Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.

Создание идеологии, полных комплексных систем вакуумного оборудования
(основанных на устройствах и элементах
исключающих трение движения
и предназначенных для работы в области
микро и наноэлектроники и других высоких технологий)

 

 

Александрова А. Т., Васин В. А.

(МИЭМ)

 

Анализ тенденций развития современной электронной техники в отечественной практике и в промышленно развитых странах свидетельствует о непрерывном расширении масштабов применения высоких вакуумных технологий и технологического оборудования для их реализации.

Одним из важнейших факторов, определяющих уровень и надёжность оборудования этого класса, является не только его способность формировать необходимые для соответствующих технологических процессов вакуумные условия,  но  и  сохранять  их  стабильными  в  течении  технологического цикла.

Аналогичные проблемы возникают при создании высоковакуумного оборудования в приборостроительной, авиационной и космической технике, в прецизионной металлургии для уникальных процессов атомной и термоядерной энергетики, ядерной физики, физики элементарных частиц и др. вплоть до тонких химических и медицинских технологий.

Сохранение «чистого» вакуума в процессе работы высоковакуумного автоматического оборудования с размещением в рабочих объёмах вакуумных камер различных функциональных систем и устройств для ориентации и перемещения изделий относительно источников технологического воздействия, их транспортирования и межкамерного шлюзования в многомодульных системах и т.д. является достаточно сложной комплексной задачей.

В то же время автоматизация сложных технологических процессов требует размещения в рабочих объемах высоковакуумных камер ряда механизмов, которые во многих случаях могут стать источниками генерации «загрязнений», так называемой привносимой дефектности вакуумной среды, в том числе наиболее опасным их видом — микрочастицами износа, при наличии в составе функциональных механизмов узлов внешнего трения скольжения или качения (рис. 1, 2, 3).

Рис. 1. Характер износа зубьев шестерён в вакууме:

а) износ зубьев для тяжело нагруженных зубчатых пар;

а) износ зубьев для мало нагруженных (приборных) зубчатых пар;

Рис. 2. Характер износа зубьев венца из стали 45, после 60-и часов работы в вакууме при отсутствии смазки.

Устранить генерацию микрочастиц износа трущихся пар возможно только в случае их полного исключения в конструкциях функциональных механизмов. Одной из таких возможностей является создание различных исполнительных устройств и систем с использованием принципа управляемой упругой деформации, при которой эффект функционирования механизмов создаётся в результате внутреннего трения.

 

Рис. 3. Состояние поверхности трения после двух часов работы в вакууме контактирующих пар из стали ШХ15.

Данный комплекс направлений впервые в мировой практике предложен и разработан до промышленного применения авторами.

Механизмы этого типа основаны на использовании герметичных  полых трубчатых элементов различного геометрического очертания (приводов) различной формы нормального поперечного сечения и ориентации друг относительно друга в составе законченного устройства или системы.

Для приведения в действие приводов в каждый из них независимо подаётся газообразный или жидкий энергоноситель. Создающий в герметичной полости привоов необходимое давление для деформации их в упругой области. Величиной создаваемых давления и соответственно деформации легко управлять.

В качестве газообразных источников давления может использоваться сжатый воздух заводских магистралей при условии стабилизации давления, а также автономные пневмоисточники, в числе которых наиболее привлекательным является применение термосорбционных компрессоров, создаваемых на основе водородно-гидридной технологии.

Могут использоваться также встроенные малоинерционные обратимо действующие термосорбционные системы, использующие для стимулирования процессов сорбция – десорбция термоэлектрические эффекты, например эффект Пельтье.


Наряду с этим для создания чистого безмасляного вакуума разработано направление форвакуумных насосов действующих на принципе управляемой упругой деформации.

Рассматриваемая работа даёт пример полного цикла развития нового научного направления.

Начиная с разработки и исследования приводов управляемой упругой деформации на основе трубчатых элементов был создан комплекс исполнительных устройств для работы в технологическом объёме в условиях вакуума. Затем была пройдена цепочка от коммутационных устройств до форвакуумных насосов, с образованием родственных направлений в области электронного машиностроения и вакуумной  техники.

