БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Методические указания

Травление микрочастиц на основе Ti, Ti-Ni и Ti-Fe

Студента 1-ого курса 1-ой группы

Химического факультета БГУ

Гапоненко Всеволода

Минск 2012

Краткая характеристика используемых веществ:

• Щавелевая кислота, H₂C₂O₄. В лаборатории присутствует в виде тригидрата, который предстваляет собой белое кристаллическое вещество. Растворимость20 = 8 г/100 г воды. Тразл = 100–130 °C, K₁ = 5,6·10⁻²; K₂ = 6,4·10⁻⁵

• Фосфорная кислота H3PO4. при стандартных условиях представляет собой бесцветные гигроскопичные кристаллы. При температуре выше 213 °C она превращается в пирофосфорную кислоту H4P2O7. Очень хорошо растворима в воде (548 г/100 мл). Тпл = 42.35 °C, Ткип = 158 °C. pKa1 = 2.12, pKa2 = 7.21, pKa3 = 12.67

• Фторид аммония, NH4F. Бесцветные кристаллическое вещество. Хорошо растворим в воде (82,6г/100 г воды). Образует моногидрат. Тразл = 167 °C

• Глицерин, C3H5(OH)3. Вязкая прозрачная жидкость. Неограниченно растворим в воде. Плотность = 1,261 г/см³. Тпл = 18 °С, Ткип = 290 °C.

Цель работы:

Изучить на практике влияние типа смеси травления, концентрации его основных компонентов, температуры и продолжительности воздействия ультразвуком на морфологию микрочастиц на основе Ti, Ti-Ni и Ti-Fe.

Оборудование:

Химический стаканы, электроплитка, чашка для выпаривания, пипетки, мерный цилиндр, штатив с лапкой, металлическое кольцо, колба Бунзена, воронка Бюхнера, бумажный фильтр.

Реактивы:

Растворы фосфорной кислоты, щавелевой кислота, фторида аммония, глицерин. Микрочастицы на основе Ti, Ti-Ni и Ti-Fe. Дистиллированная вода

Меры предосторожности:

• Осторожное обращение с растворами кислот.

• Осторожное обращение с электроприборами

• Осторожное обращение с горячими растворами смесей травления при термической обработке.

• С растворами кислот (особенно при нагревании) работать только под тягой.

Теоретическая часть

Общие сведения о процессе травления

Травление — группа технологических приёмов для управляемого удаления поверхностного слоя материала с заготовки под действием специально подбираемых химических реактивов. Ряд способов травления предусматривает активацию травящих реагентов посредством других физических явлений, например, наложением внешнего электрического поля при электрохимическом травлении, ионизацией атомов и молекул реагентов при ионно-плазменном травлении, обработка ультразвуком и термическая обработка при химическом травлении и т.п.

Основные виды травления:

• химическое («жидкое»)

• электрохимическое

• ионно-плазменное («сухое»)

В общем виде, процесс травления включает в себя:

• подготовку поверхности (например, механические шлифовка и полировка, обезжиривание);

• взаимодействие травителя или электролита (растворы кислот, растворы и расплавы солей и щелочей, другие органические и неорганические жидкости, плазма) с обрабатываемым материалом;

• очистку поверхности от травителя и продуктов травления (как правило, это отмывка каким либо растворителем).

Процесс травления может сопровождаться газовыделением. В частности, кислотное травление металлов часто сопровождается выделением водорода, что требует применения особых мер безопасности.

При выполнении художественных работ, при производстве печатных плат и электронных приборов с использованием техник литографии часть поверхности защищают масками из веществ устойчивых к травлению. Хотя в процессе травления обрабатывается только поверхность, при длительном травлении начинает стравливаться и материал под маской, вблизи её краёв, что может привести к порче заготовки.

Процесс травления может быть селективным. Селективность травления основана на различии скоростей химической реакции на разных участках протравливаемой поверхности. Так, к примеру, в поликристаллическом материале скорость травления межкристаллитных границ, выходящих на поверхность выше, чем скорость травления поверхности самого кристаллика: это различие иногда используется для доочистки мелкодроблёного металлургического кремния. При травлении монокристаллического материала скорость травления повышается на механических дефектах и на дефектах кристаллической решётки, также сказывается анизотропия свойств кристалла, т.е. разные грани кристалла травятся с различной скоростью: это различие используется для проявления дефектов кристаллической решётки монокристалла, при этом дефекты атомного масштаба провоцируют появление ямок травления характерной (из-за анизотропии кристалла) формы микронного масштаба. Полученные ямки травления могут быть оценены как качественно, так и количественно с использованием обычного оптического микроскопа. При большой концентрации дефектов в протравленной области невооружённым глазом хорошо различимы матовость и рябь.

Химическое травление

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.

Цели травления

Травление применяется:

• Для снятия поверхностного слоя загрязнений, окислов, жировой пленки и т.п. (например, окалины с полуфабриката в металлургии);

• Для выявления структуры материалов (например, структуры металлов и сплавов при металлографии);

• Для нанесения рельефного рисунка при художественной обработке материалов (обычно металлов).

• Для формирования проводящих дорожек и контактных площадок при производстве печатных плат

• Для формирования проводящих дорожек, контактных площадок и окон в слоях окисла для диффузии при изготовлении интегральных схем методом фотолитографии;

• Для изготовления мембран (вытравливание сверхмалых отверстий с применением метода фотолитографии);

• Для химической полировки поверхности и удаления нарушенного в ходе предшествующей механической обработки слоя.