Программные продукты и системы

За последние десятилетия в специальном материаловедении произошли качественные изменения, связанные с интенсивным расширением круга применяемых материалов за счет непрерывного усложнения их состава и структуры. Многообразными стали и технологические приемы для получения материалов с заданными свойствами и/или для  управления процессом формирования конкретных свойств. Поэтому для решения образовательных задач в области материаловедческой и технологической подготовки специалистов требуются методы обучения с использованием технологий математического моделирования, виртуальной реальности, планирования эксперимента и т.д.

Тренажерно-обучающий комплекс

Наиболее эффективными при подготовке студентов (в данном случае химиков-технологов) зарекомендовали себя тренажерно-обучающие комплексы (ТОК), в максимально возможной степени приближенные к реальным технологическим установкам. Визуализация исследуемых процессов производится при помощи специально созданного программного обеспечения, в котором заложены математические модели процессов и реализован интерфейс для управления входными и выходными параметрами. ТОК можно использовать при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам технологического профиля для демонстрации возможностей технологических установок. Кроме того, такие комплексы могут быть эффективными при подготовке операторов сложных технологических систем для приобретения необходимых и устойчивых навыков работы не на реальной установке, а с помощью компьютерной программы, что значительно экономит время и средства, особенно при обучении оператора действиям в нестандартных и опасных ситуациях.

Лидирующее положение в производстве гетероструктур (ГС) на основе соединений типа AIIIBV для оптоэлектроники занимает газофазная эпитаксия с применением металлоорганических соединений (МОГФЭ). В большинстве случаев при выращивании ГС применяют металлоорганические соединения элементов III и гидриды элементов V групп периодической системы элементов, в качестве газа-носителя используют высокочистый H2. Оборудование для МОГФЭ очень сложное, дорогостоящее, требует квалифицированного обслуживающего персонала, что исключает возможность установки подобного оборудования в учебных лабораториях.

На кафедре информационных технологий Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова (МИТХТ) разработан ТОК на базе имитационного моделирования процеcса МОС-гидридной эпитаксии полупроводниковых ГС. ТОК создан для установки горизонтального типа «Сигмос-130», поэтому в работе использовались экспериментальные зависимости, полученные при выращивании ГС на этой установке [1]. «Сигмос-130» имеет стандартную для подобных установок модульную структуру, включающую камеру подачи и смешения газовой смеси, камеру роста (с реакторным отсеком), блоки управления и вакуумной системы. Конструкция реакторного отсека горизонтальная «планетарная»: подложки, вращаясь вокруг собственных осей, одновременно с подложкодержателем вращаются вокруг общей вертикальной оси. Газовые потоки, содержащие реагенты, вводятся в реактор по центру, а поток газа-носителя с остатками реагентов выходит по специальным каналам по бокам  реактора.

Для написания программного кода использован язык Pascal, среда программирования – Borland Delphi. ТОК состоит из нескольких модулей, каждый из которых предназначен для выполнения определенных задач. В комплексе предусмотрены: 1) введение исходных параметров процесса с клавиатуры или с помощью кнопок программы; 2) автоматический расчет ожидаемых рабочих параметров процесса на основе заданных исходных; 3) проведение процесса в течение заданного времени с учетом стадий разгона и остановки аппаратуры; 4) имитация работы установки: динамическое изменение параметров процесса во времени с автоматическим поддержанием их колеблющихся реальных значений близкими к заданным; 5) доведение реальных параметров процесса до заданных на стадии разгона и их сброс на стадии остановки (заданные параметры могут быть изменены как перед началом, так и в ходе процесса); 6) динамическое построение графиков зависимости скорости роста и толщины эпитаксиальных слоев от времени: каждый график содержит две кривые – для расчетных и реальных значений; 7) возникновение таких нестандартных ситуаций, как неисправность линий подачи газовой смеси, полное истощение источников реагентов, использование нового источника с другим фоновым составом примесей, досрочное завершение процесса.

