Введение к работе
Актуальность
Тенденции развития микроэлектроники, связанные с уменьшением размеров элементов, и, как следствие, возросшая зависимость качества изделий от чистоты воздуха помещения как технологической среды - объективная реальность высокотехнологичных производств. Этот качественный переход обусловил внимание специалистов к ряду новых физических явлений, вызвавших увеличение номенклатуры параметров и характеристик среды, подлежащих регламентации, анализу, контролю и регулированию. Современная индустрия чистых помещений позволяет за счет многократной фильтрации и значительных энергозатрат практически исключить проникновение в рабочее пространство опасных для технологии частиц. Вместе с тем, опыт эксплуатации чистых помещений и анализ причин неудовлетворительного выхода годных указывают на присутствие в воздухе помещения примесей, являющихся причиной появления брака. Поскольку источником генерации таких частиц не может быть система фильтрации воздуха, следует обратить внимание на другие факторы внутрипроизводственной среды.
Микроклимат чистых помещений формируется комплексом тепло- и массообменных процессов и обеспечивается системой кондиционирования и фильтрации, задающей аэродинамические параметры воздушных потоков. Учитывая, что современные фильтры не являются препятствием для наночастиц, можно предположить, что их укрупнение происходит в пространстве между финишным фильтром и зоной обработки пластин, и этот процесс связан с изменениями температуры и относительной влажности воздуха. Поэтому исследование причин образования недопустимо крупных частиц, анализ механизмов агломерации наночастиц и выработка решений по устранению или минимизации их негативного влияния представляет как научный, так и практический интерес для целей проектирования и эксплуатации чистых помещений микроэлектроники.
Возможный путь решения такой задачи состоит в моделировании процессов переноса вещества в системах сталкивающихся частиц в однонаправленном потоке воздуха на основе уравнений Л. Больцмана - М. Смолуховского. Обращение в данном случае к уравнениям газовой динамики обосновано их уникальной универсальностью и применимостью для исследования процессов роста агломератов в воздушной среде, как открытого пространства, так и ограниченного объема чистых помещений. Математическое моделирование для расчета систем сталкивающихся частиц позволяет установить реальную картину распределения наночастиц в объемах чистых помещений, что в свою очередь дает возможность обосновать организацию технологического процесса, планировку оборудования, регламент эксплуатации, а также структуру и содержание системы мониторинга чистого помещения. В настоящее время найдены решения уравнений Л. Больцмана - М. Смолуховского для сравнительно простых случаев малых градиентов температуры, скорости и концентрации частиц в газе; существуют ситуации, когда они не имеет классического решения.
Поэтому математическое моделирование процессов коагуляции наночастиц в атмосфере чистого помещения, компьютерная реализация моделей и установление
на этой основе закономерностей пространственного и временного распределения их агломератов является актуальной задачей, а ее успешное решение будет полезно для обеспечения технологии микро- и наноэлектроники экологической обстановкой нового, более высокого, уровня качества.
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование изменчивости наночастиц в условиях чистых помещений на основе математического и компьютерного моделирования.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:
Выполнение сравнительного теоретического анализа применимости математических моделей процесса коагуляции наночастиц в процессе их переноса потоком воздуха.
Теоретическое обоснование математической модели пространственно неоднородной коагуляции наночастиц, соответствующей физическому процессу их слияния в чистом помещении, приводящее к решениям кинетического уравнения М. Смолуховского.
Создание алгоритма имитации столкновений и слияний наночастиц, а также программного обеспечения для исследования динамики наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом помещении.
Выполнение теоретических исследований пространственной и временной изменчивости поведения наночастиц под влиянием температуры и влажности воздуха.
Разработка методики и реализация экспериментальных исследований по проверке на адекватность математической модели в условиях реального чистого помещения.
Разработка практических рекомендаций по организации технологического процесса, проектированию и эксплуатации чистых помещений и организации структуры системы мониторинга внутрипроизводственной среды.
Объект исследования: аэрозоль в чистых помещениях производств микроэлектроники классов 1 и 2 по ГОСТ ИСО Р 14644-1.
Предмет исследования: математические и компьютерные модели процесса коагуляции наночастиц под влиянием температуры и относительной влажности в однонаправленном потоке воздуха.
В настоящее время научные исследования и инновационная деятельность в области обеспечения чистых помещений воздушной средой надлежащего качества проводится в рамках госбюджетной НИР "Исследование генерации нанопримесей в атмосфере методами математического и компьютерного моделирования" № 31-ГБ-061-Б-ПЭ.
Методы исследования: теоретической основой проведенных исследований служат подходы к математическому моделированию кинетики сталкивающихся частиц и в качестве базовой рассмотрена модель процессов коагуляции на основе решений уравнения Л. Больцмана - М. Смолуховского.
Для измерений использовался счётчик конденсационных частиц СРС 4312, который регистрировал аэрозольные частицы в шести каналах: 0,1 мкм и выше; 0,2 мкм и выше; 0,3 мкм и выше; 0,5 мкм и выше; 1,0 мкм и выше; 2,0 мкм и выше.
