Методы физико-химического анализа и исследования ТП

Методы исследования ТП. Как уже говорилось ранее в технологии ЭС используются разнообразные физико-химических процессы, в которых происходят сложные физические явления в паровой, газовой и жидкой фазах, а также в ваку­уме, на поверхности и внутри твердых тел, на границах раздела сосуществующих твердых, жидких, паровых и плазменных фаз. Протекание этих процессов, их механизм и конечные результаты определяются прежде всего характером межмолекулярного взаи­модействия сосуществую-щих сред. Различают два типа сред: обра­батываемую (обычно твердую, реже жидкую) и обрабатывающую, которая может находиться в любом из агрегатных состояний.

В общем случае цели технологической обработки могут быть различными: получение твердых слоев различных материалов, очи­стка поверхности, травление, легирование, формообразование и т. п. Однако во всех случаях эти цели определяются или задаются параметрами качества (электрофизическими, механическими, гео­метрическими, оптическими, химическими и др.) изделия и (или) полуфабриката. Основная особенность технологии ЭС состоит в том, что полученные электрофизические характеристики должны обеспечивать заданные электронные или радиотехнические функ­ции изделия, которые, в свою очередь, зависят от сложного комп­лекса физических явлений.

Технология ЭС — от получения исходных материалов до испы­тания готовых изделий — предназначена для изготовления такого устройства, которое отвечало бы поставленным техническим и эко­номическим требованиям. При анализе и исследовании ТП возможны 2 конечных результата: либо усовершенствование ТП, либо разработка нового варианта ТП. В первом случае ТП представляют в виде большой системы, опи­сываемой определенным числом детерминированных и стохастиче­ских закономерностей. Анализируемая система разбивается на ряд подсистем, состоящих из аппаратурно-процессных единиц (АПЕ), обслуживающих коммуникаций и контрольно-измерительных ком­плексов. В каждой подсистеме производятся определенные (детер­минированные) технологические процедуры при заданных гранич­ных условиях на параметры качества обрабатываемого полуфабри­ката на ее входе и выходе. Параметры полуфабриката на входе и выходе АПЕ проверяют с определенной степенью точности на соответствие своему назначению. Системный анализ и исследова­ние АПЕ рациональнее проводить тремя методами: термодинами­ческим, молекулярно-кинетическим и стохастическим.

Термодинамический метод исследования применяют для опре­деления классических термодинамических характеристик ТП, т. е. оптимальных значений термодинамических параметров состояния системы (температуры, давления, состава, дисперсности, энергии и т. п.) для заданных параметров качества изделия и экономичес­ких показателей; а также его информационно-энтропийных харак­теристик, т. е. флуктуации параметров качества исходных материа­лов и термодинамических факторов процесса, влияющих на конеч­ные значения параметров качества полуфабриката и (или) из­делия.

Таким образом, находят оптимальную область параметров каче­ства изделий в пространстве термодинамических факторов, влияю­щих на значения этих параметров. В результате проведенного ис­следования строят физико-математическую модель, детерминировано связывающую параметры качества изделия и воздействую­щие термодинамические факторы ТП. Подобные исследования осу­ществляют обычно методами планирования экстремальных экспе­риментов, что позволяет получить функциональные зависимости параметров качества от технологических факторов в виде уравне­ний регрессий.

Существенным недостатком таких исследований является рез­кое изменение коэффициентов уравнения регрессии при смене ма­териала, технологической установки или ее конструктивных эле­ментов.

Молекулярно-кинетический метод исследования позволяет определить кинетические характеристики потоков массы (газов, паров, твердых и жидких частиц) и параметров состояния (температуры, концентраций, давлений, полей и т. п.) и исследовать механизмы молекулярного взаимодействия сред и возникающие в результате этого структурные изменения в системе.

Целью кинетических исследований является установление закономерностей, связывающих изменение параметров качества полу­фабрикатов во времени с факторами ТП, а также определение максимальной скорости его протекания при различных условиях, т. е. максимальной производительности процесса.

Стохастический метод исследования применяется для определе­ния места и причин возникновения флуктуации параметров полу­фабрикатов и факторов ТП, их значений и влияния на качествен­ные (точностные) характеристики полуфабрикатов или изделия в целом. Результатом стохастического анализа является построение точностных диаграмм АПЕ и технологических линий при заданных параметрах полуфабрикатов и факторах ТП. Если в начале такого исследования степень неопределенности (информационная энтро­пия) ТП обычно велика, то после получения теоретических и экс­периментальных данных она резко снижается. Степень уменьше­ния энтропии (энтропийного фактора) характеризует результаты исследований и анализа ТП.

Выбор количественной оценки энтропии ТП в общем случае — задача нетривиальная, так как она характеризует степень нашего незнания (степень неизученности) процесса, поэтому может выражаться различными функциями. В технологии ЭС значение энтро­пии S (энтропийного фактора) принимают равным логарифму вы­хода годных изделий (Г) при заданных параметрах качества изде­лий или полуфабрикатов втечение всего ТП, в аппаратурно-процессной единице или на одной операции:

S=klgГ,

где k — коэффициент пропорциональности.

Выход годных изделий Г, который можно интерпретировать как статистический вес состояния системы, есть вероятностная величи­на, равная отношению числа годных изделий ко всей совокупности изделий или полуфабрикатов. Логарифм выхода годных изделий изменяется от нуля (при Г=1) до бесконечности (при Г=0).

