Покоренная плазма

Ионное травление

Если вы захотите узнать, что такое ионное травление и для этого заглянете в Большую советскую энциклопедию, то вас постигнет неудача — в энциклопедии вы не найдете объяснения. Причина простая: и термин «ионное травление», и прибор, который может делать этот пока непонятный вам вид травления, появились совсем недавно. Потому они и не попали еще в энциклопедию.

В продолжение ста тридцати лет люди имели дело с обычным химическим травлением. История химического травления как метода для определения структуры металлов началась с работ замечательного русского ученого-металловеда Павла Петровича Аносова. Он брал полированную пластинку металла и опускал ее в раствор соляной или серной кислоты. Кислота разъедала металл в одних местах больше, в других меньше. Гладкая поверхность превращалась в затейливый узор.

Рассматривая этот узор в микроскоп, металлург расшифровывал свойства металла или сплава, не прибегая к другим испытаниям.

Травление металлов и изучение узоров под микроскопом стало уже давно важнейшей частью металлургического производства.

Но в последние годы на пути этого хорошо освоенного метода появились трудности.

Химики, например, все чаще стали заказывать металлургам такие сплавы, которые были бы совершенно «равнодушны» к кислотам. Металлурги выполняли заказ, создавали десятки опытных сплавов. Как их испытать? Как определить, какой лучше? Подвергнуть травлению кислотой? Но ведь это кислотоупорные сплавы, на них любая кислота почти не действует.

Машиностроители потребовали себе сплавы с алюминием, а также особо прочные сплавы. Ряду отраслей производств понадобились сплавы, выдерживающие высокую температуру. Все они, несмотря на всяческие ухищрения, оказались очень неподатливыми для исследования при помощи химического травления. Простой и удобный метод оказывался здесь бесполезным.

Тогда металлурги обратились за помощью к ученым-физикам. Те обстоятельно изучили поставленную задачу и пришли к выводу, что выйти из положения можно, если прибегнуть к помощи… плазмы. Исследования возглавил профессор Московского университета имени М. В. Ломоносова Григорий Вениаминович Спивак. Под его руководством была создана первая установка для ионного травления, названная сокращенно «УИТ».

Профессор Спивак решил использовать одну особенность тлеющего разряда, которая на первых порах доставляла физикам немало неприятностей.

Вы уже знаете, что тлеющий разряд — один из наиболее замысловатых. В трубке отчетливо различаются несколько разнородных участков — светлых и темных. Потоки заряженных частиц — электронов и ионов — «преодолевают» эти участки по-разному. Так, в темном катодном пространстве, где очень велики электрические силы, они особенно сильно ощущают постороннее воздействие. Легкие электроны, движущиеся к аноду, покидают темное катодное пространство быстрей, чем тяжелые и массивные положительные ионы, движущиеся навстречу. Поэтому в этом месте разрядной трубки скапливается излишек положительных ионов, названный учеными положительным пространственным зарядом.

«Толпа» положительных зарядов вблизи катода вначале доставляла много хлопот. Обрушиваясь на катод, они с силой бомбили его поверхность. Катод не только нагревался, но и «терял в весе». От катода отлетали мельчайшие частицы, подобно тому, как летят брызги, если бросать в воду камни. «Брызги» вещества, из которого сделан катод, разлетаясь по трубке, покрывали все вокруг тонким слоем металла и, кроме того, жадно поглощали газ, которым была наполнена трубка.

Таким образом катодное распыление не только разрушало катод, но и лишало трубку газа-наполнителя без которого не может существовать разряд.

Но так же, как сумели заставить служить искру-разрушительницу, так же удалось получать пользу и от катодного распыления.

На первых порах катодное распыление применили как средство для очистки поверхностей электродов от посторонних веществ, пылинок и т. д. Разрядную трубку помещали внутрь катушки индуктивности, питаемой током высокой частоты. В трубке вспыхивал разряд, и все металлические детали попадали под обстрел тяжелых ионов. Ионы мигом снимали с металла тончайший слой и тем самым очищали его поверхность.

Если вблизи катода поместить пластинку слюды или стекла и зажечь в трубке тлеющий разряд, то очень скоро пластинка окажется покрытой тонким слоем металла, из которого сделан катод. Эту пленку отделяют и рассматривают в электронном микроскопе. Это помогает проникнуть в тайны строения веществ.

Удалось использовать и поглощение газа распыленными частицами.

Известно, что из радиоламп воздух выкачивается. Но как бы тщательно ни делали эту работу, ничтожное количество газа всегда остается в баллоне. Это сильно сказывается на работе радиолампы.

Распыляя внутри радиолампы разные вещества, жадно впитывающие в себя газ, добиваются того, что внутри баллона получается настоящее безвоздушное пространство.

Профессор Спивак и его сотрудники все это имели в виду, когда приступили к созданию первой УИТ. Много времени потратил небольшой коллектив, пока не была создана установка для ионного травления.

В УИТ для получения «узора» на поверхности металла используется ионная артиллерия. Травление производится под небольшим стеклянным колпаком, из которого выкачан воздух и вместо него впущен неон или аргон. Тщательно отшлифованная пластина исследуемого металла помещается на дне этой куполообразной камеры.

Она служит катодом.

Чтобы ионная бомбардировка проходила быстрее, образец нагревается специальной спиралью до нескольких сот градусов.

Когда образец прогреется, включают высокое напряжение. Между анодом и катодом вспыхивает бледноватое пламя тлеющего разряда. Положительные ионы начинают свою работу.

Ионная артиллерия в УИТ — «оружие» необычайно разрушительной силы. Ни один материал, ни одно вещество не может устоять под его ударами.

Разрушение поверхности образца сильнее идет в более «слабых» точках. В результате появляется затейливый рисунок, который позволяет судить о свойствах и строении полученного сплава.

Только ли сплава? Нельзя ли с помощью этого прибора заглянуть в микроструктуру других веществ?

Оказывается, можно. УИТ так же успешно определяет строение полупроводниковых материалов, керамики, стекла. Раньше это было невозможно. Металломикроскоп, в который обычно рассматривается узор, оставшийся на образце после ионной бомбардировки, дает увеличение в полторы-две тысячи раз. Иногда этого увеличения оказывается мало.

В этом случае вблизи образца, перенесшего бомбардировку ионов, распыляют кварц. Когда пленка мельчайших частиц кварца покроет все микроскопические углубления и возвышенности «протравленной» поверхности, образец вынимают из-под колпака и отделяют от него кварцевую пленку. Этот «отпечаток» рассматривают затем в электронном микроскопе при огромном увеличении в сотню тысяч раз.

Ионное травление имеет и еще одно преимущество. Раньше нельзя было следить, как изменяется строение, а значит, и свойства металла или сплава при их нагревании. УИТ позволяет заполнить и этот пробел. Проводя травление при различном нагреве образца, можно полнее узнать его «биографию».

Так плазма тлеющего разряда позволила ученым сделать новый замечательный шаг в исследовании структуры веществ, не поддающихся химическому травлению.