Глава 2 Химическое травление. Травители

Химическое травление – это удаление части поверхностного слоя монокристалла, заготовки или изделия с помощью химических реакций. Проводится с использованием растворов веществ, называемых травителями. Собственно химическое травление иногда сочетают с механическим воздействием.

Химическое травление проводят с помощью веществ, позволяющих получать хорошо растворимые или (в случае газов) легко летучие продукты. Для травления кремния, кварца, кварцевого стекла и силикатных стекол чаще всего используют водные растворы на основе HF или NH₄HF₂, для травления металлов – кислоты и их смеси. Наиболее предпочтительны растворы, обладающие буферными свойствами.

В зависимости от морфологии получаемой поверхности химическое травление может быть выравнивающим (полирующим, шлифующим) и избирательным (селективным). При выравнивающем травлении происходит сглаживание рельефа поверхности, уменьшение ее шероховатости, при избирательном травлении – увеличение неоднородности поверхности, выявление дефектов структуры, границ двойников и доменов, растравливание трещин, царапин и т.п. Избирательное травление монокристаллов связано с образованием фигур (ямок) травления, форма которых определяется структурой кристалла, ориентацией поверхности, видом дефектов и составом травителя, а количество – плотностью дефектов.

Травлением через защитные маски, нанесенные на поверхность с помощью фотолитографии, с последующим удалением этих масок удается получать профили и детали заданных размеров. Минимальные размеры профилей определяются разрешающей способностью фотолитографии, которая может достигать 1 мкм и менее. Главная трудность – растворение материала под защитной маской.

Травление кислотами применяется для очистки поверхности металла от окалины и ржавчины. Атомы водорода обладают свойством выделяться из кислоты, как только в нее будет помещен черный металл. Образующаяся на поверхности изделий из черных металлов окалина имеет поры и, кроме того, она покрывает поверхность металла неравномерно, поэтому кислота через поры достигает верхних слоев основного металла и действует на основной металл растворяющим образом, и от действия кислоты на основной металл происходит энергичное выделение водорода. Образовавшийся под коркой окалины водород вследствие все увеличивающегося давления разрыхляет на поверхности изделия окалину и сбивает ее с поверхности, что способствует очистке поверхности металла, т. е. осуществлению травления.

2.1 Травление поверхности металлов раствором щавелевой кислоты.

Щавелевая кислота (этандиовая кислота) Н₂C₂O₄ — двухосновная предельная карбоновая кислота. Принадлежит к сильным органическим кислотам. Обладает всеми химическими свойствами, характерными для карбоновых кислот. Соли и эфиры щавелевой кислоты называются оксалатами. В природе содержится в щавеле, ревене, карамболе и некоторых других растениях в свободном виде и в виде оксалатов калия и кальция. Впервые щавелевая кислота синтезирована в 1824 году немецким химиком Фридрихом Вёлером из дициана. Щавелевая кислота (или оксалат-ион C₂O₄²⁻) является восстановителем.

Щавелевая кислота является очень хорошим веществом для удаления с поверхности титана оксидной плёнки (реакция с ней – один из основных способов перевода в раствор высших оксидов металлов подгруппы титана). Суть этого явления заключается в том, что оксолатный комплекс титана довольно устойчив, поэтому в реакции:

TiO₂ + H₂C₂O₄ = H₂[Ti(C₂O₄)₃] + 2H₂O

равновесие будет очень сильно сдвинуто вправо.

Образующийся оксолатный комплекс, как и оксолат титана, растворим в воде (при травлении титана щавелевой кислотой раствор достаточно скоро приобретает бурую окраску) и поэтому легко отфильтровывется.