Расчет и проектирование автоматизированного оборудования, страница 3

Таблица 2.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УВНТП

Приведем классификацию, которая позволит разделить ШЗУ на группы в зависимости от времени , составляющего холостые хода.

Для группового шлюзования подложек и их индивидуальной подачи в установку можно выделить следующие параметры классификации:

1. Реализация в каждом шлюзе как загрузки, так и выгрузки подложек:1 – нет, загрузка из одной кассеты , выгрузка в другую; 2 – да, выгрузка подложек в ту же кассету, из которой шла ее загрузка.

2. Наличие дублирующей системы шлюзования:1 –нет; 2 – да.

3. Наличие обмена кассет в системе ШЗУ; 1 – нет; 2 – да.

Если каждому ШЗУ присвоить индекс (по порядку пунктов классификации), то возможны следующие варианты; 1.1.1, 1.2.1, 1.1.2, 1.2.2, 2.1.1, 2.1.2, 2.2.2. (рис.2 ).

В общем случае время цикла работы ШЗУ Т_ц.ш будет составлять:

Т_ц.ш = t_н + t_с.к..+ t_от + t_пр+ 2t₃ + t_ип + ((k-1)Т_ц..+ t_зп) + t_п.с. (1.14)

где t_и - время напуска атмосферы в шлюз; t_с.к. - время смены кассеты в шлюзе; t_от - время откачки шлюза; t_в - время срабатывания затвора “шлюз – рабочая камера”; t_пр - время продувки шлюза нейтральным газом (может отсутствовать); t_пр - время установки кассеты в исходное положение для загрузки; k – число подложек в кассете; Т_ц - цикл работы установки; t_з.п. - время загрузки пластины; t_п.с. - время установки кассеты в шлюзе в положении смены (t_и.п. и t_п.с. могут отсутствовать или совмещаться с откачкой или напуском).

При этом [(k-1) Т_ц + t_с.к] - непосредственная работа установки, а остальные времена относятся к шлюзованию партии подложек и потенциально могут составлять дополнительные холостые хода. Обозначим эти дополнительные холостые хода как Т_ш - время шлюзования.

При реализации ШЗУ с двумя шлюзами (один для загрузки, другой для выгрузки) (1.i.j) между партиями подложек в установке имеются временные интервалы, которые определяются дополнительными потерями в шлюзе на входе установки. Так как на выгрузке в установке стоит обычно такой же шлюз, как и на загрузке, все потери по шлюзованию из-за него укладываются в этот временной интервал.

Для ШЗУ второго типа (2.i.j) c выгрузкой подложек в ту же кассету, из которой шла загрузка, возникают дополнительные потери времени из-за ожидания прохода последней подложкой кассеты всех позиций установки; эти потери составят: nТ_ц. Тогда для шлюзов первого типа (1.i.j)

Т_ш =Т¹_ш = t_н+ t_с.к..+ t_пр+2t₃ +t_и.п +t_п.с. (1.15)

для шлюзов второго типа (2.i.j)

Т_ш =Т²_ш = t_н+ t_с.к..+ t_пр+2t₃ +t_и.п +t_п.с. +nТ_ц. (1.16)

Рассмотрим дополнительные холостые хода Δ t_х, возникающие при различных комбинациях параметров по пп. 2 и 3 классификации при реализации шлюзования подложек. В вариантах 1.1.1 и 2.1.1 (см рис.2 ) отсутствует как дублирование, так и обмен кассет в ШЗУ, следовательно, нет совмещения дополнительных холостых ходов и

Δt_х = Тⁱ_ш

В вариантах 1.2.1 и 2.2.1 наличие дублирующей системы ШЗУ позволяет совершать холостые хода одного шлюза во врнмя работы другого:

Δt_х = Тⁱ_ш –z k Т_ц (1.17)

где z – число дублирующих систем ШЗУ; k – число подложек в партии шлюзования.

