автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка и исследование устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду оборудования высоких технологий

На правах рукописи

Кузнецов Павел Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ С БЕСКОНТАКТНЫМ МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ И МИНИМАЛЬНЫМ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ВАКУУМНУЮ СРЕДУ ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность

05.27.06 — Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О

Москва 2012

005042480

005042480

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Степанчиков Сергей Валентинович

Официальные оппоненты: Васичев Борис Никитович - доктор

физико-математических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова», профессор;

Глазунов Виктор Аркадьевич — доктор технических наук, доктор философских наук, профессор, ФГБУН Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН, заведующий лабораторией

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики».

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.133.05 Московского государственного института электроники и математики (технического университета) по адресу: 109028, г. Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ. Автореферат разослан « 2 У » апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.133.05, кандидат технических наук, доцент

.А. Чернов

Общая характеристика работы

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 тонкопленочных 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 пленок и покрытий в вакууме, формирование остаточной газовой среды при откачке электронных приборов - все 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 объемов. 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 объема 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 проведенные расчеты показывают, что механические устройства и системы, которые находятся в вакуумных технологических объемах, 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 объема.

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 расчета 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 ее основе метода расчета вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием на привносимый уровень загрязнений микрочастицами.

• Создание метода расчета 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 расчета 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 молекуляр-но-механической теории трения и износа.

Выполненные теоретико-экспериментальные исследования и практические расчеты 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 расчета вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием на привносимый уровень загрязнений микрочастицами.

3. Применительно к вакуумным устройствам с бесконтактным магнитным взаимодействием создан метод расчета 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 расчета шарикоподшипников для внутрика-мерных устройств и метод расчета зазоров в опорах качения, работающих в вакууме при повышенных температурах.

5. Разработан метод расчета 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 расчета устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для технологического и аналитического оборудования с контролируемой вакуумной средой.

2. Создан пакет программ для расчета и выбора параметров устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду, защищенный 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 «Расчет 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 «Расчет 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 внутрика-мерных 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 расчета 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:

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

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

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

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

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

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

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

• 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 объем работы - 219 страниц, из которых основная часть составляет 199 страниц, включая 90 иллюстраций и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и вытекающие из нее задачи исследований. Определены объекты и методы исследований. Изложены научная новизна и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена вопросам применения устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием в вакуумном оборудовании высоких технологии. Рассмотрены вопросы создания сверхчистой вакуумной среды в электронном производстве, минимальные размеры топологии тонкопленочных структур и соответствующие им критические размеры микрочастиц загрязнения, парциальные давления контролируемых вакуумных сред для различных технологических процессов.

Проведен обзор и анализ современного вакуумного технологического и аналитического оборудования показывающий, что УБМВ успешно применяются в установках для нанесения тонкопленочных покрытий, мо-лекулярно-лучевой и лазерной эпитаксии, рентгенолитографии, оборудования для сборки электронно-оптических преобразователей, а также в установке для проведения экспериментов по зонной перекристаллизации материалов, работающей в условиях космоса (космического вакуума).

Рассмотрены конструктивные особенности вакуумных УБМВ, используемых для передачи вращательного, поступательного, качательного и

комбинированного движений.

При выборе материалов для УБМВ необходимо учитывать, что проектируемые устройства должны удовлетворять ряду условий, определяе-

мых спецификой высокотехнологичного производства, а именно: возможностью прогрева до температуры обезгаживания; устойчивостью к вибрации и другим механическим воздействиям; устойчивостью, в ряде случаев, к излучению и радиации; высокими магнитными свойствами; высокой стабильностью магнитных свойств при наличии внешних переменных магнитных полей.

Наиболее перспективными для применения в УБМВ вакуумного технологического и аналитического оборудования являются магниты на базе интерметаллических соединений кобальта с редкоземельными элементами, как обладающие высокотемпературной стабильностью и уникальными магнитными свойствами.

Во второй главе рассмотрены теоретические исследования устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного оборудования с контролируемой средой.

Разработана классификация УБМВ ориентированная на применение в современном вакуумном технологическом и аналитическом оборудовании (рис.1).

Проведенные исследования конструктивных схем УБМВ позволили выделить, для построения классификации, две группы наиболее существенных признаков.

Первая группа признаков определяет объекты применения, назначение, тип, конструктивные особенности и форму поверхности бесконтактного магнитного взаимодействия элементов устройства (рабочего зазора).

