Исследование изменчивости аэрозоля под действием температуры и влажности в чистых помещениях микроэлектроники

Актуальность проблемыТенденции развития микроэлектроники, — связанные с уменьшением-размеромэлементови, как следствие, возросшая зависимость качества изделий от чистоты воздуха помещения как технологической среды — объективная реальность. современного инновационного производства. Этот качественный переход обусловил вниманиеспециалистов к ряду новых физических явлений^, вызвавших увеличение номенклатуры, параметров? и характеристик, среды, подлежащих регламентации, анализу, контролю урегулированию: Современная индустрия чистых помещенийпозволяет за счет многократной фильтрации и значительных энергозатрат практически исключить, проникновение в. рабочее пространствоопасных, для технологии частиц. Вместе с тем, опыт эксплуатации чистых помещений и анализ причин неудовлетворительного выхода годных, изделий указывают на присутствие в воздухе помещения примесей, -являющихся* причиной? появлениябрака. Поскольку источником генерации таких частиц не может быть система, фильтрации воздуха, следует обратить внимание на другие факторы внутрипроизводственной среды.

Микроклимат чистых помещенийформируется комплексомтеплои массообменных процессов и обеспечиваетсясистемой — кондиционирования? и фильтрации, задающейаэродинамическиепараметрывоздушныхпотоков. Учитывая, что современные фильтры не являются препятствием для наночастиц, можно предположить,., чтоих, укрупнение: происходит в пространстве между финишным: фильтром и зоной обработки пластин, и этот процесс связан с изменениями температуры" иотносительной) влажности воздуха. Поэтому исследование причин образования? недопустимо крупных: частицанализ механизмов агломерациинаночастиц, и выработка решений по устранению илишинимизации их негативного влияния! представляет как научный, так и практический интерес для целей проектирования и эксплуатации. чистых помещений микроэлектроники.

Всвязи со значительными трудностями постановки и проведения: натурных экспериментов в условиях реального чистого помещения^ возможный путь решения такой задачи состоит в моделировании процессов переноса вещества в системах сталкивающихся частиц в однонаправленном потоке воздуха на основе уравнений Л. Больцмана — М. Смолуховского. Обращение в-данном случае к уравнениям газовой динамики обосновано их уникальной универсальностью и применимостью для исследования процессов роста агломератов в воздушной среде, как открытого пространства, так и ограниченного объема чистых помещений:

Математическое моделирование для расчета систем сталкивающихся частиц позволяет установить реальную картину распределения наночастиц в объемах чистых помещений, что в свою очередь дает возможность обосновать организацию технологического процесса, планировку оборудования, регламент эксплуатации, а также структуру и. содержание системы мониторинга чистого помещения. Поэтому I математическое моделирование процессов коагуляции наночастиц в атмосфере чистого помещения, компьютерная реализация моделей и установление на этой основе закономерностей пространственного и временного распределения их агломератов является актуальной задачей, а ее успешное решение будет полезно для обеспечения технологии микро — и наноэлектроники экологической обстановкой нового, более высокого уровня качества.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование изменчивости частиц аэрозоля в условиях чистых помещений на основе математического и компьютерного моделирования.

Достижение поставленной дели обеспечивается решением следующих задач:

1. Выполнение сравнительного теоретического анализа применимости математических моделей процесса коагуляциинаночастиц в процессе их переноса потоком воздуха.

2. Теоретическое обоснование математической модели пространственно неоднородной, коагуляции наночастиц, соответствующей физическому процессу йх слияния в чистом помещении.

3. Создание алгоритма имитации столкновений и слияний наночастиц, а также программного обеспечения для исследования динамики наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом помещении.

4. Выполнение теоретических исследований пространственной и временной' изменчивости поведения наночастиц под влиянием температуры и относительной' влажности воздуха.

5. Разработка методики и реализация1 экспериментальных исследований по проверке на адекватность математической модели в условиях реального чистого помещения.

6. Разработка практических рекомендаций по организации, технологического процесса, проектированию и эксплуатации чистых помещений и организации структуры системы мониторинга внутрипроизводственной среды.

Объект исследования: аэрозоль в чистых помещениях производств микроэлектроники классов 1 и 2 по ГОСТ ИСО Р 14 644−1.

Предмет исследования: математические и компьютерные модели процесса коагуляции наночастиц под влиянием температуры и относительной влажности в* однонаправленном потоке воздуха.

