La implantación de iones

La implantación de iones es un proceso propio de la ingeniería de materiales por el cual los iones de un material pueden ser implantados en otro sólido, cambiando por tanto las propiedades físicas de éste último. La implantación de iones es utilizada en la fabricación de dispositivos semiconductores y en el revestimiento de algunos metales, así como en diversas aplicaciones orientadas a la investigación en ciencia de materiales. Los iones provocan, por una parte cambios químicos en el objetivo, ya que pueden ser de un elemento distinto al que lo compone, y por otra un cambio estructural, puesto que la estructura cristalina del objetivo puede ser dañada o incluso destruida.

El equipamiento necesario para la implantación de iones suele consistir en una fuente de iones que produce los iones del elemento deseado, un acelerador donde dichos iones son electrostáticamente acelerados hasta alcanzar una alta energía, y una cámara donde los iones impactan contra el objetivo. Cada ion suele ser un átomo aislado, y de esta manera la cantidad de material que se implanta en el objetivo es en realidad la integral respecto del tiempo de la corriente de ion. Esta cantidad es conocida como dosis. Las corrientes suministradas suelen ser muy pequeñas (microamperios), y por esto la dosis que puede ser implantada en un tiempo razonable es también pequeña. Por todo esto, la implantación de iones encuentra aplicación en los casos en que el cambio químico necesario es reducido.

Las energías típicas de ion se encuentran en el rango de 10 a 500 keV (1.600 a 80.000 aJ). También pueden utilizarse energías entre 1 y 10 keV (160 a 1.600 aJ), pero la penetración de los iones es de apenas unos nanómetros o incluso menos. Energías inferiores resultarían en un daño prácticamente nulo al objetivo, recibiendo el nombre de deposición de haces de iones. Pueden ser utilizadas altas energías mediante aceleradores capaces de elevar la energía de los iones hasta los 5 MeV (800.000 aJ), los cuales son bastante comunes. Sin embargo, esto suele provocar un notable daño estructural al objetivo y además como la profundidad de distribución es importante, el cambio de la composición neta en un punto cualquiera del objetivo será reducido.

La energía de los iones junto con la especie de ion y la composición del objetivo determinan la profundidad de penetración de los iones en el sólido: Un haz de iones monoenergético generalmente tendrá una gran profundidad de distribución. La penetración media recibe el nombre de rango iónico. Bajo circunstancias típicas los rangos oscilan entre los 10 nanómetros y 1 micrómetro. De este modo, la implantación de iones es especialmente útil en los casos en que se busca que el cambio químico o estructural suceda cerca de la superficie del objetivo. Los iones van perdiendo gradualmente su energía a medida que viajan a través del sólido a causa tanto de las colisiones ocasionales con los átomos del objetivo (que suponen abruptas transferencias de energía) como de un suave arrastre provocado por la coincidencia de orbitales electrónicos (un proceso que sucede continuamente). La pérdida de la energía de ion en el objetivo se conoce como parada.