Національний технічний університет України
“Київський політехнічний інститут”
Порєв Володимир Андрійович
Для службового користування
Прим. №. ____________
УДК 621.307.13
Аналіз параметрів зони плавки за допомогою приладів з електронним розгортанням зображення
Спеціальність 05.11.13 — прилади і методи контролю
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ 1999.
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в науково-дослідному інституті прикладної електроніки Національного технічного університету України “КПІ” Міністерства освіти України
Науковий консультант доктор технічних наук, професор Маєвський Станіслав Михайлович, Національний технічний університет України “КПІ”, завідуючий кафедрою приладів і систем неруйнівного контролю.
Офіційні опоненти : доктор технічних наук Борисюк Леонід Васильович, Український технологічний центр оптичного приладобудування, директор;
доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Олексенко Павло Феофанович, Інститут фізики напівпровідників НАН України, завідуючий відділом оптоелектронних приладів;
доктор технічних наук, професор Скрипник Юрій Олексійович, Державна академія легкої промисловості України, завідуючий кафедрою автоматизації та комп'ютерних систем.
Провідна установа Інститут електрозварювання ім.Є.О.Патона, відділ космічних технологій, НАН України, м. Київ
Захист відбудеться “ 22 ” червня 1999 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.07 при Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою : 252056, м.Київ, просп.Перемоги, 37, корп.1, ауд.317.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ”
Автореферат розісланий “ 21 ” травня 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Гельман Л.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИстика роботи
Проблема аналізу параметрів зони плавки (ЗП) напівпровідникових матеріалів сьогодні є однією з найактуальніших, оскільки технічний рівень суспільства значною мірою обумовлюється станом напівпровідникової електроніки, який в першу чергу залежить від розвитку технологій отримання матеріалів із заданими властивостями.
Великі надії в плані отримання матеріалів високої чистоти та з програмованими властивостями пов'язуються сьогодні із застосуванням електронно-променевої технології безтигельної зонної плавки (БЗП), особливо з врахуванням перспектив її перенесення в космос, що дозволить усунути гравітаційні деформації температурних і концентраційних полів.
Відомо, що якість БЗП визначається стабільністю геометричних, динамічних та, головним чином, температурних параметрів. Не применшуючи важливість теоретичного моделювання процесу БЗП зазначимо, що різниця в щільностях електронного пучка, обумовлена флуктуаціями та недосконалістю системи фокусування, конвекція та механічне перемішування розплаву роблять проблематичним ефективне використання теоретичних моделей розподілу температурного поля, тобто надійну апріорну оцінку найважливішого параметру ЗП. Таким чином, тільки забезпечивши постійний аналіз цього та інших параметрів ЗП, можна створити передумови для отримання матеріалів, які будуть мати характеристики, близькі до теоретично можливих.
Але технічні засоби, які застосовуються зараз для аналізу вказаних параметрів ЗП, не відповідають сучасним вимогам і практично вичерпали можливості для свого вдосконалення. На сьогодні відсутні технічні засоби, методи та алгоритми, які б забезпечували одночасний аналіз форми, структури і динаміки ЗП а також розподілу температурного поля по її поверхні в реальному масштабі часу з врахуванням скачкоподібних змін яскравості при фазових переходах та з корекцією впливу випромінювання електроду, зміни коефіцієнту пропускання ілюмінатора, що перешкоджає отриманню матеріалів з розрахунковими характеристиками і стримує розвиток технології БЗП.
Останнім часом при виконанні наукових та технологічних досліджень, пов'язаних з аналізом оптичних полів, переваги віддаються приладам з електронним розгортанням зображення, які надають можливість провадити аналіз оптичного поля в багатьох точках за довільною траекторією в реальному масштабі часу і з найвищим на сьогодні просторовим розрізненням.
Впровадження приладів аналізу оптичних полів з електронним розгортанням зображення (ПАОПЕРЗ) в технологію БЗП дозволить контролювати в реальному масштабі часу такі критичні параметри, як розподіл температури по поверхні зони, висоту і форму зони та швидкість її переміщення за допомогою єдиного перетворювача, що, безумовно, має переваги в метрологічному плані.
Концепція використання приладів з електронним розгортанням зображення базується на уявленні про світлоелектричний перетворювач (СЕП) як про сукупність ідентичних незалежних мікроприймачів випромінювання.
В той же час існують фактори, які можуть обмежувати концепцію використання ПАОПЕРЗ, або навіть суперечити їй, наприклад, нелінійність передаточної характеристики, залежність вихідного сигналу від швидкості переміщення зображення тощо.
Відсутність єдиного підходу до врахування вказаних факторів та визначення їх кількісних показників стосовно сучасних СЕП може привести до помилок в оцінці перспектив або результатів використання приладів з електронним розгортанням зображення при аналізі параметрів ЗП.
На сьогоднішній день технологія зонної плавки застосовується також для отримання металів та органічних речовин і охоплює потужний реєстр різних за фізичними та хімічними властивостями об'єктів, що відповідно розширює діапазон значень параметрів, які підлягають аналізу. В першу чергу це відноситься до температури. В цих випадках надзвичайно перспективним може виявитись застосування піровідіконних систем, які мають практично рівномірну спектральну характеристику в широкому діапазоні і, на відміну від систем з оптико-механічним розгортанням, не потребують охолодження.
Таким чином, нагальна потреба в забезпеченні електронно-променевої технології БЗП адекватними методами і засобами контролю визначає актуальність постановки та проведення даних досліджень, спрямованих на створення методології використання ПАОПЕРЗ для комплексного аналізу параметрів ЗП.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами
Дисертаційна робота виконувалась в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” у відповідності з планами науково-дослідних робіт та в рамках Національної космічної програми України “Міжнародна орбітальна станція—2” (підпрограма "Фундаментальні та прикладні дослідження змінними екіпажами на комплексі").
