Розробка гнучкої системи моделювання позаштатних ситуацій у виробничому процесі

Математичну модель архітектури СППР (АрхСППР) можна представити кортежем вигляду:

АрхСППР=<МПК, МВС, МСП>,

де МПК - безліч підсистем і компонент; МВС - безліч взаємозв'язків між підсистемами і компонентами; МСП - безліч складових поведінки, що змінюються в часі даних, станів, дій, що управляють і обурюючих.

Модель архітектури СППР при ліквідації нештатних ситуацій можна представити кортежем вигляду:

МОС=<НПД, ІПР, УОІ, ГЕС, БД, БЗ, ПМР, ВНР, ЖПР, ІІ>

де НПД - набір первинних датчиків виникнення пожежі, спроби злому, руху об'єктів з уніфікованими виходами; ІПР - інтерфейс первинного перетворення даних; УОІ - пристрої відображення інформації (звукові, візуальні, мнемонічні);

ГЕС - група експертів-фахівців зі встановлення типа і характеристик виниклої нештатної ситуації; БД - база даних; БЗ - база знань; ПМР - прийняття безлічі допустимих рішень; ВНР - вибір найкращого рішення з безлічі допустимих по ліквідації нештатних ситуацій; ЖПР - журнал прийнятих рішень з вказівкою особи, відповідальної за ліквідацію нештатної ситуації; ІІ - інтелектуальний інтерфейс експертної системи, механізм виводу, що включає, механізм придбання знань (рис.2.1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2.1 Механізм придбання знань

2.5 Вирощування монокристалів кремнію

Напівпровідникова технологія почала своє становлення з 1946 року, коли Бардін і Шоклі винайшли біполярний транзистор.

Якість напівпровідникових приладів в значній мірі залежить від якості вихідних напівпровідникових матеріалів. Тому створення напівпровідникової інтегральної схеми починається з виготовлення монокристалічних злитків напівпровідників. Особливу проблему при цьому представляє їх очищення від домішок.

В даний час для промислового виготовлення більшості напівпровідникових мікросхем застосовують кремній. Це пояснюється тим, що кремній в порівнянні з також добре вивченим і освоєним напівпровідниковою промисловістю германієм володіє рядом переваг. Так, кремній має велику ширину забороненої зони, що забезпечує ширший інтервал робочих температур, менші зворотні струми переходів і меншу їх залежність від температури, а також дозволяє виготовляти резистори з великими значеннями опорів, слабо залежними від струму витоку. Кремнієві переходи має велика пробивна напруга, їх пробій настає при великих температурах. Крім того, кремній є найпоширенішим в природі елементом після кисню. Вміст кремнію в земній корі складає по масі 27,7 %, що забезпечує необмежену можливість розширення його виробництва в порівнянні з іншими напівпровідниками, що відносяться до розсіяних елементів. Окрім дешевизни і недефіцитності, кремній володіє істотно великим значенням напруги утворення дислокацій, чим інші напівпровідники. Це робить можливим вирощування бездіслокаційних монокристалічних злитків діаметром до 150 мм і більш з масою більше 100 кг Відомо декілька способів здобуття монокристалічних злитків, заснованих на наступному принципі. Розчинність більшості домішок значно більше в рідкій фазі, чим в твердій. Тому якщо поступово охолоджувати розплавлений напівпровідник, то в затверділій частині буде менше домішок, чим в рідкій частині, що залишилася, немов домішки відтісняються в рідку фазу. Відрізуючи ж від повністю затверділого злитка ту частину, яка затверділа останньою (і в якій, відповідно, сконцентрована основна маса домішок) і повторюючи операцію кілька разів, можна отримати дуже чистий матеріал.

Технологія здобуття монокристалів напівпровідникового кремнію складається з наступних етапів: здобуття технічного кремнію; перетворення кремнію на легколетуче з'єднання, яке після очищення може бути легко відновлене; очищення і відновлення з'єднання, здобуття кремнію у вигляді полікристалічних стрижнів; кінцеве очищення кремнію методом кристалізації; вирощування легованих монокристалів:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2 Етапи виробництва кремнію.

2.5.1 Обладнання для вирощування монокристалічного кремнію

Установка «Редмет-90М» призначена для вирощування бездислокаційних монокристалів кремнію напівпровідникової чистоти діаметром до 250 мм і завдовжки 1500 мм.

Установка «Редмет-90М» є розвитком серії установок «Редмет» і базується на конструктивних рішеннях, виявлених багатолітнім відробітком в серійному виробництві. Її відрізняють надійність роботи, зручність обслуговування, простота виготовлення і експлуатації.

Рис. 2.3 Установка «Редмет-90 М»



Рис. 2.4 Схема установки «Редмет-90 М»

Основні технічні дані установки "Редмет 90М":

Загрузка тиглюдо 210 кг

Максимальний діаметр монокристалу300 мм

Максимальний діаметр тигля508 мм, 610 мм

Встановлена потужність250 кВт

Швидкість переміщення затравки

- робоча(0,25... 7,6) мм/хв:

- маршева(14...720) мм/хв:

Частота обертання:

- затравки(1...36) об/хв

- тиглю(1...28) об/хв

Величина осьового переміщення тигля300 мм

Швидкість переміщення тигля:

- робоча(0,03...0,77) мм/хв

- маршева46 мм/хв

Середовище камери печі:

- вакуум0,05 мм. рт. ст.

- інертний газАргон

Тиск інертного газу

на вході2,0 аті

у камері(5...20) торр

Витрата інертного газу(1000...4000) л/год

Витрата водидо 10 м³ /год

Габарити установки4000х1800х6030 мм

Орієнтовна маса4500 кг

Система управліннякомп'ютеризована

Установка «Редмет-90М» включає:

*Пічний агрегат;

*Блок силового електроживлення;

*Систему індикації, контролю і управління.

У об'єм постачання входять наступні основні вузли:

пічний агрегат (у частково демонтованому вигляді): рама з плавильною камерою; камера кристала; колона несе (у тому числі, привід підйому камери кристала); шибер вакуумний; привід обертання і переміщення затравки; привід обертання і переміщення тигля; вакуумно-газова система (насоси, трубопроводи, фільтри); система водяного охолоджування; шафа системи індикації, контролю і управління; блок силового електроживлення; супровідна технічна документація; запчастини, інструмент, пристосування.

