Введение к работе
Актуальность темы. Воздействие потоков корпускул (атомов, ионов, электронов) на вещество (материал) находит все donee широкое применение как в физических исследованиях, так и в различных технологических процессах (ТП), в частности в процессах формообразования поверхностей (ПФП) в оптике, микроэлектронике, машиностроении. Успешное использование ионных пучков в ПФП в значительной мере определяется высоким уровнем развития фундаментальных исследований явления распыления твердых тел при бомбардировке ионами. В последние годы на основе системного анализа и обобщения накопленного обширного экспериментального материала наблюдается тенденция к переориентации фундаментальных исследований с целью развития технологических применений, к рассмотрению прикладных аспектов теории распыления. Эта тенденция приводит к постановке новых задач, как экспериментального, так и теоретического плана, направленных на совершенствование корпускулярных технологий.
Одной из таких задач, требующих своего решения, является управление эволюцией"поверхности под воздействием ионных пучков (ЭПВИГО. Трудности прогнозирования поведения и обеспечения заданного развития поверхности во времени и пространстве, т.е. эволюции, связанные со сложностями аналитического описания динамики процесса формообразования, а также с недостаточной проработкой методов расчета систем управления объектами подобного типа и отсутствием средств оперативного контроля за состоянием поверхности, сдерживают широкое промышленное применение ПФП.
Использование воздействия ионных пучков на вещество в фундаментальных исследованиях, начало широкого промышленного внедрения ПФП в различные отрасли современного автоматизированного производства определяют актуальность и своевременность критического анализа материала, накопленного при изучении явления распыления вещества, его систематизации с позиций современной теории управления, а также разработки теоретических и практических основ методики синтеза систем оптимального управления (СОУ) "процессами подобного типа.
Цель работы. Цель диссертационной работы заключается в разработке иерархической системы моделей для анализа ПФП под воз-
2 действием ионных пучков и синтеза на их основе алгоритмов оптимального управления эволюцией .поверхности.
Поставленная цел*, достигается решением следующих задач:'
систематизация существующих и - разработка новых моделей ПФП под воздействием ионных пучков на макро-, меэо- и микроуровнях описания процесса;
разработка алгоритмов программного управления ПФП на макро-уровне на базе моделей макро- и мезо- уровней;
синтез регулятора ПФП на макро-уровне на базе моделей макро- и меэо- уровней;
синтез регулятора характеристик меэо- уровня ПФП на базе моделей мезо- и микро- уровней;
разработка типовой системы автоматизации проектирования, управления и контроля процессов ионно-плазменной технологии.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе используются методы теории оптимального управления (вариационное исчисление и метод аналитического конструирования оптимальных регуляторов), методы линейной теории переноса, методы статистической физики и теории эрозии Сроста) поверхности, методы теории дифференциальных уравнений в частных производных. Анализ и практическая проверка полученных результатов проводилась путем моделирования на ЭВМ с привлечением методов вычислительной математики.
Научная новизна. В процессе решения поставленных задач получены следующие новые научные результаты:
иерархическая система моделей ПФП под воздействием ионных пучков, представляющая собой комплекс моделей на макро-, ыезо-и микро- уровнях представления процесса для описания эмиссии ионов из ионного источника, распространения потока корпускул в среде переноса между ионным источником и поверхностью образца, эволюции поверхности при бомбардировке ее ионами и атомами;
универсальная для различных типов ионного травления методика синтеза системы управления ПФП под воздействием ионных пучков на макро-уровне на базе моделей макро- и меэо- уровней, включающая этапы проектирования программы управления ионным источником для получения заданной формы поверхности неравномерным ионным пучком, проектирования системы контроля за состоянием поверхности в ходе обработки и синтеза с .учетом этого закона управления по отклонению от программной траектории;
- алгоритм программного управления ЭПВИП на базе метода по
следовательной линеаризации с использованием имитационной проце
дуры для выбора начального управления для процедуры Оптимизации;
алгоритм контроля состояния поверхности в процессе ее эволюции по линеаризованной модели ПФП на макро- уровне и функции ошибки наблюдения, использующей текущую точечную оценку состояния поверхности;
алгоритм регулирования на макро-уровне по информации о состоянии поверхности;
алгоритм синтеза субоптимального регулятора характеристик распыления на мезо- уровне на базе моделей меэо- и микро-уровней для ПФП, использующих физический механизм распыления.
Практическая ценность полученных результатов заключатеся в разработке инженерных процедур анализа ПФП на основе иерархической системы моделей, синтеза системы оптимального управления эволюцией поверхности, контроля за состоянием поверхности в ходе формообразования. Все полученные результаты имеют ясную физическую интерпретацию на языке интегральных критериев качества, широко используемых в инженерной практике. На основе предложенных алгоритмов разработано прикладное программное обеспечение, позволяющее автоматизировать процесс проектирования СОУ ПФП.
Реализация результатов работы. Полученные в работе результаты использованы: при разработке встраиваемой микропроцессорной системы управнения и контроля для серийных установок ВУП-5, а также их модификаций ВУП-5М, ВУП-5; при автоматизации процедуры аналитических, исследований на базе масс-спектрометра МС7202М (производственная база ПО "Электрон", город Сумы), при проектировании системы двухстороннего ионного утонения на основе ВУП-5 и системы управляемого гаэонапуска Спо заказу НИИ АР, город Ди-митровград); при реализации системы управления установкой для создания фотослоев для многосигнальных видиконов бытового телевидения и автоматизированной системы магнетронного распыления диэлектриков с- контролем распыляемых слоев (внедрены на НПО "Электрон", город Санкт-Петербург).
Результаты использованы в лабораторном практикуме по курсу "Автоматизация производства электронных приборов" в С. -Пб. ГЭТУ.
Аппробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены на семинаре "Опыт внедрения прогрессивных методов и средств размерного контроля" (Ленинград,
4 1987, 1990), Всесоюзной научно-технической конференции "Контроль и управление в современном производстве" (Ереван, 1988), Всесоюзной конференции "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии микроэлектроники" (Ленинград, 1989), Всесог юзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибирск, 1990), Второй Межреспубликанской научной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (Саранск, 1991), X научной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Москва, 1992).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи и 9 тезисов докладов на всесоюзных конференциях.
Структура и объем работы, диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 99 наименований. Основная часть работы изложена на 156 страницах машинописного текста. Работа содержит 19 рисунков, 16 приложений.