Мета і задачі роботи
Мета роботи — підвищення точності аналізу параметрів електронно-променевої БЗП при застосуванні ПАОПЕРЗ шляхом корекції впливу випромінювання електроду та змін коефіцієнту пропускання ілюмінатора, а також розширення температурного діапазону аналізу.
Задачі роботи:
·
розробка математичних моделей ПАОПЕРЗ з метою дослідження їх роздільної здатності;
·
розробка методу кількісного аналізу розподілу температури по поверхні ЗП, який би враховував зміни яскравості при фазових переходах;
·
розробка методів корекції впливу випромінювання електроду та змін коефіцієнту пропускання ілюмінатора на результати аналізу температурного поля;
·
розробка системотехнічних і програмних методів підвищення роздільної здатності ПАОПЕРЗ при їх застосуванні для аналізу параметрів ЗП;
·
обгрунтування методик, розробка технічних засобів та програмного забезпечення для встановлення меж дії концепції використання ПАОПЕРЗ;
·
проведення експериментальних досліджень характеристик передавальних камер, які мають найбільші перспективи щодо застосування для аналізу параметрів ЗП;
·
розробка методик, алгоритмів і програмного забезпечення для аналізу параметрів ЗП та їх апробація в складі апаратно-програмного комплексу;
·
розробка методики і проведення експериментальних досліджень параметрів ЗП з метою визначення закономірностей розподілу температурного поля та встановлення аналітичного зв'язку між значеннями температури і висоти ЗП.
Наукова новизна роботи
Наукова новизна роботи визначається слідуючим :
·
Запропоновано методи підвищення точності аналізу температурного поля на поверхні ЗП шляхом введення в алгоритм формування сигналу компоненти, утвореної випромінюванням електроду або додаткового джерела, що забезпечує корекцію впливу випромінювання електроду та зміни коефіцієнту пропускання ілюмінатора вакуумної камери.
·
Розроблено метод кількісного аналізу температури яскравості, який базується на визначенні апаратної константи в момент фазового переходу і враховує зміни яскравості при фазових переходах в ЗП.
·
Обгрунтовано системотехнічні та програмові методи підвищення роздільної здатності ПАОПЕРЗ за рахунок скорочення часу формування сигналу при збереженні загальної тривалості вимірювального циклу та створення умов, за яких швидкість переміщення зображення по мішені оптимальна, що забезпечує аналіз параметрів низькотемпературної БЗП.
·
Розроблено методику дослідження впливу температури поверхні ЗП на її висоту. Встановлено регресійну залежність між вказаними параметрами.
Практична цінність роботи
·
створений і пройшов випробування в ІЕЗ імені Є.О.Патона апаратно-програмний комплекс для аналізу параметрів ЗП напівпровідникових матеріалів;
·
вперше отримані експериментальні дані про розподіл температурного поля на поверхні ЗП кремнію;
·
запропоновані системотехнічні рішення вузлів формування зображення ПАОПЕРЗ, які забезпечують підвищення роздільної здатності;
·
створено методики, алгоритми, програмне забезпечення та автоматизований стенд для дослідження характеристик ПАОПЕРЗ;
·
вперше отримані експериментальні результати про нерівномірність розподілу сигналу, про величину діапазону лінійності, про вплив швидкості переміщення зображення на величину вихідного сигналу для найбільш поширених передавальних камер;
·
результати експериментальних досліджень характеристик ПАОПЕРЗ, програмне забезпечення та технічні засоби використовувались також при виконанні ДКР на ЦКБ "Арсенал" та НДР на замовлення Мінсільгосппроду України по створенню приладів для аналізу якості м'ясомолочних продуктів, що підтверждується відповідними актами;
·
матеріали дисертаційної роботи використані при формуванні програм учбових дисциплін "Прилади та автоматизовані системи для наукових досліджень", "Теплові методи, прилади і системи неруйнівного контролю", "Телевізійні технологічні та наукові прилади і системи".
Особистий внесок здобувача
Основні положення, що захищаються :
1. Методи підвищення точності аналізу температурного поля на поверхні ЗП.
2. Методи підвищення роздільної здатності ПАОПЕРЗ.
3. Системотехнічні реалізації методів підвищення роздільної здатності.
4. Методики, алгоритми, програмне забезпечення та результати експериментальних досліджень характеристик ПАОПЕРЗ, які забезпечують можливість обгрунтовано застосовувати їх для контролю параметрів ЗП та при розв'язанні інших задач, пов'язаних з аналізом оптичних полів.
5. Системотехнічні рішення і алгоритми, покладені в основу розробки апаратно-програмного комплексу аналізу параметрів ЗП.
6. Методики, алгоритми, програмне забезпечення та результати експериментальних досліджень параметрів ЗП, які дозволили встановити закономірності розподілу температурного поля та наявність регресійної залежності між значенням температури та висоти ЗП.