2.5.2 Методи вирощування монокристалів кремнію

У сучасному виробництві існує безліч методів вирощування монокристалів кремнію, одними з них є, метод ЛЕТІ, метод Степанова, Метод БЗП (безтигельної зонної плавки), Метод Чохральського.

Основна ідея методу ЛЕТІ - перенесення матеріалу з гарячішої зони джерела в холоднішу (температура гарячого джерела 2300-2400^оС). Першим методом був процес, запропонований Ачесоном ще в початку XX століття. Це дуже ефективний метод, що не зазнав жодних принципових змін аж до наших днів. Проте карбід кремнію, що отримується в даному процесі, використовується в основному як абразив, і мало придатний для вживання в електроніці. Це пов'язано з погано контрольованими умовами зростання, що приводить до малих розмірів кристалів і неконтрольованого вмісту в них домішок. Для зростання монокристалів використовувалася затравка, на яку осідала пересичена пара. Крім того, на початковому етапі зростання в камеру вводився інертний газ (найчастіше аргон) для зменшення швидкості росту кристалів з метою недопущення зростання полікрісталів. Потім вироблялося відкачування інертного газу для збільшення швидкості росту. Джерелом служив полікристалічний карбід кремнію, синтезований з кремнію і вуглецю. Як кристалізаційне вічко використовувався графітний блок з отворами. У порожнину отворів засипалося джерело, отвори закривалися пластинами-затравками.

Метод Степанова ґрунтується на тому, що рідина може набувати певної форми не лише за допомогою стінок судини, але і поза судиною, у вільному стані. На цьому засновано формоутворення профільованих кристалів, принцип якого сформульований А.В.Степановим: форма або елемент форми, яку бажано отримати, створюється в рідкому стані за рахунок різних ефектів, що дозволяють рідини зберегти форму; сформований так об'єм рідини переводиться в твердий стан в результаті підбору певних умов кристалізації. А.В. Степанов запропонував, наприклад, формувати меніск за допомогою спеціальних формо утворювачів, що поміщаються в розплав так, щоб меніск розплаву підводився над щілиною в поплавці, лежачому на поверхні розплаву в тиглі і виготовленому з матеріалу, не змочуваного розплавом. Для формоутворення меніска можна застосовувати також електромагнітне поле високочастотного індуктора. Таким чином, формотворний пристрій в загальному випадку є досить складним комплексом елементів. Воно дозволяє управляти формою, геометрією, тепловим поляганням стовпа розплаву і витягуваного кристала, а також розподілом домішки в кристалі. Твердий формоутворювач характеризується фізичними властивостями матеріалу, з якого він виготовлений (його змочуваністю, щільністю, теплопровідністю, теплоємністю), а також конфігурацією (форма отвору або щілини, глибина отвору, форма. отвори по глибині). У теорії витягування кристалів за способом Степанова передбачається умова: сума потоків тепла, що виділяється при твердінні розплаву,, і тепла, що поступає до фронту кристалізації з рідкої фази, дорівнює потоку тепла, що відводиться від фронту кристалізації через тверду фазу. Дана умова потрібна для стійкого зростання кристала із збереженням габаритів його поперечного перетину, кут сполучення рідкої фази з поверхнею зростаючого кристала є одній з важливих капілярних характеристик, що визначають процес зростання і формоутворення кристала. Таким чином, форма поперечного перетину кристала залежить від теплових і капілярних умов процесу.

Метод БЗП ґрунтується на вирощуванні кристалів шляхом витягування їх вгору від вільної поверхні великого об'єму розплаву з ініціацією початку кристалізації шляхом приведення кристала (або декількох кристалів) затравки заданої структури і кристалографічної орієнтації в контакт з вільною поверхнею розплаву. Може використовуватися для вирощування кристалів елементів і стійких при температурах плавлення-кристалізації хімічних сполук. Метод найбільш відомий стосовно вирощування монокристалічного кремнію. За час використання були розроблені різні модифікації методу. Так для вирощування профільованих кристалів використовується модифікація методу Чохральського, звана методом Степанова. Модифікація найбільш відома стосовно вирощування сапфіра і кремнію.

Метод, розроблений їм в 1916 р., полягав в тому, що кристал нарощувався з розплаву на приманці, що оберталася, яка повільно, поступово, але безперервно витягувалася з розплаву. При цьому утворювалася так звана буля - кристал у вигляді циліндра з конічною верхівкою і конічною нижньою частиною. Метод дозволяв міняти діаметр булі шляхом регулювання швидкості витягування і температури. Одне з достоїнств методу - відсутність контакту зростаючого кристала із стінками тигля. Перша хвиля популярності методу Чохральського припала на 1950-ті р., коли створювалася сучасна електроніка і потрібно було організувати промислове виробництво кремнієвих монокристалів.

Основні етапи розвитку кремнієвої електроніки (кремній, не дивлячись на появу нових напівпровідникових матеріалів, залишається і надовго ще залишиться провідним матеріалом) тісно пов'язані з розвитком методу Чохральського. Спочатку в установках, керованих виключно уручну, вирощували булі діаметром 25 мм (у країнах Заходу - 1 дюйм). Потім установки стали автоматичними, розуміння процесу і управління їм покращали, діаметр булі виріс до 50 мм. З часом перейшли на 75-, 100- і навіть на 150-міліметрові булі. Адже чим більше діаметр, тим більше (у квадратичній залежності) площа одиночної кремнієвої пластинки, тим більше інтегральних мікросхем можна розмістити на пластинці за один технологічний цикл і тим, отже, дешевше кінцевий продукт. На кожній з 200-міліметрових пластин сьогодні розміщують до 10 млрд. компонентів електронних схем.

Швидкості росту кристалів в установках Чохральського досягають 80 мм/ч. Вже випробовуються установки, що дозволяють отримувати булі діаметром 300 мм, в дослідницьких центрах ведуться роботи над методами здобуття буль діаметром 400 мм і говорять навіть про постановку програм переходу до 500-міліметрових булів. Якщо ще два-три роки тому кристали масою 50-60 кг вважалися рекордними, то зараз вже ставиться мета отримувати кристали масою 200 кг

Безтигельна зонна плавка - різновид зонної плавки, що не використовує тигля або іншого контейнера. Метод безтигельної зонної плавки (БЗП) дозволяє отримувати високоякісні, чисті монокристалічні матеріали, перш за все - напівпровідникові. БЗП полягає в переміщенні зони розплаву уподовж вертикально розташованого вихідного злитка. Зона розплаву утворюється за рахунок створення вузької зони нагріву за допомогою одновиткового кільцевого індуктора, що оточує злиток. Процес проводиться у вакуумі або контрольованій атмосфері. Це забезпечує високу чистоту вирощуваного кристала. Заготівка і кристал затравки у вигляді стрижнів різного діаметру, встановлюються співісний, їх кінці оплавляються і приводяться в зіткнення. За подальше утримання розплавленої зони між заготівкою і кристалом затравки (або частково готовим) відповідають сили поверхневого натягнення розплаву.

