вакуумно-плазменного оборудования ·
Санкт-Петербург · с 2009
Никита
генеральный директор НИА Инжиниринг, кафедра физики плазмы СПбПУ.
собственное ПО моделирования — с 2021.
школа
задачу
собственное ПО моделирования — с 2021.
Разработка нестандартного оборудования и НИОКР
Разрабатываем вакуумно-плазменные установки под задачу, которой нет в серии, считаем и автоматизируем, ведём НИОКР под ваш процесс.
Задачи нет в каталоге — а решать её всё равно нужно
Серийная установка закрывает отработанный процесс. Как только процесс новый — под материал, которого ещё не выпускали, под форм-фактор, которого нет у вендоров, под режим, который никто до вас не держал, — каталог заканчивается.
Дальше либо процесс подгоняют под то, что продаётся, и он меняет смысл, либо задачу откладывают, потому что «под это оборудования не существует».
Мы работаем ровно с этой половиной: берём задачу, под которую серийного решения нет, и доводим её до работающей установки или до результата НИОКР.
Разработка нового — это отдельный режим: сначала считают и моделируют, потом строят прототип, потом изготавливают, и на каждом шаге проверяют то, что дешевле проверить сейчас, чем на готовом изделии. Чаще всего к нам приходят с одной из пяти ситуаций.
Самый показательный пример — не доработка существующей установки, а разработка той, которой в серии не было.
Серийной установки под катоды натрий-ионных аккумуляторов не выпускают: технология молодая, и оборудование под неё приходится разрабатывать вместе с процессом.
Серийной установки под катоды натрий-ионных аккумуляторов не было — её разработали и изготовили
Натрий-ионные аккумуляторы нового поколения — материал, под который серийной установки напыления не выпускают: технология молодая, и оборудование под неё приходится разрабатывать вместе с процессом. НИА Инжиниринг разработала и изготовила установку терморезистивного и магнетронного напыления «Гурами» с нуля.
Это разработка, а не модернизация: не было исходной установки, которую доводили, — было техническое требование, из которого выросла вся конструкция.
Из задачи следует всё устройство: многослойные структуры из разных материалов за одну откачку, обработка обеих сторон подложки, нагрев в процессе роста плёнки и контроль толщины по ходу осаждения, а не по факту вскрытия камеры.
Каждый узел здесь стоит потому, что его потребовал процесс, а не потому, что он был в наличии. Это и есть отличие разработки от подбора: конструкция выводится из требования, а не собирается из доступного.
Что для этого потребовалось+
состав установки и что каждый узел даёт процессувакуумная камера с предельным давлением не хуже 10⁻⁵ мм рт.ст. предельное давление задаёт, сколько остаточного газа остаётся в камере к началу процесса, то есть какой вклад атмосферы попадёт в плёнку вместе с осаждаемым материалом. Это высокий вакуум: длина свободного пробега уже велика по сравнению с расстоянием «источник — подложка», и поток материала идёт до подложки, а не рассеивается по дороге.
система откачки на базе форвакуумного и турбомолекулярного насосов. двухступенчатая связка не по избыточности, а по физике: турбомолекулярный насос не запускается от атмосферы, ему нужен форвакуум на выходе. Форвакуумный снимает первые порядки давления, турбомолекулярный доводит до рабочего.
два узла терморезистивного испарения и узел магнетронного напыления. два испарителя позволяют вести многослойную структуру и менять материал, не вскрывая камеру. Магнетронный узел добавляет то, чего резистивное испарение не закрывает: распыление материалов, которые трудно испарить, и осаждение толстых металлических плёнок.
вращающийся подложкодержатель с напылением с обеих сторон подложки. вращение усредняет положение образца относительно источника и выравнивает толщину по площади; двусторонняя обработка означает, что вторую сторону не нужно оплачивать отдельным циклом «вскрытие — переустановка — откачка».
нагрев подложек в процессе напыления. температура подложки в момент роста определяет структуру и сцепление плёнки. Это управляемый параметр процесса, а не сервисная функция: без него часть режимов просто недостижима.
смотровое окно для наблюдения за процессом. возможность видеть разряд и испаритель глазами, а не только по показаниям датчиков. Часть отклонений видна раньше, чем их отразит прибор.
