Диссертация (1143641), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Далее можно опять провести измерения параметров колебаний и очередной этапосаждения, до тех пор, пока массы не уравновесятся или не будут достигнуты другие целевыепоказатели.Приэтомимеетсявозможностьполучитьструктурысуникальнымихарактеристиками, недостижимыми традиционными технологиями.Аналогичныйметодподстройкипараметровэлектрическогосопротивлениятонкопленочных резисторов успешно применяется на практике. Мы просто расширяем сферыприменения этого подхода, переходя от электрических схем к системам, использующим другиепринципы (механические колебания как в этом примере). При этом с применением методовлокального осаждения в микрореакторе также возможна работа и с электрическимикомпонентами (в т.ч. емкостями).Последним примером использования микрореакторов является создание многослойныхтопологическихструктур.Всовременныхмикроэлектронныхкомпонентахчислофункциональных слоев может составлять около 200-300 шт, включая до 50-100 операций161фотолитографии.
Дальнейшее усложнение таких систем ограничивается накоплением дефектов.Еще один принципиальный недостаток групповой технологии – одинаковое число слоев во всехэлементах на пластине. Т.е. если один чип имеет сто слоев, то все остальные элементы тожедолжны иметь это же число слоев, пусть даже не имея в них топологических элементов. Инымисловами затруднительно создать на одной пластине чип со 100 слоями и чип с 10 слоямиодновременно.
Более того невозможно варьировать толщину и свойства слоев в каждом чипе поотдельности.Применение технологии микрореаткорного осаждения позволяет решать эту проблему.Создавая на каждом чипе индивидуально необходимое число функциональных слоев, можно нетолько увеличить их суммарное число, по нашим оценкам, до уровня в несколько тысяч, но иполучить возможность независимо менять толщину каждого слоя в каждом изделии. Этооткрываетновыевозможностипосозданиюпринципиальноновыхустройствмикроэлектроники и микросистемной техники.Технологиямикрореакторногоосажденияизгазовойфазыпозволяетрешатьтехнологические проблемы современного производства, изготавливать принципиально новыеустройства микросистемной техники, которые не могут быть созданы на основе традиционныхтехнологий.5.4.2. Применение микрореакторов для исследования процесса химическогоосаждения из газовой фазыОсобенности технологии микрореакторного осаждения позволяют использовать еѐ вкачестве нового инструмента для изучения и оптимизации самой технологии химическогоосаждения из газовой фазы.Анализ литературы, посвященный общим вопросам развития технологии химическогоосаждения из газовой фазы показал, что современный этап развития этого метода имеетследующие особенности:1.
Широкая номенклатура осаждаемых материалов. Число веществ, которые можнополучить методом ХОГФ составляет несколько сотен [115].2. Неоднородность научных знаний. Существует большое число работ по исследованиюсоединений, используемых при производстве высокотехнологичных изделий (SiO2, Si3N4, TiO2,C, SiC, GaAs, Ni и др.). Другие вещества исследованы слабее, доходит до того, что поосаждению некоторых материалов имеется не более десятка работ, как например для ZrB2 [116].3.
Сложность и недостаточная изученность всех физико-химических процессов,происходящих во время осаждения из газовой фазы. Процесс ХОГФ включает множество162явлений на разных пространственных и временных масштабах, поэтому его детальное изучениеочень сложно.Данные особенности приводят к тому, что разработка новых технологических процессовХОГФ сталкивается с существенными практическими трудностями. Большинство из них можносвести к решению задачи оптимизации технологии для получения покрытий с заданнымифизико-химическими свойствами. На сегодняшнем этапе развития ХОГФ задача оптимизациинаиболее часто встречается в научной и инженерной практике.Можно сформулировать основную проблему современной технологии ХОГФ – отсутствиеобщей теоретически обоснованной модели технологического процесса, которая имела быдостаточную точность в описании имеющихся экспериментальных данных и была бы пригоднадля решения задач оптимизации.
В настоящий момент нет обобщенных подходов, которыепозволили бы проводить оптимизацию технологического процесса ХОГФ по свойствамполучаемых покрытий или другим параметрам.Для исследования причин существования проблемы сформулируем этапы построениязадачи оптимизации в технологии ХОГФ.
С практической точки зрения на первом этапеформулируются требования к функциональным свойствам покрытия, причем рассматриваетсяне единичный параметр, а целый набор свойств, поэтому в общем случае мы имеет задачумногопараметрической оптимизации. На втором этапе могут формулироваться требования кпленке на микро уровне, например, ограничения по составу, примесям, дефектам и др. Натретьем этапе происходит выбор основной технологической схемы процесса ХОГФ, т.е.
выборисходных веществ, способа инициации химической реакции, оборудования. На основе этогоопределяется число важных технологических параметров и границы диапазона их изменений.Далееможносформулироватьзадачуоптимизации:необходимонайтисочетаниетехнологических параметров процесса ХОГФ, обеспечивающих осаждение пленки с наборомтребуемых характеристик, отличающимися от заданных в пределах допуска.Упростить задачу можно путем использования дискретного набора возможных значенийаргументов, т.е.
рассматривать некоторый массив точек во всей области изменениятехнологических параметров. При этом каждая точка соответствует условиям проведенияконкретного опыта по ХОГФ.В таком случае возможно прямое решение задачи оптимизации, которое заключается впроведении экспериментов во всех точках рассматриваемой области изменения параметров,послечегопоизмереннымсвойствамосажденнойпленкивыбираютсязначения,удовлетворяющие поставленным условиям задачи. Можно оценить число необходимых опытовпо осаждению, если в качестве основных технологических параметров рассматриватьтемпературу подложки, давление, расход газа, химический состав газовой смеси (например из1632-х независимых компонентов).
