автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка информационного обеспечения вакуумных процесоов создания пленочных композиций

На правах рукописи

РГБ ОД

&

2 8 НОЯ 2000 |

ЧИКИРЯКИН Алексей Анатольевич

/1 о 2::]

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВАКУУМНЫХ ПРОЦЕССОВ СОЗДАНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

Специальность 05.27.06 - Технология полупроводников и материалов

электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2000

Работа выполнена на кафедре физики Воронежского государственного технического университета.

Научный консультант - доктор физико-математических наук

Бугаков A.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Нисков В. Я.

кандидат физико-математических наук Бордаков Е.В.

Ведущая организация: Воронежская государственная

технологическая академия

0 О

Защита состоится 30 июня 2000 г в в конференц-зале на

заседании диссертационного совета К 063.81.Об при Воронежском государственном техническом университете по адресу:

394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14, конференц - зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского технического университета.

Автореферат разослан мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Пантелеев В.И.

Я'ЦЦ.П-СбОЛ- K-ßf. 0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разнообразные тонкопленочные материалы и их композиции широко используются в различных отраслях техники, в научных исследованиях. Это связано прежде всего с тем, что тонкие пленки обладают свойствами, отличными от свойств материалов в массивном состоянии. Наиболее ярким проявлением этого является размерный эффект их структуры и свойств. Весьма перспективное направление развития тонкопленочных технологий - создание многослойных пленочных композиций, в которых можно реализовать многие специфические свойства тонких пленок, но уже в относительно массивных образцах.

Среди большого количества методов получения тонких пленок самым широко используемым и весьма универсальным является метод испарения и конденсации материалов в вакууме. Он позволяет получить тонкие пленки практически любых материалов и практически незаменим при формировании многослойных композиций (МК). Возможность контроля большинства параметров вакуумного процесса говорит о достаточно хорошей степени его управляемости.

С появлением новых информационных технологий открылась возможность если не к полной, то, по крайней мере, к значительной автоматизации вакуумных ТП, в частности автоматизации работ по проектированию и подготовке ТП.

За последнее время было накоплено множество различных экспериментальных данных, теоретических знаний о тонких пленках и практического опыта получения с помощью вакуумных ТП различных тонкопленочных материалов и МК, что возникла задача систематизировать все эти знания и опыт и выработать единую последовательность действий, обеспечивающую стабильное получение качественных многослойных композиций с заданными свойствами. Поэтому стала весьма актуальной задача создания единой информационной системы, призванной автоматизировать как проектирование структуры МК, включающее выбор материалов и предсказание механизма их роста, определение возможности получения заданной композиции, ориентационных соотношений и основных субструктурных параметров, так и проектирование вакуумного ТП ее получения, заключающегося в выборе подходящего метода испарения и определении технологических параметров процесса, при которых может быть получена заданная многослойная композиция.

Работа выполнялась на кафедре физики Воронежского государственного технического университета в соответствии: с планом научно-исследовательских работ ВГТУ по научному направлению «Физика, химия и технология конструкционных нефункциональных материалов различного назначения» по региональной межвузовской научно-технической программе «ВУЗ-Черноземье» на 1997-1998 гг. по теме «Разработка новых перспективных диэлектрических и композиционных материалов для электронной техники» (№„^,..01.9.70009426), по федеральной целевой программе «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы» по проекту «Создание учебно-научного центра «Металлургия» (№гос рсг.ГБ13.98 01.9.90001631).

Цель работы заключалась в разработке информационного обеспечения проектирования субструктур многослойных ориентированных пленочных композиций и вакуумных технологических процессов их получения.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

- проведение анализа вакуумных технологических процессов, выявление основных факторов и параметров, влияющих на ТП й пленочную композицию, определение множества данных, которые необходимо хранить и обрабатывать в ИС;

- разработка функциональной структуры информационной системы, структуры и реляционной модели базы данных (БД) ИС;

- формализация и разработка алгоритмов проектирования структуры многослойной ориентированной композиции д ля различных ее вариантов (монокристаллическая, одноориентационная, многоориентационная);

• формализация и разработка алгоритмов проектирования вакуумных технологических процессов получения многослойных композиций;

- программная реализация спроектированной информационной системы, ее базы данных и разработанных алгоритмов.

