автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Метод формирования прецизионных рисунков на роторах гироскопических приборов

Введение

Глава 1. Сравнительный анализ существующих технологий изготовления точных рисунков.

1.1. Требования, предъявляемые к рисунку на роторе ГП.

1.2. Известные методы изготовления рисунков.

1.3. Выводы.

Глава 2. Разработка ГП изготовления прецизионных растров на роторах ГП ФХМ

2.1. Исследование методов нанесения фоторезистивного слоя.

2.2. Исследование формообразования светового изображения на сферической поверхности контактным способом.

2.3. Исследование формообразования светового изображения на сферической поверхности проекционным способом.

2.4. Возможности применения волоконной оптики при формировании светового изображения заданных рисунков на сферической поверхности.

2.5. Обоснование оптимального метода формообразования светового изображения применительно к различным типам светоконтрастных рисунков.

2.6. Послеэкспозиционная обработка.

2.7. Методы переноса изображения в подложку.

2.8. Исследование электрохимической обработки открытых в соответствии с рисунком участков пленки нитрида титана.

2.9. Оценка погрешности метода фотолитографии.

2.10. Границы применимости метода проекционной фотолитографии.

2.11. Выводы.

Глава 3. Программная реализация конкретных ГII изготовления прецизионных растров на роторах реальных ГП.

3.1. Подготовка ротора.

3.2. Нанесение фоторезистивного слоя на ротор ГП.

3.3. Сушка фоторезистивного слоя.

3.4. Экспонирование фоторезистивного слоя.

3.5. Проявление экспонированной пленки фоторезиста.

3.6. Сушка фоторезиста после проявления (задубливание).

3.7. Электрохимическая обработка нитрида титана (травление).

3.8. Удаление фоторезиста.

3.9. Контроль геометрических и оптических параметров полученного рисунка.

Влияние погрешностей растра на точность съема информации об угловом положении ротора относительно корпуса БЭСГ.

Одним из приоритетных направлений в развитии приборостроения является повышение точности функционирования информационно-измерительных приборов (ИИП). ИИП являются основным источником получения информации, необходимой для выработки решений по управлению объектами, в которых они используются. При этом технологический уровень выполнения этих приборов, сочетающих в себе элементы точной механики и оптики, электровакуумной техники и др., в первую очередь определяет инструментальную точность и надежность указанных систем. Повышение точности ИИП может быть достигнуто как за счет создания новых ИИП, так и за счет разработки и применения новых технологических процессов (ТП) производства элементов и деталей, предопределяющих качество функционирования последних.

Все большее применение в качестве ИИП находят гироскопические приборы (ГП), входящие в состав навигационных систем, которые обеспечивают выработку координат местоположения движущихся объектов (ДО) морского флота, авиации и ракетно-космической техники. Более того, точность систем управления, ориентации и навигации в первую очередь определяется точностью ГП, так как именно они являются датчиками исходной навигационной информации.

В настоящее время имеется целая группа ГП, класс точности которых составляет 10"4 - 10"1 °/ч. Расширение областей применения ГП и круга задач, решаемых ими, стимулирует поиск новых принципов построения и изготовления этих приборов. Причина, сдерживавшая развитие ГП, заключается в отсутствии технических средств и технологий, позволяющих реализовать высокий уровень научно-технических разработок.

Одной из основных деталей ГП является ротор, к точности которого предъявляются повышенные требования. Для считывания информации о положении ротора оптическими системами съема (ОСС) на нем должен быть сформирован растр, характер и место нанесения которого зависит от способа использования гироскопа. Допустимые погрешности изготовления рисунка на роторах соизмеримы с допусками, исчисляемыми несколькими микрометрами.

Цена погрешностей высокоответственных ГП очень высока. Ошибка гироскопа как ИИП может привести к большим негативным социальным, политическим и/или экономическим последствиям, что выдвигает одним из основных требований к ГП высокую точность их функционирования.

Задача повышения точности ГП не может быть решена без разработки и совершенствования ТП производства точных деталей и элементов ГП. Задача изготовления точного рисунка на роторе ГП требует разработки и освоения новых технологий.