механизированный доступ к подложкодержателю и испарителю на ШВП. до испарителя и подложкодержателя добираются регулярно: перезарядка, чистка, замена образцов. Механизированный доступ превращает эту операцию в штатное действие вместо частичной разборки камеры.
кварцевые измерители толщины 100 нм – 25 мкм и контроль скорости. толщина видна в процессе. Осаждение останавливается в нужной точке, а не после вскрытия камеры; контроль скорости показывает уход режима до того, как он испортит слой.
АСУ ТП на базе программируемых логических контроллеров. процесс идёт по заданной последовательности с одинаковыми уставками от запуска к запуску. Это и есть воспроизводимость: результат отличается из-за материала и режима, а не из-за того, кто сегодня у пульта.
Тот же режим — от технического требования к работающей конструкции — раскладывается на шесть направлений.
По ним к нам и приходят с разработкой: установка с нуля, НИОКР, моделирование, расчёты, автоматика, прототип. Каждое показываем через проект, где оно уже сработало.
Шесть направлений разработки — каждое через проект, где оно уже сработало
Каждый блок начинается с задачи, ради которой велась разработка: что заказчик получает на выходе и почему серийного решения под это не было. Домен здесь шире вакуумно-плазменного оборудования: в тот же режим входят собственное ПО моделирования, инженерные расчёты, АСУ и НИОКР по технологии.
Установку проектируют под задачу, которой нет в серии
Отправная точка — не каталог, а техническое требование: какой процесс должен идти, на каком материале, в какой среде. Из требования вырастает вся конструкция. Берём задачу целиком: технические требования, проектирование, изготовление, испытания и пусконаладка на площадке заказчика.
Флагман направления — установка терморезистивного и магнетронного напыления «Гурами», разработанная и изготовленная с нуля под производство катодов натрий-ионных аккумуляторов. Тот же режим — установка кислородного отжига «УКО-1»: её тоже разрабатывали, а не дорабатывали, и там задача потребовала не столько вакуумной части, сколько движущейся ленты и автоматики.
Что для этого потребовалось+
из чего складывается разработка под ключформирование технических требований вместе с заказчиком. самый содержательный этап: из него следует всё остальное, от предельного давления до числа позиций в держателе. Ошибка здесь дороже любой другой, потому что тянет за собой всю конструкцию.
проектирование под процесс, а не под доступные узлы. каждый узел появляется потому, что его потребовал процесс: многослойность требует двух испарителей, двусторонняя обработка — вращения, рост плёнки — нагрева подложки.
изготовление на собственной базе. офис и лаборатория в центре Санкт-Петербурга, производственное помещение у станции метро «Ладожская» и площадка для сборки крупногабаритных установок в Ленинградской области, посёлок Фёдоровское.
испытания и пусконаладка на площадке заказчика. установка сдаётся в реальных условиях эксплуатации, а не на стенде изготовителя.
Технологию отрабатывают до того, как она станет производством
Иногда заказчику нужна не установка, а отработанный процесс: какие материалы, в каком порядке и с какими параметрами дадут нужный результат. Это НИОКР — и он идёт от бумаги к камере, а не наоборот, потому что каждый образец стоит цикла установки, и отсекать кандидатов дешевле расчётом.
Опорный пример — НИР по напылению атермальных покрытий на гибкой ПЭТ-подложке (заказчик — Инжиниринговый центр молекулярного наслаивания). Атермальные плёнки повышают энергоэффективность зданий: снижают нагрев помещений солнцем летом и радиационную потерю тепла зимой, сохраняя прозрачность остекления. НИА Инжиниринг отрабатывала технологический процесс напыления этих слоёв для производства.
Что для этого потребовалось+
ход работыЛитературный поиск и анализ материалов-кандидатов, расчёт оптимальных параметров плёнок, напыление образцов (Cu, Cu₂O₃, Al, Al₂O₃, Ag; толщины слоёв от 0,5 до 14 нм), анализ методами сканирующей электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгенодифракционного анализа и спектрофотометрии — и по результатам предложение оптимального состава и структуры напыления для производства.
Логика этой последовательности в том, что материалы-кандидаты отсекаются на бумаге и в расчёте, а в камеру попадает уже суженный список: каждый образец стоит цикла установки.
