Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ВЫСОКОЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
1.1. Проблемы аналитического контроля чистоты синтетического сапфира
1.2. Аналитический контроль чистоты некоторых технологических сред микро- оптоэлектроники
1.2.1. Типы и источники загрязнений некоторых технологических сред
1.3. Современное состояние, проблемы и основные характеристики методов контроля высокочистых материалов
1.3.1. Сравнительные характеристики методов анализа высокочистых веществ
1.3.2. Методы масс-спектрального анализа 26
1.3.3. Методы атомной абсорбционной спектроскопии 29
1.3.4 Метод рентгенофлуоресцентного анализа 32
1.4. Электрохимические методы в контроле высокочистых веществ
1.4.1 Инверсионная вольтамперометрия 35
1.4.2 Сравнительные характеристики методов контроля чистоты материалов
Выводы и постановка задачи исследований
Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА, РАЗРАБОТКА И 43
ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПРИМЕСЕЙ В СИНТЕТИЧЕСКОМ КОРУНДЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ
2.1. Теоретические основы метода инверсионной вольтамперометрии
2.1.1. Теория аналитического сигнала в методе ИВ
2.1.2. Параметрическая теория аналитического сигнала в методе ИВ 7
2.2. Теоретические основы метода рентгеноспектрального анализа
2.3 Пробоподготовка высокочистого синтетического корунда для анализа методом ИВ
2.3.1. Выбор оптимального способа пробоподготовки 56
2.3.2. Методы разложения анализируемых проб
2.3.3 «Мокрые» способы разложения 60
2.3.4 «Сухие» способы разложения 61
2.3.5 Исследования по выбору оптимального способа 66 переведения в раствор проб синтетического корунда
Выводы к главе 2 71
Глава 3 РАЗРАБОТКА БЛОКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЯЧЕЙКИ ИНВЕРСИОННО-ВОЛЬТАМПЕРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЧИСТОТЫ СИНТЕТИЧЕСКОГО КОРУНДА И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
3.1. Аппаратурные особенности ИВ определения 72
3.1.1. Многоканальный аналитический комплекс СТА 74
3.1.2. Разработка измерительной ячейки СТА-М 79
3.1.3. Определение инструментальной погрешности 90 измерения ячейки СТА-М
3.1.4. Сравнительный анализ экспериментальных исследований
Выводы к главе 3 93
Глава 4 МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ ЦИНКА, КАДМИЯ, СВИНЦА И МЕДИ В ВЫСОКОЧИСТЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ И СИНТЕТИЧЕСКОМ КОРУНДЕ
4.1. Исследование взаимного влияния металлов на 94 аналитический сигнал в методе ИВА
4.2. Выбор оптимальных условий определения цинка, 98 кадмия, свинца и меди
4.2.1. Выбор рабочего электрода 98
4.2.2. Выбор фонового электролита 99
4.2.3. Выбор потенциала электролиза 103
4.2.4 Выбор оптимального времени электролиза 104
4.3. Результаты опытно-промышленных испытаний методик ИВ определения
4.3.1. Анализ технологических сред 108
4.3.2. Методика контроля чистоты азотной, соляной и 108 серной кислот
4.3.3. Методика контроля чистоты синтетического 109 корунда
4.4 Методические особенности определения примесей методом рентгенофлуоресцентного анализа (сопоставительный анализ)
4.4.1 Аналитическое оборудование рентгенофлуоресцентный сканирующий спектрометр VRA-30
Выводы к главе 4 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 125
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ Высокочистые вещества являются
приоритетными объектами исследований в различных отраслях промышленности. На их базе развиваются основополагающие отрасли новой техники - атомная, радио- и электронная промышленность, волоконная оптика и др. С каждым годом повышаются требования к чистоте веществ; содержание отдельных микро примесей уже на уровне ограничивает применение некоторых материалов в современной технике. Данные аналитического контроля являются основными показателями чистоты веществ, а возможностями анализа нередко ограничиваются возможности дальнейшей очистки.
Классификация существующих методов и критерии выбора аналитического оборудования как средства высокочувствительного оперативного контроля чистоты материалов микроэлектроники указывают на преимущества электроаналитического оборудования - как наиболее приемлемого средства контроля, что связано с его высокой разрешающей способностью, возможностью определения большого количества примесей и широким диапазоном определяемых концентраций.
Эффективный высокочувствительный контроль примесного содержания в синтетическом корунде и некоторых технологических средах микро- оптоэлектроники имеет два важнейших аспекта: аналитический и технологический.
Первый состоит в том, что результаты анализа с высокой степенью корреляции соответствуют воздействию на качество синтетического корунда именно этих элементов-примесей.
