Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.15. Автоматизированная линия обработки кремниевых пластин:

1 – установка подготовки пластин; 2 – позиция кассетирования; 3 – позиция

нанесения фоторезиста; 4 – позиция сушки фоторезиста; 5 – установка

подготовки фотошаблона; 6 – установки экспонирования (см. рис. 1.12 – 1.14);

7 – позиция проявления фоторезиста; 8 – позиция задубливания фоторезиста;

9 – установка контроля топологии на пластине

Далее, за пределами линии (см. рис. 1.15), следуют такие операции.

4. Микротехнологические воздействия сквозь "окна": удаление материала

пластины (травлением) или его наращивание (вакуумным осаждением), модифи-

кация свойств приповерхностного слоя пластины (ионной имплантацией) и др.

5. Удаление участков остаточного фоторезиста; так как поверхности под

ними были "заэкранированы" для микровоздействий, на пластине остается лишь

топологическая структура, в точности соответствующая рисунку фотошаблона.

Это материализованная электросхема с активными и пассивными элементами и

межсоединениями в виде дорожек – "проводящий" слой на плоскости сформиро-

ван.

6. Нанесение поверх топологии изолирующего слоя (диффузией или иными

методами).

В дальнейшем в изолирующем слое с той же последовательностью опера-

ций (1 – 5) выполняется система "окон" для межслойных электрических контак-

тов, над изолирующим слоем создается очередной проводящий слой со своей

структурой (электросхемой на плоскости). В итогe интегральная схема представ-

ляет собой "слоеный пирог" с чередованием токопроводящих и изолирующих

слоев, с межслойной коммутацией.

Жесточайшие требования к точности изготовления интегральных

микросхем (геометрические размеры элементов и точность координат

расположения находятся в микрометровом и даже субмикрометровом

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

диапазонах), а также требования к чистоте материалов диктуют необхо-

димость высокой степени автоматизации технологических процессов,

удаление из рабочих зон человека не только из-за субъективности дейст-

вий, но и как источника привносимой микродефектности на пластине.

Однако процесс создания АЛ для изготовления интегральных мик-

росхем оказался сложным и длительным. Для механической обработки

корпусных изделий (см. рис. 1.7) наряду с многопозиционными (см. рис. 1.10)

существовали и однопозиционные агрегатные станки, работающие на-

проход. Создание АЛ из таких станков (см. рис. 1.11) потребовало лишь

решения задач межстаночной транспортировки и управления.

Создавать АЛ для изготовления интегральных микросхем из обору-

дования по рис. 1.15 сложно и неразумно:

- различна длительность рабочего цикла на операциях, что застав-

ляет прибегать к дублированию оборудования;

- одни установки вертикального типа, другие горизонтального, од-

но- и многопозиционные.

В этих условиях автоматическая загрузочно-транспортно-нако-

пительная система будет сопоставима по сложности и стоимости с ос-

новным технологическим оборудованием.

И вовсе невозможно создать АЛ для всех операций (I – VI), так как

одни процессы выполняются в атмосфере, другие – только в вакууме.

"Ввести в вакуум" традиционные "мокрые" технологии капельного нане-

сения фоторезиста, химического травления, отмывки пластин нельзя по

требованиям вакуумной гигиены.

Создание АЛ изготовления интегральных микросхем стало возмож-

ным и реальным только после революционных преобразований техноло-

гии, а именно: разработки по всему технологическому маршруту "сухих"

технологических методов и процессов (вакуумное осаждение пленки фо-

торезиста взамен капельного нанесения и центрифугирования, плазмохи-

мическое травление в вакууме вместо жидкостного и т.д.).

На рис. 1.16, а показана планировочная схема модульной АЛ нане-

сения топологического рисунка на поверхность полупроводниковых пла-

стин. На линии выполняются многократные операции микролитографии,

ионной имплантации, плазмохимического травления (ПХТ) резиста, от-

жига, ионно-химического травления (ИХТ), вакуумного нанесения пле-

нок.

