вакуумно-плазменного оборудования ·
Санкт-Петербург · с 2009
Никита
генеральный директор НИА Инжиниринг, кафедра физики плазмы СПбПУ.
сборка в России, полный цикл.
задачу
сборка в России, полный цикл.
Модернизация и дооснащение оборудования
Модернизируем, дооснащаем и автоматизируем вакуумно-плазменное оборудование под ваш процесс. Собственное производство в России.
Установка стоит в цехе, а поддержать её некому
Вакуумно-плазменная установка живёт дольше, чем её поставщик готов её сопровождать. Узел изнашивается, а замены от вендора нет, идёт полгода или стоит как половина новой установки. Автоматика устарела, и режим набирают руками — от смены к смене по-разному.
Установка физически работает, но контроль над процессом потерян: толщина и состав плёнки уходят, а чем это поймать — на установке нет. Или производство меняет продукт, а установка под новый процесс не заточена. Во всех этих случаях простой стоит дороже самой работы: пока установка стоит, цех не выпускает продукцию.
Отсюда типовая развилка. Либо ждать вендора — если он вообще отвечает и если он вообще существует. Либо покупать новую установку целиком там, где хватило бы замены узла и обновления автоматики. Разбираться приходится службе главного механика и технологу, у которых плановое задание никто не отменял.
Мы работаем с этой половиной задачи: берём чужую установку — не обязательно нашу — и возвращаем ей работоспособность, контроль процесса и управляемость, стараясь не останавливать производство дольше, чем это физически необходимо. Ниже — пять ситуаций, с которых к нам обычно начинается разговор.
Самый показательный пример — не разовый ремонт, а глубокая модернизация установки, которая потеряла контроль над средой.
Установка была цела и продолжала работать. Но выпускать продукцию с предсказуемым результатом уже не могла — и вернуть ей это оказалось дешевле и быстрее, чем покупать новую.
Установка выпускала фотоэлементы, но перестала держать состав среды
Установка магнетронного напыления «Тетрадон» предназначена для нанесения металлических и диэлектрических плёнок в производстве фотоэлементов нового поколения. В фотоэлементе работает не отдельный слой, а стопка слоёв с заданным составом и толщиной.
Поэтому важно не только «сколько газа в камере», но и «какого»: соотношение рабочего и реактивного газа задаёт состав плёнки, а примесь из остаточной атмосферы уходит в неё вместе с материалом. К моменту модернизации установка этот контроль потеряла.
Глубокая модернизация возвращала установке ровно его — управляемую среду и серийность. Мы заменили систему откачки, восстановили базовый уровень вакуума обслуживанием уплотнений и камеры, добавили раздельную двухканальную подачу газов, поставили контроль парциального состава на масс-спектрометре и держатель, обрабатывающий серию подложек за одну откачку, и свели всё это в единую АСУ ТП.
После модернизации установка снова выпускает продукцию с воспроизводимым от запуска к запуску режимом. Это и есть типовая производственная задача модернизации: установка физически цела, но потерян контроль над процессом — и вернуть его дешевле и быстрее, чем покупать новую.
Что для этого потребовалось+
состав работ и назначение каждого узлаЗамена системы вакуумной откачки: турбомолекулярный насос, широкодиапазонный датчик, шибер. Насос отвечает за рабочий диапазон давлений; широкодиапазонный датчик перекрывает путь от атмосферы до рабочего вакуума одним прибором, без разрыва в показаниях там, где обычно проходит граница диапазонов; шибер отсекает камеру от насоса — образец меняешь, не срывая вакуум во всём тракте.
Обслуживание вакуумных уплотнений, камеры и магнетронов. Предельное давление определяется не только насосом: течь и газоотделение стенок способны свести на нет любую откачку. Обслуживание возвращает установке тот базовый уровень, от которого вообще имеет смысл считать процесс.
