Теория ростового процесса молекулярных загрязнений и научные основы контроля чистоты поверхностей изделий индустрии высоких технологий Севрюкова Елена Александровна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Проблема контроля чистоты поверхностей изделий в чистых помещениях индустрии высоких технологий 15

1.1. Анализ отрицательного воздействия поверхностных молекулярных загрязнений на эксплуатационные характеристики изделий 15

1.2. Источники и способы переноса загрязнений .25

1.3. Методы измерения поверхностных загрязнений .32

1.4. Классификация уровней молекулярных загрязнений 48

Выводы и постановка задачи диссертации.. 56

Глава 2. Исследование процесса роста молекулярных загрязнений в воздушном потоке .59

2.1. Механизм коагуляции частиц .59

2.2. Разработка математической модели пространственно-однородного процесса коагуляции наночастиц .72

2.3. Компьютерное моделирование динамики роста воздушных молекулярных загрязнений 78

2.4. Экспериментальное исследование поведения воздушных молекулярных загрязнений .86

ВЫВОДЫ .103

ГЛАВА 3. Исследование механизмов образования mмолекулярных загрязнений на поверхности изделий 105

3.1. Теоретические основы механизма образования поверхностных молекулярных загрязнений 105

3.2. Стадия зарождения островков 110

3.3. Стадия независимого роста 116

3.4. Трехмерный рост пленки .122

Выводы .126

ГЛАВА 4. Методика приготовления исследуемых образцов .128

4.1. Подготовка исследуемых образцов 128

4.2. Методика определения поверхностных молекулярных загрязнений 140

4.3. Анализ экспериментальных результатов 143

4.4. Контроль качества обеспечения чистоты поверхностей 147

4.5. Методика контроля требуемого уровня чистоты поверхностей .150

ВЫВОДЫ 165

ГЛАВА 5. Разработка методик для экспериментальной оценки характеристик поверхностных молекулярных загрязнений 167

5.1. Методы оценки толщины молекулярной пленки на поверхности. 167

5.1.1. Расчетный метод оценки толщины молекулярных загрязнений...168

5.1.2. Экспериментальный метод оценки толщины молекулярных загрязнений 174

5.1.3. Экспериментальная оценка влияния толщины поверхностных молекулярных загрязнений на изменение коэффициента светопропускания элементов оптики 179

5.2. Методика определения химического состава поверхностных молекулярных загрязнений 183

5.3. Экспериментальное исследование динамики роста поверхностных молекулярных загрязнений 194

5.4. Количественная оценка молекулярных загрязнений методом смывов и протирок 197

5.5. Методика оценки биологической нагрузки .201

Выводы .215

Заключение 217

Список литературы

• Методы измерения поверхностных загрязнений
• Разработка математической модели пространственно-однородного процесса коагуляции наночастиц
• Стадия независимого роста
• Контроль качества обеспечения чистоты поверхностей

Введение к работе

Актуальность проблемы. Контроль уровня загрязнений поверхностей

высокотехнологичной продукции на всех этапах ее производства в чистых помещениях (ЧП) является важнейшей процедурой, в конечном счете определяющей потребительские качества изделий. Это сложная многопараметрическая проблема, решение которой требует исследования и одновременного учета множества факторов, начиная от механизмов образования и переноса загрязнений и степени их воздействия на основную технологию до разработки эффективных средств мониторинга этих процессов в реальном режиме времени.

Основным видом загрязнений поверхностей являются поверхностные молекулярные загрязнения (ПМЗ), источниками которых в чистых помещениях могут быть строительные и конструкционные материалы, внутрипроизводственная среда, вспомогательные вещества и персонал. ПМЗ возможны на различных этапах производственного процесса, в связи с чем их постоянный контроль становится ключевой задачей повышения качества продукции, решение которой привлекает внимание как зарубежных (NASA, ICCCS), так и отечественных (АСИНКОМ) организаций.

Анализ отечественной и зарубежной литературы свидетельствует о недостаточности или противоречивости сведений о значимости влияния параметров ПМЗ на технологию производства и эксплуатационные характеристики сложной электронно-оптической аппаратуры различного назначения. На сегодняшний день: нет взаимозависимостей между уровнями загрязнения и требованиями рабочих характеристик изделий;

нет четкого представления о механизме образования и переноса молекулярных загрязнений;

отсутствуют методики измерений массовой концентрации загрязняющих веществ на поверхностях изделий в ЧП индустрии высоких технологий прямыми методами; отсутствуют методы оценки толщины молекулярной пленки.

В свете сказанного данная работа своевременна, актуальна и направлена на решение крупной научно-технической проблемы контроля молекулярных загрязнений поверхностей в технологических процессах индустрии высоких технологий.

Объект исследования: внутрипроизводственная среда чистых помещений индустрии высоких технологий.

