Рассмотрим некоторые случаи практического использования теории конвективной диффузии и ее следствий для химического полирования поверхности полупроводников.
Из теории конвективной диффузии следует, что гидродинамические факторы играют первостепенную роль в диффузионных и ;4иффузнонпо-кииетических процессах растворения твердых тел. Обычно гидродинамические условия травления задаются перемешиванием жидкой фазы.
Перемешивание травителя осуществляет перенос вещества в растворе, способствует быстрому установлению теплового и химического равновесия в системе, стабилизирует процесс травления, ускоряет его для определенного тина травителен и оказывает большое влияние на качество поверхности. Перемешивание травителя производится обычно мешалкой разных типов, различными приспособлениями и устройствами или вращением реакционного сосуда. В результате этого движение жидкости при перемешивании может быть ламинарным или турбулентным. Как правило, в практике травления встречаются оба вида движения.
В случае ламинарного течения линии тока жидкости совпадают с вектором скорости, течение является послойным и стационарным, ротор скорости равен нулю, число Рейнольдса мало.
При больших числах Рейнольдса  для гладкой пластины послойное течение жидкости становится резко нестационарным, хаотическим движением, в котором течение в определенном направлении реализуется лишь в среднем.
Как отмечалось, в процессе химического полирования подложек полупроводников необходимо сохранить исходную плоско-параллельность сторон пластин, заданную им при механической обработке, полностью удалить нарушенный слой монокристалла и сгладить микронеровности поверхности до определенного уровня в зависимости от назначения пластин. Экспериментальные исследования по химическому полированию пластин кремния в различных гидродинамических условиях обтекания пластин потоком травителя показали, что вид движения травителя (ламинарный или турбулентный), скорость и направление его течения относительно полируемой пластины оказывают непосредственное влияние как па характер полирования — сглаживание шероховатостей поверхности и процессе травления, так и на изменение геометрических параметров пластин (плоскостность и плоско-параллельность).
Проводить химическое полирование в не перемешиваемых (статических) условиях (например, погружением) нежелательно: в таких условиях реакция протекает на разных участках поверхности неодинаково и не в стационарном режиме. Процесс характеризуется плохим тепловым обменом, замедленным подводом и отводом Реагентов, что приводит к большой остаточной шероховатости поверхности и к ухудшению исходной плоско-параллельности пластин (завальцовка краев).
При химическом полировании с перемешиванием раствора в произвольных условиях, когда поток травителя с небольшой относительной скоростью набегает на неподвижную (или малоподвижную) пластину полупроводника, наряду со сглаживанием неровностей поверхности также неизбежно наблюдается искажение геометрического профиля пластины (например, завальцовка края) на расстоянии до 5 мм от края пластины.
При химическом полировании пластин полупроводника в условиях повышенной скорости их обтекания потоком травителя удается значительно уменьшить величину завальцовки. Эффект завальцовки проявляется на расстоянии до 2 мм от края пластины, но при этом ухудшается качество полирования. Сильная турбулентность при повышенной скорости движения потока травнтеля приводит к появлению макро-неровностей на поверхности подложки. Описанные эффекты обусловлены разной доступностью в диффузионном отношении реакционной поверхности. Из (2.2) следует, что нормальный и тангенциальный переносы вещества относительно велики вблизи >края пластины; в то же время при увеличении расстояния от края к центру пластины раствор вблизи поверхности обеднен из-за диффузии к предыдущим участкам. Поэтому здесь основную роль играет нормальный перенос вещества к поверхности.
Реализация равнодоступной в диффузионном отношении полируемой реакционной поверхности, согласно выражению (2.4), достигается в условиях вращающегося диска. Учет указанных гидродинамических условий вращения пластин кремния при их химическом полировании в растворах азотной и фтористоводородной кислот позволил наряду с достижением высокой степени гладкости поверхности сохранить исходные плоскостность и плоско-параллельность подложек кремния. Решающую роль в сглаживании микрорельефа и получении высококачественной полированной поверхности в этом случае играет тангенциальный перенос вещества, а не по нормали к поверхности. Таким образом, если процесс растворения полупроводника протекает по диффузионной или смешанной -кинетике, гидродинамические условия движения потока травителя относительно поверхности твердого тела играют определяющую роль в процессе химического полирования подложек полупроводников и получении конечных результатов.
