Диссертация (1143641), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Однаков других условиях процессы саморазогрева протекают достаточно быстро, так что системырегулирования не успеют среагировать на данные изменения, что приведет к отрицательнымпоследствиям для процесса травления в микрореакторе. Необходимо рассчитывать условияпроведения процесса в каждом конкретном случае. Пример выбора технологическихпараметров процесса для нескольких конфигураций микрореактора подробнее рассматриваетсяв следующем разделе.6.6.
Методика выбора параметров технологического процесса жидкостноготравления кремния в микрореактореДля иллюстрации методики выбора технологических параметров процесса анизотропноготравления кремния в микрореакторе рассмотрим несколько случаев геометрии травления,которые отличаются только значениями параметров S’: S’= 5∙10-3, S’=1, S’=4,876. Параметрырасхода травителя остаются прежними Qe =10-12 м3/с. Свойства травителя и чипа также неизменяются, по сравнению в предыдущими описанными случаями.В качестве единственного технологического параметра, которым мы можем управлять впроцессе травления, рассмотрим температуру окружающей среды.
Можно считать, что чипнаходится в камере, температуру которой мы контролируемо изменяем. Введем ограничения напараметры технологического процесса: температура чипа не должна превышать 370 К (иначепроизойдет вскипание травителя). Будем считать, что предельная скорость изменения194температуры окружающей среды ограничена 1 К/с, (достаточно типичное значение длятехнологического оборудования), минимальный шаг уставки Ta равен 1 К, величинафлуктуации температуры составляет +/- 2 К.
В системе возможно использование механизмовуправления, которые могут корректировать температуру внешней среды в соответствии сзаданным законом управления. В качестве входной информации система управленияиспользует данные о температуре самого чипа, которые измеряются с точностью 1 К.При таких ограничениях необходимо найти условия проведения процесса и, принеобходимости, закон управления, для достижения максимальной скорости травления кремнияв микрореакторе, без перехода системы в неконтролируемый режим саморазогрева.Требования максимизации скорости травления означают требования проведения процессапри максимальной температуре, равной либо предельной температуре процесса 370 К, либо тойтемпературе, при которой система управления будет однозначно исключать возможностьперехода травления в неконтролируемый режим саморазогрева. Решим эти задачи для каждогоиз выбранных значений S’.Случай 1, S’=5∙10-3В рассматриваемом случае, при малом значении S’ критическая температура составляет542,45 К, что значительно выше верхнего предела температуры процесса 370 К.
Переходсистемы в режим саморазогрева в данных условиях невозможен. Можно повышать температуруокружающей среды до значений, при которых равновесная температура чипа будет равна 368 К.Для нахождения этого значения можно использовать информацию из таблицы 6.6 или графика6.15, которые показывают что Teq примерно на 0,5 К меньше Ta. Соответственно с учетомдопусков на точность поддержания температуры окружающей среды можно рекомендоватьпроводить процесс при Ta= 367 К. Точный расчет по уравнению 6.23 показывает, что даже приположительной флуктуации этой температуры до 369 К, равновесная температура чипасоставит 369,65 К, что удовлетворяет условию задачи.
Скорость травления кремния при этомсоставит 59,14 нм/с. Флуктуации температуры окружающей среды в 2 К приводят к вариациискорости травления на 19%.Случай 2, S’=1В рассматриваемом случае при значении S’=1, критическая температура при Ta=293 Ксоставляет 355,80 К, что меньше верхнего предела температуры процесса 370 К. Т.е. здесьвозможен переход системы в режим саморазогрева.
Проведение процесса возможно в двух,существенно отличающихся режимах.195Первый режим подразумевает проведение процесса ниже критической температуры, нетребуя при этом никаких систем автоматического регулирования. Соответственно дляреализации такого режима, нужно найти такую температуру Ta при которой равновеснаятемпература процесса будет максимально близкой, но меньше критической.Чтобы понять, на сколько сильно влияет изменение температуры окружающей среды наравновесную температуру при таких параметрах, можно обратиться к графику на рисунке 6.13,который иллюстрирует эту зависимость.