Научная новизна работы

Разработана реляционная модель базы данных системы, содержащей всю необходимую информацию для процесса проектирования структуры и ТП получения МК.

Формализован процесс проектирования структуры многослойной ориентированной композиции, разработаны алгоритм определения ориентационных соотношений на основе энергетического критерия, алгоритмы проектирования структур и определения основных субструктурных параметров монокристаллической, одно-ориентационной и многоориентационной композиций.

Формализовано проектирование вакуумного технологического процесса получения многослойной ориентированной композиции, разработан алгоритм определения параметров вакуумного ТП получения монокристаллической пленки металла на монокристаллической подложке. На его основе разработан пакет алгоритмов для определения параметров технологических процессов каждой стадии получения МК спроектированной структуры.

Впервые для автоматизации проектирования структуры многослойной композиции и вакуумных технологических процессов были применены современные информационные технологии (технологии создания информационных систем). Создана информационная система проектирования структуры и вакуумных ТП получения МК, в рамках которой программно реализованы реляционная модель базы данных системы, электронный справочник и разработанные в ходе диссертации алгоритмы проектирования структуры и технологического процесса.

Объектами исследования являются ориентированные металлические многослойные композиции с ГЦК и (или) ОЦК типом кристаллических решеток компонент, а также вакуумные технологические процессы их получения.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

- разработанная функциональная структура информационной системы проектирования структуры и вакуумных технологических процессов получения многослойных композиций;

- реляционная модель базы данных системы, в которой собрана информация, необходимая для выполнения ИС своих функций;

- последовательность действий, реализуемая в ИС на этапе проектирования структуры многослойной ориентированной композиции для варианта выбора в качестве объекта проектирования монокристаллической, одноориентационной и многоориентационной МК; алгоритм определения ориентационных соотношений; алгоритм определения возможности получения и критической толщины слоев монокристаллической композиции;

- алгоритм определения оптимальных параметров ТП получения монокристаллической пленки заданной толщины и структуры на монокристаллической подложке;

- последовательность действий при проектировании ТП получения спроектированной многослойной ориентированной композиции; пакет алгоритмов для определения оптимальных параметров технологических процессов всех этапов получения МК.

Практическая ценность работы состоит в создании на основе реляционной модели базы данных и разработанных алгоритмов информационной системы проектирования структуры и вакуумных технологических процессов получения многослойных композиций, которую можно использовать для автоматизации труда научных работников и инженеров, занимающихся проблемами МК и вакуумными технологиями их получения, а также в учебном процессе. В зависимости от поставленных задач можно использовать ИС как удобную справочную систему, содержащую большой объем информации, необходимой при проектировании структуры и ТП получения пленочных композиций, либо спроектировать структуру заданной МК и определить оптимальные параметры технологического процесса ее получения.

Созданная информационная система и разработанные алгоритмы могут использоваться в качестве основы при решении других задач, связанных с проектированием структуры пленочных композиций или вакуумных ТП.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на V научно-технической конференции с международным участием «Материалы и упрочняющие технологии» (Курск, 1997), конференции «Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона» (Воронеж, 1997), конференции студентов и молодых ученых в разделе «Техническая физика» (Москва, 1998); Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 1998), V Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург, 1998), II Всероссийском семинаре «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении» (Воронеж, 1999), симпозиуме «Математическое моделирование в естественных и гуманитарных науках» (Воронеж, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ.

Личный вклад автора. Лично автором были разработаны структура информационной системы, реляционная модель базы данных, алгоритм определения ориентационных соотношений, алгоритм проектирования структуры монокри-сташшческой композиции, алгоритм проектирования вакуумного технологического процесса получения монокристаллической пленки на монокристаллйческой подложке, пакет алгоритмов определения оптимальных параметров ТП получения многослойных ориентированных композиций. Автор принимал непосредственное участие в выработке последовательности действий в ИС при проектировании од-ноориентационных и многоориентационных композиций, а также при проектировании вакуумных ТП получения МК. Самостоятельно автором была программно реализована информационная система проектирования структуры и вакуумных технологических процессов получения многослойных композиций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Она содержит 118 страниц, 17 рисунков, список литературы из 100 названий. '

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и выбор объектов исследования, сформулированы цель и задачи исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме работы.

