Введение к работе
Актуальность темы. Современная электронная промышленность использует широкий спектр сложных физико-химических процессов, среди которых видное место занимают процессы нанесения пленок в вакууме. К числу этих процессов относятся: термическое и ион-ио-плазменное напыление, магнетронное распыление, вакуумно-дуго-вое испарение и т.д. Среди них наиболее распространенным в настоящее время является процесс нанесения пленок и покрытий методом термического испарения в вакууме (ТИВ).
Большой практический и теоретический интерес к процессам цанного класса вызван прежде всего необходимостью исследования процесса нанесения пленок методом ТИВ как об"екта управление, автоматизации, существующего парка установок термического нанесения плёнок, а также разработкой установок нового поколения, позволяющих на основе комплексной автоматизации всех этапов производственного цикла повысить в конечном итоге процент выхода-годных изделий и перейти к созданию новых видов микроэлектронных приборов.
Целью автоматизации процессов нанесения материалов на подложки методом ТИВ является, с одной стороны обеспечение воспроизводимости параметров, характеризующих макро-свойства полученной пленки, а с другой стороны, создание оптимальных условий для воздействия на микро-свойства формируемого покрытия с точки зрения его структурного совершенства. В настоящее время процессы нанесения пленок в вакууме являются слабо формализованными, а управление опирается в основном на опыт и знания технолога.
Существующие математические модели технологического процесса (ТП) на макро-уровне являются статическими, не отражают динамику развития процесса испарения, не учитывают распределенность молекулярного потока в пространстве. Существенным недостатком математических моделей на микро-уровне описания является отсутствие детальной разработки процессов роста пленки на подложке с позиций термодинамики.
Поэтому возникает задача формализации ТП в виде моделей,позволяющих исследовать процесс формирования пленки как на макро-, гак и на микро-уровне. А разработка соответствующих инструмен-
- 2 -тальных средств моделирования позволит расширить возможности исследователя и проводить эксперименты в условиях, когда прямое наблюдение за ростом пленки затруднено вследствие отсутствия эффективных средств контроля параметров ТП.
Решение этой задачи позволит обеспечить адекватное описанш процесса формирования структуры пленки на подложке как на макро-, гак и на микроуровне, сформировать на этой основе алгоритмі оптимального управления ростом пленки на подложке. Разработанные модели и алгоритмы могут быть положены в основу созданш автоматизированной системы управления ТП нанесения пленок ме^ тодом ТИВ.
Таким образом, решение данного комплекса задач, связанных і моделированием и управлением ТП нанесения пленок в вакууме явля ется актуальным как с научной, так и с практической точки зре ния.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработ ка математических моделей и алгоритмов управления процессом на несения пленок в вакууме с заданными макро- и микро-свойствами.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих за дач:
-
Проведение функционально-целевого анализа (ФЦА) процесс нанесения пленки в вакууме на базе термодинамического подхода обеспечение наблюдаемости и управляемости процесса.
-
Разработка статической модели для описания процесса расг ространения молекулярного потока от источника испарения до по; ложки для оптимизации конфигурации элементов испарительной си< темы.
-
Разработка динамической модели и алгоритма программно] управления нанесением покрытий с равномерным распределением то. щины пленки по поверхности подложки.
-
Разработка термодинамической модели процесса нанесені пленки на микро-уровне для оптимизации условий формирования внутренней структуры.
-
Разработка автоматизированной системы контроля и управл ния ТП нанесения пленок в вакууме.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в рабо использованы методы термодинамики, статистической физики, теор вероятностей, теории автоматического управления, методы модел рования сложных систем и вычислительной математики.
- З -Научная новизна. В ходе .диссертационной работы были получены :ледующие новые научные результаты:
-
Обобщенная процедура формирования вектора управляемых и сонтролируемых координат на базе функционально-целевого и термо-іинамического анализа.
-
Статическая модель процесса распространения молекулярного гатока от источника испарения к подложке для оптимизации относительного расположения испарителя и подложки с целью обеспечения завномерности нанесения покрытий.
-
Динамическая модель процесса нанесения покрытий с равномерным распределением толщины пленки по поверхности подложки, учитывающая характеристики процесса испарения и распределенность галекулярного потока, в пространстве.
-
Алгоритм программного управления ТП с целью получения эавномерно распределённой по площади подложки толщины пленки.
-
Термодинамическая модель процесса роста пленки на подножке для оптимизации условий формирования внутренней структуры членки на основе энтропийного подхода.
Практическая ценность работы. Практическая значимость Полуниных результатов состоит в следующем:
разработаны инструментальные средства моделирования про-десса^ распространения молекулярного потока от источника испаре-тя до подложки для оценки геометрических характеристик распределения корпускул в пространстве;
разработаны инструментальные средства моделирования про- . десса нанесений пленки с равномерным распределением ее толщины to поверхности подложки:
разработаны инструментальные средства моделирования ТП для эптимизации условий формирования совершенной внутренней структуры пленки;
разработаны автоматизированные лазерные устройства контроля температуры подложки и скорости испарения материала;
разработана подсистема сбора, обработки информации, организации и хранении данных о ходе ТП;
- разработана система управления ТП нанесения пленок.
Реализация результатов работы*. Теоретические и практические
результаты использовались в восьми научно-исследовательских работах, проводимых на кафедре АПУ и в УИЛ АТК МЭП в СПб ГЭТУ в 1986-1994 гг. Результаты работы были использованы при разработке
- 4 -встраиваемой микропроцессорной системы управления вакуумным уни' нереальным постом ВУП-5, при создании ряда установок ВУП-5М і ВУИ-б на ПО "Электрон" (г.Супы,Украина), при проектировании сие темы нанесения пленок и покрытий на основе ВУП-5 в НИИ АР (г Димитровград, Россия), при реализации системы управления уста новкой для создания интерференционных фильтров в НПО "Электрон (г.Санкт-Петербург, Россия).
Результаты диссертационной работы положены в основу метода ческого обеспечена дисциплины "Автоматизация производства элект ронных приборов" в С-Пб ГЭТУ имени В.И.Ульянова (Ленина).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладыва лись на сег.шнаре "Опыт внедрения прогрессивных методов и средст размерного контроля" (Ленинград, 1987 г., 1990 г.). Первой Все союзной конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграци процессов технологии микроэлектроники" (Ленинград, 1989 г.) Всесоюзной научно-технической конференции "Контроль и управлени в современном производстве" (Ереван, 1988 г.), Второй Всесоюзно научно-технической конференции молодых ученых и специалистов международным участием "Контроль, управление и автоматизация современном производстве" (Минск, 1990г.), Второй Межреспубли канской научной конференции "Методы и средства управления техно логическими процессами"(Саранск, 1991 г.), X научной конференци "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследова ниях" (Москва, 1992 г.), семинаре "Автоматизированная техника" Университете Карлсруэ ( ФРГ,Карлсруэ, 1993 г.), научно-техничес кой конференции "Вакуумная наука и техника" (Гурзуф. 1994 г.).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в пяти статьях и восьми тезисах докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит иа введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 95 наименований, четырех приложений. Основная часть работь изложена на 129 страницах машинописного текста.'Работа содержит 2 таблицы, 25 рисунков.