При пониженні температури розплавленої зони можливе зрощення заготівки і перекристалізованого матеріалу з подальшим розломом місця спайки і розривом зони. При перегріві зони можлива протока розплаву із зони. Підбір швидкостей перетягування, конфігурації зони і теплових полів, кількості енергії, що підводиться, для виключення змерзання або протоки зони є, строго кажучи, нетривіальним завданням, особливо для злитків великого діаметру. В разі великого діаметру підсумкового кристала форма зони може мати вигляд двох крапель зв'язаних один з одним тонким перешийком. Індуктивний нагрівальний елемент в цьому випадку має плоску частину, що розташовується безпосередньо над периферичними областями монокристала довкола перешийка.

Заготівку і кристал затравки з готовим кристалом, що формується на нім, розділені розплавленою зоною повільно переміщають вниз відносно зони нагріву так, щоб розплавлена зона поступово поглинала все нові ділянки заготівки, а внизу із зони поступово витягувався вже готовий кристал. При цьому фактично заготівка поступово розплавляється, а готовий кристал поступово зростає з розплаву, що поступає при оплавленні заготівки. Готовий кристал також представляє собою стрижень відносно невеликого діаметру. Кристалографічною орієнтацією готового кристала можна управляти, встановлюючи внизу монокристал затравки заданої орієнтації.

Легуванням кристала можна управляти у відносно вузьких межах шляхом введення легуючих елементів в газове середовище установки вирощування.

У загальному випадку діаметри підсумкового злитка і вихідної заготівки можуть не збігатися. Як правило, діаметр заготівки рівний або менше діаметру підсумкового кристала (заготовки меншого діаметру легко проплавити, але це приводить до зменшення довжини підсумкового кристала і збільшення висоти і робочого об'єму установки).

Технологічний процес включає наступні стадії:

1. розміщення в ростовій установці кристала затравки і заготівки, вакуумування установки, створення захисної атмосфери при необхідності;

2. введення в зону нагріву нижньої частини заготівки і оплавлення її до утворення невеликої краплі;

3. введення в зону розігрівання кристала затравки і приведення його в контакт з краплею;

4. зворотна подача (вгору) кристала затравки спільно із заготівкою для проплавлення кристала затравки до ділянки з непорушеною структурою;

5. пряма подача (вниз) кристала затравки спільно із заготівкою в ході поступового зростання основного кристала;

6. при проведенні зонного очищення прохід розплавленої зони при прямій подачі уздовж всієї довжини одного і того ж кристала може повторюватися кілька разів - при цьому домішки відтісняються із зростаючого кристала в його нижню частину;

7. охолоджування і вивантаження кристала з установки, підготовка установки до наступної плавки.

2.5.3 Метод Чохральського

Ідея методу здобуття кристалів по Чохральському полягає в зростанні монокристала за рахунок переходу атомів з рідкої або газоподібної фази речовини в тверду фазу на їх кордоні розділу.

Рис. 2.5 Вирощування кристалу методом Чохральського.

Стосовно кремнію цей процес може бути охарактеризований як однокомпонентна ростова система рідина - тверде тіло. Швидкість росту визначається числом місць на поверхні зростаючого кристала для приєднання атомів, що поступають з рідкої фази, і особливостями перенесення на кордоні розділу.

Технологія процесу полягає в тому, що монокристал затравки високої якості опускається в розплав кремнію і одночасно обертається. Здобуття розплавленого полікремнія відбувається в тиглі в інертній атмосфері (аргону при розрідженні ~104Па.) при температурі, що трохи перевершує точку плавлення кремнію

Т=1415°С. Тигель обертається в напрямі протилежному до обертання монокристала для здійснення перемішування розплаву і зведення до мінімуму неоднорідності розподілу температури. Вирощування при розрідженні дозволяє частково очистити розплав кремнію від летких домішок за рахунок їх випару, а також понизити освіту на внутрішньому облицюванні печі нальоту порошку монооксиду кремнію, попадання якого в розплав приводить до утворення дефектів в кристалі і може порушити монокристалічне зростання.

Рис.2.6 Вирощування при розрідженні

На початку процесу зростання монокристала частина монокристала затравки розплавляється для усунення в нім ділянок з підвищеною щільністю механічної напруги і дефектами. Потім відбувається поступове витягування монокристала з розплаву. Для здобуття монокристалів кремнію методом Чохральського розроблено і широко використовується високопродуктивне автоматизоване устаткування, що забезпечує відтворне здобуття бездіслокаційних монокристалів діаметром до 200-300 мм. Із збільшенням завантаження і діаметру кристалів вартість їх здобуття зменшується. Проте в розплавах великої маси (60-120кг) характер конвективних потоків ускладнюється, що створює додаткові труднощі для забезпечення необхідних властивостей матеріалу. Крім того, при великих масах розплаву зниження вартості стає незначним за рахунок високої вартості кварцового тигля і зменшення швидкості вирощування кристалів із-за труднощів відведення прихованої теплоти кристалізації. У зв'язку з цим з метою подальшого підвищення продуктивності процесу і для зменшення об'єму розплаву, з якого виробляється вирощування кристалів, інтенсивний розвиток отримали установки напівбезперервного вирощування. У таких установках виробляється додаткове безперервне або періодичне завантаження кремнію в тигель без охолоджування печі, наприклад шляхом підживлення розплаву рідкою фазою з іншого тигля, який, у свою чергу, також може періодично або безперервно користується твердою фазою. Таке удосконалення методу Чохральського дозволяє понизити вартість вирощуваних кристалів на десятки відсотків. Крім того, при цьому можна проводити вирощування з розплавів невеликого і постійного об'єму. Це полегшує регулювання і оптимізацію конвективних потоків в розплаві і усуває сегрегації неоднорідності кристала, обумовлені зміною об'єму розплаву в процесі його зростання.