Работа участка линии, состоящего из семи рабочих модулей 1 – 7,

вакуумной транспортной магистрали 8, шлюзовых устройств 9 и шлюзо-

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.16. Вакуумная АЛ:

а – структурно-компоновочная схема; б – типовой технологический маршрут

кремниевой пластины; 1 – 7 – технологические модули (1 – модуль

экспонирования; 2 – модуль ионной имплантации; 3, 6 – модули ПХТ

соответственно; 4 – модуль отжига; 5 – модуль ионно-химического травления;

7 – модуль вакуумного осаждения пленки; 8 – магистральный транспортер;

9 – шлюзовые устройства; 10 – вакуумное загрузочно-разгрузочное устройство)

вого загрузочного устройства 10, заключается в поштучном прохождении

каждой подложкой маршрута от позиции загрузки из кассеты, помещен-

ной в шлюз, на транспортер, перемещающий ее от модуля к модулю в

определенной последовательности (см., например, рис. 1.16, б). После

прохождения всего маршрута подложки выгружаются обратно в кассету,

которая затем извлекается из шлюза.

Данная структура участка вакуумной АЛ и принцип его работы

приняты, исходя из главного условия – сократить до минимума время

прохождения подложкой всего технологического маршрута при мини-

мально возможном числе рабочих модулей. Это позволяет уменьшить

влияние технологической среды на загрязняемость подложек при обра-

ботке и транспортировке. Однако задача усложняется тем, что часто не

удается обеспечить простейшую маршрутизацию перемещений подложек

между модулями, прежде всего из-за повторяемости некоторых операций

и необходимости возвратных перемещений подложек к соответствую-

щим модулям. При этом "новые" подложки должны "ждать", пока по

второму, третьему или даже четвертому разу обработаются на данном

модуле запущенные ранее подложки, например для операции микролито-

графии. Маршрутизация усложняется также из-за возможности сбоев и

отказов элементов линии: рабочих модулей, транспортных механизмов,

систем контроля, управления и т.д.

СТУПЕНИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Как видно, эта АЛ принципиально отличается от применяемых в

машиностроении не только наличием вакуума, но и сложностью маршру-

тизации изделий, многократным их возвратом на предыдущие позиции.

Реплика. Основная целевая функция данного раздела – уберечь будущих

специалистов от превратного представления о методах и сущности автомати-

зации производства. К сожалению, очень доходчивой и растиражированной ока-

залась такая трактовка: при автоматизации к сверлильному (токарному и т.д.)

станку пристыковываются промышленный робот и персональный компьютер,

которые вместе якобы образуют "автоматизированный технологический мо-

дуль" как основную ячейку автоматизированного производства.

При этом подразумевается, что станок как комплекс технологических,

структурно-компоновочных и конструктивных решений остается в основном

неизменным, зато избавляется от постоянного присутствия рабочего, а рабо-

чий – от непривлекательного физического труда и умственных усилий. Против

такого представления весь материал разд. 1.4, где на конкретных примерах по-

казано, что переход на любую более высокую ступень автоматизации требует

принципиально иных технических решений.

Попытаемся развить этот тезис. Если конкретно "инвентаризировать"

все элементарные действия человека при обслуживании радиально-сверлильного

станка [поворот и подъем траверсы, перемещение в шпиндельной бабке, подвод

и отвод шпинделя вращением рукояток, замена инструмента, включение и вы-

ключение подачи и т.д. и т.п. (см. рис. 1.8)], то выясняется, что никакой робот

не в состоянии этот комплекс воспроизвести. Человек – самое удивительное и

совершенное творение природы, его может заменить только другой человек,

желательно более сильный и умный. Любые технические средства, например

промышленные роботы, могут выполнять лишь отдельные функции из бесконеч-

ного диапазона человеческих возможностей – лишь иногда быстрее и лучше!

Можно представить себе одиозное зрелище, когда промышленный робот

своими клешнями-схватами будет вращать маховички и лимбы, катить шпин-

дельную бабку по траверсе (см. рис. 1.8). Столь же одиозным будет подключе-

ние персонального компьютера; его не к чему подключать: в радиально-

сверлильном станке все органы управления рассчитаны только на ручное исполь-

зование.

