Конспект лекций 2.1 (Лекции от Панфилова)

Московский государственный технический университет

им. Н.Э.Баумана

Факультет

«Машиностроительные технологии»

Ю.В.Панфилов

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МИКРО И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

(Конспект лекций.Часть 2.)

Москва

2014

Содержание

Введение

Модуль 2.1

1. Этапы развития и критерии создания нового оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, вакуумно-плазменного травления, ионной имплантации, быстрой термической обработки.

2. Типовое вакуумное технологическое оборудование.

Модуль 2.2

1. Чистые производственные помещения.

Модуль 2.3

1. Выбор структурно-компоновочных вариантов оборудования по критериям производительности и качества.

Введение

«Наука и искусство проектирования»[1]ставит проектирование на один иерархический уровень с познанием, причем отмечает, что познается, как правило, уже существующее, а проектируется – новое.

И звестно, что машины различного технологического назначения состоят из следующих структурных элементов: механизмов и устройств рабочих РХ ходов (технологическая часть, отражающая виды и способы воздействия на обрабатываемое изделие) и холостых ХХ ходов (конструктивное исполнение, отражающее виды и способы загрузки, выгрузки, закрепления и перемещения изделий, размещения всех элементов машины), а также системы управления СУ. Спецификой вакуумного технологического оборудования, например для нанесения тонких пленок, является наличие вакуумной системы ВС (рис.1).

Рис.1 Структурная схема установки для нанесения тонких пленок в вакууме

Выбор структурно-компоновочного варианта оборудования ведется по критерию максимума фактической производительности, обеспечивающей наиболее эффективное сочетание быстродействия и надежности функционирования оборудования, а также выхода годных изделий.

Из теории производительности машин следует, что фактическая производительность определяется произведением цикловой производительности оборудования на ряд коэффициентов [1]:

, (1)

где Q_Ц — цикловая производительность оборудования, равная общему количеству выпускаемой продукции за время (часы, минуты и т.д.) бесперебойной работы, шт/час (м²/мин, кг/сутки); _ф — коэффициент функционирования оборудования, равный отношению времени фактической работы оборудования по выпуску продукции к общему времени его работы, включая времена ремонта, наладки и т. д.; _г — коэффициент выхода годных изделий, равный отношению количества годной продукции к ее общему выпущенному количеству. Значение минимально допустимого коэффициента выхода годных изделий обычно задается исходя из экономической целесообразности.

Как следует из определения, цикловая производительность является величиной, обратной времени цикла работы установки. Время цикла T может быть определено по следующей формуле:

, (2)

где t_р – длительность рабочего хода – времени изменения размеров, структуры и свойств поверхности обрабатываемого изделия (обезгаживания и нагрева подложки, нанесения пленки, стабилизации параметров пленки и т.п.); t_х - длительность не совмещенных с t_р холостых ходов, например, открытия, закрытия и откачки рабочей камеры, загрузки и выгрузки изделий).

Коэффициент функционирования определяется по формуле

,

где Т_Вj — среднее время восстановления j-го элемента оборудования, час; Т_Нj — средняя наработка на отказ j-го элемента оборудования, час; k — общее число элементов в оборудовании, шт. При условии равной надежности всех элементов и типичных для вакуумного технологического оборудования показателей его надежности Т_в=2 – 5 ч. и Т_н=50 – 200 ч. коэффициент функционирования _ф изменяется от 0,97 до 0,3 в зависимости от k (приемлемые для ремонта и обслуживания значения _ф=0,7 – 0,9).

Коэффициент выхода годных изделий является случайной величиной и зависит от нескольких факторов: качества исходных материалов подложки и покрытия, состава смеси рабочего газа и др. Компоновка оборудования влияет на коэффициент выхода годных изделий через поток привносимой дефектности в виде микродисперсных частиц (МДЧ) износа деталей устройств и механизмов, отслоения конденсата тонкопленочных покрытий от стенок вакуумной камеры и внутрикамерной оснастки, аэрозольных частиц в напускаемых газах и т.д.

В таблице сведены все составляющие времени и потери производительности технологического оборудования, а также коэффициенты, определяющие баланс потерь времени при производстве продукции.

