Химическое травление подложек полупроводниковых материал лов основано на процессах растворения полупроводника. Поэтому знание кинетических закономерностей, механизма и характера процесса растворения полупроводника является важнейшим условием и критерием выбора соответствующих составов растворов травителей для целей полирования, анизотропного или селективного химического травления.
Механизм и реакции растворения полупроводников (кремния; германия, полупроводниковых соединений типа АтВу) в различных жидких средах рассмотрены в работах. Основное внимание в этом параграфе уделено вопросам влияния гидродинамических условий на процессы растворения полупроводников.
Растворение полупроводников является типичным примером гетерогенных химических процессов и представляет собой частный случай растворения твер3 дых тел в жидкостях.
По современной диффузионно-кинетической теории растворения твердых тел в жидкостях всякая гетерогенная реакция включает несколько стадий: первой является стадия переноса реагирующих частиц к реакционной поверхности, на следующей стадии происходит собственно гетерогенная химическая реакции взаимодействия атомов твердого тела с реагентом; затем следует стадия отвода продуктов из зоны реакции. Суммарная скорость такого гетерогенного процесса определяется скоростями стадий реакции, при этом процесс в целом лимитирует наиболее медленная стадия. В частности, когда медленной стадией является подача или отвод реагентов от места реакции, процесс протекает в диффузионной области или по диффузионной кинетике. В том случае, когда медленной является стадия химического превращения, скорость процесса определяется кинетикой этой стадии. Если скорости переноса реагентов и химической реакции сравнимы между собой, соответствующие процессы протекают по смешанной кинетике.
С химической точки зрения наибольший интерес представляют реакции скорость которых определяется стадией собственно химического превращения] фактически же большинство гетерогенных реакций протекает по диффузионной кинетике. В особенности это относится к реакциям, имеющим промышленное значение. Поэтому исследование кинетики диффузионных процессов исключительно важно для практических целей.
В понимании закономерностей протекания гетерогенных процессов большое значение имеет теория конвективной диффузии. Согласно этой теории в тонком слое жидкости у поверхности твердого тела концентрация переносимого вещества С, резко меняется по сравнению с концентрацией С0 в глубине раствора. Поэтому условия переноса вещества п объеме раствора отличаются от таковых в тонком приповерхностном слое, называемом диффузионным пограничным слоем 6, который определяется толщиной гидродинамического пограничного слоя, где о — коэффициент диффузии вещества; У — скорость движения жидкости; х — координата на поверхности твердого тела; V — кинематическая вязкость раствора.
Толщина диффузионного пограничного слоя б составляет 10% толщины гидродинамического слоя. Поэтому и касательная слагающая скорости движения жидкости на границе слоя б составляет около 10% значения скорости течения жидкости вдали от твердой поверхности. Это означает, что уже при весьма малых скоростях течения жидкости на расстоянии от поверхности тела, равном толщине слоя б, перенос вещества движущейся жидкостью (конвекцией) преобладает над молекулярной диффузией: молекулярная диффузия вещества в жидкостях происходит столь медленно, что для увлечения вещества движущейся жидкостью достаточно самых медленных течений.
Наличие диффузионного пограничного слоя б во многом обусловливает процессы растворения твердых тел, так как при этом увеличивается движение жидкости вблизи межфазной границы, вследствие которого распределение концентрации переносимого вещества в этом слое является нелинейным; в этом случае существенным является то, что конвективная и молекулярная диффузия протекают нормально и тангенциально к диффузионному слою. Именно поэтому толщина слоя б оказывается различной на разных точках поверхности, и, наконец, толщина слоя б зависит не только от свойств раствора (О и V) и скорости его течения, но также и от коэффициента диффузии; каждому диффундирующему веществу в многокомпонентном растворе отвечает свой слой 6.
Анализ уравнений конвективной диффузии для различных случаев диффузионного потока при ламинарном и турбулентном обтекании тел разной формы показал, что, как правило, реакционная поверхность не равнодоступна в диффузионном отношении, т. с. величина б зависит при каждой данной скорости потока от координаты х, отсчитываемой на реакционной поверхности от точки набегания потока жидкости по направлению его движения. Изменение б вызывает изменение градиента концентрации и тем самым — скорости переноса вещества.
Если реакционной поверхностью служит неподвижная гладкая пластинка, обтекаемая ламинарным потоком жидкости со скоростью, то вблизи ее поверхности существует распределение концентрации н скорости движения жидкости, представленное на рис. 2.2.
При данном значении х концентрация быстро возрастает с ростом у п достигает значения, практически совпадающего с концентрацией в толще раствора на расстоянии 6 от пластины. Диффузионный лоток вещества на пластинку при этом равен.
Из выражения (2.2) видно, что с увеличением скорости движения жидкости диффузионный поток увеличивается по закону, а уменьшение потока вдоль поверхности пластины, т. е. он неодинаков для разных участков пластины. Следовательно, если подобные гидродинамические условия реализуются в процессе растворения поверхности твердого тела, скорость которого лимитируется диффузией частиц раствора, то будет наблюдаться неравномерное растворение различных частей пластины, не позволяющее: сохранить заданный геометрический профиль поверхности (плоскостность я плоско-параллельность).
Если же растворяемое твердое тело представляет собой вращающийся диск, то оказывается, что при этом толщина гидродинамического слоя, а значит и диффузионного, не зависит от расстояния до оси вращения (т. е. постоянна по всей поверхности диска).
Таким образом, реакционная поверхность вращающегося диска равнодоступна в диффузионном отношении: толщина диффузионного пограничного слоя не         зависит от расстояния до оси вращения диска и постоянна по всей его поверхности (за исключением краев диска, т. е. на расстоянии около <0,1 мм).
Это означает, что и диффузионный поток и распределение концентрации диффундирующих частиц вещества в растворе постоянны и одинаковы во всех точках поверхности и зависят только от расстояния до диска по нормали. Поэтому уравнения конвективной диф-1 фузии применительно к вращающемуся диску одномерны н это существенно упрощает их решение, что в свою очередь позволяет использовать вращающийся диск для исследования весьма сложных каталитических и других гетерогенных процессов.