Баев Руслан Николаевич

Факультет: Компьютерных информационных технологий и автоматики

Кафедра: Электронной техники

Специальность: Научные, аналитические и экологические приборы и системы

Тема выпускной работы: Разработка и исследование прибора измерения и контроля параметров микроклимата при производстве интегральных микросхем

Научный руководитель: Зори Анатолий Анатольевич

Реферат
по теме выпускной работы

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРА ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОКЛИМАТА ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Актуальность. Одним из основных достижений микроэлектроники является создание интегральных микросхем. Но, современные технологии в такой отрасли, как производство интегральных микросхем, не эффективны без поддержания круглый год определенных сочетаний таких параметров микроклимата как температура и влажность воздуха, его подвижности, а также чистоты. К каждому из этих параметров предъявляются свои требования [1].

Колебания температуры вызывает изменения размеров сверхтонких пленок, а влажная среда нежелательна при проведении практически всех технологических операций. Абсорбируясь на различных поверхностях, влага и растворенные в ней вещества приводят к образованию нежелательных оксидов. При термических обработках на таких поверхностях могут образоваться неровности (эрозия), приводящие к ухудшению параметров ИМС.

Поэтому измерение и контроль параметров микроклимата при производстве интегральных микросхем сейчас актуальна как никогда, и эта актуальность в будущем, по-видимому, будет только расти, поскольку будет происходить значительное уменьшение размеров элементов ИМС и компонентов, что в свою очередь приведет к ужесточению требований к параметрам микроклимата.

Постановка задачи и цель работы. Цель работы состоит в том, чтобы разработать и исследовать прибор измерения и контроля параметров микроклимата при производстве интегральных микросхем. Для достижения поставленной цели определяются следующие задачи:

– обоснование выбора датчиков;

– постановка требований к прибору;

– обоснование и разработка структуры прибора;

– исследование метрологических характеристик.

Научная новизна. Выполнен информационный поиск приборов аналогичного назначения и установлено, что они обладают рядом недостатков и не отвечают современным требованиям. [2,3] Основными недостатками приборов для объекта производства микросхем являются: невозможность контроля температуры и влажности одновременно, не достаточная точность измерения температуры и влажности. Разработка такого прибора позволит контролировать температуру и влажность воздуха одновременно, с заданной точностью. Предложенный метод основан на контактном методе измерения температуры и влажности. Для достижения требуемой точности планируется разработка новой структурной схемы и использование высокоточных датчиков.

Планируемые практические результаты. Результатом написания магистерской работы является исследование метрологических характеристик измерительных каналов температуры и влажности, а также математическое описание процесса измерения температуры и влажности.

Обзор исследования и разработок по теме. Анализ разработок по этой теме позволил сделать вывод, что для контроля температуры или влажности существуют различные приборы и системы, которые разрабатываются и изготавливаются не только зарубежными, но и украинскими предприятиями и компаниями.

Обзор приборов изготавливаемые украинскими предприятиями и компаниями показывает, что эффективность этих разработок очень велика. Взять, к примеру, украинскую фирму «ЭРГОС» (г. Харьков, Украина), которая основана в 1992 г. и основным направлением деятельности которой было разработка систем автоматического регулирования, а именно - приборы теплового контроля и регулирования. Фирма «ЭРГОС» продолжает свои разработки и исследования и в настоящий момент, однако продукция фирмы это уже прецизионные измерительные и регулирующие приборы для теплового и вакуумного контроля. Что говорит, об эффективности развития представленной фирмы. [4]

Нельзя не упомянуть, такую украинскую компанию, как «Raut-automatic» (г. Киев, Украина), которая основана в 2000 г. и направление деятельности, которой было производство контроллеров и щитов управления, выполнение проектных, монтажных и пусконаладочных работ. Высокая популярность компании, обусловлена таким параметром, как соотношение качества и цены продукции. В 2002 г. компания выпускает первый специализированный контроллер для систем вентиляции АЭРОКЛИМ 3., который был взят для анализа в качестве прибора–прототипа. Основой выбора прибора-прототипа послужила его функциональность и согласованность с объектом.[5]

Что же касается российских предприятий в области измерения температуры или влажности, то особое внимание следует обратить на компанию «Овен» (г. Москва, Россия), которая основана в 1991 г. и в настоящее время занимается разработкой и изготовлением измерительных приборов, датчиков и регуляторов. Продукция данной компании пользуется широким спросом на всей территории России и Украины, что обусловлено высокой точностью и надежностью разрабатываемых измерительных приборов. [6] Следует отметить, также такую компанию как ГК «Промприбор» (г. Москва, Россия), которая занимается производством и поставкой контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), аппаратуры регулирования, систем и оборудования для управления технологическими процессами (АСУ ТП). [7]

Одной из ведущих американских предприятий по разработке и изготовлению приборов является предприятие «OMEGA»(Канада), которая занимается производством приборов для измерения и контроля температуры, влажности, давления, деформации, силы, расхода, уровня, рН и проводимости. [8]

В Донецком национальном техническом университете еще не проводились разработки на данную тематику,что говорит о новизне данной работы.

