Автореферат (Проектирование и расчет химических микрореакторов для использования в технологии устройств микросистемной техники), страница 2

Описан метод решения задачи оптимизации технологического процесса ХОГФ,основанный на систематическом проведении большого количества опытов по локальномуосаждению в микрореакторе.4) Разработана и экспериментально проверена технология жидкостного травлениякремния в микрореакторе. Изменение геометрии микроканала в ходе процесса позволяетварьировать гидравлическое сопротивление. На основе построенной аналитической моделипоказано существование максимально допустимой температуры процесса, зависящей отплощади травления, при превышении которой система переходит в режим саморазогрева.5) С применением технологии жидкостного травления в микрореакторе разработаныспособы формирования микроканалов с заданным гидравлическим сопротивлением вмногослойныхмикрофлюидногопластинахмостикакремний-на-стекле,Уинстонавявляющиесядатчикечастьюдифференциальногоконструкциидавленияитеплораспределяющего модуля на основе тепловых микротрубок.На защиту выносятся следующие основные положения:1) Закономерности поведения модели, описывающей процесс локального химическогоосаждения из газовой фазы в микрореакторе с одним центральным каналом.

Уменьшениерасстояния между микрореактором и подложкой ведет к повышению скорости осаждения иулучшению локализации. Уменьшение радиуса канала приводит к уменьшению скоростиосаждения и улучшению локализации. Влияние констант гомогенной и гетерогенной химическихреакций на скорость осаждения имеют нелинейный характер. Для реализации локальногоосаждения необходимо, чтобы процесс лимитировался диффузией к поверхности;2) Конструкция микрореактора с одним центральным каналом и метод решения задачиоптимизации технологического процесса ХОГФ, основанный на систематическом проведениибольшого количества опытов по локальному осаждению в микрореакторе;73) Технология жидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе.Закономерностиповедениямодельныхсистем,описывающихизменениегеометриимикроканала во времени и температуры микрореактора в зависимости от технологическихпараметров.

Увеличение площади травления кремния, при фиксированной теплоотдаче приводитк снижению критической температуры системы, превышение которой является условиемперехода микрореактора в режим неконтролируемого саморазогрева;4) Способ создания микроканалов с контролируемым гидравлическим сопротивлением вмногослойных структурах кремний-на-стекле по технологии жидкостного анизотропноготравления в микрореакторе.

Конструкция микрофлюидного мостика Уинстона для примененияв системе измерения дифференциального давления.Практическая значимость работы:1) По результатам работ получено 3 патента РФ: № 172 269 от 01.02.2017; № 153 984, от01.04.2015 и № 2572252 от 11.07.2014;2) Созданная методика и предложенная конструкция позволяют проектировать ирассчитывать изделия, относящиеся к новому классу устройств микросистемной техники –микрореакторам для локального химического осаждения из газовой фазы;3) Найдены решения практических задач локального формирования функциональных слоеввтехнологиипроизводстваполупроводниковыхгазовыхизделийдатчиков,электроннойимикросистемноймикроэлектромеханическихтехники:гироскоповиакселерометров. Данные решения основаны на использовании микрореакторов для локальногохимического осаждения из газовой фазы и внедряются на промышленных предприятиях СанктПетербурга (АО «ГИРООПТИКА» и ОАО «Авангард»);4) Найден способ практического решения задачи оптимизации технологического процессаХОГФ, основанный на систематическом проведении большого количества опытов полокальному осаждению в микрореакторе;5) С применением разработанной технологии жидкостного травления кремния вмикрореакторе решена задача формирования микроканалов в пластинах кремний-на-стекле сконтролируемым гидравлическим сопротивлением.

Технология внедряется на промышленныепредприятия Санкт-Петербурга (АО «ГИРООПТИКА» и ОАО «Авангард») в цикл производствамирофлюидногомостикаУинстонадлядатчикадифференциальногодавленияитеплораспределяющих модулей на основе тепловых микротрубок.Достоверность результатов и обоснованность выводов, полученных в диссертационнойработе, определяется комплексным использованием различных методик исследования,включающих разработку как аналитических математических моделей, которые доступны для8непосредственногорешения,такиболеесложныхмоделейнаосновесистемыдифференциальных уравнений динамики вязкого реагирующего газа, решение которыхпроводилось на основе проверенных численных методов и программных кодов.