Всего 5 параметров. Если каждый параметр может приниматьтолько 10 различных значений, то общее число необходимых для проведения опытов составит105. При традиционном подходе к выполнению опытов по ХОГФ провести 10 5 экспериментовпри разумном количестве затрачиваемых ресурсов невозможно.
Следует вывод – практическоерешение задачи оптимизации процесса ХОГФ проводится при существенном дефицитеэкспериментальной информации. Эта ключевая характеристика современного состоянияисследований, которая напрямую влияет на возможности решения задачи.Для коренного изменения сложившейся ситуации необходим новый подход к проведениюэкспериментов по ХОГФ, который позволил бы провести более 105 опытов при использованииразумного количества ресурсов. Новый подход должен удовлетворять следующим условиям:1.
Малая стоимость одного эксперимента. В стоимость проведения процесса включается истоимость технологических материалов (газов, материала подложки). Т.е. на один процессдолжно затрачиваться очень малое количество материалов.2. Максимальная автоматизация процесса осаждения и процесса исследования свойствполученных материалов. Автоматизация позволяет снизить трудозатраты за одну операцию(понизить еѐ стоимость).Анализируя данные требования можно придти к описанию единичного эксперимента поХОГФ в соответствии с новым подходом.Новый технологический процесс ХОГФ использует автоматическую технологическуюлинию, в которой на поверхность подложек происходит осаждение тонкой пленки такимобразом, что на это тратится минимальное количество газовых реагентов, а само осаждениепроисходит на маленькой площади подложки, как бы «точечно». При этом область осаждениядолжна передвигаться относительно подложки, по аналогии с тем, как головка струйногопринтера формирует массив точек из чернил на поверхности бумаги.
Для анализа этого массиваиспользуется технологическое оборудование, которое позволяет в автоматическом режимеделать сканирование подложки и картографию. Этот процесс является стандартным напредприятиях производящих микроэлектронику. Единственный недостающий компонент,который не позволял реализовать методику, заключался в способе «точечного» осаждения.Именно в решении этого вопроса и предлагается использовать технологию локальногоосаждения в микрореакторе. Как уже было доказано в работе, применение микрореакторапозволяетпроводитьлокальное,«точечное»осаждениематериаланаподложку.Соответственно он является основным рабочим элементом технологической линии дляпроведения большого количества опытов по ХОГФ.При этом можно выделить два аспекта применения микрореакторного осаждения вкачестве мощного инструмента для проведения научных исследований:164Первый аспект – возможность проведения большого числа экспериментов по осаждению,с затратой разумного количества ресурсов.
Для численной оценки представим, что в качествеподложки применяются пластины диаметром 100 мм (стандартный размер). Будем считать, чтопри использовании микрореактора можно проводить осаждение в области диаметром 100 мкм.Для исключения взаимного влияния соседних точек расположим их на расстоянии 1 мм друг отдруга. Соответственно на одной подложке можно расположить более 7000 областей осаждения(экспериментов с разными условиями). Для покрытия выборки из 10 5 опытов необходимоиспользовать всего 15 пластин.
(Разумное количество даже для лабораторного исследования);Второй аспект – детальное изучение профилей скорости осаждения материала наподложку для получения информации о физико-химических особенностях технологическогопроцесса. Как уже было показано в главе 4, на профиль осаждения влияют не только внешниепараметры в виде расхода газа, температуры и геометрии реактора, но и параметры химическойкинетики гомогенных и гетерогенных реакций, параметры диффузии.
Можно решать иобратную задачу, по полученным профилям скорости осаждения получать информацию окинетике протекающих процессов. При этом, с учетом малых размеров системы, возможнонаблюдать быстропротекающие процессы.Технология локального химического осаждения из газовой фазы с применениеммикрореакторов представляет собой мощный инструмент для исследователя. С еѐ помощьюможно получить огромное число новых систематических экспериментальных данных, которыеможно использовать, как для непосредственного применения, так и для обобщения припостроении теоретически обоснованной модели технологического процесса ХОГФ.
Кромеэтого инструмент позволяет по-новому проводить исследование физико-химических процессов,протекающих в системе. Мы полагаем, что в ближайшем будущем стоит ожидать активногоприменениятехнологиимикрореакторногоосаждениявкачествеисследовательскогоинструмента.Логика развития этого метода органично вписывается в современные тренды химическойтехнологии, в частности это касается применения подходов комбинаторной химииорганических соединений для поиска новых биологически активных веществ и лекарственныхпрепаратов. Здесь можно заметить полную аналогию в постановке проблемы – необходимостисистематически синтезировать сотни тысяч новых веществ в поисках оптимальных форм; вприменяемом методе решения этой проблемы – уход от синтеза в лабораторных сосудахбольшого объема к синтезу на планшетах и микропробирках с применением минимальныхобъемов исходных веществ и полной автоматизацией процесса.
Видя такую аналогию можноговорить теперь о том, что появление метода локального осаждения в микрореакторах являетсязакономерным, с точки зрения законов развития технических систем. Наиболее важной сферой165его применения становится поиск новых материалов, в том числе катализаторов для топливныхэлементов и других применений.5.5. Выводы по главе 5В настоящей главе продолжено рассмотрение микрореакторов для химическогоосаждения из газовой фазы. Рассмотрение перенесено в плоскость вопросов практическогоприменения. Изучены две реальные химические системы для осаждения кремния и арсенидагаллия. Показано, что осаждение данных материалов в микрореакторе возможно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