Известные методы изготовления рисунков на сферических поверхностях не обеспечивают всех точностных параметров растра на роторе ГП. Невозможность или трудность изготовления рисунка не позволяет использовать наработанные материалы по ОСС и реализовать новые научно-технические разработки в области ГП, повышающие точность функционирования ГП.

Это обуславливает актуальность диссертационной работы, целью которой является разработка нового метода формирования прецизионных рисунков на роторах ГЦ, позволяющего повысить их точность за счет минимизации погрешности изготовления растров на роторах. Кроме того, повышение точности приборов является одним из важнейших факторов успешной деятельности специализированного приборостроительного предприятия и способствует повышению конкурентоспособности продукции приборостроения на мировом рынке, что также подтверждает актуальность данной диссертационной работы.

Научная новизна работы, 1) Впервые для нанесения рисунка на сферическую поверхность предложен и применен метод фотолитографии, который ранее использовался в планарной технологии. Теоретически обосновано и практически подтверждено, что применение фотолитографического метода при изготовлении роторов ГП позволяет повысить точность нанесения растров на ротора ГП за счет устранения переходной зоны рисунка, которая при использовании ЭХМ составляет 100 мкм.

2) Впервые теоретически и экспериментально исследован процесс нанесения кондиционного фоторезистивного слоя на сферическую поверхность. Новый метод нанесения фоторезиста на ротора ГП позволяет получить пленку фоторезиста толщиной 2.5 мкм с широтным углом охвата « 170°.

3) Предложены способы формирования светового изображения заданной топологии на сферической поверхности роторов ГП. Разработан алгоритм расчета плоского фотошаблона, рисунок на котором является конформным отображением заданного рисунка на роторе ГП. Приведены критерии выбора метода экспонирования в зависимости от топологии изготавливаемого рисунка.

4) Предложена структурная модель взаимосвязи параметров ТП изготовления точных рисунков на сферической поверхности. Установленные взаимосвязи являются основой оптимизации режимов технологических операций.

5) Разработан новый ТП изготовления прецизионных растров ГП и комплекс устройств и приспособлений для его реализации, защшценые патентами РФ.

Новизна работы подтверждена 2 патентами РФ на способы и устройства, разработанные по теме диссертации [1,2].

Основные положения, выносимые на защиту.

Научные:

1) метод формирования прецизионных рисунков на роторах ГП;

2) способ нанесения кондиционного фоторезистивного слоя на сферическую поверхность роторов ГП;

3) способы формирования заданного светового изображения на сферической поверхности роторов ГП;

4) структурная модель взаимосвязи параметров ТП изготовления точных рисунков на сферической поверхности роторов ГП;

5) алгоритм расчета плоского фотошаблона.

Практические:

1) ТП изготовления прецизионных растров на роторах ГП;

2) методика оценки точности формирования рисунков на роторах ГП;

3) методика оценки границ применимости метода изготовления прецизионных рисунков на сферической поверхности роторов ГП;

4) критерии выбора способа экспонирования фоторезистивного слоя в зависимости от топологии изготавливаемого рисунка;

5) программная реализация конкретных Ш изготовления прецизионных растров на роторах реальных ГП;

6) комплекс оригинальных устройств и приспособлений для реализации ТП прецизионных растров на роторах ГП.

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЧНЫХ РИСУНКОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом работы является решение актуальной научной задачи по развитию фотолитографического метода: создание нового метода изготовления прецизионных рисунков на сферических поверхностях элементов и деталей приборов и систем, разработка новых устройств и методик. Разработанный ТП использован для изготовления роторов ГП на этапе нанесения на них прецизионных растров, что позволило повысить точность работы ГП.

