Разработка и исследование устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду оборудования высоких технологий

Актуальность темы

.

Особенности электронного производства, в основе которого лежит использование физико-химических свойств вещества и процессов, протекающих на молекулярном и атомарном уровне, необходимость проведения большинства процессов в условиях высокого и сверхвысокого вакуума с контролируемыми уровнем привносимых загрязнений и составом остаточной газовой среды, требуют особого подхода к процессу конструирования объектов современного электронного машиностроения, для создания которых непригодны традиционные принципы конструирования, принятые в общем машиностроении.

В большинстве случаев высокие технологии, используемые в электронном производстве, основываются на осуществлении сложных комплексных процессов, выполняемых последовательно в едином технологическом цикле на автоматических линиях и установках кластерного типа. В них предусматривается межоперационная транспортировка изделий и полуфабрикатов в герметичных условиях, а также то или иное силовое воздействие на объекты обработки.

К числу таких процессов относится выращивание монокристаллов, многослойное нанесение тонкоплёночных структур, ионное легирование, молекулярно-лучевая, ионно-лучевая и лазерная эпитаксия, сборка различных типов СВЧ приборов и многие другие процессы.

Проведение вышеупомянутых процессов в автоматическом режиме представляет собой технически сложную задачу.

Получение тонких плёнок и покрытий в вакууме, формирование остаточной газовой среды при откачке электронных приборов — всё это случаи, когда технологический процесс обработки построен не только на выполнении определенного комплекса физико-химических процессов, но, кроме того, требует выполнения некоторых механических или силовых воздействий на обрабатываемые изделия, а также относительного перемещения последних внутри вакуумных технологических объёмов. Также вакуумное технологическое оборудование должно быть оснащено рядом исполнительных органов, осуществляющих указанные взаимодействия с изделием в определенной, заранее заданной, последовательности.

Для большинства технологических процессов не должна нарушаться чистота рабочего объёма и состав остаточной газовой среды.

Оптимизация конструирования вакуумного оборудования и его функциональных элементов могли бы решить все эти проблемы. Доскональное исследование многочисленных конструкций автоматизированного вакуумного оборудования радиоэлектронной промышленности и проведённые расчёты показывают, что механические устройства и системы, которые находятся в вакуумных технологических объёмах, генерируют до 50% от суммарного количества привносимых загрязнений микрочастицами и создают дополнительные газовые нагрузки, составляющие от 20% до 40% газового потока создаваемого во время обработки изделий.

Проблемы трения, изнашивания, герметичности и снижения факторов дестабилизации среды являются основными для оценки работоспособности внутрикамерных устройств по критериям, установленным в соответствии с конкретными условиями их эксплуатации.

Другим немаловажным фактором работоспособности является способность вакуумного технологического оборудования сохранять герметичность рабочего объёма.

Одним из решений, обеспечивающих минимальное влияние на вакуумную технологическую среду по критериям привносимой дефектности, газовыделения и надежности, является значительное сокращение пар трения во внутрикамерных механических системах, при использовании устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием (УБМВ).

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов расчёта и выбора параметров устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду оборудования высоких технологий и качество выпускаемых приборов.

Основные задачи исследований.

• Теоретическое изучение работ в области создания и применения вакуумного технологического и аналитического оборудования с функциональными устройствами бесконтактного магнитного взаимодействия. Изучение конструктивных особенностей рассматриваемых устройств и материалов для них.

• Разработка математической модели и создание на её основе метода расчёта вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием на привносимый уровень загрязнений микрочастицами.

• Создание метода расчёта газовыделения из внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием.

• Проведение комплекса экспериментальных исследований и моделирование количества и размеров микрочастиц, образующихся в опорных узлах устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием.

• Изучение газовыделения из устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и газопроницаемости их тонкостенных герметизирующих элементов.

• Создание методики инженерного расчёта устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного технологического и аналитического оборудования.

• Разработка охраноспособных технических решений функциональных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием, отвечающих требованиям проведения высокоэкологичных технологических процессов в современном вакуумном оборудовании.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались основные положения молекулярно-кинетической теории газов, теории систем и молекулярно-механической теории трения и износа.

