Главная    Конференция    "Размышления" часть 15

О принципе компенсации

В.В. Митрофанов

Мне хочется рассказать Вам, дорогие читатели, о принципе компенсации, с которым я познакомился в книге "Энергия: что это такое"? Белостоцкого Ю.Г. Мне представляется, что этот принцип недостаточно широко используется при поиске.

Вот цитата:

"среди Законов Природы существует очень простой, но вполне определенный и жёсткий порядок, выражающийся в наличии многомерной постоянной связи явлений, которая обнаруживается в возникновении одних явлений за счет изменения других. Оказывается Природа построена так, что возникновение одной физической категории обязательно связано с изменением другой. То есть, изучать какое-либо непонятное физическое явление нужно начинать с установления его динамических связей с другими, но уже известными явлениями и процессами".

Простой принцип, однако осознанно он реализуется не часто. А ведь именно набор таких простых принципов, если они активно используются человеком, и создает чудо осознанного творчества. Не удержусь и дам еще одну мысль Белостоцкого, она очень пересекается с моими представлениями о том, как надо решать задачи.

"исследовать изолированно только одно (выделенное) явление бессмысленно, а нужно не только изучать его взаимодействие с другими известными явлениями, но и разобраться во всей цепи связанных с ним процессов. Ведь человеческое мышление построено таким образом, что оно способно анализировать именно причинно-следственную последовательность протекания любых процессов, т.е. такой путь познания изначально заложен в структуре мозга человека, определяющей логику сознания.

Но мы слишком далеки от решения таких комплексных задач, так как не обладаем необходимым систематизированным запасом знаний. Поэтому ближайшая для нас проблема состоит скорее не в решении возникающих вопросов, а, в первую очередь в правильной их постановке. Сейчас мы не в состоянии дать ответы на вопросы "Что это такое...?" и тем более "Почему это так происходит?", но можем искать и найти ответ на вопрос "Что с чем и как связано?". Причем, исчерпывающим ответом будет не столько раскрытие конкретных потребительских свойств изучаемого явления, сколько установление всех его взаимосвязей с другими явлениями, которые и позволят найти ответы на весь спектр возникающих вопросов".

(Во время написания этого материала, меня поразил один факт. Дело в том, что чтобы я не предлагал - провести ли какой нибудь эксперимент, либо выдвигал какую нибудь гипотезу, либо давал какое нибудь предложение, почти всегда я встречался с неприятием моих идей. И только когда я должен был сам осуществлять свою идею - тут возражений не было, ты предложил - ты и делай! Причем непрятие происходило и в те моменты, когда проблема стояла очень остро - или решим задачу и будет успех, или не решим и будут неприятности.Я приведу несколько изречений на тему неприятия чужих идей.Конечно, речь в них идет о следствиях, а причина, по видимому, одна - такова природа человека.

"Талант, то есть способность к преобразованию - вот, что меня задевает и будит во мне зависть" .Поль Валери "Вийон и Верлен"

Можно ли бороться с завистью? Можно, но какой будет результат - не ясно.

"Чаще всего в идее поражает то, что до нее додумался кто то другой" Данил Рудный-литератор.

"Человек - парадокс во плоти, связка противоречий" Чарльз Калеб Колтон, английский литератор.

Что есть связка противоречий? Мне представляется, что одно из главных противоречий - это противоречие между тем, что человек хочет делать и тем, что ему надо делать, чтобы в будущем не было уж очень плохо. Примеров очень много. Все примеры, которые я уже описывал ранее, могли привести, в случае не решения задачи, к большим неприятостям, начиная от потери в зарплате до потери работы. Ну ладно, на эту тему достаточно. Я ее обозначил, и возможно, это кому нибудь поможет).