Для здобуття монокристалів n- або р-типу з необхідним питомим опором проводять відповідне легування вихідного полікристалічного кремнію або розплаву. У завантажуваний полікремній вводять відповідні елементи (Р, В, As, Sb та ін.) або їх сплави з кремнієм, що підвищує точність легування.

З установки витягують кремнієвий злиток діаметром 20-50см і завдовжки до 3 метрів. Для здобуття з нього кремнієвих пластин заданої орієнтації і завтовшки в декілька десятих міліметра виробляють наступні технологічні операції:

1. Механічна обробка злитка: відділення частини затравки і хвостової злитка; обдирання бічної поверхні до потрібної товщини; шліфовка одного або декількох базових зрізів (для полегшення подальшій орієнтації в технологічних установках і для визначення кристалографічної орієнтації); різання діамантовими пилами злитка на пластини: (100) - точно по плоскості (111) - з разорієнтацією на декілька градусів.

2. Травлення. На абразивному матеріалі SIC або Al₂О₃ видаляються пошкодження висотою більше 10мкм. Потім в суміші плавикової, азотної і оцетової кислот, приготованій в пропорції 1:4:3, або розчину лугів натрію виробляється те, що труїть поверхні

3. Полірування - здобуття дзеркальне гладкій поверхні. Використовують суміш поліруючої суспензії (колоїдний розчин часток SiО₂ розміром 10нм) з водою.

У остаточному вигляді кремній вдає із себе пластину діаметром 15-40см, завтовшки 0.5-0.65мм з однією дзеркальною поверхнею.

Основна частина монокристалів кремнію, що отримуються методом Чохральського, використовується для виробництва інтегральних мікросхем; незначна частина (близько 2%) йде на виготовлення сонячних елементів. Метод є оптимальним для виготовлення приладів, що не вимагають високих значень питомого опору (до 25Ом*см) через забруднення киснем і іншими домішками з матеріалу тигля.

2.5.4 Дефекти монокристалічного Si

Кристали кремнію, що отримуються методами Чохральського і БЗП для цілей твердотілої електроніки, в переважній більшості є бездіслокаційними. Основними видами структурних дефектів в них є мікродефекти (МД) розміром від доль нанометрів до декількох мікрометрів з концентрацією 107см³ і більш. Розрізняють в основному три види МД: дислокаційні петлі, стабілізовані домішкою, і їх скупчення (А-дефекти); сферичний, подовжений або плоский домішковий преципітат і частки щільної кремнієвої фази (В-дефекти) і скупчення вакансій (Д-дефекті). Передбачається, що МД можуть утворюватися безпосередньо в процесі кристалізації, при обробці кристала (термічною, радіаційною, механічною і ін.), а також в процесі роботи напівпровідникового приладу. Так, при зростанні кристала МД можуть виникати в результаті захвату зростаючим кристалом домішкових комплексів і часток, збагачених домішкою, крапель розплаву, а також агломератів атомів кремнію. На післяростових етапах формування МД відбувається в основному в результаті розпаду твердого розчину домішки або власних точкових дефектів в кремнії на гетерогенних центрах або первинних МД, що утворилися в процесі зростання кристала. Основними фоновими домішками в монокристалах кремнію є кисень, вуглець, азот, швидкодифундуючі домішки важких металів. Кисень в кремнії залежно від концентрації, форми існування і розподілу може надавати як негативний, так і позитивний вплив на структурні і електричні властивості кристалів. Концентрація кисню в кристалах, вирощених по методу Чохральського з кварцового тигля, визначається наступними джерелами: розчиненням тигля і вступом кисню в розплав з атмосфери камери вирощування. Залежно від в'язкості розплаву, характеру конвективних потоків в розплаві, швидкості росту кристалів концентрація кисню у вирощених кристалах змінюється від 5·10¹⁷ до 2·10¹⁸ см³. Межа розчинності кисню в кристалічному кремнії складає 1,8·10¹⁸. З пониженням температури розчинність кисню різко падає. Для контролю і зменшення концентрації кисню в кристалах кремнію, що вирощуються методом Чохральського, замість кварцових використовують тиглі, виготовлені з нітриду кремнію, ретельно очищають атмосферу печі (аргон) від кисневмісних домішок. Концентрація кисню в кристалах, що отримуються методом БЗП, зазвичай складає 2·10¹⁵-2·10¹⁶ см³.

Вуглець в кремнії є одній з найбільш шкідливих фонових домішок, що робить поряд з киснем значний вплив на електричні і структурні характеристики матеріалу. Вміст вуглецю в кристалах, що отримуються по методу Чохральського і БЗП, складає 5·10¹⁶-5*10¹⁷см³. Розчинність вуглецю в розплаві кремнію при температурі плавлення рівна (2-4)10¹⁸ см³, в кристалах - 6·10¹⁷см³. Ефективний коефіцієнт розподілу вуглецю в кремнії - 0,07.

Основними джерелами вуглецю у вирощуваних кристалах є монооксид і діоксид вуглецю, а також вихідний полікристалічний кремній. Оксиди вуглецю утворюються в результаті взаємодії монооксиду кремнію з графітом гарячих елементів теплового вузла і підставки для тигля в установці для витягування кристалів, в результаті взаємодії кварцового тигля з графітовою підставкою, окислення графітових елементів киснем. Для зниження концентрації кисню в кристалах зменшують його вміст в основних джерелах, зменшують число графітових і вуглецевмісних вузлів камери вирощування або нанесення на них захисних покриттів. Залишкова концентрація азоту в кристалах кремнію, отриманих по методах Чохральського і БЗП, не перевищує 10¹² см³. Межа його розчинності в твердому кремнії при температурі плавлення складає 4,5·10¹⁵ см³, рівноважний коефіцієнт розплавлення дорівнює 0,05. Основними джерелами азоту є газова атмосфера, виділення з графіту, тигель з нітриду кремнію. Будучи донором, азот, крім того, приводить до підвищення значень критичної напруги утворення дислокацій в кремнії. Концентрація швидкодифундуючих домішок важких металів (Fe, Сu, Аu, Сr, Zn та ін.) в кристалах кремнію, що вирощуються методом Чохральського і БЗП, не перевищує 5-10¹³, а в особливо чистих, отримуваних багатократною зонною плавкою, - 5-10¹¹ см³.