В вакуумном технологическом и аналитическом оборудовании высоких технологий УБМВ могут быть использованы: в вакуумных передающих и прецизионных манипуляторах; в вакуумно-транспортных системах; в вакуумных клапанах и натекателях; в вакуумных шлюзовых загрузочных устройствах; в газовых системах вакуумного оборудования и др.

Вторая группа признаков характеризует особенности выполнения магнитных систем УБМВ и вид бесконтактного магнитного взаимодействия элементов кинематической пары сопряженных звеньев.

Проведенный, на основе разработанной классификации, анализ показал, что из возможных вариантов построения УБМВ для вакуумного технологического и аналитического оборудования, практически реализуемыми являются более 70 вариантов конструкций.

Выполненные исследования позволили установить, что механические устройства и системы находящиеся в вакуумных технологических и аналитических объемах могут генерировать до 50 % от суммарного количества загрязнений привносимых микрочастицами.

Критический размер микрочастиц, даже при однократном контакте с поверхностью пластины не должен превышать 0,1 минимального линейного размера элементов микросхем.

Рис. 1 Классификация УБМВ для вакуумного технологического и аналитического оборудования

Среднее количество микрочастиц, образующихся в результате работы опорного узла УБМВ, в единицу времени, определяется

* (л-2

Ь2 +

(Л-л/Д2-62)2

где /Л - средняя линейная интенсивность изнашивания; оС1С - скорость скольжения во фрикционном контакте; 5Н - номинальная площадь поверхности трения; Я — радиус скругления микронеровностей; Ь - радиус фрикционного пятна контакта.

Радиус микрочастиц образующихся в опорном узле УБМВ при упругом контактном взаимодействии определяется

Ь = 0,?У4 Рк • /г • Ятах • (2Л - Лтах ) • (1/Е1 +1/Е2 ) ,

где рк - удельное давление в контакте;

Лшах - максимальная высота микронеровностей; Е1, Е2 - модули упругости контактирующих материалов. При пластическом контактном взаимодействии радиус микрочастиц определяется

¿, = 14

' V НУ

где НУ— микротвердость.

Магнитные свойства микрочастиц, выделяемых из контактирующих поверхностей материалов (в том числе и немагнитных), целесообразно использовать для их локализации и создания рациональных конструкций внутрикамерных устройств вакуумного оборудования.

Повышение качества вакуумной среды, путем обеспечения минимальных газовых потоков, может быть достигнуто рациональным проектированием рабочих камер и внутрикамерных устройств вакуумного оборудования, в том числе конструкций на основе УБМВ.

Газовый поток из опорного узла УБМВ определяется

В

где О - коэффициент диффузии;

п - число атомов в молекуле газа; / - толщина твердого тела;

В — параметр, учитывающий процессы конденсации и адсорбции в зоне трения;

5 - концентрация газов, растворенных в материале; ¿/-диаметр молекулы газа; ¡л - скорость конденсации.

Установлено, что при скоростях скольжения во фрикционном контакте опорных узлов устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием до 1 м/с и давлении в вакуумной объеме выше 10"3 Па, интенсивность изнашивания не влияет на газовый поток.

Получена зависимость, позволяющая определить максимальную интенсивность изнашивания во фрикционном контакте опорного узла УБМВ, при которой газовый поток из зоны трения равен нулю:

где ха — время адсорбции;

— время в течении которого происходит процесс «срезания» всех

адсорбированных молекул;

ап — количество молекул образующих монослой на единице поверхности;

в — относительная поверхность контакта.

Наряду со сведением к минимуму газового потока из опорного узла УБМВ, необходимо снижать газовыделение с поверхностей устройства, обращенных в вакуумный объем.

С этой точки зрения УБМВ, как внутрикамерные устройства обладающие малыми и средними передаваемыми усилиями, целесообразно конструировать в бескорпусном исполнении, что позволяет в 4 и более раз уменьшить газовыделение с их поверхностей.

Получены расчетные зависимости для проектного и поверочного расчетов шарикоподшипников для УБМВ, предназначенных для работы в условиях прогреваемой вакуумной среды, учитывающие влияние вакуума, смазочного материала и температуры прогрева.

Выполнен расчет зазоров в опорах качения УБМВ, работающих в вакууме при повышенных температурах.