Двухканальная система газонапуска. Раздельная подача рабочего и реактивного газа с независимой дозировкой. Без этого реактивный процесс не вести: состав плёнки задаётся соотношением потоков, а одним каналом это соотношение не устанавливается.
Коммуникации для охлаждения магнетронов. Бо́льшая часть подведённой к магнетрону мощности уходит в тепло. Отвод тепла определяет, какую мощность и как долго установка держит, то есть напрямую ограничивает скорость осаждения и длительность процесса.
Контроль газовой среды на квадрупольном масс-спектрометре. Датчик давления говорит «сколько газа», масс-спектрометр — «какого». По парциальным составляющим видно, откуда взялась примесь: натекание извне или газоотделение внутри.
Вращающийся держатель подложек — от 1 до 16 подложек, 25×25…100×100 мм. Вращение выравнивает толщину по площади; шестнадцать позиций — чтобы обработать серию за одну откачку. Диапазон типоразмеров означает, что серию можно вести и мелкими образцами, и крупными пластинами без переоснастки.
АСУ ТП: контроль заслонок, насосов, датчиков и газонапуска. Все узлы, влияющие на давление и состав среды, сведены в один контур. Отсюда и блокировки: последовательность операций с вакуумом задана программно, а не памятью оператора.
Тот же набор навыков мы раскладываем на шесть направлений.
Ремонт узла, дооснащение, автоматизация, пусконаладка — по ним к нам и приходят. Ниже каждое показано через проект, где оно уже сработало.
Шесть направлений — описанные через проекты, в которых это уже сработало
Каждый блок начинается с задачи производства, ради которой велась работа. Инженерная часть — состав работ и назначение узлов — лежит слоем ниже, под «Что для этого потребовалось»: она нужна тому, кто будет считать и согласовывать, и не мешает тому, кто пока выбирает подрядчика.
Установку возвращают в строй, а не списывают
Установка физически цела, но перестала выполнять свою работу: ушёл режим, износился ключевой узел, потерялась повторяемость. Модернизация возвращает работоспособность и предсказуемый срок службы расходных узлов — там, где покупка новой установки была бы платой за то, что и так есть.
Опорный пример — модернизация установки плазмохимического травления «Этна-100». Установка была в эксплуатации; работы вернули ей повторяемость режима и плановый, а не аварийный срок службы расходного узла. Расходный узел здесь — кварцевый реактор индуктора: плазма его постепенно съедает, и вопрос «сколько он ещё проживёт» переведён из наблюдения в расчётную цифру и регламент замены.
Что для этого потребовалось+
состав работЗамена кварцевого реактора узла индуктора с расчётом эрозии и регламентом замены. Кварцевый реактор в такой схеме расходуется: плазма его постепенно съедает, и продукты эрозии попадают туда, где их быть не должно. Расчёт превращает вопрос «сколько ещё проживёт реактор» в плановую цифру, а регламент — в закупку заранее вместо простоя по факту.
Разработка нового столика с системой охлаждения. Столик задаёт температуру образца во время процесса; без отвода тепла эта температура зависит от длительности обработки, а значит, режим невозможно повторить.
Поиск узких мест и регламент обслуживания ключевых узлов. Перечень того, что откажет первым, и график, по которому это заменяют до отказа.
Техническая документация и пусконаладочные работы. Процесс сдаётся на площадке, в её реальных условиях, а не на стенде изготовителя.
Новую систему встраивают в чужую установку, не превращая её в стенд с двумя пультами
Иногда задача не в том, чтобы построить установку, а в том, чтобы встроить в уже работающую то, чего в ней не хватает: контроль толщины, дополнительный испаритель, новый источник. Сложность не в самой системе, а в том, что во внутривакуумном объёме место конечно, а новые узлы не должны перекрывать потоки материала и обзор существующих.