Наиболее эффективно сглаживание неровностей поверхности подложки полупроводника происходит при ламинарном движении потока травителя, который обеспечивает концентрационный градиент в диффузионном пограничном слое 6. Условием полирования по диффузионному механизму является требование соизмеримости средней высоты неровностей (//) на исходной поверхности и толщины диффузионного пограничного слоя б вещества, лимитирующего процесс растворения полупроводника. В случае растворения 5| в системе кислот НМОз—НР—СН3С0011 в области
Составов с молярным отношением НХО:НРЗ условие процесса химического полирования выражается неравенством 0,01. Если величина неровностей на исходной подложке
превышает толщину слоя 6. то при сглаживании неровностей микро-профиля поверхность после полирования в макро-масштабе выглядит волнистой. Кроме того, ламинарное обтекание^ потоком травителя больших шероховатостей на исходной поверхности сопровождается турбулентным течением жидкости, что еше более способствует возникновению волнообразного рельефа подложки. 011 юда следует, что способ химического полирования подложек полупроводников можно использовать для поверхностей, на которых неровности предварительно сглажены до определенного предела каким-либо другим способом, например, алмазной или микромеханической полировкой.
При турбулентном обтекании потоком травителя полируемой поверхности твердого тела перенос вещества характеризуется турбулентным коэффициентом диффузии, который превосходит коэффициент молекулярной диффузии Ъ во много тысяч ра1. Большое значение обеспечивает полное постоянство концентрации раствора вплоть до весьма малых расстояний от поверхности подложки, и поэтому различия в скорости подвода травителя выступам и впадинам практически не существует. Толщина слоя на котором протекает диффузия, хаотически меняется, и все участки поверхности травятся почти с одинаковой скоростью. И хотя ю абсолютному значению средняя высота неровностей поверхности уменьшается, относительное сглаживание мало. В микро-масштабе поверхность выглядит гладкой, зеркальной, а в макро-масштабе— волнистой, содержащей макро-неровности типа «лимонной корки» или рябь. Поэтому турбулентные гидродинамические условия не могут быть рекомендованы для химического полирования шероховатых поверхностей пластин полупроводниковых материалов.
При реализации процесса химического полирования полупроводников в различных устройствах следует обращать особое внимание на недопустимость возникновения турбулентного движения жидкости. Появление макро-неровностей типа «лимонной корки после химического полирования пластин свидетельствует либо о нарушении потока движения травителя относительна полируемой поверхности, либо о несоизмеримости неровностей исходной поверхности подложки и толщины.
Однако указанная выше особенность химического-травления подложек полупроводников в турбулентных условиях движения потока травителя, когда обеспечивается однако на скорость растворения всех участков поверхности независимо от геометрических (линейных) размеров подложки, может быть использована для решения ряда других важных задач. Например, турбулентные условия движения травителя целесообразно использовать для локального химического Явления меза-структур, контурного или фигурного травления по заданному рисунку с защитной маской. Это позволяет получат ровные и отвесные стенки углублений и столбиков, уменьшать эффект подтравливания под защитную маску, повышать точность размеров и качество локального травления. Ламинарное движение потока травителя для этих целей менее пригодно.
Сохранение геометрических параметров у исходных пластин, за данных им механической обработкой, после химическою полирования возможно только в случае реализации гидродинамических условий ламинарного движения потока травителя по способу вращающегося диска. При этом непременным требованием сохранена плоскостности и плоско-параллельности подложек является вращение пластин вокруг своей оси с постоянной угловой частоты причем скорость вращательного движения пластины должна крайней мере в 2—3 раза превышать скорость ламинарного движения потока травителя. Поскольку движение пластан полупроводников, как правило, задается вращением реакционного сосуда, частота вращения пластин определяется соотношением, где N и п—частота вращения реакционного сосуда и пластин 01 и 02 — диаметры реакционного сосуда и пластины соответственно.
Иначе говоря, чем больше различаются размеры реакционно! сосуда и полупроводниковой подложки, тем благоприятнее создаются гидродинамические условия для химического полирования и принципу вращающегося диска. При большом диаметре сосуда и массы травителя стенками при его вращении воздействие на полирование поверхности пластин оказывая поток травителя, образующийся за счет вращения пластин. Влияние турбулентного движения потока травителя на характер изменения плоскостности сторон пластины незначительно.