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

Зарядка ограничивает тип используемой подложки,затруднен контроль физико-химических условий в области воздействия пучка.К 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 ихлокальным осаждением. Это важное ограничение, поскольку именно наночастицы, являютсяперспективным материалом 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 своеприменение только для решения небольшого количества узкоспециализированных задач.Актуальной проблемой является разработка метода безмасочного проведения локальныхгетерогенных процессов (в областях с характерными размерами от единиц до сотенмикрометров) в газовой и жидкой фазе, пригодного для работы с широким спектром веществ,не имеющего ограничений по материалу и геометрии подложки.

Микрореактор являетсятехнической системой, которая реализовывает эти процессы. Он обладает следующимипреимуществами: (1) возможность точного контроля температуры и других физико-химическихусловий проведения процесса; (2) широкая номенклатура веществ; (3) отсутствие ограниченийна материал и форму подложки; (4) возможность проводить индивидуальную обработкукаждого чипа. Эти свойства микрореакторов позволяют решить описанные технологическиезадачи современного производства изделий электронной и микросистемной техники, поэтомутема диссертационного исследования 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 производства 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;72) Исследованы свойства и поведение модели, описывающей процесс локальногохимического осаждения из газовой фазы в микрореакторе.3) На основе исследованных свойств системы предложена конструкция микрореактора,предназначенного для локального химического осаждения из газовой фазы функциональныхслоев в технологии изготовления изделиях электронной и микросистемной техники;4) С применением созданных методов проектирования разработана технологияжидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе, изучены вопросы, связанныес изменением 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 и их модели;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 детальныемодели, основанные на уравнениях динамики вязкого сжимаемого многокомпонентногохимически реагирующего газа, для решения которых использовались проверенные численныеметоды и программные коды.

Литературные данные и экспериментальные результатыиспользовались для проверки 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.8Научная новизна результатов диссертационной работы:1) При помощи созданной методики расчета и разработанной аналитической модели,объединяющейосесимметричныереакторыидеальноговытеснениясплоскимипараболическим 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,чтонеобходимымусловиемдлялокализацииосажденияявляетсялимитирование процесса диффузией компонентов к поверхности, что было установлено наоснове изучения влияния геометрии микрореактора, скорости потока газа, диффузии, константгомогенных и гетерогенных реакций на распределение компонентов и скорость осаждения.3) Предложена конструкция микрореактора для локального химического осаждения изгазовой фазы.

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 гетерогеннойхимических реакций на скорость осаждения имеют нелинейный характер. Для реализациилокального осаждения необходимо, чтобы процесс лимитировался диффузией к поверхности;92) Конструкция микрореактора с одним центральным каналом и метод решения задачиоптимизации технологического процесса ХОГФ, основанный на систематическом проведениибольшого количества опытов по локальному осаждению в микрореакторе;3) Технология жидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе.Закономерностиповедениямодельныхсистем,описывающихизменениегеометриимикроканала во времени и температуры микрореактора в зависимости от технологическихпараметров.

Увеличение площади травления кремния, при фиксированной теплоотдачеприводит к снижению критической температуры системы, превышение которой являетсяусловием перехода 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 функциональныхслоев в технологии производства изделий электронной и микросистемной техники:полупроводниковыхгазовыхдатчиков,микроэлектромеханическихгироскоповиакселерометров.

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» иОАО«Авангард»)в циклпроизводства мирофлюидного мостика Уинстона для датчика дифференциального давления итеплораспределяющих модулей на основе тепловых микротрубок.10Достоверностьрезультатовиобоснованностьвыводов,полученныхвдиссертационной работе, определяется комплексным использованием различных методикисследования, включающих разработку как аналитических математических моделей, которыедоступны для непосредственного решения, так и более сложных моделей на основе системыдифференциальных уравнений динамики вязкого реагирующего газа, решение которыхпроводилось на основе проверенных численных методов и программных кодов.