Диссертация (1143641), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Размерности параметров реакции даны в системе кмоль, м, с, К.141В качестве исходной геометрии микрореактора использовалась модель из численногоэксперимента №1 из главы 4. Параметры системы также использовались из данного численногоэксперимента за исключением следующих изменений:- Состав входной газовой смеси ω0(TMGa) = 0,001, ω0(AsH3) = 0,06, и ω0(H2) = 0,939;- Число Шмидта Sc= 0,85;- Теплопроводность газовой среды = 0,009 Вт/м∙К;- Температура подложки и стенок реактора Tsub=Tw= 1000 К;- Скорость газового потока на входе =5 м/с;- H1=50 мкм.На рисунке 5.2.1 показано распределение скорости и массовой доли основныхкомпонентов в микрореакторе.(а)(б)(в)(г)(д)(е)Рисунок 5.2.1 – Визуализация распределения основных переменных по объему микрореактора:(а) скорость; (б) массовая доля TMGA; (в) массовая доля DMGA; (г) массовая доля VMGA; (д)массовая доля AsH3; (е) массовая доля AsH2142Среди рассматриваемых веществ выделяем исходные TMGA, AsH3, концентрация которыхзначительно понижается уже в центральном канале за счет гомогенных химических реакций.Интереснорассматриватьосновныепромежуточныекомпоненты,которыеявляютсяпродуктами распада, одновременно становясь исходными веществами для других, в том числе иповерхностных, реакций.
К основным таким компонентам относятся DMGA, MMGA, AsH2.Общая картина схожа с распределением компонентов в модельном реакторе, рассмотренном вглаве 4. Основные процессы происходят в центральном канале, где достигаются максимумыконцентраций.Для проведения сравнения распределений веществ, концентрации которых отличаются напорядки, построен график распределения массовых долей компонентов на оси реактора,который показан на рисунке 5.2.2(а).
В районе подложки наблюдаются достаточно высокиеконцентрации MMGA, AsH2. Расположение максимумов и наклон кривых зависят от кинетикиреакций, связанных с рассматриваемыми компонентами. Не менее важным являетсяраспределениеконцентрациикомпонентоввдольрадиусанадподложкой.Согласнотеоретической модели реактора с осевой симметрией (описанной в главе 2), концентрациихимических компонентов будут уменьшаться, поэтому на графиках удобно использоватьлогарифмический масштаб, как показано на рисунке 5.2.2(б).(а)(б)Рисунок 5.2.2 – Распределение массовой доли компонентов в реакторе:(а) r=0 мкм; (б) h=5 мкмMMGA и AsH2 распространяются от оси реактора дальше, по сравнению с другимикомпонентами.
Являясь участниками поверхностных химических реакций, они предопределяютнаблюдаемый профиль скорости осаждения, который представлен на рисунке 5.2.3.143Рисунок 5.2.3 – Распределение скорости осаждения GaAs по подложкеМаксимальная скорость осаждения арсенида галлия в микрореакторе рассматриваемойгеометрии и при указанных параметрах составляет 0,06 нм/мин. Локализация областиосаждения наблюдается, однако даже к концу микрореактора скорость уменьшается не до нуля,а до величины около 0,005 мкм/мин. Локализация может быть улучшена путем варьированиятехнологических параметров процесса только в ограниченных пределах, поэтому дляпреодоления этих ограничений мы будем изменять геометрию микросистемы.
В первом случаеуменьшим радиус центрального канала с 10 мкм до 5 мкм. Остальные параметры системыоставляем неизменными. На рисунке 5.2.4 показано, как изменились массовые доли основныхкомпонентов в радиальном сечении микрореактора над подложкой. Наблюдается существенноеускорение падения концентраций основных компонентов.
Для TMGA и AsH3 падение массовойдоли в 10 раз происходит на расстоянии около 25 мкм от оси, в то время как для центральногоканала радиусом 10 мкм, эти же величины достигаются на расстоянии около 35 мкм.Уменьшение радиуса центрального канала приводит к уменьшению скорости осаждения, чтоможно наблюдать на графике, представленном на рисунке 5.2.5.Рисунок 5.2.4 – Распределение массовой доли компонентов в реакторе при h=5 мкм и R=5 мкм144Рисунок 4.2.5 – Распределение скорости осаждения GaAs по подложкеМаксимальная скорость осаждения уменьшается примерно в 6 раз.
К концумикрореактора скорость осаждения остается заметной, хотя степень локализации улучшилась(ширина на половине высоты в этом случае достигается при r=14 мкм, против 18 мкм, в случаеесли радиус центрального канала равняется 10 мкм). Если для практических целей получаемаялокализация области осаждения не достаточна, необходимо принимать дополнительные мерыпо еѐ улучшению. Для этого можно предложить кардинальное изменение геометриимикрореактора.