Предмет исследования: процессы формирования поверхностных

молекулярных загрязнений в чистых помещениях классов чистоты 6 и 7 по ISO 14644-8.

В настоящее время научные исследования и инновационная деятельность в
области обеспечения чистых помещений надлежащего уровня качества проводится в
рамках госбюджетной НИР «Исследование и разработка системы связи и управления
робототехническими средствами для применения в составе орбитальных и
напланетных робототехнических комплексов». Уникальный идентификатор

Цель работы. Развитие теории ростового формирования и научно-методического обеспечения измерений параметров поверхностных молекулярных загрязнений, а также создание универсальной программы контроля их уровня в производстве высокотехнологичных изделий. Реализация поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

1. Оценка степени негативного влияния поверхностных молекулярных загрязнений на
эксплуатационные характеристики изделий, идентификация источников и анализ
аналитических возможностей современных методов исследования поверхностей для
контроля их уровня.

2. Исследование процесса образования молекулярных загрязнений в воздушном
потоке и определение условий минимизации их влияния на технологический процесс.

1. Исследование механизмов образования молекулярных загрязнений на поверхности изделий и развитие теории формирования и роста ПМЗ.

2. Разработка метода оценивания чистоты исследуемой поверхности, связывающего концентрацию органических загрязнений с параметрами взаимодействия инфракрасного излучения с веществами на подложках (волновое число в диапазоне 12820 см^-1 до 10 см^-1), осуществляемого в условиях чистого помещения.

5. Разработка методик для экспериментальной оценки структурных характеристик
ПМЗ и определение их физических зависимостей путем физического моделирования
в условиях реального чистого помещения.

6. Разработка методических рекомендаций по организации мониторинга уровня
поверхностных молекулярных загрязнений в течение технологического процесса и
создание универсальной программы их контроля для высокотехнологичных
производств.

Научная новизна работы состоит в развитии теории возникновения
молекулярных поверхностных загрязнений и формировании комплексных

мероприятий по оценке и мониторингу технологических сред на основе научно-обоснованных технических решений, моделей и методов. При выполнении работы были получены следующие новые результаты:

1. На основе комплексного анализа определено влияние уровня и структуры ПМЗ,
образующихся в процессе производства, на эксплуатационные характеристики
изделий.

2. Установлены теоретические и экспериментальные зависимости оптических
свойств терморегулирующих поверхностей электронных многофункциональных
блоков от характера ПМЗ и определены их минимально допустимые уровни.
Получены зависимости изменения температуры материалов, использующихся в
конструкции каркасов солнечных батарей, вследствие их загрязнения пленкой
молекулярных загрязнений.

3. Получены теоретические зависимости концентрации наночастиц от
температуры, относительной влажности воздуха и времени измерений на основе
модифицированного кинетического уравнения М. Смолуховского для коагуляции в
газе.

4. Разработана кинетическая модель процесса формирования и роста ПМЗ,
создающая возможность аналитического определения их ростовой динамики в
конкретных системах.

5. Получены зависимости роста средней высоты ПМЗ и шероховатости
поверхности от времени в условиях низкотемпературного полислойного роста,
высокотемпературного послойного роста и в промежуточном режиме, позволяющие
визуализировать состояние поверхности в обратном пространстве с помощью метода
дифракции быстрых электронов на отражение.

6. Получены аналитические зависимости для среднего размера, поверхностной
плотности и разброса по размерам островков, позволяющие оптимизировать ростовые
режимы при поддержании заданного уровня загрязнений и контроле ПМЗ.

7. Проведено обоснование выбора и использования методов оценки ПМЗ,
повышающих информативность мониторинга и контроля поверхности. Предложена
универсальная программа контроля уровня ПМЗ, обеспечивающая требуемые
условия технологического процесса (ПМЗ не превышают 0,5 х 10^-7 г/см² за неделю
при непрерывном контроле).

Практическая значимость

1. Разработана методика расчета кинетики формирования и роста ПМЗ в конкретных системах.

2. Разработана и аттестована Государственным региональным центром стандартизации, метрологии и испытаний ФБУ "Ростовский ЦСМ" № 015-01.00281-2013-2015 методика измерений массовой концентрации ряда классов органических соединений на поверхностях изделий в чистых помещениях индустрии высоких технологий методом инфракрасной спектроскопии.

3. Разработана методика для проведения мониторинга загрязняющих веществ (характерные волновые числа для углеводородов 2920 см^-1, эфиров 1735 см^-1, метил силиконов 1260 см^-1 и метил фенил силиконов 1260 см^-1, 1120 см^-1 или 790 см^-1) и обеспечения экономически эффективных контроля технологического процесса с целью повышения выхода годных.

4. Разработана методика экспериментального определения химического состава воздушной среды, продуктов конденсации на поверхностях и оценки вклада каждого компонента при поверхностных взаимодействиях для исследовательских и промышленных задач.

