Количество энергетически активных микрочастиц

Все элементарные физико-химические процессы, лежащие в основе технологии создания изделий (микро- и наноразмерных структур) и их последующей деградации в процессе эксплуатации, имеют активационный характер. Последнее означает, что для реализации этих процессов микрочастицам (атомам, молекулам) изначально необходимо обладать энергией более некоторого определенного порогового значения, называемого энергией активации процесса – W_а. Это пороговое значение энергии является характеристикой каждого элементарного ФХП.

Именно существованием этого энергетического порога можно объяснить определенную устойчивость технических объектов к внешним возмущающим факторам и технологические трудности создания изделий на этапах их производства. Здесь следует отметить определенную неоднозначность в отношении конструкторов и технологов к параметру W_а:

· Конструктор изделия заинтересован в том, чтобы в материальных средах изделия (в конечном итоге, после проведения технологических операций) энергии активации ФХП имели максимально высокие значения. В этом случае он может рассчитывать на достижение высокого срока службы изделия.

· Технолог изделия заинтересован в том, чтобы материальные среды, используемые в процессе производства изделия, достаточно легко трансформировались в другие состояния. Для этого нужно, чтобы энергии активации ФХП имели минимальное значение, что позволит сдвинуть процессы в сторону высокой степени образования продукта (из реагента).

В этой связи, с точки зрения рассматриваемого момента, результатом конструкторско-технологической проработки изделия является достижение определенного компромисса.

Диапазон типичных вариаций значений энергий активации микрочастиц W_а при проведении ряда элементарных ФХП, нашедших широкое распространение в современной технологической практике создания микро- и наноразмерных структур, приведен в табл. П.3.1. [11].

Т а б л и ц а П.3.1. Характерные значения энергии активации для ряда элементарных физико-химических процессов.

(Поскольку в ряде справочников значение энергии активации W_а приводится в единицах Ккал / моль, в рамках выполнения контрольных заданий, приведенных в настоящем пособии, следует произвести перевод единиц измерения согласно равенству: 1 эВ = 23 Ккал / моль.)

Необходимо отметить, что приведенные в справочниках значения энергии активации W_а относятся к индивидуальным процессам как таковым, в то время как на практике зачастую имеет место параллельное (комплексное) протекание сразу нескольких индивидуальных процессов в рамках технологических операций. В этом случае в качестве энергии активации принято рассматривать некоторое эффективное значение энергии активации процесса W_а, в котором интегрально нашли свое проявление все индивидуальные ФХП [11].

Согласно активационным механизмам протекания индивидуальных ФХП следует, что указанные процессы могут реализовать только лишь те микрочастицы, у которых энергия их движения превышает некоторое пороговое значение энергии - W_а (энергия активации элементарного ФХП).

В первом приближении можно принять, что скорость (интенсивность) протекания индивидуальных ФХП будет пропорциональна концентрации таких высокоэнергетических (активных) частиц – N_а. Для определения концентрации энергетически активных микрочастиц N_а примем во внимание, что количество микрочастиц , энергия которых заключена в интервале пропорциональна вероятности (см. выражение (П.3.7)) заполнения квантовых состояний в указанном интервале энергий:

.

(П.3.21)

Полное количество микрочастиц, энергия которых заключена в интервале значений { W_a - ∞}, с учетом выражения (П.3.21), и при выполнения условия W_а >> k T, составит:

(П.3.22)

В результате интегрирования выражения (П.3.22) для концентрации энергетически активных микрочастиц N_а имеем:

		(П.3.23)
где: N0 - полная концентрация микрочастиц в рассматриваемом ансамбле.

Графическая интерпретация концентрации активных частиц - N_а представлена на рис. П.3.1 в виде заштрихованного участка (Напомним, что вся площадь под кривой функции распределения равна полному количеству микрочастиц в ансамбле N₀).

Рис. П.3.1. Количество активных микрочастиц в ансамбле.

Согласно рис. П.3.1 можно отметить, что концентрация активных микрочастиц в ансамбле N_а:

· монотонно уменьшается с увеличением значения энергии активации W_а рассматриваемого ФХП;

· монотонно увеличивается с повышением температуры Т ансамбля микрочастиц в макроскопической системе.

Из вышеизложенных материалов следует следующие негативные последствия, сопутствующие производственно-технической практике:

· элементарные ФХП, приводящие к деградации элементов конструкций устройств, являются принципиально неустранимыми в эксплуатационной практике (даже при больших значениях энергии активации - W_а);

· ввиду обратимого характера протекания всех типов элементарных ФХП, обеспечение 100 % качества (т.е. односторонней глубины процесса) технологических операций принципиально недостижимо.

В подтверждение этих выводов, в табл. П.3.2 приведены значения параметра соответствующие различным значениям параметров Т и W_a (в типичном для производственной практики диапазоне величин).

Т а б л и ц а П.3.2. Значения параметра соответствующие различным значениям Т и W_a.

Т К	- энергия активации элементарного ФХП, эВ.
0.6	0.8	1.0	1.2	1.4	1.6	1.8	2.0
	0.09	0.04	0.02	8∙10-3	4∙10-3	2∙10-3	8∙10-4	3∙10-4
	0.24	0.15	0.09	0.06	0.04	0.02	0.01	8∙10-4
	0.36	0.25	0.18	0.13	0.09	0.06	0.04	0.02
	0.45	0.34	0.26	0.20	0.16	0.12	0.09	0.07
	0.52	0.42	0.37	0.27	0.22	0.18	0.14	0.11
	0.58	0.48	0.40	0.33	0.28	0.23	0.19	0.16
	0.62	0.53	0.45	0.38	0.33	0.28	0.24	0.20

Примечание: в позициях таблицы приведены значения параметра .

Следует отметить, что широкая гамма технологических процессов, используемых в современных микротехнологиях, производится при достаточно высоких температурах Т ≈ 600 – 1300 К. Поэтому устранение негативного проявления обратных процессов (дестабилизирующих производство устройств микроэлектроники) предполагает использование материалов рабочих сред, обладающих энергией активации более 2 эВ (см. данные табл. П.3.2). Это обстоятельство существенно ограничивает выбор возможных материалов рабочих сред при создании устройств электронной техники.

Эта ситуация еще более усугубляется при переходе к технологиям атомной сборки изделий, для которых фактор неправильной расстановки всего лишь нескольких атомов в пределах изделия может иметь фатальные последствия. Здесь наблюдается ситуация несколько схожая с биологическими объектами (аминокислоты, белки, ДНК и т.д.), в которых подобные нарушения атомного масштаба приводят к сбою функционального назначения «устройства» в целом.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: