- Что это ?
- Оптическая линейка ! - а сами сияют от радости.
Оказалось, к ним как-то зашли микроэлектронщики чтобы пошушукаться насчет автоматического управления перемещением исполнительных органов - благо и у тех и других такого хватало с избытком, да и общались плотно, так как станочникам постоянно требовались дополнительные элементы для блока управления станком, вот они и бегали к электронщикам, ну а те мало того что предоставляли нужные микросхемы, так еще и помогали составлять принципиальные схемы узлов, а потом их отлаживать. Так что контакт был плотным. Вот и дообщались до того, что электронщики сделали закрашенную стеклянную полосу, но с прорезями. Вдоль нее ездила каретка со стеклянной пластиной, тоже с прорезями, но короткая. Прорези то оказывались друг напротив друга, то нет - соответственно, просвет то возникал, то пропадал. И через эту систему прорезей то проходил то не проходил свет от ламп, который ловился фотоэлементами. Ну понятно - они развернули "колесико мышки" в длинную планку.
- А в чем выгода ?
- Так пропадает колесико ! Отсутствует механическая передача, соответственно, нет люфта, износа - каретка просто ездит вдоль планки.
- Ну и как ?
- Да отлично ! Правда, мы кое-что усовершенствовали.
А усовершенствования заключались в добавлении второй решетки и дифференцирующих схем. Прорези решеток были сдвинуты на половину Пи, с них снимали четыре прямоугольных сигнала, три из которых сдвинуты на половину Пи, с их фронтов - нарастающего и убывающего - получали дифференцированные короткие сигналы, и через схему совпадения получали импульсы и направление движения.
Первая простенькая схема выдавала разрешение в половину шага растра, то есть при шаге в сто микрометров - одну десятую миллиметра - получали точность измерений в пятьдесят микрометров - уже в два раза лучше, чем со старым колесиком. Так дополнительным усложнением схемы совпадения сигналов точность была повышена сначала до четверти шага решетки, а потом и до восьмой части, так что вскоре эта же линейка с шагом в сто микрометров выдавала точность уже 12,5 микрометра. А этого достаточно уже для 95% всех поверхностей обработки, а по ряду деталей - и для 100%.
Так, точность изготовления валов "пляшет" от так называемой единицы допуска - кубического корня из диаметра вала, но в микрометрах. Например, для вала диаметром восемь миллиметров единица допуска равна двум (кубический корень из восьми), но микрометрам, а для вала диаметром 27 миллиметров - три микрометра. И уже для каждого класса точности принимается определенное количество этих единиц. Например, для первого класса количество единиц допуска - не более 3,5, то есть для вала диаметром 8 миллиметров максимальное отклонение для первого класса - 2 х 3,5 = 7 микрометров, а для вала диаметром 27 миллиметров - 3 х 3,5 = 11,5 микрометров. Для второго класса точности количество единиц уже 4,8 - то есть для наших валов максимальное отклонение от диаметра будет уже 2 х 4,8 = 9,6 и 3 х 4,8 = 14,4 микрометра соответственно. Класс 2а требует 7,5 единиц, 3 - 15, 3а - 30 - и так далее до 9го класса, у которого уже 475 единиц - то есть для вала диаметром 8 миллиметров допустимое отклонение в таком классе будет 2 х 475 = 950 микрометров - почти миллиметр. Вряд ли, конечно, конструктор назначит такой допуск для такого сравнительно тонкого вала - но как знать.
Причем микроэлектронщики твердо обещали станочникам сделать планки с шагом уже в пятьдесят микрометров - а это точность измерений уже 6,3 микрона. И начали подумывать - как бы делать планки с шагом в двадцать микрон, что даст точность 2,5 микрона. Правда, пока все эти планки были короткими, всего пять сантиметров, то есть подходили для небольших измерений - либо поперечного хода суппорта, либо небольших продольных ходов. Впрочем, этого было достаточно для многих ответственных деталей - тех же пуансонов для выдавливания гильз, да и многих других деталей, требовавших повышенной точности - мы пока решили сосредоточиться на станках для таких небольших изделий, а для более габаритных использовать эти планки с растром только для измерения поперечных перемещений, а для продольных - датчики перемещения на колесиках - для большинства деталей диаметр обработки гораздо важнее чем длины - допуски совершенно различны.