5. Разработана методика контроля чистоты поверхностей с требуемым количественным и качественным уровнем поверхностных молекулярных загрязнений.

Методология и методы исследований. Теоретической основой проведенных исследований служат фундаментальные законы гидрогазодинамики, оптики и массопереноса. В качестве базовой рассмотрена геометрико-вероятностная модель кристаллизации Колмогорова А.Н., примененная к случаю двумерного формирования на основе теории полислойного роста загрязнения, базирующаяся на модели Kashchiev D. и ее обощениях.

В задачах исследования стадий образования и переноса ПМЗ использовался метод Kuni F.M. для получения аналитических решений задач о нуклеации в динамических системах.

Для исследований в данной работе использовались следующие приборы: квадрупольный масс-спектрометр Extorr XT200M (сканирование в диапазонах m/z = l-60u, m/z = 130-170/), ИК-Фурье спектрометр Nicolet 8700 (Thermo Scientific), хромато-масс-спектрометр FOCUS DSQ II (ThermoFisher Scientific), счетчик частиц MetOne 3400.

Адекватность полученных инженерных методик подтверждается аналитическими расчетами и техническими испытаниями.

Личный вклад автора: Все основные результаты диссертации получены лично автором. Главными из них являются:

6. Разработка кинетической модели механизма образования поверхностных молекулярных загрязнений.

7. Развитие теории ростового процесса поверхностных молекулярных загрязнений.

8. Научное обоснование методов оценки толщины молекулярной пленки на поверхности для мониторинга частым или непрерывным контролем.

9. Разработка методики измерений массовой концентрации органических веществ (углеводороды, эфиры, метил силиконы, метил фенил силиконы) на поверхностях изделий в чистых помещениях индустрии высоких технологий методом инфракрасной спектроскопии.

10. Разработка универсальной программы контроля уровня чистоты поверхностей изделий как целостной системы последовательных мероприятий, проведение которых позволит достичь высокого уровня чистоты выпускаемых изделий (молекулярные загрязнения поверхности не превышают 0,5 х 10-⁷ г/см² за неделю при непрерывном контроле) и надежности выполнения их функций на всех стадиях технологического процесса.

11. Разработка методики контроля чистоты поверхностей с заданным уровнем загрязнений.

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 с использованием специально разработанной методики и измерительной аппаратуры АО «ПКК Миландр».

Апробация работы. Работа в целом и отдельные ее части были представлены и обсуждались на конференциях, коллоквиумах, симпозиумах:

12. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция, Россия, Зеленоград, 2012 г.

13. Международная научно-практическая конференция «Наука, техника и высшее образование» (Science, Technology and Higher Education) Канада, Вестмаунт, 2013 г.

14. 4-ая Международная научно-практическая конференция "Европейская наука и технологии" Германия, Мюнхен, 2013 г.

4. XXIV Научно-практическая конференция «Наука и современность
2013», Россия, Новосибирск, 2013 г.

5. XХIV Международная научно-практическая конференция «Инновации в науке», Россия, Новосибирск, 2013 г.

6. IX Международная научно-практическая интернет-конференция «Наука в информационном пространстве», Украина, Днепропетровск, 2013 г.

7. 2-я Международная молодежная научная конференция «Поколение
будущего – взгляд молодых ученых», Курск, 2013 г.

8. 2-я Международная конференция с элементами научной школы
«Актуальные проблемы энергосбережения и энергоэффективности в технических
системах», Тамбов, 2015 г.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в следующие объекты и процессы:

- при выполнении инициативных исследовательских проектов с промышленными
предприятиями отраслей индустрии высоких технологий (ООО «ГРАНД Телеком»,
АО «ПКК Миландр», АО «ЛЗОС»), а также в рамках госбюджетной НИР
«Исследование и разработка системы связи и управления робототехническими
средствами для применения в составе орбитальных и напланетных
робототехнических комплексов». Уникальный идентификатор RFMEFI57514X0082;

- в учебный процесс НИУ МИЭТ в качестве основы учебно-методических разработок
подготовки магистров по программе «Энергетическая эффективность производств
электронной техники» направления 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника» по
дисциплинам «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники»,
«Контроль и мониторинг среды чистых помещений» и «Экспертиза и аттестация
чистых помещений», «Технологические среды и оборудование чистых помещений».

Результаты внедрения и практического использования результатов

подтверждены соответствующими документами. На защиту выносятся:

1. Результаты комплексного анализа влияния молекулярных загрязнений на функциональные возможности высокотехнологичной продукции.

2. Математическая модель пространственно-однородного процесса коагуляции наночастиц под влиянием колебаний параметров микроклимата чистого помещения.

3. Кинетическая модель системы формирования и роста ПМЗ, учитывающая теоретические взаимозависимости структурных характеристик и физических констант.