В настоящее время научные исследования и инновационная деятельность в области обеспечения чистых помещений воздушной средой надлежащего качества проводится в рамках госбюджетной НИР «Исследование генерации нанопримесей в атмосфере методами, математического и компьютерного моделирования» № 31-ГБ—061-Б-ПЭ.

Методы исследования: теоретической основой проведенных исследований служат подходы к математическому моделированию кинетики сталкивающихся частиц и в качестве базовой рассмотрена модельпроцессов коагуляции на основе решений уравнения М. Смолуховского.

Для измерений использовался счётчик конденсационных частиц СРС 4312, который регистрировал аэрозольные частицы в шести каналах: 0,1 мкм и выше- 0,2 мкм и выше- 0,3 мкм и выше- 0,5 мкм и выше- 1,0 мкм и выше- 2,0 мкм-и выше.

Проверка на адекватность математической модели по экспериментальным данным осуществлялась с помощью специально разработанной компьютерной программы.

Научная новизна работы представлена следующими положениями:

1. Проведен комплексный теоретический анализ математических моделей массообмена в однонаправленном потоке воздуха.

2. Теоретически обоснована применимость кинетического уравнения М. Смолуховского в качестве основы математической модели пространственно однородной коагуляции' наночастиц, соответствующей реальному процессу в чистом помещении микроэлектроники.

3. Разработан алгоритм и компьютерная программа для исследования динамики наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом помещении.

4. Проведен расчет пространственной и временной изменчивости поведения наночастиц под влиянием температуры и относительной влажности воздуха на основе модифицированного кинетического уравнения М. Смолуховского для коагуляции в газе.

5. На основе предложенной методики и результатов экспериментальных исследований математическаямодель проверена на адекватность в условиях реального чистого помещения.

Практическая значимость работы состоит в возможности минимизации отрицательного влияния укрупнения наночастиц на технологический процесс в чистых помещениях микроэлектроники за счет:

1. Установления временных и пространственных закономерностей изменчивости наночастиц от параметров микроклимата и точного определения неблагоприятных зон.

2. Практических рекомендаций по организации технологического маршрута и размещению оборудования.

3. Методических рекомендаций по организации структуры системы мониторинга внутрипроизводственной среды.

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

1. Сравнительный теоретический анализ существующих математических моделей массообмена и обоснование кинетического уравнения М. Смолуховского в качестве адекватной математической^ модели процесса коагуляции наночастиц, в чистом помещении.

2. Разработка алгоритма и компьютерной программы для исследования укрупнения наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом г помещении.

3. Теоретические исследования пространственной и временной изменчивости наночастиц. под влиянием колебаний"параметров микроклимата чистого помещения.

4. Разработка методики, получение и обработка экспериментальных данных по проверке на адекватность математической модели в" условиях реального чистого помещения.

5. Разработка практических рекомендаций по топографии оборудования, эксплуатации чистых помещений и организации" структуры системы мониторинга, внутрипроизводственной среды.

Достоверность результатов: Достоверность полученных результатов, разработанных математических и компьютерных моделей подтверждена Е отсутствием противоречий исходных положений известным законам газодинамики и массообмена, обусловлена проверками на адекватность на основе экспериментальных данных и сравнением со сведениями отечественных и зарубежных исследователей. Экспериментальные исследования проводились на сертифицированном измерительном оборудовании, базировались на общепринятых положениях, с использованием специально разработанной методики ОАО «МКБ «Компас» .

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2010», Москва, апрель.

2010 г.

2. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика — 2011», Москва, апрель 2011 г.

3. 3-я Международная научно-практическая конференция «Измерения в современном мире», Санкт-Петербург, 17−20 мая 2011 г.

4. Совместная конференция ЭлТех СПб, НИЯУ МИФИ и СПбГЭТУ (ЛЭТИ) «Инновационное направление развития российской электроники. Возможности кооперации науки и бизнеса: от Форсайтов и трансфера технологий до строительства и оснащения наукоемких производств», Санкт-Петербург, 31 мая — 1 июня 2011 г.

