авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Научные основы управления процессами трибодесорбции газов в узлах трения механизмов сверхвысоковакуумного оборудования электронной техники и нанотехнологий

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

УДК 539.232; 621.521

Невшупа Роман Александрович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ТРИБОДЕСОРБЦИИ ГАЗОВ В УЗЛАХ ТРЕНИЯ МЕХАНИЗМОВ СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ

05.27.06 - Технология и оборудование для полупроводников, материалов и приборов электронной техники (техн. науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва – 2010 г.

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация

Защита состоится 2010 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.18 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Баумана, зал Ученого совета МГТУ им. Н.Э. Баумана. Телефон для справок: (499) 2670963.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по указанному выше адресу ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.18.

Автореферат разослан “___ ”______________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Ю.Б. Цветков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Быстрое развитие материалов и приборов электронной техники привело в последние два десятилетия к возникновению разрыва между потребностями создания новых сверхминиатюрных электронных приборов и технологическими возможностями их массового производства. Несмотря на появление новых нанолокальных технологий производства электронных приборов и совершенствования традиционных технологий массовой обработки, этот разрыв продолжает углубляться, что связано, в основном, с отставанием в развитии технологического оборудования. В области технологического оборудования электронных приборов продолжают доминировать тенденции экстенсивного развития на основе технических решений и наработок, полученных более тридцати лет назад. В частности, увеличение объемов производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники достигается, в основном, за счет увеличения запуска и размеров подложек, что ведет к чрезмерному увеличению габаритов установок и снижению их надежности. В результате этого, в рамках экстенсивного пути экономический эффект от каждого последующего шага модернизации технологического оборудования постепенно снижается. Интенсивный путь развития предполагает переход на новые конструкторско-компоновочные решения, создание высокоинтегрированных автоматизированных магистрально-модульных и кластерных производственных систем, позволяющих объединить в единой вакуумной производственной линии различные технологические операции вплоть до полного цикла производства. Сдерживающими факторами на пути внедрения магистрально-модульных систем и кластерного оборудования помимо их высокой стоимости (более 10 млн. долларов США) являются нерешенность проблем обеспечения надежности (наработка на отказ > 5760 часов) и качества технологической среды (парциальные давления кислорода, метана, монокиси и двуокиси углерода, соединений серы < (5-8)10-11 Па). Среди различных систем и подсистем технологического оборудования наиболее критическая ситуация по надежности и чистоте среды наблюдается для механических устройств и транспортных систем, имеющих узлы трения, функционирующие в вакууме. Обладание технологиями создания материалов для вакуумных транспортных систем, объем мирового рынка которых в ближайшие пять лет составит 2 млрд. долларов США,1 открывает путь к мировому лидерству в технологии производства наноэлектроники.

Развитие механических устройств вакуумного технологического оборудования идет по пути миниатюризации, повышения кинематической точности, снижения погрешности позиционирования, увеличения плавности хода, надежности функционирования и срока службы. Применение новых прогрессивных конструкторских решений в отношении вакуумных механизмов должно сопровождаться созданием специальных трибологических материалов и покрытий, которые бы обладали более низким коэффициентом трения, меньшей скоростью износа, более низким удельным газовыделением и удельным потоком генерации мелкодисперсных частиц. Несмотря на некоторый успех трибологического материаловедения в разработке вакуумных трибологических покрытий, обладающих более высокими характеристиками по трению и износу, а соответственно и по генерации загрязнений, по сравнению с применяемыми ныне в промышленности, ни в России, ни в мире практически не ведутся работы, направленные на исследования газовыделения из новых материалов и покрытий при их трении и прогреве в вакууме. Кроме того, в настоящее время практически отсутствует понимание основных источников и механизмов трибодесорбции из различных материалов, в том числе полимерных, неметаллических, тонкопленочных покрытий. Остается неразвитой методологическая научная база для количественного изучения трибодесорбции. О неразвитости науки о трибодесорбции свидетельствует отсутствие устоявшейся и общепринятой терминологии, большей частью заимствованной из тех отраслей знания, в которых в достаточно несистематической манере рассматриваются отдельные ее аспекты.

В настоящее время, потребности создания материалов и покрытий с заданными трибодесорбционными свойствами для перспективных образцов технологических систем электронной техники требуют глубокого понимания явлений трибодесорбции, разработки методологии ее исследования с учетом особенностей конструкции и условий эксплуатации узлов трения вакуумных механизмов и создания научных основ управления трибодесорбционными процессами.

Цель работы – разработка научных основ управления трибодесорбционными процессами в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения механических систем сверхвысоковакуумного технологического оборудования электронной техники и нанотехнологий на основе теоретических и систематических экспериментальных исследований.