Апробація роботи
Результати роботи обговорювались на Всесоюзній конференції "Темп-88" (м.Ленінград—1988), Третій міжгалузевій конференції "Неруйнівні методи аналізу виробів із полімерних матеріалів" (м.Туапсе—1989), Всесоюзній науково-технічній конференції "Оптичні, радіохвильові та теплові методи і засоби неруйнівного аналізу якості промислової продукції" (м.Саратов—1991), Міжнародній конференції "Тепломасообмін в технологічних процесах" (м.Юрмала—1991), 2-й Всеукраїнській міжнародній конференції “Оброблення сигналів і зображень та роспізнавання образів. УкрОбраз—94” (м.Київ—1994), Міжнародній конференції “Оптична діагностика матеріалів та виробів в опто-, мікро-, і квантовій електроніці” (м.Київ—1995), 3-й Всеукраїнській міжнародній конференції “Оброблення сигналів і зображень та роспізнавання образів. УкрОбраз—96” (м.Київ—1996), Науково-технічній конференції з міжнародною участю “Приладобудування-96” (м.Вінниця—1996), 2-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, приймання та обробки інформації” (м.Харків—1996), 4-му Українсько-Російсько-Китайському Симпозіумі з космічної науки і технології “КНТ-4” (м.Київ—1996), IV Українській конференції “Автоматика-97” (м.Черкаси—1997), Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні прилади, матеріали і технології для технічної діагностики і неруйнівного контролю промислового обладнання” (м.Харків—1998) а також на наукових семінарах НДІ спеціального приладобудування “Спектр” та кафедр "Наукові, аналітичні та екологічні прилади і системи", "Прилади і системи неруйнівного контролю" НТУУ “КПІ”.
Публікації
Результати дисертації опубліковані в 13 статтях в наукових журналах, в 6 збірниках наукових праць, 3 патентах України, 10 авторських свідоцтвах, 8 тезах конференцій.
Структура та обсяг дисертації
Робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку літератури та додатків. Обсяг роботи : 250 сторінок основного тексту, 122 рисунки, 18 таблиць, список літератури — 185 найменувань. Загальний обсяг роботи — 300 сторінок.
основний зміст роботи
В першому розділі виконано аналіз інформативних параметрів ЗП, яка проводиться сфокусованим електронним променем у вакуумній камері. До найважливіших параметрів, що визначають якість плавки і потребують постійного контролю, віднесені висота і форма зони та розподіл температури по її поверхні. При цьому до уваги приймали слідуюче.
Стабільність висоти зони є однією з головних умов, при дотриманні якої може бути забезпечена висока якість плавки. Іноді для отримання кристалу із заданим розподілом концентрації домішок в процесі плавки застосовують метод програмованої зміни висоти зони. Окрім цього, всі інші випадкові зміни висоти ЗП приводять до погіршення якості кристалу.
Несиметричнiсть профiлю ЗП, якщо сам зразок не має вiдповiдного дефекту, може вказувати на наявнiсть дефектiв джерела електронiв та фокусуючого поля.
Різкі зміни градієнтів температури істотно впливають на форму та положення ділянки кристалізації, що створює передумови для погіршення якості кристалу через виникнення локальних ділянок перенасичення домішками. Нерівномірність переміщення ЗП також може змінювати профіль температури, що сприяє розвиткові дислокацій.
Наявність градієнтів температури, яка часто розглядається як негативний фактор, що породжує флуктуації домішок, а отже перешкоджає отриманню кристалів з однорідною концентрацією, може бути, в свою чергу, компонентом програмованої технології отримання матеріалів з наперед заданими властивостями. Але як у випадках, коли градієнт температури є небажаним, так і у випадках, коли саме завдяки створенню і дотриманню відповідного градієнту вирішується поставлена технологічна задача, на перший план виходить проблема аналізу температурного поля.
Проаналізовано можливості технічних засобів, що застосовуються для аналізу параметрів ЗП, і показано, що найбільші перспективи в цьому плані мають прилади, в яких аналіз функції яскравості L(x,y), характеризуючої поле випромінювання об'єкту, виконується шляхом формування сукупності відліків в регулярно розташованих точках в площині зображення за рахунок його розгортання, яке здійснюється засобами електронної техніки (електронне розгортання), тобто сфокусованим електронним променем чи переносом зарядів. При цьому з позиції спільної методології розглядаються найбільш важливі з точки зору використання в засобах аналізу оптичних полів типи світлоелектричних перетворювачів — прилади із зарядовим зв'язком (ПЗЗ) а також передавальні телевізійні трубки (ПТТ) — відікони та піровідікони. Останні, хоча і різняться між собою механізмом перетворення оптичного потоку в електричний заряд, мають ідентичну конструкцію, зчитування заряду у відіконах і піровідіконах відбувається сфокусованим електронним пучком за одним і тим же законом розгортання, а повний відеосигнал утворюється за однаковою схемою. Таким чином, піровідікон є своєрідною ланкою зв'язку між телевізійними системами і традиційними системами теплобачення. До аналізу процесу формування сигналу у вказаних випадках застосовується математичний аппарат теорії лінійних систем.
Представлена узагальнена структурна схема ПАОПЕРЗ, яка включає оптичну систему (ОС), світлоелектричний перетворювач (СЕП), формувач сигналу (ФС), електросвітловий перетворювач (ЕСП), відеоконтрольний пристрій (ВКП), пристрій введення відеосигналу в комп'ютер (ПВВК), власне комп'ютер і сервісний блок.
Проаналізовано можливі критерії оцінки ПАОПЕРЗ при їх застосуванні для аналізу параметрів ЗП (інтегральний, середньоквадратичний, Шаде, Комара, інформаційний), зроблено висновок про доцільність вибору роздільної здатності як критерію оцінки при умові її визначення за шириною сумарної функції передачі модуляції (ФПМ).
Сформульовано загальний підхід до використання піровідіконів в задачах аналізу оптичних полів, що передбачає обгрунтований вибір таких об'єктів аналізу та методики застосування піровідіконних ПАОПЕРЗ, при яких різниця в розрізненні несуттєва, а на перший план виступають очевидні їх переваги — можливість роботи в спектральному діапазоні 0.5 — 20 мкм без охолодження та простота селекції рухомих об'єктів. Показано перспективність і окреслені напрямки досліджень можливостей використання піровідіконних приладів для розв'язання проблеми аналізу параметрів електронно-променевої БЗП.
