Диссертация (1143641), страница 31
Текст из файла (страница 31)
На основанииполученных в главе 4 общих закономерностей поведения микрореактора, предложеныизменения в технологических параметрах, которые привели к существенному улучшениюстепени локализации. Для системы осаждения арсенида галлия был рассмотрен микрореактор сизмененной геометрией и введенным дополнительным каналом откачки. Такие измененияулучшили локализацию веществ в микрореакторе, не повлияв на скорость осаждения.Рассмотрены примеры возможных конструкций микрореакторов, начиная от простойсистемы с одним каналом и заканчивая микрореактором с интегрированным теплообменником.Предложены технологические схемы изготовления микрореакторов с применением технологиймикросистемной техники, описаны возможные проблемы эксплуатации, и предложенныварианты их решения.В заключительной части внимание уделено вопросам практического применениямикрореакторов.
На множестве примеров показано, что технология микрореакторногоосаждения может эффективно решать технологические проблемы серийного производствасовременных изделий микросистемной техники, заменяя неэффективные традиционныетехнологии. Технология микрореакторного осаждения позволяет создавать целый класс новыхизделий микросистемной техники с уникальными характеристиками. Показано, что сам методможет быть мощным исследовательским инструментом.
С его помощью можно решитьпроблемы дефицита экспериментальной информации в технологии ХОГФ, исследоватьпротекающие во время осаждения физико-химические процессы. Все это позволяетсущественно расширить сферу применения технологии химического осаждения и получитьбольшое количество новых материалов с уникальными свойствами.166Глава 6. Разработка микрореакторов с жидкой фазой6.1. Отличительные особенности микрореакторов с жидкой фазойВ данной главе рассматриваются микрореакторы, в которых в качестве средыиспользуется не газ, а жидкость. Их основными отличиями являются различия физикохимических свойств жидкости от газа. К ним относятся следующие параметры:1.
Высокая плотность жидкости. По приблизительным оценкам плотность жидкостейпримерно в 1000 раз больше, чем плотность газов при атмосферном давлении, не говоря уже огазах при пониженном давлении. Этот факт имеет большое значение, поскольку потокжидкости имеет большую удельную массу, и силы инерции проявляются при его движении вбольшей степени. Температурные процессы, происходят медленнее.
Рассмотрение болееплотной среды позволяет использовать континуальный подход в микрореакторах с гораздоменьшими линейными размерами, вплоть до нанометрового диапазона. С этой точки зренияподходы, связанные с моделирование микрореакторов с жидкой фазой, основанные начисленном решении уравнений Навье-Стокса, имеют большую степень применения и даютболее точные результаты. С учетом того, что сжимаемость жидкостей на несколько порядковменьше, чем у газов, моделировать и рассчитывать микрореакторы можно с применениеммодели несжимаемой среды, что упрощает расчеты.2.
Повышенная вязкость жидкостей по сравнению с газами, определяет меньшие числаРейнольдса. Это упрощает процессы аналитического расчета микрореакторов и ихкомпьютерное моделирование. Высокая вязкость определяет необходимость создаватьсущественный перепад давлений, чтобы обеспечить необходимый поток жидкости.3.Высокаяплотностьивязкостьопределяютменьшуюскоростьпротеканиямолекулярных процессов переноса вещества и энергии, по сравнению с газами.
Это касается впервуюочередьдиффузиивещества.Приэтомпоявляетсявозможностьсоздаватьсущественные градиенты концентраций и температуры, что тяжело сделать для микрореаткоровс газовой фазой. Однако именно низкая скорость диффузии и невозможность создатьтурбулентный режим течения приводят к таким характерным проблемам как перемешиваниедвух жидкостей. В микросистемах для должного смешения и повышения полноты протеканияхимической реакции используют специализированные активные и пассивные миксеры [117].4.
Граничные условия для течения жидкой фазы практически всегда можно выбирать сиспользованием модели нулевой скорости на поверхности если поток приводится в движениеразницей давления. Это подтверждается во многих экспериментальных работах [118, 119].
С167другой стороны, в жидкостях возможна реализация потока с плоским профилем скорости, когдаона течет под действием поверхностных сил, возбуждаемых электрическим полем [120, 121].5.Использованиежидкойфазывмикрореакторахпозволяетпроводитьэкспериментальные исследования, связанные с непосредственным наблюдение линий тока илираспределенияконцентрацийвеществ.Этопозволяетполучатьбольшоеколичествоэкспериментальных данных и на их основе точнее вникать в механизмы протекающихфизических и химических процессов.
Для газов провести такие наблюдения часто невозможно.6. Наличие капиллярных и поверхностных эффектов на границе раздела фаз являетсяотличительным свойством микрофлюидных устройств. В микромасштабе эти явленияначинают играть очень существенную роль и в значительной степени влияют на динамикужидкости. Это повышает сложность исследования протекающих физических и химическихпроцессов. Именно влияние капиллярных явлений на движение жидкости является одним изважных преимуществ микрофлюидики.
Это позволяет выделять отдельную область капельной(или цифровой) микрофлюидики, которая акцентирует свое внимание на изучение движенийкапель жидкости и пузырьков газа в микрофлюидных устройствах [122, 123]. Появлениегазовой фазы в потоке жидкости может быть вызвано или нагревом рабочей среды, илихимической реакцией. Эти явления не всегда можно адекватно прогнозировать и рассчитывать.Можнозаключить,чтодлянекоторыхпримененийпроектированиеирасчетмикрореакторов с жидкой фазой являются более простым, чем расчет систем с газовой фазой. Внекоторых исключительных случаях ситуация становится обратной и построение точноймодели микрореактора с жидкой фазой становится невозможным.В жидкофазных микрореакторах возможно проведение большого спектра разнообразныххимических процессов.
