| Περιγραφή: |
Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової задачі високоточного вимірювання силових та енергетичних характеристик електричних полів надмалої інтенсивності, що виникають в мікроелектронних пристроях, з можливістю отримання та візуалізації просторово-часового розподілу цих характеристик. У вступі наведено загальну характеристику дисертаційного дослідження, його актуальність, відповідність науковим темам; визначено наукову новизну та практичне значення результатів дисертації, а також предмет та об’єкт дослідження, сформульовано мету та задачі наукового дослідження. Перший розділ роботи присвячений огляду літератури, наукових робіт та джерел відкритого доступу, джерел мережі Internet, що стосуються сучасних методів та практичних засобів визначення та дослідження електричних полів надмалої (Е < 50 мВ/м) інтенсивності. Проаналізовані основні характеристики (розподіл електричного заряду, напруженість електричного поля, електричні ємність та потенціал), причини виникнення і розповсюдження таких електричних полів, а також механізми впливу електричних полів надмалої інтенсивності на поверхні матеріалів різної електричної провідності. Встановлено найперспективніший метод визначення характеристик точкових електричних зарядів і електричних полів, який обрано в якості базового в науковому дослідженні, а саме: метод вимірювання трьох складових, що дозволяє з більш високою точністю та швидкістю визначати просторовий розподіл основних силових та енергетичних характеристик. Досліджено основний математичний апарат та комп‘ютерні засоби розрахунку електричних полів, що базуються на аналітичних та чисельних методах, а також програмні засоби, які ці методи використовують. Проведено оціночний аналіз сучасних методів і засобів, що можуть використовуватися як базові для розроблення інформаційно-вимірювальної системи дослідження низькоінтенсивних електричних полів. У результаті аналізу було обрано такий метод нанометричних досліджень, як атомно-силову мікроскопію, яка є перспективною для вивчення надмалих електричних полів завдяки високій чутливості та роздільній здатності. Застосування цього методу дозволяє проводити точні вимірювання на нанорівні, що є ключовим для отримання надійних даних у досліджуваній галузі. Також в розділі обрано напрямок дисертаційного дослідження та сформовані основні задачі наукової роботи. У другому розділі проводиться аналітичне моделювання статичних та квазістатичних низькоінтенсивних електричних полів. В основі такої аналітичної моделі знаходяться рівняння Лапласа, в яких ураховуються зовнішні умови (температура, вологість і електромеханічна взаємодія), а також їхні просторові зміни. Необхідність моделювання зумовлена складністю та поганою вивченістю фізичних процесів, які мають місце на поверхнях різних за провідністю матеріалів, потребою в контролі та управлінні розподілом зарядів у мікроелектронних схемах під час їхнього виготовлення та функціонування, а також складністю дослідження електричних полів на малих ділянках (менше 10 мкм). Розроблене програмне забезпечення на Python 3.10, основою якого є запропонована аналітична модель, забезпечує визначення параметрів електричних полів у режимі реального часу з максимальною похибкою не більше 7,15%. Це дозволяє задавати безпечні діапазони напруженості та ємності електричних полів і мінімізувати ризик електричного пробою. Крім того, у цьому розділі встановлено, що отримані математичні залежності дозволяють ідентифікувати критичні параметри електричних полів, які можуть призвести до пошкодження компонентів мікроелектронних пристроїв. У третьому розділі розроблено метод вимірювання характеристик статичних і квазістатичних електричних полів надмалої інтенсивності, що базується на принципах скануючої електростатичної силової мікроскопії. Запропонований метод забезпечує просторову роздільну здатність на рівні 1–5 нм, часову роздільну здатність до 0,05-0,2 мс, та точність – до 97,5%. Створено поліелектродний сенсор, виготовлений за технологією комбінованого електронно-променевого модифікування кварцової основи з нанесенням золотих (Au999) електродів, що забезпечує мінімізацію шумів та паразитних ефектів. Проведене калібрування сенсора та побудована його градуйовану характеристику, яка демонструє лінійну залежність ємності (в межах 1 – 46,5 пФ) від прикладеного заряду. Розроблена інформаційно-вимірювальна система включає програмне забезпечення для автоматизації процесів калібрування, моніторингу параметрів середовища та візуалізації результатів. Система характеризується високою стабільністю (0,4%), низькою похибкою (1%) та високою чутливістю – 2 В/(В/м). Порівняльний аналіз показав переваги запропонованого підходу над традиційними підходами, такими як зонд Кельвіна та двопрохідне сканування, за точністю, чутливістію та часовою роздільною здатністю. В четвертому розділі наведено результати впливу зовнішніх факторів на точність і надійність експериментальних досліджень низькоінтенсивних електричних полів. Проведено оцінку впливу температури, вологості, електромеханічного навантаження та електромагнітних завад на силові та енергетичні характеристики таких полів, що дало змогу визначити оптимальні умови для мінімізації похибок вимірювань. Розв'язана задача прогнозного моніторингу просторово-часового стану квазістатичного електричного поля мікроелектронного пристрою, що дозволило знизити похибку визначення часу до пробою на 3,5-4,2% та підвищити відтворюваність на 79-82%. Для цього проведене регресійне моделювання в середовищі Statistica Data Miner, де проаналізовано адекватність і точність отриманих моделей, обрано найкращі варіанти для