Так была дооснащена магнетронная установка заказчика: ей нужны были система контроля толщины плёнок и система терморезистивного испарения. Мы проанализировали ранее установленное внутривакуумное оборудование, согласовали решение по размещению, сопрягли системы с существующей АСУ ТП и подготовили комплект документации. Оператор получил новые системы в том же интерфейсе, а не второй пульт рядом с первым.
Что для этого потребовалось+
состав работ и почему такой порядокАнализ ранее установленного внутривакуумного оборудования. Место в объёме конечно, а новые узлы не должны перекрывать потоки материала и обзор существующих. Поэтому сначала анализ того, что уже стоит, а не сразу монтаж.
Согласование решения по размещению дополнительных систем. Размещение фиксируется на бумаге до работ: ошибка в компоновке обнаруживается на сборке, когда переставить узел дороже всего.
Сопряжение новых систем с АСУ ТП установки. Новые системы заводятся в существующий контур управления, чтобы оператор вёл установку из одного интерфейса.
Комплект эксплуатационной документации. То, по чему новые узлы обслуживают и диагностируют после сдачи.
Режим, набранный руками, невоспроизводим — его переводят в систему
В вакуумной установке АСУ отвечает за давление в камере, температуру подложкодержателя, расход рабочего газа и вольт-амперные характеристики блоков питания. Это ровно те четыре величины, которыми задаётся режим: среда, температура, поток и вкладываемая мощность. Пока они задаются руками и пишутся порознь, режим меняется от смены к смене.
Полный проход по всем этапам разработки АСУ — установка кислородного отжига «УКО-1»: лента непрерывно перематывается через зону нагрева, режим задаётся связкой «скорость протяжки — температура», и автоматика ведёт процесс от запуска до выхода на режим.
Что для этого потребовалось+
этапы разработки и состав работРазработку ведём в три этапа, и каждый закрывает свой класс ошибок. Сначала техническое задание — сбор данных компонентов, определение режимов и алгоритмов, проработка аварийных сценариев: поведение установки в нештатной ситуации проектируется заранее, потому что по факту аварии его выбирать уже некому.
Затем программная часть — ПО по алгоритму работы, человеко-машинный интерфейс, тестирование в режиме моделирования: логику прогоняют без железа, где ошибка стоит правки, а не повреждённого узла. Затем сама система — электрическая схема и схема монтажа, тестирование сначала элементов, потом установки целиком.
Принципиальная электрическая схема шкафа управления. По ней шкаф собирают, а потом обслуживают весь срок службы; без схемы любое обращение к шкафу начинается с реверс-инжиниринга.
Блок-схемы алгоритма техпроцесса и дизайн ЧМИ с руководством оператора. Поведение установки согласуется с технологом на языке процесса до того, как станет кодом. Установку в итоге ведёт человек, который не участвовал в разработке: экран и руководство определяют, насколько быстро он поймёт состояние процесса.
Программный алгоритм автоматического запуска процесса. Выход на режим по одинаковой последовательности каждый раз, без ручного набора шагов и вариаций от смены к смене.
Прототипирование и отладка узла намотки ленты, моделирование системы нагрева. Механика с движущейся лентой проверяется на прототипе, а критерии приёмки формулируются до испытаний. Распределение температуры получают расчётом: на ленте, которая непрерывно движется, подобрать режим перебором дороже, чем посчитать.
Автоматику ведём на промышленном стандарте — ПЛК Siemens Simatic S7-1200/1500 в TIA Portal: контроллеры, среда и инженеры доступны и через годы после сдачи, а не привязаны к одному поставщику.
Оборудование и процессы под покрытия, которые продлевают жизнь инструмента
Упрочняющие покрытия защищают инструмент от износа и разрушения под нагрузкой: повышают твёрдость и износостойкость, снижают трение и тепловыделение, защищают от коррозии и позволяют работать на более высоких скоростях резания. Ими покрывают свёрла, фрезы, резцы, штампы и пресс-формы. Материалы — TiN, TiCN, AlTiN/TiAlN, CrN, алмазоподобные покрытия (DLC).