Будущий специалист должен твердо уяснить: все технические средства

неавтоматизированного производства десятилетиями и даже веками созда-

вались и отрабатывались применительно к особенностям и возможностям

человека, образуя вместе с ним очень разумную систему человек–машина.

Убрать из этой системы человека, сохранив остальное, – нелепость.

Переход на более высокую ступень технического совершенства, в

том числе на новую ступень автоматизации, требует коренного пере-

смотра технологии, разработки новых, нетрадиционных конструкций и

компоновок машин, отличных от неавтоматизированного оборудования.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Накопленный опыт автоматизации выявил ряд единых методиче-

ских подходов, облегчающих трудности практической реализации такого

процесса.

Укажем первоначально на следующие:

- общность машин различного технологического назначения, но

одного уровня автоматизации, что позволяет использовать опыт автома-

тизации одних отраслей в смежных и даже отдаленных, особенно в от-

ношении структурно-компоновочных решений, конструкций механизмов

холостых ходов и САУ (см. разд. 1.5 и 1.6);

- общность методов разрешения вариантности и поиска оптималь-

ных технических решений (см. разд. 1.7).

1.5. ОБЩНОСТЬ МАШИН-АВТОМАТОВ

РАЗЛИЧНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Технологическое оборудование с одинаковым уровнем автоматиза-

ции (машины-автоматы) в самых разнообразных отраслях (машинострое-

ние, приборостроение, текстильная, пищевая и электронная промышлен-

ность и т.д.) имеет единство концептуальных подходов и конструктивно-

компоновочных решений.

Например, имеются две типовые детали из различных отраслей:

внутреннее кольцо шарикоподшипника (рис. 1.17, а) и тарелочка освети-

тельного прибора (рис. 1.17, б). Они принципиально отличаются мате-

риалами (сталь и стекло), методами и режимами изготовления.

За д а ча: проработать параллельно принципиальные схемы машин-

автоматов для производства обеих

деталей (на многопозиционных авто-

матах).

Токарный автомат изготовле-

ния колец подшипников. Техноло-

гическая схема токарного автомата

приведена на рис. 1.18. Выполняемые

операции: наружная обточка, расточ-

ка, фасонирование желоба, подрезка

торца, снятие фасок, отрезка. Обра-

ботка каждого кольца из трубы вы-

полняется в трех позициях, шестипози-

ционная схема позволяет работать в

два потока.

ОБЩНОСТЬ МАШИН-АВТОМАТОВ

Рис. 1.17. Типовые детали,

обрабатываемые на автоматах:

а – внутреннее кольцо

шарикоподшипника; б – тарелочка

осветительного прибора

Рис. 1.18. Технологическая схема обработки колец

на многошпиндельном токарном автомате

Имея технологическую схему, можно перейти к составлению струк-

турной схемы механизмов и устройств машины, проработке необходимо-

го комплекта конструкций для выполнения функций обработки, вспомо-

гательных, управления. Автомат должен иметь (рис. 1.19) двигатель (в

данном случае лучше два), передаточный механизм с зубчатыми, червяч-

ными и т.д. передачами и звеньями, а также исполнительный механизм и

систему управления. Для токарной обработки необходимы продольный и

поперечный суппорты и приспособление для снятия фаски; для холостых

ходов – механизмы подачи и зажима материала, упора подачи материала,

поворота и фиксации шпиндельного блока.

В САУ, на какой бы базе она ни была реализована (механической,

микропроцессорной и т.д.), необходимы функциональные устройства

для: управления циклом – координации работы всех механизмов и уст-

ройств; контроля и блокировки.

Имея технологическую схему и зная необходимый комплект меха-

низмов и устройств, можно перейти к разработке рабочего цикла маши-

ны. Это наглядно иллюстрируется циклограммой (рис. 1.20), которая по-

казывает координацию работы всех дискретно действующих компонен-

тов машины в течение ее рабочего цикла Т. Нулевым принят момент на-

чала поворота стола. После его завершения следует фиксация стола, что

дает одновременный старт всем позиционным механизмам.

