奧勒岡州立大學 (Oregon State University) 使用 NI LabVIEW FPGA 與 CompactRIO 設計高可靠度的電子束 (Electron Beam) 控制系統
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Author(s):
Chris Tasker - Oregon State University, Department of Electrical and Computer Engineering
Industry:
Semiconductor
Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module
The Challenge:
針對客制電子束 (Electron beam) 沉積 (Deposition) 系統，建置控制與聯鎖 (Interlock) 系統，以使用於進階半導體材料研究實驗室。
The Solution:
以直覺式的使用者介面，建立高可靠度的控制系統，並使用 NI LabVIEW 與 CompactRIO 將開發時間縮至最短。
"專案結果將建置控制與聯鎖 (Interlock) 系統，並要能超越原先所需的功能。透過 CompactRIO 架構的系統，我們擁有了堅固、高可靠度，且速度極快的控制系統。"
在奧勒岡州立大學 (Oregon State University) 的進階材料研究與開發專案 (Advanced Materials Research and Development Program) 中，我們團隊由威格博士 (Dr. John Wager) 所領導，進行薄膜 (Thin-film) 半導體開發的先進研究。我們最近的專案，包含透明薄膜電晶體的開發、透明電路，與高效能的太陽能電池薄膜。
我們的半導體處理淨化室，屬於開發專案的整體部份。此房間包含的工具，如 RF 磁控濺鍍 (Magnetron sputter) 系統、離子束沉積 (Ion beam deposition) 系統、熱蒸鍍機 (Thermal evaporator)、化學氣相沉積 (Chemical vapor deposition，CVD) 系統，與電子束沉積 (Electron beam deposition) 系統；還有其他相關處理工具。由於電子束沉積系統相對僅需要較少數量的原料 (Material)，即可達到較高比例的沉積效果，因此該系統為使用頻率極高的開發工具。
在 2004 年底，我們需要汰換自 1980 年代早期即開始使用的電子束沉積系統。我們設計了新的電子束沉積系統，所建置的進階功能如可光柵化 (Rasterable) 的電子束、最高達 600°C 的基板溫度，與將近 1×10-7 Torr 的基礎真空 (Base pressure)。
LabVIEW 與 CompactRIO 縮短開發時間
先前沉積系統的控制系統，為包含數位 I/O 介面卡的微控制器與桌上型電腦，並以 Visual Basic 進行程式設計。在新的電子束沉積系統規劃中，我們決定以硬體與軟體為標準，以整合未來的處理工具。
由於 CompactRIO 可程式化自動控制器 (PAC) 的可重設功能，與使用 LabVIEW 進行程式設計的簡易度，因此立即成為評估中的核心控制系統解決方案。CompactRIO 可整合 FPGA 形式的控制運算式硬體建置，並可透過嵌入式即時控制器進行可靠的處理作業。有了 CompactRIO 平台，我們可精確地即時聯鎖 (Interlock) 並讀取電子束的情況。我們亦於主機電腦上建置控制程式，讓使用者可存取資料庫函式與即時系統資訊。
使用 CompactRIO，我們可完全於 LabVIEW 中撰寫程式碼，且比先前所使用過的任何平台更為簡單。CompactRIO 中的即時控制器，讓我們可執行具時效性的應用，並提供極高的可靠性與保護性；在監控昂貴的處理設備時更顯重要。
我們使用 LabVIEW FPGA Module，完全於 LabVIEW 中開發我們的控制邏輯。由於 LabVIEW 以成為我們測試與量測應用的標準，以 LabVIEW 的 FPGA module 撰寫程式碼時，特別輕鬆自在。我們約在 1 個工作月份中，即對 FPGA 與主機程式碼進行撰寫、測試，並除錯 – 大幅低於先前以組合式語言或 Visual Basic 所花費的時間。
專案結果將建置控制與聯鎖 (Interlock) 系統，並要能超越原先所需的功能。透過 CompactRIO 架構的系統，我們擁有了堅固、高可靠度，且速度極快的控制系統。LabVIEW 最吸引人的功能之一，即為能讓我們選擇想新增的功能，如 PID 基板熱度控制；包含迴路與小數量程式碼的並行加法 (the Addition of a parallel)。新的使用者介面，具有之前系統所無法提供的資訊與控制，而我們亦可整合如電子郵件通知與資料庫記錄的進階功能，至主機程式中的 Microsoft Access。
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