Установление номинальной температуры Ta в 314 К,соответствует равновесной температуре чипа Teq=322,42 К и скорости травления 3,83 нм/с. Сучетом флуктуаций в 2 К, эти параметры могут достигать максимальных величин при Tа =316К, принимая значения Teq= 328,59 К и ER100=5,73 нм/с. Эти значения меньше критическихпараметров (как показано на рисунке 6.21), соответственно процесс травления не перейдет врежим саморазогрева, однако легко заметить, что в этом случае значительны флуктуации кактемпературы чипа, так и скорости травления (до 33% по параметру ER100).
Из графика нарисунке 6.13 следует, что при данных условиях повышение Ta до 317 К переводит систему врежим саморазогрева.Рисунок 6.13 – График зависимости суммы тепловых потоков в системе при номинальноустановленной температуре окружающей среды и еѐ флуктуацияхК достоинствам такого режима работы можно отнести отсутствие систем автоматическогорегулирования. Недостатком является общая низкая скорость травления и большая вариациякак температуры чипа, так и скорости травления.Для уменьшения влияния этих негативных факторов необходимо ввести системууправления, которая использовала бы в качестве входного сигнала температуру чипа. Однаконепосредственное введение еѐ для системы, работающей в рассмотренном режиме нецелесообразно, поскольку разброс температуры чипа и скоростей травления обусловленточностью поддержания температуры во внешней среде, которую по условиям задачи мы196уменьшить не в силах.
Для достижения лучших параметров работы системы целесообразнопроводить травление в микрореакторе в иных условиях, которые реализуются в другом режиме.Второй режим работы подразумевает ведение процесса при температуре чипа большекритической, при изменяющихся значениях температуры окружающей среды.Рассмотрим последовательность разработки технологического режима для этого случая. Впервую очередь необходимо сделать оценку скоростей протекающих процессов последостижения критических параметров. На рисунке 6.14 показан процесс роста температурырассматриваемого чипа при внешней температуре Ta=317 К и начальной температуре чипа322,42 К (равновесная температура при Ta=314 К).Из графика видно, что время достижения предельной температуры 370 К составляетпорядка 1700 с (28 минут).Рисунок 6.14 – График зависимости температуры чипа от времени в процессе саморазогреваДля остановки процесса саморазогрева необходимо уменьшить температуру Ta с тем,чтобы суммарный тепловой поток стал отрицательным и температура чипа снизилась.Необходимая величина снижения Ta зависит от температуры чипа.
Чем она выше, тем большедолжнаснижатьсятемператураокружающейсреды.Приэтомнаблюдаютсядвапротивоборствующих фактора: скорость роста температуры чипа за счет саморазогрева искорость снижения температуры окружающей среды, которая конечна по условиям задачи (1К/с). Существует множество вариантов решения этой задачи, и точное нахождениеоптимального значения требует специализированного рассмотрения, что не является цельюданной диссертационной работы. Здесь мы попробуем найти такие параметры, которые быудовлетворяли условиям задачи, и которые показывали бы скорость травления большую, чем впервом режиме.Для расчета момента начала охлаждения внешней среды воспользуемся условием того,что минимальная температура не может быть меньше 293 К.
Найдем, при какой температуре197чипа суммарный тепловой поток станет отрицательной при температуре окружающей средыравной 293 К. Этой температурой является 255 К. Минимальное время охлаждения с 317 К до293 К составит 24 с. Соответственно начинать уменьшение Ta нужно как минимум за 24 с, дотого момента, как система нагреется до 355 К. По данным, например из графика 6.14,температура чипа при этом составит 350,42 К. Процесс охлаждения чипа при таких условияхможно иллюстрировать графиком приведенным на рисунке 6.15.Рисунок 6.15 – График зависимости температуры чипа от времени в процессе охлажденияИз графика следует, что полностью система охладиться до температуры 294 К примерноза 600 с (10 мин). Чтобы не допускать значительного понижения температуры необходимо современем увеличивать значение параметра Ta, чтобы охлаждение происходило медленнее, а подостижениинекоторогоминимальногопорога,увеличениемTaзапуститьпроцесссаморазогрева системы.
При этом возникает вопрос о предельной максимальной температуречипа, которая может быть достижима при использовании автоматической системы управления.Для рассматриваемого случая эта температура равняется 355 К, поскольку это тот предел, когдаеще возможно охлаждение системы при предельном допустимом значении температурыокружающей среды в 293 К. С учетом температурных флуктуаций в системе можносправедливо считать предельно достижимой температуру чипа 352 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
