Проектирование и расчет химических микрореакторов для использования в технологии устройств микросистемной техники Конаков Степан Андреевич

Введение к работе

Актуальность темы

В технологии современных устройств электронной и микросистемной техники существует ряд задач, которые не могут быть эффективно решены известными методами. К ним относятся: (1) создание функциональных слоев на непланарных поверхностях и пластинах с открытыми микромеханическими структурами гироскопов и акселерометров; (2) формирование чувствительных слоев на тонких мембранах и подвесах полупроводниковых газовых сенсоров; (3) серийное производство чипов с индивидуальной топологией рисунка на физическом уровне для систем электронной идентификации; (4) формирование совмещенных каналов с заданным гидравлическим сопротивлением в многослойных пластинах кремний-на-стекле в технологии производства микрофлюидных аналитических систем и тепловых микротрубок.

Во всех этих задачах необходимо проводить осаждение или травление на локальных участках поверхности пластины (с характерными размерами от единиц до сотен микрометров), не воздействуя на её другие части. Традиционно для этих целей на пластину наносят маскирующий слой, в котором методами литографии формируется рисунок. Для вышеперечисленных задач такой подход не может быть использован по нескольким причинам: (1) фоторезист трудно нанести на поверхность с развитым рельефом; (2) жидкостные операции проявления и травления повреждают тонкие мембраны и микромеханические структуры; (3) невозможно обрабатывать каждый чип на пластине в индивидуальном порядке; (4) невозможно точно контролировать геометрию и свойства конечной микроструктуры ввиду технологических вариаций процесса литографии. Для решения указанных практических задач необходимо использовать технологии, связанные с безмасочным осаждением и травлением веществ.

Сегодня известны способы напыления через свободную маску, технологии струйной печати, методы осаждения и травления стимулированные электронным, ионным или лазерным лучом. Для технологии свободной маски характерны большие минимальные размеры (от 50 мкм), невозможность индивидуализации чипов, сложности в работе с непланарными структурами, размытие границ при химическом осаждении из газовой фазы (ХОГФ). Технологии струйной печати при минимальном размере от 20 мкм имеют малую номенклатуру осаждаемых из жидкой фазы веществ и ограниченны в контроле состава и свойств материала.

Методы осаждения и травления стимулированные электронным или ионным пучком позволяют формировать структуры нанометровых размеров, что является недостатком, когда необходимо обрабатывать большую площадь, по причине значительных временных затрат и неоднородности получаемого покрытия. Зарядка ограничивает тип используемой подложки, затруднен контроль физико-химических условий в области воздействия пучка.

К недостаткам метода ХОГФ стимулированного лазерным лучом следует отнести сам принцип локализации процесса за счет точечного нагрева поверхности. Градиенты температур негативно сказываются на механической прочности микроструктуры. В технологии ХОГФ температура существенно влияет на состав, морфологию и другие свойств материала. Использование лазера для нагрева не позволяет точно контролировать температуру осаждения, процесс является нестационарным и плохо управляемым на микроуровне. Проблемы возникают при осаждении на структуры из прозрачных (по отношению к излучению) материалов с выраженным рельефом, ввиду неконтролируемого рассеивания и отражения. Принципиальное ограничение метода – инициализация процесса около поверхности. Невозможно инициировать реакции в газовой фазе, приводящие к формированию наночастиц с последующим их локальным осаждением. Это важное ограничение, поскольку именно наночастицы, являются перспективным материалом для различных применений, в частности для газовых сенсоров.

Таким образом, известные сегодня методы локальной безмасочной обработки не являются универсальными, обладают недостатками и ограничениями, и поэтому находят свое применение только для решения небольшого количества узкоспециализированных задач.

Актуальной проблемой является разработка метода безмасочного проведения локальных гетерогенных процессов (в областях с характерными размерами от единиц до сотен микрометров) в газовой и жидкой фазе, пригодного для работы с широким спектром веществ, не имеющего ограничений по материалу и геометрии подложки. Микрореактор является технической системой, которая реализовывает эти процессы. Он обладает следующими преимуществами: (1) возможность точного контроля температуры и других физико-химических условий проведения процесса; (2) широкая номенклатура веществ; (3) отсутствие ограничений на материал и форму подложки; (4) возможность проводить индивидуальную обработку каждого чипа. Эти свойства микрореакторов позволяют решить описанные технологические задачи современного производства изделий электронной и микросистемной техники, поэтому тема диссертационного исследования является актуальной и практически значимой.

