Автореферат (Проектирование и расчет химических микрореакторов для использования в технологии устройств микросистемной техники)

На правах рукописиКонаков Степан АндреевичПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ХИМИЧЕСКИХ МИКРОРЕАКТОРОВ ДЛЯИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ УСТРОЙСТВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИСпециальность 05.27.06 – технология и оборудование для производстваполупроводников, материалов и приборов электронной техникиАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукСанкт-Петербург20182Работа выполнена на кафедре «Физико-химия и технологии микросистемной техники»федеральногогосударственногоавтономногообразовательногоучреждениявысшегообразования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»Научный руководительКржижановская Валерия Владимировнак.т.н, доцент НИУ ИТМО, с.

н. с. University of AmsterdamОфициальные оппонентыГорбачев Юрий Евгеньевичдоктор физико-математических наук, с.н.с., руководитель отделаисследований ООО «КодданТекнолоджис», г. МоскваКорляков Андрей Владимировичдоктор технических наук, директор НОЦ «Нанотехнологии»,профессор кафедры «микро- и наноэлектроники» Федеральногогосударственного автономного образовательного учреждениявысшего образования Санкт-Петербургский государственныйэлектротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова»,г. Санкт-ПетербургВедущая организацияФедеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего образования "Санкт-Петербургскийгосударственный технологический институт(технический университет)", г Санкт-ПетербургЗащита состоится 27 сентября 2018 г.

в 16:00 часов на заседании совета по защитедиссертаций на соискание учёной степени кандидата наук, на соискание учёной степени докторанаук Д212.229.02 на базе федерального государственного автономного образовательногоучреждения высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет ПетраВеликого» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул.

29.С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке и на официальномсайте федерального государственного автономного образовательного учреждения высшегообразования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого».Замечания и отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имяучёного секретаря диссертационного совета Д 212.229.02 по адресу: 195251, Санкт-Петербург,Политехническая ул. 29, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.Справки по тел.: (812) 552-61-71;Автореферат разослан ____________ 2018 г.Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.229.02кандидат химических наук,А.В.

Семенча3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ технологии современных устройств электронной и микросистемной техники существуетряд задач, которые не могут быть эффективно решены известными методами. К ним относятся:(1) создание функциональных слоев на непланарных поверхностях и пластинах с открытымимикромеханическимиструктурамигироскоповиакселерометров;(2)формированиечувствительных слоев на тонких мембранах и подвесах полупроводниковых газовых сенсоров;(3) серийное производство чипов с индивидуальной топологией рисунка на физическом уровнедля систем электронной идентификации; (4) формирование совмещенных каналов с заданнымгидравлическим сопротивлением в многослойных пластинах кремний-на-стекле в технологиипроизводства микрофлюидных аналитических систем и тепловых микротрубок.Во всех этих задачах необходимо проводить осаждение или травление на локальныхучастках поверхности пластины (с характерными размерами от единиц до сотен микрометров),не воздействуя на её другие части.

Традиционно для этих целей на пластину наносятмаскирующийслой,вкоторомметодамилитографииформируетсярисунок.Длявышеперечисленных задач такой подход не может быть использован по нескольким причинам:(1) фоторезист трудно нанести на поверхность с развитым рельефом; (2) жидкостные операциипроявления и травления повреждают тонкие мембраны и микромеханические структуры; (3)невозможно обрабатывать каждый чип на пластине в индивидуальном порядке; (4) невозможноточно контролировать геометрию и свойства конечной микроструктуры ввиду технологическихвариаций процесса литографии.

Для решения указанных практических задач необходимоиспользовать технологии, связанные с безмасочным осаждением и травлением веществ.Сегодня известны способы напыления через свободную маску, технологии струйнойпечати, методы осаждения и травления стимулированные электронным, ионным или лазернымлучом. Для технологии свободной маски характерны большие минимальные размеры (от50 мкм), невозможность индивидуализации чипов, сложности в работе с непланарнымиструктурами, размытие границ при химическом осаждении из газовой фазы (ХОГФ). Технологииструйной печати при минимальном размере от 20 мкм имеют малую номенклатуру осаждаемыхиз жидкой фазы веществ и ограниченны в контроле состава и свойств материала.Методы осаждения и травления стимулированные электронным или ионным пучкомпозволяют формировать структуры нанометровых размеров, что является недостатком, когданеобходимо обрабатывать большую площадь, по причине значительных временных затрат инеоднородности получаемого покрытия.

Зарядка ограничивает тип используемой подложки,затруднен контроль физико-химических условий в области воздействия пучка.4К недостаткам метода ХОГФ стимулированного лазерным лучом следует отнести сампринцип локализации процесса за счет точечного нагрева поверхности. Градиенты температурнегативно сказываются на механической прочности микроструктуры. В технологии ХОГФтемпература существенно влияет на состав, морфологию и другие свойств материала.Использование лазера для нагрева не позволяет точно контролировать температуру осаждения,процесс является нестационарным и плохо управляемым на микроуровне.

