双离子束溅射镀膜机的维修性分配和预计

胡晓宇，何华云

(中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙410111)

采用双离子束溅射镀膜方法制备特殊功能薄膜材料，具有成膜速度快、薄膜致密、均匀性好、成份可控、材料适用性广等优点[1]，是获得高质量、高性能薄膜材料的常规先进工艺方法。双离子束溅射镀膜机的主要组成部件包括主离子源、辅离子源、基片台、水冷靶、气路系统、真空系统和计算机系统[2]，如图1 所示。

主离子源用于溅射靶材，通常分为射频（RF）源和直流（DC）源两种；辅离子源用于基片清洗了辅助镀膜；基片台旋转速度通常在20 r/min 以下，目前普遍采用“行星”式结构（公转+ 自转）以改善成膜均匀性；水冷靶的靶基通常设计为3 面或4 面，适用圆形或方形靶材；气路系统均采用“质量流量控制器+截止阀”，根据不同的工艺可配置3～8 路；真空系统配置机械泵和分子泵，极限真空为1×10-4Pa 量级；计算机系统采用“上位机+PLC”的架构。

图1 双离子束溅射镀膜机系统组成

双离子束溅射镀膜机的核心为“溅射”，被溅射出来的靶材粒子沿着靶面法向呈正态分布向外“飞溅”[3]，意味着靶材原子在真空腔内造成污染，必须定期清理维护，否则会造成短路、打火、灰尘，影响薄膜质量。因此，在双离子溅射镀膜机的研发过程中，必须考虑维修性设计，特别是暴露在真空腔内的相关部件，包括主离子源、辅离子源、基片台、水冷靶等。

可靠性设计的目的是保证设备尽可能少出故障，而维修性设计则是保证设备在出现故障时，能够简便、快捷、安全、经济地检测和修复故障。机电一体化设备的维修性指标通常为8 h 以内，实时性、机动性的武器装备的维修性大多要求在30 min 内，实验室中的半导体专用设备维修性通常为2～8 h。

下面以中国电子科技集团公司第四十八研究所最新研发用于薄膜传感器的M781-2/UM 型双离子束溅射镀膜机为例，建立维修性模型，根据各部件的可靠性和维修时间经验数据，进行维修性分配和预计。

1 建立维修性模型

建立维修性模型的目的是为了进行维修性分配、预计和评定，估计或确定设计方案可达到的维修性水平。另外，当设计变更时，可以进行灵敏度分析，以确定哪些参数对模型的影响最大。

和所有交付的机电一体化设备一样，双离子束溅射镀膜机的维修活动按照先后顺序见图2 所示。

从维修职能流程中可以看出，设备维修耗费的时间主要集中在故障的检测与隔离、分解- 修复- 组装、更换、调整/ 调准、检验等步骤，这些时间参数通过维修人员的历史经验数据积累得到。按照系统组成，各部件的可靠性数据建图3 所示。

图2 双离子束溅射镀膜机维修职能流程

图3 双离子束溅射镀膜机各部件可靠性数据

2 维修性分配方法的选取

维修性分配的主要目的有两个方面：一是为系统各部分研制者提供维修性设计指标，以保证系统最终符合规定的维修性指标要求；二是明确各转承制方或供应方的产品维修性指标，以便于系统承制方对其实施管理。

维修性分配有两个前提条件，一是已确定设备总的维修性指标（M）、维修方案（维修级别、维修资源、维修类型等）和设备的功能层次，二是已完成各功能层次的可靠性分配或预计。根据《GJB/Z 57 维修性分配与预计手册》的规定，维修性分配有五种方法[4]，见表1 所示。

按102 规定的故障率分配法，故障率高的部件，分配的维修时间应当短，各个可维修项目的平均修复时间Mi按照公式(1)分别求出，其维修性分配如表2 所示。

式中，λi 为各部件的可靠性数据。

表1 GJB/Z57 规定的维修性分配方法

表2 双离子束溅射镀膜机维修性分配表

3 维修性预计

维修性预计的目的主要有三个方面，一是预计设计方案的维修性水平是否能达到第3 节分配的指标；二是发现维修性设计缺陷，为更改设计提供依据；三是在更改设计时，估计其对维修性的影响。

维修性预计的前提条件也有三个方面：一是已有历史经验数据或相似设备的数据，包括设备的层次结构和各部件维修性指标；二是已确定系统的维修方案；三是已完成各功能层次的可靠性分配或预计，有了可靠性的数据。因此，维修性预计与具体产品的实际经验数据习习相关，且受到各种条件的影响，必须真实客观地确定数据，避免在预计时“凑数据”。

根据GJB/Z57 的规定，维修性预计的方法有6 种，见表3。

采用功能层次预计法，根据各部件维修活动中检测、隔离、分解、更换、结合、调准和校验等所消耗的实际时间，分别计算各组成部件维修所需的总时间及故障率，以主离子源为例，其维修性预计表如表4 所示(表中数据为典型值，仅供参考)。

表3 GJB/Z57 规定的维修性预计方法

表4 主离子源的维修性预计表

辅离子源、基片台、水冷靶、气路系统、真空系统及计算机控制系统均可按照表4 所示的方法分别进行维修性预计；最后，按照公式(2)分别计算各部件的维修性预计值Mpi，按公式(3)计算双离子束溅射镀膜机总的维修性预计值Mp，结果如表5所示。

表5 双离子束溅射镀膜机的维修性预计表

维修性预计的Mp值为6.975 h，低于设备的维修性指标8 h，维修性设计符合要求。如果预计值大于8 h，则必须根据表5 中维修性预计值Mpi超过分配值的部件重新进行设计调整，在可达性、防差错、标准化和互换性、模块化、标识[5]等方面进行改进，缩短部件的维修时间。

4 结 论

近年来，用于军用电子元器件研发的半导体专用设备项目，在申报中逐步提出了关于可靠性、维修性、测试性、安全性等方面的设计内容要求，如果在综合论证报告中进行科学的维修性分配和预计，可以使项目申报材料中的内容更有可信度和说服力，进而提高普通军工产品项目中标的成功率[6]，同时也能够使研发生产的半导体专用设备更具市场竞争力。

[1] 贾嘉，陈新禹. 离子束溅射工艺中的基片温度及其控制方法[J]. 光学仪器，2004，26(2)：187-190.

[2] 陈特超，龙长林，胡凡等. 射频离子束辅助溅射镀膜设备的研制[J].电子工业专用设备，2013，42(11)：1-3.

[3] 刘金声. 离子束沉积薄膜技术及应用[M]. 北京：国防工业出版社，2006.

[4] GJB/Z 57，维修性分配与预计手册[S].

[5] GJB 368B-2009，装备维修性工作通用要求[S].

[6] 周鸣岐. 型号维修性和测试性设计分析和验证培训教材[M]. 北京：中国航天科工集团第二研究院，2013.