Важная оговорка по всем покрытиям. НИА Инжиниринг разрабатывает и строит вакуумно-плазменное оборудование, на котором такие покрытия наносят, и отрабатывает технологический процесс их нанесения. Речь об оборудовании и процессах под покрытие, а не об услуге «мы вам нанесём».
Что для этого потребовалось+
чем эти покрытия наносятМагнетронное осаждение — постоянное, импульсное и ВЧ-питание. Тип питания выбирается по мишени: постоянный ток работает с проводящей мишенью, ВЧ-питание позволяет распылять диэлектрик, импульсный режим нужен там, где на поверхности мишени копится заряд и возникают дуги.
Резистивное и электронно-лучевое термическое осаждение. Прямое испарение материала: резистивным нагревом — для материалов с умеренной температурой испарения, электронным пучком — для тугоплавких, которые резистивно не испарить.
Ионно-лучевая обработка поверхности. Подготовка и модификация поверхности перед нанесением: от неё зависит сцепление покрытия с инструментом.
Толщина покрытий от 10 нм до 10 мкм. Диапазон, который держит оборудование производства НИА: от тонких слоёв до функциональных покрытий на одном оборудовании.
Под каждую задачу поверхности — свой класс покрытия и своё оборудование
Кроме упрочняющих, оборудование и процессы НИА закрывают ещё пять классов покрытий — каждый под свою производственную задачу. Как и в блоке 04: речь об оборудовании и отработке процесса, а не об услуге нанесения.
Антифрикционные — снижают трение: меньше износ, выше КПД, защита от задиров, работа без жидкой смазки в вакууме и при высоких температурах. Подшипники скольжения, резьбовые соединения, узлы без обслуживания. Материалы — дисульфид молибдена, нитрид бора.
Термобарьерные — многослойные покрытия для защиты от высоких температур: низкая теплопроводность, термостойкость свыше 1000 °C. Авиационные и ракетные двигатели, турбины, металлургические печи. Материалы — YSZ, Al₂O₃, оксиды редкоземельных элементов, муллит.
Диэлектрические — изоляционные слои: высокая электрическая прочность, защита от влаги и коррозии. Электроника и микроэлектроника, печатные платы. Материалы — Si₃N₄, SiO₂, Al₂O₃.
Оптические — тонкие плёнки для управления отражением, пропусканием и поглощением света, в том числе многослойные интерференционные структуры. Оптика, лазерная техника, дисплеи, солнечные панели. Материалы — SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, Al, Ag.
Декоративные и проводящие — декоративные задают внешний вид и добавляют защиту от коррозии; проводящие обеспечивают проводимость и защиту основы на платах, дорожках, контактах и разъёмах. Материалы — Ag, Au, Cu, Al, Ni, TiN, оксид индия и олова.
Что для этого потребовалось+
как процесс под покрытие отрабатывают до производстваОпорный пример — отработка технологии атермальных покрытий на гибкой ПЭТ-подложке (заказчик — Инжиниринговый центр молекулярного наслаивания). Атермальные плёнки повышают энергоэффективность зданий: снижают нагрев помещений солнцем летом и потерю тепла зимой, сохраняя прозрачность остекления.
Чтобы плёнка делала и то и другое, на подложку магнетронно наносят стопку металлических поглощающих и диэлектрических интерференционных слоёв, оптические свойства которой задаются составом и толщинами.
Порядок работ: литературный поиск и анализ материалов-кандидатов, расчёт оптимальных параметров плёнок, напыление образцов (Cu, Cu₂O₃, Al, Al₂O₃, Ag; толщины 0,5–14 нм), анализ методами СЭМ, АСМ, рентгенодифракции и спектрофотометрии — и по результатам предложение оптимального состава и структуры для производства.
Материалы-кандидаты отсекаются на бумаге и в расчёте, а в камеру попадает уже суженный список: каждый образец стоит цикла установки.