Визначена сукупність питань, які складають науково-прикладну проблему аналізу параметрів ЗП приладами з електронним розгортанням зображення. Вказана проблема включає в себе, по-перше, необхідність уточнення концепції використання ПАОПЕРЗ, що означає виявлення сукупності факторів, які обмежують можливість представлення СЕП у вигляді матриці незалежних та ідентичних мікроприймачів випромінювання, а також розробку методик та обладання для експериментального встановлення кількісних показників цих обмежень для різних типів СЕП в конкретних умовах. По-друге, створення математичних моделей, методів і алгоритмів аналізу, які б враховували умови та особливості формування зображення ЗП, зокрема зміни яскравості при фазових переходах, вплив випромінювання електроду та зміни коефіцієнту пропускання ілюмінатора а також розробку та апробацію програмного забезпечення і системотехнічних рішень.
В другому розділі виконано аналіз процесу перетворення сигналу та особливостей його формування в приладах на різних типах СЕП.
Для функції E'(x',y',t), що визначає розподіл освітленності в чутливій площині, можливе спрощення у вигляді розділення координат простору і часу E'(x', y', t) = E'(x',y')ЧE'(t). Така залежність освітленості від координати часу практично означає, що в межах інтервалу формування кадру E'(x',y')=const, що і використовується при подальшому розгляді. Структуру математичної моделі ПАОПЕРЗ на ПТТ представлено у вигляді послідовного сполучення просторових фільтрів : об'єктива, мішені, розгортання, відновлення, ідеальних розгортаючої та відновлюючої ланок. У відповідності із прийнятою структурою математичної моделі для ФПМ відіконного ПАОПЕРЗ отримано такий вираз
(1)
де r — електрична провідність, Ом-1; Cn — емність піксела, сЧОм-1Чмм-2; tK — час від утворення рель'єфу до його комутації; m — коефіцієнт масштабування, який визначається відношенням діагоналей растрів на мішені ПТТ і на екрані ВКП, r0, rр, rВ — радіуси плями розсіяння об'єктиву та електронного розгортаючого і відновлюючого пучків на рівні 0.606 від максимального значення.
Структуру математичної моделі передавальної камери на ПЗЗ представлено у вигляді послідовного сполучення просторового фільтра об'єктива та просторового фільтра власне матриці ПЗЗ. Сама матриця ПЗЗ є складним просторовим фільтром, ФПМ якого визначається геометричною складовою, яка враховує вплив конструктивних особливостей матриці та інтегрування заряду в межах елемента, дифузійною складовою, що обумовлена проникненням носіїв генерованих під одними елементами до сусідніх і визначається характеристиками матеріалу, та складовою неефективності переносу, яка обумовлена втратами заряду при зчитуванні. Доповнюють структурну схему математичної моделі ПАОПЕРЗ на ПЗЗ просторовий фільтр відновлення та ідеальна відновлююча ланка.
У відповідності з прийнятою структурою моделі ФПМ визначається слідуючим чином
(2)
де a,d — коефіцієнт поглинання та товщина матеріалу; L0 — відстань дифузії; Nx — число переносів зарядового пакету вздовж осі X при зчитуванні кадра, визначається числом елементів; j — неефективність переносу зарядового пакету; f/xn — гранична просторова частота, Dx — розмір чутливого елемента.
Вказані аналітичні співвідношення використані для оцінки роздільної здатності ПАОПЕРЗ.
Обгрунтовано методи аналізу геометричних параметрів ЗП.
Запропоновано симетрію ЗП характеризувати фактором форми, який визначається методом зіставлення вiдрiзкiв аi та bi (рис.1) з подальшим обчисленням за формулою
(3)
Перевага запропонованого методу аналізу форми ЗП перед iншими в тому, що вiн враховує можливу симетричну деформацiю поверхнi зразка внаслiдок дiї тяжiння (рис.1а).
Інакше кажучи, вiдхилення реальної форми ЗП вiд iдеалiзованої але iз збереженням симетрiї (рис.1а : аi=bi о=0) не свiдчить про порушення технологiї плавки. В той час у випадку, зображеному на рис.1б аi>bi, тобто x>0. Отже, наявне порушення технологiї БЗП.
Безпосередньо на межі ЗП температури твердої TТ та рідкої TР фаз практично однакові, отже відмінності в відповідних яскравостях LT(l,ТТ) та LР(l,ТР) обумовлені головним чином, відмінностями в величинах коефіцієнтів випромінювальної здатності eT(l,ТТ) і eР(l,ТР).
Визначення координат меж ЗП провадиться шляхом встановлення координат відповідних піксел за однаковою методикою. На рис.2а подано умовне зображення верхньої межі ЗП, а на рис.2б,в,г,д відповідні значення сигналів, утворених пікселами, які розташовані з обох її боків.
Розроблена методика оцінки вірогідності контролю PПР висоти ЗП. При цьому використано експериментальні результати, які свідчать, що координати верхньої YВ і нижньої YН меж ЗП є випадковими величинами з нормальним законом розподілу. Імовірності помилкового рішення PВ про визначення координати верхньої границі ЗП та помилкового рішення PН про визначення координати нижньої границі приймались однаковими, тобто PН=PВ=PПОМ.
Помилкове рішення про визначення координати межі ЗП пов'язане, по-перше, з тим, що при знаходженні зображення фрагменту межі на пікселі n сигнали, які відповідають заданому рівню сигналу про межу ЗП, формуються пікселами (n-1) (рис.2б) або (n+1) (рис.2в).