При выборе типа электродвигателя для функциональных УБМВ установлено, что наиболее перспективными являются шаговые электродвигатели, обеспечивающие приемлемые динамические характеристики, хорошую управляемость и плавность движений, высокую точность позиционирования при сравнительно низкой стоимости.

При решении вопроса о точности позиционирования УБМВ, как устройства с нежесткой магнитной связью, в качестве датчиков положения, с учетом влияния вакуумной технологической среды, целесообразно использовать индуктосины.

Изучена возможность проведения масштабирования при переходе от малых размеров обрабатываемых объектов к большим, в вакуумном оборудовании для нанесения тонких пленок с магнитными системами.

Для сравнения габаритных размеров УБМВ и магнитных систем, выполнен расчет магнитных технологических систем вакуумного оборудования нанесения тонких пленок. Исходными данными для расчета магнитных технологических систем являются: рабочая индукция в зазоре; величина рабочего зазора; площадь рабочего зазора; материал магнита.

При реализации больших перемещений магнита в технологической системе вакуумного оборудования, целесообразно использовать разработанные и исследуемые в работе устройства с бесконтактным магнитным

взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную среду.

Оценка влияния магнитного поля УБМВ на магнитную технологическую систему, расположенную в вакуумной среде, показывает, что напряженность магнитного поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния и для высококоэрцитивных магнитов, напряженность магнитного поля на расстоянии 80 мм равна напряженности магнитного поля Земли, то есть не влияет на обрабатываемые объекты. Этот факт достаточно легко учесть при проектировании магнитных систем оборудования.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям и моделированию устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием вакуумного оборудования на загрязнения, привносимыми микрочастицами и газовыми потоками. Сформулированы задачи исследований.

Для проведения экспериментальных работ разработана высоковакуумная установка (рис.2). Режимы испытаний подобраны в соответствии с режимами работы реального промышленного оборудования.

а)

Рис. 2. Экспериментальное оборудование: высоковакуумная установка (а); вакуумное УБМВ (б)

Экспериментальные исследования размеров и формы микрочастиц, а также результаты их рентгеноспектрального микроанализа выполнены в НИИ перспективных материалов и технологий на растровом электронном микроскопе EVO 40 фирмы Zeiss, оснащенным SDD кремниевым дрейфовым детектором X Flash 1106.

На рис.3 представлены РЭМ-изображения микрочастиц из опорного узла УБМВ в зависимости от удельного давления в контактер* = 1,0 Н/мм (рис.3, а,б); рк = 2,0 Н/мм2 (рис.3, в,г); рк = 10 Н/мм2 (рис.3, д,е) соответственно, показывающие их размеры и форму.

Проведенные на растровом электронном микроскопе исследования показывают, что диапазон размеров полученных микрочастиц лежит в интервале от 0,2 до 50 мкм.

Выполненный рентгеноспектральный микроанализ микрочастиц показывает, что они металлические и обладает остаточной магнитной индукцией.

При взаимодействии контактирующих поверхностей наблюдается их электризация, что обусловлено переходом электронов от вещества с меньшей работой выхода к веществу с большей. Микрочастицы, скользящие по поверхности из которой они образуются, также электризуются и образуют комплекс положительно и отрицательно заряженных объектов в зависимости от их химического состава и механических свойств трибоэлектриче-ского ряда.

В вакуумных условиях эксплуатации трибоэлектричество носит более сильный характер, чем в атмосфере, так как в вакууме отсутствуют пленки влаги и другие загрязнения контактирующих поверхностей.

На рис.4 показаны результаты компьютерного моделирования, иллюстрирующие изменение среднего количества N образующихся во внут-рикамерном устройстве с бесконтактным магнитным взаимодействием микрочастиц в зависимости от скорости скольжения иск контактирующих поверхностей и их микротвердости ЯК для различных шероховатостей поверхностей R. Проведенные исследования показывают, что наименьшее количество N микрочастиц образуется при наибольших значениях параметров R шероховатости поверхности.

Результаты компьютерного моделирования, иллюстрирующие изменение среднего размера d образующихся микрочастиц в зависимости от удельного давления в контакте рх взаимодействующих поверхностей и их микротвердости HV для различных шероховатостей поверхностей R, представлены на рис.5.

При проведении исследований принято, что в расчет принимается

микротвердость ЯК менее твердого материала рассматриваемой пары.

