O que é uma Implantação Iônica?

A implantação iônica pertence a uma classe de processos de feixes iônicos onde átomos ou moléculas são ionizados, acelerados em um campo elétrico e implantados num material alvo. A coexistência de espécies químicas diversas (não necessariamente em equilíbrio) e a transferência da energia dos íons para o sólido provocam modificações estruturais e/ou químicas no material, alterando propriedades mecânicas, elétricas, supercondutoras, ópticas e magnéticas. Tais modificações são fortemente dependentes do material alvo e dos parâmetros de bombardeamento: energia cinética dos íons, fluência, corrente do feixe, espécie iônica utilizada como projétil, temperatura da amostra durante o bombardeamento, etc. A energia empregada no processo de bombardeamento iônico encontra-se entre algumas dezenas de keV até alguns MeV.

História  As primeiras utilizações de íons energéticos (> 100 keV) para modificar a química ou a estrutura de camadas sub-superficiais foram utilizadas partindo-se do princípio de que tratamentos com íons de baixas energias são suficientes para melhorar as propriedades macroscópicas das camadas superficiais. As fontes para produzir íons de baixa energia evoluíram rapidamente durante o programa espacial dos Estados Unidos, principalmente na utilização de implantação iônica para os sistemas de propulsão espaciais no começo da década de sessenta. Em pouco tempo esses feixes iônicos passaram a ser utilizados em processos reativos, visando modificar as características da superfície de materiais. A partir daí, durante muitos anos, a implantação iônica foi direcionada ao processo químico de “doping” de semicondutores , especialmente silício, usado na fabricação de materiais eletrônicos. Atualmente, 100% dos modernos semicondutores passam por algumas etapas de implantação iônica. Para corrigir a produção de defeitos na estrutura do sólido durante a implantação iônica, usam-se processos térmicos para restaurar a ordem do material. Somente em anos mais recentes tais “defeitos” causados pelo processo de freamento de íons em sólidos começaram a ser considerados como uma nova forma de alteração das propriedades de materiais .  

Utilização da Implantação Iônica na Indústria A implantação iônica é também utilizada no estudo de alterações de materiais metálicos. Em particular, na investigação dos mecanismos de redução da corrosão e oxidação de metais. Na indústria microeletrônica, vem-se buscando a substituição do alumínio pelo cobre na construção de dispositivos microeletrônicos. Para o cobre tornar-se o material apropriado para o processamento de dispositivos é necessário reduzir a sua taxa de oxidação e aumentar a aderência metal/óxido. Já na indústria alimentícia dentre as embalagens rígidas para alimentos, o alumínio é atualmente uma alternativa promissora. Entretanto, a principal desvantagem da lata de alumínio é o fato de ser um metal altamente suscetível à corrosão. O alumínio é um metal anfótero, ou seja, é corroído tanto por via ácida como alcalina. Uma alternativa para o crescimento do uso do alumínio na indústria alimentícia é buscar mecanismos que possibilitem a redução da taxa de oxidação do metal. Ao mesmo tempo, estudos são realizados com o propósito de se entender detalhadamente os efeitos e mudanças que a implantação iônica causa em polímeros. Busca-se tornar a estrutura do polímero mais compacta, rígida e de difícil penetração, melhorando propriedades tais como resistência ao desgaste, condutividade elétrica, resistência a solventes e estabilidade térmica. No caso de materiais cerâmicos, o comportamento referente à implantação é mais complicado do que em metais e polímeros. Busca-se criar materiais mais resistentes à corrosão e ao desgaste, sendo muito utilizado na indústria metalúrgica.

Como funciona a Implantação Iônica? Quando um íon energético penetra em um sólido, ele sofre uma série de colisões com os átomos e elétrons do alvo. Nessas colisões, a partícula incidente perde energia. Dois mecanismos diferentes de perda de energia prevalecem. O primeiro refere-se a colisões eletrônicas, nas quais a partícula em movimento excita ou ejeta elétrons de átomos do substrato e colisões nucleares, nas quais a energia é transferida como um movimento translacional para átomos do substrato. Colisões nucleares podem envolver perdas discretas de energia e uma deflexão angular significante da trajetória do íon. Esse processo é responsável por uma desordem na rede cristalina através de deslocamentos dos átomos de suas posições na rede. A importância relativa dos dois mecanismos de perda de energia muda rapidamente com a energia da partícula incidente e com seu número atômico Z: o freamento nuclear predomina para baixas energias e altos Z, enquanto que o freamento eletrônico é mais importante para altas energias e baixos Z. Nessas colisões, suficiente energia pode ser transferida para mover átomos de suas posições de equilíbrio, criando então uma cascata atômica de colisões. Esse processo acarreta uma distribuição de vacâncias, átomos intersticiais e outros tipos de desordens de rede na região próxima ao caminho dos íons,. À medida que o número de íons incidentes no cristal aumenta, a desordem de cada uma dessas regiões começa a se sobrepor, gerando regiões bastante alteradas. A desordem total e sua distribuição no substrato dependem das espécies iônicas, temperatura, energia das partículas incidentes, dose total de radiação e efeitos de tunelamento.

Implantação de íons em materiais semicondutores Atualmente, a implantação iônica é a técnica usada para dopagem de 100% dos semicondutores produzidos, pois supera muitas das limitações inerentes ao processo de difusão. A implantação não é um processo de equilíbrio térmico, pois os dopantes são introduzidos no semicondutor por meios externos, ou seja, fornecendo energia aos íons dopantes. Com isso, o limite de solubilidade sólida pode ser excedido, e mais ainda, a profundidade de penetração e o perfil de dopagem, podem ser manipulados pela energia do feixe de dopantes durante a implantação. Algumas das principais características responsáveis pela disseminação desta técnica são: o controle preciso da dose implantada; a compatibilidade com a tecnologia planar; a excelente uniformidade ao longo da superfície da lâmina; os perfis de dopagem extremamente rasos são facilmente obtidos (<0,2 mm); a diversidade de materiais escolhidos para máscara, como fotoresiste, dióxido de silício, camadas metálicas, etc; trabalha à temperatura ambiente; está livre de contaminação química, pois o feixe iônico passa por um analisador de massa; embora o perfil de profundidade de um feixe mono-energético tenha um formato aproximadamente Gaussiano, perfis de formato específico podem ser obtidos pela superposição de implantações a diferentes doses e energias, e por fim, pode ser feita a introdução controlada de desordem na rede cristalina. O desenvolvimento de implantadores industriais de alto desempenho, e o progresso na compreensão do processo de recristalização e ativação de dopantes em semicondutores, transformaram a implantação iônica no principal processo de dopagem na indústria moderna.

Referências http://www2.if.usp.br/~lamfi/implanta.htm http://www2.if.usp.br/~lamfi/imp_semic.htm