§ 6.4. Контакт металла с электролитом

При изготовлении полупроводниковых приборов и интеграль­ных микросхем процессы химической обработки занимают доста­точно большой объем от числа всех технологических операций. В процессе этих обработок полупроводник находится в контакте

с различными химическими вещества­ми: травителями, растворителями, во-дой и т. д. Между полупроводником и электролитом происходит обмен части­цами. На поверхности полупроводника всегда имеется поверхностный заряд, причины образования которого будут рассмотрены в гл. 9. Наличие поверх­ностного заряда влияет на процессы электронного обмена между полупро­водником и электролитом.

Для лучшего понимания физики происходящих процессов вначале рас­смотрим случай контакта электролита с металлом, заряд на поверхности ко­торого практически отсутствует.

Кристаллическая решетка металла

построена из положительно заряженных ионов —катионов, находя­щихся в узлах решетки, связь между которыми осуществляется с помощью свободных электронов. При погружении металла в воду или другую жидкость с достаточно высокой диэлектрической про­ницаемостью связь между катионами ослабляется вследствие гид­ратации. Полярные молекулы жидкости, соответствующим обра­зом ориентируясь около поверхности металла, ослабляют связи, и катионы начинают переходить в раствор. Этот процесс сопровож­дается выделением энергии (рис. 6.16). На рисунке линия ММ' относится к поверхности металла, линия РР' — к границе раствора, точке А соответствует максимальная энергия катиона на поверхно­сти металла, точке С — минимальная энергия катиона в растворе, линия ABC показывает изменение энергии катиона при его перехо­де из металла в раствор.

В растворе катион обладает меньшим запасом энергии. Раз­ность энергий катиона на поверхности металла и в растворе равна работе процесса перехода иона в раствор, т. е. работе окисления данного металла.

Переход катиона в раствор нарушает электрическую нейтраль­ность металла и раствора—электроны в раствор не переходят.

130

Металл заряжается отрицательно, раствор положительно, поэтому всем последующим катионам, переходящим в раствор, нужно пре­одолевать более высокий потенциальный барьер, так как их удер­живает отрицательно заряженный металл и отталкивает положи-тельно заряженный раствор.

Каждый следующий катион, переходящий в раствор, преодоле­вает еще более высокий энергетический барьер. Повышение кон­центрации катионов у поверхности металла в растворе сопровож­дается ростом запаса их энергии. Когда средняя энергия катионов в растворе у поверхности металла станет равной средней энергии катионов на поверхности самого металла, наступит равновесие и

дальнейшее увеличение концентрации катионов в растворе у по-верхности металла прекратится.

Одновременно протекает встречный процесс — переход катио-нов из раствора в металл. Для катиона, который первым перешел в раствор, процесс возврата в металл маловероятен из-за высокого энергетичеекого барьера. По мере увеличения концентрации кати-онов в растворе барьер понижается и процесс возврата становится более вероятным.

По достижении равновесия высота энергетических барьеров для катионов, переходящих из металла и из раствора, становится оди-наковой. При равновесии скорость растворения равна скорости

восстановления.

Между зарядами металла и прилегающего к нему слоя раство- ра возникает скачок потенциала, который в равновесном состоянии называется равновесным потенциалом.

Катионы, скопившиеся у поверхности металла, не могут поки-

нуть поверхность и удалиться в глубь раствора. Этому препятствует

электростатическое притяжение между катионами и избыточными

электронами на поверхности металла. Вследствие притяжения об-

разуется двойной электрический слой (рис. 6.17).

131

Значительное количество катионов находится в первом слое, непосредственно прилегающем к поверхности металла. Это —плот­ная часть двойного слоя, где реализуется почти весь скачок потен­циала. Дальше идет диффузионная часть двойного слоя, где кон­центрация постепенно спадает, достигая значения концентрации, свойственной данному раствору в делом. На этом участке тоже имеет место некоторое падение потенциала, по меньшее по величи­не {рис. 6.18).

Ионы плотной части двойного слоя отстоят от поверхности ме­талла на расстояние ионного радиуса. Если принять, что ионы представляют собой сферы, в центрах которых находится заряд, то в пространстве между поверхностью металла и поверхностью, расположенной па расстоянии радиуса иона от электрода, зарядов больше нет. В этом пространстве потенциал меняется линейно. В диффузионной части избыточная концентрация ионов переменна, здесь могут находиться катионы и анионы раствора, поэтому по­тенциал меняется по некоторой кривой.