Методы модифицирования и травления поверхности металлического титана

Электрохимическое обезжиривание  поверхности металлов является эффективным  способом очистки от тонких жировых  пленок, которые трудно удалить другим способом. При воздействии тока ионы водорода восстанавливаются на катоде в виде пузырьков, облегчающих отрыв капель масла при обезжиривании от поверхности деталей. Однако при этом может происходить наводораживание поверхности стальных деталей, вследствие чего тонкостенные изделия и  пружины могут охрупчиваться, поэтому чаще применяют комбинированный способ обезжиривания поверхности: 5 – 8 минут на катоде, 1 – 2 минуты на аноде.

Электрохимическое обезжиривание  поверхности деталей из меди, цинка, алюминия и их сплавов осуществляют только на катоде. Скорость очистки при электрохимическом обезжиривании поверхности деталей гораздо выше, чем при химическом обезжиривании поверхности, качество лучше. Недостаток – низкая рассеивающая способность электролита, поэтому процесс обезжиривания поверхности сложных деталей проводить весьма затруднительно.

Состав электролита  электрохимического обезжиривание  поверхности деталей: едкий натр – 20 – 40 г/л, фосфорнокислый натрий 20 – 40 г/л, углекислый натрий -20 – 40 г/л, температура 60 – 80⁰С, ДК = 2 – 10 А/дм2, время на катоде 3 – 10 минут, время на аноде 1 – 3 минуты.

В целях безопасности необходимо в процессе электрохимического обезжиривания удалять с поверхности  электролита пену, так как в  ней может содержаться гремучий газ (смесь водорода и кислорода) и не следует добавлять большое  количество эмульгаторов и ПАВ. Увеличение температуры ускоряет процесс обезжиривания поверхности, повышает электропроводность раствора, что позволяет увеличить плотность тока.

После того, как деталь была обезжирена, на неё наносится  необходимый рисунок или маска. Следующая технологическая операция - предварительное подсушивание лака до полутвердого состояния. Для этого достаточно оставить деталь в проветриваемом месте на 2-3 часа при комнатной температуре. Произойдет частичное высушивание лака и его загустевание. Окончательно сушить лак можно различными способами. Сушка очень важная и ответственная операция, от качества которой зависит результат работы. Самый распространенный и надежный способ - это сушка в сушильном шкафу. Температура 100-130 ⁰С. Время сушки - 30-40 мин. После чего охлаждение при комнатной температуре.

При подготовке детали к  травлению, необходимо защитить также  её остальные поверхности. Для защиты можно с успехом применять не только тот же лак, но и пластилин, полиэтилен и другие подручные материалы. Необходимо стараться по возможности обязательно защищать большие закрашенные поверхности дополнительно слоем пластилина, что даст дополнительную защиту от нежелательных протрав.

3.4 Установка  для электрохимического травления

Общее устройство установки заключается в следующем: Она состоит из источника постоянного тока, сосуда (ванны) для травления с электролитом, электродов из нержавеющей стали (катодов), детали, подвергаемой травлению и проводников, соединяющих источник тока с электродами.

• Источник постоянного тока. Источник должен обеспечивать постоянный ток силой 3-10 ампер, обязателен амперметр, постоянно показывающий ток. Желательно иметь защиту от короткого замыкания по неосторожности, которая с успехом обеспечивается плавким предохранителем соответствующего номинала. Сглаживающие конденсаторы на выходе источника тока вовсе не обязательны, вполне пригоден выпрямленный, ток с наличием пульсаций. Для импульсных источников тока конденсатор все же необходим.
• Ванна для травления. Ванна должна быть изготовлена из непроводящего ток материала. Главное требование: деталь должна свободно помещаться в ванне полностью погруженная в электролит. Хотя электролит и достаточно безвреден, все же не рекомендуется использовать пищевую посуду для травления.
• Состав электролита. Для травления большинства современных нержавеющих сталей пригоден простой раствор поваренной соли концентрацией 20-30 г/литр. Также можно добавлять в такой электролит 8-10 миллилитров концентрированной соляной кислоты. Для травления ржавеющих сортов сталей, меди, латуни, алюминия в раствор соли добавляют столовую ложку медного купороса. Алюминий будет травиться вообще без подключения тока, с выделением большого количества тепла. Возможно закипание электролита. Раньше для травления без применения электротока использовали растворы сильных кислот. Мы не рекомендуем это делать. Это достаточно опасный и вредный для здоровья процесс, требующий вытяжной вентиляции, работать необходимо в очках с применением средств защиты. К тому же современные стали настолько устойчивы к кислотам, что потребуется много времени без гарантии результата.
• Электроды. Самый подходящий материал для изготовления – мягкая нержавеющая сталь. Чаще всего электроды представляют собой полоски листовой стали, расположенные с двух сторон по стенкам ванны травления. Если деталь имеет вытравливаемый рисунок с одной стороны, необходимо разместить электрод напротив вытравляемой поверхности, в противном случае возможно травление с различной (неравномерной) глубиной, что является заметным дефектом. Соответственно, если травятся сразу две противоположные стороны детали, электроды должны быть с двух противоположных сторон. Электрод должен превышать вытравливаемую площадь, в противном случае возможно получение неравномерной глубины травления. Срок службы катодов не ограниченный. Они не растворяются при работе, а только загрязняются. На них осаждаются соли металлов, при травлении латуни на них осаждается слой меди.