И это я говорю только про прямое измерение линейных перемещений, а если такие датчики совместить с винтовыми подачами, точность еще больше увеличивается. Например, для винта диаметром два сантиметра длина витка грубо говоря два-пи-эр = 6,28 сантиметра. Которые мы можем измерять с точностью 2,5 микрона (если электронщики все-таки выдадут растры с шагом в двадцать микрометров, в чем я не сомневался). То есть на один виток придется 25 000 единиц измерения (62,8 миллиметра делить на 2,5 микрона). Соответственно, при шаге винтовой поверхности в 1 миллиметр мы на каждом обороте получим эти 25 000 измерений, то есть продольное перемещение можем измерять с точностью 1 / 25 000 = 40 нанометров (ха-ха). Да там вибрации и тепловые деформации могут быть больше этой величины ! И этого с учетом резерва на погрешности измерений более чем достаточно для измерений с точностью, скажем, в 200 нанометров. Ну или с учетом погрешности изготовления резьбы - пусть даже полмикрона. Собственно, электронщики активно пользовались резьбовыми приводами для повышения точности измерений и без растровых решеток, да и металлообработка массово применяла микрОметры на винтовом ходу - а по другому ловить микроны и не получится.
Само собой, тут потребуются уже круговые, а не линейные шкалы, но они у нас тоже были - народ учился ловить люфты программным способом, для чего навешивал на валы датчики и отмерял количество импульсов по каждому механическому звену - скажем, если вал двигателя провернулся уже на десять делений, а сцепленная с его шестеренкой другая шестеренка - только начала выдавать импульсы - уже можно посчитать зазор в кинематической паре шестерня двигателя - первая шестерня редуктора. А ведь эти датчики можно навешать вплоть до ходового винта, и таким образом можно посчитать полный люфт привода, с выявлением "слабого звена", а если учесть датчик линейного хода, то и полный люфт системы двигатель-инструмент. Это полезно не только для расчетов перемещения и обработки, но и для отслеживания состояния станка - не пора ли менять в нем детали, а то и вовсе списывать в учебные учреждения, чтобы школьники окончательно его доломали.
Впрочем, и помимо этих тонкостей с люфтами работы предстояло еще много. Мы ведь научились измерять только перемещения агрегатов станка, но не размеры обрабатываемой детали. А там было еще много тонкостей, и даже если суппорт перемещается с высокой точностью, это не значит, что деталь попадет в размеры - там и износ резца, и тепловые деформации при обработке, и отгиб детали или резца из-за недостаточной жесткости - для измерения всех этих величин требовались датчики и алгоритмы. А для алгоритмов были нужны не только программы, но и аппаратура, которая сможет их отрабатывать.
Тут как раз и пригодилась случайно разработанная станочниками схема измерения вибраций, которую электронщики утащили на свое оборудование. А то у них была беда - они вышли на проектные нормы менее десятка микрон, но все получалось очень размытым. И было подозрение, что из-за вибраций, а чем их померять - непонятно. А тут - готовая схема, а главное - идея, которая в дальнейшем помогла во взятии новых рубежей. Ведь с новыми проектными нормами было еще много проблем, а спускаться ниже десяти микрометров мы в массовом производстве пока точно не могли - опыт изготовления в лабораториях единичных микросхем по более тонким процессам ставил больше вопросов чем давал ответов.
Взять тот же фоторезист. Методы фотолитографии вообще-то известны уже давно. Так, в 1852 году в Англии было запатентовано использование смеси бихроматов - солей дихромовой кислоты - с желатиной - эта смесь становилась нерастворимой на освещенных участках. Эти "хромированные коллоиды" применяют в полиграфии и сейчас. В тридцатых годах уже двадцатого века были открыты фоторезисты на основе коричной кислоты в матрице природных пленкообразующих смол. И получение этого фотореактива дело не слишком сложное - в реакциях участвуют либо ацетон с бензальдегидом, либо бензойный альдегид с уксусной кислотой - в присутствии каких-нибудь хлорных соединений - все эти реакции были известны и как минимум на уровне лабораторного производства не представляли никаких сложностей.
Но основным нашим фоторезистом стали соединения на основе диазосмол. Собственно, диазотипия - светокопирование с использованием солей диазония - было открыто еще в 1923 и с тех пор массово использовалось для копирования чертежей и других изображений (а до того - с 1902 года - для этих же целей использовалась цианотипия - пресловутая "синька", чье название перешло у нас и на диазотипию, хотя цвет чертежей был уже не синим). Эти процессы подходили для светокопирования, но не для фотолитографии, которая требовала плотного покрытия, а не просто покрытия слоем кристалликов - между их гранями все-равно к подложке будут проникать ненужные вещества. Поэтому-то мы и использовали полиграфические методы фотолитографии - там также требовалось сплошное покрытие, которое образовывали полимеризующиеся молекулы какого-нибудь органического вещества.