Основная часть. В производстве интегральных схем методом фотопечати в чистых помещениях, колебания температуры и влажности вызывают изменения размеров сверхтонких пленок, на которые наносится интегральная схема, что недопустимо, поэтому согласно нормам, прибор должен удовлетворять следующим требованиям: диапазон измеряемых и контролируемых температур от 0ºС до 45 ºС; погрешность измерительного канала температуры в интервале от 20ºС до 24ºС должна составлять не более 0,1ºС; диапазон измеряемой и контролируемой влажности от 0% до 100%; погрешность измерительного канала влажности должна составлять не более 2% в диапазоне 20- 60%.[9]

Методы измерения температуры подразделяются на контактные и бесконтактные. Контактные методы основаны на введении в измеряемую среду измерительного зонда, содержащего соответствующий термометрический элемент. При этом за температуру среды принимают температуру измерительного зонда. Бесконтактные методы основаны на измерении термометрических свойств самой среды.

Широкое применение нашли контактные измерители температуры[10,12]:

– термометры стеклянные жидкостные;

– термометры манометрические;

– биметаллические термометры;

– медные и платиновые термометры сопротивления;

– полупроводниковые термометры сопротивления;

– термопары;

– цифровые и аналоговые термодатчики;

– датчик температуры на основе кварцевых пластин;

– емкостные термометры;

В настоящее время нашли применение следующие бесконтактные измерители температуры [11,12]:

– оптические пирометры;

– фотоэлектрические пирометры;

– цветовые пирометры;

– радиационные пирометры;

– пирометры спектрального отношения;

– пирометры полного отношения;

– тепловизоры.

Применения бесконтактного метода измерения для заданного объекта нецелесообразно, поскольку диапазон измеряемых температур пирометров не соответствует диапазону контролируемых температур объекта.

В настоящее время нет универсального метода измерения влажности газов. Известны и нашли применение многочисленные (несколько десятков) методы, основанные на разных принципах.

Из анализа методов измерения температуры и влажности установлено, что для данного объекта целесообразно использовать следующие типы датчиков: термометры сопротивления платиновые (ТСП 1000П); емкостные датчики влажности, на основе полимерного диэлектрика (Honeywell – HIH-3602-С).[11,12,13,14]

Термометр сопротивления платиновый ТСП 1000П применяется для контактного метода измерения температуры.

Термометр сопротивления платиновый ТСП 1000П применяется в жидких и газообразных средах в промышленных условиях; в средах, находящиеся под высоким давлением; в процессах протекающие со значительной скоростью в жидкостях; в газообразных потоках воздуха, азота и  кислорода при скорости до 5 м\с и во многих других областях. Диапазон измеряемых температур данного термометра составляет от –50 до +200 ºС. Погрешность измерения по температуре может быть достигнута 0.001 ºС. Температурный коэффициент термометра составляет 0,00385 1/ºС. Номинальное сопротивление при 0 ºС составляет 1000 Ом.

Температурная зависимость сопротивления платины в диапазоне от 0 до +200° С описывается уравнением Каллендара:

Rt = R0(1 + At + Bt ).

Температурная зависимость сопротивления платины в диапазоне от –50 до 0° С описывается следующим уравнением:

Rt = R0[1 + At + Bt  + С(t – 100 °C) t ].

где Rt – сопротивление ТС, при температуре t, °С,

R0 – номинальное сопротивление ТС, при температуре 0 °С.

A = 3,9083 · 10  °C^–1 ; B = -5,775 · 10  °C^–2 ; C = -4,183 · 10  °C^–4 .

Достоинства:

– высокая точность измерений;

– практически линейная характеристика;

– очень широкая область применения.

Недостатки:

– Низкий диапазон измерений (по сравнению с термопарами);

– довольно высокая загрязняемость платины при высоких температурах парами металлов (особенно железа);

Конструкция ТСП 1000П приведена на рисунке 1 [12]. В данной конструкции для защиты от влияния внешних механических воздействий чувствительный элемент 1 помещен в защитную арматуру 2 (обычно из нержавеющей стали). Для крепления датчика на объекте исследования предусмотрен подвижный штуцер 3. Выводы чувствительного элемента вынесены на контактную колодку головки датчика 4.