Пройдено две «волны» создания новых приводов и усовершенствования устройств на их основе.

Проведены работы по формированию научных школ и обеспечению кадрами путём внедрения полученных результатов в образовательный процесс.

Завершение формирования направления привело к проникновению в смежные отрасли в том числе в тонкую химическую и медицинскую промышленность(что подтверждено актами внедрения в производство инсулина и опиатных анаболиков).

Была подтверждена значимость для устойчивого функционирования направления необходимости поддержки фундаментальных исследований, особенно в области технологических процессов, которая и производится.

Развитие и совершенствование новых технологических процессов предъявляет новые, всё более жесткие требования к оборудованию, что обеспечивает непрерывное функционирование направления.

Идеология создания функциональных устройств и систем без узлов трения для оборудования высоких вакуумных технологий

Современное автоматизированное оборудование высоких вакуумных технологий требует особого подхода к созданию функциональных устройств различного назначения, размещенных в объеме высоковакуумных камер.

Несмотря на общность задач, связанных с автоматизацией производственных процессов, и на фундаментальность теории автоматизации, в различных отраслях промышленности возникают технические трудности при решении проблем создания специального автоматизированного вакуумного оборудования, например, для процессов термического и магнетронного осаждения пленок, ионной имплантации, молекулярно-лучевой эпитаксии, электронно-лучевой, синхротронной литографии и др.

Очевидно, что дальнейшее развитие технологий производства изделий микро и наноэлектроники потребует в числе прочих задач еще более высокой чистоты технологических вакуумных сред с исключением, в том числе наиболее опасного вида загрязнения - микрочастицами износа, распространяющимися из пар трения функциональных механизмов.

Одним из методов создания функциональных механизмов, предназначенных для работы в вакууме и воспринимающих его дестабилизирующее влияние без снижения надежности, является использование для формирования усилий и перемещений приводов управляемой упругой деформации, особенно — гарантирующих высокую точность позиционирования

Появление нового класса механизмов обусловлено необходимостью не только снижения, но и полного исключения продуктов износа элементов механизмов.

Известно, что в прецизионной технологии микроэлектроники считаются критическими размеры микрочастиц, составляющие 0,1 от минимального размера топологического элемента микросхемы, что составляет 0,0025-0,0100 мкм.

В таблице.1 приведены данные по минимальным размерам топологии микросхем и соответствующим критическим размерам микрочастиц загрязнений, достигнутых рядом ведущих мировых фирм в 2000 и 2005 гг.

Известно, что при наличии в составе функциональных механизмов пар трения образовавшиеся микрочастицы в большинстве случаев приобретают электрический заряд, благодаря которому могут мигрировать в вакуумных объемах и осаждаться на обрабатываемых п/п пластинах, снижая коэффициент выхода годных микросхем, который по параметру и «привносимой дефектности» выражается следующей зависимостью:

hr =exp[-DAvP(dч -dкр)]

где    D - доза привносимой дефектности;

А - площадь кристалла;

v - доля площади кристалла, занятая микроструктурами;

P(dч -dкр) - доля попавших на кристалл микрочастиц с размером dч , большим dкр ;

dч и dкр – средний и критический размеры микрочастиц.

  Отсюда выражение для дозы привносимой дефектности имеет вид:

 


Таблица 1.

Минимальные размеры топологии микросхем и соответствующие им критические размеры микрочастиц загрязнения.

Фирма

Разрешение

(по поверхности/эффективное)

Критический размер микрочастиц

2000 г.

2005 г.

2000 г.

2005 г.