Расходный узел меняют по плановой цифре, а не по факту отказа
В любой установке есть узлы, которые откажут первыми: расходуемый реактор, уплотнения, элементы, работающие на пределе. Мы находим эти узкие места, считаем ресурс и формулируем регламент — что и когда заменить, чтобы установка не встала внезапно. Это и есть работа на минимальное время простоя: замена по графику стоит закупки заранее, отказ по факту — простоя всего цеха.
Расчёт закрывает и точечные вопросы по проектам: эрозия кварцевого реактора на «Этна-100», система нагрева ленты на «УКО-1». Общее у них одно: эксперимент, который заменяет расчёт, стоит дороже расчёта — либо потому, что проверять пришлось бы на готовом изделии, либо потому, что проверка занимает недели работы установки.
Что для этого потребовалось+
из чего складывается регламентПоиск узких мест установки — перечень того, что откажет первым, до того, как оно откажет.
Расчёт ресурса расходного узла — например, расчёт эрозии кварцевого реактора: сколько узел ещё проживёт в цифрах, а не «на глаз».
Регламент обслуживания и замены ключевых узлов — график, по которому узлы меняют до отказа, и закупка расходников заранее вместо простоя по факту.
Техническая документация и пусконаладочные работы — замена сдаётся на площадке, в реальных условиях цеха.
Диапазоны, которые мы уже держали
Значения ниже взяты из реализованных проектов и относятся к конкретным установкам — это не универсальная спецификация, а точки, которые уже пройдены. Рядом с каждым — что этот параметр даёт производству. Под вашу задачу считаем отдельно.
| Параметр | Значение | Что это даёт | Достигнуто на |
|---|---|---|---|
| Предельное давление | не хуже 10⁻⁵ мм рт.ст (высокий вакуум) | Ограничивает вклад остаточной атмосферы в плёнку | «Гурами» · катоды Na-ion |
| Контроль толщины | кварцевые измерители, 100 нм – 25 мкм | Толщина видна в процессе — осаждение останавливают в нужной точке | «Гурами» |
| Загрузка | от 1 до 16 подложек | Серия обрабатывается за одну откачку — меньше циклов и простоя | «Тетрадон» · фотоэлементы |
| Типоразмеры | 25×25 … 100×100 мм | И мелкий образец, и крупная пластина — без переоснастки | «Тетрадон» |
| Газонапуск | двухканальная система | Раздельная дозировка рабочего и реактивного газа | «Тетрадон» |
| Контроль среды | квадрупольный масс-спектрометр | Видно не только сколько газа, но и какой: примесь отличается от натекания | «Тетрадон» |
| Толщина покрытий | от 10 нм до 10 мкм | От интерференционных слоёв до функциональных покрытий на одном оборудовании | оборудование НИА |
| Автоматизация | ПЛК Siemens S7-1200/1500, TIA Portal | Промышленный стандарт: систему обслуживают и дорабатывают спустя годы | АСУ ТП установок НИА |
| Характеризация | АСМ · СЭМ · РДА · спектрофотометрия | Результат подтверждается измерением, а не расчётом | НИР · атермальные покрытия |
Числа проверяются на установках, а сами проекты можно назвать поимённо.
Установку, на которой держался диапазон, можно назвать, приехать и посмотреть. Ниже — кто и где её собирает, и какие работы за этим стоят.
За результатом стоит собственное производство
Для заводского инженера доверие строит не публикация, а то, кто и где собирает оборудование и кто останется рядом после сдачи. У НИА собственная производственная база — три площадки: офис и лаборатория в центре Санкт-Петербурга, производственное помещение у станции метро «Ладожская» и площадка для сборки крупногабаритных установок в посёлке Фёдоровское Ленинградской области.
Сборка идёт в России — это полный контроль качества на каждом этапе. Локальное производство снижает издержки на логистику и исключает лишних посредников; прямые поставки комплектующих налажены от проверенных партнёров, что удерживает стабильные сроки. Работу ведём полным циклом: от разработки до ввода в эксплуатацию, с испытаниями на всех этапах и с постгарантийной поддержкой.