Выполненные теоретико-экспериментальные исследования и практические расчёты базируются на использовании методов вычислительной математики, современных методов программирования и компьютерного моделирования.

Результаты представленных в работе экспериментальных исследований получены с использованием специально спроектированного лабораторного оборудования, методов растровой электронной микроскопии и рентгеноспектрального микроанализа.

Научная новизна работы.

1. Предложена функционально-конструктивная классификация устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного технологического и аналитического оборудования, построенная на основе реализованных и перспективных технических решений.

2. На основе разработанной математической модели создан метод расчёта вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием на привносимый уровень загрязнений микрочастицами.

3. Применительно к вакуумным устройствам с бесконтактным магнитным взаимодействием создан метод расчёта газовыделения из опорного узла конструкции. Получена зависимость, позволяющая определить максимальную интенсивность изнашивания во фрикционном контакте опорного узла устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием при которой газовый поток из зоны трения равен нулю.

4. Предложены метод расчёта шарикоподшипников для внутрикамерных устройств и метод расчёта зазоров в опорах качения, работающих в вакууме при повышенных температурах.

5. Разработан метод расчёта магнитных систем вакуумного технологического оборудования.

Новизна работы подтверждена 7 Патентами РФ и 7 Свидетельствами РФ о государственной регистрации Программы для ЭВМ.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика инженерного расчёта устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для технологического и аналитического оборудования с контролируемой вакуумной средой.

2. Создан пакет программ для расчёта и выбора параметров устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду, защищённый Свидетельствами РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.

3. С целью модернизации вакуумного технологического и аналитического оборудования высоких технологий предложено использовать наличие остаточной магнитной индукции в микрочастицах для их локализации элементами внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием или встроенными магнитными улавливателями.

4. Определены перспективные пути создания рациональных устройств оборудования высоких технологий с минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду. Разработаны устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием, отвечающие требованиям проведения технологического процесса, защищенные Патентами РФ.

5. Разработан стандарт организации СТО ПТ 02−11 «Расчёт вакуумных передач с бесконтактным магнитным взаимодействием».

Достоверность результатов.

Достоверность проведенных теоретических исследований и представленных в работе экспериментальных результатов обеспечивается строгими математическим обоснованием предлагаемых подходов, результатами компьютерного моделирования, использованием современных экспериментальных методик, а также согласованностью полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными, имеющимися в отечественной и зарубежной литературе.

Реализация и внедрение результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы внедрены в практику проектирования элементов оборудования для производства приборов электронной и информационно-измерительной техники в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительной техники, применяются при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в НИИ перспективных материалов и технологий, и в качестве стандарта организации — в НИИ предельных технологий. Используются в учебном процессе МИЭМ на кафедре «Технологические системы электроники» при чтении лекций и проведении курсового проектирования по дисциплинам «Оборудование производства изделий электронной техники» и «Расчёт и конструирование оборудования электронной промышленности» и в процессе дипломного проектирования, что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Функционально-конструктивная классификация устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного оборудования высоких технологий, построенная на основе реализованных и перспективных технических решений.

2. Результаты исследований математических моделей образования загрязняющих микрочастиц и газовых потоков, выделяемых из внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием.

3. Результаты экспериментальных исследований и моделирования элементов внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием на привносимые загрязнения микрочастицами и газовыми потоками.

4. Методика инженерного расчёта устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для экологически совершенного вакуумного технологического и аналитического оборудования.

5. Технические решения внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием, отвечающих требованиям проведения технологического процесса в современном вакуумном оборудовании высоких технологий.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и научных сессиях:

• на VI Международном Аэрокосмическом Конгрессе МАК'09 (г. Юбилейный МО, 2009 г.);

• на XI, XII и XIII Международных конференциях «Опто-, нано-электроника, нанотехнологии и микросистемы» (г. Ульяновск, 2009, 2010 и 2011 гг.);

• на XXI Международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения (г. Москва, 2010 г.);

• на XV Международной конференции «Системные проблемы надёжности, качества, информационно-телекоммуникационных технологий в инновационных проектах» (ИННОВАТИКА-2010) (г. Москва, 2010 г.);

• на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (ЮТЕКМАТ1С-2010, 2011) (г. Москва, 2010 и 2011 гг.);

• на XVII и XVIII Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (г. Сочи, 2010 и 2011 гг.);

• на Научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (г. Москва, 2010, 2011 и 2012 гг.);

• на научных семинарах кафедры «Технологические системы электроники» МИЭМ (г. Москва, 2010, 2011 и 2012 гг.).

