Реакции твердое тело – жидкость

Типичным примером является процесс травления твердого тела.

Травление – группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов.

Скорость травления можно описать уравнением

, (31)

где С – концентрация молекул травителя; К – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность с^-1 и определяемый константой скорости реакции.

Энергия активации травления зависит от потенциальной энергии атомов на поверхности кристалла, т.е. от суммарной энергии химических связей данного атома с окружающими его соседями. В реальных кристаллах разные участки поверхности могут отличаться числом и характером расположения химических связей. Это приводит к разным значениям энергии активации на этих участках. Максимальная скорость травления должна иметь место на участках, обладающих наибольшим количеством разорванных или ослабленных химических связей. Такое травление, зависящее от структуры поверхности, называют избирательным (селективным).

При избирательном травлении возможно увеличение неоднородности пов-сти, выявление дефектов структуры, границ двойников и доменов, растравливание трещин, царапин и т.п. Грани монокристаллов с разл. ориентацией раств. с разной скоростью. При этом скорости травления вглубь кристалла и вдоль его поверхности оказываются разными. Поэтому избирательное травление монокристаллов связано с образованием фигур (ямок) травления, форма к-рых определяется структурой кристалла, ориентацией пов-сти, видом дефектов и составом травителя, а кол-во-плотностью дефектов.

Другой тип травления – выравнивающий или полирующий. При выравнивающем травлении происходит сглаживание рельефа пов-сти, уменьшение ее шероховатости.

Особенностью полирующего травления является независимость от структуры кристалла. Такое травление сглаживает макродефекты поверхности.

Полирующее действие будет при и, кроме того, поскольку такое травление не зависит от структуры твердого тела, то, значит, оно не зависит от энергии активации DЕ. Следовательно, механизм полирующего травления существенно отличается от селективного. Качественно причины полирующего действия травителя могут быть объяснены следующим образом. Представим, что кристалл окружен тонким слоем травителя. Со временем концентрация молекул жидкости в этом слое будет уменьшаться, т.к. они расходуются на реакцию взаимодействия с атомами твердого тела. Соответственно будут снижаться скорость травления, которая упадет до нуля, когда все молекулы жидкости израсходуются на химическую реакцию. Если вместо тонкого слоя будет большой объем растворителя, то обедняющийся слой жидкости около поверхности образца будет пополняться молекулами травителя, диффундирующими из глубины жидкости к поверхности твердого тела.

Выравнивающее травление наблюдается обычно при протекании процесса в диффузионной области, а избирательное-в кинетич. области. Поэтому изменение т-ры, концентрации реагентов, гидродинамич. обстановки, введение добавок могут изменить характер процесса, к-рый может стать комбинированным, напр.-с избират. действием в начальные периоды и выравнивающим в конце процесса.

Скорость диффузионного переноса пропорциональна разности концентраций молекул травителя в глубине раствора и у поверхности кристалла:

, (32)

где C_v и C_s – концентрации молекул травителя в объеме раствора и у поверхности кристалла соответственно, К_д – коэффициент пропорциональности диффузионного процесса.

По этой модели в первый момент времени любой травитель является селективным, т.к. в начале травления обедненный слой отсутствует, нет перепада концентраций. После некоторой выдержки обеднение приповерхностного слоя возрастает, возникает диффузия в жидкости, и спустя некоторое время скорость диффузии становится равной скорости химической реакции:

. (33)

При этом наступает детальное равновесие, и состав приповерхностного слоя становится неизменным.

Из (33) выразим C_s в виде

и после обратной постановки в правую часть уравнения (38) находим результирующую скорость травления

.

На практике реализуются два случая:

1. .

Тогда скорость травления

,

и травление будет селективным.

2. .

При этом скорость травления

не зависит от энергии активации, и травление будет полирующим.

К_Д увеличивается при перемешивании раствора и уменьшается при повышении его вязкости, а величина К практически не зависит от этих факторов.

Существует относительно мало травителей, действующих исключительно как полирующие. Это связано с тем, что для большинства травителей выполняется соотношение К < < К_Д.