По-друге, помилкове рішення може бути пов'язане з тим, що при знаходженні зображення фрагменту ЗП на пікселах (n-1) або (n+1) (рис.2г і рис.2д) сигнал, який відповідає заданому рівню, формується пікселом n.
Оскільки рішення про величини YН і YВ приймаються незалежно і є сумісними подіями, то сумарна імовірність помилкового рішення про значення висоти зони
P=2PПОМ-P2ПОМ (4)
Вірогідність контролю висоти ЗП визначається виразом
(5)
де Ф — функція Лапласа, d=0.5Ч(AТ-AР), sA2 — дисперсія сигнала.
При розробці методів аналізу температурного поля (поля яскравості) на поверхні ЗП враховувались особливості його формування.
В потоці випромінювання, який потрапляє на СЕП, може бути також і випромінювання електроду, відбите від поверхні об'єкту. За певних умов, наприклад, температура електроду значно вища за температуру об'єкта або об'єкт характеризується великим коефіцієнтом відбиття, частка стороннього випромінювання може бути досить значною. В цьому випадку використовується термін ефективної яскравості Le(lе,Тея), що характеризує випромінювання об'єкту з температурою Tея, і визначається як сума яскравостей власного L0(lе,Т0) випромінювання об'єкту з температурою T0 та відбитого Lв(lе,Тд) випромінювання електроду з температурою Tд. Зазначені тут компоненти потоку випромінювання розглядаються на одній і тій же ефективній довжині хвилі lе.
Проблема в даному випадку полягає в тому, щоб якомога точніше визначити величину L0(lе,Т0). При цьому можуть застосовуватись розрахункові або апаратні методи чи їх комбінації.
Нами вперше вперше сформульована задача оцінки впливу випромінювання стороннього джерела з урахуванням особливості конструкції вакуумної камери, в якій провадиться електронно-променева БЗП (електрод у формі кільця діаметром D та коаксиально розташований кристал кремнію діаметром d0<D).
Формула для оцінки впливу випромінювання дискового електроду має такий вигляд
(6)
(7)
де dс — діаметр нитки електроду,
R — відстань між поверхнею електроду та центром елемента, випромінювання якого аналізується,
ly — лінійний розмір елемента,
e0, eд — коєфіцієнти випромінювальної здатності кристалу та електроду.
Формулою (6), як і іншими подібними, доцільно користуватись для наближених оцінок, оскільки реально можливі значні розходження, джерелом яких є припущення про незмінність параметрів на протязі всього циклу ЗП.
Більш коректними, на нашу думку, є апаратні методи врахування та компенсації впливу стороннього випромінювання, так як вони не претендують на загальність, а базуються на експериментальному визначенні необхідних параметрів в кожному конкретному випадку. При цьому корекція параметрів провадиться в реальному часі.
Проаналізовано основні відомі апаратні методи (спектральна фільтрація, екранування, збільшення e0 тощо) і показана їх неефективність при використанні в умовах електронно-променевої БЗП.
Запропоновано метод компенсації впливу випромінювання електроду засобами системотехніки ПАОПЕРЗ, схема реалізації якого стосовно БЗП напівпровідникових матеріалів за найбільш перспективною технологією, яка передбачає використання дискового електроду, зображена на рис.3.
Оптична система 1 формує одночасно на мішені ПАОПЕРЗ 2 зображення частини дискового електрода 3 та фрагмента 4 ЗП. Яскравість дискового електрода Lд(lе,Тд), а відповідний сигнал, утворений пікселом b — Aд(Тд), фрагмент ЗП характеризується ефективною яскравістю Lе(lе,Те), піксел a формує сигнал Aе(Те).
Зміни яскравості певної ділянки поверхні ЗП можуть бути обумовлені як зміною температури цієї ділянки так і зміною величини Lд(lе,Тд). Перша складова несе інформацію про стан температурного поля ЗП, друга — є випадковим низькочастотним шумом.
Ввівши в алгоритм формування сигналу додаткову компоненту, яка змінюється відповідно до випадкових змін Lд(lе,Тд) та утворивши алгебраїчну суму сигналу і вказаної додаткової компоненти з відповідним ваговим коефіцієнтом, компенсуємо вплив випромінювання електроду на результат аналізу поля яскравості (температурного поля) ЗП.
Запропонована методика градуювання, суть якої зводиться до використання закономірностей формування функції яскравості при фазових переходах (рис.4).
В момент tФ1 переходу з твердої фази в рідку пікселом a утворюється сигнал Aе(TГТ)=A0Т(T0)+QТ. Після утворення рідкої фази в момент tП електрод виключають і через деякий час сигнал, який утворюється пікселом b зменщується до рівня шумів. Зона охолоджується і кристалізується. В момент tФ2 — переходу з рідкої фази в тверду — піксел a утворює сигнал AГ(TГТ)=A0Т(T0). Різниця сигналів QТ=Aе(TГТ)-A0Т(T0) обумовлена часткою відбитого випромінювання. Коефіцієнт kТ визначимо, прирівнявши величину QТ до сигналу AДГ(TД), який був утворений пікселом b в момент tФ1, тобто Aе(TГТ)-AГ(TГТ)=kTЧAДГ(TД). Аналогічно для рідкої фази Ae(TГР)-AГ(TГР)=kРЧAДГ(TД).