а)

б)

Рис.4. Зависимость среднего количества N образующихся микрочастиц от скорости скольжения voк контактирующих поверхностей и их микротвердости НУ для шероховатости поверхности: Я = 10 мкм (а); Л= 400 мкм (б)

а) б)

Рис.5. Зависимость среднего размера с1 образующихся микрочастиц от удельного давления в контакте рг. взаимодействующих поверхностей и их микротвердости НУ для шероховатости поверхности: Я = 10 мкм (а); Я = 400 мкм (б)

Выполненные исследования свидетельствуют о том, что наименьшие размеры оГ имеют микрочастицы, получаемые при минимальных значениях параметров /? шероховатости поверхности.

Также следует отметить, что величина среднего размера <1 образующихся микрочастиц экспоненциально зависит от удельного давления в контакте рк взаимодействующих поверхностей и экспоненциально зависит от микротвердости ЯК материалов.

По результатам компьютерного моделирования построены графики зависимостей газового потока д, выделяемого из опорного узла УБМВ, от интенсивности изнашивания Д при различных скоростях скольжения в фрикционном контакте иск, температуре Т и давлениях р (р1 = 10"8 Па; рг = Ю"7 Па; ръ = 10'6 Па; рх = 10"5 Па; р5 = 10ц Па; рь = 10° Па; р7 = 10"2 Па) в вакуумной камере.

На рис. 6 представлены зависимости газового потока д, при и€К = 0,1 м/с, Т= 300К (рис.6, а); при оск = 1,0 м/с, Г=400К (рис.6, б); при иск = 10 м/с, Г= 500К (рис.6, в); при = 10 м/с, Т= 600К (рис.6, г); и давленияхр (р 1 рт) в вакуумной камере.

Проведенное исследование показывает, что при скоростях скольжения во фрикционном контакте до 10 м/с и давлениях выше 10° Па интенсивность изнашивания практически не влияет на газовый поток.

При температурах выше 400К интенсивность изнашивания также не оказывает существенного влияния на газовый поток при давлениях ниже 10~6Па.

Влияние интенсивности изнашивания носит пороговый характер, при достижении определенной величины, газовый поток начинает быстро уменьшаться по величине и становится равным нулю (газовое равновесие), а затем быстро растет, но уже с другим знаком (тело начинает газить) и достигает величины примерно того же порядка. Минимальное пороговое значение интенсивности изнашивания Д = 10'8 было получено при скорости скольжения во фрикционном контакте оск = 10 м/с, температуре Т = 200К и давлении р= 10"8 Па в вакуумной камере.

Количественная оценка газовыделения из опорных узлов УБМВ в вакууме позволяет оценить остаточное давление вблизи зоны контактирующих поверхностей. Оценка проведена с учетом процесса диффузии газов при необходимом быстродействии устройства. При различной интенсивности изнашивания может наблюдаться явление, как поглощения молекул остаточных газов, так и их выделения. Аналогичные явления наблюдаются при различных скоростях скольжения, температурах и давлениях в вакуумной камере.

Результаты экспериментальных исследований элементов УБМВ показали, что газопроницаемость цельнометаллических и сварных тонкостенных герметизирующих элементов различных конструктивных форм

ч 10 е га'1 я'' 10г 10'° в' в' 10' вг -вг -в' -га* -в5 -в';

I г -Ь

>

5 7 V

г,

ш'3

б)

м I 1 1 ! 1 1 - I

1 ■ ^-тт- ц \

! 1

! 1 \

1 1 1

! 1

1 1 1 1

! ! 1

! I

!

> и ! 'г 7 1 1 1Г 1 Л [ь

| I

!

! I

1 ;

1 I

К 1 1 ГЛ--1-Г

1 1 ! 1 I I I I

В)

Г)

Рис.6. Зависимость газового потока д, выделяемого из опорного узла У БМВ, от интенсивности изнашивания Л, при различных скоростях скольжения иск, температурах Т и давлениях р(р\ = 10'8 Па; р2 = 10"7 Па; р} = 10"6 Па; р4 = 10"5 Па; р5 = 10"4 Па; р6 = 10° Па; р7 = 10'2 Па) в вакуумной камере

может быть значительно уменьшена посредством пескоструйной обработки. Величина суммарного газового потока через тонкостенный герметизирующий элемент УБМВ, в результате пескоструйной обработки, была в среднем снижена с 9,2^104 до 2,1 х10"9 м3-Пас'\ то есть не менее чем в 7 раз, для элементов, изготовленных из сталей 20X13 40X13 и 12Х18Н10Т.