В первой главе сделан краткий литературный обзор по теме диссертации. Глава состоит из четырех разделов. В первом разделе рассмотрены основные особенности вакуумных технологических процессов получения тонкопленочных материалов, даны достаточно подробные характеристики процесса термического испарения и конденсации в вакууме. Проанализировано влияние различных параметров и условий на процессы испарения материала, массопереноса испаренного материала от испарителя до подложки и конденсации пленки материала на подложку. Во втором разделе приведены современные представления о субструктуре многослойных композиций, рассмотрены основные виды многослойных композиций в зависимости от материалов компонент МК и условий роста. Описаны основные критерии ориентированной кристаллизации: кристаллографические и энергетический. Приведены основные особенности многослойных композиций (в отличие от однослойных), которые необходимо учитывать при определении субструктуры и структуры. В третьем разделе рассмотрено современное состояние проблемы проектирования технологических процессов получения пленочных материалов, определены основные тенденции развития формализации и автоматизации технологических наук. Проведен анализ методов автоматизации проектирования технологических процессов на примере существующих систем. Рассмотрены основные виды информационных систем и возможность их применения в техноло-

гии производства материалов. Четвертый раздел представляет собой заключение к первой главе и включает постановку задачи исследования.

Исходя из анализа литературы по вакуумным технологическим процессам сделано заключение, что возможно формализовать проектирование ТП получения ориентированных МК. Выявлены основные контролируемые параметры вакуумных технологических процессов, влияющие на конечные геометрические и структурные характеристики пленок. На стадии испарения материала существенное влияние на свойства тонких пленок оказывают: способ испарения, материал испарителя (тигля) при резистивном испарении, эмиссионные характеристики испарителя (в зависимости от типа), температура испарения Т„, определяющая давление насыщенных паров испаряемого материала и скорость испарения. При переносе паров материала от испарителя до подложки основное влияние на процесс оказывают остаточные газы. Конечную структуру пленки во многом определяют условия конденсации: температура подложки Тп и скорость осаждения, которая, в свою очередь, определяется пересыщением, возникающим у подложки. Для получения эпитаксиальных пленок необходимо пересыщение не выше Ю20, Т„ из температурного интервала эпитаксиального роста. Не последнюю роль играют и материал подложки и состояние его поверхности.

Приведенный анализ литературы по структуре и субструктуре многослойных пленок показывает, что при проектировании ориентированной композиции необходимо учитывать:

1) механизм роста каждого слоя;

2) значительное увеличение критической толщины пленки слоя в МК по сравнению с ростом пленки на бесконечной подложке;

3) проявление размерного фазового эффекта; г

4) морфологию и структуру МГ;

5) зависимость субструктуры от ориентационных соотношений.

Из анализа существующих наработок в области вакуумных технологий получения пленочных композиций, следует, что несмотря на кажущуюся простоту и возможность контроля большинства параметров вакуумных процессов, полная их автоматизация представляется весьма сложной задачей. Связано это с большим количеством параметров, влияющих на свойства композиций, ограниченностью моделей многих процессов, происходящих при термическом испарении и конденсации пленок материалов в вакууме. В этой связи перспективным методом, значительно облегчающим труд проектировщиков вакуумного технологического процесса, является создание информационных систем, позволяющих хранить и эффективно обрабатывать разнородную информацию.

Во второй главе разрабатывается концепция, состав и принципы взаимодействия друг с другом элементов информационной системы проектирования структуры и технологического процесса получения многослойных пленочных композиций.

В первом разделе на основе функционального назначения системы (автоматизация проектирования структуры многослойной композиции и проектирования технологического процесса ее получения, предоставление справочной информа-

\

ции по различным свойствам компонент МК и материалам используемым в ТП), а также общих требований к ИС и требований со стороны пользователей получили функциональный состав и структуру варианта ИС (рис. 1).