Принципово важливою перевагою цього методу стосовно аналізу задач типу БЗП при значній тривалості одного циклу або при проведенні кількох послідовних циклів є його нечутливість до змін коефіцієнту пропускання ілюмінатора, що досягається введенням в алгоритм поточного значення коефіцієнту пропускання ілюмінатора k(t). В запропонованому методі сигнал, який несе інформацію тільки про яскравість об'єкта, наприклад, фрагмента ЗП в твердій фазі, утворюється за наступною формулою
(8)
де kT – значення коефіцієнту ослаблення сигналу Aд(Тд), яке визначається під час градуювання.
Загальні обмеження в застосуванні цього методу, які включають вимоги незмінності e0 і eд, не суперечать можливості його використання для аналізу параметрів БЗП. Відзначимо, що цей метод не має інших обмежень, крім названих вище, щодо його використання для аналізу оптичних полів іншого походження.
Одним із принципових моментів проблеми дистанційного аналізу параметрів ЗП є те, що процес БЗП супроводжується випаровуванням домішок, які осідають на елементах конструкції камери, в тому числі і на внутрішній поверхні ілюмінатора. Якщо мова йде тільки про запобігання забрудненню ілюмінатора, то серед відомих засобів його захисту найбільш ефективним і універсальним є відкидний екран, застосування якого дозволяє запобігати надмірному забрудненню ілюмінатора на протязі десятків циклів БЗП, після чого ілюмінатор треба замінити.
В разі проведення кількісного аналізу температурного поля, необхідно врахувати, що при зміні коефіцієнту пропускання до величини k(t) прилад зафіксує яскравість L(le,TЯ,k(t))=L(le,TЯ)Чk(t), і, відповідно виміряне значення температури яскравості буде відрізнятися від попереднього навіть при незмінній дійсній температурі.
Враховуючи діапазон значень Tя при зонній плавці кремнію дійдемо до висновку, що відносна похибка визначення температури внаслідок зміни коефіцієнту пропускання ілюмінатора, яка визначається формулою , де le — ефективна довжина хвилі, C2 = 1.44Ч104 мкмЧК, може бути досить значною.
Експериментальні дослідження зміни k(t) на різних відстанях від кристалу були виконані нами для кремнію за допомогою розміщеного в вакуумній камері спеціального пристосування у вигляді набору із 4-х радіально розташованих скляних пластин, нижні половинки яких захищались від напилення.
По закінченні i-го цикла (i=1…5) БЗП визначались зміни в коефіцієнтах пропускання Ki кожної пластинки відносно захищених половинок, коефіцієнт пропускання яких вибрано за 1. Результати наведені в таблиці 1, де окремою графою подані значення відносної похибки d, розраховані для пластини №4 (le=0.85 мкм, T=1685 K).
Таблиця 1. — Коефіцієнти пропускання пластинок в кінці циклу.
№ пластини 1 2 3 4 d, %
K1 0.78 0.88 0.94 0.96 0.6
K2 0.57 0.62 0.85 0.91 0.9
K3 0.49 0.54 0.81 0.88 1.2
K4 0.43 0.47 0.76 0.84 1.6
K5 0.38 0.42 0.71 0.79 2.3
Оскільки відстань між ілюмінатором і зразком більша за відстань між зразком і четвертою пластиною, коефіцієнт пропускання якої після першого циклу змінився на 0.6%, а після другого і третього, відповідно на 0.9% і 1.2%, то можна зробити висновок, що запиленням ілюмінатора за 3 цикла БЗП кремнію в вакуумній камері радіусом понад 200 мм можна знехтувати. Але вже після четвертого циклу плавки коефіцієнт пропускання зменшується до 0.84, що може привести до відносної похибки понад 1.5%. Відомі методи введення поправок в даному випадку можуть виявитися неефективними, так як ступінь забруднення ілюмінатора залежить від типу кристалу, типу та концентрації домішок, їх розподілу по кристалу, щільності електронного пучка, тиску в вакуумній камері, динаміки процесу, порядкового номеру плавки і т.п. З наведеного випливає висновок про важливість врахування забруднення ілюмінатора, особливо при повторних циклах БЗП, а також про те, що корекція в даному випадку може бути здійснена тільки за допомогою методу, який базується на врахуванні поточних змін коефіцієнту пропускання ілюмінатора.
Аналогічним чином можуть бути виконані дослідження і для інших напівпровідникових матеріалів, зонна плавка яких супроводжується випаровуванням домішок.
Для аналізу температурного поля в нами запропоновано метод, який може застосовуватись в прикладних та наукових задачах, зокрема коли виконуються багаторазовi дослiдження температурного поля на поверхнi того ж самого об'єкту чи групи подiбних (однотипових) об'єктiв при вiдсутностi або ненадiйностi апріорної iнформацiї про величину коефіцієнта випромінювальної здатностi.
Зауважимо, що саме такими умовами характеризується задача аналізу розподiлу температури по ЗП при проведенні послідовних циклів.
Якщо величина e під час дослiдження приймає кiлька фiксованих і вiдомих значень, наприклад, при переходi зразка з фазового стану твердого тiла в фазовий стан рiдини і навпаки, то формула для визначення температури матиме такий вигляд
(9)
де A — поточне значення сигналу, B — константа, яка враховує параметри приладу і визначається шляхом вимірювання величини сигналу при відомому значенні температури об'єкта контролю.
За відому температуру можна вибрати, наприклад, температуру плавлення кремнію — 1685 К. В цьому випадку згідно з розробленим нами методом визначається сигнал, утворений першою ділянкою рідкої фази, яка виникає на поверхні кристалу.
Малі (одиниці піксел) розміри ділянки виключають вплив кривизни поверхні на її випромінювальну здатність, тобто в момент утворення ділянку рідкої фази можна вважати плоскою. Локалізація ділянки на поверхні зони нагріву та визначення величини сигналу провадяться в автоматичному режимі.