Глава 4.

Плазменное  травление

4.1 Развитие плазменного травления

В 1976 г. была найдена возможность  травления без жидкого травителя — с использованием газоразрядной плазмы и фторуглеродных газов, и бурное развитие получают методы сухого травления. Дело в том, что за период с 1970 по 1984 гг. требуемая минимальная ширина создаваемых на подложке линий уменьшилась с 6 до 2 мкм, а уход (неконтролируемое отклонение) размеров линии при жидкостном способе травлении может достигать 1—2 мкм. Такое несоответствие с одной стороны и развитие методов плазменного травления, а также принятие законов, ужесточающих ,требования к обезвреживанию жидких ядовитых травителей, с другой стороны, предопределили переход от жидкостного травления к сухому травлению. Вслед за разработкой технологии изотропного травления в баррельном реакторе был предложен метод, в котором применялся напуск тетрахлорметана в ионный источник, что подготовило почву для развития технологии анизотропного реактивно-ионного травления.

4.2 Плазма: определения, способы получения, основные процессы

Известно, что вещество может находиться в трехфазовых  состояниях — твердом, жидком и газообразном, причем эти состояния последовательно сменяют друг друга по мере возрастания температуры. При дальнейшем нагреве молекулы газа распадаются на атомы, которые в свою очередь распадаются на электроны и ионы, так что газ становиться ионизированным, представляя собой смесь из свободных электронов, ионов и нейтральных частиц. Если степень ионизации газа, под которой принято понимать отношение числа ионизованных атомов к их полному числу, достаточно велика, такой сильно ионизированный газ может обладать качественно новыми свойствами по сравнению с обычным газом. Прежде всего он обладает высокой электропроводностью и поэтому, в противоположность нейтральному газу, сильно взаимодействует с электрическим и магнитным полями. Кроме того, заряженные частицы в газе стремятся распределиться таким образом, чтобы установилась локальная квазинейтральность (равенство концентраций положительных и отрицательных частиц), нарушаемая тепловыми флуктуациями только в микроскопических масштабах. Такое состояние ионизованного газа называется плазмой и считается четвертым фазовым состоянием вещества.

Под термином «газовый разряд»  обычно понимают все явления и процессы, связанные с протеканием электрического тока через газ. Само название «разряд» происходит от названия процесса медленной потери заряда заряженным металлическим телом, расположенным на подставке из изолятора. Это явление известно еще с XVI в. В современной физике термин «газовый разряд» трактуется не только как протекание тока через газ, но и как любой процесс ионизации газа под действием приложенного электрического поля. При этом поле может быть как постоянным во времени, так и быстропеременным: высокочастотным (ВЧ-разряд при частотах в несколько мегагерц), сверхвысокочастотным (СВЧ-разряд при частотах в несколько гигагерц) и даже с частотой оптического диапазона (оптический разряд). Не так давно был открыт пучково-плазменный разряд (ППР), загорающийся при прохождении электронного пучка через газ малой плотности вследствие возникновения в такой системе плазменных колебаний СВЧ-диапазона. Термины «гореть», «зажигание» получили распространение потому, что при возникновении достаточно сильной ионизации газ светится.

Определяющим свойством  плазмы является ее квазинейтральность. Это означает, что во всяком сколько-нибудь большом объеме заряды ионов и электронов всегда компенсируют или почти компенсируют друг друга. Если это условие нарушается, то возникает сильное электрическое поле, которое перемещает электроны и ионы и восстанавливает нейтральность плазмы.

4.3 Основные  стадии процессов сухого травления

В процессах сухого травления  можно выделить несколько основных стадий, а именно:

• доставка молекул рабочего газа в зону плазмы газового разряда;
• переход молекул рабочего газа в газовом разряде в энергетические и химически активные частицы;
• доставка энергетических и химически активных частиц к поверхности обрабатываемого материала;
• взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала;

Доставка молекул  рабочего газа в зону плазмы газового разряда. Осуществление этой стадии реализуется газовым блоком с регуляторами расходов газов, устройством смешивания газовой смеси, газовой магистралью с распределенным либо точечным вводом в реактор и откачным постом с дроссельной заслонкой, обеспечивающих протекание газового потока при заданном давлении с определенной скоростью.