Рисунок 1 – Конструкция термометра ТСП 1000П

Емкостной датчик влажности HIH-3602-С, на основе полимерного диэлектрика – предназначен для измерения относительной влажности воздуха [14].

Чувствительный элемент, представленный на рисунке 2, представляет собой многослойную структуру. На кремниевой подложке 1 напылена платиновая пленка 2, которая образует первый электрод конденсатора. Диэлектриком между обкладками служит термореактивный полимер 3, поверх которого выполнена вторая обкладка конденсатора – платиновая пленка с перфорацией 4, позволяющая влаге проникать к абсорбирующему слою 3 и изменять его относительную диэлектрическую проницаемость? x, а соответственно – и емкость С конденсатора. Верхним слоем является пленка термореактивного полимера 5, которая служит защитой от пыли и грязи. Также эта конструкция делает возможной промывку датчиков, для этой цели рекомендуется использовать изопропиловый спирт.

Рисунок 2 – Структура чувствительного элемента

В процессе работы водяной пар проникает через верхнюю пористую обкладку конденсатора (см. рис. 2) и уравновешивается с окружающим газом. Одновременно эта обкладка защищает электрические процессы, протекающие в полимерном слое, от внешних физических воздействий (света и электромагнитного излучения). Слой полимера, покрывающий пористый платиновый электрод сверху, служит защитой конденсатора от пыли, грязи и масел. Такая мощная фильтрационная система, с одной стороны, обеспечивает датчику длительную бесперебойную работу в условиях сильной загрязненности окружающей среды, с другой – снижает время отклика.

Выходной сигнал абсорбционного датчика влажности представляет собой функцию от температуры и влажности, поэтому для получения высокой точности измерения в широком диапазоне рабочих температур требуется температурная компенсация характеристики преобразования. Компенсация особенно необходима, когда датчик используется в индустриальном оборудовании для измерения влажности и точки росы. Именно для этих целей датчик Honeywell имеет встроенный платиновый терморезистор сопротивлением 1000 Ом, который расположен с обратной стороны подложки.

Датчик влажности HIH-3602-С — это интегрированный прибор. Помимо чувствительного элемента и термосенсора, на той же подложке расположена схема обработки сигнала, которая обеспечивает преобразование сигнала, его усиление и линеаризацию. Выходной сигнал датчика Honeywell является функцией от напряжения питания, окружающей температуры и влажности. Чем выше напряжение питание, тем больше размах выходного сигнала и, соответственно, чувствительность. Связь же между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой показана на рисунке 3 [14].

Рисунок 3 – Зависимость между измеренной датчиком влажностью, истинной влажностью и температурой

Она легко аппроксимируется с помощью комбинации двух выражений. Прямая наилучшего соответствия при 25 °C, описывается выражением:

Uвых = Uпит(0,0062 (%RH25) + 0,16).

Из этого уравнения определяется процент RH25 при температуре 25 °C.

Далее производится температурная коррекция и вычисляется истинное значение RH:

RHистинная = (%RH25)(1,0546 - 0,00216T).

где T – температура, °C.

Выражения выше соответствуют характеристике датчика со следующими отклонениями:

±1,0 % – при Т > 20 ºC,

±2,0 % – при 10 ºC <Т < 20 ºC,

±5,0 % – при Т < 10 ºC.

Характеристика преобразования датчика при различных температурах представлена на рисунке 4

Рисунок 4 –  Характеристики преобразования датчика влажности Honeywell при различных температурах

Внешний вид датчика влажности представлен на рисунке 5

Рисунок 5 –   Фотография внешнего вида датчика влажности

Для создания нужного микроклимата в чистых помещениях при производстве интегральных микросхем необходимо автоматическое поддержание температуры и относительной влажности. Поэтому для достижения этой цели необходимо поставить дополнительные конкретные требования к прибору:

– наличие клавиатуры, устройства отображения, питание прибора от сети;

– включение/выключение приточного вентилятора из меню прибора и внешними кнопками, а циркуляционного насоса из меню прибора;

– технологическая и аварийная сигнализация.

– управление исполнительными механизмами: клапаном на теплоносителе, на холодоносителе, на пароувлажнителе, заслонкой наружного воздуха.

– автоматическое или ручное переключение режимов «Зима-Лето».

