Направленное изменение химических свойств

Добавление других элементов позволяет резко снизить скорости окисления и ржавления. Легирование поверхностного слоя позволяет получить структуры типа нержавеющих сталей в приповерхностном слое без изменения механических свойств всего материала.

Коррозионную стойкость, а также износоустойчивость всего материала можно повысить азотированием приповерхностного слоя. Обычная технология базируется на разложении аммиака на обрабатываемой поверхности при высокой температуре. Однако здесь имеется ряд недостатков: необходим нагрев всего образца, а освобождающийся при диссоциации аммиака водород, взаимодействуя с металлом, увеличивает его хрупкость. Обоих этих недостатков можно избежать, если применить бомбардировку металла ионами азота.

Бомбардировка металлов ионами инертных газов уменьшает также скорости коррозии и окисления (иногда в 10 раз). Дело в том, что при низких температурах диффузия кислорода идет, в основном, по трещинам и границам зерен. «Разбухание» приповерхностного слоя в результате ионного внедрения примеси приводит к возникновению в нем сжимающих напряжений, а, следовательно, к закупорке трещин и других каналов поверхностной диффузии.

Имеется и другая возможность пассивации поверхности — создание инородной защитной пленки. Такой пленкой является, например, пленка Si₃N₄, создаваемая внедрением в кремний ионов азота.

В отличие от металлов, при бомбардировке полупроводников их химическая активность, как правило, повышается, что объясняется большим числом разорванных связей, нарушением структуры и даже аморфизацией кристаллов.

Так, у кремния после облучения ионами скорость окисления резко возрастает, как и скорость его травления в обычных травителях. Более того, наблюдается травление аморфизированного кремния в плавиковой кислоте, хотя монокристаллический кремний в ней не растворяется.

Облучение полупроводника через маску с последующим химическим травлением используется для создания рельефа поверхности. Пусть на гладкой поверхности имеются как обработанные, так и необработанные участки, скорость травления которых соответственно v₀ и v.(x), (х — текущая координата вглубь поверхности).

При одновременном травлении всего образца возникает рельеф, высота которого.

где х, — толщина материала, удаленного травлением на облученном участке. При х > R_p количество дефектов резко падает, и при х? 2R_p можно считать v^x) = v₀, так что дальнейшее травление не имеет смысла, так как высота рельефа (перепад высот) при этом не меняется. (R_p — средняя величина пробега имплантированных ионов).

Итак, для получения определенного рельефа нет необходимости жестко контролировать время травления. Для данного сорта ионов, подобрав значение энергии пучка Е, и дозы облучения, последующим травлением достаточно удалить материал на глубину, большую 2R_p.

Изменение химических свойств материалов положено в основу изготовления ядерных фильтров. Полимерную пленку толщиной 1- 10 мкм облучают тяжелыми ионами с высокой энергией, (несколько МэВ/нуклон). Поврежденная область вокруг трека каждого отдельного иона обладает повышенной химической активностью, что позволяет последующим травлением получать в пленке сквозные микропоры круглого сечения. Диаметр пор зависит от массы и энергии частиц, а также от условий травления. При получении с помощью ионного ускорения строго определенного по составу и энергиям ионного пучка можно получать калиброванные поры. Их размеры при заданных времени и температуре травления лежат в диапазоне от единиц нанометров до десятков микрометров.

Такие ядерные фильтры применяются в медицине, биологии, пищевой промышленности и др.