Проблемы возникаютпри осаждении на структуры из прозрачных (по отношению к излучению) материалов свыраженным рельефом, ввиду неконтролируемого рассеивания и отражения. Принципиальноеограничение метода – инициализация процесса около поверхности. Невозможно инициироватьреакции в газовой фазе, приводящие к формированию наночастиц с последующим их локальнымосаждением. Это важное ограничение, поскольку именно наночастицы, являются перспективнымматериалом для различных применений, в частности для газовых сенсоров.Таким образом, известные сегодня методы локальной безмасочной обработки не являютсяуниверсальными, обладают недостатками и ограничениями, и поэтому находят свое применениетолько для решения небольшого количества узкоспециализированных задач.Актуальной проблемой является разработка метода безмасочного проведения локальныхгетерогенных процессов (в областях с характерными размерами от единиц до сотен микрометров)в газовой и жидкой фазе, пригодного для работы с широким спектром веществ, не имеющегоограничений по материалу и геометрии подложки.

Микрореактор является техническойсистемой, которая реализовывает эти процессы. Он обладает следующими преимуществами: (1)возможность точного контроля температуры и других физико-химических условий проведенияпроцесса; (2) широкая номенклатура веществ; (3) отсутствие ограничений на материал и формуподложки; (4) возможность проводить индивидуальную обработку каждого чипа. Эти свойствамикрореакторовпозволяютрешитьописанныетехнологическиезадачисовременногопроизводства изделий электронной и микросистемной техники, поэтому тема диссертационногоисследования является актуальной и практически значимой.Целью работы является исследование закономерностей локальных гетерогенныхпроцессов химического осаждения и травления в микрореакторах с газовой и жидкой фазой,разработка методик проектирования и расчетов таких систем, поиск областей их практическогоприменения в технологии устройств электронной и микросистемной техники.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:1) Разработаны приближенные аналитические методики проектирования и расчетахимических микрореакторов с учетом явления проскальзывания на стенках;2) Исследованы свойства и поведение модели, описывающей процесс локальногохимического осаждения из газовой фазы в микрореакторе.53) На основе исследованных свойств системы предложена конструкция микрореактора,предназначенного для локального химического осаждения из газовой фазы функциональныхслоев в технологии изготовления изделий электронной и микросистемной техники;4) С применением созданных методов проектирования разработана технологияжидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе, изучены вопросы, связанные сизменением формы сечения реактора во время работы и тепловые условия процесса;5) Найдены области применения разработанной технологии жидкостного анизотропноготравления кремния в микрореакторе для создания микроканалов с заданным гидравлическимсопротивлением в многослойных пластинах кремний-на-стекле в технологии производствамикрофлюидных аналитических систем и тепловых микротрубок.Объектами исследования являлись:1) Химические микрореакторы с жидкой и газовой фазой;2) Технологический процесс химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе;3) Технологический процесс жидкостного травления в микрореакторе.Методы исследования, применяемые в работе.Химическиемикрореакторыипротекающиевнихтехнологическиепроцессыисследовались методом построения и изучения различных моделей, а также экспериментально.Использованы простые аналитические модели химических микрореакторов и детальные модели,основанные на уравнениях динамики вязкого сжимаемого многокомпонентного химическиреагирующего газа, для решения которых использовались проверенные численные методы ипрограммные коды.

Литературные данные и экспериментальные результаты использовались дляпроверки применяемых моделей.Применение экспериментальных методов для изучения микрореакторов с газовой фазойбыло ограничено из-за (1) отсутствия общих методик по разработке таких систем, (2)ресурсоемкости их изготовления, (3) отсутствия проверенных способов точного измеренияфизико-химических параметров в микрореакторе.

Для жидкофазных процессов эти проблемыстоят не так остро, поэтому для их исследования были созданы прототипы, экспериментальноеизучение которых проводилось с применением методов оптической микроскопии.Научная новизна результатов диссертационной работы:1) При помощи созданной методики расчета и разработанной аналитической модели,объединяющейосесимметричныереакторыидеальноговытеснениясплоскими6параболическим профилем скорости и учитывающей явление проскальзывания на границах,найдены условия способствующие проведению локальных гетерогенных процессов.2) Исследованы основные закономерности поведения модели, описывающей процессылокального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе с одним центральнымканалом, построенной на основе уравнений движения вязкого химически реагирующего газа.Обнаружено, что необходимым условием для локализации осаждения является лимитированиепроцесса диффузией компонентов к поверхности, что было установлено на основе изучениявлияния геометрии микрореактора, скорости потока газа, диффузии, констант гомогенных игетерогенных реакций на распределение компонентов и скорость осаждения.3) Предложена конструкция микрореактора для локального химического осаждения изгазовой фазы.