Направления осаждения и обработки поверхности, которыми команда ведёт процессы, — магнетронное осаждение (постоянное, импульсное и ВЧ-питание), резистивное и электронно-лучевое термическое осаждение, молекулярно-лучевая эпитаксия, плазмохимическое травление и осаждение, ионно-лучевая обработка поверхности. Три режима магнетронного питания — это три класса материалов: постоянный ток для проводящей мишени, ВЧ для диэлектрика, импульсный там, где на мишени копится заряд.
Что считают до металла, чтобы не проверять на готовом изделии
Магнетроны разрабатываем в разных размерах и форм-факторах, и вместе с конструкцией считаем электромагнитное поле магнитной системы и неравномерность нанесения тонких плёнок. Первый расчёт отвечает на вопрос, где над мишенью удерживается разряд — а значит, как мишень будет срабатываться и сколько её уйдёт впустую.
Второй — какое распределение толщины получится на подложке при заданной геометрии: это тот параметр, ради которого потом ставят вращение и выбирают расстояние до источника, и знать его лучше до изготовления магнетрона, а не после первой серии образцов.
С 2021 года ведём собственную разработку программного обеспечения для моделирования осаждения тонких плёнок. Это то, что отличает разработку от подбора: распределение толщины и режим считают заранее, а не подбирают перебором на установке, где каждая проба — отдельный цикл.
Что для этого потребовалось+
что именно моделируемрасчёт электромагнитного поля магнитной системы магнетрона. определяет, где над мишенью удерживается разряд, а значит, характер срабатывания мишени и её расход.
расчёт неравномерности нанесения тонких плёнок. карта распределения толщины по подложке при заданной геометрии, до изготовления оснастки.
собственное ПО моделирования осаждения тонких плёнок (с 2021). расчётный инструмент под задачи проектирования установок, а не привязка к чужому пакету.
моделирование тепловых режимов процесса. например, распределение температуры ленты, непрерывно движущейся через зону нагрева: подобрать режим перебором на движущейся ленте дороже, чем посчитать.
Конструкцию проверяют расчётом там, где эксперимент недоступен или слишком дорог
Расчёт — самостоятельная компетенция, и она не привязана к вакуумной технике: считаем прочность, тепловые режимы и электромагнитные поля для конструкций, которые нельзя проверить экспериментом вслепую. Это нужно там, где проверка означала бы либо готовое изделие, либо месяцы работы установки.
Показательный пример масштаба — инженерная поддержка разработки систем интеграции верхних портов реактора ИТЭР (заказчик — Росатом Западная Европа САРЛ). Порт — это инженерная система, а не отверстие в стенке: внутри него диагностика и сервисное оборудование, подвод электричества и охлаждающей воды, нейтронная и тепловая защита, структурная целостность при аварийных сценариях вплоть до землетрясения.
Про масштаб: более 40 диагностических систем и 54 порта — это контур ИТЭР целиком, а не объём работ НИА. Вклад НИА — инженерная поддержка разработки по конкретным задачам заказчика.
Что для этого потребовалось+
три группы расчётов и что каждая закрываетпрочностные расчёты. целостность конструкции под весом, давлением и сейсмическим воздействием; для элемента ядерной установки это способность сохранять несущую способность в расчётных аварийных сценариях.
тепловые расчёты. куда уходит тепло и как поведут себя размеры при нагреве: от этого зависят зазоры и посадки.
электромагнитные расчёты. в изменяющемся магнитном поле в проводящих конструкциях наводятся токи, а на них действуют силы; их считают до изготовления, потому что проверить это экспериментом на реакторе нельзя.
сопровождение расчёта документацией и 3D-моделями. единая геометрия, в которой проверяется, что всё заявленное физически помещается и собирается в заданном порядке, и согласование интерфейсов с системами, которые встанут в тот же объём.
Режим, набранный руками, невоспроизводим — его проектируют в систему
В вакуумной установке АСУ отвечает за давление в камере, температуру подложкодержателя, расход рабочего газа и вольт-амперные характеристики программируемых блоков питания. Это ровно те четыре величины, которыми задаётся режим: среда, температура, поток и вкладываемая мощность. Пока они задаются и пишутся порознь, режим невоспроизводим.