Справочник по металлам МК и материалам вакуумных ТП

Редактор справочника

Модуль проектирования структуры

Модуль проектирования вакуумных ТП получения МК

Таблицы БАЗЫ ДАННЫХ

Редактор

администратора

Модуль разграничения доступа к системе

Вход в систему

Рис. 1. Состав и структура ИС проектирования и вакуумных ТП получения МК

Центральной частью информационной системы является база данных. Все потоки обмена информацией между модулями внутри системы и между модулями и пользователем организуются с ее помощью путем взаимодействия с таблицами БД. Два модуля - справочник по материалам и редактор справочника - образуют информационно-справочную подсистему ИС. Справочная подсистема организует взаимодействие между пользователем и группой таблиц БД, содержащих все необходимые данные по металлам - компонентам многослойной композиции (физические свойства, параметры решеток, диффузии, поверхностная энергия и т.п.), а также по некоторым свойствам материалов, используемых в вакуумных технологиях (подложки, материалы испарителей, тиглей, остаточные газы).

Модуль разграничения доступа к системе и редактор администратора составляют подсистему администрирования ИС. На эту подсистему возлагаются задачи

разграничения доступа к информационной системе со стороны различных пользователей и обеспечение защиты информации от несанкционированного доступа.

Модуль проектирования структуры ориентированных МК и модуль проектирования вакуумного технологического процесса представляют собой модули прикладной обработки данных. Работа их протекает в режиме диалога с пользователем с использованием необходимой информации из БД системы. Над этой информацией они производят определенные действия согласно разработанным алгоритмам, сообщая о промежуточных и конечных результатах работа.

Во втором разделе определяется множество данных, которые необходимо хранить и обрабатывать в ИС, формируются структура и реляционная модель базы данных ИС.

Назначение базы данных разрабатываемой системы - собирать, хранить и предоставлять информацию, необходимую каждому функциональному модулю. На основе этого рассуждения выделили 4 группы данных: 1) данные, необходимые для проектирования структуры многослойных пленочных композиций; 2) данные, необходимые для проектирования технологического процесса получения многослойных композиций; 3) данные, необходимые подсистеме администрирования ИС; 4) данные справочника, обеспечивающие дальнейшее развитие системы.

На основе данных каждой группы были сформированы 15 универсальных отношений, которые подвергли процессу декомпозиции путем последовательного приведения к четырем нормальным формам с целью устранения избыточности данных. В результате полученная структура БД содержит 16 отношений (таблиц), используемых в справочной подсистеме, таблицу администрирования ИС, плюс 8 не подвергавшихся декомпозиции таблиц со значениями Елш,(а) для различных ориентаций и вариантов роста, необходимых для определения ориентационных соотношений. После установления реляционных и пользовательских связей получили реляционную модель справочной части базы данных ИС (рис. 2).

В третьей главе решается задача формализации проектирования структуры многослойной ориентированной композиции путем разработки последовательности действий и алгоритмов проектирования различных вариантов МК.

В зависимости от желаемого варианта структуры будущей многослойной композиции модулем проектирования структуры МК решается следующий ряд задач.

1. Проектирование монокристаллической композиции. Заключается в определениях теоретической возможности получения монокристаллической композиции для заданной пары металлов и критической толщины псевдоморфного роста слоев МК. Для формализации этого процесса разработан соответствующий алгоритм. Сначала выполняется проверка условия слоевого роста по ФМ:

Е^Ег+Еи+Еупр (1).

Затем проверяется выполнение условия близости параметров кристаллических решеток материалов композиции ^Каг-аО/а^ 0.1.

1.1

1.2

металл

название металла М , Тпл Ти

ш и при Ти

Р

к. т. р.

5.1

металл 1~ металл 2

№ литературы

"Тнн.Ткн Тнпр.Ткпр Тнчр.Ткчр

13

\ металл 1

металл 2 толщина пленки Т/Тпл метод

№ литературы |

Еа в тонких пленках Еав масс, образцах

материал

Ыа литературы

название материала Тпл

тип решетки а Ь с

ориент. спаянности

8

металл

подложка

№ литературы

Тэ

10

металл

материалы испарителем материалы тиглей примечания

5.2

металл Г металл 2

№ литературы

-12

металл 1 металл 2

соединение _№ литературы I Тнис Ткис

12

металл 1

металл 2 толщина пленки ТЛГпл метод

| № литературы [

О0 эксперимент. О0 экстраполир, теорет. оценка

металл

№ литературы

~Ек-ГТ-

Епл

металл

фаза

| N8 литературы

тип решетки а

Ь ' -

с 'гг"