Таблиця 2.1

Параметр	Метод Чохральського	Метод зонної плавки
Максимальний діаметр пластини, мм	150 - 400	200
Питомий опір p- тип, Ом/см	0.005-50	0.1-3000
Питомий опір n- тип, Ом/см	0.005-50	0.1-800
Орієнтація	[111], [110], [100]	[111], [100]
Час життя не основних носіїв, мкс	10-50	100-3000
Вміст кисню, атом /см2	10-100	<10
Вміст вуглецю, атом/см2	10	<10

З точки зору розмірності виділяють наступних типів дефектів реальних кристалів: Точкові дефекти. До точкових дефектів відносяться:

· дефекти по Шотки,

· дефекти по Френкелю,

· атоми домішки в положенні заміщення,

· атоми домішки в міжвузлі.

Дефект по Шотки є вакансією в кристалічній решітці. Вакансія утворюється, як правило, на поверхні кристала. При цьому атом або покидає грати або залишається з нею зв'язаним. Надалі вакансія мігрує в об'єм кристала за рахунок його теплової енергії. В умовах термодинамічної рівноваги концентрація цих дефектів NШ задається рівнянням:

NШ= C*exp(-W/kT)(2.3)

де C - константа, W - енергія утворення даного вигляду дефекту. Для кремнію значення: W= 2,6 еВ.

Дефект по Френкелю є вакансією і міжвузольним атомом. Концентрація цих дефектів обчислюється також за формулою, але з великим значенням енергії утворення міжвузольного атома W= 4,5 еВ. Вакансія і міжвузольний атоми переміщаються усередині грат за рахунок теплової енергії.



Можливе впровадження домішкових атомів в кристалічну решітку. При цьому атоми домішки, заміщення, що знаходяться в положенні, створюють енергетичні рівні в забороненій зоні напівпровідника. Атоми домішки, що знаходяться в міжузліях, не створюють цих рівнів, але впливають на механічні властивості напівпровідника.

До лінійних дефектів відносяться:

* краєва дислокація;

* гвинтова дислокація.

Краєві дислокації виникають за рахунок паралельного зсуву атомів однієї плоскості відносно іншої на однакову відстань b в напрямі паралельному можливому переміщенню дислокації.



Гвинтові дислокації також виникають за рахунок зсуву атомної плоскості, але атоми зміщуються на різні відстані в напрямі перпендикулярному переміщенню дислокації. Обидва типи дефектів утворюються за рахунок механічної напруги, що існує в кристалі, і обумовлені градієнтом температури або великої концентрації домішкових атомів. Краєві дислокації в кристалах, використовуваних для виробництва ІС, як правило, відсутні.

До поверхневих дефектів відносяться: кордони зерен монокристалів, двійникові кордони. Двійникування - зміна орієнтації кристала уздовж деякої плоскості, званою плоскістю двійникування.

Ці дефекти виникають в процесі зростання в певних частинах кристалічного злитка. Для виробництва ІС такі кристали не використовують, їх відбраковують. Об'ємні дефекти в кремнії. Одним з проявів тривимірних порушень в кристалічній решітці є мікродефекти і преципітат (фаза, в якій виділяються домішкові атоми, в разі перевищення рівня розчинності в речовині при даній температурі). При зростанні кристалів кремнію з дуже низькою щільністю дислокацій виникає тип дефектів, які, ймовірно, характерні виключно для напівпровідникових кристалів і в даний час інтенсивно досліджуються. Із-за малого розміру їх називають мікродефектами. Картина розподілу мікродефектів в поперечному перетині кристала зазвичай має вигляд спіралі, тому її називають swirl-картиною. "Swirl" по-англійськи означає "воронка, спіраль". Swirl-картина виявляється і в кристалах вирощених по методу Чохральського і в кристалах зонної плавки незалежно від їх кристалографічної орієнтації. Вперше такі дефекти спостерігалися при тому, що виборчому труїть пластин бездіслокаційного кремнію. У них виявлені дефекти, що відрізняються від дислокацій, дефектів упаковки, двійників, преципітату і межзеренних кордонів. Вони давали фігури того, що труїть, названі "некристалографічними" або "порожніми" ямками того, що труїть. Некристалографічні ямки не мають певної орієнтації відносно кристала або один одного. Вони мають плоске дно і, отже, обумовлені витравленням локалізованих, приблизно сферичних дефектів, відмінних від дислокацій, які є лінійними дефектами і дають при тому, що труїть "глибокі" ямки в місцях свого виходу на поверхню. У досліджених кристалах за допомогою рентгенівської топографії і виборчого труїть були ідентифіковані два типи мікродефектів, що відрізняються за розміром і концентрацією. Мікродефекти великого розміру, названі

А- дефектами, розташовуються головним чином в областях, віддалених від поверхні кристала і від країв пластин. Мікродефекти меншого розміру (У - дефекти) спостерігаються у всьому об'ємі кристала аж до самої бічної його поверхні.

3. ОГЛЯД ПРОГРАМНИХ ЗАСОБІВ СППР

У тій або іншій мірі системи підтримки прийняття рішень (СППР) присутні в будь-якій інформаційній системі (ІС). Тому, усвідомлено чи ні, до завдання створення системи підтримки прийняття рішень організації приступають відразу після придбання обчислювальної техніки і установки програмного забезпечення.

3.1 СППР «Вибір»

Діалогова програмна система «Вибір» призначена для підтримки прийняття рішень в різних сферах людської діяльності. Програма може стати незамінним помічником для керівників фірм, підрозділів, лабораторій, всім, хто бажає або вимушений за родом своєї діяльності приймати обґрунтовані раціональні рішення. СППР «Вибір» - аналітична система, є простим і зручним засобом, який допоможе структурувати проблему, побудувати набір альтернатив, виділити чинники, що характеризують їх, задати значущість цих чинників, оцінити альтернативи по кожному з чинників, знайти неточності і протиріччя в думках ОПР/експерта, проранжировати альтернативи, провести аналіз рішення і обґрунтувати отримані результати. Система спирається на математично обґрунтований метод аналізу ієрархій Томаса Сааті. Практичне подолання труднощів, пов'язаних з прийняттям рішення, полягає у включенні особи що приймає рішення (ОПР) в процес побудови моделей і прийняття рішень на їх основі. Для цього призначені людино-машинні (імітаційні) системи. Одним з класів таких систем є системи підтримки прийняття рішень (СППР), в рамках яких досвід і неформалізовані знання ОПР поєднуються з математичним.