Таким образом, упрочнение пескоструйной обработкой не только снижает газопроницаемость, но и позволяет создавать многофункциональные устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием, в том числе вакуумные технологические и прецизионные манипуляторы, благодаря использованию сварных тонкостенных герметизирующих элементов различных форм.

В четвертой главе рассмотрена эффективность использования результатов работы при создании устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного оборудования высоких технологий.

Приведена методика инженерного расчета УБМВ для вакуумного технологического и аналитического оборудования. При выполнении расчетов приняты следующие допущения: магнитная проницаемость стали магнитопроводов бесконечно велика по сравнению с магнитной проницаемостью рабочих зазоров; магнитное поле принято плоскопараллельным.

Представлены разработанные вводы вращения в вакуум с бесконтактным магнитным взаимодействием, в том числе с тонкостенным герметизирующим элементом упрочненным пескоструйной обработкой; повышенной надежности - с магнитом в виде кругового сектора; с системами виброзащиты и локализации генерируемых микрочастиц; высокоэкологичные — с минимальной генерацией микрочастиц и газовых потоков, а также модернизированный сверхвысоковакуумный передающий манипулятор на основе УБМВ для технологического и аналитического оборудования.

Также приведены разработанные вакуумные передачи с бесконтактным магнитным взаимодействием и внутрикамерные функциональные устройства, в том числе варианты магнитной зубчатой передачи для работы в вакууме и чистых технологических средах, позволяющей передавать вращение при перпендикулярных осях; зубчатая передача с бесконтактным взаимодействием зубьев в вакууме, обеспечивающая передачу вращения с различными фиксированными передаточными отношениями; зубчатая передача с магнитным взаимодействием зубьев позволяющая повысить передаваемый крутящий момент за счет расширения зоны магнитного взаимодействия; модуль для загрузки испарителей в вакуумном технологическом оборудовании, позволяющий исключить попадание загрязняющих микрочастиц в распыляемое вещество и повысить выход годных изделий; виброгаситель для прецизионно-стерильного оборудования с расширенным диапазоном частот гасимых колебаний и возможностью настройки частоты гасителя на колебания демпфируемого объекта.

Большинство разработок защищены Патентами Российской Федерации.

В работе сформулированы направления дальнейших исследований.

В приложении представлены копии Патентов Российской Федерации, Свидетельств о государственной регистрации программы для ЭВМ и документы, подтверждающие использование результатов диссертационной работы.

Основные 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 0,005 до 1 мкм, газовыделение не более 10'8 м3-Па-с"', частоту вращения от 0 до 104 об/мин; осевую нагрузку от 0,1 до 50 кН; наработку на отказ не менее 400 часов и выдержку обезгажи-вающего прогрева. Рациональными, с этой точки зрения, являются функциональные устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием.

2. Проведенный 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. Проведенные 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 ведет к уменьшению рабочего зазора в системе, возрастанию магнитной проводимости и повышению передаваемого усилия на 5 + 1 %. 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 взаимодействием до 1 м/с и давлении в вакуумной камере выше 10'3 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 ее газопроницаемость не менее чем в 7 раз.

8. Применение предложенных внутрикамерных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием в бескорпусном исполнении позволяет в 4-^5 раз уменьшить газовыделение с их поверхностей.

9. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета 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 «Расчет 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 «Расчет и конструирование оборудования электронной промышленности» и в процессе дипломного проектирования.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях

1. Кузнецов, П.С. Создание сверхчистой вакуумной технологической среды в электронном производстве [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Прикладная физика.-2010.-№5.-С. 122-126.

2. Кузнецов, П.С. Особенности расчетов герметичных магнитных муфт приводов аналитико-технологического оборудования с контролируемой вакуумной средой [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Приводная техника. - 2010. -№ 4 (86). - С. 31-35.

3. Кузнецов, П.С. Устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием для специального технологического оборудования [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Технология машиностроения. - 2011. - № 2 ( 104). - С. 47-51.

4. Кузнецов, П.С. Системы приводов для работы в сверхчистой вакуумной технологической среде [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Приводная техника. - 2011. — № 1 (89). - С. 37-47.

5. Кузнецов, П.С. Особенности применения устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием в современном сверхвысоковакуумном контрольно-диагностическом и технологическом оборудовании [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Контроль. Диагностика. - 2011. - № 2 ( 152). - С. 44-48.