При проведении исследований, выполненных в настоящей диссертационной работе, получены следующие научные и практические результаты:

1) разработан метод изготовления прецизионных рисунков на роторах ГП, позволяющий устранить наличие переходной зоны рисунка, присущей ЭХМ;

2) разработан способ нанесения кондиционного фоторезистивного слоя толщиной 2.5 мкм на сферическую поверхность;

3) разработаны контактный, проекционный и контактно-проекционный способы формирования изображения заданной конфигурации на сферической поверхности;

4) получена структурная модель взаимосвязи параметров ТП изготовления прецизионных рисунков на сферической поверхности роторов ГП, установленные взаимосвязи являются основой оптимизации режимов технологических операций;

5) разработан алгоритм расчета плоского фотошаблона, рисунок на котором является конформным отображением заданного рисунка на роторе ГП;

6) разработан ТП изготовления прецизионных растров на роторах ГП;

7) разработана методика оценки точности изготовления растров на роторах ГП;

8) разработана методика оценки границ применимости метода изготовления прецизионных рисунков на сферической поверхности роторов ГП;

9) разработаны критерии выбора способа экспонирования фоторезистивного слоя в зависимости от топологии изготавливаемого рисунка;

10) в результате проведения комплексных экспериментально-исследовательских работ разработаны режимы технологических операций ТП изготовления прецизионных растров на роторах ГП;

11) разработана программная реализация конкретных ТП изготовления прецизионных растров 3-х типов на роторах реальных Ш;

12) разработан комплекс оригинальных устройств и приспособлений для реализации ТП.

Применение разработанных методов и средств позволяет:

- выбрать способ изготовления растров на роторах ГП;

- оценить ожидаемую точность растрового рисунка на роторах ГП;

- повысить точность выпускаемых ГП за счет минимизации погрешности изготовления растров на роторах ГП ;

- распространить выводы и рекомендации по проведенным в работе исследованиям на другие сферические элементы и детали приборов и систем.

Новизна работы подтверждена 2 патентами РФ на способы и устройства, разработанные по теме диссертации.

Предложенные в диссертационной работе технологический процесс, оборудование и спецоснастка в полной мере внедрены в опытные и макетные образцы бескарданных электростатических гироскопов, разрабатываемых для различных навигационных систем и комплексов действующих объектов морского флота.

Разработанный метод и TTI изготовления прецизионных растров на роторах ГП является необходимой составляющей повышения точности функционирования ГП.

1. Патент № 2135956 , Проекционное устройство для формирования изображения на полусферической поверхности/В. А. Гинзбург, АКГутговская, Н. В.Перминова.

2. Патент № 2140623. Способ изготовления рельефных рисунков на сферических поверхностях деталей электростатического гироскопа и устройство для его осуществления / В.А. Гинзбург, А К. Гуттовская, В.Н.Нарвер, Н.В.Перминова и Др.

3. Сравнительная оценка электрохимического и фотохимического методов формообразования светоконтрастного рисунка на роторе бескарданного электростатического гироскопа / Б.Н.Агроскин, В.И.Галай, В. А Гинзбург и др. // Гироскопия и навигация. 1996. -№ 3.

4. Хрусталева JI.K, Рупишев В.Г., Коротнева Л.А Полимерные пленочные материалы оптического назначения.- М.: НИИ ТЭХИМ, 1988.

5. Электрохимическая обработка металлов/ Л.И. Мороз и др.- М.: Машиностроение, 1969.

6. Смоленцев В.П. Электрохимическое маркирование деталей.- М.: Машиностроение, 1983.

7. Березин Г. Б., Никитин А В., Сурис Р. А Оптические основы контактной фотолитографии -М.: Радио и связь, 1982.

8. Гранкин И.М., Коломейко А В., Погребняк В.П. Высокоразрешающая неорганическая фотолитография.- Киев: Вищашк. Изд-во при Киев, ун-те, 1983.

9. Пресс Ф.П. Фотолитографические методы в технологии полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.- М.: Советское радио, 1978.

10. Рубцов И.Н., Ульянов В.В., Глазштейн Л.Я. Проекционная фотолитография в производстве БИС: (Реф. обзор) -М.: ЦНИИ»Электроника», 1980.

11. Скворцов К.Ф. Изготовление рельефных покрытий.-М.: Машиностроение, 1981.

12. Швец И. В., Минаков А А. Фотолитография на образцах малых размеров.-М.: Б.и., 1986.

13. Основные возможности и ограничения методов фотолитографии и электронолитографии / Аналит. обзор литературы / Шуман Г.- М., 1975, Вып.307.

