Введение к работе
Актуальность темы Наблюдающийся в настоящее время большой интерес к контролю качества поверхности твердого тела возник в связи с выяснением существенного влияния физических процессов, происходящих на поверхности, на работу и характеристики большинства приборов современной твердотельной нано- и микроэлектроники
Историческое развитие представлений о твердотельных структурах классически демонстрирует то общее положение, что уровень наших знании о физических явлениях зависит от степени совершенства средств контроля, без чего невозможно создание четких представлений о предмете диагностики
Развитие современной техники и технологии настоятельно требует увеличения объема информации о физико-химическом состоянии материалов Для решения задач производства приборов с заданными свойствами необходим постоянный контроль их параметров в ходе технологического процесса В ряде случаев требуется контролировать состояние элементов промышленных установок в ходе эксплуатации
Успешное проведение междисциплинарных или комплексных исследований связано, во-первых, с математическими моделями и методами представления и обработки информации и, во-вторых, с возможностями компьютерной техники Необходимо подчеркнуть, что возможности системного анализа (как совокупности методов, основанных на использовании компьютеров и ориентированных на исследование сложных систем) во многом связаны с совершенствованием компьютерной техники Анализ действительно сложной проблемы или системы является уникальной задачей, требующей, наряду с формальными методами, привлечения опыта, интуиции, знаний и таланта специалистов
Моделирование реального объекта или процесса позволяет сформулировать задачу его изучения как математическую и воспользоваться для анализа универсальным математическим аппаратом, который не зависит от частной природы объекта Наиболее полное решение задачи исследования материалов связано с моделированием измеренной информации эквивалентными математическими моделями Для осуществления лучшего приближения моделей к реальным объектам необходимо развить технику моделирования неоднородных элементов и систем
Практическую ценность исследований твердотельных нано- и микроструктур могут обеспечить лишь комплексные исследования по взаимодополняющим методам Требование экономии ресурсов приводит к выводу о целесообразности разработки средств для комплексного анализа, что наиболее эффективно реализуется с использованием компьютерной информационно—экспертной системы
Кроме выполнения традиционных операций по управлению техническими системами и получения информации, применение компьютерной техники позволяет
регистрировать и обрабатывать большие объемы информации с высокой скоростью, тем самым повысить достоверность результатов и эффективность контроля,
модифицировать и менять программу получения и обработки информации без перестройки технического комплекса,
обеспечивать интеллектуальную поддержку при принятии решений за счет визуализации и трансформации полученной информации к удобной для исследователя форме, а также предварительного анализа информации с помощью формализованных способов,
непрерывно контролировать работоспособность узлов технических систем,
- облегчить внедрение комплексного анализа твердотельных нано- и
микроструктур в промышленное производство,
- проводить качественно новые исследования
Трудности создания гибкой компьютерной системы обусловлены рядом факторов
сложностью реализуемых методов исследований,
противоречивостью и изменчивостью предъявляемых требований,
необходимостью обеспечения высокой надежности, производительности, мобильности и удобств для исследователей,
необходимостью разработки специализированных технических средств и программного обеспечения исследований
Исходя из сказанного выше, можно с полным основанием утверждать, что тема диссертационной работы является, несомненно, актуальной
Цель работы заключалась в проведении теоретических и прикладных исследований системных связей и закономерностей процессов диагностики твердотельных нано- и микроструктур, направленных на повышение их эффективности с использованием современных методов обработки информации Практическая реализация поставленной цели потребовала решения нескольких взаимообусловленных и взаимодополняющих задач
исследование и разработка методов, алгоритмов, специального программного обеспечения, обеспечивающих диагностику и обработку информации при использовании методов дифракции медленных электронов (ДМЭ), полевой электронной микроскопии (ПЭМ), полевой ионной микроскопии (ПИМ), электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и диэлектрической спектрометрии,
исследование и разработка методов и алгоритмов структурно-параметрического анализа и идентификации сложных нано- и микроструктур,
3) разработка системы управления и интеллектуальной поддержки принятия
решений комплекса диагностики,
4) разработка компьютерных методов и алгоритмов визуализации,
трансформации и анализа графической информации для диагностики
твердотельных нано- и микроструктур
Методы исследования. Исследования проводились методами системного анализа, методами общей теории систем, взаимодополняющими
методами физического и математического моделирования, численного и натурного эксперимента
Научная новизна работы состоит в том, что впервые
Разработана целостная концепция построения и создания информационно-экспертной системы, проблемно ориентированной на комплексную диагностику твердотельных нано- и микроструктур, с использованием взаимодополняющих методов экспресс-анализа и прецизионных методов диагностики
Предложен и практически реализован новый эффективный метод экспресс-анализа материалов в условиях лабораторной газовой среды -диэлектрическая спектрометрия Созданы технические средства диэлектрической спектрометрии, математическое и программное обеспечение для сбора, анализа и обработки экспериментальных данных, позволяющих выработать программу дальнейших прецизионных исследований средствами базы знаний информационно-экспертной системы