Оборудование мы не только строим, но и глубоко понимаем технологический процесс — компанию в 2016 году основали инженеры кафедры физики плазмы СПбПУ, работавшие в ФТИ им. А.Ф. Иоффе; в штате более 20 человек, из них 2 кандидата наук. Для производственной задачи это значит одно: решение принимают люди, которые сами вели процессы, а не только чертили железо.
Что можно назвать поимённо
У промышленной работы нет DOI, но есть названные установки и состав работ, который можно проверить. Ниже — модернизации и дооснащения, которые НИА уже выполнила; по каждой известно, что было сделано.
Остаётся самый частый вопрос: как это начинается на практике.
Путь у нас один и тот же независимо от размера проекта — и отдельная цель на всём пути в том, чтобы установка стояла ровно столько, сколько физически необходимо.
Разговор начинается не с цены, а с того, что должно вернуться установке
Мы не даём цену по первому письму. Не из осторожности: пока непонятно, что именно потеряла установка и какой узел действительно нужно заменить, любая цифра — это либо перестраховка, либо обещание, которое придётся пересматривать на середине работ.
Путь у нас один и тот же независимо от размера проекта. Отдельная цель на всём пути — минимальное время простоя оборудования: работы планируются так, чтобы установка стояла ровно столько, сколько физически необходимо, расходные узлы закупаются заранее по расчёту, а критичные операции готовятся до остановки.
01 · Первый контакт+
что достаточно прислать и что вы получите в ответОт вас достаточно описания задачи в свободной форме: что за установка, что не так, что нужно получить. Если есть фото узла или паспорт установки — приложите, это ускоряет разговор, но обязательным условием не является.
Отвечает не менеджер, а инженер профильного направления. В ответ вы получаете не прайс, а первые вопросы по существу: именно они показывают, разобрались мы в задаче или нет.
02 · Технические требования+
для модернизации — самый содержательный этапДля модернизации это ключевой этап, и мы проходим его вместе с вашей службой. Здесь становится понятно, что именно нужно вернуть установке и какой узел заменить, а не заменять всё подряд: где ушёл режим, где изношен расходник, а где не хватает контроля процесса.
Ошибка, найденная здесь, стоит правки в документе — та же ошибка после разборки установки стоит переделки и простоя цеха.
03 · Коммерческое предложение и договор+
цена, привязанная к техническому решениюПредложение считается уже от согласованного технического содержания, поэтому в нём видно, за что вы платите: состав работ, замена узлов, объём документации, пусконаладка.
Стадия проекта не мешает разговору: если у вас пока обследование без финансирования — обсуждаем, что войдёт в заявку. Присланное не публикуем, готовы работать под NDA.
04 · Разработка и изготовление+
расчёт вместо подбора, собственная базаКонструкцию считаем, а не подбираем: ресурс расходного узла, тепловые режимы, при необходимости — моделирование процесса. Документация ведётся так, чтобы установку можно было обслуживать и через годы, а не только собрать один раз.
Изготовление и сборка идут на собственной базе: офис и лаборатория в центре Санкт-Петербурга, производственное помещение у метро «Ладожская», площадка для крупногабаритных установок в Фёдоровском.
05 · Испытания, ввод и поддержка+
минимальный простой и постгарантияЗаявленные параметры подтверждаем измерениями — на наших испытаниях и повторно на площадке после монтажа. Пусконаладка заканчивается не подписью в акте, а тем, что ваши операторы самостоятельно выводят установку в рабочий режим.
После ввода остаётся постгарантийная поддержка: обслуживать установку есть кому независимо от того, кто её изначально построил.
Если задача пока формулируется — это нормальный момент для начала обсуждения.
От вас на первом шаге достаточно описания задачи и, если есть, фото или паспорта установки. Дальше вопросы задаём мы.