4. Методы оценки толщины молекулярной пленки на поверхности для мониторинга частым или непрерывным контролем.

5. Методика измерений массовой концентрации органических веществ (углеводороды, эфиры, метил силиконы, метил фенил силиконы) на поверхностях изделий в чистых помещениях индустрии высоких технологий методом инфракрасной спектроскопии.

6. Универсальная программа контроля уровня ПМЗ изделий как целостная система последовательных мероприятий, позволяющая достичь высокого уровня

чистоты выпускаемых изделий (молекулярные загрязнения поверхности не превышают 0,5 х 10^-7 г/см² за неделю при непрерывном контроле).

Публикации. Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в работах [1-11] (список литературы приведен в конце автореферата). Основные положения диссертации изложены в 45 опубликованных работах, в том числе 11 статей в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ, и монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 201 наименования и 4 приложений. Общий объем составляет 308 страниц, в том числе 220 страниц основного текста, 83 рисунка, 28 таблиц и 4 приложения.

Методы измерения поверхностных загрязнений

Источники ПМЗ на различных этапах техпроцесса могут быть в различных агрегатных состояниях: 1. Газы и пары: атмосферные газы, десорбированная вода, течи герметичных блоков (например, фреон, гидразин, гелий, неон и криптон); продукты газоотделения из органических материалов (например, мономеры, пластификаторы, присадки и растворители); пары от упаковочных материалов и испытательного оборудования (например, масла вакуумных насосов); пары от веществ, используемых в чистых помещениях (например, пластификаторов и чистящих средств); 2. Жидкости: остатки чистящих средств и клеящих маскирующих лент, машинные масла, охладители, смазочные материалы, флюсы для пайки, косметика, жир человеческой кожи, вторичные продукты микроорганизмов. 3. Твердые вещества: соли кислот, щелочь, продукты коррозии, продукты окисления, отпечатки пальцев, пятна.

Загрязнения поверхностей могут происходить двумя способами: осаждением частиц из воздуха на поверхность (гравитация, движение частиц (инерция), диффузия (броуновское движение)) и при контакте поверхностей (площадь контакта, чистота поверхности, число контактов):

В первом случае интенсивность осаждения частиц I определяется выражением I = Cчастиц Vосаждения, где Vосаждения скорость осаждения частиц, Cчастиц – концентрация частиц. Второй механизм описывается интенсивностью передачи частиц Iпер.частиц = Cпов. Kпер., где Cпов.= Cпов.0 + I Tосаждения, где Спов. чистота поверхности, Кпер. – коэффициент передачи, Спов.,0 – начальная чистота поверхности, Т время осаждения частиц.

Молекулярные загрязнения в воздухе имеют сложную природу и обладают различными химическими свойствами, поэтому при их описании следует учитывать влияние вызываемой ими химической реакции на производимые в ЧП изделия. Зная источники и способы переноса молекулярных загрязнений можно составить диаграммы рисков для любого ЧП.

Существует несколько систем оценки рисков в процессе производства: система последовательного анализа дефектов FTA (Fault Tree Analysis), система анализа типов отказов и их последствий FMEA (Failure Mode and Effect Analysis), система Анализа Риска и Критических Точек Контроля -НАССР (Hazard Analysis and Critical Control Point). Первые два вида анализа были созданы для электрических и механических систем, но они могут быть использованы для всех типов рисков. Третью систему НАССР при наложении дополнительных условий возможно адаптировать под техпроцесс в ЧП различных отраслей индустрии высоких технологий.

Предлагается следующий вид системы: 1. Определение источников загрязнений в ЧП. Составление диаграммы риска, включая эти источники и пути переноса молекулярных загрязнений. 2. Оценка степени риска выявленных источников. 3. Определение методов предотвращения. 4. Определение аналитических возможностей и обоснованности методов получения информации для мониторинга источников риска и методов защиты. 5. Установление график мониторинга с указанием «уровня тревоги» и «уровня действия» и перечнем соответствующих мер при превышении этих уровней. 6. Проверка эффективности работы систем защиты от загрязнений, путем сопоставления количества бракованных изделий с результатами мониторинга и методами защиты, модифицируя последние в случае необходимости. 7. Разработка и введение в действие соответствующей документации. 8. Обучение персонала.

Составление «диаграммы рисков» позволяет понять механизмы возникновения загрязнений в источниках и переноса их на изделия. Для сложного технологического процесса или при необходимости контроля одновременно различных видов загрязнений, например, инертные частицы, частицы-носители микроорганизмов и молекулярные загрязнения требуется составлять несколько графиков (рис.1.5, 1.6).

