Текст ФХОТЭС часть 1-2 для 2015 (1245610), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В ряде случаев на поверхности анода образуется труднорастворимое соединение или анод покрывается адсорбированными пузырьками, поэтому в таких случаях рекомендуется обеспечивать покачивание детали в электролите.
При покачивании обеспечивается и теплоотвод.
Для процесса важно правильно подобрать размеры, форму и материал катодов. Площадь катода должна быть в несколько раз больше полируемой детали. Форма катода чаще всего плоская, но для полирования детали сложной формы применяют профильные катоды. Материал катода должен быть химически устойчив к электролиту.
Подвесные приспособления рекомендуется выполнять из того же материала, который полируется.
Чаще всего химическая полировка используется для подготовки деталей из сплавов алюминия к последующим покрытиям (от простого окрашивания до анодирования, оксидирования и т.д.)
Существует несколько электролитов для полирования алюминия.
на основе кислот:
H3PO4, H2SO4
на основе щелочных солей:
Na2CO3
В эти электролиты добавляют хромовый ангидрид, который предотвращает разъедание металла в момент отсутствия тока.
Температура 55 – 100 оС
Длительность от 0,5 до 20 мин
Для полирования сталей в основном используют электролиты на основе ортофосфорной кислоты.
Некоторые сорта сталей можно полировать в электролитах на основе серной кислоты. Плотность тока должна быть при этом высокая 250 А/дм2
Температура 100оС
Время 0,5 мин
Скорость съёма материала 1,7 мкм/сек
Недостатки электролитов на основе ортофосфорной и серной кислот:
короткий срок службы из-за образования нерастворимых соединений (для улучшения качества полировки вводят глицерин)
Быстрорежущие стали полируют в электролитах, содержащих азотную кислоту.
Плотность тока высокая.
При полировании быстрорежущих сталей в азотной кислоте получают также
©повышение коррозионной стойкости, так как на поверхности образуются пассивные плёнки: FeO·Cr2O3 и NiO·Cr2O3
При полировании быстрорежущих сталей количество снимаемого материала велико – от 20 до 40 мкм.
Если нужно снять меньший слой материала, от применяют химическое полирование, а не электрохимическое.
Серебрянные изделия полируются в цианистых электролитах серебрения.
Плотность тока 2 – 3 А/дм2
Для растворения анодной плёнки рекомендуется импульсный токовый режим.(интервал импульса 3 – 4 сек ).
Универсальные электролиты для полировки серебра содержат хлорную кислоту и уксусный ангидрид.
Особенность этих электролитов: возможно резкое повышение температуры, которое может привести к взрыву оборудования.
Рассмотрим характерные дефекты электрополированных поверхностей.
Они обусловлены дефектами самого материала металла или полупроводника, неверными условиями электрополирования, плохим качеством очистки поверхности и качествами электролита.
Например, наличие загрязнений или неоднородности материала приводит к появлению участков окисных или солевых плёнок.
Неравномерность движения электролита по поверхности или неправильное взаимное расположение деталей и электродов может вызвать как снижение точности обработки, так и искажение геометрической формы, вследствие неравномерного растворения металла.
Направленное движение газовых пузырьков по поверхности деталей могут быть причиной “полосатости” поверхности.
Пониженное напряжение также может вызвать растравливание поверхности.
Электрополирование наряду с прямым результатом даёт поверхности ряд дополнительных качеств.
в ряде случаев электрополирование повышает усталостную прочность и коррозионную стойкость металла,
уменьшается коэффициент трения поверхности,
увеличивается способность металла к холодной пластической деформации (молибден),
в отдельных случаях электрополированием получают максимальную отражающую способность (алюминий).
Для ферромагнитных сплавов электрополирование позволяет повысить магнитную проницаемость материала и снизить потери на гистерезис. Это явление носит название критерия неочевидности.
2.4. Ионно-плазменное травление
Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц, сумма которых равно нулю.
Плазма подчиняется газовым законам, но проводит электрический ток и управляется магнитным полем.
Плазму подразделяют на низкотемпературную или холодную и на высокотемпературную или горячую. Единица измерения температуры плазмы – электронвольт (эВ). Температура горячей плазмы составляет сотни эВ, а холодной – несколько эВ. В микроэлектронике используют низкотемпературную плазму.
Электронвольт, – внесистемная единица энергии, равная энергии, приобретаемой частицей, несущей один элементарный заряд (заряд электрона) при перемещении в ускоряющем электрическое поле между двумя точками с разностью потенциалов 1 в. Обозначения: русское - эв, международное - eV.
1 эв = 1,60219×10-19 дж. Применяются кратные единицы килоэлектронвольт (кэв, keV), равный 103 эв, мегаэлектронвольт (Мэв, MeV), равный 106 эв. Часто в эв выражают массу элементарных частиц, что основано на уравнении Эйнштейна Е = mc2, связывающем массу частицы т с её полной энергией Е; с - скорость света. Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна (931,5016 ? 0,0026) Мэв.
Приложенное извне электрическое поле не только ионизирует газ, но и возбуждает в нём электрический ток. Этот процесс называют газовым разрядом.
В плотном газе при высоких напряжениях катод разогревается ударяющимися о него ионами газа, в результате чего образуется разряд, который называется горячим или дуговым, а в разреженом объёме газа образуется разряд, который называется холодным или тлеющим.
Процесс, обратный ионизации газа, называют рекомбинацией. При этом происходит соединение ионов и электронов с образованием нейтральных атомов или молекул. Они обладают избыточной энергией и могут обеспечить вторичную ионизацию газа. В разреженной плазме рекомбинация сопровождается слабым излучением и обменом энергией (по типу упругого столкновения).