14. Мартон Эдит. Оптимизация процессов фотолитографии тонких слоев различного типа в технологии кремниевых интегральных микросхем: Дис. на соиск. учен. ст. к.т.н. Л., 1986.

15. Валиев К.А, Раков АВ. Физические основы субмикронной литографии в микроэлектронике.- М.: Радио и связь, 1984.

16. Моро У. Микролитография.- М.: Мир, 1990.

17. Боков Ю.С., Невский А.Б., Фролов В.М. Технология субмикронной фотолитографии: современное состояние, перспективы развития и применения: / По данным отечественной и зарубежной печати 1967-1988гг) /.-М.: Изд-во ЦНИИ «Электроника», 1988.

18. Патент 1428690 Великобритания, МКИ GG2B 27/18. A method of forming а light image on a spherical surface / Withers and ROGERS.

19. Размерная обработка металлических покрытий фотолитографическим методом на сферической поверхности/ Гинзбург В. А, Гуттовская А К и др. // Судостроительная промышленность. Сер. Навигация и гироскопия.- 1989.- Вып. 24.

20. Amick J. //Solid State Technol. Nov.- 1976.

21. Bowden M.// J. Electrochem. Soc. 128, 195C.- 1981.

22. Broers A. //IEEE Trans. Electron Devices ED-28, 1268.- 1981.

23. Гинзбург B.A, Гуттовская А К., Перминова H.B. Изготовление рисунков различного функционального назначения на сферических поверхностях методами объемной фотолитографии It Гироскопия и навигация. 1997. - № 4(19).

24. Самойлов В.М., Степанов В.В., Сысоев В.В. Оптимальные режимы проведения операции нанесения фоторезиста и сушки // Электронная техника. Сер.7.-1978. №4 (89).

25. Васильев Г.К. и др. Сушка фоторезистивных покрытий излучением при осциллирующем режиме // Электронная техника. Сер.З.- 1973. №8 (48).

26. Сидорин В. В. Оптимизация процесса сушки фоторезиста // Электронная техника. Сер.З.-1981. №2.

27. Robinson D., Higginbotham A and Wankat P. ISEC Process Des. Dew. 8,502. -1969.

28. Дудник АИ. и др. Математическая модель нанесения фоторезиста// Электронная техника. Сер.7,-1974. №6 (64).

29. Лабушевская АВ., Лаврищев В.П. Исследование процесса формирования пленок фоторезиста// Электронная техника. Сер.6,- 1968. №4.

30. Челушкин Б.С., Кабанова Э.А Исследование влияния условий формирования фоторезистивных пленок на их толщину// Электронная техника. Сер.7.- 1978. №5 (90).

31. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий / Под ред. д.т.н. проф. В.В.Клюева.-М.: Машиностроение, 1986.

32. Контроль толщины покрытий и его метрологическое обеспечение :Тез. докл. III Всесоюзного научно-технического совещания.- Рига, 1979.

33. Зацепин М.Н., Малько Н.И., Конев В.А. Научные разработки по толщинометрии в институте прикладной физики АН БССР,- Дефектоскопия, 1980.

34. Березин Г.Н. и др. Дифракционные эффекты в контактной фотолитографии /7 Электронная техника. Сер.З.- 1974. №2.

35. Фотолитография и оптика/ Под ред. ААФедотова и С.Г.Поля.- М.: Советское радио, 1974.

36. Филиппов А.Ю., Перминова Н.В., Гинзбург В.А Расчет плоских фотошаблонов для проецирования заданного изображения на сферические поверхности// Гироскопия и навигация.- 1997.- №3.

37. Крылов К И., Прокопенко В. Г., Митрофанов АС. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении.- Л.: Машиностроение, 1978.

38. Никаыдрова JI. И. Химические способы получения металлических покрытий.-Л.: Машиностроение, 1971.

39. Рыкалин Н.М., Углов А.А., Кокора АН. Лазерная обработка материалов.-М.: Машиностроение, 1975.