Целью работы является исследование закономерностей локальных гетерогенных процессов химического осаждения и травления в микрореакторах с газовой и жидкой фазой, разработка методик проектирования и расчетов таких систем, поиск областей их практического применения в технологии устройств электронной и микросистемной техники.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Разработаны приближенные аналитические методики проектирования и расчета химических микрореакторов с учетом явления проскальзывания на стенках;

2. Исследованы свойства и поведение модели, описывающей процесс локального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе.

3) На основе исследованных свойств системы предложена конструкция микрореактора,
предназначенного для локального химического осаждения из газовой фазы функциональных
слоев в технологии изготовления изделий электронной и микросистемной техники;

4) С применением созданных методов проектирования разработана технология
жидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе, изучены вопросы, связанные с
изменением формы сечения реактора во время работы и тепловые условия процесса;

5) Найдены области применения разработанной технологии жидкостного анизотропного
травления кремния в микрореакторе для создания микроканалов с заданным гидравлическим
сопротивлением в многослойных пластинах кремний-на-стекле в технологии производства
микрофлюидных аналитических систем и тепловых микротрубок.

Объектами исследования являлись:

3. Химические микрореакторы с жидкой и газовой фазой;

4. Технологический процесс химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе;

5. Технологический процесс жидкостного травления в микрореакторе.

Методы исследования, применяемые в работе.

Химические микрореакторы и протекающие в них технологические процессы исследовались методом построения и изучения различных моделей, а также экспериментально. Использованы простые аналитические модели химических микрореакторов и детальные модели, основанные на уравнениях динамики вязкого сжимаемого многокомпонентного химически реагирующего газа, для решения которых использовались проверенные численные методы и программные коды. Литературные данные и экспериментальные результаты использовались для проверки применяемых моделей.

Применение экспериментальных методов для изучения микрореакторов с газовой фазой было ограничено из-за (1) отсутствия общих методик по разработке таких систем, (2) ресурсоемкости их изготовления, (3) отсутствия проверенных способов точного измерения физико-химических параметров в микрореакторе. Для жидкофазных процессов эти проблемы стоят не так остро, поэтому для их исследования были созданы прототипы, экспериментальное изучение которых проводилось с применением методов оптической микроскопии.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1) При помощи созданной методики расчета и разработанной аналитической модели, объединяющей осесимметричные реакторы идеального вытеснения с плоским и

параболическим профилем скорости и учитывающей явление проскальзывания на границах, найдены условия способствующие проведению локальных гетерогенных процессов.

2. Исследованы основные закономерности поведения модели, описывающей процессы локального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе с одним центральным каналом, построенной на основе уравнений движения вязкого химически реагирующего газа. Обнаружено, что необходимым условием для локализации осаждения является лимитирование процесса диффузией компонентов к поверхности, что было установлено на основе изучения влияния геометрии микрореактора, скорости потока газа, диффузии, констант гомогенных и гетерогенных реакций на распределение компонентов и скорость осаждения.

3. Предложена конструкция микрореактора для локального химического осаждения из газовой фазы. Описан метод решения задачи оптимизации технологического процесса ХОГФ, основанный на систематическом проведении большого количества опытов по локальному осаждению в микрореакторе.

4) Разработана и экспериментально проверена технология жидкостного травления
кремния в микрореакторе. Изменение геометрии микроканала в ходе процесса позволяет
варьировать гидравлическое сопротивление. На основе построенной аналитической модели
показано существование максимально допустимой температуры процесса, зависящей от
площади травления, при превышении которой система переходит в режим саморазогрева.

5) С применением технологии жидкостного травления в микрореакторе разработаны
способы формирования микроканалов с заданным гидравлическим сопротивлением в
многослойных пластинах кремний-на-стекле, являющиеся частью конструкции
микрофлюидного мостика Уинстона в датчике дифференциального давления и
теплораспределяющего модуля на основе тепловых микротрубок.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Закономерности поведения модели, описывающей процесс локального химического осаждения из газовой фазы в микрореакторе с одним центральным каналом. Уменьшение расстояния между микрореактором и подложкой ведет к повышению скорости осаждения и улучшению локализации. Уменьшение радиуса канала приводит к уменьшению скорости осаждения и улучшению локализации. Влияние констант гомогенной и гетерогенной химических реакций на скорость осаждения имеют нелинейный характер. Для реализации локального осаждения необходимо, чтобы процесс лимитировался диффузией к поверхности;

2. Конструкция микрореактора с одним центральным каналом и метод решения задачи оптимизации технологического процесса ХОГФ, основанный на систематическом проведении большого количества опытов по локальному осаждению в микрореакторе;

3) Технология жидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе.
Закономерности поведения модельных систем, описывающих изменение геометрии
микроканала во времени и температуры микрореактора в зависимости от технологических
параметров. Увеличение площади травления кремния, при фиксированной теплоотдаче приводит
к снижению критической температуры системы, превышение которой является условием
перехода микрореактора в режим неконтролируемого саморазогрева;

4) Способ создания микроканалов с контролируемым гидравлическим сопротивлением в
многослойных структурах кремний-на-стекле по технологии жидкостного анизотропного
травления в микрореакторе. Конструкция микрофлюидного мостика Уинстона для применения
в системе измерения дифференциального давления.

