Диссертация (1143641), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Для этих целей возможноиспользовать интегрированный теплообменник, по которому протекает охлаждающая жидкостьили газ. Схема такого микрореактора с показана на рисунке 5.3.4.Рисунок 5.3.4 – Улучшенная схема микрореактора с одним центральным каналом иинтегрированным теплообменником153Технология изготовления микрореактора с интегрированным теплообменником не сильноусложняет процесс производства. Но при этом необходимо использовать как минимум 2кремниевые пластины для реализации слоев 2 и 1. Измененный технологический процессможет быть представлен следующей последовательностью:1. На кремниевой пластине 1 методом плазмохимического травления выполняется выемканад будущим центральном каналом, одновременно вытравливается канал охлаждения.2.Вкремниевойпластине2травлениемформируютсявыемкидляканаловтеплообменника и сквозной канал до будущей полости.
Для этого процесса можноиспользовать или 2 фотолитографии, одна из которых по рельефу, или технологию скрытоймаски. Изящным решением может являться способ травления, который в одном процессеформирует обе структуры, а разница в глубине определяется разной скоростью травления узкихканалов в темлообменнике и широких полостей в остальной части структуры.3. Кремниевые пластины 1 и 2 герметично соединяются друг с другом.4. В соединенной пластине со стороны пластины 2 вытравливается полость в слое 2.5. Кремниевая пластина соединяется с крышкой.6.
На кремниевой пластине со стороны пластины 1 методом плазмохимическоготравления выполняется формирование центрального канала.7. На кремниевой пластине со стороны пластины 1 методом плазмохимическоготравления выполняется формирование выемок в слое 1Б8. Формируются выводные отверстия в крышке и присоединяются газовые трубки.Технологический процесс не сильно усложняется, но он позволяет реализоватьполноценно функционирующую структуру микрореактора. Дополнительно в него может бытьинтегрирован датчик температуры, для создания более управляемой и прецизионной системы.Посколькувопросыраспределениятемпературысущественнозависятотеометриимикрореактора, условий его эксплуатации и других факторов, мы, в общем случае, не можемуказать параметры интегрированного теплообменника.
Вопрос требует детального решения вкаждойконкретнойзадаче.Реализацияинтегрированноготеплообменникапозволитзначительно улучшить параметра микрореактора.Вопросы эксплуатации микрореакторов для локального осаждения из газовой фазы.Рассмотрев основные принципы функционирования микрореактора для локальногоосаждения из газовой фазы, показав его свойства для конкретных химических систем ипрезентовав варианты конструкций и технологических схем производства, можно обсудитьпроблемы, связанные с его использованием.154Ключевым вопросом, который может возникнуть в ходе рассмотрения этой темы, являетсявопрос о деградации материала микрореактора в процессе использования.
Т.е. речь идет о том,на сколько долго сохраняются геометрические размеры микрореактора, особенно в егокритических частях. Эта проблема может проявиться, если на стенках центральногомикроканала происходит процесс осаждения вещества. Со временем это может привести куменьшению его сечения и нарушению общей картины потоков в микрореакторе.Для преодоления этого негативного явления можно рассмотреть следующие подходы.1. Управление скоростью осаждения на стенках микрореактора за счет модификацииповерхности.
Известно, что осаждение или рост тонких пленок зависит от свойств самойповерхности. Если для используемой химической системы известны материалы, на которыхосаждение происходит с очень малой скоростью, то целесообразно покрыть этими материаламистенки микрореактора с местах с критическими размерами.2. Управление скоростью осаждения материала на стенках микрореактора за счетуменьшения его температуры.
Это также будет положительно сказываться и на расходованиигазов, которые будут осаждаться преимущественно на подложке, а не на стенкахмикрореактора. Для этого в конструкции микрореактора и предусмотрен теплообменник. Егоиспользование позволит поддерживать температуру в микрореакторе на необходимом уровне,замедлив осаждение материала на стенках центрального канала.3. Еще одним вариантом решения этой проблемы является разделение газовых потоков.Если химическая система такова, что материал может осадиться только при смешении двухкомпонентов, то можно разработать такую конструкцию микрореактора, в которой образованиеэтой смеси было бы максимально приближено к выходу из него.
В пределе такое смешениеможет происходить уже в объеме между реактором и подложкой, для чего можно использоватьдва расположенных рядом микроканала.4. Для микрореакторов всех типов возможно решение этих проблем путем простойпериодической чистки. В микрореактор подается вещество в жидком или газообразномсостоянии, которое селективно травит осаждаемый материал, но не травит саму структурумикрореактора. Такая обработка позволяет восстановить начальную геометрию системы и еѐработоспособность.Применение каждого из приведенных методов отдельно или в системе позволяет решитьпроблему изменения геометрических размеров при длительной эксплуатации. Остальныевопросы, связанные с работой в условиях тепловых циклов, контролем герметичности системы,стойкости к внешним воздействующим факторам не являются существенными, и могут бытьрешены по мере их появления традиционными средствами и приемами, используемыми втехнологии микроэлектроники и микросистемной техники.1555.4.
