книги / Неразрушающий контроль параметров тонких проводящих пленок электромагнитными методами

7.ПРОБЛЕМЫ ВЫПУСКА, ВНЕДРЕНИЯ

ИМЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ ПРИБОРОВ

В последние годы разработано множество приборов элект­ ромагнитного контроля параметров различных изделий [94, 127, 153, 163], преимуществами которых по сравнению с другими при­ борами неразрушающего контроля являются простота и высокая оперативность. Однако большая часть разработанных приборов не передается в серийное производство, а используется только в ла­ бораторных условиях. Это связано в первую очередь со сложно­ стью государственных испытаний приборов, с необходимостью достижения высокой стабильности и надежности приборов, упро­ щения их настройки в процессах изготовления и эксплуатации [137]. Прежде всего это относится к приборам неразрушающего электромагнитного и радиоволнового контроля параметров сверх­ тонких проводящих структур, для которых вообще отсутствуют эталонные меры и которые требуют значительного повышения чувствительности.

В настоящей главе рассматриваются особенности структурных схем разработки к внедрения приборов серий СИМП и ВИМП. Исследуются особенности работ по выпуску мелких партий при­ боров и внедрению их в новейших технологических процессах и освоению массового производства приборов.

Повышение стабильности и надежности приборов серии ВИМП достигается за счет применения дифференциальных накладных преобразователей с использованием отстройки от мешающих факторов (зазор, температура) и систем автонастройки режима работы и нуля в промежутке между измерениями.

Затрагиваются также вопросы модификации и стандартизации электрических схем приборов. Предлагается методика аттестации приборов на основе комплексного применения стандартных опти­ ческих и электрических методов измерения толщины и сопротив­ ления проводящих пленок.

7.1. Структурные схемы разработки, освоения выпуска и внедрения

173

7.1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ РАЗРАБОТКИ, ОСВОЕНИЯ ВЫПУСКА И ВНЕДРЕНИЯ ПРИБОРОВ

Упрощенная структурная схема разработки, освоения вы­ пуска и внедрения приборов неразрушающего контроля (рис. 7.1) включает в себя все стадии от разработки метода и ма­ кетного образца до серийного выпуска. Внедрение приборов мо­ жет начаться уже на стадий создания макетного образца, ко­ торый передается для испытаний во внедряющую организацию. После этой стадии у разработчиков возникают трудности, связан­ ные с необходимостью подготовки технической документации, до­ кументации для межведомственных испытаний, аттестации при­ боров, их доработки с учетом результатов испытаний.

Доработка приборов тесно связана с необходимостью повы­ шения их надежности, стабильности, упрощения настройки и эк­ сплуатации. При массовом производстве в отсутствие разработ­ чика требуются стандартизированная система настройки и наладки приборов, надежные эксплуатационные характеристики приборов. •Сложные приборы требуют высококвалифицированного обслужи­ вания, поэтому этап их передачи в массовое производство про­ ходит очень трудно. Фактически до последнего этапа схемы, пред­ ставленной на рис. 7.1, доходят только наиболее простые приборы иеразрушающего контроля с отработанной технологией настройки и эксплуатации. Разработчик после передачи прибора в массовое производство фактически теряет контроль над процессом его внед­ рения. Серийное внедрение приборов изготовителем осуществля­ ется без извещения разработчика об экономическом эффекте от внедрения приборов. До сих пор ни разработчик (из-за длитель­ ности процесса), ни изготовители приборов не были заинтересо­ ваны экономически в доведении до конца процесса разработки и внедрения по схеме рис. 7.1. Разработчик обычно ограничивался единичными внедрениями опытной партии. Предприятия согла­ шались только на выпуск мелких серий приборов для нужд своего ведомства.

7.1.1. ПРИБОРЫ СЕРИИ СИМП

В основу разработки приборов серии СИМП (рис. 7.2) [62, 75, 80] положен известный радиоволновый метод контроля параметров проводящих структур по прошедшей СВЧ-мощности [18, 251]. С использованием стандартного СВЧ-оборудования был разработан метод контроля резистивных пленок на ситалловых подложках в режиме бегущей волны при помещении образцов в поперечный разрез волновода (см. п. 2.2.2 и параграф 4.2). Испы-

174	7. Проблемы выпуска, внедрения и аттестации приборов

Заключение о целесообразности освоения выпуска

Массовое

внедрение

Серийный

выпуск

Рис. 7.1. Упрощенная структурная схема разработки и внедрения приборов неразрушающего контроля