Задача одного из модулей состоит в построении графической модели гетероструктуры, получаемой в процессе МОГФЭ при заданных технологических параметрах. Реализуется возможность визуально наблюдать за процессом  формирования ГС в ходе имитационного эксперимента и изучать закономерности изменения характеристик ГС при изменении условий роста, что более наглядно, чем описание с помощью системы числовых величин. Для лучшего изучения особенностей выращенной ГС в модуле предусмотрены такие действия с моделью и с камерой (наблюдателем), как вращение, перемещение, масштабирование и изменение освещения структуры.

Разработанный ТОК позволяет без проведения физического эксперимента выбирать температурно-временные режимы выращивания эпитаксиальных структур заданной конструкции, оптимизировать уже используемые режимы роста, моделировать нестандартные ситуации, возникающие в ходе процесса, и способы выхода из них. ТОК используется при чтении лекций по курсу «Технология полупроводниковых материалов», проведении производственной  практики и подготовке дипломных работ и магистерских диссертаций.

Программный комплекс для выбора условий жидкостного травления полупроводников

Жидкостное химическое травление используется в технологии полупроводниковых материалов и приборов с различными целями: для подготовки подложек и очистки поверхности структур после различных операций технологического цикла, профилирования при создании мезаструктур, исследования дефектов кристаллической структуры и пр. Как правило, применяются многокомпонентные травильные композиции на основе неорганических кислот или щелочей, содержащие окислители, комплексообразователи и добавки различного назначения.

При использовании трехкомпонентной травильной композиции подбор оптимального соотношения компонентов для решения поставленной задачи методом однофакторного эксперимента – очень трудоемкий и длительный процесс. При изменении концентрации одного из компонентов меняется не только содержание других компонентов, но и вязкость раствора и, как следствие, скорости химических реакций и диффузионных процессов доставки реакционно-активных компонентов к поверхности травления и отвода продуктов реакции обратно в объем травильного раствора. Поэтому рациональным подходом при выборе состава травильной композиции можно считать использование метода математического планирования эксперимента – симплекс-решеточного планирования (СРП). При использовании симплекс-решеточных планов не ниже 4-го порядка, которые позволяют выявить взаимное влияние компонентов травителя на процесс травления, расположение экспериментальных точек представляет {3,4}-решетку на симплексе (плоскости концентрационного треугольника, вершинами которого являются компоненты травильной композиции), а число коэффициентов в уравнении функции отклика равняется 15 [2].

Для обработки результатов эксперимента, поставленного по планам СРП, был разработан программный комплекс (ПК), позволяющий на основе ограниченного количества экспериментальных данных получать обширную информацию об условиях химического травления, подбирать оптимальный состав травильной композиции, выполнять оперативные расчеты с максимальной эффективностью. ПК написан на языке программирования Pascal в среде программирования Borland Delphi и позволяет: 1) проводить расчет коэффициентов уравнения регрессии, описывающего функцию отклика (скорость травления, степень шероховатости поверхности травления, для оценки которой целесообразно применять ранжирование, другие критерии процесса травления или качества поверхности твердотельного объекта) по экспериментальным данным, 2) проводить проверку адекватности полученного уравнения регрессии, 3) рассчитывать значения функции отклика для любой точки симплекса с заданной точностью, 4) осуществлять поиск точек на симплексе по заданному значению функции отклика, 5) проводить графическое построение линий равных значений функции отклика на плоскости концентрационного треугольника, 6) пересчитывать значения концентрации квазикомпонентов в значения концентрации исходных компонентов при работе с локальным симплексом.

ПК используется при проведении лабораторных практикумов по материаловедческим дисциплинам. В исследовательских целях ПК был успешно применен для изучения процесса травления слоев металлизации на полупроводниковых ГС GaAs/AlxGa1-xAs в трехкомпонентной травильной композиции HNO3:HCl:СНОН(СН2ОН)2 и для поиска состава травителя, обеспечивающего конкретную скорость снятия металлических слоев при формировании мезаструктур [3]. С использованием разработанного ПК осуществлялся подбор составов травильной композиции для микроструктурных исследований систем многослойной металлизации, формируемой на ГС GaAs/AlхGa1-хAs с квантовыми ямами, а также состава полирующего травителя для обработки подложек CdxZn1-xTe при создании фотодиодов на основе твердых растворов CdHgTe [2].