а

Р

Т превращения

металл

Тп-

1и_

| № литературы

ь

11

металл

Т измерения

N8 литературы

модуль сдвига СГ

14

Ыа литературы

библиографические сведения

- Реляционные связи

- Пользовательские связи

Рис. 2. Реляционная модель справочной части БД

]

з

6

9

После этого проверяется выполнение феноменологического критерия воспроизведения слоевого роста при чередовании материалов А и В:

Е,-Е2

г12 =2.

е, + е2

< 05 (2).

Если один из этих критериев не выполняется, то делается вывод о невозможности получения монокристаллической композиции для выбранных компонент. Иначе, выбирается ориентация композиции и определяется ^ по формуле

__ Ь(1-цсо52а) ^ ь*р 2Я*0(1Н-Ц)со8АЛ Ь

Г ' + (3).

2) Проектирование одноориентационной композиции. Заключается в проверке возможности получения такой композиции на основе определения ориентаци-онных соотношений (их совпадения), "в определении механизма роста каждого слоя, оценки толщин слоев и периода МК. При выполнения условия (1) слой будет расти или по ФМ, или по КС, в случае выполнения условия

Е,<Е2+Е12+Е^р (4)-

по ФВ. Если данные по Е^ отсутствуют, то некоторые выводы можно сделать на основе данных по взаимной растворимости компонент. Для полностью растворимых характерен рост по ФМ, для частично растворимых - по ФМ или по КС, для полностью нерастворимых - по ФВ. Уточнить механизм роста (ФМ или КС) можно с помощью критерия (2). При росте всех слоев компонент по ФМ получится одноориентационная композиция с частично коггерентным сопряжением на МГ, с толщиной слоя большей ^ В случае, если один из слоев растет по ФВ, то одноориентационная МК характеризуется некоггерентным сопряжением на МГ, а толщина слоев, растущих по ФВ или КС, оценивается исходя из толщины сплошности.

3) Проектирование многоориентационной композиции. Заключается в определении ориентационных соотношений, механизма роста каждого слоя и оценки толщин аналогично одноориентационной композиции. . -.:

Оптимальные ориентационные соотношения определяются на основе энергетического критерия по методике, предложенной А.В. Бугаковым путем сравнения для различных вариантов сопряжения межфазных границ значений энергии, представляемой в виде зависимостей минимальной энергии Ещщ от отношения параметров кристаллических решеток а металлов, образующих МК. Величины Етщ(а) были определены как минимальное значение функции Е(0) при заданном а. Значения Етщ(а) и соответствующих им углов разориентации 9° были собраны в восемь таблиц, каждая из которых соответствует одному из возможных сочетаний плоскостных ориентации, например пленки ГЦК на пленке ОЦК (001), пленки ОЦК на ГЦК (111) и т.д. Эти 8 таблиц сгруппированы в три группы в зависимости от типов кристаллических решеток, образующих многослойную композицию металлов и последовательности роста одного металла на другом.

Общая последовательность действий для определения ориентационных соотношений композиции одинакова, хотя и имеет свои особенности в зависимости от

типов кристаллических решеток и последовательности роста. Алгоритм определения ориентациошшх соотношений приведен на рис. 3.

Рис. 3. Алгоритм определения ориентационных соотношений

В четвертой главе решается задача формализации проектирования вакуумного технологического процесса создания многослойной пленочной композиции.

В первом разделе рассматривается задача проектирования технологического процесса получения монокристашгаческой пленки заданного металла на монокристаллической подложке.

1 На основе анализа ТП термического испарения и конденсации в вакууме определили множество входных параметров X (температура испарителя Т„, расстояние от испарителя до подложки Ь, давление остаточных газов р^, материал и состояние поверхности подложки, температура подложки ТП) время напыления 1, материал и тип испарителя), которые можно регулировать, менять и влиять тем самым на технологический процесс, и множество выходных параметров У (толщина пленки <Зо в центре напыления, коэффициент распределения толщины пленки по подложке к^, структура пленки), по которым мы сможем определить, достигнут ли требуемый результат, получена ли тонкая пленка необходимой толщины и структуры. Задача проектирования данного технологического процесса состоит в определении множества значений входных параметров, при которых возможно получение пленки с необходимыми параметрами на выходе.