Расходы газов, или газовые  потоки, Q_p.r. в международной системе единиц (СИ) измеряются в . Однако в подавляющем большинстве теоретических и экспериментальных работ газовые потоки определяются в более привычных внесистемных единицах (табл. 1.2): л • мм рт. ст./с и см³ • атм/мин (объем в кубических сантиметрах, приведенный к нормальному атмосферному давлению, в минуту).

Переход молекул  рабочего газа в газовом разряде  в энергетические и химически активные частицы. Энергетические и химические активные частицы образуются в газовых разрядах в результате процессов, которые подразделяются на четыре основные группы:

• реакции под действием электронного удара;

• реакции при неупругих столкновениях между тяжелыми частицами;
• гетерогенные реакции;
• реакции под действием излучения плазмы.

Важно понять, что источником энергии для энергетических и  химически активных частиц в основном являются электроны с достаточной энергией, частично энергия других молекул и атомов и в некоторой степени энергия излучения плазмы. В газоразрядной плазме низкого давления (особенно в плазме магнетронного или индукционного типа) энергия электронов значительно превышает энергию других частиц, поэтому процессы диссоциации и ионизации, имеющие большие пороговые энергии, в основном определяются электронным ударом. Диссоциация молекул рабочего газа электронным ударом определяет скорость генерации энергетических и химически активных частиц в плазме разряда.

Доставка энергетических и химически активных газовых  частиц к поверхности обрабатываемого  материала. Нормальный ход гетерогенной химической реакции травления материала обеспечивается только при непрерывной доставке ХАЧ к поверхности обрабатываемого материала и непрерывном отводе продуктов реакции от поверхности. Доставка ХАЧ к поверхности подвергаемого травлению материала в зависимости от давления в реакторе может осуществляться либо вследствие молекулярного потока, либо вследствие диффузии.

В диффузионной области скорость и равномерность процесса травления материалов определяются величиной и распределением концентрации ХАЧ у поверхности обрабатываемого материала и слабо зависят от значения и распределения температуры и концентрации активных центров на поверхности материала; в кинетической области эти характеристики травления материалов в основном определяются уровнем и распределением температуры и концентрации активных центров на поверхности материала.

Если подвергаемый травлению  материал находится за областью плазмы, через которую продувается рабочий газ, то концентрация ХАЧ по мере движения от задней границы плазменной зоны к материалу будет уменьшаться из-за рекомбинации.

Взаимодействие энергетических и химически активных частиц с поверхностью обрабатываемого материала. Взаимодействие ХАЧ с активными центрами материала включает в себя хемосорбиию свободных атомов и радикалов на активных центрах, химическую реакцию и последующую десорбцию образующихся продуктов реакции с поверхности материала. Процесс десорбции усиливается дополнительным воздействием электронами, нонами и электромагнитным излучением, в частности ультрафиолетовым, молекулы рабочих газов не образуют ХАЧ и не могут производить травление материалов.

Необходимым условием травления  материала ХАЧ является возможность  образования летучих и стабильных при температуре процесса (температуре поверхности материала в процессе травления) продуктов реакции. Термин «летучий» означает, что при температуре процесса Т_пр давление паров образующихся продуктов реакции должно быть достаточно высоким, чтобы эти продукты испарялись с поверхности материала.

По соотношению температуры  процессов Тпр и температуры  испарения Тисп или кипения Т^, образующихся продуктов реакции можно выделить три основных условия травления материалов:

• Т_пр« Т_исп (Т_кип). В этом случае невозможно травление материала ХАЧ данного вица в системах ПХТ, так как в результате реакции на поверхности материала образуется нелетучее соединение, которое маскирует материал. Например, алюминий нельзя травить атомами фтора, потому что в результате реакции образуется фторид алюминия с Т^ = 1256 °С. По аналогичной причине атомами фтора не травятся никель, хром, железо, медь, магний, свинец.
• Т_пр ≈ Т_исп (Т_кип) При образовании стабильных продуктов реакции возможно травление материала ХАЧ в системах ПХТ. Однако низкая скорость удаления образующихся продуктов реакции способствует тому, что процесс травления протекает в кинетической области (то есть ограничивается скоростью стадии химической реакции). С увеличением температуры процесса скорость травления материала должна возрастать. Ионная бомбардировка будет оказывать сильное влияние на скорость травления материала.
• Т_пр » Т_исп (Т_кип). Травление материалов в любых системах ПХТ и ИХТ осуществляется в основном в результате химических реакций. Высокие скорости химических реакций приводят к тому, что процессы травления материалов протекают в диффузионной области. Небольшие изменения температуры процесса и ионная бомбардировка, если она не способствует повышению скорости доставки реагента, мало влияют на скорость травления материалов.