Анализ физико-химического механизма разрушения обрабатываемого материала

 

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение……………………………………………………………….	3
1.	Анализ технологических характеристик метода…………………….	4
1.1	Классификация методов очистки …….................................................	4
1.2	Сущность (определение), преимущественное назначение и область применения……………………………………………………………..	5
2.	Анализ физико-химического механизма разрушения обрабатываемого материала…………………………………………	7
2.1	Обезжиривание…………………………………………………………	7
2.2	Травление……………………………………………………………….	9
2.3	Интенсификация процессов очистки…………………………………	13
2.4	Способы сухой очистки ……………………..………………………..	16
2.5	Плазмохимическое травление…………………………………….......	19
	Заключение……………………………………………………………	21
	Список литературы…………………………………………………….	22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Гальванотехника – отдел прикладной электрохимии, который включает гальваностегию и гальванопластику.

Гальванопластика – получение сравнительно толстого слоя металлических осадков на поверхности какого-либо предмета. Целью гальванопластики является получение точной металлической копии предмета. При гальванопластике осадки получаются массивными, прочными, легко отделяющимися от покрываемой поверхности. Основное применение в гальванопластике имеет медь; более ограниченное использование железа, никеля, серебра, золота, а также олово, хром и другие металлы и их сочетания. Копируемое изделие, если оно само изготовлено не из электропроводящего материала, покрывают тонким слоем электропроводящего материала, и затем наносят гальваническое покрытие. Этот слой обычно делают легко отделяющимся от поверхности изделия, например, натирают порошок графита, либо токопроводный лак. В гальванопластическом производстве труб и других полых предметов электролитическое осаждение в ряде случаев ведётся на сердечники из легкоплавких сплавов, которые потом удаляются путём нагрева выше температуры их плавления.

Теоретическая электрохимия перекликается со многими областями науки и более всего с физической и коллоидной химией. Для электрохимии характерно, что она имеет дело с управляемыми и самопроизвольно протекающими процессами, проходящими в электролите и главным образом на границе фаз электрод - электролит.

 

 

 

 

 

 

1. Анализ технологических  характеристик метода

 

1.1 Классификация методов очистки

Для удаления загрязнений используют различные методы, на физических принципах которых разрабатывают процессы очистки. По механизму протекания процессов все методы очистки классифицируют на физические и химические, а по применяемым средствам - на жидкостные и сухие (рис.1).

В основу каждого способа очистки положен один из трех методов удаления загрязнений с поверхности:

·     механическое удаление частиц загрязнителя потоком жидкости или газа;

·     растворение в воде;

·     химическая реакция.

    

                                 Рис. 1.                                

 

 

1.2 Сущность (определение), преимущественное назначение и область применения          

К физическим методам удаления загрязнений относят растворение, отжиг, обработку поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов.

Эти методы используют в основном для удаления загрязнений, расположенных на поверхности. Для удаления загрязнений на поверхности и в приповерхностном слое, в том числе тех, которые находятся в химической связи с материалом пластины или подложки, используют химические методы удаления. Они основаны на переводе путем химической реакции загрязнений в новые соединения, которые затем легко удаляются (травление, обезжиривание).

     Очистка, при которой удаляется приповерхностный слой пластины или подложки, называется травлением.                   

Жидкостная очистка предусматривает использование водных и других растворов различных реактивов. Целый ряд органических жировых загрязнений не растворяется в воде и препятствует смачиванию водой и большинством растворов обрабатываемой поверхности (поверхность гидрофобная). Для обеспечения равномерной очистки поверхность пластин и подложек переводят в гидрофильное,т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние.

     Процесс удаления жировых загрязнений, сопровождаемый переводом

поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется

обезжириванием.

Сухая очистка основана на использовании отжига, газового, ионного и плазмохимического травления. Эти способы исключают применение дорогостоящих и опасных в работе жидких химических реактивов; они более управляемы и легче поддаются автоматизации. Процессы сухой очистки являются наиболее эффективными также при обработке локальных участков и рельефной поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Анализ физико-химического  механизма разрушения обрабатываемого материала

2.1 Обезжиривание

Физическое обезжиривание основано на отрыве молекул жира от поверхности при ее взаимодействии с органическими растворителями. Отрыв вызывается собственными колебаниями молекул жира и притяжением их молекулами растворителя. Для этого пластины (подложки) погружают в резервуар (ванну) с растворителем. После отрыва молекулы жира равномерно распределяются по всему объему ванны, что приводит к загрязнению растворителя и обратному процессу - адсорбции молекул жира очищенной поверхностью. Во избежание последнего требуется постоянное освежение растворителя.

В качестве растворителей наиболее часто применяют четыреххлористый углерод, бензол, толуол, изопропиловый спирт, фреон и др., в которых эффективно растворяется большинство жировых загрязнений.

Определяющими параметрами процесса являются температура и время.

Растворимость жиров увеличивается с повышением температуры. Поэтому обезжиривание осуществляют в горячих или кипящих растворителях.