Литературныеисточники и экспериментальные результаты использовались для проверки применяемыхмоделей. Полученные данные и формулируемые выводы подтверждаются известными сегоднянаучными представлениями.Апробация работы.Результаты работ по теме диссертационного исследования представлены на 10всероссийских и международных конференциях: I Международная научно-практическаяконференция «Sensorica – 2013», (Санкт-Петербург, 2013 г.); II Международная научнопрактическая конференция «Sensorica – 2014», (Санкт-Петербург, 2014 г.); 3rd InternationalConference on Mathematical Modeling in Physical Sciences (Испания, Мадрид, 2014 г.); InternationalConference on Computer Simulation in Physics and Beyond 2015, (Москва, 2015 г.); 5th InternationalConference on Mathematical Modeling in Physical Sciences (Греция, Афины, 2016 г.); 3rdInternational School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures,(Санкт-Петербург, 2016 г.); 6-й международный МЭМС-Форум 2016: Индустрия 4.0, (Курск,2016 г.); 5th International Young Scientists Conference in HPC and Simulation, (Польша, Краков,2016 г.); VII Научно-техническая конференция СПбГТИ(ТУ) молодых ученых «Неделя науки –2017», (Санкт-Петербург, 2017 г.); 4th International School and Conference on Optoelectronics,Photonics, Engineering and Nanostructures, (Санкт-Петербург, 2017 г.).Во время подготовки к выполнению диссертационной работы проведена стажировка винституте «Физика ионных пучков и исследования материалов» («Institute of Ion Beam Physicsand Materials Research») научно-исследовательского центра «Гельмгольц-Центр ДрезденРоссендорф»(«Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf»),Германияинакафедре«Материаловедение и нанотехнологии» («Materials science and nanotechnology») в Техническомуниверситете Дрездена («Dresden University of Technology»), Германия.Публикации.По материалам диссертационного исследования всего опубликовано 14 работ, в том числе12 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК и Scopus.

Получено 3 патента РФ.Перечень публикаций и патентов приведен в конце автореферата.9Личный вклад автора.Диссертацияявляетсязавершеннойработой,вкоторойобобщенырезультатыисследований, полученные лично автором и в соавторстве. Автору принадлежит определяющаяроль в выборе объекта и методик исследования, постановке цели и задач, получении результатов,формулировании выводов и рекомендаций по практическому использованию. Часть работвыполнена совместно с сотрудниками Санкт-Петербургского политехнического университетаПетра Великого и Санкт-Петербургского национального исследовательского университетаинформационных технологий, механики и оптики.Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы (159наименований).

Работа изложена на 240 страницах, содержит 167 рисунков и 38 таблиц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении показана актуальность темы исследования, охарактеризована степень еёразработанности, сформулированы цели и задачи работы, перечислены объекты и методыисследования, приведена научная новизна, раскрыта теоретическая и практическая ценностьработы, сформулированы положения, выносимые на защиту.В первой главе приведен обзор современной научной литературы по использованиюмикросистем для синтеза веществ и нанообъектов. Рассмотрены применения микрореакторов дляосуществления процессов травления и осаждения в жидкой и газовой фазе. Показано что задачалокализации осаждения решается или путем создания области с высокой температурой, илилокализованнойплазменнойобработкой.Примероврешениятакойзадачипутемструктурирования потоков реагентов в микрореакторах не найдено.

Примеров рассмотрениявопросов жидкостного травления в микрореакторах не найдено. Результаты выполненногоанализа литературных данных свидетельствуют об отсутствии общих теоретических методикрасчетов микрореакторов или практических рекомендаций по разработке таких систем. Наосновании проведенного аналитического обзора сформулированы цель и задачи исследования.Во второй главе рассмотрена методология решения поставленных в исследовании задач.Отмечены особенности микрореакторов, которые не позволяют на данном этапе выбратьнатурные эксперименты в качестве основного метода. Показана целесообразность использованиятеоретических подходов, в частности методов математического моделирования.Для поиска условий, способствующих проведению локальных гетерогенных процессовразработана аналитическая модель микрореакторов с осевой симметрией и течением вдоль оси и10вдоль радиуса, схемы которых показаны на рисунке 1. Для данной геометрии решена задачанахождения распределений скорости потока, времени пребывания, молярной концентрации.(а)(б)Рисунок 1 – Схемы модельных реакторов с течением вдоль оси (а) и вдоль радиуса (б)Для учета явления проскальзывания на стенках (что является особенностью микросистем)введен параметр χ, который равен 1 в случае отсутствия проскальзывания и 0 в случае полногопроскальзывания.

Представленный на рисунке 2(а) график интегральной функции распределениябезразмерного времени пребывания F(θ) показывает, что уменьшение χ ведет к увеличениюоднородности времени пребывания.Найдено, что для системы с осевой симметрией и течением вдоль радиуса реализуютсяусловия локализации веществ в областях около оси симметрии.

Распределение массовой долиисходного вещества в такой системе показано на рисунке 2(б). Если скорость гетерогенныхпроцессов зависит от концентрации веществ в газовой фазе, такое распределение будетспособствовать локализации процессов осаждения или травления.(а)(б)Рисунок 2 – Зависимость интегральной функции распределения времени пребывания приразличных χ (а) и распределение массовой доли вещества (б) в реакторе с течением вдоль радиусаВ третьей главе рассмотрена математическая модель, описывающая физико-химическиепроцессы, протекающие в микрореакторе для локального осаждения из газовой фазы.Обоснованы предположения и допущения, связанные с использованием подхода сплошной11среды,ламинарностьюдифференциальныхпотокауравненийистационарностьюдинамикивязкогопроцессов.сжимаемогоПриведенареагирующегосистемагазаииспользуемые методы решения.