СППР "Вибір" може використовуватися при вирішенні наступних типових задач:

* оцінка якості організаційних, проектних і конструкторських рішень;

* визначення політики інвестицій в різних областях;

* завдання розміщення (вибір місця розташування шкідливих і небезпечних виробництв, пунктів обслуговування);

* розподіл ресурсів;

* проведення аналізу проблеми по методу "вартість-ефективність";

* стратегічне планерування;

* проектування і вибір устаткування, товарів;

* вибір професії, місця роботи, підбір кадрів.

На основі аналізу тенденцій розвитку сучасних СППР та досліджень в областях інтеграції прикладних програм обґрунтована необхідність використання у процесі розробки та функціонування СППР об'єктно-орієнтованої мови, що підтримує сталі об'єкти;

3.2 Об'єктно-орієнтована мова LIANA

Була розроблена нова об'єктно-орієнтована мова LIANA, що дозволяє формалізувати різні аспекти розробки і функціонування СППР. Програмно реалізовані сервісні засоби налаштування LIANA - програм. Інтеграція моделей базується на описі ієрархії наборів даних в СППР за допомогою класів мови LIANA. Мова LIANA відноситься до сімейства алголоподібних мов програмування. Мова використовує LA(1) - алгоритм синтаксичного аналізу, бінарні дерева, для організації коди стік для представлення даних. Розроблений переносний інтерпретатор мови і система автоматичної побудови liana-програм.

Розроблена методика інтеграції моделей в СППР, що дозволяє проводити інтеграцію незалежно розроблених моделей без змін в програмній реалізації окремих модулів. Система LIANA призначена для швидкої і зручної побудови СППР, що відповідають сучасним вимогам, тобто СППР повинна мати розвинений інтерфейс користувача, використовувати ГІС, забезпечувати зручне зберігання необхідних даних і попередніх результатів роботи з системою, бути гнучкою і переносною. Система LIANA містить як основні компоненти інтерпретатор мови програмування, сервісні засоби написання і відладки liana-програм, засоби автоматичної побудови LIANA-програмі під час роботи СППР, системонезалежне ядро - центральну частину СППР, що розробляється, розширення ядра для налаштування на специфічне програмне і інформаційне середовище, СУБД СППР, набір класів і функцій для створення інтерфейсів користувача. Розширення ядра включає засоби адаптації до різних операційних систем, типів прикладних завдань, типам обміну даними, вимог до часу обміну, засобам роботи з ГІС, засобам здобуття даних з системи моніторингу. Програмно-інструментальна система LIANA складається з:

* інтерпретатора мови LIANA;

* ядра системи LIANA, керівника запуском прикладних завдань, що входять до складу СППР, підготовкою даних, обміном даними між різними частинами програмного забезпечення СППР;

* блоків побудови інтерфейсу користувача в ОС DOS, UNIX, WINDOWS;

* розширеннями ядра системи для інтеграції ГІС Mapinfo в СППР.

Відповідно до традиційного (орієнтованим на моделі) підходу, ввівши початкові дані і виконуючи прикладні завдання в деякому порядку, можна отримати необхідні результати. Проте такий підхід має ряд недоліків:

* на додаток до звичних для користувача речей - карт, даних, графікам - вводяться нові для користувача поняття моделі, ГІС, бази даних;

*у сучасних СППР порядок виконання моделей може бути дуже складним і неочевидним для користувача, що-небудь приводить до необхідності роботи експерта, або (при спробі автоматизації) зводить систему до «однієї кнопки», спроба з'єднання цих двох підходів веде до створення двох інтерфейсів користувача;

Інтеграція і створення системи стають досить складним процесом і вимагають зміни програмного забезпечення при вставці нових або зміни параметрів існуючих моделей. Описавши набори даних як класи на мові LIANA, що містять інформацію про:

* вмісті набору даних;

* способі його здобуття (запуск моделюючого завдання, зв'язок з ГІС, базою даних, запит до користувача);

* інших наборах даних, необхідних для здобуття даного набору;

* способі відображення набору даних в інтерфейсі користувача.

Таким чином, ми дамо ядру системи LIANA повну інформацію, необхідну для роботи. Зробивши основною «одиницею виконання» набір даних, і, вважаючи, що запуск моделюючого завдання, зв'язок з ГІС, базою даних, запит до користувача - лише засоби створення наборів даних, ми зможемо: дати можливість користувачеві працювати лише із звичними для нього об'єктами (таблиця, карта, графік); відображувати всі етапи процесу прийняття рішення - як прийняття проміжного рішення, так і прийняття остаточного рішення, відповідні звичайному (не комп'ютерному) процесу прийняття рішення; забезпечуючи роботу користувачів різного рівня, дати можливість користувачеві переглядати і створювати набори даних, що лише цікавлять його, аж до набору даних «Рішення», що приведе до автоматичного запуску всього ланцюжка створення наборів даних; зробити програмне забезпечення СППР гнучким. З'являється можливість змінювати моделі і додавати нові без яких-небудь змін системи в цілому. Підсумовуючи викладене вище, можна перерахувати основні ідеї, на яких базується програмно-інструментальна система LIANA: Кожне прикладне завдання: використовується в СППР для підготовки деяких даних, необхідних для інших завдань і користувача; потребує вхідних даних, що є результатами роботи інших прикладних завдань або що вводяться користувачем; може бути запущена на виконання лише якщо готові всі необхідні вхідні дані.