Как было показано в главе 1 наиболее широко исследованы процессысинтеза веществ в проточных жидкофазных реакторах. Имеется ряд работ, посвященныхпроцессам осаждения материала на подложку. Противоположный процесс – травление вмикрореакторах, остается практически не исследованным, поэтому в настоящей главе вниманиебудет акцентироваться на этом вопросе. В качестве удаляемого материала могут выступать какотносительно тонкие покрытия и пленки, как в процессах травления металлизации, изоляции идр, так и объемные материалы: монокристаллический кремний, стекло, металлы и полимеры. Ввиду разнообразия применяемых материалов и форм, нельзя провести четкую границу междуэтими двумя группами, однако в практическом случае всегда понятно решается литехнологическая задача по формированию планарного рисунка в тонкой пленке, или естьнеобходимость в создании трехмерного глубокого рельефа методами жидкофазной обработки.В качестве наиболее часто встречающихся задач последнего класса можно назвать операциижидкостного изотропного и анизотропного травления кремния и травление стекла, поскольку168эти материалы часто используются в современных микросистемах вообще, и в микрофлюидныхустройствахвчастности.Этипроцессыявляютсянестандартнымиоперациямивмикроэлектронике, поэтому их технология изучена слабее, нежели операции жидкофазноготравления тонких слоев металлов или диэлектриков.Для рассмотрения и исследования технологии жидкофазного травления объемныхматериалов в микрореакторах выбран процесс анизотропного травления монокристаллическогокремния.Припомощиэтойтехнологиисоздаетсядостаточнобольшоеколичествомикромеханических [124-126], микрофлюидных [127-128] и других уникальных устройств,[129, 130].
Данный технологический процесс не обладает существенной спецификой, не требуетуникальных условий или особых веществ, поэтому полученные результаты могут бытьобобщены и перенесены на другие операции травления материалов в жидкой фазе. Детальноеисследование этого процесса изложено в последующих подразделах настоящей главы.6.2.
Технология жидкостного травления кремния в микрореакторахДля разработки микрореактора для жидкостного анизотропного травления кремнияизначально нужно познакомиться с традиционной технологией этого процесса. Основная цельвсей технологической цепочки – получение трехмерной структуры монокристаллическогокремния. Основной процесс – операция жидкостного анизотропного травления кремния, в ходекоторой и формируется трехмерный рельеф. Остальные операции носят вспомогательныйхарактер, суть которых заключается в первоначальном создании и последующим удаленииспециализированной маски, которая бы защищала области кремния, которые не должныподвергать травлению.В качестве обычного травителя для кремния используют нагретые концентрированныещелочные растворы, КОН, TMAH и др [131]. Они отличаются своими физико-химическимисвойствами, скоростями травления различных кристаллографических граней, чистотойповерхности, удобством использования и другими параметрами.
Сравнению различныхтравителей и выбору оптимального состава для решения конкретных технологических задачпосвящено множество литературы [132, 133].Операция анизотропного травления кремния происходит при повышенной температуре от50 до 100 °С [131], а сам процесс является экзотермическим.
В результате исходнойнеравномерности скорости травления разнообразных участков структуры, может возникнутьраспределение температуры, за счет выделяемого тепла. Скорость химической реакциитравления возрастает с температурой и это еще больше увеличивает неравномерность тепловыхпотоков, возникает положительная обратная связь. Процесс тормозится только за счет того, чтопри интенсивной реакции выделяется множество пузырьков газа, как продуктов реакции, так ипаров испарившегося от высокой температуры растворителя (обычно воды). Это приводит к169вытеснению жидкого травителя от поверхности кремния и уменьшению скорости травления.Однако все эти процессы являются существенно неравновесными и, в конечном итоге,приводят к большой неоднородности травления (в частности при изменении температурыпроисходит изменение анизотропии травления, что влияет на формируемый профиль).Особенно негативные последствия этого могут проявляться в микроструктурах с тонкимиэлементами, например торсионами подвеса, поскольку они имеют маленькое поперечноесечение и плохой отвод тепла.Поскольку условия проведения процесса являются достаточно жесткими, а егодлительность достаточно высокой (до нескольких часов), использование фоторезистивныхмасок практически невозможно.
На практике используют маски из многослойных структур наоснове оксида и нитрида кремния [131]. Для формирования рисунка в таких масках используютоперации фотолитографии с последующим сухим или жидкостным травлением. Такая толстая исложная маска, с оптимизированными параметрами слоев, способна обеспечивать качественноетравление кремния в течение длительного времени без образования проколов и дефектов [131].Однако за это приходится расплачиваться тем, что такую маску необходимо удалять.
С учетомтого, что в маске используются самые популярные в микроэлектронике вещества – оксид инитрид кремния, при их удалении после травления кремния могут повреждаться и другиеэлементы формируемой структуры, выполненной из этих же материалов. Появляются большиесложности с составлением общего технологического маршрута изготовления всего изделия, сучетом вышеперечисленных особенностей.Традиционный технологический маршрут для создания трехмерных кремниевых структурс применением технологии анизотропного травления кремния имеет ряд недостатков:1. Большое количество вспомогательных операций, связанных с созданием и удалениеммаски.2. Жесткие, плохо контролируемые на микроуровне условия проведения процесса.Для решения этих и других проблем, рассмотрим вариант осуществления процессажидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе.Для реализации технологической операции жидкостного анизотропного травлениякремния необходимо создать каким-либо способом внутренний объем микрореактора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