После анализа влияния входных параметров на выходные и установления зависимостей между ними разработали алгоритм определения оптимальных входных параметров вакуумного технологического процесса получения заданной монокристаллической пленки.

На первом шаге пользователь задает основные требования к получаемой пленке: вводит геометрические размеры подложки 1 (в случае круга - его радиус, в случае подложки прямоугольной формы - радиус окружности, ее описывающей), толщину пленки в центре подложки <1о, коэффициент распределения толщины по подложке ка, предельное значение расстояния от подложки до испарителя Ьщ«, максимально возможную для данной установки массу испаряемого вещества Метах, коэффициенты испарения а„ и конденсации ак.

На следующем шаге для заданного металла система формирует на основе информация из специальной таблицы базы данных список рекомендуемых материалов испарителя и тигля. Пользователь выбирает наиболее подходящий на его взгляд материал испарителя и, если необходимо, материал тигля. В случае невозможности подбора материала испарителя и тигля требуемых свойств применяют другие способы испарения (электронно-лучевой, лазерный). Затем выбирается один из 4-х типов испарителей (1-испаритель с малой площадью, 2- точечный испаритель, 3-дисковый испаритель, 4 - кольцевой испаритель). Для электроннолучевого или лазерного испарения в качестве типа испарителя можно выбирать испаритель с малой площадью.

На следующем шаге система на основе анализа информации в БД формирует множество подложек с подходящим типом кристаллической решетки, температурой плавления и маленьким несоответствием параметров решетки ^<0.1. Из этого множества пользователь выбирает одну, удовлетворяющую всем требованиям.

Одно из уравнений к^ДЬ), соответствующее выбранному типу испарителя, приводится к виду С^Ь) = 0 и решается методом половинного деления на интервале

[1; Ьщах]. Если на этом интервале корней уравнения нет, то пользователю предлагается выбрать либо другой тип испарителя, либо, в случае дискового или кольцевого испарителя, задать другой его радиус. В одно из уравнений вида (Ме, Ь), соответствующее выбранному типу испарителя, подставляется найденное Ь, полученное уравнение приводится к виду АЗД.) = 0 и также решается методом половинного деления на интервале [О;!^1""]. В случае, если корней на данном интервале не существует, то пользователю сообщается, что на этой установке при заданных параметрах испарить такую массу вещества невозможно;

После определения Ме и Ь для пары металл - подложка из базы данных считываются значения температуры эпитаксии Т, и температуры окончания эпитак-сии Тю. Из таблицы коэффициентов температурной зависимости давления насыщенного пара считываются значения А,В,С,Б, соответствующие твердой фазе испаряемого металла. По формуле

^Р.-А-ВТ' + СГ + МЕТ (5)

рассчитывается давление насыщенного пара у подложки р„п при ТП=ТЭ. Полученное значение умножается на пересыщение Ю20, определяющее эпитаксиальный рост, в результате получается давление насыщенного пара испаряемого металла у испарителя р„и.

Если р„и < 10"2 мм рт.ст. (1.33 Па), то пользователю предлагается самостоятельно ввести другое Тп, удовлетворяющую условию ТЭ<ТП<ТЮ и снова повторить последовательность действий по определению давлений насыщенного пара. Для р„и >10*2 мм рт.ст. (13.3 Па) из таблицы коэффициентов температурной зависимости давления насыщенного пара считываются значения А,В,С,Б, соответствующие твердой фазе испаряемого металла для сублимирующих металлов с Ти^щ,, и жидкой фазе для несублимирующих. Для получения температуры испарителя Тн1 уравнение (5) приводится к виду ДТ)=0 и решается методом половинного деления на интервале [Т„; Ти+2000].