В вариантах 1.1.2 и 2.1.2 наличие обмена кассет в системе ШЗУ предполагает сдвоенные камеры шлюзования, одна из которых связана непосредственно с рабочей камерой для загрузки (выгрузки) подложек, вторая, – с атмосферой для осуществления шлюзования партии подложек (кассеты или кассет), в то время как из одной кассеты уже идет загрузка (выгрузка)

Δt_x = (Тⁱ_ш – k Т_ц) + Т_обм (1.18)

где Т_обм = (t_п.о + t_о. + t_и.п.). Здесь t_п.о - время установки кассеты в положение обмена; t_о - время обмена; t_.и.п - время установки кассеты в исходное положение загрузки (выгрузки) подложек в рабочую камеру. Если Т_ш – k Т_ц ≤ 0, то Δt_x = Т_обм.

В вариантах 1.2.2 и 2.2.2 в системе ШЗУ присутствует как дублирование, так и обмен кассетами:

Δt_x =[(Тⁱ_ш – k Т_ц)+ Т_обм] – k z Т_ц (1.19)

Если Т_ш – k Т_ц ≤ 0 , то Δt_x = Т_обм – k z Т_ц. То есть возникают возможности для совмещения дополнительных холостых ходов как по варианту 1.1.2, так и по варианту 1.2.2.

Для любой из формул (1.17) - (1.19) получение Δt_x < 0 означает совмещение дополнительных холостых ходов с образованием некоторого запаса по времени.

Варианты с одним потоком подложек в каждом шлюзе (загрузка или выгрузка – 1.1.1, 1.2.1, 1.1.2, 1.2.2) используются чаще для организации УВНТП с прямоточным транспортированием, что упрощает процесс загрузки (выгрузки). Однако установки, соответствующие этим вариантам, менее надежны, так как имеют еще один шлюз – возможный источник отказов.

Варианты с двумя потоками в каждом шлюзе (2.1.1, 2.1.2, 2.2.1, 2.2.2) применяются чаще при возвратном транспортном потоке в УВНТП. Они имеют большую надежность, так как один шлюз используется для загрузки и выгрузки , но в них сложнее осуществить перегрузку пластин.

1. Оптимизация конструктивных параметров шлюзовых

загрузочных устройств

В силу объективных и субъективных причин у разработчиков технологического оборудования нет единого подхода к выбору способа загрузки и выгрузки подложек в рабочие объемы вакуумных установок. На рис. 3 представлены схемы структурно- компоновочных вариантов ШЗУ, реализующие принцип загрузки–выгрузки “из кассеты в кассету”. Способ загрузки влияет на цикловую производительность оборудования через длительность холостых ходов t_x, не совмещенных с рабочим временем t_р.

В настоящее время в вакуумном технологическом оборудовании преимущественно используется индивидуальный вид обработки подложек большого диаметра (более 100 мм). Промышленные установки со шлюзованием отдельных подложек (рис.3, а) характеризуется малым временем (10…30 с) и столь же малым временем. Полупроводниковая пластина из загрузочной кассеты 1 под действием собственного веса соскальзывает в шлюз. Благодаря небольшому объему шлюзовой камеры, рассчитанной только на одну подложку, откачка шлюза занимает секунды и даже доли секунды.

После выравнивания давления в шлюзе и рабочей камере 4 открывается вакуумный затвор и подложка соскальзывает на рабочий столик, который сначала переводится в положение обработки (стрелка вверх), а затем – в положение выгрузки (стрелка вниз). Под действием собственного веса пластина соскальзывает в шлюз выгрузки 3 (при открытом вакуумном затворе и закрытой дверце, соединяющей шлюз с атмосферой), а после закрытия затвора, напуска в шлюз воздуха и открытия дверцы – соскальзывает в кассету 2.

Если перемещение пластин под действием собственного веса затруднено или нежелательно, применяют принудительное перемещение подложек (рис.3,б). При этом откачка шлюзовой камеры, рассчитанной на одну подложку, может занять уже несколько десятков секунд. Принудительное перемещение пластин 1 из кассеты 5 в кассету 3 осуществляется с помощью транспортеров 4 в шлюзовых устройствах и рабочей камеры 2.