Технология производства, очисткаили фильтрация Технология производства, очистка Вентиляция Перчатки, процедуры Конструкция оборудования, вытяжки, очистка 1Г ! 1 1 1 ИЗДЕЛИЯ Рисунок 1.6 Диаграмма рисков основных путей переноса загрязнений и способы защиты от них. Пути переноса загрязнений в ЧП могут быть сложными, однако следует рассматривать основные источники загрязнений и пути их переноса. Воздух играет центральную роль: собирает и переносит многие виды загрязнений в ЧП. При оценке степени риска устанавливается, какие источники загрязнений наиболее опасны и их относительное влияние или степень риска.

Для определения степени возможного риска следует установить ряд переменных, т.е. факторы риска: количество загрязнений на источнике или внутри него, которые могут быть перенесены куда-либо (фактор риска А); лёгкость рассеяния или переноса загрязнений (фактор риска Б); близость источника к критической точке, где изделие может подвергнуться его воздействию (фактор риска В); насколько легко загрязнение может преодолевать меры защиты (фактор риска Г).

В таблице 1.5 представлены факторы риска и соответствующие им значения, которые можно использовать для оценки общего диапазона показателей риска или степени опасности каждого отдельного источника.

Каждый из этих факторов (от А до Г) можно оценить значением от 0 до 2. Таблица 1.5 Факторы риска для оценки степени опасности

Разработка математической модели пространственно-однородного процесса коагуляции наночастиц

Теоретические исследования агломерации в настоящее время, как правило, ограничиваются изучением собственно кинетики процесса, исходя из понятий скорости зарождения и роста агломератов.

Для описания процесса распределения частиц ВМЗ по их размерам как функцию времени, предположим, что массы всех чТеоретические исследования агломерации в настоящее время, как правило, ограничиваются изучением собственно кинетики процесса, исходя из понятий скорости зарождения и роста агломератов.

Для описания процесса распределения частиц ВМЗ по их размерам как функцию времени, предположим, что массы всех частиц кратны величине m0. Частицы с массой im0, будем называть i-мерами. Обозначим через ci(t) концентрацию i-меров (их число в единице объема) в момент времени t. Это будет искомое распределение или спектр частиц. Предположим, что взаимодействующие частицы не испытывают влияния других частиц в промежутках между столкновениями, т.е. система разрежена. Будем считать что среднее время столкновения меньше времени изменения функции распределения, а случайные силы перемешивают дисперсную систему, оставляя движения частиц между актами столкновений статистически независимыми, включая процесс их сближения. Элементарный процесс коагуляции будем рассматривать как слияние двух сталкивающихся частиц. Основываясь на таком подходе, в 1916 году польским физиком М. Смолуховским было предложено дифференциальное уравнение для процесса коагуляции: — = -EW frW-Q(OfXcyW, (2.1.) at 2 j=l , j=l где Kjj ядро коагуляции, описывающие взаимодействие между частицами с массами / и j в единицам т0. Тогда KlJclcJtst среднее количество слияний частиц с массами i, j в единице объема дисперсной системы в интервале At. В свою очередь матрица Ktj будет симметрична Kjyi. Первая сумма в уравнении (2.1) выражает факт появления частиц с массой / при условии слияния частиц с массами (i-j) и j. Вторая сумма показывает, что каждая частица с массой / исчезнет в результате слияния с частицей массы у. Таким образом, уравнение (2.1) является уравнением баланса частиц. При умножении уравнения (2.1) на / и дальнейшем суммировании справа получим нуль. Поскольку по смыслу функции распределения ct(t) сумма jCt{t) равна полной массе частиц j=i дисперсной системы в единице объема с точностью до множителя У /щ получаем в результате закон сохранения массы, выражающийся в том, что значение указанной бесконечной суммы остается постоянным в любой момент времени. Непрерывная версия дискретного уравнения (2.1) получается путем предельного перехода m00, а суммирование по массам переходит в интегрирование. При этом функция распределения частиц dx,t)dx становиться средним количеством частиц с массами из интервала (х, x+dx) в единице объема системы в момент времени t. Ядро коагуляции К(х,у) может быть ограниченной или неограниченной функцией. Тогда для различных отраслей индустрии высоких технологий при исследовании можно предложить следующие виды ядер: 1) При рассмотрении гравитационной коагуляции, когда столкновения частиц вызваны различием в скоростях их падения в поле сил тяжести, например в атмосферных облаках, ядро коагуляции может быть представлено в следующем виде: к(х,у) = С-[х 3 +у 3 2 3 2 3 х -у 2) При рассмотрении процесса коагуляции вызванной броуновской диффузией ядро коагуляции может быть записано в виде: / ч (У У\( -У У л К[х,у) = С- \х/3 +у/3 \\х /3 +у/3 . 3) Для процессов поликонденсации в случае пропорциональности значения интенсивности коагуляции количеству мономеров в полимерной цепочке выражение для ядра коагуляции примет вид: к(х,у)=Сху. Однако помимо уравнения М. Смолуховского и его непрерывного аналога существует модель коагуляции, используемая для анализа космических объектов (механизмов образования космической пыли, эволюции туманностей и т.д.) и в технических науках при исследовании тепловых процессов возгорания горючей смеси: ddx,t) d L = - Теоретические исследования агломерации в настоящее время, как правило, ограничиваются изучением собственно кинетики процесса, исходя из понятий скорости зарождения и роста агломератов.

