Ανάπτυξη τραχύτητας κατά την εγχάραξη πυριτίου με πλάσμα για μικρορευστομηχανικές διατάξεις
Authors: Μπουλούσης Γεώργιος 
Published: January 2014

Σκοπός της εργασίας είναι ο χαρακτηρισμός και η εξήγηση του σχηματισμού τραχύτητας στο πυρίτιο κατά την διάρκεια της εγχάραξης με πλάσμα, ο σχεδιασμός, κατασκευή και σφράγιση μικρορευστομηχανικών διατάξεων σε πυρίτιο και η εφαρμογή των διατάξεων αυτών για χρωματογραφία συγγένειας για διαχωρισμό φωσφοπεπτιδίων. Στο πρώτο μέρος της διατριβής έγινε εκτενής μελέτη της ανάπτυξης-δημιουργίας της τραχύτητας σε επιφάνεια πυριτίου που σχηματίζεται κατά την εγχάραξη με πλάσμα ώστε να γνωρίζουμε το μέγιστο μέγεθος που μπορεί αυτή να αποκτήσει κατά την διεργασία μορφοποίησης των μικρορευστομηχανικών διατάξεων και το οποίο μπορεί να έχει επιπτώσεις στην ροή και τις ιδιότητες των διατάξεων που κατασκευάζονται. Το αέριο που χρησιμοποιήθηκε για εγχάραξη είναι το SF6 σε αντιδραστήρα πλάσματος τύπου ICP. Η εγχάραξη επιφανειών πυριτίου οδηγεί σε μορφολογία με διπλή κλίμακα, που αποτελείται από υπόβαθρο με βαθουλώματα και από προεξέχοντα πολύ υψηλότερα εξογκώματα. Για τον χαρακτηρισμό των επιφανειών διπλής κλίμακας, προτάθηκε μια μεθοδολογία που βασίζεται στον προσδιορισμό πέντε παραμέτρων και πιο συγκεκριμένα της τυπικής απόκλισης rms των σημείων της επιφάνειας, του μήκους συσχέτισης ξ, του εκθέτη τραχύτητας α, του μέσου πλάτους των εξογκωμάτων και της μέσης απόστασης των εξογκωμάτων.. Προτάθηκε ένας μηχανισμός που εξηγεί την δημιουργία της τραχύτητας με διπλή κλίμακα, σύμφωνα με τον οποίο παρεμποδιστές εναποτίθενται στην επιφάνεια κατά τη διάρκεια της εγχάραξης και μειώνουν τοπικά τον ρυθμό της. Υπάρχουν δύο είδη παρεμποδιστών: 1) οι σκληροί AlXFY που προέρχονται από την αλουμίνα Al2O3 του θόλου του αντιδραστήρα ή/και το ανοδιωμένο Al από τον δακτύλιο και 2) οι μαλακοί που μπορεί να είναι μεγάλα μόρια ή ρίζες που προέρχονται από το ίδιο το πλάσμα SFx ή CFx ή ακόμη και προϊόντα από την χημική αντίδραση της εγχάραξης. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας έγινε σχεδιασμός και κατασκευή δυο ρευστομηχανικών διατάξεων, η μια για υγρή χρωματογραφία και η δεύτερη για ροή αερίων. Για την εγχάραξη των μικρορευστομηχανικών διατάξεων με κάθετα τοιχώματα σε πυρίτιο, προτιμήθηκε η μέθοδος Bosch έναντι της κρυογενικής μεθόδου λόγω του μεγαλύτερου ρυθμού εγχάραξης που έχει και της μικρότερης τραχύτητας που επάγει. Όσον αφορά την σφράγιση-στεγανοποίηση των διατάξεων προτιμήθηκε η μέθοδος της σφράγισης με ενδιάμεσο στρώμα. Χρησιμοποιήθηκε μια μεμβράνη (lamination film) με χημικά αδρανή και ομοιόμορφη κόλλα για την σφράγιση διατάξεων για ροή υγρών. Γενικώς η σφράγιση με ενδιάμεσο στρώμα, είναι μια οικονομική, τάχιστη και εύκολη λύση χωρίς να χρειάζεται ειδικός εξοπλισμός. Στο τρίτο μέρος της εργασίας οι ρευστομηχανικές διατάξεις για υγρή χρωματογραφία χρησιμοποιήθηκαν για διαχωρισμό φωσφοπεπτιδίων με την μέθοδο της χρωματογραφίας συγγενείας με μέσο συγγενείας (ligand) TiO2. Η εναπόθεση TiO2 σε μικρορευστομηχανική διάταξη μπορεί να γίνει με βομβαρδισμό από στόχο (rf sputtering) ή με τη μέθοδο της υγρής εναπόθεσης με καθίζηση από διάλυμα φθοροτιτανίου. Στην συγκεκριμένη διατριβή χρησιμοποιήθηκε ένα διάλυμα από μείγμα H2TiF6-H2ZrF6. Η μέθοδος της υγρής εναπόθεσης δημιουργεί φιλμ TiO2-ZrO2 κρυσταλλικής μορφής. Η χρωματογραφία συγγενείας με TiO2 είναι μια πολύ καλή μέθοδος για διαχωρισμό φωσφοπεπτιδίων.