Виконано аналіз проблем застосування сплайн-функцій при дослідженнях температурного поля на поверхні ЗП кремнію. Обгрунтовано, що застосування сплайн-функцій можливе тільки для випадку твердої фази, коли яскравість власного випромінювання визначається дифузним характером поверхні. Показано, що крок сітки значень відліків, при якому похибка не перевищить заданої величини |Se3,3(x,y) - A(x,y)| визначається формулою
(10)
де Se3,3(x,y) — сплайн, що апроксимує функцію A(x,y),
— максимальне значення другої похідної функції A(x,y).
Отримана також формула для визначення кроку виборки на поверхні зразка циліндричної форми
(11)
де R — радіус зразка; i = 0,1,2,..,n;
Обгрунтовано загальний алгоритм методу комплексного дослідження параметрів ЗП, структура якого зображена на рис.5.
Перша ланка алгоритму передбачає встановлення меж виборки або задання траекторії аналізу. Відповідно до особливостей процесу встановлюється кількість виборок в кожній точці з подальшим обчисленням середнього значення.
Алгоритм включає підпрограми "Тверда фаза", "Рідка фаза", "Фазовий перехід".
Реалізація підпрограми "Тверда фаза" передбачає :
·
встановлення величини кроку h з врахуванням вимог по точності та максимальної величини другої похідної в межах поля виборки;
·
компенсацію впливів забруднення ілюмінатора та випромінювання електроду;
·
визначення розподілу температури при e=0.64.
Одночасно з підпрограмою "Тверда фаза" реалізується підпрограма "Фазовий перехід", яка передбачає аналіз сформованої виборки на зміни яскравості, обумовлені фазовим переходом. Якщо , де Ai — деяка попередньо визначене експериментально значення сигналу, то застосовується підпрограма "Рідка фаза".
Реалізація підпрограми "Рідка фаза" передбачає :
·
локалізацію зародку рідкої фази та визначення константи B;
·
амплітудну фільтрацію сигналів, утворених віддзеркаленням електроду;
·
визначення розподілу температури по зоні при e=0.46;
·
визначення висоти зони, мінімального діаметра зони, фактора форми, слідкування за переміщенням зони;
·
аналіз фактора форми та висоти на аномалії розвитку (якщо xіxmax, або hіhmax, формується сигнал "аномалія").
В третьому розділі виконано аналіз та обгрунтування переліку характеристик, визначення яких відповідає встановленню кількісних показників обмеження концепції ПАОПЕРЗ. До цього переліку входять : ФПМ, роздільна здатність, діапазон лінійності, нерівномірність чутливості, ефективна довжина хвилі, залежність вихідного сигналу від швидкості переміщення зображення. При цьому встановлення таких характеристик, як нерiвномiрнiсть чутливостi, вплив швидкості переміщення зображення на величину сигналу, дiапазон лiнiйностi, ефективна довжина хвилi повинно передувати дослiдженню ФПМ та визначенню роздiльної здатностi.
Обгрунтовано структуру автоматизованого стенду для експериментальних досліджень вказаних характеристик ПАОПЕРЗ (рис.6). Основу стенду складає вузол формування випробувальних сигналів, який враховує специфічні особливості перетворення сигналів та спектральні діапазони СЕП різних типів. Для експериментальних досліджень камер на відіконах і ПЗЗ використовується еталонна лампа СИ 10-300 та модель АЧТ, для піровідіконних камер в режимі панорамування — рухомий тест-об'єкт на фоні кювети з заданою температурою.
Розглядаються особливості розроблених під керівництвом автора ПАОПЕРЗ і узагальнюється досвід їх використання для аналізу параметрів ЗП та інших оптичних полів.
ПАОПЕРЗ "Еталон" створений на базi мiнiатюрного телевiзiйного пристрою МТУ-1. У передавальнiй камерi передбачено використання відіконів типу ЛИ437-1 та ЛИ-459 а також експериментального напiвдюймового відікону з мiшенню, спектральна характеристика якого значно розширена в бік інфрачервоного спектру, що дозволяє аналізувати температурні поля від 300оС і вище.
Для компенсації нерiвномiрностi чутливостi площина СЕП умовно розбивається на матрицю n елементів по горизонталi та m елементiв по вертикалi. Кожний елемент розглядається як незалежний вiд iнших, і при певному і постiйному значеннi освiтленостi вимiрюється значення сигналу Аkі, де k, i – номери елементу в строчцi і номер строчки. Визначається максимальне значення Ао max і утворюється масив чисел Ао max/Ао ki=Сki. Числа Сki є ваговими коефiцiєнтами матрицi. В подальшому вихiдний сигнал визначається за такою формулою
(12)
де Аki – поточне значення сигналу з елемента k, i.
Прилад "Епсилон" побудований за модульною технологією на базі камери OS25ii. Використання комп'ютера дозволило значно розширити функцiональнi можливостi ПАОПЕРЗ, виконувати рiзноманiтнi дослiдження свiтлових полiв, утворених як власним, так і вiдбитим або пропущеним випромiнюванням, застосовувати цифрові методи обробки зображень, проводити оперативне перепрограмування під час проведення експерименту, накопичувати значну статистику зображень, застосовувати стандартнi бiблiотеки програм, формувати бази даних тощо.
Розроблена методика експериментальних досліджень діапазону лінійності ПАОПЕРЗ, застосування якої дозволило отримати експериментальні результати для передавальних камер на ПТТ та ПЗЗ, які мають великі перспективи використання для аналізу оптичних полів різноманітного походження.