5. II Международная научно-практическая конференция «Научные основы окружающей среды», Пенза, сентябрь 2011 г.

Внедрение и использование результатов работы: Результаты работы нашли внедрение в учебном процессе при подготовке учебно-методического комплекса по дисциплине «Экологические проблемы высоких технологий» магистерской программы «Энергетические проблемы высоких технологий» в рамках приоритетных направлений Национального исследовательского ' университета МИЭТ, в учебном процессе кафедры «Промышленнаяi экология и охрана труда» Московского государственного университета технологий и управления им. К. Г. Разумовского, в научных исследованиях ОАО «Московский радиозавод «Темп», а также при аттестации чистого помещения класса ISO 2 в ОАО «МКБ «Компас». На защиту выносятся:

1. Комплексный" сравнительный теоретический анализ существующих подходов к моделированию изменчивости наночастиц в однонаправленном потоке воздуха и обоснование применимости кинетического уравнения М. Смолуховского в качестве адекватной математической модели процесса их укрупнения. t.

2. Закономерности пространственной и временной изменчивости наночастиц под влиянием колебаний параметров микроклимата чистого помещения.

3. Алгоритм и компьютерная программа расчета процесса укрупнения наночастиц в зависимости от температуры и влажности в чистом помещении.

4. Методика и результаты экспериментальных исследований по проверке 'на адекватность математической модели в условиях реального чистого помещения.

5. Практические рекомендации по планировке оборудования, эксплуатации чистых помещений и организации структуры системы мониторинга внутрипроизводственной среды.

Публикации. Основные результаты, полученные автором и изложенные в диссертации, опубликованы в 10 работах, в том числе 4 в рецензируемых журналах из перечня, рекомендуемом ВАК РФ. По материалам диссертации сделано 5 докладов на научных конференциях. * Результаты, содержащиеся в работах, выполненных в соавторстве, и включенные в диссертацию, получены автором лично и включены в диссертацию с согласия и одобрения соавторов этих работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, разбитых на параграфы, заключения, списка литературы, содержащего 90 наименований и 2 приложений. Объем диссертации составляет 116 страниц.

ВЫВОДЫ.

1. Результаты проведенного комплекса экспериментов показывают, что модифицированная математическая модель коагуляции наноразмерных частиц в газе, на основе кинетического уравнения М. Смолуховского применима на практике. Вид функции Ф{со, сох) в уравнении М. Смолуховского, которая является ядром этого уравнения (формула для плотности вероятности парных броуновских столкновений, в случае разреженной системы), определяется конкретным типом физического механизма, приводящего к столкновению частиц аэрозоля в дисперсной системе.

2. Относительная влажность воздуха ЧП является определяющим фактором для запуска механизма образования агломератов наноразмерных частиц. При колебании относительной влажности в сторону увеличения происходит рост счетной концентрации аэрозольных частиц размером 0.1 мкм, который тем больше, чем выше начальный уровень частиц в чистом помещении. Чувствительность концентрации наночастиц к изменению влажности в чистом помещении микроэлектроники очень высока, даже при изменении влажности ±2% счетчик регистрирует увеличение (от 8% до 25% в среднем от общего числа частиц) агломератов наночастиц.

3. Экспериментальное уточнение факторов, влияющих на эффективность технологического процесса (системы фильтрациипланировки оборудованияспецодежды и поведения персонала), создает предпосылки для повышения эффективности системы воздухоподготовки путем выделения особо важных и критических элементов в чистом помещении.

4. Наличие большого числа наночастиц в воздухе чистого помещения, поступающих от разных источников загрязнения, увеличивают возможность быстрой или медленной коагуляции дисперсной системы в зависимости от изменений параметров микроклимата, что отрицательно сказывается на качестве технологического процесса микроэлектроники.

5. Эксперимент подтверждает, что для эффективного производственного технологического процесса микроэлектроники необходимо применение мониторинга ядер конденсации для обнаружения изменений концентрации наночастиц в воздухе чистого помещения микроэлектроники и создания совершенных систем финишной фильтрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные в диссертационной работе исследования позволяют сделать следующие выводы: •.

1. Повышение степени интеграции СБИС предъявляет все более жесткие требования к обеспечению качества воздушной среды в чистых помещениях (количество загрязняющих частиц аэрозоля-. температура и влажность): Наименее изученным в 1 настоящее время является вопрос о влиянии влажности на качество воздушной среды. В работе впервые. показано, что колебания влажности даже при? незначительном изменении на ±2%- приводят к конденсационно-коагуляционным процессам в чистых помещениях и росту агломератов.

