Современные требования к вакуумному машиностроению

    На отечественном рынке вакуумного оборудования существует острая потребность в производителях полного цикла, обеспечивающих разработку и поставку технологического оборудования «под ключ» с полноценным послепродажным сопровождением. К принципам компоновки и построения современных вакуумных установок предъявляется ряд требований, вытекающих из необходимости постановки серийного производства отдельных компонентов, универсальности и гибкости конфигурации.

    Ключевые слова: электронное машиностроение, вакуумная техника, напылительное оборудование, импортозамещение.

    MODERN REQUIREMENTS FOR VACUUM TECHNOLOGICAL EQUIPMENT

    There is an urgent need in complete cycle manufacturers that provide development and production of ready technological equipment along with sales maintenance in Russian market. There is a number of requirements to configuration and production of modern vacuum technological equipment that are determined by stock production.

    Keywords: vacuum technological equipment, coating deposition, import substitution

     Integral 7 14 1p 

    Введение

    Существуют отрасли производства, неотъемлемой частью которых являются вакуумные технологии. И по мере ужесточения требований к технологической чистоте, энергоэффективности и безопасности окружающей среды эта зависимость становится только глубже. Вакуум — универсальная технологическая среда, обеспечивающая минимальный поток загрязняющих поверхность веществ, теплоизоляцию, возможность осуществления термодинамически неравновесных процессов за счёт ионной и электронной бомбардировки.

    С другой стороны, современная элементная и компонентная база даёт широкие возможности производителям оборудования для удовлетворения непрерывно возрастающих потребностей рынка. Средства автоматизации проектирования, компьютерные системы управления и стандартизация компонентов сокращают сроки разработки, облегчают переносимость имеющихся решений. Современное оборудование должно удовлетворять следующим требованиям:

    • безмасляный вакуум;
    • полная автоматизация техпроцесса;
    • уменьшение энергоемкости установок и процессов;
    • гибкая конфигурация под различные применения. Возможность перепрофилирования под новое применение;
    • автономность и контроль энергообеспечения — вода, газы, сжатый воздух;
    • ужесточение требований по весогабаритным характеристикам;
    • ужесточение требований по электробезопасности, генерации помех и тому подобное;
    • снижение времени простоев за счёт увеличения надёжности работы и ускорения обслуживания.

    Технологическую установку, вне зависимости от назначения можно грубо разделить на три функциональные части: вакуумный пост, технологические устройства и блоки питания. Вакуумный пост включает в себя также автоматизированную систему управления, которая мало зависит от технологического назначения установки.

    Импортное или отечественное?

    В настоящее время на российском рынке вакуумного технологического оборудования ситуация выглядит следующим образом. Большую часть рынка занимают поставки импортного оборудования, как готовых систем «под ключ», так и компонентов. Иностранные поставщики зачастую относятся к России как к стране третьего мира, что проявляется в низком качестве оборудования и поверхностном отношении к потребностям заказчика.

    Поставками импортного оборудования занимаются торговые организации, основное занятие которых заключается в обеспечении логистики и таможенного оформления (зачастую по «серым» схемам). Как правило, специалистов, способных понять потребности заказчика и составить техническое задание, обеспечивающее необходимый результат, в их штате нет. Современное производственное оборудование — узко специализировано, а многие технологии, широко применяемые в отечественной промышленности совершенно не известны за рубежом. В результате поставляется оборудование, не дающее тот результат, ради которого оно закупалось. Полбеды, если заказчик — организация с государственным финансированием, тогда в крайнем случае оборудование будет пылиться где-нибудь в углу. Для частной фирмы вырванные из оборота средства, превращённые в бесполезный металлолом, способны раз и навсегда отвратить руководство от желания связываться с вакуумной техникой. Впрочем, такая ситуация — не редкость и при заказе оборудования отечественным разработчиком, пусть даже некогда бывшим головными предприятиями целых направлений в электронной промышленности.

    Ситуация серьёзно усугубляется современной конкурсной системой государственных закупок, когда либо усилиями недобросовестных посредников, либо нечистыми на руку руководителями закупается заведомо непригодное для эксплуатации оборудование. Причём в случае современных импортных установок «допиливание» силами специалистов, ещё имеющихся в штате многих предприятий, практически невозможно из-за закрытости архитектуры и невозможности использовать штатные средства автоматизации. Вот и продолжают с трудом выполнять плановые задачи на оборудовании тридцати, а то и сорокалетней давности производства, зато знакомого и ремонтопригодного. А новое, цена которого в десятки раз превышает остаточную стоимость используемого, служит в качестве элемента «потёмкинской деревни» для ублажения взоров высоких гостей.

    Любое оборудование, каким бы качественным оно бы не являлось, периодически ломается. Это относится даже к таким массово производимым изделиям, как автомобиль и самолёт. Для уникального, в лучшем случае — мелкосерийного оборудования, каким является вакуумные установки и их компоненты, выход из строя, мягко говоря, не является исключительным событием. На этот факт слабо влияет страна происхождения, как бы не пытались представить ситуацию поставщики. Однако изложенные выше причины привели к тому, что поставленное оборудование очень редко выходит из строя. Ведь сложно ему ломаться, если на нём не работают. Поэтому дилеры оказываются ориентированными исключительно на импорт и операция по реэкспорту для ремонта оказывается за пределом их возможностей. В лучшем случае, ремонт (даже гарантийный) обойдётся потребителю в половину исходной цены вышедшего из строя узла или агрегата и в несколько месяцев ожидания. Те, кто реально заинтересован в работе оборудования, стиснув зубы, покупают заново сломанный узел, опять же не имея гарантии на его продолжительную работу.

    Такая ситуация расслабляет и самих иностранных поставщиков. Ведь поставленное в Россию оборудование никогда не возвращается в ремонт! А оно должно ломаться, они знают это, потому что у них есть и другие потребители. Отсюда они делают единственный возможный вывод: оборудование не используется, его покупают не для этого. И начинают отправлять заведомый брак или «сырые» разработки. Что делает ситуацию ещё интересней для всех её участников.

    Что же с отечественными поставщиками? В России можно найти практически всё (а на территории Таможенного Союза — вообще всё), что только может понадобиться для производства современного технологического оборудования, за отдельными исключениями. Но найти — задача нетривиальная. Многие из производителей оказались вне современного информационного поля, не имеют своих страниц в интернете, что сейчас равносильно забвению. Да и те, кто ещё помнит прежние координаты, не всегда могут их отыскать, потому как могли измениться и название, и форма собственности, и номера телефонов. Но, тем не менее, есть в стране производители турбомолекулярных и криогенных насосов, арматуры, вакуумметров, блоков питания. Есть и отечественные средства автоматизации, причём вполне мирового уровня.

    Но современному потребителю нужны не компоненты, а законченное оборудование с технологией «под ключ». Прошли времена девяностых, когда ещё было много специалистов на предприятиях, способных проводить модернизацию имеющегося оборудования своими силами, покупая лишь то, что не сделать самим. Уже сложно стало найти и подготовить бригаду профессиональных наладчиков, способных обслуживать современное оборудование, значит нужны сервис и пожизненное сопровождение. Даже технологи есть далеко не везде, максимум, чем располагает заказчик — девушкой (реже, юношей), которую можно за короткий срок обучить загружать/выгружать изделия и нажимать нужную кнопку.

    Между тем, назрело перевооружение. В заваленном военными заказами ВПК запахло катастрофой. Технологии, поставленные 30 лет назад утеряны вместе с развалившимся оборудованием, уехавшими или покинувшими этот мир специалистами. Что-то такое с большим процентом брака ещё можно было изображать при выпуске нескольких изделий в месяц, но вдруг нужны стали сотни! Причём не сказать, чтобы денег не было, но тут не до фокусов — оборудование должно работать, причём заказчик ждать не будет, у него свой план и свои контролёры.

    Надо отметить, что у ВПК вообще свои особенные отношения с импортом. Уже на стадии составления технического задания возникает вопрос: можно ли сообщать за рубеж подробности технологии, а ведь без этого не подобрать правильно оборудование. Кроме того современное оборудование, даже простейшее, управляется компьютером, да ещё и не одним. А программное обеспечение может содержать в себе «закладки», способные передавать информацию в неизвестном направлении или вывести оборудование из строя в случае ухудшения международной обстановки.

    Вывод такой: нужны отечественные поставщики полного цикла, способные обеспечить рынок современным оборудованием, сервисным сопровождением и технологической поддержкой. И вот именно на этом месте на рынке и образовался вакуум. Поставщиков таких можно пересчитать по пальцам. И все не без недостатков. Кто-то слишком узко специализирован и не может ни шагу сделать в сторону. Кто-то не имеет разработчиков технологических устройств и вынужден закупать их опять же за рубежом или у собственных конкурентов. Некоторые берутся за всё подряд и всё подряд же затягивают, а потом проваливают. У кого-то оборудование недорогое, но уже сильно отставшее от современных требований. В общем, с точки зрения потребителя, покупать у отечественного поставщика примерно похоже на одалживание денег непутёвому родственнику. Вроде бы свой, родной, ссориться не хочется, и не денется он никуда от тебя, а вернёт или нет — неизвестно.

    Среди иностранных производителей, в связи с глобализацией, наблюдается узкая специализация. Отдельная крохотная компания может выпускать, скажем, только ионные источники. Но зато на весь мир. Поэтому производители оборудования зачастую образуются «на ровном месте» под разовый заказ. Камеру взяли в одном месте, набили стандартными устройствами, приделали компьютер, для которого программист-фрилансер написал программу под стандартную оболочку, вроде LabView, вот вам и машина, собрана по принципу детского конструктора. Иногда даже неплохая. В России это не работает. Рынок незрелый, конкуренции почти нет. В цепочке производства обязательно будет звено, куда утечёт вся прибыль, а голодный разработчик страну своим оборудованием не прокормит. Да и за рубежом в последнее время наблюдается процесс интеграции. Появляются международные корпорации вроде Oerlikon, Agilent, Comet, хотя это довольно разнородные конгломераты, ещё пока не оторвавшиеся от своих корней.

    Модернизировать или покупать?

    Существует два пути проведения перевооружения: покупка нового оборудования и модернизация существующего. Второй путь весьма заманчив, ведь если есть работающая машина, усовременить её, расширив функционал, кажется куда как более простым делом, чем изготовить машину «с нуля». К сожалению, эта простота обманчива.

    Во-первых, устарела сама концепция построения вакуумных систем, поэтому модернизированная установка отвечать всем современным требованиям уже не сможет. Во-вторых, на предприятиях стоит оборудование не просто старое, а дряхлое. Эта дряхлость относится ко всем без исключения системам: теряющим контакт разъёмам, забитым и проржавевшим насквозь рубашкам водяного охлаждения, рассыпающимся уплотнениям вакуумной системы. Но внешне установка может иметь даже очень приличный вид, потому как то, что это вид образует, каркас и вакуумная камера, не изнашиваются и могут служить десятки лет. Поэтому модернизация начинается с того, что на свалку отправляется почти всё: вакуумные клапаны, насосы, трубопроводы, блоки питания и управления, измерительные приборы, технологические устройства, даже кожуха, мятые и ржавые. Всё это не подлежит восстановлению, купить новое гораздо дешевле, чем восстанавливать из пепла имеющееся. Остаётся каркас и вакуумная камера. Иногда ещё затвор, зачастую исполняемый заодно с камерой или так к ней присоединяемый, что никакой стандартный не подходит. В итоге себестоимость модернизации мало чем отличается от изготовления новой серийной машины. Например, широко распространённую установку УВН-71П3 можно приобрести дешевле, чем за 100 тысяч рублей. Изготовить новую камеру того же объёма и новый каркас можно не дороже, чем за 500 тысяч. Всей экономии — 400 тысяч рублей, при общих затратах на модернизацию не меньше нескольких миллионов. Но одно дело получить пусть обновлённую, но всё равно морально устаревшую установку, и совсем другое — новую и современную. Затраты на разработку новой серийно выпускаемой установки распределяются по всей серии, а модернизация требует индивидуального подхода к каждой машине. К сожалению неисповедимые пути финансирования отечественного производства иногда приводят к тому, что предприятие вынуждено заказывать или проводить своими силами модернизацию.

    В качестве примера, на рис. 1 приведён результат модернизации уже упоминавшейся установки УВН-71П3 для магнетронного напыления. Установка оснащена:

    • сухой безмасляной системой откачки на основе спирального форвакуумного и криогенного насосов;
    • полностью автоматизированным управлением вакуумной системой и технологическим циклом, вплоть до возможность удалённого контроля и диагностики через Интернет;
    • технологическими устройствами: источником ионов и магнетроном;
    • современными блоками питания.

    Установка магнетронного напыления на базе УВН-71П3

     Рис. 1. Установка магнетронного напыления на базе УВН-71П3

    Часть прежних блоков была оставлена по договорённости с заказчиком для экономии средств.

    Современная концепция построения вакуумных технологических систем

    Итак, резюмируя вышесказанное, можно сформулировать следующее:

    • потребность в вакуумном технологическом оборудовании на отечественном рынке растёт, как по фундаментальным причинам, связанным с общим направлением развития техники, так и по конъюнктурным, обусловленным переоснащением ВПК;
    • по ряду причин удовлетворение этого спроса за счёт импорта готовых установок связано со значительными затратами и большими рисками;
    • условий для появления чисто сборочных производств машин по принципу детского конструктора нет, в связи с отсутствием производителей «кубиков» приемлемого качества по разумной цене.

    Из этого вытекает необходимость в развитии именно отечественных поставщиков полного цикла. А это означает, что они должны иметь:

    • технологические устройства собственной разработки и производства;
    • свои вакуумные посты;
    • программное обеспечение собственной разработки, желательно на открытом исходном коде;
    • свои технологии и свой штат технологов;
    • налаженное серийное производство всего вышеперечисленного (включая обучение технологов).

    Создавая «Лабораторию вакуумных технологий», мы поставили перед собой цель стать именно таким производителем. На этом пути мы сделали следующие шаги:

    • разработали практически полный спектр технологических устройств от простых и примитивных, вроде термических испарителей, до не имеющих мировых аналогов радиочастотных генераторов плазмы;
    • разработали несколько типов вакуумных постов и наладили их серийное производство;
    • внедрили ряд уникальных технологий и вывели на рынок промышленное оборудование, пригодное для их применения в различных отраслях производства.

    В ходе решения этих задач нами была сформулирована концепция построения технологических установок для широкого спектра применений[1]. При этом подтвердились отдельные всеобщие принципы, к которым независимыми путями пришли и иностранные производители[2].

    Тезисно сформулировать эту концепцию можно следующим образом:

    • компоновка установок различного назначения на базе линеек серийно выпускаемых вакуумных постов, основное различие между линейками — объём вакуумной камеры;
    • вакуумные посты для разных линеек в свою очередь также собираются из стандартизованных блоков и модулей;
    • разработка широкого спектра технологических устройств, совместимых по установочным размерам для обеспечения возможности получения нужной комбинации для данной технологии;
    • развитие системы измерения, непрерывно производящей контроль и фиксацию технологических параметров и окружающей среды;
    • унификация программного обеспечения, снижение количества ошибок в нём за счёт повторного использования кода и возможности одновременного обновления на большом количестве установок без длительных остановок.

    Реализация этих принципов позволяет не только сократить сроки и стоимость разработки даже установок принципиально нового назначения, но и даже работать на опережение, создавая на складе запас уже готовых компонентов (вплоть до уже готовых вакуумных постов), которые в сжатые сроки могут быть превращены в работающую установку.

    Правильность определения общего в различных установках позволяет добиться существенной экономии на разработке и обеспечить самые на первый взгляд неожиданные запросы заказчиков. В качестве примера на рис. 2 приведены две модификации установки Ника-2012, серийная (слева) для магнетронного напыление и уникальная (справа) шлюзовая для ионно-лучевого напыления в среде высокоплотной плазмы, предназначенная для проведения научных исследований. Несмотря на бросающиеся в глаза различия, вакуумный пост и рабочая камера, а также система управления у них идентичные, разница только в блоках питания (и то только в фирме-производителе) и технологическом оснащении.

    Ника-2012 МН Seria12 IN

    Рис. 2. Установки серии Ника-2012: магнетронного напыления (слева) и шлюзовая для ионно-лучевого напыления (справа)

    Вакуумная, пневматическая, электрическая схемы, а также система охлаждения принципиально не отличаются в различных установках, значит поддаются унификации. Это привело нас к объединению большинства функций в виде двух блоков — блока управления вакуумной системой (БУВС) и блока водораспределительного (БВР), представленных на рис. 3.

    BUVS   BVR

    Рис. 3. Блоки: управления вакуумной системой (слева) и водораспределительный (справа)

    Оба блока монтируются в стойку 19'' стандарта, БУВС имеет высоту 6U, БВР — 3U. В совокупности они обеспечивают распределение электроэнергии, управление вакуумной системой, сбор данных с датчиков, управление блоками питания и вспомогательными системами (например, газонапуском) через стандартные интерфейсы RS-485 и Ethernet. В БУВСе смонтирован ПЛК SMH2Gi фирмы Сегнетикс под управлением Linux с установленной системой сбора данных и управления OpenSCADA. Этот контроллер берёт на себя сбор данных со всех устройств и датчиков, логику управления вакуумной системы и способен выполнять эти функции автономно. Интерфейс пользователя основан на обычном персональном компьютере моноблочного исполнения, в случае сбоя которого не происходит нарушения работы установки.