Применение микрореакторов для локального осаждения материалов изгазовой фазыВ этом разделе мы остановимся на перечне возможных применений разработаннойтехнологии локального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе. Можновыделить две большие сферы применения микрореакторов: (1) осаждение функциональныхслоев в микросистемах для практического использования, (2) осаждение функциональных слоевв исследовательских целях.5.4.1 Применение микрореакторов для осаждения функциональных слоев вмикросистемах.Основным свойством микрореакторов является возможность проведения локальногоосаждения функциональных слоев.
Это позволяет формировать топологический рисунокзаданной геометрии без использования операций фотолитографии. Этот способ обычноназывается прямым подходом к формированию структур, в английской терминологии «directwriting» [c 93, 109]. В отличие от известных подходов в виде лучевой литографии, в т.ч. сиспользованием лазеров или пучков, где прямое формирование рисунка используется толькодля экспонирования фоторезиста, технология микрореакторного осаждения позволяет осаждатьфункциональные покрытия.
Рассмотрим несколько конкретных примеров, где этот фактявляется принципиально важным.Получение функциональных покрытий на непланарных поверхностях.В практике производства капсулированных МЭМС устройств на структурах стеклокремний-стекло возникает задача металлизации выводных отверстий, которые сформированы встекле.
На рисунке 5.4.1 показана фотография сечения такой структуры.а)б)Рисунок 5.4.1 – СЭМ изображение сечения выводного отверстия в стекле: (а) общий видотверстия; б) отрицательный наклон стенки на нижней кромки поверхности стекла156Основной проблемой традиционной реализации данной технологии является то, что краяотверстия в нижней его части имеют отрицательный наклон стенок. При формированииметаллического слоя путем физического распыления или химического осаждения, в этихместахнепроисходитформированияметаллизации,врезультатечегоотсутствуетэлектрический контакт к кремнию, который формирует дно отверстия.
Металлизацияпроисходит на всей поверхности пластины, а для формирования рисунка на поверхностинеобходимо проводить операции фотолитографии. С учетом существенного рельефаповерхности (существование отверстий) традиционные способы нанесения фоторезиста путемцентрифугирования не подходят. Приходится использовать спреевое нанесение, котороехарактеризуется большой неравномерностью и значительным количеством дефектов.Применение технологии микрореакторного осаждения позволяет напрямую решитьданную проблему. Наименьший диаметр отверстий лежит в диапазоне 200-300 мкм, легкопредставить микроструктуру, которая бы целиком помещалась во внутренний объем отверстияи производила бы конформное осаждение металлического слоя. Таким же методом можноформировать и токопроводящие дорожки на самой поверхности пластины, исключая операциифотолитографии и травления.Развивая описанную идею можно говорить, что технология микрореакторного осажденияреализует процессы формирования функциональных слоев на хрупких структурах.
Так,например, в показанном на рисунке 5.4.2 схеме ВЧ МЭМС переключателя необходимосформировать металлизацию на вертикальных стенках структуры после еѐ освобождения.Рисунок 5.4.2 – Схема микромеханического ВЧ переключателяВ обычном случае необходимо наносить металлизацию на всю пластину с последующейлитографией и травлением. Подвижная МЭМС структура повреждается при проведенииопераций жидкостной обработки пластин, которые неизбежно присутствуют при этихпроцессах. По этой причине повышается процентбрака. Наиболее проработанныйтрадиционный вариант решения этой проблемы – использование свободной маски в процессе157напыления. Она представляет собой пластину толщиной от 50 до 200 мкм, в которойсформированы отверстия в местах где необходимо сформировать функциональный слой, а самамаска механически крепится к пластине в процессе металлизации.
Стоит отметить, что сиспользованием данной технологии невозможно получить структуры с четкой границейфункционального покрытия. Минимальные разрешаемые размеры составляют порядка 50-100мкм, а за один раз сформировать слой с замкнутым контуром невозможно.Технология микрореакторного осаждения, при существенно лучших минимальныхразрешаемых размерах, не имеет других недостатков, поэтому еѐ использование для решениятаких задач является очень привлекательным.Еще один практически важный пример, где технология микрореакторного осажденияможет быть успешно применена – осаждение чувствительных слоев в газовых сенсорах.На сегодняшний день резистивные газочувствительные сенсоры нашли широкоеприменение в качестве датчиков для контроля среды обитания человека, в технологическихпроцессах и других областях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