3 Создано математическое и программное обеспечение управления
информационно-экспертной системой, сочетающей в себе инструментальный
и информационный модули для сбора, обработки и анализа
экспериментальной информации
На защиту выносятся основные результаты диссертационной работы:
1 Целостная концепция построения и создания информационно-экспертной
системы, проблемно ориентированной на комплексную диагностику
твердотельных нано- и микроструктур
2 Структура комплекса технических и программных средств для
диагностики твердотельных нано- и микроструктур на базе информационно-
экспертной системы
Новые методы регистрации и анализа импульсных сигналов и графической информации
Оригинальный метод диэлектрической спектрометрии
Специальное математическое обеспечение, основанное на интерпретации кодированных операторов программы диагностического исследования
Алгоритмы и программы компьютерной обработки информации для ДМЭ, ПЭМ, ПИМ и диэлектрической спектрометрии в составе информационно-экспертной системы, метод и математическое обеспечение обработки графической информации путем модификации эталонной модели класса объектов
Практическая значимость работы заключается в том, что 1 Разработана структура, обеспечивающая максимальную гибкость в создании, изменении и наладке специализированного программного обеспечения (ПО), реализующего программу диагностических исследований по заданным методам анализа и на заданных технических средствах компьютерной системы Созданы компактные, эффективные системы ПО, функционирующие на микрокомпьютерах
2 Разработанные алгоритмы и программы и адаптация существующего ПО
позволяют эффективно использовать распространенные компьютеры для
контроля состояния твердотельных структур
3 Выполнена реализация компьютерной системы обработки
визуализированной и графической информации (ГИ), включающей
системные и обрабатывающие программы, обеспечивающей обработку ГИ и
изображений для ДМЭ, ПЭМ, ПЙМ, ЭОС и диэлектрической спектрометрии
Все представленные в диссертации вопросы имеют практическую ценность и разрабатывались в тесном взаимодействии с работниками промышленности и физиками-экспериментаторами большинство функциональных технических и программных средств появилось в результате их непосредственных запросов
Комплекс средств может быть использован как в научных исследованиях, так и в промышленности экспресс-анализ состояния материалов, непрерывный контроль состояния подложки, процесса нанесения активных и пассивных элементов микросхем и т п
При работе над диссертацией была созданы технические системы и ПО, апробированные и использованные в НИИ Вычислительной математики и процессов управления СПбГУ им ВИ Зубова, Санкт-Петербургском государственном техническом университете (Политехническом институте), Ленинградском институте авиационного приборостроения и Донецком политехническом институте при проведении научно-исследовательских работ, включающих исследования поверхности твердого тела, состава газов и обработку изображений Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе
Результаты работы внедрены в следующих организациях- СКТБ Физического приборостроения с опытным производством института физики АН УССР, Донецком политехническом институте и НИИ Вычислительной математики и процессов управления СПбГУ им В И Зубова
Апробация работы. Результаты исследований и разработок, представленных в диссертации, докладывались на различных международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, симпозиумах и семинарах [33-54], в том числе на региональной конференции «Обработка изображений и дистанционные исследования» (Новосибирск, 1981), на VI Всесоюзной конференции «Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение» (Москва, 1981), на VIII Всесоюзной конференции «Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях» (Ленинград, 1986), на 10 Всесоюзном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Харьков, 1987), на 13 Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Сумы, 1987), на 14 Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1989), на VI Всесоюзном семинаре "Автоматизация научных исследований в ядерной физике и смежных областях" (Томск, 1991), на 1 Всесоюзном симпозиуме "Методы дифракции электронов в исследовании структуры вещества"
(Москва, 1991), на 15 Всесоюзной конференции "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1991), на 9 научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1992), на Third International workshop Beam dynamics and optimization (St-Petersburg, 1996), на 9-й международной конференции по радиационной физике и химии неорганических материалов (РФХ—9) (Томск, 1996), на 22nd International Congress on High-speed photography and photonics (Santa Fe, USA, 1996), на XXIX научной конференции "Процессы управления и устойчивость" (Санкт-Петербург, 1998), на 8th International IMEKO conference On Measurement in clinical medicine (Dubrovnik, Croatia, 1998), на IV Международной конференции челюстно-лицевых хирургов и стоматологов (Санкт-Петербург, 1999), на Ш International Symposium on Hydrogen Power, Theoretical and Engineering Solutions (HYPOTHESIS III) (St-Petersburg, 1999), на XXX научной конференции "Процессы управления и устойчивость" (Санкт-Петербург, 1999), на 11th IF AC International Workshop "Control applications of optimization" (St -Petersburg, 2000), на 9th International Workshop Beam Dynamics & Optimization (St-Petersburg, 2002), на Workshop on Computational Physics (Dedicated to the memory of Stanislav Merkunev) (St -Petersburg, 2003), на 13' Intern Workshop Beam Dynamics & Optimization (St -Petersburg, 2006)
Публикации. По материалам диссертации получено 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения [25-32], основные результаты изложены в монографии, научных статьях и докладах [1-24], в том числе 12-ти, опубликованных в журналах из списка ВАК [2-13]
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы, включающего 321 наименование, и двух приложений Основная часть работы изложена на 299 страницах, работа содержит 96 рисунков и 11 таблиц
