Диссертация (1143641), страница 27
Текст из файла (страница 27)
Можно сказать, что для изготовления самихмикрореакторовнеобходимоиспользоватьвесьарсеналтехнологическихсредствмикросистемной техники. Мы не будем углубляться в технологические особенности каких-токонкретных операций, а покажем только примеры технологических схем, следуя которымможно изготовить микрореактор. Мы не говорим о вопросах оптимизации технологическойсхемы, и не утверждаем, что предлагаемые в настоящем разделе решения являютсяединственными верными или возможными.
Цель - дать общее представления о том, какмикрореактор может быть реализован, показать практическую возможность его изготовления.Одновременно обратим внимание на специфические вопросы связанные с изготовлением иэксплуатацией микрореакторов.Общая схема технологического оборудования для локального осаждения тонких слоев наподложке с использованием микрореактора показана на рисунке 5.3.1.Рисунок 5.3.1 – Схема технологического оборудования для локального создания тонкихпленок в микрореакторе по технологии ХОГФТехнологическоеоборудованиедлямикрореакторногоосажденияможетбытьмодернизировано из оборудования для традиционного ХОГФ. Это обусловлено тем, что онодолжно включать вакуумную камеру, систему подачи газов, систему откачки, столикподложкодердатель,позволяющийнагреватьподложкудонеобходимыхтемператур.149Конкретное исполнение зависит от проводимого процесса, используемых химических веществи других параметров.Ключевым элементом, который должен быть добавлен для возможности использованиямикрореактора,являетсясистемапозиционирования.Онаперемещаетмикрореакторотносительно подложки в соответствии с командами системы управления.
Точностьперемещения должна быть порядка 1 мкм по всем координатам. Микрореактор должен бытьсоединен с системами, обеспечивающим его функционирование: трубопроводы подачи газа иоткачки, электрические выводы и трубопроводы для охлаждения/нагрева при необходимости.Процесс проведения локального химического осаждения в микрореакторе заключается вустановлении во всей системе заданных условий проведения процесса (давление, температураподложки, контролируемая газовая среда и др.), с последующим перемещением микрореакторанад поверхностью подложки, в ходе которого и происходит локальное осаждение.
Деталифункционирования зависят от конкретного технологического оборудования, используемойхимической системы и других специальных условий.Перейдемотописаниятехнологическогооборудованияцеликомкконкретнойконструкции микрореактора. В предыдущем разделе мы рассматривали только основнуюфункциональную его часть в виде центрального канала. Микрореактор целиком устроен болеесложно, в зависимости от включения в него дополнительных систем.
Рассмотримпоследовательно усложняющиеся варианты конструкций и технологические производства.Простой микрореактор с одним центральным каналом.Можно рассмотреть простейшую конструкцию микрореактора, показанную на рисунке5.3.2. Изображение дано схематично, без соблюдения пропорций и масштаба.Рисунок 5.3.2 – Схема простого микрореактора с одним центральным каналом150Микрореактор состоит из трех слоев. В слое 1 сформирован центральный канал в видецилиндрического отверстия диаметром, например 10 мкм. Слой в котором этот каналсформирован является стенкой микрореактора. В верхней части канал соединяется с полостьюдостаточно большого размера, по которой происходит подача и смешение (при необходимости)газов.
Герметизирует систему крышка – слой 3, в которой сделаны внешние выводныеотверстия (на рисунке показано только одно), которые герметично соединяются с трубками, покоторым подаются рабочие газы. Геометрические размеры микрореактора определяются двумяфакторами. Внешний размер определяется возможностью подсоединения газовых трубок,который могут иметь диаметр от 100 до 1000 мкм. В зависимости от того, как близко они могутбыть расположены друг к другу, определяется внешний габарит микрореактора.
Примерытолщины слоев указанных на рисунке, даны для случая применения стандартных пластин изкремния или стекла, толщины которых обычно лежат в пределах 100-500 мкм.Процесс изготовления микрореактора такой конструкции достаточно простой:1. В исходной кремниевой пластине выполняется травление выемки в слое 2.2 Кремниевая пластина соединяется с крышкой – кремниевой или стеклянной пластиной.3. На кремниевой пластине методом плазмохимического травления выполняетсяформирование центрального канала в слое 1.4.