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

ОБЩНОСТЬ МАШИН-АВТОМАТОВ

Рис. 1.19. Структурная схема механизмов токарного автомата

Рис. 1.20. Циклограмма токарного многошпиндельного автомата

Наиболее сложно их функционирование в загрузочной позиции, где

смонтированы механизмы подачи трубы, упора подачи и зажима мате-

риала. На рабочих позициях все поперечные суппорты имеют быстрый

подвод, медленную рабочую подачу и быстрый отвод в исходное поло-

жение. Такие же перемещения имеет продольный суппорт, обслуживаю-

щий все позиции. Как только завершена работа последнего из позицион-

ных механизмов (на рис. 1.20 это отвод продольного суппорта), подается

команда на расфиксацию. Далее следует снова поворот шпиндельного

блока, но это уже новый, очередной рабочий цикл.

Выполним аналогичные процедуры разработки принципиальной

схемы машины-автомата для развертки тарелочек осветительных

приборов (см. рис. 1.17, б). Схема обработки изделия из стеклянной

трубки приведена на рис. 1.21. Поз. 1 – подача трубки до упора, поз. 2 и 3 –

нагрев нижней части (юбки) мягким пламенем горелок, поз. 4 – форми-

рование конуса из горячего стекла. Далее выполняются нагрев острым

пламенем места под отрезку (поз. 5) и отрезка круглыми ножами (поз. 6).

Для рассмотренных автоматов в конкретных технологических опера-

циях, инструменте и механизмах рабочих ходов нет ничего похожего, но

технологии обработки построены на единых принципах. Общий объем обра-

ботки дифференцирован на несколько частей, выполняемых на разных пози-

циях. Имеются полные комплекты технологических инструментов и при-

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

способлений, рассредоточенных в

стационарных зонах – позициях.

Каждое изделие последовательно

переходит от одной позиции к

другой, получая в итоге полный

объем технологического воздейст-

вия.

Одинаковы и принципы дей-

ствия обоих автоматов: позиции

расположены по окружности, обе

машины дискретного действия, т.е.

обработка проводится во время

стоянки поворотного стола; после

завершения обработки на всех по-

зициях происходит поворот стола

и каждое изделие подходит к но-

вому инструменту или приспособ-

лению. Структурная схема меха-

низмов автомата изготовления

тарелочек представлена на

рис. 1.22. Как видно, она идентич-

на показанной на рис. 1.19.

Различие с токарным автоматом изготовления колец подшипников –

в механизмах рабочих ходов; комплекты двигательных и передаточных

механизмов, механизмов холостых ходов и управления идентичны. Более

того, их конструктивное воплощение, а также методы расчета и выбора

параметров одни и те же (на примерах механизмов поворота, зажима,

передаточных механизмов, опор).

Рабочие циклы и циклограммы обоих автоматов (см. рис. 1.20 и

1.23) также идентичны.

Подобные примеры можно привести и из других отраслей машино- и

приборостроения, из легкой, пищевой, медицинской и т.д. промышленно-

сти – отовсюду, где выдаваемая продукция носит дискретный характер.

Принципы построения машин-автоматов и их систем: диффе-

ренциация технологического процесса и концентрация операций,

способы действия машин, их структура и компоновка, а также но-

менклатура механизмов холостых ходов и их конструктивные реше-

ния, принципы построения и аппаратная реализация САУ – иден-

тичны, их можно и должно изучать обобщенно, иллюстрируя приме-

рами своей отрасли.

ОБЩНОСТЬ МАШИН-АВТОМАТОВ

Рис. 1.21. Технологическая схема

изготовления тарелочек

на многошпинделевом автомате

Глава 1. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ АВТОМАТИЗАЦИЯ

Рис. 1.22. Структурная схема механизмов автомата изготовления тарелочек