American Micro Instruments (AMI)

0.5/0.5

 

0.05

 

Austria Micro Systems (AMS)

0.6/0.5

 

0.055

 

Epson

0.25/0.25

0.1

0.025

0.011

FUJITSU

0.25/0.18;

0.35/0.28; 0.5/0.45

0.060

0.022;

0.032; 0.048

0.007

HITACHI

0.18/0.15;  0.2/0.18; 0.35/0.28;  0.4/0.35

0.065

0.016; 0.019; 0.032; 0.038

0.006

LG SEMICON

0.4/0.3

0.12

0.038

0.010

hSI Logic

0.25/0.18; 0.35/0.25

 

0.022; 0.03

 

Lucent Technologies

0.24/0.25

 

0.025

 

National Semiconductor

0.22/0.18

0.1

0.02

0.010

OKI

0.35/0.28

 

0.031

 

SGS-THOMSON

0.25/0.2

 

0.023

 

SIEMENS

0.25/0.22;

0.35/0.25;  0.5/0.3

0.1

0.023;

0.035;  0.05

0.009

Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSMC)

 

0.08;

0.065

 

0.010;

0.008

Texas Instrument

0.23/0.18;

0.32/0.22  0.42/0.35

0.080

0.02

0.008

® Intell

 

0.045

 

0.005

Vlsi Technologi

0.2/0.15;  0.25/0.18

 

0.018; 0.022

 

 

Если в вакуумных камерах оборудования работают механизмы, генерирующие привносимую дефектность в виде микрочастиц износа, то, очевидно, и надежность оборудования должна оцениваться с учетом этого фактора. Если обозначить вероятность безотказной работы оборудования P(t), то:

где    К - количество механизмов;

Pi(t) - вероятность безотказной работы i - го механизма в составе оборудования, размещенного в вакуумной камере;

Ф(t) - Фдоп - текущее и  допустимое значение уровня привносимой дефектности;

U [Ф(t)-Фдоп ] - функция при Ф(t) = Фдоп принимает нулевое значение, и соответственно P(t)=0

Таким образом, в случае превышения уровня (дозы) привносимой дефектности D по отношению к допустимому значению при достижении некоторого времени τ вероятность безотказной работы оборудования принимает нулевое значение и его дальнейшая эксплуатация становится бессмысленной (рис. 4), т.е.

 



                                                                                Рис. 4. Качественная зависимость t

                                                                              от уровня привносимой дефектности

 

Наибольший эффект повышения надежности вакуумного оборудования может быть достигнут в случае полного исключения привносимой дефектности со стороны действующих функциональных механизмов, устройств и систем.

Так общую идеологию разработки и создания вакуумных устройств и систем можно кратко представить в форме четырёх основных направлений, предложенных Александровой А.Т. ещё в послевоенное время:

1. Всевозможное упрощение структуры и оптимизация геометрии вакуумных систем ;

2. Максимальный вынос оборудования из технологической вакуумной среды и его экранирование, в том числе сильфонами и гибкими оболочками;

3. Применение форвакуумных и высоковакуумных насосов без узлов трения движения и сильных магнитных полей (криогенные и модернизированные турбомолекулярные), замена трехступенчатой системы откачки на двухступенчатую или одноступенчатую, по возможности на данном развитии уровня техники;

4. Устранение на всех исполнительных и коммутационных устройствах узлов трения движения и замена их приводами управляемой упругой деформации.

              С ростом требований к чистоте технологической среды и значительно возросшей возможностью математического моделирования, связанной с лавинообразным ростом мощности вычислительных средств, первые три пункта данной идеологии, по факту, применяются ведущими зарубежными и отечественными производителями вакуумной техники. Наиболее популярна сейчас концепция «сухого» вакуума.

Так был предложен Александровой А.Т. принцип конструирования механизмов вакуумного оборудования на основе приводов управляемой упругой деформации. Из них хорошо зарекомендовали себя упругодефор-мируемые пневмоприводы, механические упругодеформируемые приводы не показали своей эффективности.

Активное развитие и применение направление получило только последние 20-30 лет, в связи с необходимым для её применения развитием промышленности,.

Приводные элементы механизмов управляемой упругой деформации

Применение приводов на основе управляемой упругой деформации для формирования перемещений и усилий в высоком вакууме позволяет создать герметичные механизмы различного назначения с полным исключением пар трения движения, отсутствием привносимой дефектности в виде микрочастиц износа и высоким быстродействием на уровне 0,1 -0,2 с.