Поскольку энтропия — величина аддитивная, сумма значений энтропии отдельных АПЕ, составляющих технологическую систе­му, равна энтропии этой системы:

или

где — энтропия (информационная) технологической системы;, —энтропия отдельной (i-й) АПЕ; п — число АПЕ; — выход годных изделий на отдельной (i-й) АПЕ.

Из анализа данных уравнений следует, что суммарная энтропия ТП может возрастать за счет увеличения энтропии какой-либо одной или нескольких АПЕ, что заставляет исследователя скон­центрировать внимание на изучении этих аппаратурно-процессных единиц.

Предположим, что требуется изменить (улучшить) параметры изделия, т. е. изменить условия его годности. В этом случае при существующем процессе заведомо значение выхода годных будет меньше, а энтропии больше, чем в предыдущем случае. При недо­статочном количестве или полном отсутствии годных изделий по­лучают соответственно большее или равное бесконечности значе­ние энтропии. Следовательно, данный ТП неприемлем для дости­жения поставленных целей.

Лекция №2

Принципы анализа физико-химических процессов технологии ЭС. Методы физической химии позволяют приближенно оценить направление многих процессов при заданных параметрах состоя­ния, а следовательно, и при выбранных режимах ТП. Такой анализ применительно к различным ТП изготовления ЭС рассматриваетсявсоответствующих дисциплинах. Однако при этом часто не принимают во внимание флуктуационные явления. Между тем при изготовлении приборов с микронными, субмикронными и нанометровыми размера­миэлементов флуктуации играют решающую роль. |Во многих процессах, например при получении и травлении тонких пленок, легировании методами диффузии и имплантации, фотолитографии и др., в результате флуктуации технологических режимов (факторов) обработки, а также характеристик обрабаты­вающей среды (растворов, паров, газов, плазмы, лучей и т. п.) появляются статистически распределенные неоднородности свойств обрабатываемой среды, т. е. флуктуации свойств в пределах данно­го микроансамбля (структуры, платы, кристалла и т. п.) Исполь­зуя методы статистической термодинамики, удобно анализировать процессы, протекающие при формировании элементов радиоэлек­тронных устройств микронных и субмикронных размеров.

Основными понятиями статистической термодинамики являют­ся: большой канонический ансамбль, микроканонический ансамбль, фазовое пространство импульсов и координат, энергия. Аналогами этих понятий в технологии РЭА могут служить соответственно генеральная совокупность изделий *, выборка, число степеней сво­боды изменения параметров изделия и технологических факторов ит. п.

Однако есть существенное различие в принципах применения математической статистики к равновесной термодинамике и техно­логии. Если любая термодинамическая система описывается тремя основными параметрами (энергией, импульсом и моментом им­пульса), то в случае технологической системы таких параметров (влияющих факторов) значительно больше. Поэтому статистиче­ский анализ целесообразно применять лишь для исследования флуктуации процесса и воздействий на него. При этом анализ позволяет решить проблемы точности и стабильности (устойчивости) TП.

Как в статистической термодинамике, чтобы начать статистиче­ское описание системы, следует задать ее состояние, так и при ста­тистическом исследовании технологической системы нужно снача­ла выбрать конкретный детерминированный физико-химический процесс, оценить степень его стохастичности и только затем при­ступать к его статистическому описанию и анализу. Фактически такой анализ сводится к исследованию влияния флуктуации техно­логических факторов на распределение параметров качества изде­лий в выбранной совокупности (выборке). При этом технологиче­скими считают термодинамические, кинетические и стохастические факторы. Среди них определяют значащие, незначащие и, главное, доминирующие.

Для поддержания на заданном уровне значений тех или иных влияющих и, особенно, доминирующих технологических факторов разрабатывают системы контроля и управления и на их основе автоматизируют ТП.

Естественно, что автоматизировать управление ТП, в основе ко­торого лежит тот или иной физико-химический процесс, невозмож­но без построения адекватной его математической модели. Резко повысить эффективность анализа физико-химических процессов технологии РЭА можно за счет разработки имитационных моделей, привлекая для работы с такими моделями средства информационно-вычислительной техники. Методика анализа таких моделей постоян­но совершенствуется, разрабатываются автоматизированные си­стемы анализа на базе новейших научных данных, которые ориен­тируются на использование программно-вычислительных возмож­ностей современных ЭВМ.

Анализ физико-химических процессов должен быть причинным, т. е. выявлять причины того или иного явления, отклонений от най­денных ранее закономерностей и т. п. Такой анализ применительно к физико-химическим процессам технологии РЭА только начинает развиваться. Таким образом, физико-химический анализ ТП, по­скольку ТП является большой системой, должен быть системным, т. е. отражать всю совокупность связей между элементами системы (объектами, факторами, параметрами и т. п.).

Важно, чтобы анализ ТП как физико-химической системы осу­ществлялся в динамике, т. е. проявлении функций системы во вре­мени. Поэтому, если равновесная система описывается фазовым пространством состояний, то функционирующую систему можно описать только уравнениями движения в пространстве состояний, что значительно затрудняет анализ ТП по сравнению с классическим физико-химическим анализом. Однако это дает большой простор инженеру-технологу для проявления своего творческого потенциала для повышения эффективности ТП, а, следовательно, и производ­ства в целом.

Дата добавления: 2014-01-05