тания макетного образца прибора СИМП-1 в лабораторных усло­ виях показали его пригодность для контроля параметров рези­ стивных пленок интегральных схем. Была разработана конструк­

ция	опытного образца прибора		со специальным держателем.
В	1977	г. Экспериментальный	электронно-механический завод
(ЭЭМЗ)		Физико-энергетического	института ЛатвАН выпустил

опытную партию приборов СИМП-1. Два прибора были переданы для внедрения во ВНИИ микроприборов (Рига) (10,3 тыс. руб.) и в Ижевский филиал Научно-исследовательского и технологичес­ кого института. Опытный образец прибора СИМП-1 послужил

Рис. 7.2. Структурная схема разработки и внедрения приборов серии СИМП

7. Проблемы выпуска, внедрения и аттестации приборов

также базой для создания макетного образца СИМП-2 с рупор­ ными приходными преобразователями (см. параграф 4.2) [83]. Испытания макетного образца прибора СИМП-2 в лабораторных условиях послужили основой для разработки метода контроля открытым проходным резонаторным преобразователем [82] (см. параграф 4.3), который был затем реализован в макетном об­ разце прибора СИМП-3. Последний прошел испытания во ВНИИ электроизоляционных материалов (ВНИИЭИМ, Москва) при кон­ троле параметров тонких диэлектрических слоев в процессе про­ изводства. После испытаний была выпущена опытная партия при­ боров, которые переданы для испытаний и внедрения в СКВ ваку­ умных покрытий (г. Рига) для контроля сопротивления квадрата поверхности резистивных пленок на полиэтилентерефталатной подложке и во ВНИИЭИМ для исследования параметров тонких диэлектрических пленок. На базе прибора СИМП-З с уче­ том результатов испытаний выпущена партия унифицированных приборов СИМП-4, которые внедрены на предприятии п/я Г-4805 Красноярска и в СКВ вакуумных покрытий.

Разработка и внедрение приборов СИМП (ср. рис. 7.2 с рис. 7.1) были остановлены на выпуске опытных мелких серий при­ боров на ЭЭМЗ и передаче их по хозяйственным договорам заин­ тересованным предприятиям. Такое положение связано с особен­ ностями использования приборов данной серии, которые внедря­ ются на предприятиях, использующих новейшую технологию про­ изводства специальных изделий с резистивными тонкими пленками на уникальном оборудовании. В данном случае решение вопроса серийного выпуска приборов представляется нецелесообразным из-за отсутствия широкой потребности в них, хотя для освоения новейшей технологии в микроэлектронике, электронной технике и других областях, занимающихся выпуском специальных изделий с тонкими резистивными покрытиями и пленками (бессеребряная фотография, радиоволновые и ИК-фильтры, проводящие обои, ткань и др.), приборы серии СИМП являются единственными су­ ществующими в нашей стране и за рубежом приборами нераз­ рушающего контроля.

7.1.2. ПРИБОРЫ СЕРИИ ВИМП

Рассмотрим структурную схему разработки и внедрения приборов серии ВИМП (рис. 7.3). На основе известного вихрето­ кового метода [93, 94, 172] в 1976 г. был разработан вихретоко­ вый способ контроля тонких проводящих пленок (см. п. 2.3.3) [103], на базе которого создан макетный образец прибора ВИМП-1. Испытания в лабораторных условиях показали его при­ менимость для контроля параметров вакуумных тонких металли-

7.1. Структурные схемы разработки, освоения выпуска и внедрения

. 7

ческих покрытий на диэлектрических пленках. На базе макетного образца была подготовлена конструкторско-техническая докумен­ тация и выпущена в 1977 г. на ЭЭМЗ опытная партия приборов. Два образца прибора в том же году были переданы для внедре­ ния в СКВ вакуум1ных покрытий (г. Рига), готовой экономичес­ кий эффект от внедрения только одного прибора составил 9,1 тыс. руб. На основе испытаний макетного и опытного образцов в ла­ бораторных и производственных условиях была поставлена задача разработки отстройки от влияния зазора при контроле движу­ щихся изделий, которая была решена на основе использования

методов контроля слоистых	структур (см. п. 3.1.2) [60] и	тон­
ких пленок (см. п. 3.1.1) [55]	параметрическими накладными	пре­