А теперь про принцип компенсации. Начну сразу с примера, и как всегда - с брака. Кстати, на днях мне пришлось подписывать свою книгу "От технологического брака до научного открытия" для корейцев и переводчик - кореец долго объяснял им, что такое брак. Только термин "дефект" их успокоил. Возможно этот термин (брак) в ходу только у нас. Да, хочу отметить, - так как это происходило давно, то возможно, я кое что упущу, а кое что добавлю, но сюжет от этого не изменится.
Как то я начал разрабатывать новый ВЧ -транзистор. Мне пришлось на одной операции увеличить температуру и через какое то время я обнаружил ,что выход годных р-n переходов составляет примерно 50%. Оказалось, что бракованные p-n переходы имеют так называемые "мягкие" вольтамперные характеристики. Это означает, что в область p-n переходов попадают неконтролируемые примеси металлов - меди, железа, золота, и т.д. Как они, эти примеси, попадают в рабочий объем трубы, выполненной из сверхчистых материалов?
Было высказано предположение, что из нагревателя. Нагреватель высокотемпературной печи в своем составе содержит многие элеметы из таблицы Д.И.Менделеева. Но он расположен снаружи трубы. Неужели эти загрязнения проходят сквозь трубу? Конечно, мы и не предполагали ничего подобного.
Посмотрим, как протекает сам процесс.Но сначала несколько слов о печи и кваревых трубах. Печь имеет длину три метра, имеет три канала диаметром сто - двести мм. в которые вставляются кварцевые трубы того же диаметра и длины. По длине рабочей зоны трубы поддерживается постоянная температура с высокой точностью: плюс минус 1 градус при Т 900-1100град. При прохождении тока по нагревателю он нагревается до температуры 1100 град. Теперь уже можно сказать, что он начинает "газить", то есть происходит микроскопическое испарение веществ, из которых он сделан. При этой температуре концентрация примесей становится значительной. Примеси высаживаются на внешнюю поверхность кварцевой трубы и начинают диффундировать внутрь кварцевой стенки.Пройдя стенку насквозь, примеси проходят в объем трубы и высаживаются на пластинки кремния, которые стоят в трубе. Далее, эти примеси диффундируют в кремний, в области, легированные бором, которые представляют из себя прекрасный геттер для примесей и таким образом они попадают в p-n переходы. При подаче на p-n переход даже низкого напряжения постепенно наступает лавинный пробой и переход бракуется по величине обратного тока коллекторного перехода.

Мы рассмотрели причинно - следственные связи (ток - причина, нагрев - следствие; нагрев - причина, испарение - следствие и так далее). Можно весь этот процесс рассмотреть и с точки зрения энергии - на что она тратится и какие дополнительные эффекты возникают? Там, где идет переменный ток-до выпрямителя, там возникают все эффекты, сопутствующие прохождению переменного тока - появление электромагнитного поля, распространение электромагнитных волн, разогрев проводов, разогрев воздуха и т.д. На внутренней стенке кварцевой трубы образуется боросиликатное стекло, которое представляет собой отличный геттер - в нем растворимость быстродиффундирующих примесей особенно высока, и так как примесь концентрируется в геттере, то в кремнии образуется градиент концентрации примесей.
Мы проследили маршрут примесей от нагревателя до кремния, и вот тут возникают интересные вопросы. Температуру в трубе измеряют по центральной горизонтальной линии и поддерживают ее с высокой точностью на уровне 1000 градусов. При этой температуре еще никаких явлений, описанных мной выше, в значимых количествах, происходить не должно. Какая же Т самих нагревателей, если в трубе она 1000град.? Оказалось что нагреватель сам разогрет до 1100 градусов. А при этой температуре он уже начинает "газить" испарениями различных материалов, входящих в его состав. Испарения эти формально очень невелеки, но для полупроводникового производства их влияние оказывается существенным.

Следующий вопрос: как примеси высаживаются на внешнюю стенку трубы - как на более холодную, или напыляются, как при термическом напылении металлов?

Попутно выявлялись, но к сожалению тут же нами отбрасывались иные потенциальные проблемы, которые могли бы заинтересовать экологически озабоченное общество.Например: печь охлаждается с помощью проточной воды, которая уносит часть тепловой энергии, в трубках холодильника происходят коррозионные процессы, и вся эта масса теплой воды может стать местом жизни и размножения бактерии, вирусов, и они направляются в сточные люки. По видимому, для дезинфекции этой воды требуется дополнительная энергия и самое главное - внимание к этой проблеме.

Теперь вернемся к началу- что же нам делать, чтобы получить 100% выход p-n переходов, как преградить путь быстродиффундирующим примесям, чтобы они не попадали в кремний? Было предложено много решении - от снижения температуры в печи до обмазки кварцевых труб спецпокрытиями. Когда мы работали при более низкой температуре у нас выход тоже был не 100%, и мы не знали почему, списывая все на общие трудности организации процесса и на то, что 100% выхода нет ни на одном производстве. Но вот мы увеличили температуру, ЗАМЕТНО НАРУШИЛИ РАВНОВЕСИЕ или ЗАКОН о котором не знали и получили его яркое проявление. По видимому это закон испарения примесей из материала сложного состава.