Для описания процесса распределения частиц ВМЗ по их размерам как функцию времени, предположим, что массы всех частиц кратны величине m0. Частицы с массой im0, будем называть i-мерами. Обозначим через ci(t) концентрацию i-меров (их число в единице объема) в момент времени t. Это будет искомое распределение или спектр частиц. Предположим, что взаимодействующие частицы не испытывают влияния других частиц в промежутках между столкновениями, т.е. система разрежена. Будем считать что среднее время столкновения меньше времени изменения функции распределения, а случайные силы перемешивают дисперсную систему, оставляя движения частиц между актами столкновений статистически независимыми, включая процесс их сближения.

Элементарный процесс коагуляции будем рассматривать как слияние двух сталкивающихся частиц. Основываясь на таком подходе, в 1916 году польским физиком М. Смолуховским было предложено дифференциальное уравнение для процесса коагуляции: — = -EW frW-Q(OfXcyW, (2.1.) at 2 j=l , j=l где Kjj ядро коагуляции, описывающие взаимодействие между частицами с массами / и j в единицам т0. Тогда KlJclcJtst среднее количество слияний частиц с массами i, j в единице объема дисперсной системы в интервале At. В свою очередь матрица Ktj будет симметрична Kjyi. Первая сумма в уравнении (2.1) выражает факт появления частиц с массой / при условии слияния частиц с массами (i-j) и j. Вторая сумма показывает, что каждая частица с массой / исчезнет в результате слияния с частицей массы у. Таким образом, уравнение (2.1) является уравнением баланса частиц. При умножении уравнения (2.1) на / и дальнейшем суммировании справа получим нуль. Поскольку по смыслу функции распределения ct(t) сумма jCt{t) равна полной массе частиц j=i дисперсной системы в единице объема с точностью до множителя У /щ получаем в результате закон сохранения массы, выражающийся в том, что значение указанной бесконечной суммы остается постоянным в любой момент времени. Непрерывная версия дискретного уравнения (2.1) получается путем предельного перехода m00, а суммирование по массам переходит в интегрирование. При этом функция распределения частиц dx,t)dx становиться средним количеством частиц с массами из интервала (х, x+dx) в единице объема системы в момент времени:

Стадия независимого роста

Целью проведения комплекса экспериментов является изучение закономерностей поведения частиц аэрозоля при изменении температуры и влажности воздуха в чистом помещении микроэлектроники. Необходимо исследовать при каких значениях относительной влажности и температуры (при колебании температуры в пределах от 21,1 до 21,3 С и относительной влажности в пределах от 47,3 до 52 %), запускается механизм образования агломератов, вызывающих брак в технологическом процессе микроэлектроники. Основными средствами защиты чистых помещений микроэлектроники от частиц аэрозоля являются HEPA-фильтры, работающие в разных режимах, в зависимости от заданных параметров.

По спецификации стандартные НЕРА-фильтры должны задерживать 99.999% частиц размером от 0.3 микрона и более [64]. Теоретически эти фильтры должны улавливать частицы размером 0.01 микрона, но даже после финишной фильтрации в воздухе чистых помещений микроэлектроники анализаторы фиксируют присутствие аэрозоли более крупных фракций.

Кроме НЕРА-фильтров важно учесть и другие параметры [65]. Даже при правильно спроектированном чистом помещении и рациональной расстановке оборудования, счетчики фиксируют наличие агломератов в атмосфере чистого помещения. Основная масса загрязнений распределяется по всей поверхности стола, включая руки оператора. Значительную роль на изменение параметров микроклимата чистого помещения микроэлектроники оказывают: технологический процесс, спецодежда персонала, уборка чистого помещения и другие [1,2].

Нами проведено экспериментальное исследование закономерностей поведения частиц аэрозоля при изменении температуры в пределах от 21,1 до 21,3 С и влажности воздуха в пределах от 47,3 до 52 % в чистом помещении микроэлектроники, генерации агломератов с учетом конструкции чистого помещения площадью 80 кв.м. (10 х 8 м) и времени (9:00–18:12) функционирования и расстановки технологического оборудования.

Программа исследований включала в себя: 1) исследование кинетики концентрации аэрозоля в воздухе чистого помещения микроэлектроники в полном объеме помещения, на рабочих местах, в том числе в различных пространственных направлениях; 2) исследование реакции наночастиц на изменение параметров микроклимата (температура, влажность) чистого помещения микроэлектроники.