В крышке формируются выводные отверстия и присоединяются газовые трубки.Диапазон возможных геометрических размеров в такой конструкции ограничентехнологическими возможностями и механической прочностью системы. Так в указанномпримере центральный канал имеет диаметр 10 мкм, глубину 50 мкм, аспектное соотношение 5.С учетом того, что технологически возможно проводить травление с аспектным соотношениемдо 20, можно или увеличивать толщину слоя 1, или уменьшать размер канала.Для увеличения точности соблюдения заданной геометрии микроструктуры необходимосоздавать стоп-слои для травления. Это может быть диффузионный слой в эпитаксисальныхкремниевых пластинах при формировании выемок методом жидкостного травления. В случаеиспользованияплазмохимическоготравленияможнорекомендоватьиспользоватьмногослойные пластины кремний-на-изоляторе.
Изолятор (чаще всего оксид кремния)выступает в роли стоп слоев при травлении, позволяя контролировать с высокой точностьюгеометрию микросистемы. При необходимости в объеме выемки могут быть выполненыдополнительные микроструктуры, например микромиксеры, или какие-то датчики, которыемогут контролировать различные параметры микрореактора (давление, температуру и др.).У данной конструкции есть несколько недостатков.
При малой толщине слоя 1, с учетомбольшой площади, он становится подверженным механической деформации. Этого можно151избежать, если добавить дополнительные «пермычки» между ним и крышкой. Однако даже вэтом случае тяжело реализовать этот слой толщиной менее 10 мкм.Второй недостаток – нижняя граница микрореактора имеет размеры всего чипа, которыекак уже было сказано, имеют порядок более 1 мм. (необходимо для внешних соединенийгазовых вводов). При этом получается, что зазор между подложкой и стенкой микрореактораявляется постоянным и достаточно малым. Это может приводить к проблемам, связанным снарушением заданной картины потоков газа.Для решения этих проблем можно предложить еще две конструкции микрореактора.
Впервом варианте, показанном на рисунке 5.3.3(а), слой 1 разделяется на части (А и Б). Такаяконструкция позволяет увеличить зазор между пластиной и стенкой микрореактора в нецелевойобласти (например, при r>75 мкм). В зависимости от толщины исходного слоя 1, можноувеличить зазор в 3-5 раза (например с 10 мкм до 30-50 мкм).
Такое решение не требуетслишком большого изменения технологической схемы производства. Добавляется только 1цикл формирования слоя 1Б (литография и травление).Если необходимо еще больше увеличить зазор между подложкой и стенкоймикрореактора в нецелевой зоне, требуется вводить дополнительный слой, который будемобозначать 1В. В итоге мы получаем конструкцию показанную на рисунке 5.3.3(б).(а)(б)Рисунок 5.3.3 – Улучшенная схема микрореактора с одним центральным каналомРеализация такой конструкции требует изменения технологии производства. Можнопредложить такую последовательность операций:1.
В качестве исходной пластины берется «толстая» кремниевая пластина, в которойформируются выемки в слое 2.2. Формируется более глубокая выемка над будущим центральным каналом3. Кремниевая пластина соединяется с крышкой – кремниевой или стеклянной пластиной.1524. На кремниевой пластине методом плазмохимического травления выполняетсяформирование центрального канала.5. На кремниевой пластине методом плазмохимического травления выполняетсяформирование выемок в слое 1Б.6. Формируется выводные отверстия в крышке и присоединяются газовые трубки.В реализации такого технологического процесса возможны проблемы, связанные снеобходимостью выполнения травления по уже сформированному рельефу (операции 2 и 5).Это требует или выполнение операций фотолитографии по рельефу, или использованиятехнологии скрытых масок.
Как и в предыдущем случае, для лучшего контроля можноиспользовать специализированные пластины кремний-на-изоляторе.Возможна реализация такой конструкции с использованием не одной а двух кремниевыхпластин. В кремниевой пластине 1 содержатся слои 1А, 1Б, 1В. На второй кремниевой пластиневыполняется слой 2. При этом добавляется процесс соединения двух кремниевых пластин.Микрореактор с одним каналом и интегрированным теплообменником.Дальнейшее развитие конструкции микрореактора идет по пути интегрированиядополнительных элементов. Одним из необходимых элементов является теплообменник.,необходимый для поддержания заданной температуры микрореактора.
Часто в процесселокального химического осаждения необходимо охлаждать микрореактор, что связано снеобходимостью уменьшить степень разложения газов на поверхности внутренних стенокмикрореатора. Как показано в главе 4, этого можно добиться путем уменьшения температуры.Микрореактор изготавливается из кремния, материала с высокой теплопроводностью, и задачазаключается в организации съема тепла с микрореактора в целом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
