per injecció de plàstics carregats.
Aquesta és una de les aplicacions més esteses a Europa, amb especial incidència a Dinamarca i al Regne Unit. Motlles d’injecció de plàstic per jugerería de precisió, aparellatge elèctric, Compact Discs, objectes ornamentals i objectes de sèries llargues són els escenaris més habituals per a l’aplicació de la implantació iònica.
La implantació iònica proporciona especial protecció a els orificis i canals d’entrada de l’plàstic (pot aplicar restrictivament), així com a les superfícies amb textures o polits especials el deteriorament invalida a el motlle.
B- Útils per a fabricació d’envasos metàl·lics
Augments de fins a 5 vegades mitjançant implantació de Nitrogen en encunys, punxons i matrius. És una altra de les aplicacions més esteses a Dinamarca ia Espanya.
C- Pròtesis de maluc o genoll
Augments de vida de més de 10 vegades en pròtesi d’aliatge Ti6A14V. Aquesta és l’aplicació més estesa als EUA.
D- Fulles i altres útils per a tall de paper
Augments de vida de 3 a 10 vegades per mitjà de la implantació de Nitrogen a la vora d’ tall. En ocasions el tractament segueix sent eficaç després de l’re afilat.
E Punxons, encunys, matrius i útils per a estampació, deformació de xapa o conformat de tubs
Resolució de problemes de fricció , de vegades prescindint de lubricants. Augments de vida de 4 a 8 vegades.
F Fulles, extrusors, rodets i altres estris emprats en la indústria alimentària
Augment de resistència a problemes combinats de desgast i atac químic. Augment de vida molt variable, depenent de el cas.
Implantació iònica en problemes de desgast i fricció
Un dels primers dades que van promoure l’interès per la implantació iònica de metalls va ser la constatació que els Acers implantats amb Nitrogen, a dosis altes, augmentaven, de vegades dramàticament, la seva resistència a l’desgast.
Aquest comportament s’ha descrit, no només per a la major part dels acers, sinó també per a altres aliatges metàl·lics, especialment d’Alumini o de Titani. En tots els casos s’atribueix aquesta millora a la formació d’un precipitat dispers de Nitrurs (en el cas dels acers de Nitrur de Crom especialment), encara que de vegades poden col·laborar altres fenòmens, com els esforços compressius que produeixen una major elasticitat superficial etc
Els metalls durs (WC-Co cimentats) també poden augmentar la seva resistència a l’desgast mitjançant la implantació de Nitrogen o de certs ions metàl·lics.El coeficient de fricció roman notablement baix en acers implantats amb Titani més Carboni. Una altra solució és la implantació de carboni a dosis tan altes que es forma una capa fina de carboni en superfície. A més, la major part de les implantacions habituals per a la reducció de l’desgast tenen també efectes beneficiosos sobre la fricció.
En resum, la implantació iònica és una eina útil per solucionar problemes de desgast adhesiu (o abrasiu no gaire sever), així com problemes de fricció.
Implantació iònica en problemes de corrosió
així com els problemes de desgast / fricció es tracten a la practica amb no més de mitja dotzena de solucions , per la variadíssima problemàtica de corrosió s’han intentat tot tipus d’implantacions, de vegades de ions exòtics o en dosis molt reduïdes.
No obstant això, el cas més explotat és la implantació de Crom per evitar l’atac químic per gasos corrosius en motlles d’injecció de plàstic, així com la constatació que la implantació de Nitrogen millora també la resistència a la oxidació.
el fet que la implantació iònica no sigui un tractament adequat a temperatures altes fa que alguns dels problemes tecnològics més candents (corrosió de superaliatges en turbines etc.) estiguin fora de l’abast d’aquesta tècnica.
implantació iònica per a la solució d’altres problemes
la major part de les aplicacions industrials d’implantació de metalls es centren en el desgast, fricció i corrosió, però hi ha altres situacions concretes en les que la implantació iònica pot col·laborar a millorar el comportament d’útils i components.
Solen citar-se augments en la resistència a la fatiga, possiblement a causa de el bloqueig de les microesquerdes en les superfícies implantades, augments en la resistència a la cavitació etc. Té també un interès creixent la implantació d’altres material és entre els quals s’inclouen vidre s, polímers (per fer-conductors), elastòmers, ceràmiques i fins i tot fibres per a materials compostos.
Algunes de les implantacions que més interès desperten en els últims temps es relacionen amb la biocompatibilitat o les propietats bacteriostàtiques de materials que van a estar en contacte prolongat amb el cos humà.
Alguns problemes de la implantació de ions
Dany cristal·logràfic
Cada ió individualment produeix molts defectes puntuals en el vidre objecte d’l’impacte com són les vacants i els intersticials . Les vacants són punts de la xarxa cristal·lina que no estan ocupats per cap àtom: en aquest cas l’ió topa amb l’àtom de l’objectiu, resultant una important transferència d’energia que obliga a aquest últim a abandonar la seva posició en l’estructura.
Aquest àtom de l’sòlid es converteix així en un projectil que el travessa, podent provocar successives col·lisions. Els intersticials apareixen quan alguns àtoms (o el mateix ió original) arriben a el sòlid i no troben buits vacants a la xarxa. Aquests defectes puntuals poden moure i aglomerar, resultant en bucles de dislocació i altres defectes.
Observacions sobre materials perillosos
A la implantació de ions que es porta a terme en el procés de fabricació d’hòsties, és important minimitzar l’exposició dels treballadors als materials tòxics empleats durant el procés. Entre aquests tòxics destaquen l’arsina i la fosfina. Per aquesta raó, les instal·lacions de fabricació de semiconductors estan altament automatitzades, havent de comptar amb sistemes d’alliberament segura d’ampolles de gas a pressió negativa.
Altres elements a tenir en compte són l’antimoni, l’arsènic, el fòsfor i el bor. Els residus generats són alliberats si s’obren les màquines a pressió atmosfèrica, de manera que cal comptar amb bombes de buit que els recullin. És primordial no resulten exposat a aquests elements carcinògens, corrosius, inflamables i tòxics.
Alta tensió
L’existència de fonts d’alta tensió en aquest tipus d’instal·lacions pot suposar un important risc d’electrocució. A més, les col·lisions atòmiques d’alta energia poden generar en alguns casos radioisòtops.
Els operadors i el personal de manteniment han de conèixer i observar tots els consells de seguretat de l’fabricant i / o empresa encarregada de l’equip. Abans d’entrar en una zona d’alta tensió, els components terminals han de ser connectats a terra amb les eines adequades. Posteriorment s’han d’apagar i bloquejar les fonts de tensió per evitar descàrregues inesperades.