Для измерений использовались: счётчик конденсационных частиц СРС 4312, который регистрировал аэрозольные частицы в шести каналах по размерам: основана на укрупнении частиц нанометрового диапазона в насыщенных парах рабочей жидкости и последующем их подсчёте аналогично лазерному счётчику частиц. Частицы рассеивают свет от лазерного диода, фокусирующая оптическая система улавливает и направляет свет на фотодиод, который превращает рассеиваемый частицами свет в электрические импульсы [66]. По величине импульса определяется размер частицы. Импульсы подсчитываются, а их амплитуда служит характеристикой размеров частиц. Результаты показываются как количество частиц в канале, соответствующем определённому диапазону размеров. По результатам измерений создается отчет в соответствии со стандартом ISO 146441-1, а также сохраняются данные, графики и таблицы при помощи прилагаемого программного обеспечения. Измерения проводились в чистом помещении АО «ПКК Миландр» площадью 80 кв.м. (10 х 8 м) класса чистоты ISO 2 (Р2) с однонаправленным вертикальным потоком воздуха, предназначенном для изготовления микроминиатюрных высокоинтеллектуальных навигационных систем (рис. 2.11).

Счетная концентрация и дисперсный состав частиц в воздушной среде помещения измерялись в режиме постоянного мониторинга параметров микроклимата. Измерения проводились при включенной системе фильтрации воздуха [66].

За основу эксперимента была взята модифицированная математическая модель медленной коагуляции наночастиц в газе, которая соответствует физическому процессу образования слипания наночастиц.

Для определения генерации агломератов при изменении влажности, измерение концентрации частиц аэрозоля производилось при изменении параметров микроклимата чистого помещения микроэлектроники (заданная температура 21±1 С, влажность 50±2%). Измерения общей фоновой концентрации аэрозоля в помещении проводились при значениях влажности 48%, 52%, при неизменной температуре. При этом первая точка пробоотбора располагалась на максимально возможном расстоянии (3 м) от плоскости финишного фильтра в зоне выходной вентиляционной решетки, а вторая непосредственно в рабочей зоне над столом оператора, и третья точка пробоотбора на входе в чистое помещение (расположение точек пробоотбора на рисунке 2.11) [67].

При соосном расположении оборудования и фильтра в чистом помещении микроэлектроники в общем объеме измерение концентрации наночастиц производилось при колебании температуры в пределах от 21,1 до 21,3 С и относительной влажности в пределах от 47,3 до 52 %, рециркуляционный воздух поступал в камеру высокого давления и через фильтры тонкой очистки, установленные по всему потолку создавал устойчивый ламинарный поток воздуха. Скорость воздушного потока находилась в диапазоне 0,25-0,5 м/с [68].

Контроль качества обеспечения чистоты поверхностей

Условия окружающей среды для испытаний, технологического процесса и рабочих зон должны быть следующими: Температура в помещении (22 ± 3) С. Относительная влажность (55 ± 10) %.

Дополнительные условия могут быть наложены на критические операции конкретного технологического процесса.

Поверхность исследуемого участка протирается чистой салфеткой, салфетка подвергается оценке посредством хлороформа спектрального класса, и остаток хлороформа подлежит анализу с применением инфракрасных методов. Такой метод, применимый к поверхности площадью 100 см2, позволяет определить уровни органического загрязнения до 310-9 г/см2. Его результаты зависят в значительной степени от шероховатости поверхности, от типа салфетки и от использованного растворителя. Особое внимание уделяется совместимости растворителя с поверхностью. На основе анализа европейских стандартов по контролю чистоты воздушной среды чистого помещения рекомендуется использовать данные по серийно выпускаемым растворителям. Поверхность исследуемого участка тестового образца промывается с помощью растворителя, остаток взвешивается после испарения (табл. 4.1). Точность и предел определения данного метода зависит в значительной степени от чувствительности весов, гигроскопичности подложки, эффективности промывки и основы растворителя. Таблица 4.1 Осадок после выпаривания серийно выпускаемых растворителей Растворитель Чистота Осадок после выпаривания (%) Класс реактива, ACS Сортспектрофото-метрического ACS Ацетон 99,5 % 0,001 % 0,001 % Хлороформ (с этанолом в качестве стабилизатора) 99,8 % 0,001 % 0,001 % Дихлорометан 99,5 % 0,002 % 0,002 % Этанол Абсолютно денатурированный 0,001 % 0,0005 % Изопропиловый спирт 99,5 % 0,001 % 0,001 % Метанол 99,8 % 0,001 % 0,001 % Метилэтилкетон 99 % 0,0025 % 0,0005 % Измерение осаждения нелетучих загрязнений (ОНЛ) выражается в массе на единицу площади, и остаток может использоваться для дальнейших анализов (табл. 4.2). Прямые измерения могут быть выполнены на месте с использованием кварцевых микровесов (КМВ). Таблица 4.2 Молекулярное содержание загрязняющего вещества некоторых протирочных материалов Протирочный материал Класс чистого помещения, ISO ОНЛ (г/м2) Изопропиловый спирт Деионизированная вода Vectra alpha 10 3-4 0,05 0,02 Absorbond 6-7 0,01 0,005 Kimtech pure CL5 5 0,01 0,03 Kimtech pure CL6 6 0,01 0,03 Дальнейшие анализы могут выполняться для характеристики ПМЗ (например, газовой хроматографии, масс-спектрометрии, деструкции под воздействием УФ-излучения, сканирующей растровой микроскопии).