Как раз диазониевые соли для этого и подходили - они выступали катализатором отверждения разнообразных органических соединений - например, еще в 1931 ее использовали для отверждения слоя животного клея под действием света. Правда, для газет было достаточно разрешения и в две-четыре линии на миллиметр, но с помощью этой же технологии получали и печатные формы для журналов, где требовалось более высокое качество - собственно, после освобождения Минска в начале сорок второго у нас и появились как технологии, так и настоящие специалисты по фотолитографии - минские типографии были оборудованы можно сказать по последнему слову техники. С их-то помощью мы в конце концов и получили на небольших площадях разрешение уже двести линий на миллиметр, то есть пять микрометров - как раз с некоторым запасом для проектных норм в десять микрометров. Дальше пока был затык - там и слишком сильное набухание частей фоторезиста, которые будут смываться - они сдвигали незасвеченные участки, да и других возникающих дефектов хватало, так что работы предстоит еще много - ведь чем толще слой пленки фоторезиста - тем сильнее набухание и деформации, а чем этот слой тоньше - тем вероятнее возникновение проколов и просто дырок, разрывов, когда при сушке слой фоторезиста несколько стягивается, так что может даже порваться.
В плане оптики мы также сделали шаг вперед, позволивший нам перейти к десяти микронам. Так, мы начали получать первые партии синтетического стекла - из кремния, очищенного для микроэлектроники - просто потом окисляли его до оксида кремния, то есть до кварца. Чистейшего - такого не было даже в природе. Сто грамм в сутки, на пару линз - и вот микроэлектронщики получили первую проецирующую установку на топологические нормы в десять микрон. Сама установка была высотой в два метра и засветку приходилось делать пошагово - засветить одну микросхему - и передвигаться к следующей - все для того, чтобы максимально уменьшить аберрации проецируемого изображения, хотя мы и так отлично постарались - помимо линз из чистейшего стекла мы впервые применили мощные монохроматоры - вырезали из спектра излучения паров цезия нужную линию света - четыреста с чем-то нанометров - и ею засвечивали фоторезист. Это хотя и уменьшало энергию засветки, зато избавляло нас от хроматических аберраций - теперь через оптическую систему шла только одна волна, а сама оптическая система была рассчитана именно на нее.
И, несмотря на все эти ухищрения, поначалу выход годных микросхем был равен нулю. Немного поигравшись с параметрами толщины фоторезистов, интенсивности источника света, длительности засветки, с легированием - народ отчаялся получить годные микросхемы и стал варварски выдергивать их из техпроцесса на разных стадиях - изучать, а что там вообще происходит ? Стандартная практика. Проблема была в нечеткости линий, причем иногда что-то все-таки сначала получалось и затем портилось уже на последующих этапах.
Тут-то и подоспели оптические датчики вибраций. Понатыкав их пару десятков, электронщики и обнаружили, что внешне неподвижная проекционная колонна дрожит как лист на ветру. Загвоздка крылась в системе охлаждения - дело в том, что еще раньше оптики наелись с температурными деформациями, из-за которых начинали ехать оптические оси и изображение расплывалось. Поэтому они встроили в систему множество трубок, по которым текла охлаждающая жидкость - они проходили через держатели линз и охлаждали как сами держатели, так и линзы - те ведь тоже нагревались проходящим через них светом. А сами трубки были жесткими - по ним-то вибрация и пробиралась внутрь оптической системы. Введение гибких сочленений частично решило проблему - оптика стала выдавать нужные десять микрон разрешения. Но было понятно, что дальше проблема встанет во весь рост. Конечно, можно было бы на время засветки вырубать охлаждение и потом запускать его чтобы вернуть температуру, а следовательно и размеры элементов оптической системы в норму, на которую они и были рассчитаны. Но это потребует остановок, что снизит коэффициент использования аппаратуры. Делать более жесткой систему оправок для линз тоже не выход - там требовалось множество регулировочных винтов, которыми выставлялись сами линзы - а то не все получались с нужными параметрами и таким перемещением - вдоль или поперек оптической оси, а то и с наклоном к ней - частично компенсировали погрешности изготовления - ведь передвинуть линзу зачастую проще, чем сделать ее точно в размер. Была еще мысль охлаждать воздухом, но это приведет к высоким турбулентностям внутри световой колонны, то есть коэффициент преломления воздуха будет меняться самым непредсказуемым образом, что опять же приведет к искажениям. Оптикам было над чем поразмыслить.
А ведь линзовики уже активно шлифовали стекляшки для засветки сразу всей площади пластины, что увеличит размеры элементов оптической системы а, следовательно, и их абсолютные перемещения при тепловых деформациях - головной боли еще прибавится. С другой стороны, при этом можно будет и останавливать засвечивание без особой потери производительности - ведь при засветке целой пластины тонкие работы по перемещению шаблона уйдут с этапа изготовления пластин на этап изготовления фотошаблонов, что существенно уменьшит время прохождения одной пластины, так что можно будет немного и потерять в производительности - на круг все-равно будет выходить существенная прибавка.