Длитель- Составляющие времени Коэффициенты Производительность

ность

Цикла Tt_р - время рабочего хода Производительности Технологическая

t_х - время холостого хода K= p / t_р

T=t_р +t_х Цикловая

_с =_м +_бТехнического использования Техническая

_с-собственные Q_тех=Q_ц_{т ех}=Q_ц_ф_г

_м- по механизмам Функционирования

_б- из-за брака

Выхода годных

Простоев



Загрузки

_от - организационно-

технические причины Фактическая

_п- суммарные простои Использования Q_ф = Q_тех _з =

_п=_с+_от Q_ц _ф _г _з =

Q_ц_ис

Графически потери времени, определяющие, в конечном счете, недовыпуск продукции, представлены на следующем рисунке. Количество выпускаемой продукции Z в штуках (например, автомобилей или персональных компьютеров), в метрах (например, прокат или проволока с защитным покрытием), метрах квадратных (например, металлические листы или архитектурное стекло с энергосберегающим тонкопленочным покрытием), в килограммах (например, мясные продукты или углеродные нанотрубки), в литрах (например, напитки или чистящие средства) и т.п.зависит от длительности технологических процессов, т.е. от отведенного на это фонда времени  в секундах, минутах, часах, сменах, сутках, годах.

Этот фонд времени тратится как на производительную работу оборудования _р, т.е. на выпуск годной продукции, так и на запланированные и незапланированные простои оборудования _п.

Z,шт (м, м², кг, л и т.п.)

Z _т при _п =0

Р абота без простоев

_р_п

 фактический

Z _ф выпуск

₁₂_n - простои t, с (мин, ч)

базовый период наблюдения ₀

плановый фонд времени 

Пример расчета производительности

1) t_р=35 мин; t_х=5 мин; T=t_р+t_х=40 мин; Q_ц= 1/T=0,025 шт/мин (1,5 шт/ч)

K=1/tр=0,029 шт/мин (1,7шт/ч); =t_р/(t_р+t_х)=0,875;

87,5% - обработка и 12,5% - вспомогательные операции

1. _ис =0,8; 80% времени машина работает и выпускает годную продукцию;

20% - простои по различным причинам;

Q_ф=Q_ц_ис =1,5^.0,8=1,2 шт/ч (9,6 шт/см) (смена 8 часов);

3) _тех = 0,85; 85% времени машина работает и выпускает годную продукцию при обеспечении ее всем необходимым (заготовками, инструментом и т.п.);

15% - предупреждение, обнаружение и устранение отказов;

Q_тех=Q_ц_{т ех}=1,27шт/ч (10,1шт/см);

4) _з = 0,95; 95% времени машина работает и простаивает из-за отказов и брака; 5% - простаивает по организационно-техническим причинам;

Q_ф=Q_тех_з=1,2_шт/ч (9,6 _шт/см);

5) _ф=0,9; 90% планового фонда времени машина работает выпуская как годную, так и бракованную продукцию;

10% -простаивает из-за отказов механизмов и устройств (при полной загрузке мащины);

1. _г=0,94; 94% времени работы машина выпускает годную продукцию;

6% - выпускается бракованная продукция;

Q_ф = Q_ц _ф _г _з = 1,5^.0,9^.0,94^.0,95 = 1,2 шт/ч (9,6 шт/см)

Наглядно потери времени, а, следовательно, и потери производительности оборудования, можно представить балансом производительности, показанном на следующем рисунке.

Баланс производительности

Q_тех Q_ф

K Q_ц

 _от

_м_б

t_х_с

Модуль 2.1

1. Этапы развития и критерии создания нового оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, вакуумно-плазменного травления, ионной имплантации, быстрой термической обработки.

Развитие оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме происходит по мере совершенствования тонкопленочной технологии и ужесточения требований к качеству рабочей среды, необходимости в повышении производительности и степени автоматизации. На рис.2 показаны этапы развития оборудования для нанесения тонких пленок в вакууме, среди которого можно выделить установки периодического действия (а, б, в), полунепрерывного (г) и непрерывного (д) действия, автоматические линии (е). В настоящее время наряду с совершенствованием перечисленных типов установок все более широкое распространение получает оборудование кластерного типа [2] (рис.3).

Установки периодического действия легко адаптируются к изменению технологии, так как принцип их конструирования основан на использовании базовых моделей, включающих в себя рабочую камеру и вакуумную систему, а источники нанесения пленки, приемные устройства для закрепления подложек, устройства нагрева и т.п. комплектуются исходя из требований к конкретному изделию. Так, большинство износостойких и декоративных покрытий на изделиях машиностроения и изделиях широкого потребления наносятся именно на оборудовании данного класса.