образователями. Первый метод был реализован в макетных образцах приборов ВИМП-2 и ВИМП-3 в 1978 г., испытания кото­ рых показали возможность создания приборов для контроля тол­ щины движущихся металлических покрытий на стальных лентах (ВИМП-2) и кремниевых дисках (ВИМП-3) в процессе металли­ зации с отстройкой от влияния зазора. В 1979—1980 гг. были вы­ пущены опытные серии этих приборов, которые по хозяйственным договорам переданы для внедрения организациям страны (годо­ вой экономический эффект от внедрения одного прибора 8 тыс. руб.). Эксплуатация приборов показала необходимость линеари­ зации выходного сигнала, что и было осуществлено в 1982 г. в макетном образце ВИМП-31 на основе вихретокового дифферен­ циального преобразователя с сохранением отстройки от слияния зазора [38] (см. параграф 3.2). Выпущена серия приборов, кото­ рая прошла успешное испытание на Таллиннском электротехни­ ческом заводе при контроле контактных алюминиевых слоев на кремнии. Потребность по стране составляет 40 приборов в год, однако их выпуск не освоен из-за отсутствия предприятия-изго­ товителя, которое было бы заинтересовало в изготовлении таких мелких партий.

Разработанный способ контроля тонких проводящих пленок вихретоковым параметрическим преобразователем с отстройкой от влияния зазора был в 1979 г. реализован в макетном образце трехканального стационарного прибора ВИМП-4 [55], после ис­ пытаний которого была выпущена опытная партия приборов. Один прибор передам в СКВ вакуумных покрытий (Рига) для измерения сопротивления квадрата поверхности тонких алюми­

ниевых покрытий на	конденсаторной бумаге. Испытания	прибора
в производственных	условиях показали необходимость	упроще­

ния его эксплуатации, что было осуществлено за счет использо­ вания дифференциальных преобразователей (см. параграф 3.2) [38] в макетных образцах трехканальных стационарных приборов ВИМП-11 и ВИМП-13, два образца которых по хозяйственным до­ говорам были переданы для испытаний и внедрения в СКВ ва­ куумных покрытий и на Ливеиский завод пластмасс (годовой

12 - 599

178	7. Проблемы выпуска, внедрения и аттестации приборов

Рис. 7.3. Структурная схема разработки

экономический эффект от внедрения одного прибора 3,3 тыс. руб.). В 1982 г. была выпущена партия трехканальных стационарных (встраиваются в вакуумные установки) приборов ВИМП-13, кото­ рые были переданы для внедрения на Рижское производственное швейное объединение «Ригас Аудумс», Ливенский завод пластмасс, СКВ вакуумных покрытий. Результаты внедрения приборов пока­ зали необходимость повышения их стабильности и надежности с

7.1. Структурные схемы разработки, .освоения выпуска и внедрения

и внедрения приборов серии ВИМП

сохранением отстройки от влияния зазора, что было реализовано в модификации ВИМП-13М на основе введения системы электрон­ ной автонастройки' на оптимальный режим в процессе измерений [39]. Вопрос выпуска средних партий' приборов решается мед­ ленно из-за незаинтересованности предприятий-изготовителей в выпуске приборов, являющихся комплектующей частью вакуум­ ных установок.

12*

180 7. Проблемы выпуска, внедрения и аттестации приборов

Кроме стационарных приборов ВИМП-13М и ВИМП-31М, во­ прос о серийном выпуске которых не решен из-за особенностей их использования, разрабатывались также серии настольно-пере­ носных приборов для измерения параметров тонких металлических покрытий и пленок после их изготовления. В этом случае (боль­ шая потребность, простота эксплуатации, отсутствие аналогов, независимость от внедряющих организаций) процесс создания при­ боров можно поэтапно довести до массового внедрения без участия разработчика.

Первым настольно-переносным прибором из серии ВИМП явля­ ется прибор ВИМП-5, выпущенный в 1981 г. на основе испытаний макетного образца прибора с накладным дифференциальным пре­ образователем (см. параграф 3.2). Один образец прибора был пере­ дан в Киевский филиал ВИАСМ для освоения серийного выпуска (1981 г.). Другой образец передан в СКВ вакуумных покрытий (Рига) для испытаний и внедрения.