    Принцип создания серийных вакуумных постов реализован в виде нескольких линеек:

    • Ника-2012 — малогабаритные установки для мелкосерийного или опытного производства, позволяющие производить процессы магнетронного и термического напыления, ионного травления, плазмохимического травления и осаждения, а также обработку в среде высокоплотной плазмы. Рабочая камера 400х350 мм (серия Ника-2012) и 500х450 мм (серия Ника-2012-500).
    • Ника-2013 — промышленные установки для крупносерийного производства, в частности для нанесения металлических или резистивных слоёв в гибридной технологии. Диаметр рабочей камеры 700 мм, длина — 500 мм, одновременно может обрабатываться до 120 подложек 60х48.
    • Ника-2014 — шлюзовые плазмохимические машины для индивидуальной обработки подложек диаметром до 200 мм в среде высокоплотной плазмы. Пригодны для объединения в кластер.

    Изготавливаемые нами технологические устройства унифицированы по присоединительным размера, на рис. 4 приведены две различные модификации установки Ника-2012: для реактивного ионного травления (слева) и для напыления толстых металлических слоёв (справа). В последнем случае для напыления подслоя хрома или титана используется обычный магнетрон, а для напыления основного слоя металлизации — уникальный, использующий разряд в парах материала мишени. Слой толщиной до 30 мкм при двухстороннем напылении на 10 подложек 60х48 мм напыляется за 30 минут в вакууме без подачи рабочего газа и с существенной долей ионной компоненты в осаждаемом материале. При этом капельная фаза, как при дуговом распылении, отсутствует полностью. Это позволяет получить непревзойдённые по плотности и качеству плёнки. Для очистки и нагрева керамических подложек используется генератор плазмы РПГ-128, обеспечивающий поток ионов до 10 мА/см2 без подачи смещения со средней энергией ионов 40 эВ.

    Ника-2012 магнетронного осаждения/травления 5 Nika 2012CLD

    Рис. 4. Варианты исполнения установки Ника-2012 под различные применения: реактивное ионное травление (слева) и для напыления металлических слоёв большой толщины (справа).

    Генераторы плазмы являются уникальной разработкой[3], позволяющей получать очень высокие плотности плазмы в безэлектродном разряде. Род газа для этих устройств не играет роли, что позволяет их использовать для ассистирования в процессах с применением активных газов: кислорода, азота, галогенов. В настоящее время выпускается устройства РПГ-250 и РПГ-128 (рис. 5), отличающиеся размером области вклада высокочастотной мощности в плазму. РПГ-250 позволяет получать ионные потоки на диаметре до 200 мм с разбросом в пределах 3%. РПГ-128 предназначен для получения плотностей ионного тока до до 60 мА/см2, но однородность его распределения существенно хуже.

    Генераторы плазмы

    Рис. 5. Радиочастотные плазменные генераторы: РПГ-250 (слева) и РПГ-128 (справа)

    На основе РПГ-250 выпускается серия шлюзовых плазмохимических установок Ника-2014[4], позволяющих осуществлять высокоскоростное травление полупроводниковых и пьезоэлектрических материалов, а также плазмастимулированное осаждение диэлектрических плёнок. В частности скорость травления кремния — до 40 мкм/мин, кварца — до 6 мкм/мин.

    Для комплектации установок мы используем компоненты как иностранного, так и отечественного производства. Доля импортных комплектующих в структуре себестоимости не превышает 10-15%. Это позволяет оперативно решать вопросы с гарантийным ремонтом и послепродажным обслуживанием реализованных установок.

    Литература

    1. Буркхардт М. Напылительные установки Oerlikon Leybold Vacuum // Доклад на конференции «Вакуумная техника и технология - 2014». С.-Петербург, 2014.
    2. Берлин Е.В., Григорьев В.Ю. Новое поколение вакуумных технологических установок // Вакуумная техника и технологии. 2014. Т. 23. № 1. С. 203–204.
    3. Берлин Е.В., Григорьев В.Ю. Генератор плазмы (варианты) // 2013. № 2503079.
    4. Берлин Е.В. и др. Скоростное травление кварца и плазмохимический реактор для его реализации // Вакуумная техника, материалы и технологии. Материалы конференции., 2013.