Полный проход по всем этапам разработки АСУ — установка кислородного отжига «УКО-1». Это разработка с нуля: лента непрерывно перематывается через зону нагрева, режим задаётся связкой «скорость протяжки — температура», и автоматика ведёт процесс от запуска до выхода на режим. Узел намотки ленты при этом проверяется на прототипе — до того, как станет частью установки.
Что для этого потребовалось+
этапы разработки и состав работРазработку ведём в три этапа, и каждый закрывает свой класс ошибок. Сначала техническое задание — сбор технических данных компонентов, определение режимов и алгоритмов работы, 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 и диагностируют весь срок службы; без схемы любое обращение к шкафу начинается с реверс-инжиниринга.
блок-схемы алгоритма технологического процесса. поведение установки согласуется с технологом на языке процесса до того, как оно станет кодом.
дизайн ЧМИ и руководство оператора. 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 без вариаций от смены к смене.
ПМИ на прототип, прототипирование и отладка узла намотки ленты. механика с движущейся лентой проверяется на прототипе, а критерии приёмки формулируются до испытаний, а не по их результатам.
автоматику ведём на промышленном стандарте. ПЛК Siemens Simatic S7-1200/1500 в TIA Portal: контроллеры, среда и инженеры, которые с ними работают, доступны и через годы после сдачи, а не привязаны к одному поставщику.
Новый узел проверяют на прототипе до того, как он станет частью установки
В разработке нового всегда есть узел, поведение которого нельзя взять из справочника: движущаяся механика, нестандартная кинематика, узел на пределе. Такой узел не ставят в установку сразу — сначала строят прототип, формулируют программу и методику испытаний, проверяют и отлаживают, и только потом он идёт в конструкцию.
Показательный пример — узел намотки ленты установки «УКО-1»: механика с непрерывно движущейся лентой, поведение которой на бумаге не гарантируешь. Его прототипировали, разработали ПМИ на прототип, протестировали и отладили отдельно — и параллельно посчитали систему нагрева ленты, чтобы режим не подбирать на живой установке.
Что для этого потребовалось+
из чего складывается проверка узлапрототипирование узла. физический макет того узла, чьё поведение нельзя гарантировать расчётом в одиночку.
разработка ПМИ на прототип. программа и методика испытаний: критерии приёмки формулируются до испытаний, а не подгоняются под результат.
тестирование и отладка прототипа. узел доводят до нужного поведения отдельно от установки, где цена ошибки — правка прототипа, а не повреждённая установка.
моделирование сопутствующих режимов. например, распределение температуры движущейся ленты: расчёт подстраховывает прототип там, где перебор на живой установке дороже.
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 разработке. 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; поток материала доходит до подложки | «Гурами» · катоды Na-ion |
| Контроль толщины | кварцевые измерители, 100 нм – 25 мкм | Толщина видна в процессе — осаждение останавливают в нужной точке | «Гурами» |
| Толщины слоёв в НИР | 0,5 – 14 нм | Отработанный контроль на масштабе единиц нанометров | НИР · атермальные покрытия |
| Толщина покрытий | от 10 нм до 10 мкм | От интерференционных слоёв до функциональных покрытий на одном оборудовании | оборудование НИА |
| Моделирование осаждения | собственное ПО, с 2021 | Распределение толщины и режим считают до изготовления, а не подбирают перебором | разработка магнетронов НИА |
| Автоматизация | ПЛК Siemens S7-1200/1500, TIA Portal | Промышленный стандарт: систему обслуживают и дорабатывают спустя годы | АСУ ТП «УКО-1» |
| Характеризация | АСМ · СЭМ · РДА · спектрофотометрия | Результат подтверждается измерением, а не расчётом | НИР · атермальные покрытия |
Числа проверяются на установках, а способность разрабатывать новое — по тому, что можно назвать поимённо.
Разработку нового не подтвердить каталогом: её подтверждают установки, сделанные с нуля, собственные расчётные инструменты и то, откуда взялась команда.
За разработкой нового стоит научная школа
Разработать то, чего нет в серии, может только тот, кто понимает процесс на уровне физики, а не сборки. Поэтому здесь доверие строит не производственная база и не список публикаций, а происхождение команды.