В соответствии с поставленной целью сформулированы основные задачи диссертации:

1) определение места и роли трибодесорбции в системе трибо- и механоактивационных явлений с учетом синергии и многостадийности их проявления,

2) определение основных механизмов активации трибодесорбции для материалов различной физико-химической природы (металлов, неметаллов, полимеров, покрытий), характерных для современных и перспективных миниатюрных и слабонагруженных узлов трения СВВ механических систем оборудования производства электронной техники;

3) разработка теоретической модели трибодесорбционных явлений в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения механизмов СВВ техноло-гического оборудования с учетом термических, атермических и структурных механизмов активации трибодесорбции;

4) создание научных основ, методов и оборудования для экспериментальных исследований трибодесорбционных явлений в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения прецизионных СВВ механических систем;

5) систематическое экспериментальное исследование трибодесорбции газов из новых материалов и покрытий различной природы, перспективных для использования в миниатюрных узлах трения механических систем нового поколения;

6) разработка моделей и методов расчета параметров трибодесорбции различных материалов и покрытий для практического инженерного использования;

7) разработка практических методов управления трибодесорбционными процессами и повышение эффективности системы вакуумной диагностики на основе обнаруженных закономерностей трибодесорбции.

Научная новизна диссертации состоит в том, что в ней систематизированы и обобщены материалы выполненных автором разработок технических средств и методик исследования трибодесорбции из новых и перспективных материалов и покрытий миниатюрных и слабонагруженных узлов трения внутрикамерных механизмов сверхвысоковакуумных технологических систем производства изделий электронной техники и нанотехнологий, а также результаты комплексных теоретических и экспериментальных исследований процессов выделения газов при трении металлических материалов, вулканизатов синтетических каучуков и тонкопленочных покрытий, позволившие выявить ряд новых явлений и существенно расширить понимание механизмов трибодесорбции в миниатюрных и слабонагруженных узлах трения, сформулировать и обосновать адекватные расчетные модели и предложения по регулированию трибодесорбционных явлений, а также их использованию для in situ диагностики состояния материалов и покрытий в зоне трения и для анализа содержания газов в материалах и покрытиях.

К принципиально новым результатам относятся:

1. физически обоснованные методы и комплекс экспериментальных средств для количественного измерения и исследования трибодесорбции газов из материалов и покрытий в вакууме при трении в миллиньютоновом диапазоне нормальных нагрузок;

2. теоретическая модель трибодесорбции газов из слабонагруженных и миниатюрных узлов трения внутрикамерных механизмов на основе нетермической и структурной активации трибодесорбции газов;

3. результаты экспериментальных исследований по спектральному составу, кинетике и динамике трибодесорбции газов в сверхвысоком вакууме из металлов различной кристаллической структуры, вулканизатов синтетических каучуков и тонкопленочных покрытий различной химической природы и структуры в миллиньютоновом диапазоне нормальных нагрузок;

4. экспериментально обнаруженная и теоретически обоснованная взаимосвязь между кинетикой трибодесорбции, интенсивностью процессов повреждаемости материала в зоне трения и содержанием свободно растворенных и окклюдированных газов в материале;

5. результаты и обобщающие выводы экспериментальных исследований влияния процессов повреждаемости материалов и покрытий на кинетику и интегральные характеристики трибодесорбции;

6. комплекс инженерных методик расчета кинетических и интегральных показателей трибодесорбции действующего и проектируемого оборудования, в том числе при использовании новых и перспективных материалов и покрытий;

7. методы и технические средства для анализа содержания газов в материалах и покрытиях на основе использования явления трибодесорбции;

8. мероприятия по повышению эффективности вакуумной in situ диагностики технического состояния поверхностей трения внутрикамерных механизмов сверхвысоковакуумных технологических систем на основе использования полученных зависимостей по кинетике и поведению трибодесорбции.

На защиту выносятся:

1. методы расчетно-теоретического анализа трибодесорбции в слабонагруженных и миниатюрных узлах трения внутрикамерных механизмов сверхвысоковакуумных технологических систем производства электронных приборов;

2. методики количественной оценки кинетических и интегральных показателей трибодесорбции газов по набору экспериментальных данных об изменении давления в вакуумной системе;

3. результаты комплексных экспериментальных исследований спектрального состава, кинетики и динамики трибодесорбции газов из металлических материалов, вулканизатов синтетических каучуков и тонкопленочных покрытий различной структуры и химического состава; технические средства экспериментальных исследований;

4. методы регулирования трибодесорбции в действующем и разрабатываемом оборудовании, методы определения содержания газов в материалах и покрытиях на основе явления трибодесорбции и методы повышения эффективности вакуумной диагностики технического состояния поверхностей трения внутрикамерных механизмов сверхвысоковакуумного технологического оборудования.

Научная и практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что:

1. получены расчетно-теоретические методы оценки показателей трибодесорбции из металлических материалов, вулканизатов синтетических каучуков и тонкопленочных покрытий действующего и проектируемого оборудования;

2. создана методика и технические средства для измерения количественных показателей трибодесорбции в сверхвысоком вакууме в миллиньютоновом диапазоне нормальных нагрузок;

3. определены основные механизмы и движущие силы трибодесорбционных процессов для металлических материалов различной кристаллической структуры и вулканизатов синтетических каучуков;

4. определена взаимосвязь повреждаемости материала с кинетикой и поведением трибодесорбции, что позволило разработать комплекс практически значимых методов определения содержания газов в материалах и диагностики технического состояния поверхностей трения внутрикамерных механизмов сверхвысоковакуумных механизмов;

5. созданы методика и технические средства для анализа содержания газов в материалах и покрытиях.