6. Кузнецов, П.С. Проектирование внутрикамерных устройств вакуумного оборудования для экологически чистых и энергосберегающих технологий [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2011. - №4. - Т. 16. -С. 49-55.

7. Кузнецов П.С. Повышение надежности внутрикамерных систем сверхвысоковакуумного аналитического и технологического оборудования [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Надежность. - 2011. - № 01 (36). - С. 32-39.

8. Кузнецов, П.С. Альтернативные транспортные средства для экологически совершенного вакуумного оборудования электронной техники [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Экология промышленного производства. - 2011. - № 4. - С. 69-74.

9. Кузнецов, П.С. Расчет шарикоподшипников, работающих а вакууме [Текст] / В.А. Васин, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Механизмы оборудования для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники: монография / В.А. Васин, E.H. Ивашов, C.B. Степанчиков. - М.: Издательство НИИ ПМТ, 2010. - Гл.5. - С.122-129.

10. Кузнецов, П.С. Расчет газовыделения из узлов трения механических систем, работающих в вакууме [Текст] / В.А. Васин, Е.Н. Ивашов, П.С. Кузнецов, С.В. Степанчиков // Механизмы оборудования для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники: монография / В.А. Васин, Е.Н. Ивашов, С.В. Степанчиков. - М.: Издательство НИИ ПМТ, 2010.-Гл.7.-С.138-141.

11. Kuznetsov, P.S. Application of devices of contactless magnetic interaction in vacuum modules of the special equipment [Текст] / E.N. Ivashov, P.S. Kuznetsov, S.V. Stepanshikov // Sixth International Aerospace Congress IAC' 09: Abstracts. - Jubileyny, M.r.: A. Khoruzhevsky - P. 106.

12. Kuznetsov, P.S. Features of designing of special vacuum mechanical systems of the scientific space equipment [Текст] / E.N. Ivashov, P.S. Kuznetsov, S.V. Stepanshikov // Sixth International Aerospace Congress IAC' 09: Abstracts. - Jubileyny, M.r.: A. Khoruzhevsky - P. 156.

13. Кузнецов П.С. Исследование работоспособности устройств бесконтактного взаимодействия с магнитной связью при повышенных температурах в вакууме [Текст] / П.С. Кузнецов. // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. -М..МИЭМ, 2010. - С. 327.

14. Кузнецов, П.С. Материалы устройств с магнитным взаимодействием вакуумного оборудования радиоэлектронной техники [Текст] / П.С. Кузнецов // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Матер. Международной науч.-техн. конф. «INTERMATIC-2010» / Под ред. чл.-корр. РАН А.С. Сигова. - М.: Энергоатомиздат, 2010, часть 2. - С. 312316.

15. Кузнецов, П.С. Методы расчета устройств с магнитным взаимодействием и минимальным дестабилизирующим воздействием на вакуумную технологическую среду [Текст] / П.С. Кузнецов // Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2011. - С. 279-280.

16. Кузнецов, П.С. Выбор материалов для устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием современного высоковакуумного оборудования [Текст] / П.С. Кузнецов // "Вакуумная наука и техника" / Матер. XVIII науч.-тех. конф. / Под редакцией доктора технических наук, профессора Д.В. Быкова. - М.: МИЭМ, 2011. - С. 120-123.

17. Kuznetsov, P.S. Study microparticles, contactless device generates magnetic interactions in vacuum equipment production nanoelectronics [Текст] / P.S. Kuznetsov, S.V. Stepanshikov it Opto-, nanoelectronics, nanotechnology and microsystems: Papers XIII International Conference. - Ul.: U1SU, 2011. -p. 448-449.

18. Kuznetsov, P.S. Study devices gas release from the contactless magnetic interaction for vacuum equipment production nanoelectronics [Текст] / E.N. Iva-shov, P.S. Kuznetsov, S.V. Stepanshikov // Opto-, nanoelectronics, nanotech-nology and microsystems: Papers XIII International Conference. - UL: U1SU, 2011.-P. 450-451.

19. Kuznetsov, P.S. Study performance devices contactless magnetic interaction working in vacuum equipment production warmed elements of nanoelectronics and micromechanics [Текст] / P.S. Kuznetsov // Opto-, nanoelectronics, nanotechnology and microsystems: Papers XIII International Conference. — Ul.: U1SU, 2011.-P. 452-453.

20. Кузнецов, П.С. Классификация устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного оборудования радиоэлектронной промышленности [Текст] / П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Матер. Международной науч.-техн. конф. «INTERMATIC-2011» / Под ред. чл.-корр. РАН A.C. Сигова. - М.: МГТУ МИРЭА - ИРЭ РАН, 2011, часть 4. - С. 229-231.

21. Кузнецов, П.С. Исследование устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для сверхвысоковакуумного оборудования [Текст] / П.С. Кузнецов // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения / Материалы Международной научно - технической конференции «INTERMATIC-2011», 14-17 ноября 2011 г., Москва. / Под ред. чл.-корр. РАН A.C. Сигова. - М.: МГТУ МИРЭА - ИРЭ РАН, 2011, часть 4. -С. 232-233.

22. Пат. на полезную модель 106323 Российская Федерация, МПК F16F 6/00. Виброгаситель для прецизионно-стерильного оборудования / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков и др.; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. - 2010151838/1 1; заявл. 17.12.2010; опубл. 10.07.2011.Бюл. № 19.

23. Пат. на полезную модель 106326 Российская Федерация, МПК7 F16H 1/12. Магнитная зубчатая передача для работы в вакууме и чистых технологических средах (варианты) [Текст] / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков и др. ; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. -2010151839/11; заявл. 17.12.2010; опубл. 10.07.2011. Бюл. № 19.

24. Пат. на полезную модель 106448 Российская Федерация, МПК7 H01L 41/00. Устройство перемещений [Текст] / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков и др.; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. - 2010152784/28; заявл. 24.12.2010; опубл. 10.07.2011. Бюл. № 19.

25. Пат. на полезную модель 106463 Российская Федерация, МПК G02F 6/00. Магнитная муфта-редуктор для передачи вращения в герметизированный объем [Текст] / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков и др.; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. - 2010151840/07; заявл. 17.12.2010; опубл. 10.07.2011. Бюл. № 19.

26. Пат. на полезную модель 107307 Российская Федерация, МПК7 F16F 1/06. Магнитная зубчатая передача для вакуумного технологического оборудования (варианты) [Текст] / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степан-чиков и др. ; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. -2011109088/11; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

27. Пат. на полезную модель 107308 Российская Федерация, МПК7 F16H 1/06. Зубчатая передача с магнитным бесконтактным взаимодействием зубьев для работы в вакууме [Текст] / E.H. Ивашов, E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков и др.; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. - 2011109089/11; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

28. Пат. на полезную модель 107309 Российская Федерация, МПК7 F16H 1/06. Зубчатая передача с магнитным взаимодействием зубьев [Текст] / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков и др. ; заявитель и патентообладатель МИЭМ. Москва. - 2011109090/11; заявл. 11.03.2011; опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22.

29. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2009614168 Российская Федерация. Расчет вакуумных передач с магнитным взаимодействием / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. - № 2009612950; заявл. 16.06.2009; зарег. 10.08.2009.

30. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010616041 Российская Федерация. Расчет магнитных вводов вращения в вакуумное технологическое оборудование на привносимые загрязнения / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. - № 2010614369; заявл. 20.07.2010; зарег. 14.09.2010.

31. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010616042 Российская Федерация. Расчет магнитных вводов поступательного движения в вакуумное технологическое оборудование на привносимые загрязнения / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. — № 2010614370; заявл. 20.07.2010; зарег. 14.09.2010.

32. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2010616058 Российская Федерация. Расчет устройств формирования поступательного движения в вакуумном технологическом оборудовании на привносимые загрязнения / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. -№ 2010614371; заявл. 20.07.2010; зарег. 14.09.2010.

33. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011613697 Российская Федерация. Расчет устройств с магнитным взаимодействием для вакуумных технологических комплексов электрон-

ной техники / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. - № 2011611983; заявл. 24.03.2011; за-рег. 12.05.2011.

34. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011613698 Российская Федерация. Расчет газовыделения из внутри-камерных устройств с магнитным взаимодействием вакуумного технологического оборудования / E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. - № 2011611984; заявл. 24.03.2011;зарег. 12.05.2011.

35. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2011613699 Российская Федерация. Расчет и выбор систем с магнитным взаимодействием для вакуумных аналитико-технологических приборов и оборудования ! E.H. Ивашов, П.С. Кузнецов, C.B. Степанчиков; заявитель и правообладатель МИЭМ. Москва. - № 2011611985; заявл. 24.03.2011;зарег. 12.05.2011.

