Диссертация (1143641), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Во второйчасти (эксперименты №1, 60, 62) изменялся радиус центрального канала при неизменном зазоремежду подложкой и микрореактором. В третей части (эксперименты №1, 61, 63) неизменнымоставалось соотношение между радиусом и зазором, при общем увеличении линейныхразмеров. Рассмотрим результаты экспериментов для каждой части по отдельности.126При увеличении расстояния между подложкой и микрореактором общий расход газаостается постоянным. Это уменьшает скорости потока над подложкой и увеличивает времяпребывания. Следствием является более полное превращение реагента A в A’.На рисунке 4.10.1 показана визуализация распределения компонента A’ в микрореакторахразной геометрии.
На рисунках 4.10.2 и 4.10.3 показано распределение массовой доли веществаА’ по сечениям микрореакторов разной геометрии при различных значениях r. Для осевогосечения график распределения A’ от h практически не изменяется в центральном канале, в товремя как в области над подложкой претерпевает существенные изменения. Для сечения вчасти реактора при r=35 мкм, форма профиля распределения массовой доли не изменяется.Нулевые значения на границах остаются такими же при варьировании зазора междумикрореактором и подложкой. Можно отметить рост абсолютных значений концентрациикомпонента A’. С увеличением зазора растет время пребывания, поэтому поступление веществаА’ за счет гомогенных химических реакций становится больше, тогда как его потребление вгетерогенных реакциях остается таким же.
Совместно, эти два фактора приводят к ростуконцентрации вещества А’.Рисунок 4.10.1 – Визуализация распределения массовой доли вещества А’ по объемумикрореактора при различных значениях H127(б)(а)Рисунок 4.10.2 – Распределение массовой доли вещества А’ по сечению реактора: (а) r=0 мкм,(б) h=35 мкмНа рисунках 4.10.3 и 4.10.4 показано распределение скорости осаждения и изменение егомаксимального значения для микрореакторов c различным значением H. С увеличением зазорамежду подложкой и микрореактором уменьшается максимальная скорость осаждения иухудшается его локализация, осаждение становится более равномерным.Уменьшенная скорость потока в зазоре над подложкой способствует более равномерномураспределению массовой доли A’ и скорости осаждения. В пределе источника отнесенного набольшое расстояние от подложки распределение скорости осаждения будет равномерным.Рисунок 4.10.3 – Распределение скорости осаждения при различных значениях HДля большей локализации осаждения можно рекомендовать уменьшать зазор междумикрореактором и подложкой.
Однако при слишком малом зазоре решающим станут другиефакторы, связанные с уменьшенным временем пребывания и соответствующим изменениемсоотношения скоростей химических реакций в объеме, на поверхности и диффузии.128Рисунок 4.10.4 – Зависимость максимальной скорости осаждения от HВ численных экспериментах №1, 61, 62 увеличивался радиус центрального канала принеизменном зазоре между микрореактором и подложкой.
На рисунке 4.10.5 показанавизуализация распределение компонента A’ в микрореакторах разной геометрии, а на рисунке4.10.6 показано распределение этого компонента на оси микрореактора.Рисунок 4.10.5 – Визуализация распределения массовой доли вещества А’ по объемумикрореактора при различных значениях R129Рисунок 4.10.6 – Распределения массовой доли вещества А’ в микрореакторе при r=0 мкмМассовая доля компонента A’ значительно увеличивается, максимум сдвигается в сторонуподложки. Это объясняется тем, что соотношение между объемом центрального канала (вкотором происходит гомогенная реакция образования A’ из A) и площадью поверхности стенок(на которых этот компонент расходуется) увеличивается.На рисунке 4.10.7 показано распределение массовой доли A’ по сечению вдоль радиусамикрореактора.
Максимальная массовая доля A’ растет с увеличением радиуса центральногоканала.Рисунок 4.10.7 – Распределение массовой доли вещества А’ по сечению реактора при h=5 мкмНа рисунке 4.10.8 показано распределение скорости осаждения на подложке. Какнесложно заметить, графики с высокой точностью повторяют зависимость массовой доли A’.Для самого маленького рассматриваемого случая R=10 мкм, ширина пика для малых r меньше,однако для больших значений радиуса ситуация меняется и наименьшую скорость осажденияпоказывает реактор с самым широким центральным каналом.130Рисунок 4.10.8 – Распределение скорости осаждения при различных значениях RПоказанный на рисунке 4.10.9 график зависимости максимальной скорости осаждения отрадиуса центрального канала показывает практический линейный рост.
