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

2ОглавлениеВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................. 5Глава 1. Аналитический обзор химических микрореакторов .......................................................... 121.1. Используемая терминология ....................................................................................................

121.2. Краткий исторический обзор развития микрофлюидной техники и микрореакторов ....... 121.3. Фундаментальные преимущества микрореакторов ............................................................... 151.4. Современные микрореакторы .................................................................................................. 171.5. Микрореакторы для осуществления процессов осаждения и травления .............................

201.6. Выводы по литературному обзору и постановка задач исследования ................................. 35Глава 2. Разработка аналитических моделей для расчета микрореакторов ................................... 372.1. Выбор методологии исследования .......................................................................................... 372.2. Общие положения об используемых аналитических моделях ............................................. 382.3. Задача расчета микрореактора с движением потока вдоль оси симметрии ........................ 442.4. Пример расчета микрореактора с течением вдоль оси симметрии ......................................

522.5. Задача расчета микрореактора с движением потока вдоль оси симметрии ........................ 572.6. Пример расчета микрореактора с течением вдоль радиуса .................................................. 642.7. Замечания к вопросу учета влияния диффузии и гетерогенных процессов ........................ 682.8.

Выводы по главе 2 ..................................................................................................................... 69Глава 3. Математическая модель микрореактора с газовой фазой ................................................. 703.1. Общие предположения о математической модели ................................................................ 703.2. Основные уравнения математической модели .......................................................................

713.3. Методы дискретизации ............................................................................................................. 763.4. Граничные условия.................................................................................................................... 783.5. Методы численного решения ................................................................................................... 783.6.

Выбор расчетной сетки ............................................................................................................. 793.7. Выводы к главе 3 ....................................................................................................................... 90Глава 4. Исследование закономерностей процесса локального химического осаждения изгазовой фазы в микрореакторе ............................................................................................................ 914.1. Микрореактор для локального химического осаждения из газовой фазы...........................

9134.2. Базовый численный эксперимент ............................................................................................ 974.3. Влияние скорости потока........................................................................................................ 1024.4. Влияние диффузии .................................................................................................................. 1054.5. Влияние скорости объемной химической реакции .............................................................. 1094.6. Влияние скорости поверхностной химической реакции .....................................................

1124.7. Влияние начальной концентрации......................................................................................... 1164.8. Влияние реакций на стенках микрореактора ........................................................................ 1184.9. Влияние неравномерного распределения температуры ......................................................

1194.10. Влияние геометрических параметров микрореактора ....................................................... 1254.11. Выводы по главе 4 ................................................................................................................. 133Глава 5. Моделирование процесса осаждения тонких пленок кремния и арсенида галлия вмикрореакторе.

Практическое применение микрореакторов с газовой фазой. ........................... 1345.1. Моделирование химического микрореактора для осаждения кремния ............................. 1345.2. Моделирования химического микрореактора для осаждения арсенида галлия ............... 1385.3. Конструкция, технология изготовления и вопросы практического использованиямикрореакторов для химического осаждения из газовой фазы .................................................

1485.4. Применение микрореакторов для локального осаждения материалов из газовой фазы .. 1555.5. Выводы по главе 5 ................................................................................................................... 165Глава 6. Разработка микрореакторов с жидкой фазой. ................................................................... 1666.1. Отличительные особенности микрореакторов с жидкой фазой .........................................

1666.2. Технология жидкостного травления кремния в микрореакторах ....................................... 1686.3. Расчет профиля кремния при анизотропном травлении в микрореакторе ........................ 1706.4. Экспериментальное исследование технологии анизотропного травления кремния вмикрореакторе.................................................................................................................................

1766.5. Задача расчета тепла выделяемого в ходе анизотропного травления кремния вмикрореакторе................................................................................................................................. 1776.6. Методика выбора параметров технологического процесса жидкостного травлениякремния в микрореакторе .............................................................................................................. 19346.7.

Решение задачи о распределении тепла выделяемого в ходе анизотропного травлениякремния в микрореакторе с применением методов компьютерного моделирования ............. 2006.8. Выводы по главе 6 ................................................................................................................... 202Глава 7. Практическое применение микрореакторов с жидкой фазой ......................................... 2037.1 Обзор областей применения микрореакторов с жидкой фазой ........................................... 2037.2.

Применение микрореакторов с жидкой фазой для создания каналов заданногогидравлического сопротивления в структуре микрофлюидного мостика Уинстона. ............. 2047.3. Применение микрореакторов с жидкой фазой для решения технологических проблемсоздания устройств микросистемной техники ............................................................................ 2217.4.

Выводы к главе 7 ..................................................................................................................... 227ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................................................

229ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................. 2295ВВЕДЕНИЕАктуальность темы и степень еѐ разработанностиВ 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 еѐ 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).Технологии струйной печати при минимальном размере от 20 мкм имеют малую номенклатуруосаждаемых из 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 и6неоднородности получаемого покрытия.