Подписано к печати « 19 » апреля 2012 г. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии МИЭМ. 113054, Москва, ул. М.Пионерская, д. 12. Заказ 69 . Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

61 12-5/2546

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт электроники и математики

(технический университет)»

Кузнецов Павел Сергеевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВ С БЕСКОНТАКТНЫМ МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ И МИНИМАЛЬНЫМ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ НА ВАКУУМНУЮ СРЕДУ ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность

05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Степанчиков С.В.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................... 5

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ УСТРОЙСТВ С БЕСКОНТАКТНЫМ

МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ В ВАКУУМНОМ ОБОРУДОВАНИИ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ................... 13

1.1. Создание сверхчистой вакуумной среды в оборудовании высоких технологий................................................................................................ 13

1.2. Обзор и анализ вакуумного технологического и аналитического оборудования с функциональными устройствами бесконтактного магнитного взаимодействия.................................................................... 23

1.3. Конструктивные особенности вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием................... ..................... 40

1.4. Материалы вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием...................................................................................... 52

1.5. Цель и задачи исследований................................................................... 60

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТРОЙСТВ С

БЕСКОНТАКТНЫМ МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С КОНТРОЛИРУЕМОЙ СРЕДОЙ....... 62

2.1. Классификация устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного технологического и

аналитического оборудования................................................................ 62

2.2. Оценка устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием вакуумного оборудования по уровню загрязнений, привносимых микрочастицами....................................................................................... 67

2.3. Влияние магнитного поля на поведение микрочастиц в вакууме....... 71

2.4. Газовыделение из вакуумных устройств с бесконтактным

магнитным взаимодействием.................................................................. 76

2.5. Расчёт и выбор шарикоподшипников для вакуумных устройств

с бесконтактным магнитным взаимодействием.................................... 81

2.6. Расчёт зазоров в опорах качения устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием, работающих в вакууме при повышенных температурах..................................................................... 85

2.7. Выбор типа электродвигателя для приводов функциональных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием.................. 97

2.8. Исследование возможности проведения масштабирования при переходе от размера 125x125 мм к размеру 1000x1000 мм объектов в вакуумном оборудовании нанесения тонких плёнок с магнитными системами......................................................................................................................................................102

Выводы по главе 2........................................................................................... 109

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И

МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТРОЙСТВ С БЕСКОНТАКТНЫМ МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ЗАГРЯЗНЕНИЯ, ПРИВНОСИМЫЕ МИКРОЧАСТИЦАМИ И ГАЗОВЫМИ ПОТОКАМИ........ 110

3.1. Задачи исследований................................................................................ 110

3.2. Экспериментальное оборудование......................................................... 111

3.3. Экспериментальные исследования микрочастиц из вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием.................. 115

3.4. Моделирование количества и размеров микрочастиц, образующихся во внутрикамерном устройстве с бесконтактным магнитным взаимодействием.................................................................. 123

3.5. Экспериментальные исследования и моделирование газовыделения из внутрикамерного устройства с бесконтактным магнитным взаимодействием...................................................................................... 130

3.6. Экспериментальные исследования газопроницаемости тонкостенных герметизирующих элементов вакуумных устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием....................................... 141

Выводы по главе 3........................................................................................... 148

ГЛАВА 4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ПРИ СОЗДАНИИ УСТРОЙСТВ С БЕСКОНТАКТНЫМ МАГНИТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ ДЛЯ ВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ................... 149

4.1. Методика инженерного расчёта устройств с бесконтактным магнитным взаимодействием для вакуумного технологического и аналитического оборудования................................................................ 149

4.2. Вводы движения в вакуум с бесконтактным магнитным взаимодеиствием..................................... ................................................. 156

4.3. Вакуумные передачи с бесконтактным магнитным взаимодействием...................................................................................... 167

4.4. Внутрикамерные функциональные устройства.................................... 174

4.5. Направления дальнейших исследований............................................... 179

Выводы по главе 4........................................................................................... 181

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................................... 182

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................. 185

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................ 200

Приложение 1. Копии Патентов РФ и Свидетельств РФ

о государственной регистрации программы для ЭВМ................................. 201

Приложение 2. Акты внедрения результатов работы.................................. 216

ВВЕДЕНИЕ

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 микросист