прогнозування та виконано їх розгортання на нових даних. Показано, що розроблена інформаційно-вимірювальна система забезпечує високоточне визначення характеристик низькоінтенсивних електричних полів за умов температури 20–25 °C, відносної вологості 30–50%, механічного навантаження 0,22 Н та мінімізації електромагнітних завад. Середня квадратична похибка вимірювань у таких умовах не перевищує 34 мВ/м, а імовірність безвідмовної роботи становить не менше ніж 0,945. Експериментально підтверджено стабільність і відтворюваність результатів вимірювань, що демонструється низьким стандартним відхиленням (0,056 В/м) між серіями вимірювань у двох лабораторіях. Окрім того, у розділі наведені дані щодо впровадження результатів дисертаційного дослідження у навчальний процес та окремі галузі науки і техніки, пов‘язані з розробленням інформаційно-вимірювальної системи для дослідження електричних полів надмалої інтенсивності. Наукова новизна одержаних результатів: – вперше запропоновано метод виявлення кризових ділянок на робочій поверхні мікросистемного пристрою, який полягає у визначенні розподілу силових та енергетичних характеристик електричних полів та розташуванні зон із критичними значеннями цих параметрів і, який, на відміну від відомих підходів, застосовує багаторазове сканування робочої поверхні, що дає змогу оцінити не лише факт утворення кризових ділянок, але й динаміку їх розвитку; – удосконалено математичну модель розподілу електричних полів надмалої інтенсивності, яка ґрунтується на розв’язанні системи диференційних рівнянь Лапласа, шляом врахування змін параметрів полів, їх просторових розмірів та впливу зовнішніх факторів (температури, відносної вологості, електромеханічного впливу), чим забезпечується можливість уникати електричного пробою, уточнивши розподіл полів цього типу і визначаючи діапазон безпечної зміни енергетичних характеристик на малих ділянках поверхонь компонентів пристроїв мікросистемної техніки; – вперше запропоновано метод побудови вимірювального сенсору, який заключається у використанні електронно-променевого модифікування поверхні кварцової основи та формування на ній металевих електродів, яке на відміну від існуючих, використовує для формування електродів вакуумне середовище та забезпечує стабільний розподіл теплових полів, що дозволяє уникнути мікротріщин та збільшити термін безвідмовної експлуатації сенсору; – вперше розв'язана задача прогнозного моніторингу просторово-часового стану квазістатичного електричного поля мікроелектронного пристрою, яка заключається у екстраполяції закономірності зміни характеристик цього поля у минулому і застосуванні цієї закономірності для визначення цього показника у майбутньому, яка, на відміну від існуючих вперше використовує цей метод для розв'язання нової задачі прогнозування місця та часу пробою, що дозволяє підвищити точність прогнозів. Практичне значення одержаних результатів. У дисертаційному дослідженні вирішено важливе науково-практичне питання підвищення точності та повторюваності вимірювання і контролю енергетичних та силових характеристик низькоінтенсивних електричних полів мікроелектронних пристроїв, а також проведення просторово-часової візуалізації їх розподілу з урахуванням динаміки зміни та впливу зовнішніх факторів. Практична цінність отриманих результатів полягає у наступному: - створено алгоритм та програмно реалізовано математичну модель, яка з достатньою точністю і в режимі реального часу дозволяє визначати розподіл силових та енергетичних характеристик електричних полів надмалої інтенсивності з урахуванням їх динаміки, просторових розмірів та впливу зовнішніх факторів; - розроблено інформаційно-вимірювальну систему на базі атомно-силового мікроскопа для дослідження електричних полів низької інтенсивності, що виникають при функціонуванні мікроелектронних пристроів, що дозволяє підвищити точність та повторюваність визначення відповідних характеристик. Результати теоретичних та експериментальних досліджень, математичні моделі низькоінтенсивних електричних полів, а також розроблене методичне та інформаційно-вимірювальне забезпечення впроваджені у практику (підтверджено актами впровадження) на таких підприємствах України, як: ПрАТ «Укрп’єзо», ПП «Сенсорна електроніка», МНВП ТОВ «Лілея». Основні положення дисертації використано у навчальних курсах кафедри приладобудування, мехатроніки та комп‘ютеризованих технологій Черкаського державного технологічного університету з дисциплін "Фізичні процеси у приладах та системах", "Основи електротехніки, електроніки та мікросхемотехніки", "Проєктування інформаційно-вимірювальних систем", "Методи підвищення метрологічних характеристик приладів контролю та визначення параметрів об'єктів". Також результати дисертації впроваджено у викладання на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського“ у межах дисциплін "Комп’ютерне моделювання процесів і систем", "Перетворювачі фізичних величин", "Інформаційні технології та інформаційна безпека". The dissertation addresses the scientific problem of high-precision measurement of force and energy characteristics of ultra-low-intensity electric fields arising in microelectronic devices, with the capability to obtain and visualize their spatiotemporal distributions. The Introduction presents a general overview, the relevance to current scientific themes, the research object and subject, the goal and tasks, as well as the scientific novelty and practical significance of the results. Chapter 1 surveys literature and open sources (including Internet resources) on modern methods and instrumentation for determining and studying very low-intensity electric fields (E |