Введем дополнительный кольцевой канал, по которому будет происходитьоткачка. Схема новой конструкции микрореактора и потоков в нем показаны на рисунке 5.2.6.Рисунок 5.2.6 – Схема микрореактора с дополнительным кольцевым каналом откачкиСмысл данного изменения геометрии заключается в попытке изменить направлениепотоков газа в микрореакторе над подложкой, с целью уменьшить область распространениявеществ вдоль радиуса. Если мы вводим кольцевой микроканал, в котором поддерживаетсяпониженное давление, то через него будет откачиваться газ, поступающий в область над145подложкой через центральный канал.
Для получения устойчивого течения необходимоорганизовать противопоток из части микрореактора, которая ранее была выходом из него. Мыполучаем, что поток диффузии газовых компонентов направлен от оси симметрии реактора внаправлении увеличения r, а газовый поток направлен в противоположную сторону.
Этодолжно способствовать увеличению локализации веществ в области между центральнымканалом и кольцевым каналом откачки. Получаемая картина потоков показана на рисунке5.2.7(а). На рисунках 5.2.7(б)-(е) визуализировано распределение компонентов в микрореакторе.Как следует из представленных распределений, локализация газов усилилась.
Длячисленной оценки изменений построим графики распределения массовых долей по осимикрореактора, а также вдоль подложки при h=5 мкм. Эти данные показаны на рисунке 5.2.8.(а)(б)(в)(г)(д)(е)Рисунок 5.2.7 – Визуализация распределения основных переменных по объему микрореактора:(а) скорость; (б) массовая доля TMGA; (в) массовая доля DMGA; (г) массовая доля VMGA; (д)массовая доля AsH3; (е) массовая доля AsH2146(б)(а)Рисунок 5.2.8 – Распределение массовой доли компонентов в реакторе:(а) r=0 мкм; (б) h=5 мкмГрафики, по сравнению с представленными ранее на рисунке 5.2.2, показываютуменьшение концентрации всех рассматриваемых компонентов в области над подложкой.Можно отметить существенное изменение формы графиков распределения компонентов вдольрадиуса. Наблюдается уменьшение как значений массовых долей, так и изменение формыграфиков, что свидетельствует о сокращении концентраций всех компонентов в областибольших радиусов.
Однако наличие противоположного газового потока в этой области реакторане приводит к нулевым концентрациям компонентов на выходе из реактора. Это обусловленодостаточно большим вкладом диффузии в суммарный поток веществ вдоль радиуса. Этосказывается на профиле скорости осаждения, который показан на рисунке 5.2.9.Рисунок 5.2.9 – Распределение скорости осаждения GaAs по подложке (микрореактор сдополнительным колцевым каналом откачки)Вотличиеотпредыдущихрассматриваемыхслучаев,скоростьосаждениявмикрореакторе при больших значениях радиуса практически равна нулю. При этоммаксимальная скорость осаждения в центре не изменилась по сравнению со случаеммикрореактора без дополнительного канала откачки, но такого же радиуса (см.
рисунок 5.2.5).147Для детального сравнения рассмотренных трех случаев геометрии микрореактора построимпрофили скорости осаждения на едином графике, показаном на рисунке 5.2.10.Локализация осаждения улучшается с уменьшением радиуса центрального канала с 10мкм до 5 мкм, но форма профиля меняется непринципиально. Для больших радиусов скоростьосаждения все равно остается существенной.
Введение кольцевого канала откачки и изменениекартины потоков практически не влияет на ширину и форму пика скорости осаждения прималых радиусах, но кардинально уменьшает скорость при больших радиусах.Рисунок 5.2.10 – Распределение скорости осаждения GaAs по подложке для микроеракторовразной геометрииСуществует возможность изменять профиль распределения скорости осаждения, чтопоказано на примере процесса ХОГФ арсенида галлия. Для заданной геометрии микрореакторасуществуют свои пределы вариации скоростей осаждения и степени локализации. Для простойгеометрии с одним центральным каналом детально исследованы эти пределы на модельныхсистемах, что описано в главе 4. Правильность полученных выводов иллюстрируютприведенные в главе 5 два примера реальных систем осаждения кремния и арсенида галлия.Для предложенной новой геометрии микрореактора с дополнительным каналом откачки иизмененной картиной газовых потоков, показано, что выбранная конструкция позволяетулучшить локализацию осаждения.
Основным выводом, который может быть получен изпредставленных данных является то, что процесс локального осаждения из газовой фазы непросто реализуем, но и управляем. Проводя оптимизацию как технологических параметров, таки геометрии микрореактора, можно настраивать процесс для решения специализированныхзадач. Все это еще раз подчеркивает плюсы данной технологии и дает основания полагать, чтопроведение исследований и разработок данной темы является перспективным направлениемразвития технологий микросистемной техники.1485.3. Конструкция, технология изготовления и вопросы практическогоиспользования микрореакторов для химического осаждения из газовой фазыРассмотрев разнообразные модели химического микрореактора для локального осажденияи показав их свойства, в том числе на примере двух практически важных и значимыххимических систем (кремния, арсенид галлия), перейдем к вопросам непосредственногопрактического изготовления микрореакторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