. По формуле ,

о.'^-Ю-4«,?,.^ (6)

рассчитывается скорость испарения ю„ь а затем по формуле

Ме = юи-5н-1 (7)

при известных Ме!, о)н1 и площади испарителя ви! определяется время испарения 1

После этого в ИС по формуле

_тах __2.62-10-2_

Рпег -;-■ (о)

^ 1г-(0.37+ств) -^/1+ 10.28МВ/ТИСП

рассчитывается максимально допустимое давление остаточных газов (воздуха).

Когда все необходимые параметры определены, система приступает к проверке их корректности.

Во втором разделе рассматриваются особенности проектирования технологического процесса получения многослойных композиций, определяется последовательность действий и разрабатываются алгоритмы определения параметров ТП

каждого из трех основных этапов: 1) напыление монокристаллической пленки А на монокристаллическую подложку; 2) напыление пленки В на А в условиях эпи-таксиального роста; 3) напыление пленки А на В в условиях эпитаксиального роста.

г Оптимальные технологические параметры первого этапа (материал и тип первого испарителя, подложка, Ьь Ме1, ТпЬ Ти1, р^ы) определяются с помощью алгоритма, описанного в предыдущем разделе. В алгоритме определения параметров ТП напыления пленки В на пленку А последовательность действий практически та же, но не требуется выбирать материал подложки, а ее температура, определяется в зависимости от возможности взаимной растворимости и образования интерметаллидов. Интервал температур подложки с учетом этого требования,, определяется сначала как [ТЭН;ТКЭН] =[Тэ;Ткэ]п[Тнн;Ткн], где [Т1П);ТШ] -интервал температур допустимой взаимной растворимости (не более 10 %), [ТЭ;ТЮ] - интервал температур, соответствующий эпитаксиальному росту. Затем он корректируется с учетом температурных интервалов образования интерметаллидов

[Тэн'Д^] = [Тэн;ТЮ11]г>¡[т^с;Т'„с]и..Цт^с;Т^с]} . В результате выполнения

алгоритма проектирования напыления слоя В на слой А определяются: материал и тип второго испарителя, Тя2, расстояние от второго испарителя до подложки Ь2,

Ме2, Тп2, р^2 > время испарения компонента В Хг.

При проектировании ТП напыления пленки А на пленку В определяются параметры Мс3,Тпз,Тиз, 13 и р™3. Алгоритм определения этих параметров разработан на основе алгоритма проектирования ТП первого этапа. В нем отсутствуют пункты выбора материала и типа испарителя, материала подложки, определения Ь, а М^Ма-а^/сХкз. Т„з выбирается из интервала температур эпитаксиального роста с учетом возможности взаимного растворения и образования интерметаллидов аналогично второму этапу.

В зависимости от количества слоев п минимальные массы металлов компонент, которые необходимо загрузить в испарители, определяются: для первого испарителя как Ме1+ (п-1)Мез, для второго как пМе2. В качестве максимально допустимого давления остаточных газов р^в вакуумной камере при напылении

МК выбирается наименьшее значение среди р^ , р™^, р^. ,

В качестве проверки правильности работы алгоритмов были определены технологические параметры получения ориентированных МК Си-Мо, Си-№. Полученные результаты соответствуют практически используемым значениям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

! 1. Разработана функциональная структура информационной системы проектирования структуры и вакуумных Технологических процессов получения МК. В состав ИС входят: справочная подсистема» обеспечивающая просмотр и редакти-

рование справочной информации, подсистема разграничения доступа к ИС со стороны различных пользователей, модуль проектирования структуры МК, модуль проектирования ТП получения МК. Все части ИС обмениваются данными с БД.

2. Сформировано множество параметров, необходимых для функционирования информационной системы. В него вошли данные, необходимые для проектирования структуры многослойной композиции, проектирования технологического процесса получения МК, администрирования информационной системы и некоторые данные, обеспечивающие дальнейшее развитие ИС. ;

3. Разработана структура и построена реляционная модель базы данных информационной системы. БД включает 16 таблиц справочной подсистемы, одну таблицу подсистемы администрирования ИС и 8 таблиц со значениями Ещ^сх) для различных ориентации и вариантов роста, необходимых для определения ориента-ционных соотношений.