При неупругих столкновениях частиц кинетическая энергия превращается в энергию возбуждения, ионизации или перезарядки.
- если кинетической энергии достаточно для перехода электрона одного из атомов (или молекул), участвующих в столкновении, на более высокую орбиту, происходит возбуждение и излучается квант света.
- если энергии достаточно для отрыва электрона от атома (или молекулы), происходит ионизация
- если атом сталкивается с собственным ионом, то ион отбирает у атома электрон и атом превращается в ион (атомный ион), а ион – в атом. Когда быстрый ион отбирает у атома электрон, от превращается в быстрый атом (который уже не управляется) и уносит энергию, сообщенную ускоряющими устройствами.А образовавшийся ион – медленный и его надо снова ускорять (тратить энергию).
Ионизироваться могут не только атомы, но и молекулы, из которых образовываются молекулярные ионы.
Процессы взаимодействия потоков частиц с твердым телом (ТТ)
При взаимодействии ускоренных атомных частиц, как нейтральных, так и заряженных, с поверхностью твердого тела (ТТ) основными процессами, приводящими к возникновению потоков вторичных частиц являются следующие:
Рис. 2.12. Схема взаимодействия поверхности с атомами и ионами
Интенсивность каждого из возможных эффектов определяется всей совокупностью факторов, таких как энергия, масса и зарядовое состояние бомбардирующих частиц; состав, структура, состояние поверхности ТТ.
Ряд процессов, происходящих при взаимодействии ускоренных атомных частиц с ТТ, лежит в основе современных вакуумных технологий:
ионная очистка - удаление адсорбированных на поверхности твердого тела ускоренными ионами;
ионное травление - удаление аморфного поверхностного слоя ускоренными ионами. Энергия ионов в этом случае невелика и достаточна лишь для удаления слабо связанных атомов:
ионное распыление - удаление поверхностных слоев. В этом случае энергия ионов достаточна для разрыва связей в твердом теле и выхода атомов в вакуум:
ионное легирование - внедрение требуемого сорта атомов в твердое тело;
радиационно-стимулированная диффузия и радиационно-стимулированный отжиг основанная на передаче энергии атомам ТТ достаточной для их перемещения в ТТ.
В основе ионно-плазменных (элионных) технологий лежат следующие физические явления:
- формирование направленных потоков элементарных частиц в вакууме
- модификация потоков (по скорости, направлению, плотности и т.д.)
- взаимодействие этих потоков с поверхностями твердых тел.
(Наиболее близкий аналог элионных установое – установок - электронно-лучевая трубка, где все эти функции реализованы).
Эффект взаимодействия потоков элементарных частиц (электронов, ионов, молекул и т.д.) с мишенью - поверхностью твердого тела, определяется в первую очередь энергией этого потока, которая в свою очередь зависит от плотности потока, скорости частиц, их атомного веса и т.д.
При минимальной энергии (E1=E0) энергии частиц хватает лишь на достижение поверхности и удержании на ней при взаимодействии с молекулами твердого тела. Получается "эффект падающего снега". При достаточной длительности процесса на поверхности формируется слой осажденных частиц по аналогии со снежным покровом. Данный эффект используется при вакуумном нанесении тонкопленочных покрытий.
Р
ис. 2.13.
При более высоком уровне энергии частиц(E2>E1) наблюдается "эффект отскочившего шарика". Частицы отражаются от поверхности, формируется отраженный поток, который имеет модифицированные свойства по сравнению с первичным. Подобно тому, как по отскоку шарика можно судить о характере поверхности соударения на макроуровне (гладкая или шероховатая, твердая или мягкая), по отраженному потоку электронов или ионов можно судить с высочайшей точностью о свойствах материала на микроуровне: его химическому составу, физических свойствах и т.д. Данный эффект широко используется в электронной и ионной микроскопии.
Дальнейшее повышение энергии потока(E3>E2) приводит к эффекту "брошенного булыжника". Если, например, долго бомбардировать булыжниками оштукатуренную стену, можно слой штукатурки отбить полностью. Аналогично, попадающие на поверхность частицы в состоянии производить микровырывы материала поверхности (на молекулярном уровне, разумеется). Бомбардируя ионами соответствующей энергии поверхность, можно добиться полного удаления поверхностного слоя - толщиной от нескольких рядов молекул до микронного диапазона. Такие процессы называют ионным травлением, ионным фрезерованием и т.п.
Рис. 2.14.
При еще более высокой энергии частиц(E4>E3) становится возможной их имплантация - проникновение вглубь материала ("эффект пули"). По мере насыщения приповерхностных слоев меняется их химический состав и поверхностные свойства, происходит "ионное легирование". Тем самым можно придать материалу свойства коррозионной стойкости (например, имплантируя в железо ионы хрома и никеля), износостойкости и т.д., не прибегая к обычному объемному легированию, когда соответствующие химические элементы вводятся в объем материала в расплавленном состоянии. Ведь коррозионная стойкость нужна только поверхности!
И, наконец, самый высокий уровень энергии дает возможность элементарным частицам проникать сквозь материал или среду - "эффект метеорита". Путем бомбардировки молекулами определенных размеров тонких мембран и формирования в них микроотверстий можно создавать "микрофильтры" на молекулярном уровне.
2.4.1. Ионно – плазменное травление.
Обзор и классификация различных методов
.
Процессы ионно-плазменного травления
Ионное Ионно-химическое Плазмохимическое
травление травление травление
Ионно- Ионно- Реактивное Реактивное Плазменное Радикальное
плазменное лучевое ионно- ионно-
плазменное лучевое
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