40. Baylis B.K.W., Busuttil A, Hedgecock N.E., Schlesinger М. Tin (IY) Cloride Solution as a Sensitizer in Photoselective Metal Deposition // J. Electrochem. Society.-1976. v. 123.- № 3.

41. Gerald L., Mc Llod. The Frek RS Process An Introduction // Photolitographic science and engineering.-1969,- v. 13.- №3.

42. Holzinger G., Kozanke K., Menz W. Printing of port numbers using a hing power laser beam // Optics and Laser tehnol.- 1973,- №12.

43. Дитчберн P. Физическая оптика.- M.: Наука, 1965.

44. Турыгин И. А Прикладная оптика.-М.: Машиностроение, 1966.

45. Дубравина АВ. Технология и оборудование для производства элементов волоконно-оптических систем // Электроника: Сер. Технология, организация производства и оборудование.- 1982.- Вып. 1 (вып.326).

46. Российские технологии для индустрии: Физические, химические и биологические сенсоры: Тез. докл. Четвертый междунар. семинар.- С.-Пб., 2000.

47. Chen S„ Edin J.// Polym. Enq. Sci.- 1980.

48. Deckert C., Peters D./7 Solid State Technol.- Jan.- 1980.

49. Kim D., Oldham W., and Neureutlier A/7 IEEE Trans. Electron Devices ED-31, 1730,- 1984.

50. Ueberreiter K., Asmussen F.// J. Polym. Sci, 57, 199,- 1962.

51. Yamashita H., Todokoro Y.//J. Vac. Sci. Technol. ВЗЛ004,- 1985.

52. Кольцов Ю.И., Солоненко Г.В. Влияние условий обработки фоторезиста на эффективность его проявления //Электронная техника. Сер.З.-1980. №2(86).

53. Березин Г.Н., Никитин А.В., Сурис Р.А Расчет профилей проявления фоторезиста /У Электронная техника. Сер.З.- 1974. №2.

54. Максимова Л.И. и др. Особенности проявления позитивных фоторезистов в щелочных растворах//Электронная техника. Сер.7.- 1975. -№6(70).

55. Вишенков С. А Химические и электрохимические способы осаждения металлопокрытий.- М.: Машиностроение.- 1975.

56. U.S. Patent 4,224,361, 1980, IBM.

57. Материалы микроэлектронной техники: Учебное пособие для высших учебных заведений. / Под ред. В.М. Андреева. -М.: Радио и связь,- 1989.

58. Nicolet М.А Diffusion Barriers in Thin Films //Thin Solid Films. -1978. v. 52.

59. Ohtake K. et al. Diffusion Barrier with Reactively Sputtered TiN // Jpn. J. Ahhl. Phys. Lett. 1988. - v. 27. -№12.

60. Kamanori S., Matzumoto T. Suppression of Platinum Penetration Failure in Ti/Pt/Au Beem Lead Metal Systems Using a TiN Diffusion Barrier // Thin Solid Films. -1983.-v. 110 .-№2.

61. Wittmer M., Melchior H. Applications of TiN Thin Films in Silicon Device Technology // Thin Solid Films. 1982. - v.93 №2.

62. Armigliato A et al. // Thin Solid Films. 1985. - v. 129.

63. Noel J., Hougton D., Este G. // J. Vac. Sci. and Techn. A 1984. - v.2. - №2.

64. Ahn K„ Wittmer M. /У Thin Solid Films. 1983. - v. 107. - №1.

65. Сейдман Л.А Получение тонких пленок нитрида титана реактивным магнетронным распылением // Электронная техника. Сер.2.- 1985. -№2(175).

66. Shinoki F., Iton А // Mechanism of rf Reactive Sputtering.- 1975. v.46. -№8.

67. Васильев АГ. и др. Формирование тонких пленок TiN методом реактивного магнетронного осаждения // Микроэлектроника. том 25. - 1996. -№5.

68. Смоленцев В.П. Технология электрохимической обработки внутренних поверхностей.-М.: Машиностроение, 1978.

69. Основы повышения точности электрохимического формообразования/ Ю.П.Петров, Г.Н.Корчагин и др.- Кишинев: Штиица, 1977.70. Ас. 279836, СССР.71. Ас. 308097, СССР.72. Ас. 408747, СССР.73. Ас. 329994, СССР.