В технологическом плане наличие указанных примесей в синтетическом корунде, высокочистых средах, воде и т.д. существенно влияет на электрофизические, оптические и другие параметры материалов, веществ и приборов в микро- оптоэлектронике.
Специфика аналитического определения примесного содержания синтетического корунда, технологических сред связана с многокомпонентностью объекта анализа, относительно низким содержанием искомых примесей и многовариантностью целей оценки как следствия применения для разнообразных областей науки и техники.
Требуемая высокая чувствительность методов контроля диктуется двумя факторами:
- отсутствием отечественных стандартов на синтетический корунд и изделия из него,
- необходимостью приближения к международным стандартам чистоты в технологических средах микро- наноэлектроники (10"6 % против 10"3%, регламентируемых в РФ).
В связи с этим, весьма актуальными и целесообразными являются исследования, направленные на разработку и создание методов и средств, обеспечивающих экспрессный высокочувствительный контроль высокочистых технологических сред и синтетического корунда
Основными факторами, необходимыми для выбора метода высокочувствительного аналитического определения примесного состава являются: верхний и нижний интервалы его содержания, чувствительность и избирательность метода, точность и экспрессность определения, стоимость анализа, возможность автоматизации и т.д.
Удовлетворение этих требований становится возможным благодаря изучению и применению новых методов и приемов, их развитию и совершенствованию, разработке и внедрению нового аналитического оборудования, использованию современных достижений науки и техники. Анализ литературных данных и исследований, проведенных в наших работах и работах других авторов по определению.
Примесей в высокочистых- технологических средах и синтетическом корунде, свидетельствует о том, что среди: инструментальных методов анализа приоритетное место занимают, электрохимические методы.
ОБЪЕКТОМ: ИССЛЕДОВАНИЯ данной диссертационной- работы является высокочувствительный .экспресс-контроль примесного содержания? в высокочистых технологических средах: и синтетическом корунде..
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ синтетический корунд, высокочистые технологические среды. (включая высокочистые воды);
используемые в производственных линиях по выпуску сапфировых подложек.
Работа является дальнейшим развитием теоретических и экспериментальных исследований- отечественных и зарубежных ученых и специалистов в, области методов контроля- высокочистых материалов. Экспериментальные исследования проводились- на современном отечественном и импортном аналитическом оборудовании, а также на специально изготовленных средствах контроля:
Диссертационная работа является составной частью фундаментальных и прикладных исследований в области методов контроля воды и других объектов окружающей среды, предусмотренных Федеральными Целевыми Программами:
- «Национальная технологическая база» (2002-2006 г.г.);
- «Научные исследования! высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2002-2006 г.г.). ,
Результаты исследований автора; диссертации использованы при проведении следующих НИР:
1. НИР «Разработка технологии электрохимического синтеза новых материалов класса «stripping» для микро- и наноэлектроники». Федеральная Целевая Программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2002-2006 гг), подпрограмма: 208 «Электроника». Раздел: 208.01. «Материалы для микро- и наноэлектроники». Номер государственной регистрации НИР: 01200303893.
2. НИР «Разработка методологии аналитического контроля и сертификации качества сапфировых подложек для изготовления гетеротранзисторов и оптоэлектронных приборов на основе нитрида галлия». Федеральная Целевая Программа: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (2002-2006 г.г.), подпрограмма: 208 «Электроника». Раздел: 208.01. «Материалы для микро- и наноэлектроники». Номер государственной регистрации НИР: 01200303729.
3. НИР: «Теоретические и экспериментальные основы методологии высокочувствительного контроля жидких сред в технологии очистки поверхности полупроводниковых пластин» Номер государственной регистрации НИР: 01200207908.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Разработка методов и средств контроля высокочистых технологических сред и синтетического корунда
С учетом вышеизложенного, для достижения поставленной цели диссертационной работы сформулированы следующие задачи исследований:
-Провести критический анализ существующих методов определения примесного содержания в высокочистых технологических средах и синтетическом корунде. -Улучшить метрологические характеристики высокочувствительного экспресс-контроля электроаналитическими методами, применение которых ведет к существенному упрощению и удешевлению анализа. -Провести государственную аттестацию разработанных методик выполнения измерений (МВИ) в органах ГОССТАНДАРТА.
-Провести опытно-промышленное внедрение разработанных методов в аналитическую практику.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Научная новизна полученных результатов состоит в теоретическом обосновании, экспериментальном обеспечении и разработке методов и средств контроля высокочистых технологических сред и синтетического корунда.