На основании данных требований предложена структурная схема прибора, представленная на рисунке 6.

Рисунок 6 – Структурная схема прибора измерения и контроля параметров микроклимата

Функциональная схема использования разрабатываемого прибора представлена на рисунке 7

Рисунок 7 – Функциональная схема использования прибора (7 кадров, задержка между кадрами - 2с)

Микроконтроллер является «ядром» данного прибора, предназначенный для преобразования, хранение, обработки сигналов. Ввод данных осуществляется оператором посредством кнопочной клавиатуры. Отображение всех измеряемых величин и состояние системы осуществляется посредством устройства отображения, а именно жидкокристаллического индикатора. Для защиты оборудования приточно-вытяжной системы и оповещения оператора, в случае какой-либо аварии применяется блок предпусковой и аварийной сигнализации.

Датчик температуры приточного воздуха, подключенный к клемам 9,10, преобразует температуру в электрическое сопротивление. Этот сигнал поступает на измерительный мост (ИМ3). Для усиления дифференциального сигнала поступающего с ИМ3, используют измерительный усилитель (ИУ3). После усиления дифференциального сигнала, он поступает на нормирующий преобразователь (НП3), предназначенный для преобразования сигнала в унифицированный сигнал (0…5)В.. Нормируемый сигнал поступает на микроконтроллер. Далее сигнал поступает на цифровой демультиплексор (ЦДМ), предназначенный для переключения каналов в зависимости от сигнала управления (СУ2), а затем на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП2). Для преобразования сигнала в унифицированный сигнал (0…10)В используют нормирующий преобразователь (НП8). После чего сигнал поступает на блок формирования законов регулирования (БФЗР2), а затем на исполнительный механизм. Принцип работы других измерительных каналов аналогичен принципу работы каналу измерения температуры приточного воздуха.

Для разрабатываемого прибора поставлены требования к структурным блокам:

Таблица 1 – Требование к структурным блокам

Расчет погрешности канала температуры:

Расчет погрешности канала влажности:

Полученные суммарные погрешности полностью удовлетворяют техническим требованиям.

Выводы. Предложенный прибор может быть использован для контроля температуры и влажности в помещениях при производстве интегральных микросхем, с заданной точностью. В приборе предложены контактные методы измерения температуры и влажности. В качестве первичных измерительных преобразователей целесообразно используются: термометры сопротивления платиновые, емкостные датчики влажности, на основе полимерного диэлектрика, которые имеют требуемые показатели точности. На основании поставленных конкретных требований к прибору была разработана и обоснована структурная схема прибора. Ядром прибора является микроконтроллер, на который возложено большинство функций управления.

Важное замечание.

При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2011. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список литературы:

1. Технологические требования к параметрам микроклимата. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.holodilshchik.ru/index_holodilshchik_best_article_issue_2_2008.htm Дата обращения: 17.03.2011.

2. Микропроцессорные средства и программные продукты в области автоматизации и управления. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.raut-automatic.kiev.ua/kontroll/engine.html Дата обращения: 19.03.2011.

3. Контрольно-измерительные приборы. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.owen.ru/ Дата обращения: 19.03.2011.

4. Фирма «ЭРГОС». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ergos.com.ua/ Дата обращения: 20.04.2011.

5. Компания «Raut-automatic». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.raut-automatic.kiev.ua/kontroll/engine/engine-ventilation.html Дата обращения: 20.04.2011.

6. Компания «Овен». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.owen.ru/ Дата обращения: 20.04.2011.

7. Предприятие «OMEGA». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://teplokip.narod.ru/ Дата обращения: 20.04.2011.

8. Компания «Овен». [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.omega.com/ Дата обращения: 20.04.2011.

9. Гибридно-пленочные интегральные микросхемы. Чистые помещения. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.tech-e.ru/2007_1_72.php Дата обращения: 17.03.2011.

10. Измерение температуры при модернизации систем охлаждения ПК. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.electrosad.ru/Electronics/term.htm Дата обращения: 20.03.2011.

11. Геращенко О.А. Тепловые и температурные измерения. Справочное руководство./О.А. Геращенко – Киев: Наукова думка, 1965.- 304 с.

12. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. Учебное пособие./В.П. Преображенский – М.: Энергия, 1978. – 704 с.

13. Берлинер М.А.Измерение влажности. Изд. 2-е./М.А. Берлинер – М.:Энергия, 1973.- 400 с.

14. Датчики влажности компании Honeywell. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/sensor/water_sensor.htm Дата обращения: 20.03.2011.