Основой приводных элементов этого типа являются тонкостенные герметичные пневматические полые пружины с различным законом изменения радиуса кривизны центральной оси и некруглой формой нормального поперечного сечения (плоскоовальной, овальной, ромбической и др.).

Давление, подаваемое во внутреннюю полость приводных элементов, вызывает его деформирование, которое не должно выходить за пределы упругой области.

В зависимости от требуемого исполнительного перемещения по величине и виду траектории применяют три вида приводных элементов: с незамкнутым контуром, очерченным по постоянному или переменному радиусу кривизны; с замкнутым контуром, образованным герметично соединенными между собой дугами упруго-деформированных целых элементов, создающих единую полость; с прямолинейной осью гладкого и спиралевидного типа.

Приводные   элементы   ( с   незамкнутым   контуром)   (рис.   5,   а-е)

характеризуются возможностью моделирования конфигурации центральной оси по определенному закону для получения требуемого направления траектории перемещения свободного конца и последовательно соединенных с ними элементов механизма.

Рис. 5. Виды приводных элементов

В ряде случаев эта возможность очень важна. Наиболее распространенным и технологичным является приводной элемент с постоянным радиусом кривизны центральной оси (рис. 5, а). От величины радиуса и геометрических параметров сечения (рис. 5, к) зависит величина перемещения λ свободного конца. Эта величина, в случае необходимости, при подсоединении к его свободному концу прямолинейного элемента в виде стержня или трубки позволяет увеличить перемещение до λ1 (рис. 5, б).

На рис. 5, в-е показаны приводные элементы, центральная ось которых, изменяется по различным законам - соответственно по архимедовой спирали, параболе, синусоиде, гиперболе исключительно с целью формирования необходимой траектории перемещения.

На рис. 5, ж приведена схема многовиткового приводного элемента, позволяющего получить угловое перемещение свободного конца при четном количестве витков по траектории, близкой к окружности.

Угловое перемещение формируется системой приводных элементов, соединенных общим коллектором 1, через который давление подается одновременно в три привода 2 с идентичными параметрами, передающих движение на кольцевую обойму 3 воспринимающую только тангенциальную составляющую общего перемещения привода (рис. 5, з).

Возможно формирование с использованием приводов незамкнутого контура (типа змейки) прямолинейного перемещения (рис. 5, и).

На рис. 5, к-л изображены варианты приводов замкнутого контура, формирующие линейное перемещение, максимальная величина которого совпадает с осью симметрии, проходящей через штуцер подачи избыточного давления.

На рис. 5, м-н представлены приводы соответственно с прямолинейной осью (рис. 5, м) для формирования линейного перемещения за счет деформации нормального поперечного сечения и спиралевидные (рис. 5, н) для формирования углового перемещения.

Новое направление создания сильфонных приводов управляемой упругой деформации  (нетрадиционных форм и траекторий движения)

Новые требования к приводам управляемой упругой деформации, заключающиеся в необходимости при средней точности позиционирования совершать значительные перемещения со значительными усилиями и заданной непрямолинейной траекторией перемещения потребовали создания соответствующих сильфонных приводов.

Принцип действия таких приводов заключён в разной жесткости гофр сильфона как в плоскости гофр сильфона, так и по центральной оси сильфона.

На рис. 6. показаны варианты сильфонного привода с криволинейной траекторией перемещения (изобретение защищено патентом № 2213278).

Привод перемещения состоит из сильфона 1, герметизируемого заглушками 2 и 3 в одной из которых выполнен штуцер 4, предназначенный для подачи энергоносителя и закрепления привода. У гофр 5 сильфона 1 предназначенных для создания криволинейного перемещения центры 6 и 7 внешней и внутренней окружностей 8 и 9 не совпадают.

На рис. 6. а. расстояния между центрами 6 и 7 внешних и внутренних окружностей 8 и 9 различных гофр 5 различны но лежат в одной плоскости, обеспечивая необходимую траекторию перемещения с переменным радиусом кривизны.