Количественный анализ уровней загрязнений, осуществляемый с помощью инфракрасной спектроскопии, основанный на законе ЛамбертБера, позволяет получать информацию о структуре загрязняющих веществ. Такой вид контроля ПМЗ показал высокую надежность за счет возможности использования в качестве контрольных пластин ИКпрозрачные окна, а, следовательно, и уменьшение погрешности измерений. Инфракрасный контроль требует калибровки (Приложение Б). Инфракрасный спектрофотометр должен соответствовать следующим критериям: 1. Спектральный диапазон 4 000 см-1 – 600 см-1 (2,5 мкм – 16,7 мкм). 2. Разрешение 4 см-1. 3. Спектральная поглощательная способность 0,0001. 131

Необходимо устранить помехи со стороны окружающей среды. Помехи могут быть вызваны Н2О и СО2. Устранить эти компоненты можно с помощью промывки соответствующими газами или созданием вакуума.

Для прямого анализа поверхностей рекомендуется в качестве образцов ИКпрозрачных окон использовать следующие материалы: NaCl, MgF2, CaF2, ZnSe или Ge.

Для получения качественной количественной информации с помощью инфракрасного спектрометра должен быть выровнен держатель образца таким образом, чтобы ИКлуч попадал точно в центр окна.

При подготовке образцов и дальнейших исследований потребуются: 1. Предварительно очищенную стандартную фильтровальную бумагу диаметром 70 мм. 2. Кусок предварительно очищенного поролона примерно (50х30) мм. 3. Для защиты поролона может быть использована ПТФЭ пленка. 4. Чистые, без присыпки и безворсовые перчатки. 5. Растворители спектрального класса. 6. Чашки Петри диаметром 50 - 70 мм. 7. Стеклянная палочка или микро-шприц. 8. Стеклянный шприц. 9. Пинцет. 10. Инфракрасная лампа.

Для контроля молекулярных загрязнений современными высокотехнологичными методами рекомендуется использование контрольных тестовых пластин размерами 100 50 мм, которые фиксируются на стальном или алюминиевом держателе из нержавеющей стали размером 100 80 мм с помощью вертикальных болтов для монтажа тестового образца (рис. 4.1).

Полированные пластины из нержавеющей стали могут быть использованы для проверки уровней чистоты изделий в индустрии высоких технологий или для контроля отложений загрязнений на поверхностях в чистых помещениях и вакуумных камерах.

При прямом методе измерения в качестве контрольной пластины для инфракрасной спектроскопии используется ИК-прозрачное окно (например, СаF2, ZnSe, Ge), то измерение производится непосредственно в окне (рис.4.2). Количество ПМЗ анализируется по площади окна и соответствует диаметру инфракрасного луча.

Для определения ПМЗ прямым методом инфракрасные прозрачные окна располагаются в критических местах чистого помещения, например внутри камеры или чистой зоны для мониторинга. Окна, как и контрольные пластины должны подвергаться тем же условиям мониторинга. При измерениях необходимо контролировать ключевые параметры чистого помещения: температура, влажность и давление. Перед установкой окна в качестве контрольной пластины необходимо записать спектр очищенной поверхности и сохранить его для использования в качестве фона измерений.

После осаждения анализируются инфракрасные прозрачные окна с помощью ИКспектрофотометра. Длительный период ожидания анализа ИКпрозрачных окон после осаждения может привести к ложным результатам благодаря некоторым видам ползучих загрязняющих веществ, таких как силиконы.

При использовании косвенного метода анализа необходимо учитывать следующие критерии: чистота растворителей (NVR 5 нг/г и поглощающая способность NVR 0,0005 AU мл-1), чистота салфеток, эффективность переноса остатка. Если используется метод смывов, то предел обнаружения 10-8 г/см-2 может быть получен в зависимости от площади анализируемой поверхности (пластина площадью 15 см). Для метода протирки этот предел примерно 5х10-7 г/cм-2. Для больших площадей поверхностей изделий 100 см2 должен быть достигнут предел обнаружения 2х10-8 г/cм-2.