Испытания приборов в лабораторных и производственных ус­ ловиях показали необходимость их дальнейшего усовершенствова­ ния на основе модификации преобразователя и электронных схем с целью повышения стабильности, надежности, упрощения эксплуа­ тации. На базе прибора ВИМП-5 разработан макетный образец и в 1982 г. выпущена опытная партия приборов ВИМП-12 с четырех­ обмоточным дифференциальным преобразователем [38]. Приборы внедрялись в Научно-производственном объединении «Пластик» (Москва), СКВ вакуумных покрытий (Рига), на Ливенском заводе пластмасс по хозяйственным договорам. Результаты внедрения по­ казали необходимость дальнейшего повышения надежности и ста­ бильности приборов, улучшения их конструкции. В 1984 г. был раз­ работан макетный образец прибора ВИМП-51. В 1985 г. выпущена партия приборов, переданных для внедрения на предприятия страны (см. рис. 7.3) (средний годовой экономический эффект около 10 тыс. руб. на один прибор). В 1985 г. конструкторская и техни­ ческая документация и один образец прибора переданы ВолгоВятскому монтажно-наладочному управлению «Союзорглестехмоитаж». В том же году на этом предприятии был выпущен опытный образец прибора ВИМП-51М, который прошел ведомственные (Минлесбумпром СССР) испытания, метрологическую аттестацию и в 1986 г. был принят с рекомендацией к производству. Для ус­ пешного освоения выпуска приборов была усовершенствована их принципиальная схема на основе использования элементов автонастройки режима в процессе измерений и нуля в промежутках между измерениями [39], что дало возможность на порядок по­ высить их стабильность и надежность, упростить настройку. Была также проделана большая работа по изготовлению и исследованию образцовых мер покрытий (в СССР отсутствуют необходимые стан­ дартные меры толщин покрытий до 0,5 мкм), подготовке техничес­ кой документации для освоения выпуска и аттестации приборов.

7.2. Автоматизация измерений

181

В результате Волго-Вятским монтажно-наладочным управлением «Союзорглестехмоитаж» в 1987 г. освоен серийный выпуск при­ боров с экономическим эффектом за 1987—1989 гг. 1,5 млн. руб. Приборы распределяются на зеркальные заводы отрасли согласно планам Минлесбумпрома СССР.

ЭЭМЗ выпустил дополнительную серию усовершенствованных приборов ВИМП-52, в 1989 г. — ВИМП-53, которые переданы предприятиям других министерств для внедрения.

Приборы ВИМП-51, ВИМП-51М, ВИМП-52, ВИМП-53 защи­ щены тремя авторскими свидетельствами, свидетельством на про­ мышленный образец, запатентованы в ВНР, Венгрии, ЧССР, ГДР, Индии, ФРГ.

7.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИБОРАМИ СЕРИИ ВИМП

Как было показано в предыдущем параграфе, благодаря работе по повышению надежности и стабильности приборов серии ВИМП за счет введения элементов автоматики с унификацией бло­ ков приборов удалось значительно упростить их настройку и экс­ плуатацию, повысить точность и надежность контроля. Время на­ стройки прибора при его изготовлении в заводских условиях умень­ шилось до 1 ч. Время настройки прибора на рабочий режим при его эксплуатации сократилось до минимума (прибор не требует подстройки нуля и других параметров в процессе измерений). Все это дало возможность освоить массовый выпуск приборов серии ВИМП согласно схемам, представленным на рис. 7.1, 7.3. Рассмот­ рим теперь более подробно результаты работ по усовершенство­ ванию принципиальной схемы приборов после межведомственных испытаний (см. рис. 7.1, 7.3). Именно на этом этапе была прове­ дена основная работа по повышению надежности приборов за счет использования элементов автоматики [38, 39].

7.2.1.АВТОНАСТРОЙКА НА ОПТИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ

ВПРОЦЕССЕ ИЗМЕРЕНИЙ

В процессе эксплуатации приборов основной нестабильно­ стью является зависимость показаний от времени и температуры окружающей среды. При выполнении схем приборов серии ВИМП согласно универсальной блок-схеме, представленной на рис. 5.1, с накладными дифференциальными четырехобмоточными преобра­ зователями приборы настраиваются путем подбора емкостных и ре­ зистивных элементов в измерительной цепи и подстройки коэффи­ циентов усиления всей схемы. Коэффициент передачи схемы может изменяться в зависимости от настройки измерительных ^С-цепей. Как показали испытания приборов, основные нестабильности свя­