Несмотря на высокую эффективность очистки в органических растворителях, технология такого обезжиривания связана с определенными трудностями (многократная очистка, большой расход, высокая стоимость и токсичность большинства растворителей).

Исключительными особенностями обладает фреон, который не токсичен и обеспечивает высокую эффективность очистки.

Химическое обезжиривание основано на разрушении молекул жира растворителями, не воздействующими на материал пластины (подложки). Его отличительной особенностью является отсутствие вероятности повторного загрязнения пластин.

Для химического обезжиривания кремниевых пластин наиболее часто применяют горячий (75-80°С) перекисно-аммиачный раствор (водный раствор смеси пергидроля  и щелочи ), который удаляет все жиры. Процесс обезжиривания сопровождается выделением атомарного кислорода в результате разложения пергидроля (этому способствует и наличие щелочи).

Атомарный кислород окисляет как органические, так и неорганические загрязнения.

Для очистки, основанной на переводе омыляемых жиров в легко растворимые в воде мыла` (соли), применяют обработку поверхности в мыльных растворах. Этим способом удаляют растительные и животные жиры - загрязнения от остатков сложных эфиров глицерина и высокомолекулярных органических кислот. Химическое обезжиривание характеризуется низкими токсичностью и стоимостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Травление

Процесс травления пластин и подложек состоит в растворении их поверхности при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами (щелочами, кислотами, их смесями и солями). В результате удаляются приповерхностный слой и имеющиеся на поверхности загрязнения. Различают химическое и электрохимическое травление полупроводников.

Химическое травление пластин кремния происходит на границе твердой и жидкой сред, и его можно рассматривать как гетерогенную реакцию.

Процесс травления состоит из пяти стадий:

- диффузии реагента к поверхности;

- адсорбции реагента; поверхностной химической реакции; десорбции продуктов реакции;

- диффузии продуктов реакции от поверхности.

Скорость всего процесса определяется скоростью наиболее медленной (контролирующей) стадии. При травлении кремния контролирующими стадиями могут быть либо диффузия реагента

к поверхности, либо поверхностная химическая реакция, что определяется видом травителя и энергией активации стадий процесса.

     Травители, для которых контролирующей стадией является диффузия, называются полирующими.

Скорость травления в полирующих травителях определяется скоростью диффузии реагента и зависит от градиента его концентрации:

                                             (1)

где D - коэффициент диффузии реагента, зависящий от природы и энергии активациимолекул реагента; и

- концентрация реагента  в объеме и на поверхности;

- толщина приповерхностного  слоя травителя, в котором существует градиент концентрации.

При этом скорость травления нечувствительна к физическим и химическим неоднородностям поверхности, слабо зависит от температуры. Вследствие более высокого градиента концентрации выступы на поверхности травятся быстрее впадин. Поэтому полирующие травители хорошо сглаживают шероховатости, выравнивая микрорельеф. Типичными полирующими травителями для кремниевыхпластин являются смеси азотной и фтористоводородной (плавиковой) кислот.

Существуют две теории саморастворения кремния в травителях: химическая и

электрохимическая. Согласно химической теории поверхностные химические реакции при полирующем травлении протекают в два этапа: окисление поверхностного слоя и перевод оксида в растворимую соль. Роль окислителя выполняет азотная кислота:

                                         (2)

Фтористо-водородная кислота является комплексообразователем, который переводит оксид кремния в тетрафторид:

                                              (3)

В соответствии с электрохимической теорией взаимодействие между

полупроводником и травителем обусловлено тем, что на поверхности пластины при погружении ее в травитель существуют анодные и катодные микроучастки, между которыми возникают локальные токи.

На анодных участках происходит окисление кремния с последующим растворением оксида и образованием кремний-фтористоводородной кислоты, на катодных - восстановление окислителя (азотной кислоты). В процессе травления микроаноды и микрокатоды непрерывно меняются местами.

Результирующее уравнение реакции при этом имеет вид:

                                 (4)

Следует отметить, что очистке поверхности полупроводниковых пластин путем их обработки в полирующих травителях предшествует обязательное обезжиривание поверхности.

Для ряда травителей энергия активации химической реакции

на порядок и более превышает энергию активации, определяющую скорость диффузии реагента. В этом случае скорость травления определяется скоростью химической реакции :

                                        (5)

где и

- концентрации реагирующих  веществ; R - универсальная газовая  постоянная; а и b

- показатели, численно равные  коэффициентам в уравнении химической  реакции.

Поскольку энергия активации химической реакции зависит от неоднородности поверхности, скорость травления чувствительна к состоянию поверхности. Так как различные кристаллографические плоскости структуры кремния имеют разное

значение , то скорость травления зависит от ориентации пластин, а также от температуры.

     Травители, для которых контролирующей стадией является химическая

реакция, называются селективными.

В качестве селективных травителей пластин кремния используют водные растворыщелочей (например, NaOH, КОН) и гидразин гидрат '