4. Впервые формализован процесс проектирования структуры многослойной ориентированной композиции. Разработанный алгоритм проектирования монокристаллической композиции для любой пары металлов позволяет определить принципиальную возможность создания такой композиции (по критериям слоевого роста ФМ) и определить критическую толщину ее слоев. При проектировании од-ноориентационных и многоориенгационных композиций можно определить оптимальные ориентационные соотношения по соответствующему алгоритму, предсказать механизм роста и оценить толщины каждого слоя.

5. Формализовано проектирование вакуумного технологического процесса получения многослойной ориентированной композиции, разработан алгоритм определения параметров вакуумных ТП получения монокристаллической пленки металла на монокристаллической подложке. С его помощью можно определить необходимый материал испарителя (тигля) и тип испарителя, выбрать материал подложки, определить такие параметры ТП (расстояние от испарителя до подложки Ь, минимальную массу испаряемого металла Ме, температуру подложки Тго

температуру испарителя Т„, время испарения ^ давление остаточных газов р^. На основе этого алгоритма разработан пакет алгоритмов для определения параметров технологических процессов каждой стадии получения МК спроектированной структуры.

6. Создана информационная система проектирования структуры и вакуумных технологических процессов получения многослойных ориентированных композиций, в рамках которой программно реализованы реляционная модель базы данных системы, электронный справочник, предоставляющий доступ пользователям к информации из БД, и разработанные в ходе диссертации алгоритмы, обрабатывающие данные из БД (алгоритмы проектирования структуры и технологического процесса). Система обеспечивает проектирование субструктуры ориентированных двухкомпонентных МК для любой заданной пары металлов и достаточно точное определение параметров вакуумных ТП их получения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Информационное обеспечение вакуумных технологических процессов формирования пленочных композиций. / В.М. Иевлев, А.Д. Поваляев, СЛ. Подвальный, A.A. Чикирякин // V науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии - 97»: Тез. и матер, докл. - Курск, КГТУ, 1997.- С. 6-8.

2. Информационное обеспечение вакуумных технологических процессов формирования пленочных композиций. I A.A. Чикирякин, В.М. Иевлев, A.B. Буга-ков, А.Д. Поваляев // Реализация региональных научно-технических программ Центрально-Черноземного региона: Материалы конф. - Воронеж, 1997,- С. 156158.

3. Чикирякин A.A. Информационная система проектирования вакуумных технологических процессов формирования пленочных композиций // Конференция студентов и молодых ученых. Техническая физика: Сб. тр. - Москва; 1998.- Ч. 11.-С.17-22.

4. Чикирякин A.A.. Разработка электронного справочника по основным свойствам материалов, используемых для получения пленочных композиций // Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика- 98»: Тез. докл. - Москва, 1998.- 4.1. - С. 167-168

5. Чикирякин A.A., Иевлев В.М., Бугаков A.B. База данных информационной системы проектирования вакуумных технологических процессов нанесения пленочных покрытий// V Междунар. конф. «Пленки и покрытия'98»: Сб. тр.-Санкт-Петербург, 1998. - С. 377-379.

6. Чикирякин A.A. Система проектирования вакуумных технологий тонкопленочных материалов// Второй Всерос. сем. «Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении»: Тез. докл. - Воронеж, 1999. -С. 138 - 140.

7. Иевлев В.М., Бугаков A.B., Чикирякин A.A.. Компьютерное проектирование пленочных металлических композиций. Ориентационные соотношения на межфазных границах и субструктура слоев// Вестник ВГТУ. Сер. Материаловедение. - Воронеж: ВГТУ, 1998 - Вып. 1.4. -С. 22-25.

8. Чикирякин А.А, Бугаков A.B., Поваляев А.Д. Разработка информационного обеспечения вакуумных технологических процессов формирования пленочных структур// Материалы региональной науч.-тех. программы «Вуз-Черноземье». Результаты исследований 1998 г. - Воронеж, 1999. - С. 54-57.

9. Бугаков A.B., Чикирякин A.A. Компьютерное прогнозирование структуры многослойных тонкопленочных композиций // Симпозиум «Математическое моделирование в естественных и гуманитарных науках»: Тез. докл.- Воронеж, 2000.-С.36.

| -I . ■

fU- г