БД по свойствам и технологическим характеристикам полупроводниковых материалов

На кафедре информационных технологий МИТХТ разработана и реализована многофункциональная БД, интегрирующая широкий круг справочных сведений о физических, физико-химических и кристаллохимических свойствах материалов и их значениях при различных условиях эксплуатации с возможностью получать информацию о фазовых диаграммах состояния систем, в которых образуются требуемые материалы [4]. Предложенная концепция БД позволяет проводить обобщение и систематизацию данных по свойствам материалов, а также  предусматривает возможность аккумуляции сведений о новых свойствах материалов, возникающих при получении их методами  нанотехнологии.

В качестве среды программирования выбрана функционально полная реляционная СУБД Micro­soft Access, которая может работать как автономная система на одном персональном компьютере или как многопользовательская система в сети. БД имеет трехуровневую архитектуру: внешний, концептуальный уровень, данные на котором воспринимаются пользователем, и два внутренних – логический и физический, данные на которых воспринимаются СУБД и операционной системой. Структура таблиц соответствует требованиям нормализации, связи обеспечивают поддержку целостности данных. Разработан оригинальный интерфейс пользователя в виде экранных форм, удобных для первичного ввода данных, поиска по выбранным критериям, просмотра графической или текстовой информации с учетом технологии разделения данных и печати, составлены шаблоны основных выходных документов в виде отчетов, созданы модуль расчета и построения диаграмм состояния по полиномиальным уравнениям и модуль расчета и построения диаграмм «состав–свойство» по математическим зависимостям для материалов переменного состава. Для построения графического изображения линии ликвидус разработана специальная технология: для детализации диаграммы состояния используются вариант оцифровки экспериментально установленной линии ликвидус и аппроксимирующее алгебраическое уравнение для ее представления в БД.

Электронная БД, в которой собраны разнообразные сведения, находящиеся в оперативном доступе, является удобной формой предоставления справочных данных на аудиторных занятиях. При наличии локальной компьютерной сети, организованной в компьютерном классе, преподаватель с сервера может следить за тем, какие данные и в каком объеме использует конкретный студент для выполнения поставленной перед ним задачи. Разработанная БД используется на кафедре «Материалы микро-, опто- и наноэлектроники» МИТХТ при проведении практических и лабораторных работ по материаловедческим и технологическим курсам, при написании квалификационных работ, а также в научно-исследовательской работе в области полупроводникового материаловедения.

Литература

1. Бурляева Е.В., Арбенин Д.Е. Создание программного комплекса на базе имитационного моделирования процесса МОС-гидридной эпитаксии полупроводниковых структур // Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров: сб. ст. юбилейной Междунар. науч.-практич. конф. Пенза, 2007. С. 106–108.

2. Арбенина В.В., Мармалюк А.А., Арбенин Д.Е. Разработка селективных травителей для микроструктурных исследований металлизации при формировании контактов к гетероструктурам AlGaAs/GaAs, выращенным методом МОС-гидридной технологии // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тр. VI Междунар. науч. конф. (Кисловодск). Ставрополь, СевКавГТУ. 2006. С. 201–202.

3. Арбенина В.В., Мармалюк А.А., Арбенин Д.Е., Будкин И.В., Говорков О.И. Травление смесью HNO3+HCl+глицерин слоев металлизации на гетероструктурах  GaAs/AlxGa1-xAs // Неорганические материалы. 2008. Т. 44. № 12. С. 1418–1424.

4. Стольникова Т.В., Колыбанов К.Ю., Арбенина В.В. База данных по свойствам и технологическим характеристикам полупроводниковых материалов // Вестник МИТХТ. 2008. Т. 3. № 4. С. 93–100.