2. Современный технологический процесс микроэлектроники позволяет значительно уменьшать аэрозольные загрязнения, привносимые оператором и оборудованиеми приводит к тому, что1 основным источником загрязнения становится атмосферный аэрозоль. В^ работе: проведен подробный' анализ физико-химического процесса слипания наночастиц, (коагуляции), а также факторов риска возникновения механизма образования агломератов. Показан механизм агломерации частиц в математической интерпретации.

3. Теоретическоеисследование математической модели пространственно неоднородной коагуляции наночастиц, соответствующей физическому процессу образования агломератов в чистом помещении микроэлектроники, приводящей к решению кинетического уравнения М. Смолуховского, т. ёпроцесс коагуляции частиц, который имеет место в чистых комнатах, показало, что конденсационное укрупнение аэрозольных частиц может происходить в следующих случаях: при переходе водорастворимых частиц в капельное состояние и при слиянии двух частиц вследствие действия конденсационно-коагуляционного механизма укрупнения.

4. В-результате математического моделирования создан алгоритм имитации столкновений и слияний наночастиц, а тагоке программное обеспечение для изучения динамики наночастиц в чистом помещении микроэлектроники в зависимости от параметров микроклимата (температура, влажность). Получены зависимости счетной концентрации аэрозольных частиц по размерам: в чистом помещении от времени. Анализ количественного состава частиц аэрозоля в чистых комнатах показал, что количество агломератов наночастиц колеблется от 6% до 25% в зависимости от многих факторов (расстановка оборудования, увеличение влажности, количество персонала и т. п.). 1.

5. Наиболее вероятной причиной образования агломератов из наночастиц аэрозоля (конденсационно-коагуляционное укрупнение — аэрозоля) в чистых помещениях является изменение параметров микроклимата (температура, влажность). Влажность является определяющим факторомдля запуска механизма образования агломератов наноразмерных частиц, что отрицательно влияет на эффективность технологического процесса и неизбежно влечет за собой дополнительные затраты-производства.

6. Экспериментальные исследования, проведенные для частиц-размером 0.1 мкм в производственных условиях показали, что при колебании относительной влажности в сторону увеличения происходит рост счетной" концентрации I аэрозольных, частиц, который тем больше, чем* выше начальный уровень частиц в помещении.

7. В результате, проведенного «комплекса экспериментов’полу ченазависимость общей счетной^ концентрации частица» аэрозолей^ (гистограмма) и относительной влажности (точки) в контролируемом помещении от времени измерений. Эта зависимость может быть использована для определения допустимых колебаний влажности с тем, чтобы общий уровень частиц в помещении не превосходил уровень, допускаемый стандартом (ГОСТ ИСО Р 14 644−1).

8., Математическое моделирование газовых процессов во внутренней среде чистого помещения, проведенное с использованием известного' кинетического уравнения М. Смолуховского, обобщенное наслучай непрерывных масс, позволяет описывать процесс коагуляции наночастиц, и ее следует трактовать как зависимость средней (по объему) концентрации частиц аэрозоля в воздухе чистого помещения от времени и параметров микроклимата, а также составить. картину распределения, скоростей воздуха, температур в помещении микроэлектроники.

9. Решение кинетического уравнения М. Смолуховского позволяет получить модель быстрой и медленной коагуляции наночастиц в газе, и показывает, что состояние внутренней среды чистого помещения микроэлектроники является источником коагуляционного роста аэрозольных частиц, вне зависимости от количества ступеней фильтрации воздуха в современных системах кондиционирования (количество ступеней от 3 до 6).

10. Разработанные математические модели коагуляции частиц аэрозоля и зафиксированные экспериментальные данные, рассмотренные в работе, служат научной основой для разработки методологии контроля аэрозольных загрязнений в чистых помещениях микроэлектроники. Полученные экспериментальные зависимости концентрации наночастиц от времени и разработанные рекомендации по соблюдению нужного класса чистоты производства микроэлектроники на основе системного анализа типов существующих конструктивных решений, для повышения эффективности всего технологического процесса, проводимого в чистом помещении использованы в ОАО «Московское Конструкторское Бюро «Компас» при аттестации чистых помещений класса ИСО 2, а также в учебном процессе при подготовке учебно-методического комплекса по дисциплине «Экологические проблемы высоких технологий» магистерской программы «Энергетическая безопасность высоких технологий» по приоритетным направлениям национального исследовательского университета МИЭТ.