12 Лекция 5

5. Физико-химические основы поверхностных Процессов

Свойства поверхности раздела отдельных слоев структуры или конструкции функциональных узлов, состоящих из металлов, диэлектриков, полупроводников, композиционных материалов, важны при формировании практически всех компонентов и элементов ЭС. Они зависят от сложных комплексных характеристик поверхностей раздела на атомарном и субатомарном уровнях, а также взаимодействия этих поверхностей с полями (электрическими, электромагнитными) и излучениями (электромагнитными, оптическими, атомными и субатомными). Изменение характеристик поверхности раздела под действием внешних и внутренних факторов приводит к необратимым изменениям параметров качества изделий ЭС. Характеристики поверхностных и приповерхностных слоев влияют на все эксплуатационные параметры ЭС.

Любое технологическое воздействие среды на материал или изделие, как правило, начинается с взаимодействия частиц этой среды с поверхностью материала (изделия). Для большинства ТП производства ЭС необходимо знать механизм такого взаимодействия не только при формировании (зарождении, росте, травлении), но и при эксплуатации слоев. Это требует от технологов тщательного изучения явлений и процессов, которые могут протекать на поверхности при различных условиях (технологических факторах).

5.1. Термодинамика поверхностных явлений

Термодинамика поверхностных явлений рассматривает состояния поверхностных атомов, отличающихся от состояния атомов, расположенных во внутренних слоях вещества. Причиной этого различия является неодинаковое взаимодействие атомов твердого тела с окружающими частицами. Поэтому свойства поверхностного слоя вещества отличаются от свойств его внутренних слоев. Следовательно, необходимо различать поверхностные и объемные свойства вещества. Чем больше отношение площади поверхности твердого тела к его объему, тем сильнее сказывается влияние поверхностных свойств на общие. Поверхностные свойства вещества проявляются на любой поверхности раздела фаз: твердое тело - газ,твердое тело - твердоетело,жидкость - пар,жидкость - жидкость.

Молекулы, расположенные в тонком слое, непосредственно прилегающем к поверхности раздела, находятся в условиях, отличных от условий молекул, находящихся в объеме. Они взаимодействуют не только с молекулами своей фазы, но также и с близлежащим слоем молекул другой фазы. Благодаря этому строение и физические свойства тонкого слоя вещества, толщиной порядка радиуса молекулярного взаимодействия, оказываются отличными от объемных. В этом межфазном слое возникает дополнительное поле межмолекулярных сил, изменяющее термодинамические свойства этого слоя по отношению к объемным свойствам смежных фаз. Возникающие изменения проявляются двояко:

- в дополнительном силовом поле запасается избыточная поверхностная (или межфазная) энергия, характеризуемая поверхностным натяжением;

- это поле изменяет концентрацию частиц в поверхностном (межфазном) слое, что характеризуется гиббсовской адсорбцией Г_i для частицi-го сорта.

Гиббс предложил рассматривать данный межфазный переходной слой в качестве самостоятельной фазы, термодинамические свойства которой (внутренняя энергия U, свободная энергияF, энтропияSи число молейn_iкаждогоi-го компонента) отличаются от свойств смежных объемных фаз.