Результаты разработок внедрены: в компании «Текникер» (г. Эйбар, Испания) - метод и оборудование для измерения трибодесорбции газов из материалов и покрытий – система CA3UHV; в Национальном исследовательском совете Испании – метод и оборудование для анализа содержания газов в материалах и покрытиях – система TriDes.

Достоверность полученных результатов определяется обоснованностью допущений теоретических моделей путем сравнения с результатами методических экспериментов и сопоставлением с данными литературных источников, а данных экспериментальных исследований – воспроизводимостью при многократном повторении экспериментов и непротиворечивостью физическим законам.

Личный вклад автора Основная часть исследований в работе выполнена лично автором, в том числе: систематизация опубликованных данных о трибодесорбционных и трибоэмиссионных явлениях, разработка теоретических основ трибодесорбционных явлений, разработка методических основ и технических средств экспериментальных исследований трибодесорбции, экспериментальные исследования трибодесорбции металлических материалов и трибологических покрытий, разработка феноменологических моделей и методов практического использования результатов исследований. Отдельные результаты получены либо под руководством автора (исследования трибодесорбции из покрытий аморфного алмазоподобного углерода и из полимерных материалов, экспериментальная проверка частных моделей поведения вакуумной системы), либо при непосредственном участии (анализ результатов аналитических методик с использованием вторично-ионной масс-спектрометрии, рентгеновской дифракции, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, метода ядер отдачи, атомно-силовой микроскопии).

Апробация результатов, изложенных в диссертации, проводилась на 1й-10й Российских научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» в 1993-2003 гг.; 5й, 7й, 8й и 9й международных конференциях «Трибология и надёжность», г. Санкт-Петербург; 7й Европейской вакуумной конференции, 15й - 17й Международных вакуумных конгрессах, Иберийском трибологическом конгрессе 2007 г., Европейской трибологической конференции 2007, 1м Конгрессе прикладной физики 2003 г., 280м семинаре Heraues-WE (г. Ильменау, Германия), Японских трибологических конференциях 2000-2002 гг., 4й Вакуумной конференции стран Азии и Австралии, конференции «Надежность» 2003 г., семинаре ЮНЕСКО-МЦОС 2004 г., трибологических семинарах им. М.М. Хрущева ИМАШ-РАН, конференции «Новые технологии - промышленности России», конференции «Наука через образование», семинарах кафедры «Электронные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана и др.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 65 научных работ, в том числе 29 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора наук согласно перечню ВАК, получено 3 патента на изобретение, 2 заявки на изобретение находятся на стадии экспертизы.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 9 глав, заключение, в котором сформулированы основные выводы работы, список использованной литературы и приложения. Содержание работы изложено на 640 страницах машинописного текста, диссертация содержит 64 таблицы, 236 рисунков и 6 приложений. Список литературы включает 540 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи работы, перечислены полученные новые научные результаты, раскрыта их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту, описана структура работы.

В первой главе («Анализ проблем обеспечения требований вакуумной среды в сверхвысоковакуумном оборудовании производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники») обозначено современное состояние и основные тенденции развития технологий и оборудования для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники. Несмотря на ускоренный рост в последние десятилетия электронной и полупроводниковой промышленности, которые в глобальном масштабе уже превзошли автомобильную и сталелитейную промышленности и по темпам роста, и в абсолютном денежном исчислении, технологическое оборудование производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники не претерпело такого же быстрого развития: за последние 50 лет совершенствование оборудования шло экстенсивным путем, т.е. в основном за счет увеличения диаметра подложек и увеличения количества одновременно обрабатываемых изделий, а компоновочные схемы оборудования принципиально не изменились. В настоящее время для поддержания темпов роста производства необходим переход от экстенсивного пути, который близок к исчерпанию своих возможностей, к интенсивному, основанному на высокоинтегрированных автоматизированных производственных системах, построенных по магистрально-модульной схеме, т.е. схеме, в которой различные технологические модули соединены единой сверхвысоковакуумной транспортной магистралью. Хотя попытки создания таких систем совершаются с 80-х годов ХХ-го столетия, одной из основных проблем, препятствующих их широкому внедрению, является обеспечение надежности столь сложного и дорогостоящего оборудования, а также чистоты вакуумной среды внутри транспортной магистрали. Как показал опыт построения прототипов транспортных магистралей и предварительные исследования, основными источниками загрязнения, как в виде химически активных газов, так и мелкодисперсных частиц, являются пры трения механизмов, направляющих, транспортеров, вводов движения, расположенных в сверхвысоком вакууме (СВВ).



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.