Когда я сейчас говорил о процессе, я хотел показать, что энергия первоначальной причины - прохождения тока по нагревателю, компенсируется целым рядом последовательно возникающих процессов с ответвлениями, например охлаждением водой и т.д. и мы должны углубляться во все это, чтобы увидеть последний процесс, который может быть был нам неизвестен. Вот в чем соль этого принципа, описанного Ю.Г.Белостоцким.

(Очевидно, увидеть , не значит увидеть глазами, но и увидеть с помощью чувствительных приборов). Обратив внимание на процесс геттерирования, мы стали его применять для повышения выхода годных, сделали попытку по аналогии изготовить транзистор с постоянным геттером и т.д. Но ничего этого не надо было бы делать, если бы у нас были архичистые материалы - трубы, газы, нагреватели и т.д. На вопрос, что делать, чтобы не допустить попадание примесей на кремний, я дал ответ - использовать двойную кварцевую трубу. (Я раньше уже рассказывал об этом предложении). Оно было отвергнуто руководством, - дорого, но буквально через какое то время в журнале "Электроникс" появилась маленькая заметка о использовании одной зарубежной фирмой двойных труб, я ее сразу показал начальству, это подействовало и мы начали использовать двойные трубы с продувкой газом между стенками трубы и размещением там же геттера - боросиликатного или фосфоросиликатного стекол. Получилось очень хорошо, брак практически исчез.

Такие трубы по нашей просьбе опробовали и те, кто делали МОП транзисторы. Они тоже получили блестящие результаты. После того как я познакомился с ТРИЗ и помятуя о тенденции "моно-би-поли-поли разные", я рассмотрел эту задачу и сформулировал ФП. Стенки трубы должны быть толстыми, чтобы увеличить путь для примесей, и стенки должны быть тонкими, чтобы они не искажали температурное поле в трубе (и, естественно, для экономичности установки). Разрешить это ФП можно предложив двойную трубу (БИ), у которой обе трубы имеют тонкие стенки, но учитывая зазор между труб - совокупная толщина получается большой.

Я сформулировал здесь одно ФП, но для любой ТС как и для человека из вышеприведенного афоризма, можно сформулировать связку ФП. Приведем еще пару ФП для нашей трубы.

Между нагревателем и стенкой трубы.должен быть экран, который не пропускает примеси, и экрана не должно быть, чтобы не искажалось тепловое поле.

Нагреватель не должен в своей структуре иметь примеси металлов, и в то же время примеси должны быть, так как не разработаны нагреватели с полупроводниковой чистотой материалов.

Очевидно,что каждое ФП может быть представлено в трех ипостасях: - существительным, глаголом и прилагательным. Например:

Стенка трубы должна быть ТОЛСТОЙ - прилагательное.

Стенка трубы трубы не должна ПРОПУСКАТЬ - глагол.

Стенка трубы должна быть из кварца -СУЩЕСТВИТЕЛЬНОЕ так как это единственный материал с полупроводниковой чистотой, и должна быть не из кварца так как он очень дорогой, а сырье для его изготовления приозят из за рубежа.

(Это противоречие в последствии было разрешено созданием кремниевых труб.)

В результате применения двойных труб получился громадный экономический эффект. Мне могут сказать, что когда задача решена то это решение легко получить с помощью инструментов ТРИЗ. Я же хочу особенно подчеркнуть, что проверка решения тризовскими инструментами вселяет в меня только уверенность в свих силах, что вообще то говоря чрезвычайно важно.

На этом примере можно также продемонстрировать сущность так называемого противоположного эксперимента. После того как получили брак в одной трубе, встал вопрос: примеси попадают с наружи или имеются внутри трубы, или на пластинах? Давайте проведем ПЭ. Его суть проста - сделаем в ПЭ все так же как и в первом, но только резко изменим ОДИН параметр, в нашем случае не одинарная, а двойная труба! Имея результаты двух экспериментов значительно легче разобраться с возникшими неприятностями.

Я попытался на одном примере показать как пользоваться принципом компенсации, воможно мне не все удалось,как хотелось, но главное достигнуто. Вы знаете, что такой принцип есть, а более подробное знакомство с ним в век интернета почти ничего не стоит. И, наконец, мне приятно сказать, что прибор, при разработке которого был обнаружен описанный брак, был сдан госкомиссии и выпускался серийно, получив номер КТ 325.

В.Митрофанов


Главная    Конференция    "Размышления" часть 15