Публикации.

Основные научные и практические результаты работы опубликованы в 35 печатных работах, включая 8 работ опубликованных в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, 2 главы в монографии, 7 Патентов РФ и 7 Свидетельств РФ о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов, списка литературы, включающего 122 наименования и приложения. Общий объём работы — 219 страниц, из которых основная часть составляет 199 страниц, включая 90 иллюстраций и 6 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ современного вакуумного технологического и аналитического оборудования высоких технологий показал, что для повышения его производительности и выхода годных выпускаемых изделий необходимо создание высоконадежных, долговечных и высокоэкологичных функциональных внутрикамерных устройств, обеспечивающих: критический размер образующихся микрочастиц от.

8 3 1.

0,005 до 1 мкм, газовыделение не более 10″ мПа-с", частоту вращения от 0 до 104 об/миносевую нагрузку от 0,1 до 50 кНнаработку на отказ не менее 400 часов и выдержку обезгаживающего прогрева. Рациональными, с этой точки зрения, являются функциональные устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием.

2. Проведённый анализ показал, что из возможных вариантов построения устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного технологического и аналитического оборудования, практически реализуемыми являются более 70 конструкций. Предложена классификация устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного оборудования, построенная на основе реализованных и перспективных технических решений.

3. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования размеров и количества микрочастиц, образующихся в устройствах с бесконтактным магнитным взаимодействием, позволили установить, что практически все микрочастицы имеют размеры, значительно превышающие критические, установленные для современных электронно-вакуумных технологий и эти микрочастицы целесообразно локализовать в узлах их генерации.

4. Магнитные свойства микрочастиц износа, выделяемых из немагнитных материалов, целесообразно использовать для их локализации и создания рациональных конструкций внутрикамерных устройств вакуумного технологического и аналитического оборудования.

5. Установлено, что концентрация магнитных микрочастиц, выделяемых из опорных узлов устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием, на полюсах магнитной системы ведёт к уменьшению рабочего зазора в системе, возрастанию магнитной проводимости и повышению передаваемого усилия на 5 7%. При этом полюса магнитной системы являются естественными ловушками генерируемых магнитных микрочастиц.

6. Установлено, что при скоростях скольжения во фрикционном контакте опорных узлов устройств с бесконтактным магнитным.

3 I взаимодействием до 1 м/с и давлении в вакуумной камере выше 10″ Па, интенсивность изнашивания не влияет на газовый поток. Получено выражение, позволяющее определить максимальную интенсивность изнашивания во фрикционном контакте опорного узла устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием, при которой газовый поток из зоны трения равен нулю.

7. Экспериментально установлено, что пескоструйная обработка герметизирующей тонкостенной оболочки устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием позволяет уменьшить её газопроницаемость не менее чем в 7 раз.

8. Применение предложенных внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием в бескорпусном исполнении позволяет в 4⁵ раз уменьшить газовыделение с их поверхностей.

9. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчёта устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием, позволяющая выполнять проектный и поверочный расчеты конструкций с минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную технологическую среду. На базе методики создан стандарт организации СТО НИИ ПТ 02−11 «Расчёт вакуумных передач с бесконтактным магнитным взаимодействием».

10. Разработаны функциональные устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную технологическую среду высокоэкологичного оборудования высоких технологий, 7 из которых защищены Патентами Российской Федерации. Результаты работы внедрены в практику проектирования элементов оборудования для производства приборов электронной и информационно-измерительной техники в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительной техники, применяются при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в НИИ перспективных материалов и технологий, и в качестве стандарта организации — в НИИ предельных технологий, внедрены в учебный процесс Московского государственного института электроники и математики (технического университета), где используются при чтении лекций и проведении курсового проектирования по дисциплинам «Оборудование производства изделий электронной техники» и «Расчёт и конструирование оборудования электронной промышленности» и в процессе дипломного проектирования.