Впервые разработана концепция и методические приемы инверсионно- вольт амперометрического высокочувствительного экспресс контроля примесей в высокочистом синтетическом корунде на уровне от ОД ррт до 250 ррт.
Впервые разработана концепция и методические приёмы инверсионно - вольт амперометрического высокочувствительного экспресс контроля примесей в высокочистых технологических средах на уровне от 2- 10"5 мг/дм3.
Предложена и апробирована модифицированная измерительная ячейка с целью уменьшения погрешности анализа в нижнем рабочем диапазоне определяемых содержаний.
Разработан метод пробоподготовки высокочистого синтетического корунда для анализа методом инверсионной вольтамперометрии.
2. Проведена государственная аттестация в Комитете РФ по стандартизации, метрологии и сертификации ГП «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» МВИ цинка, кадмия, свинца и меди в пробах синтетического сапфира методом инверсионной вольтамперометрии (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева свидетельство №242/137-07).
3. Проведено опытно-промышленное внедрение разработанных методов контроля в аналитическую практику промышленных предприятий. Эффективность разработанных методов контроля достаточно убедительно подтверждена актами внедрения в ООО «Юнисаф», НПК «Технологический центр» МИЭТ.
4. Результаты исследований использованы в учебном процессе при разработке и постановке лабораторных практикумов по курсам: «Экология», «Химия окружающей среды», «Экология территорий», «Физико-химические методы анализа», «Аналитическая химия» и др. ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ подтверждена:
-положительными результатами серийных и промышленных испытаний методики контроля примерного содержания цинка, кадмия, свинца и меди в высокочистых технологических средах и синтетическом корунде;
- комплексным характером проведенных исследований;
-сравнительными результатами сопоставительных анализов флуоресцентного анализа. Возможность практического использования разработанных методов контроля подтверждается их успешным внедрением в аналитическую практику промышленных предприятий и научно-исследовательских институтов. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях:
- III Всероссийской научной конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2004 г.)
- 8 Международного Симпозиума молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологии чистых производств в XXI веке: Проблемы и Перспективы» (МГУИЭ, 2004г.);
- Всероссийской научно- технической конференции «Новые материалы и технологии. ЫМТ-2004» (МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, ноябрь 2004 г.);
- 1 и 2 научно - практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2005 г., 2006 г.);
- VII Международная конференция «Опто-наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». (Ульяновск:УлГУ, 2005 г.);
- II Всероссийской научно - практической конференции «Окружающая среда и здоровье» (Пенза, август 2005 г.);
- V Международной научно-практической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2005 г.);
- Международной конференции «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2006 г.);
- Всероссийского молодежного научно-инновационного конкурса «Электроника-2006» (МГИЭТ, 30 ноября 2006 г.);
- Научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2006» (МАТИ-РГТУ им. К. Э. Циолковского, 2006 г.),
- Всероссийской - научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (РХТУ им. Д.И. Менделеева, Тула, 2006 г.), . - 13 ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика» (МЭИ, 2007 г.),
- 14-той Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика-2007» (МИЭТ, 2007).
ПУБЛИКАЦИИ
Основные положения диссертационной работы опубликованы в 26 печатных источниках, в том числе в 2 статьях в научных журналах, входящих в Перечень периодических и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертации на соискание степени кандидата наук.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА
Основные научные и практические результаты получены автором лично. Автору принадлежит формулировка цели работы и постановка задач, обоснование и выбор путей их решения, разработка методик исследований, выполнение экспериментов, анализ, интерпретация и обобщение результатов, формулировка и разработка научных положений, выносимых на защиту.
Главными из них являются:
- сравнительный анализ современных аналитических методов, применяемых при контроле примесей в высокочистых средах;
- обоснование и выбор условий пробоподготовки высокочистого синтетического корунда для анализа;
- формулировка основных требований, апробирование модифицированной измерительной ячейки.
НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. Концепция и методические приемы пробоподготовки высокочистого синтетического корунда для аналитического контроля примесного состава.
2. Концепция и методические приемы высокочувствительного инверсионно-вольтамперометрического определения цинка, кадмия, свинца и меди в пробах высокочистых технологических сред от 2-х10"5мг/дм3.
3. Концепция и методические приемы высокочувствительного инверсионно-вольтамперометрического определения цинка, кадмия, свинца и меди в пробах высокочистого синтетического корунда на уровне от ОД ррт до 250 ррт.
4. Теоретическое обоснование и опытная реализация нового конструкторского решения модифицированной измерительной ячейки.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ J Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения по основным результатам работы, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 137 страниц машинописного текста, включая 17 таблиц, 28 рисунков и список литературы из 140 наименований.