НИА Инжиниринг основана в 2016 году Никитой Бабиновым и Игорем Ходуновым — выпускниками кафедры физики плазмы Санкт-Петербургского политехнического университета, на момент основания работавшими в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе. Инженерные решения здесь принимают люди, которые сами ставили эксперименты.
Научный руководитель — Владимир Рожанский: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой физики плазмы СПбПУ, член научной группы планирования экспериментов ИТЭР.
Способность разрабатывать новое подтверждается не только родословной. В штате более 20 человек, из них 2 кандидата наук. С 2021 года ведётся собственное ПО моделирования осаждения плёнок. Дочерняя компания «НИА Инновации» — резидент Сколково.
Что можно назвать поимённо
Разработку нового проверяют не по каталогу, а по тому, что уже сделано с нуля, по собственным инструментам и по проектам, которые можно назвать. Всё перечисленное можно проверить.
Публикации — более 25 научных статей в международных и российских журналах и сборниках; профильные по физике плазмы собраны в разделе «Наука».
Похожая задача под разработку? Разобрать с инженером→Остаётся самый частый вопрос: как это начинается на практике.
Путь у нас один и тот же независимо от размера проекта — и для разработки нового самый содержательный этап второй: технические требования формулируются вместе с вами.
Разговор начинается не с цены, а с того, что должна делать разработка
Мы не даём цену по первому письму. Не из осторожности: пока непонятно, что установка должна делать и в каком режиме работать, любая цифра — это либо перестраховка, либо обещание, которое придётся пересматривать на середине проекта.
Путь у нас один и тот же независимо от размера проекта: от первого письма до работающей установки на вашей площадке. Разберём его по шагам: что происходит, что нужно от вас и чем этап заканчивается.
01 · Первый контакт+
что достаточно прислать и что вы получите в ответОт вас достаточно описания задачи в свободной форме — даже если это пока идея без готового решения: что за процесс, что нужно получить, какие есть ограничения. ТЗ, эскиз или расчёт — если уже есть, но это не обязательное условие.
Отвечает не менеджер, а инженер профильного направления, при необходимости — вместе с научным руководителем. В ответ вы получаете не прайс, а первые вопросы по существу: именно они показывают, разобрались мы в задаче или нет.
02 · Технические требования+
для разработки — самый содержательный этапДля разработки нового это ключевой этап, и мы проходим его вместе с вами. Здесь становится понятно, что действительно нужно задаче: какой процесс должен идти, на каком материале, в какой среде, какие параметры критичны, а какие взяты «с запасом».
Всё остальное — от предельного давления до алгоритма автоматического запуска — следствие решений, принятых на этом этапе. Ошибка, найденная здесь, стоит правки в документе; та же ошибка после изготовления стоит переделки конструкции.
03 · НИОКР, если процесс не отработан+
когда разработке оборудования предшествует технологияЕсли процесс ещё не отработан, разработке установки предшествует НИОКР: анализ материалов-кандидатов, расчёт, напыление и характеризация образцов — чтобы в конструкцию попал уже проверенный процесс, а не гипотеза.
Материалы-кандидаты отсекаются на бумаге и в расчёте, а в камеру попадает суженный список: каждый образец стоит цикла установки.
04 · Расчёт и моделирование до металла+
что проверяют вычислением, а не изготовлениемТо, что можно посчитать или смоделировать до металла, считаем до металла: прочность, тепловые режимы, электромагнитные поля, распределение толщины плёнки собственным ПО.
Это и отличает разработку от подбора: режим и геометрию считают заранее, а не подбирают перебором на установке, где каждая проба — отдельный цикл.
05 · Разработка, изготовление и ввод+
от конструкции до работающей установкиИзготовление идёт на собственной базе: офис и лаборатория в центре Санкт-Петербурга, производственное помещение у станции метро «Ладожская», площадка для сборки крупногабаритных установок в посёлке Фёдоровское Ленинградской области.
Узел, поведение которого нельзя гарантировать расчётом, проверяется на прототипе до того, как станет частью установки. Пусконаладка заканчивается не подписью в акте, а тем, что ваши сотрудники самостоятельно выводят установку в рабочий режим.
Если задача пока формулируется — это нормальный момент для начала обсуждения.
От вас на первом шаге достаточно описания задачи — даже если это идея без готового решения. Дальше вопросы задаём мы.