Вже впродовж більше 20 років середовище графічного програмування Labview дозволяє інженерам і ученим застосовувати революційні методи розробки масштабованих застосувань для завдань тестування, вимірів і управління. Накопичений за цей час досвід дає можливість швидко і без великих за-витрат здійснювати взаємодію між устаткуванням для вимірів і управління, проводити аналіз даних, передавати результати через мережеві інтерфейси і створювати розподілені системи. Як правило, розробка програмного забезпечення (ПЗ) для контролю і управління технологічними процесами і науковими експериментами виробляється програмістами на мовах високого рівня, таких як C++, Delphi, PASCAL і їх visual версіях. Така дорога розробки (ПЗ) малоефективна з причини тривалості самого процесу написання і відладки програми. Крім того, програміст, будучи фахівцем в мовах програмування має смутне уявлення про апаратні тонкощі системи (протоколи роботи портів введення/виводу, принцип сполучення пристроїв, архітектура мікроконтролерів і так далі), що часто приводить до помилок роботи ПЗ і устаткування. Розробка відлагодженого ПЗ займала декілька тижнів, а то і місяців. Середовище графічного проектування Labview корінним чином міняє відношення до розробки контрольно-вимірювальних систем, що управляють, зокрема ПЗ для їх роботи. За рекорд стислі терміни LabView дозволяє створити складний і високонадійний віртуальний інструмент. За допомогою інтуїтивний зрозумілих функції і вбудованих готових віртуальних інструментів, як в дитячому конструкторі, можна створити додаток, якому можна довірити управління найскладнішим технологічним процесом або науковим експериментом. Наявність в LabView функцій роботи, що легко конфігуруються, з портами по протоколу Rs-232 і Rs-485 роблять її незамінною в промисловому вживанні.

3.3 Особливості середовища LabView

Для плідної наукової роботи і експериментів потрібний парк дорогих інструментів. Технології National Instruments надають можливість при малих витратах отримати високоякісний інструмент як для збору, обробки і представлення різного роду експериментальної інформації (спектральний аналіз, Фур'є аналіз і ін.), так і для управління технологічними процесами реального і нереального часу. В даний час в подібних системах зростання монокристалів для забезпечення високої стабільності підтримки температури в камері зростання застосовуються автоматичні системи управління електроживленням нагрівального елементу, що базується на промисловому високочастотному регулювальнику температури і програмному задатчику рівня. Градуювання температури нагрівача здійснюється за допомогою оптичного пірометра.

Віртуальному інструменту LabView відведена найвідповідальніша роль в управлінні процесом. Попередній аналіз можливостей LabView показав, що система містить всі необхідні функції і віртуальні інструменти для швидкої і високоефективної побудови експериментальної системи регулювання. Крім того, виняткова стабільність в роботі і відсутність “зависань” віртуального інструменту дали зрозуміти, що LabView сміливо можна довірити управління відповідальним процесом. Були визначені функції, покладені на віртуальний інструмент LabView. У LabView організований діалог з оператором для визначення параметрів зростання монокристала кремнію, ведеться протокол поточних умов в ростовій камері. У LabView була реалізована найважливіша частина алгоритму автоматичного регулювання температурою процесу вирощування монокристалів кремнію. National Instruments LabView є високоефективним середовищем графічного програмування, в якому можна створювати гнучкі і масштабовані додатки вимірів, управління і тестування з мінімальними тимчасовими і грошовими витратами. LabView поєднує в собі гнучкість традиційної мови програмування з інтерактивною технологією Експрес ВП, яка включає автоматичне створення коди, використання помічників при конфігурації вимірів, шаблони додатків і що набудовуються Експрес ВП. Завдяки цим особливостям і новачки, і експерти можуть легко і швидко створювати додатки в LabView. Інтуїтивно зрозумілий процес графічного програмування дозволяє приділяти більше уваги вирішенню проблем, пов'язаних з вимірами і управлінням, а не програмуванню.

Переваги LabView:

* Повноцінна мова програмування

* Інтуїтивно зрозумілий процес графічного програмування

* Широкі можливості збору, обробки і аналізу даних, управління приладами, генерації звітів і обміну даних через мережеві інтерфейси

* Драйверна підтримка більше 2000 приладів

* Можливості інтерактивної генерації коди

* Шаблони додатків, тисячі прикладів

* Висока швидкість виконання програм

* Вчення, що відкомпілювалися, і технічна підтримка світового рівня

* Сумісність з операційними системами Windows2000/NT/XP, Linux і Solaris.

Широта вживання: Додатки, написані в LabView, знаходять вживання у всьому світі у всіляких галузях промисловості:

* Автомобільна промисловість

* Телекомунікації

* Аерокосмічна промисловість

* Напівпровідникова промисловість

* Розробка і виробництво електроніки

* Управління технологічними процесами

Завдяки своїй гнучкості і масштабованості, Labview може використовуватися на всіх етапах технологічного процесу: від моделювання і розробки прототипів продуктів до широкомасштабних виробничих випробувань. Вживання інтегрованого середовища Labview для виміру сигналів, обробки результатів і обміну даними підвищить продуктивність всього підприємства

NI LabView - єдина платформа для управління, вимірів і моделювання. Вже майже 20 років інженери і учені використовують середовище графічного програмування National Instruments Labview для створення автоматизованих систем збору даних і управління приладами, які знайшли вживання як в дослідницьких і випробувальних лабораторіях, так і на технологічних виробничих лініях. Весь цей час середовище LabView постійно удосконалювалося - завдяки регулярному виходу нових версій, а також випуску спеціалізованих модулів, бібліотек і доповнень, обумовлених побажаннями користувачів і дослідницькою роботою колективу розробників Labview, і фактично стала стандартом у ряді галузей науки і техніки. Згідно зі своєю фундаментальною ідеєю, Labview дозволила інженерам, що не мають глибоких знань і досвіду в традиційному програмуванні, швидко створювати складні автоматизовані системи вимірів і управління. Але в своєму розвитку Labview стала більша, ніж просто мовою програмування. Labview надає користувачеві широку гамму інструментів, які утворюють графічну платформу розробки для моделювання, управління і тестування. У даній статті коротко розглядаються інструментальні засоби і бібліотеки, які просувають платформу Labview в нових, усе більш перспективні галузі промисловості і на нові сегменти ринку високих технологій. Labview 8 є високоефективною, але простою у використанні оболонкою для проектування, управління, запуску і синхронізації розподілених систем. Для задоволення ваших поточних і перспективних потреб Labview забезпечує: підтримку різної архітектури і платформ виконання, таких як персональні, промислові, портативні і вбудовані комп'ютери, у тому числі багатопроцесорні системи з ПЛІС і цифровими сигнальними процесорами, а також системи, що працюють під управлінням ОС реального часу. Моніторинг і управління розподіленими вузлами системи з єдиної інтерактивної оболонки Проекту Labview (Labview Projet). Спрощення передачі даних між різними обчислювальними вузлами за допомогою нової Змінної Загального Доступу Labview 8 (Labview Shared Variable). Графічна платформа розробки додатків Labview сприяє підвищенню продуктивності праці інженерів і учених - від розробки простих лабораторних стендів до створення складних розподілених систем з інтелектуальними вузлами. Унікальне поєднання простих графічних засобів розробки, підтримка широкого спектру пристроїв введення-виводу, можливостей програмування розподілених систем і швидкорослого співтовариства користувачів робить платформу LabView передовим продуктом, використовуваним для вирішення завдань проектування, управління і вимірів.