Дiапазон лiнiйностi є надзвичайно важливою характеристикою ПАОПЕРЗ як в теоретичному, так і в прикладному аспектах. Значна частина авторів робiт з теорії теле- і тепловiзiйних систем, зазначивши, що в загальному планi такi системи є нелiнiйними, користуються в подальшому апаратом теорії лiнiйних систем, що взагалi недопустимо без спецiальних застережень. На нашу думку, в таких випадках необхiдне, принаймнi, посилання на роботи, результати яких дозволяють визначити межi лiнiйностi системи.
Щодо прикладних робiт, то видається цiлком слушним встановлення лiнiйностi включити одним iз пунктiв програми експериментальних дослiджень будь-якого ПАОПЕРЗ, оскільки сучасна технологiя виробництва СЕП не дозволяє отримувати прилади з однаковими характеристиками навiть в однiй партії.
Результати дослідження передаточної характеристики камери на ПТТ ЛИ459 та експериментальної ПТТ представлені у вигляді графіків залежностей A(Eґ) на рис.7. Видно, що для ЛИ459 характеристика лінійна в діапазоні змін освітленості мішені від 0.5 лк до 5.5 лк, тобто в діапазоні близько 20 дБ. Для експериментального відікону EП=0.6 лк, а характеристика лінійна до E/=5 лк.
Відхилення в величині діапазонів пов'язані із відмінностями фізико-хімічних властивостей та технологій виготовлення СЕП.
Розроблено методику та виконано експериментальні дослідження розподілу сигналу при рівномірно освітлених мішенях відіконів ЛИ437-1 та ЛИ459, які показали наявність значної нерівномірності сигналу (до 30%) та відсутність загального характеру навіть для однотипних відіконів (рис.8).
Розроблена методика та вперше отримано експериментальні результати щодо впливу швидкості переміщення зображення по мішені СЕП на величину сигналу, який формується передавальними камерами на відіконах та ПЗЗ (рис.9).
Видно, що в межах діапазону швидкостей та просторових частот, при яких виконувались дослідження, ця залежність має монотонний характер.
Отримані результати були враховані при обгрунтуванні характеристик програмно-апаратного комплексу для контролю параметрів ЗП.
Обмежившись дослідженням тільки названих приладів, вважаємо необхідним зазначити, що аналогічним чином можна встановити кількісні показники для будь-якого ПАОПЕРЗ.
Отримані нами вперше результати експериментальних досліджень, мають важливе науково-прикладне значення — вони встановлюють межі правомірності концепції використання ПАОПЕРЗ, побудованих на базі типових і найбільш поширених передавальних камер. Відповідно застосування вказаних передавальних камер для розв'язання прикладної проблеми аналізу параметрів ЗП провадиться тільки у визначених межах.
В четвертому розділі подані узагальнені матеріали досліджень, які окреслюють напрямки покращення характеристик піровідіконних приладів, що в свою чергу забезпечує можливість їх використання для аналізу параметрів ЗП.
На нашу думку, зараз є всі підстави стверджувати про початок нового етапу розвитку піровідіконних приладів, основою якого може стати освоєння піровідіконів типу PEMET. Експериментальні зразки PEMET (ВО “Електрон”, Санкт-Петербург) забезпечують якість зображення, яку можна порівнювати з якістю зображення приладів на базі звичайних відіконів та ПЗЗ. Але передавальна трубка PEMET ще перебуває в стані експериментального доведення, тому актуальними є будь-які спроби змінити сучасний невисокий статус піровідіконних приладів.
Відомо, що роздільну здатність піровідіконних приладів можна підвищити технологічними заходами. Однак в результаті технологічних зусиль будуть створені тільки передумови для досягнення певних значень роздільної здатності. А чи будуть вони реалізовані — визначатиметься умовами формування сигналу, головним чином часом tk формування кадру та швидкістю Vm переміщення зображення по мішені (в режимі панорамування).
Альтернативним напрямком покращення показників піровідіконних приладів і, в першу чергу, роздільної здатності, є зменшення розтікання зарядового рель'єфу за час формування кадру, яке може здійснюватись за рахунок більш ефективних порівняно з існуючими алгоритмів формування сигналів або застосуванням спеціальних технічних засобів.
Виконано дослідження впливу величини r0 на коефіцієнт передачі контрасту. Введено поняття відносного коефіцієнту передачі контрасту b, який визначається відношенням коефіцієнту передачі контрасту Kr при деякому значенні величини r0 до максимально можливого коефіцієнту передачі контрасту Kf на даній просторовій частоті fx. Оскільки величини r0 і rP рівноправно визначають ФПМ, а rP має технологічну межу, визначимо параметр m=rP/r0 і побудуємо залежність b=b(m), яка буде характеризувати вплив зменшення r0 на коефіцієнт передачі контрасту (рис.10).
Користуючись цією методикою, неважко зробити висновок про межу вдосконалення об'єктиву. Так, для низьких просторових частот, наприклад fx=3 мм-1, доцільно вибрати m»2. При rP=0.025 мм, V=4 мм/с, коефіцієнту температуропровідності D=1.2Ч10-3 см2/c і tk=0.04 с (а такі величини є типовими) недоцільно витрачати зусилля на досягнення значень параметру m>4, тобто на зменшення r0 понад 0.25rP, оскільки при цьому коефіцієнт передачі контрасту навіть для просторової частоти 9 мм-1, на якій коефіцієнт передачі має порогове значення, майже не змінюється.
Особливу роль в формуванні сигналу відіграє залежність ФПМ від величини Vm, оскільки вплив величин r0, rP, D враховується тільки на етапі розробки і при нормальній роботі вони не змінюються. Саме ця залежність лежить в основі переважної більшості спроб покращити характеристики піровідіконних