70. Черепанов Ю.П., Самецкий Б.И. Электрохимическая обработка в машиностроении.- М.: Машиностроение, 1972.

71. Андреев В.В. и др. Нанесение светоконтрастного растрового рисунка на ротор бескарданного электростатического гироскопа // Приборостроение. 1999. -№8.

72. Интерференционная окрашенность окиеных пленок на металле как индикатор гетерогенных процессов на его поверхности/ Воронцов Е.С. и др. // Журнал физической химии.-1974.-№4.

73. Дюгуров С.М., Угаров В.П., Аксененко В.Д. О статической погрешности оптической системы съема угловой информации бесплатформенного электростатического гироскопа // Гироскопия и навигация.-1997.- №3.

74. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов.- Изд. «Сов. Радио», 1971.

75. Пресс Ф.П. и др. Исследование связи между дефектами фотолитографии и параметрами фотолитографического процесса // Электронная техника. Сер.2.-1978. -№3(121).

76. Калитиевский Н.И. Волновая оптика. -М.: Высшая школа, 1978.

77. Дукаревич Ю.Е. Метод определения угловой ориентации ротора электростатческого гироскопа // Материалы МНТК им. Острякова.- С.-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 1994.

78. Дюгуров С.М. Об алгоритмической ошибке обработки информации оптической системы съема бесплатформенного электростатического гироскопа // Гироскопия и навигация.-1996.- №2.1.l

79. Дюгуров C.M., Ландау Б.Е. Система съема угловой информации для бесплатформенного электростатического гироскопа // Материалы МНТК им. Острякова,- С.-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 1996.

80. Дюгуров С.М., Ландау Б.Е. Сравнительный анализ систем съема угловой информации бескарданного электростатического гироскопа// Гироскопия и навигация.-1997,- №2.

81. Аксененко В. Д. и др. О согласовании оптического анализатора с растром ротора электростатического гироскопа // Материалы МНТК им. Острякова.- С.Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 1996.

82. Аксененко В.Д. идр. О статической погрешности оптической системы съема угловой информации бескарданного электростатического гироскопа // Гироскопия и навигация.-1997.- №3.

83. Электростатический гироскоп со сплошным ротором для бескарданных систем навигации и ориентации : Тез. докл. XXII науч.-техн. конф. памяти Н.Н.Острякова.- С-Пб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2000.

84. Дюгуров С.М. , Чуфарин В.А Авторефлекторный оптико-электронный преобразователь угла электростатического гироскопа // Материалы МНТК им. Острякова.- С.-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор», 1988.

85. Дюгуров С.М. , Чуфарин В.А Оптико-электронный преобразователь угла для малогабаритного электростатического гироскопа // Судостроительная промышленность: сер. Навигация и гироскопия.-Вып. 17.- 1988.

86. Дюгуров С.М. Об ошибке калибровки системы съема бескарданного электростатического гироскопа // Сборник рефератов ДР ВИМИ,- С.-Петербург.: ЦНИИ им. АН.Крылова,- Вып.1,- 1999.

87. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ • ЦНИИ "ЭЛЕКТРОПРИБОР"»

88. Составлен комиссией в составе:

89. Начальник отдела 050 Л.И. Черниц кий

90. Начальник участка 548, к.т.н. В,В. Андреев

91. Зам. начальника отдела 015, к.т.н. Oil Парфенов

92. Комиссия проверила практическое использование- результатов исследований, сложенных в диссертационной работе научного сотрудника Н.В. Марковской на ;му: «Метод формирования прецизионных рисунков на роторах гироскопических )нборов».1. Установлено:

93. В результате проведенных исследований разработан новый метод эрмнрования прецизионных рисунков на сферических поверхностях к хнодогический процесс изготовления растров на роторах б ее карданных ектростатических гироскопов, основанный на его применении.

94. Выпущена документация технологическая инструкция ДНИЯ. 2525 5.80001.

95. Разработанный технологический процесс применен в заказах предприятия ллипсоид», «Океан».