Жидкостные (химические) методы травления

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 26Следующая ⇒

По характеру взаимодействия растворителя с веществом химическое травление (растворение) бывает трех типов: молекулярное, ионное и реактивное.

Молекулярное растворение. Отличительной чертой этого типа растворения является полная идентичность химической формулы вещества в исходном состоянии и в растворе. После удаления (например, испарения) растворителя растворенное вещество может быть получено в химически неизменном виде, хотя с ним могут произойти морфологические изменения. Примером такого типа реакций может служить растворение сахара в воде, полистирола в бензоле и так далее. Частным случаем молекулярного растворения является образование коллоидных растворов, когда вещество в растворе находится не в виде отдельных молекул, а группируется в крупные полимолекулярные образования, так называемые коллоидные частицы.

Ионное растворение. В этом случае исходное состояние вещества и состояние в растворе не идентичны. В растворе происходит разделение ионного кристалла на катионы и анионы, которые окружены сольватационными оболочками (в водных растворах образованными полярными молекулами воды), которые обеспечивают устойчивость таких растворов. Тем не менее, как и в случае молекулярных растворов, после удаления растворителя растворенное вещество может быть выделено в химически неизменном виде. Примером такого типа реакций является растворение NaCl в воде.

Реактивное растворение. Процесс растворения сопровождается химическим взаимодействием между растворенным веществом и растворителем, которое происходит со значительным тепловым эффектом, существенно превышающим тепловой эффект при молекулярном или ионном растворении. При этом в растворе будут присутствовать продукты, химически отличные от исходного состояния системы. Удаление растворителя не позволяет получить растворенное вещество в исходном виде. Примером такого типа растворения является реакция:

Zn_(тв) + 2HCl_(жидк) ® ZnCl_{2(раств)} +H_2(газ).

В основном процесс травления можно представить в виде пяти стадий.

1. Перенос молекул или ионов травителя из объема раствора к поверхности полупроводника.В начальный момент после погружения пластины полупроводника в раствор вблизи ее поверхности за счет интенсивной реакции образуется слой d, обедненный молекулами травителя (рис. 3.22), что приводит к возникновению градиента концентрации молекул травителя и формированию диффузионного потока этих молекул к поверхности полупроводника. Плотность потока j_x на основании первого закона Фика можно оценить по формуле

где D – коэффициент диффузии молекул травителя; N₀и N_s – концентраций молекул травителя в объеме раствора и у поверхности пластины.

2. Адсорбция молекул травителя на поверхности полупроводника. На этой стадии молекулы травителя вступают в контакт с поверхностью. Этот контакт может быть либо химической адсорбцией (хемосорбцией), либо физической адсорбцией. В первом случае между молекулами травителя и поверхностными атомами полупроводника возникают ионные или ковалентные связи. Во втором случае молекулы травителя удерживаются на поверхности слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Соответственно энергия активации адсорбции при хемосорбции оказывается существенно больше, чем при физической адсорбции.

3. Кинетическая стадия процесса. На этой стадии в результате химических реакций молекул травителя с поверхностными атомами происходит разрыв химических связей последних и переход их в раствор. Механизмы этих реакций зависят от материала пластины, состава травителя и условий травления. Они отличаются большим многообразием и часто бывают довольно сложны.

4. Десорбция продуктов реакции. В результате протекания химических реакций на поверхности полупроводника накапливаются продукты реакции, которые могут быть физически или химически связаны с поверхностью. Для того чтобы перевести их в раствор, необходимо разорвать эти связи, что и происходит на данной стадии.

5. Удаление продуктов реакции от поверхности полупроводника в объем раствора. В результате перехода растворенного материала в жидкую фазу вблизи поверхности полупроводника на расстоянии d накапливаются продукты реакции, концентрация которых N_s существенно превышает их концентрацию N₀в объеме раствора (рис. 3.23). В результате возникает диффузионный поток j_x молекул вещества, пропорциональный градиенту концентрации.

Таким образом, весь процесс травления состоит из двух диффузионных, двух сорбционных и одной кинетической стадий. Общая скорость процесса определяется скоростью наиболее медленной (лимитирующей) стадии. Как правило, сорбционные стадии редко ограничивают скорость травления. В большинстве случаев скорость травления ограничивается либо диффузией компонентов травителя или продуктов реакции в растворе, либо скоростью химической реакции на поверхности пластины. В зависимости от того, какая из этих стадий является лимитирующей, результаты травления оказываются различными.

Пусть, например, лимитирующей стадией является диффузия молекул травителя (первая стадия) или молекул растворенного вещества (пятая стадия). В этом случае общая скорость процесса травления будет определяться плотностью потока j_x молекул (см. формулу 3.29), которая зависит от температуры, вязкости травителя, механических воздействий, способствующих перемешиванию травителя. От свойств самой поверхности (кристаллической ориентации, наличия поверхностных дефектов и так далее) скорость травления не зависит. Следовательно, травление в этом случае должно происходить изотропно, и в результате травления поверхность должна становится гладкой, то есть травление носит полирующий характер. Травители, для которых лимитирующей стадией является диффузия, называются полирующими, а сам процесс травления – интегральным. Полирующие свойства травителей можно усилить, если уменьшить скорость протекания диффузионных процессов. Это можно сделать с помощью специальных добавок, увеличивающих вязкость травителя, или за счет уменьшения температуры процесса. Интенсивное перемешивание травителя, напротив, разрушает диффузионный слой d, что снимает диффузионное ограничение и ухудшает, таким образом, полирующие свойства травителя.

Если лимитирующей стадией является кинетическая стадия, то общая скорость процесса травления V_тр будет примерно равна скорости химической реакции на поверхности:

где А_тр – константа скорости химической реакции на поверхности объекта; N_s – концентрация молекул травителя на поверхности; DЕ – энергия активации химической реакции (избыточная энергия, которой должна обладать молекула в момент столкновения с другой молекулой, чтобы быть способной к химическому взаимодействию).

Энергия активации DЕ зависит от неоднородности поверхности пластины, кристаллографической ориентации, наличия на поверхности структурных дефектов. Если, например, на поверхности имеются выходы дислокаций, то в этих местах энергия активации меньше, чем на участках поверхности без дефектов. Поэтому в «дефектных» участках скорость травления будет выше, и на поверхности образуются ямки травления, форма которых зависит от кристаллографической ориентацией поверхности пластины.

Травители, у которых лимитирующей стадией является химическая реакция, называются селективными, а процесс травления – дифференциальным. Как следует из выражения (3.30), характер селективного травления определяется не только свойствами поверхности, способными повлиять на значение энергии активации химической реакции DE, но и в значительной степени температурой. С ростом температуры селективность травителя оказывается выраженной меньше. Поэтому для выявления поверхностных дефектов желательно проводить травление при низких температурах. Однако при снижении температуры уменьшается вязкость травителя, и на скорость всего процесса начинают влиять диффузионные стадии, снижающие селективность травителя.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 377; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!