Рис. 56. а.. Сильфонный привод с плоской криволинейной траекторией перемещения.

На рис. 6. б. расстояния между центрами 6 и 7 одинаковы, но лежат на пространственной винтовой поверхности, обеспечивая приводу объемную траекторию движения. а) привод находится в сжатом, б) – в растянутом состоянии.

Требования в коммутационной аппаратуре к большим усилиям уплотнения при средней точности позиционирования и величине перемещения в сочетании с требованием к малым размерам привода привели к созданию кольцевых и плоских сварных сильфонных приводов.

Основой создания данных конструкций стали перемычки, лежащие в плоскости гофр сильфонных приводов и придающие жесткость сильфонам в поперечном сечении, препятствуя сминанию и короблению.

На рис. 7. показан плоский сильфонный привод криволинейного перемещения (патент на изобретение № 2205996).

Он содержит герметизированный двумя заглушками 1 и 2. в одной из которых выполнен штуцер 3 сильфон 4 продольный размер которого по большей оси 5превышает её размер по меньшей оси 6. гофры сильфона 4 выполнены несимметрично: большие оси 5 внешнего контура 7 и 5' внутреннего контура 8 каждого гофра не совпадают. Центральные оси сильфона по внутреннему и внешнему контуру при сжатом состоянии сильфона и отсутствии давления представлены параллельными прямыми. Привод снабжен соединяющими внутренние контуры гофр 8 перемычками 9 выполненными с отверстиями 10, соединяющими все части внутренней полости 11 сильфона 4.

Рис. 6. б. Сильфонный привод с пространственной криволинейной траекторией перемещения.

При подаче энергоносителя во внутреннюю полость 11 сильфона 4 через штуцер 3 происходит деформация гофр. За счёт неравномерной жесткости гофр по малой оси сечения 6 в плоскости гофр, деформация гофр неравномерна, за счёт чего и создаётся криволинейное перемещение. Перемычки 9 установленные между внутренними контурами 8 гофр препятствуют деформации последних в поперечном направлении сильфона 4.

 

Рис. 7. Плоский сильфонный привод криволинейного перемещения.

 

При снятии давления энергоносителя происходит его покидание внутренней полости 11 сильфона 4 и возвращение сильфона в исходное положение за счёт упругой деформации гофр.

На рис. 8. показан плоский сильфонный привод прямолинейного перемещения (патент на изобретение № 2205995). Так как данный привод действует аналогично плоскому сильфонному приводу криволинейного перемещения, но за счет симметричности гофр относительно большой оси сечения в плоскости гофр создаёт прямолинейное перемещение, то большая ось может иметь не только прямолинейную но и любую другую, заданную на плоскости форму, в том числе и кольцевую.

Рис. 8. Плоский сильфонный привод прямолинейного перемещения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


б)

 

а)

Рис. 9. Привод криволинейного перемещения с кольцевым сильфоном:

На рис. 9. показан привод криволинейного перемещения с кольцевым сильфоном (патент на изобретение № 2215199). Он представляет собой два сильфона с криволинейной траекторией перемещения вложенные один в другой (1 – внешний, 2 – внутренний), таким образом, что центральные оси их внутренних и внешних гофр лежат в одной плоскости и ориентация гофр внутреннего и внешнего сильфонов по жесткости совпадает. Кольцевое пространство между сильфонами по торцам герметизировано заглушками 4 и 5 (в одной из которых установлен штуцер 6 для подачи энергоносителя во внутреннюю полость 3) таким образом что внутри меньшего сильфона образовано сквозное отверстие 7. Гофры внутреннего и внешнего сильфонов соединены перемычками 8 (которые оснащены сквозными отверстиями 9) лежащими в плоскости гофр.

Действует данный привод аналогично плоскому сильфонному приводу криволинейного перемещения.

Эффективность данного направления доказана экспериментально и сейчас ведутся работы по исследованию и созданию математической модели данных устройств.

Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 7, 2009 г.