Проверка на адекватность математической модели экспериментальным данным осуществлялась с помощью специально разработанной компьютерной программы. Научная новизна работы представлена следующими положениями:
1. Проведен комплексный теоретический анализ математических моделей
массообмена в однонаправленном потоке воздуха.
2. Теоретически обоснована применимость кинетического уравнения
М. Смолуховского в качестве основы математической модели пространственно
однородной коагуляции наночастиц, соответствующей реальному процессу в
чистом помещении микроэлектроники.
3. Разработан алгоритм и компьютерная программа для исследования
динамики наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом
помещении.
4. Проведен расчет пространственной и временной изменчивости поведения
наночастиц под влиянием температуры и относительной влажности воздуха на основе
модифицированного кинетического уравнения М. Смолуховского для коагуляции в
газе.
5. На основе предложенной методики и результатов экспериментальных
исследований математическая модель проверена на адекватность в условиях
реального чистого помещения.
Практическая значимость работы состоит в возможности минимизации отрицательного влияния укрупнения наночастиц на технологический процесс в чистых помещениях микроэлектроники за счет:
Установления временных и пространственных закономерностей изменчивости наночастиц от параметров микроклимата и точного определения неблагоприятных зон.
Практических рекомендаций по организации технологического маршрута и размещению оборудования.
3. Методических рекомендаций по организации структуры системы
мониторинга внутрипроизводственной среды.
Личный вклад автора: Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
1. Сравнительный теоретический анализ существующих математических
моделей массообмена и обоснование кинетического уравнения М. Смолуховского в
качестве адекватной математической модели процесса коагуляции наночастиц, в
чистом помещении.
Разработка алгоритма и компьютерной программы для исследования укрупнения наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом помещении.
Теоретические исследования пространственной и временной изменчивости наночастиц под влиянием колебаний параметров микроклимата чистого помещения.
Разработка методики, получение и обработка экспериментальных данных по проверке на адекватность математической модели в условиях реального чистого помещения.
5. Разработка практических рекомендаций по топографии оборудования, эксплуатации чистых помещений и организации структуры системы мониторинга внутрипроизводственной среды.
Достоверность результатов: Достоверность полученных результатов, разработанных математических и компьютерных моделей подтверждена отсутствием противоречий исходных положений известным законам газодинамики и массообмена, обусловлена проверками на адекватность на основе экспериментальных данных и сравнением со сведениями отечественных и зарубежных исследователей. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированном измерительном оборудовании, базировались на общепринятых положениях, с использованием специально разработанной методики ОАО "МКБ "Компас".
Апробация работы. Основные положения и результаты работы
докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:
17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010», Москва, апрель 2010 г.
18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2011», Москва, апрель 2011г.
3-я Международная научно-практическая конференция "Измерения в современном мире", Санкт-Петербург, 17-20мая 2011г.
Совместная конференция ЭлТех СПб, НИЯУМИФИ и СПбГЭТУ (ЛЭТИ) «Инновационное направление развития российской электроники. Возможности кооперации науки и бизнеса: от форсайтов и трансфера технологий до строительства и оснащения наукоемких производств», Санкт-Петербург, 31 мая -1 июня 2011г.
II Международная научно-практическая конференция «Научные основы окружающей среды», Пенза, сентябрь 2011 г.
Внедрение и использование результатов работы: Результаты работы нашли внедрение в учебном процессе при подготовке учебно-методического комплекса по дисциплине "Экологические проблемы высоких технологий" магистерской программы направления "Техносферная безопасность" Национального исследовательского университета МИЭТ, в учебном процессе кафедры «Промышленная экология и охрана труда» Московского государственного университета технологий и управления им. К.Г. Разумовского, в научных исследованиях ОАО «Московский радиозавод «Темп», а также при аттестации чистого помещения класса ISO 2 в ОАО "МКБ "Компас".
На защиту выносятся:
1. Комплексный сравнительный теоретический анализ существующих
подходов к моделированию изменчивости наночастиц в однонаправленном потоке
воздуха и обоснование применимости кинетического уравнения М. Смолуховского в
качестве адекватной математической модели процесса их укрупнения.
2. Закономерности пространственной и временной изменчивости наночастиц
под влиянием колебаний параметров микроклимата чистого помещения.
3. Алгоритм и компьютерная программа расчета процесса укрупнения
наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом помещении.
Методика и результаты экспериментальных исследований по проверке на адекватность математической модели в условиях реального чистого помещения.
Практические рекомендации по планировке оборудования, эксплуатации чистых помещений и организации структуры системы мониторинга внутрипроизводственной среды.
Публикации. Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-Ю] (список литературы приведен в конце автореферата). По материалам диссертации сделано 5 докладов на научных конференциях. Результаты, содержащиеся в работах, выполненных в соавторстве, и включенные в диссертацию, получены автором лично и включены в диссертацию с согласия и одобрения соавторов этих работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, разбитых на параграфы, заключения и списка литературы, содержащего 90 наименований. Объем диссертации составляет 116 страниц.