Програмні застосування, що створюються в LabView, носять назву віртуальних приладів (ВП). ВП складається з двох основних частин (рис. 3.1.).

Лицьова або передня панель, що є інтерактивним інтерфейсом користувача і імітуюча панель деякого пульта управління, на якому розміщуються кнопки, перемикачі, індикатори, діаграми, графіки і інші засоби відображення і управління; функціональна панель або блок-схема, що є ілюстрованим алгоритмом дій ВП, що одночасно є вихідним текстом ВП, в якій за допомогою мови G здійснюється процес розробки вихідної коди віртуального інструменту у вигляді окремих графічних піктограм, що здійснюють різні функції, і зв'язків між ними.

Рис. 3.1 Лицьова і функціональна панелі ВП

Структура обох панелей однакова. Основним елементом кожної панелі є робоча область, в якій і розміщуються елементи. На панелях є верхнє меню і набір функціональних кнопок. Розмір вікон може регулюватися користувачем. Для обох панелей доступна панель інструментів Tools (рис. 3.2), що включає набір кнопок, що управляють, для зміни режиму редагування.

Рис. 3.2 Панель Tools

При активній передній панелі стає доступною панель Controls (рис. 3.3). З її допомогою здійснюється візуальне розміщення регулювальників і індикаторів на передній панелі ВП.

Рис. 3.3 Панель Controls

У панелі Controls регулювальники і індикатори розподілені по окремих групах по деяких ознаках: числові, логічні, строкові, масиви, діалогові і ін. При активуванні функціональної панелі стає доступною панель Functions (рис. 3.4), яка включає систематизовані набори стандартних елементів у вигляді окремих піктограм, з яких здійснюється складання блок-схеми ВП.



Рис. 3.4 Панель Functions

У останніх версіях LabView є дуже зручний інструмент для раз-робітки додатків - інтерактивні віртуальні експрес-прилади (ЕКСПРЕС-ВП), що є готовими модулями (фактично - підпрограми), призначеними для обробки і аналізу даних для більшості типових вимірювальних і випробувальних застосувань. ЕКСПРЕС-ВП розділені з тематики і забезпечують моментальний доступ до більш ніж 400 різним функціям аналізу і обробки сигналів, що міститься в LabView. Для їх використання досить помістити ікону ЕКСПРЕС-ВП на блок-діаграму і конфігурувати процедури введення/виводу, обробки і представлення даних. Процес розробки ВП включає:

1. Розміщення регулювальників і індикаторів на передній панелі ВП. Для цього з панелі Controls вибирається об'єкт необхідного типа і зовнішнього вигляду і розміщується в необхідному місці на передній панелі. При цьому його розмір, колір, опис і назва можуть в подальшому мінятися.

2. Додавання потрібних для прикладного завдання структур і функцій на функціональній панелі. Для цього з панелі Functions вибираються відповідні структури і функції, піктограми яких розміщуються на функціональній панелі.

3. З'єднання регулювальників, індикаторів, констант, функцій і ін. на функціональній панелі за допомогою проводки.

Регулювальників і індикатори виконують ті ж функції, що і вхідні і вихідні параметри в текстових мовах програмування. Регулювальники призначені для введення інформації в ході виконання програми, а індикатори - для виводу. При розміщенні регулювальника/індикатора на передній панелі створюється піктограма, що відповідає, на блок-схемі. Символи на терміналі відповідають типові даних: наприклад, наприклад, DBL - термінал представляє дані у вигляді дійсних чисел з подвійною точністю, TF - логічний термінал і т.д. Терміналами є області функції, через які передається інформація. Вони аналогічні параметрам в текстових мовах програмування (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Термінали

Вузли - це виконувані елементи програми. Вони аналогічні інструкціям, операторам, функціям, і підпрограмам в стандартних мовах програмування. У Labview є потужна бібліотека функцій для математичних обчислень, порівнянь, перетворень, введення/виводу і інших дій.

Піктограма - це ілюстроване представлення алгоритму ВП або текстовий опис ВП. Вона відповідає кожному віртуальному інструменту і розташовується в правому верхньому кутку передньої панелі (рис. 3.1). Для редагування піктограми використовується спрощений графічний редактор, що дозволяє створювати зображення, закрашуючи його окремі пікселі.



Рис. 3.6 Піктограма

Конектором є програмний інтерфейс віртуального інструменту. При використанні регулювальників або індикаторів на передній панелі для передачі даних у ВП, ці об'єкти повинні мати термінали на панелі конектора. Він викликається з контекстного меню на піктограмі ВП Show Connector. При цьому виділяються термінали для регулювальників на лівій половині панелі, а для індикаторів - на правій відповідно до їх кількості. Відповідність терміналу індикатору або регулювальникові встановлюється клацанням лівої кнопки миші на терміналі конектора, а потім на відповідному індикаторі або регулювальнику. Це особливо поважно при використанні ВП, що розробляється, в інших віртуальних інструментам для забезпечення можливості його підключення.

SubVI (підмодуль ВП) є аналогом підпрограми. У створюваному ВП можливе використання будь-якого віртуального інструменту, що має конектор. Базові налаштування і тип ВП, що розробляється, встановлюються в контекстному меню піктограми. Діаграма (Chart) служить для графічного відображення отриманих даних. Налаштування діаграми здійснюється користувачем. Можливе одночасне відображення на одній діаграмі декількох залежностей різним кольором або типом лінії (рис. 3.7).

Рис. 3.7 Діаграма Chart

Можливі різні види представлення графіків у віртуальному осцилографі: Strip - відображення інформації подібно до дії самописця на паперовій стрічці, тобто нове значення наноситься зліва, якщо лінія дійшла до краю області відображення, попередні значення починає зрушуватися вправо. Scope-відображення інформації подібно до роботи осцилографа, тобто коли лінія досягає правого краю екрану, екран оновлюється, і лінія знову йде з лівого краю.