Аппроксимирующаякривая достигнет нуля при ненулевом радиусе центрального канала. Это объясняется тем, что суменьшением радиуса центрального канала, при фиксированной геометрии и параметрах самойсистемы весь компонент A’ будет полностью расходоваться на осаждение на стенках этогоканала, не достигая подложки. Можно заключить, что хотя уменьшение радиуса улучшаетлокализацию осаждения на подложки, нецелевое расходование веществ на стенкахцентрального канала приводит к снижению скорости осаждения на подложку. Длянивелирования этого фактора необходимо менять физико-химические параметры системы(например препятствовать осаждению на стенках центрального канала за счет уменьшениятемпературы в нем) или геометрию микрореактора.Рисунок 4.10.9 – Зависимость максимальной скорости осаждения от RВ экспериментах №1, 61 и 63 сохранялось соотношение между H и R при увеличении ихабсолютных значений.
На рисунке 4.10.10 показана визуализация распределение компонента A’131в реакторах разной геометрии. На рисунке 4.10.11 показано распределение этого же компонентана оси микрореактора.Рисунок 4.10.10 – Визуализация распределения массовой доли вещества А’ по объемумикрореактора при различных значениях R и HРисунок 4.10.11 – Распределения массовой доли вещества А’ в микрореакторе при r=0 мкмИз представленных графиков следует, что общая концентрация компонента A’ по осиреактора увеличивается за счет уменьшения его потребления на стенках центрального канала сувеличением радиуса.
Также это приводит к увеличению концентрации A’ непосредственно надподложкой.132На рисунке 4.10.12 показано распределение скорости осаждения при различных размерахмикрореактора. На рисунке 4.10.13 показано как изменяется максимальная скорость осажденияв центре подложки при изменении линейных размеров.Рисунок 4.10.12 – Распределение скорости осаждения при различных значениях R и HРисунок 4.10.13 – Зависимость максимальной скорости осаждения от R и HВ рассматриваемом случае имеется взаимное противоположное влияние двух факторов,связанных с увеличением радиуса центрального канала и расстояния до подложки.
Первыйфактор приводит к повышению скорости осаждения, второй к еѐ уменьшению. Суммарно мынаблюдаем рост максимальной скорости осаждения, однако он меньше, чем в случае малогозазора между подложкой и микрореактором. Степень локализации осаждения значительноухудшается, поскольку в данном случае действие факторов, связанных с удалениеммикрореактора от подложки и расширением центрального канала действуют одновременно.
Впределе можно рассматривать реактор с очень большой шириной канала и очень большимзазором – обычный химический реактор для равномерного осаждения на пластину.133Экстраполяция полученных зависимостей для малых размеров показывает, что скоростьосаждения будет равна нулю при не нулевых значениях радиуса и зазора, однако эти значениябудут меньше, чем если бы зазор оставался постоянным. Это объясняется нецелевымрасходованием реагентов на поверхностные реакции в центральном канале. Для решения этойпроблемы необходимо изменить геометрию или параметры всей системы в целом.Рассмотрев три случая изменения геометрии микрореактора и получив данные обизменении распределения концентраций основных веществ и скорости осаждения для разныхслучаев можно заключить, что геометрия микрореактора в значительной мере влияет нахарактер получаемых распределений.
Показано существование предельных геометрическихсоотношений, при стремлении к которым скорость осаждения стремиться к нулю. Преодолениеэтих ограничений связано с необходимостью менять и другие параметры системы, для тогочтобы минимизировать нецелевое расходование газа в центральном канале.4.11. Выводы по главе 4В данной главе была исследована простейшая модельная химическая система длялокального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе. Было проанализировановлияние геометрии микрореактора, скорости движения газа, диффузии, скорости гомогенной игетерогенной химических реакций, и др.
параметров. Показано что все они играютсущественную роль в распределении компонентов в объеме реактора и скорости осаждения наподложку. Полученные данные показывают, что процесс микрореакторного осаждения являетсяреализуемым и управляемым. На основании результатов осаждения можно судить о физикохимических процессах, протекающих в системе. Процесс локального химического осажденияиз газовой фазы является сложным и многопараметрическим, поэтому для каждой конкретнойсистемы и реального исполнения микрореактора необходимо отдельно решать задачи пооптимизации процесса.134Глава 5.
Моделирование процесса осаждения тонких пленок кремния иарсенида галлия в микрореакторе. Практическое применениемикрореакторов с газовой фазой.В настоящей главе продолжают рассматриваться свойства процесса локальногохимического осаждения из газовой фазы в микрореакторе.
Технологические параметрысущественно зависят от используемой химической системы, поэтому мы рассмотрим двапримера процессов ХОГФ кремния и арсенида галлия. Это позволит лучше показать каквозможности микрореакторов, так и те проблемы, которые необходимо решать припрактической реализации такой технологии.
Мы не ставим перед собой задачу поиска каких-тооптимальных параметров процесса осаждения описанных материалов. Эта задача отдельныхисследований. Мы используем два примера для того, чтобы показать, что общиезакономерности поведения микрореактора, найденные и описанные в главе 4, могут бытьиспользованы для работы с конкретными химическими системами с некоторыми оговорками.Также в этой главе рассмотрены вопросы, связанные с практическим изготовлениеммикрореакторов разной геометрии по технологии микросистемной техники.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