Практическая значимость работы:

1) По результатам работ получено 3 патента РФ: № 172 269 от 01.02.2017; № 153 984, от
01.04.2015 и № 2572252 от 11.07.2014;

2) Созданная методика и предложенная конструкция позволяют проектировать и
рассчитывать изделия, относящиеся к новому классу устройств микросистемной техники –
микрореакторам для локального химического осаждения из газовой фазы;

3. Найдены решения практических задач локального формирования функциональных слоев в технологии производства изделий электронной и микросистемной техники: полупроводниковых газовых датчиков, микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров. Данные решения основаны на использовании микрореакторов для локального химического осаждения из газовой фазы и внедряются на промышленных предприятиях Санкт-Петербурга (АО «ГИРООПТИКА» и ОАО «Авангард»);

4. Найден способ практического решения задачи оптимизации технологического процесса ХОГФ, основанный на систематическом проведении большого количества опытов по локальному осаждению в микрореакторе;

5) С применением разработанной технологии жидкостного травления кремния в
микрореакторе решена задача формирования микроканалов в пластинах кремний-на-стекле с
контролируемым гидравлическим сопротивлением. Технология внедряется на промышленные
предприятия Санкт-Петербурга (АО «ГИРООПТИКА» и ОАО «Авангард») в цикл производства
мирофлюидного мостика Уинстона для датчика дифференциального давления и
теплораспределяющих модулей на основе тепловых микротрубок.

Достоверность результатов и обоснованность выводов, полученных в диссертационной работе, определяется комплексным использованием различных методик исследования, включающих разработку как аналитических математических моделей, которые доступны для

непосредственного решения, так и более сложных моделей на основе системы дифференциальных уравнений динамики вязкого реагирующего газа, решение которых проводилось на основе проверенных численных методов и программных кодов. Литературные источники и экспериментальные результаты использовались для проверки применяемых моделей. Полученные данные и формулируемые выводы подтверждаются известными сегодня научными представлениями.

Апробация работы.

Результаты работ по теме диссертационного исследования представлены на 10 всероссийских и международных конференциях: I Международная научно-практическая конференция «Sensorica – 2013», (Санкт-Петербург, 2013 г.); II Международная научно-практическая конференция «Sensorica – 2014», (Санкт-Петербург, 2014 г.); 3rd International Conference on Mathematical Modeling in Physical Sciences (Испания, Мадрид, 2014 г.); International Conference on Computer Simulation in Physics and Beyond 2015, (Москва, 2015 г.); 5th International Conference on Mathematical Modeling in Physical Sciences (Греция, Афины, 2016 г.); 3rd International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, (Санкт-Петербург, 2016 г.); 6-й международный МЭМС-Форум 2016: Индустрия 4.0, (Курск, 2016 г.); 5th International Young Scientists Conference in HPC and Simulation, (Польша, Краков, 2016 г.); VII Научно-техническая конференция СПбГТИ(ТУ) молодых ученых «Неделя науки – 2017», (Санкт-Петербург, 2017 г.); 4th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures, (Санкт-Петербург, 2017 г.).

Во время подготовки к выполнению диссертационной работы проведена стажировка в
институте «Физика ионных пучков и исследования материалов» («Institute of Ion Beam Physics
and Materials Research») научно-исследовательского центра «Гельмгольц-Центр Дрезден-
Россендорф» («Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf»), Германия и на кафедре
«Материаловедение и нанотехнологии» («Materials science and nanotechnology») в Техническом
университете Дрездена («Dresden University of Technology»), Германия.

Публикации.

По материалам диссертационного исследования всего опубликовано 14 работ, в том числе 12 статей в ведущих научных журналах из перечня ВАК и Scopus. Получено 3 патента РФ. Перечень публикаций и патентов приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора.

Диссертация является завершенной работой, в которой обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Автору принадлежит определяющая роль в выборе объекта и методик исследования, постановке цели и задач, получении результатов, формулировании выводов и рекомендаций по практическому использованию. Часть работ выполнена совместно с сотрудниками Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы (159 наименований). Работа изложена на 240 страницах, содержит 167 рисунков и 38 таблиц.