В оборудовании со шлюзованием стандартных кассет 1 (рис.3,в) поштучная загрузка подложек в модуль обработки 3 осуществляется после откачки шлюза 5 и открытия вакуумного затвора 2 с помощью транспортера 4. При таком способе загрузки время откачки шлюза составляет несколько минут, а потери на разгерметизацию шлюза и замену кассеты могут составлять до 20 – 30 % времени цикла работы установки.

При вертикальном размещении подложек при загрузке и обработке (рис.3,г ) составляющие затрат времени не отличаются от варианта, представленного на рис. , а такая компоновка выбрана исключительно для уменьшения привносимой дефектности полупроводниковых пластин. Из шлюза 6 пластины, размещенные в кассете 4, с помощью толкателя 5 подаются через вакуумный затвор 1 в рабочую камеру на карусель 2.

Кардинально решить проблему уменьшения привносимой дефектности при загрузке и выгрузке подложек помогает использование вакуумных транспортных контейнеров, снабженных стандартными механическими интерфейсами (СМИФ) (рис. 3,д). При транспортировке от установки к установке кассета 1 постоянно находится в вакуумированном объеме и на пластины не попадает пыль из атмосферы производственного помещения, а при загрузке и выгрузке пластины не подвергаются действию потоков откачиваемого или напускаемого газа, так как откачивается или разгерметизируется только небольшой по объему стыковочный зазор СМИФ 2.

После стыковки контейнера с установкой и откачки зазора открывают вакуумные затворы 6 и кассета 1 перемещается в промежуточную камеру 3. Подложки с помощью толкателя 5 поштучно перегружаются на карусель рабочей камеры.

В этом варианте длительность загрузки подложек в рабочую камеру больше, чем при шлюзовании отдельных подложек (см. рис. 3,а,б),но меньше, чем при шлюзовании кассет (см рис.3,в,г).

Обобщить сведения о влиянии способа загрузки и выгрузки подложек на цикловую производительность вакуумного оборудования позволяет приведенная ниже методика.

Длительность цикла обработки Т_ц. одной подложки для всех представленных на рис. Вариантов можно представить формулой

Т_ц. = t_р + t_x..= t_р + t_3. + t_к (2.1)

где t_н - составляющая t_x , длительность которой практически не зависит от способа загрузки подложек (например, время перемещения пластины из кассеты в шлюз или рабочую камеру); t₃ - составляющая t_x, длительность которой зависит от способа загрузки , например, время откачки шлюза (шлюзование отдельной подложки или кассеты, вмещающей n подложек); t_к – составляющая t_x, длительность которой уменьшается кратно числу n подложек, например, время открытия и закрытия вакуумных затворов (т.е. по длительности данная операция одинакова для любого способа загрузки, но в пересчете на одну подложку при шлюзовании кассеты она уменьшится в n раз).

Определить принадлежность той или иной составляющей t_x к t_н, t₃ или t_к можно, сопоставляя циклограммы работы установок. Такое сопоставление, проведенное для наиболее типичных отечественных и зарубежных промышленных вакуумных технологических установок. Такое сопоставление, приведенное для наиболее типичных отечественных и зарубежных промышленных вакуумных технологических установок, позволило выявить зависимость длительности холостого хода от числа одновременно шлюзуемых подложек n и представить составляющие в формуле (2.1) в виде

t_x = t_н + n ^m-1 t`<sub>3</sub> + (1/n) t`_к (2.2)

где t`<sub>3</sub> и t`_к - составляющие t_x при шлюзовании отдельной подложки; m – показатель степени t₃ зависимости в (2.1) от n.

Значение m определяют следующим образом. Сопоставляя циклограммы работы установок со шлюзованием заданного числа подложек n₀ (равного, например, вместимости стандартной кассеты) и со шлюзованием отдельной подложки, рассчитывают отношение

k = t_n0 / t_x (2.3)

где t_n0 - суммарная длительность операций загрузки, определяющих время t_з в (2.1) при одновременном шлюзовании подложек (например, время откачки шлюза в установках типа представленных на рис.3,в,г. Значение m рассчитывают по формуле

m = ln k / ln n₀ (2.4)