Информационные (энтропийные) модели микро- и нанотехнологий и структур.

Теоретические сведения: «Информационные методы анализа микро- и нанотехнологий».

1. Цели и задачи энтропийного подхода при анализе микро- и наноразмерных структур

Для современных интегральных электронных устройств характерна чрезвычайно высокая степень упорядоченности материальных сред, необходимая для обеспечения функционального качества устройства. В практическом плане это обстоятельство приводит к необходимости развития технологической базы, способной реализовать элементы конструкций субмикронных размеров. В этой связи все большую роль приобретают вопросы обеспечения топологического и континуального порядка физических сред, уровень проработки которых в настоящее время недостаточен для практических целей. Достигнутые и перспективные уровни микроминиатюризации оперируют с физическими объемами менее 10^-6 мкм³, что обуславливает проблематичность использования в конструкторско-технологической практике макроскопических подходов анализа, основанных на методах физики сплошных сред. Состояние, отмеченных выше моментов, стимулирует развитие нетрадиционных методов анализа технологических процессов, позволяющих объединить микро- и макроскопические подходы.

Целью настоящего раздела является рассмотрение энтропийных показателей качества микро- и нанотехнологий, основанных на базовых принципах теории информации. Использование энтропийного подхода позволит:

1. ввести в конструкторско-технологическую практику универсальные критерии качества технологических процессов и сложности изделий, независимо от функционального назначения и отраслевой направленности последних;

2. установить уровень информационного обеспечения технологии создания изделия, необходимый для достижения приемлемых с практической точки зрения производственно-технических показателей по выходу годных изделий;

3. обеспечить эффективный диалог между конструктором и технологом изделий на основе единых, с методологической точки зрения, представлений о процессе создания изделий микро- и наноразмерного масштаба;

4. сблизить нано-, микро- и макроскопические подходы и методы анализа материальных сред и функциональных аспектов в конструкторско-технологической практике создания изделий новой техники;

5. определить необходимый уровень априорного запаса качества изделия, необходимого для обеспечения заданного срока службы изделия в регламентированных условиях эксплуатации;

6. оценить целесообразный (предельно достижимый) уровень обеспечения упорядоченности материальных (атомно-молекулярных) сред в изделии в зависимости от интенсивности воздействующих возмущающих факторов среды эксплуатации;

7. разработать в обозримом будущем методы и подходы, необходимые для анализа технологических процессов атомной сборки изделий, с учетом интенсивности проявления элементарных физико-химических процессов флуктуационной природы.

Уместно привести дополнительные пояснения относительно ряда вышеперечисленных пунктов, в связи их непосредственного отношения к конструкторско-технологическим и производственно- техническим аспектам, сопутствующим различным этапам создания изделий новой техники.

Замечания относительно пункта №1. В настоящее время, основываясь на известных аналитических подходах, очень трудно, а порой и просто невозможно, провести сравнительную оценку уровня технологических достижений для изделий не только различной отраслевой направленности, но и в пределах одной отрасли. Это положение обусловлено наличием весьма широкой гаммы технологических методов и аппаратных средств частного характера (как правило, основанных на использовании различных физических принципов), что исключает возможность создания единых, с методологической точки зрения, критериев оценки качества технологий. Отсутствие подобного рода сравнительных оценок затрудняет рациональное использование материальных ресурсов, с целью выравнивания технологического фронта на внутри- и межотраслевом уровне рассмотрения.

Замечания относительно пунктов №2 и 3. Здесь следует отметить следующие два момента.

Во-первых, конструктор и технолог изделия разговаривают на «разных языках». Конструктор ставит во главу угла функциональные параметры изделия (энергетическая экономичность, оптическая эффективность, коэффициент усиления и т.д.), и, соответственно, руководствуется в своей деятельности специфическими научно-техническими дисциплинами типа: теория сигналов, теория механизмов и машин, теория двигателей и т.д. Технолог, в свою очередь, ставит во главу угла вопросы оптимизации процессов обработки материальных сред, и, соответственно, руководствуется в своей деятельности дисциплинами типа: химическая термодинамика, физическая химия, физика процессов кристаллизации и т.д. При этом ни тот, ни другой не в состоянии в полной мере (и не ставят такую цель) навести мосты между функциональными параметрами изделия и технологическими режимами процесса их производства. В этой связи, технологу в значительной мере приходится использовать эмпирические подходы, и это, как правило, «метод проб и ошибок», что сказывается на экономической эффективности его деятельности.

Во-вторых, результатом работы конструктора является, фигурально выражаясь, «бумага», т.е. проект изделия, создание которого, как правило, не связано с большим объемом переработки материальных ресурсов. Ввиду этого инновационная деятельность конструктора новой техники может быть весьма высокой, и сдерживается только динамикой развития перспективных научно-технических представлений. Иная ситуация складывается у технолога, инновационная деятельность которого весьма инерционна, поскольку требует большие объемы трудозатрат и материальных ресурсов, направленных на создание макетных и промышленных экземпляров аппаратных технологических средств. Поэтому технолог постоянно «отстает» в своих производственных возможностях от технологических требований (претензий) конструктора новой техники. Эта диспропорция решается путем принятия компромисса между технологом и конструктором, и для решения этого вопроса на конструктивной основе желательно знать текущий уровень «дефицита технологии».

Замечания относительно пункта №5. В процессе эксплуатации изделия в нем происходят разнообразные элементарные физико-химические (деградационные) процессы, нарушающие изначально созданный атомный порядок, ответственный за появление функционального назначения изделия. В этой связи, необходимость обеспечения заданного срока службы изделия предполагает наличия в нем вполне определенного «запаса функционального качества». Установление количественной меры этого «запаса качества» позволяет прогнозировать ожидаемый срок службы изделия, с учетом фактора интенсивности внешних возмущающих воздействий.

Рассматриваемая энтропийная модель и критерии оценки качества технологических процессов применимы к технологическим процессам и изделиям любого типа (вне зависимости от функционального назначения изделия), однако, их практическая эффективность тем выше, чем выше сложность изделия, в части уровня требований к атомно-молекулярной упорядоченности твердотельных структур. В этой связи, приведенные ниже результаты количественных оценок относятся, в основном, к изделиям нано- и микроэлектроники, для которых характерна весьма высокая степень упорядоченности материальных сред в элементном и структурном отношениях.

Замечания относительно пункта №7. В свете развития достижений нанотехнологий, конструкторами в настоящее время просматривается возможность создания наноразмерных изделий, содержащих в своем составе весьма ограниченное количество атомов (вплоть до одного атома!). В этом случае, однако, следует иметь в виду то немаловажное обстоятельство, что существующие методы анализа материальных сред и физико-химических процессов, основанные на использовании физики сплошных сред (статистическая физика и термодинамика), становятся в принципе неприемлемыми для проведения анализа подобных малообъемных сред. Весьма ограниченное количество атомов, из которых образовано наноразмерное изделие, предполагает использование дискретных принципов анализа состояния этих систем и физико-химических процессов, протекающих в них. Более того, эти принципы должны быть основанны на вероятностных представлениях (учитывая возможность проявления факторов флкутуационной природы), при анализе элементарных физико-химических процессов. В особенности эти моменты относятся к случаю технологий атомной сборки изделий, в которых действительно (де-факто) имеет место заполнение физического пространства посредством размещения индивидуальных атомов. В этом случае на передний план выдвигаются методы прямого компьютерного моделирования технологических процессов и систем, в частности, основанных на широком использовании методологии вероятностных клеточных автоматов [10].