LabVIEW を使用してイオンビーム蒸着システムを自動化

Author(s):
Richard M.. Brueggman氏 - Data Science Automation Inc.社

Industry:
Government/Defense

Products:
LabVIEW, SCXI

The Challenge:
複雑なイオンビーム蒸着システムを自動化し、より簡単な操作を実現する

The Solution:
LabVIEW 6iの新機能を使用して蒸着システムを完全に自動化し、単純なスクリプトを使用して制御できるようにする

米海軍研究試験所では、イオンビーム蒸着システムの自動化を望んでいました。全ての制御が人間の手で行われていたことから、システムのオペレーションには、非常に高いスキルを持った人材が蒸着プロセス全段階を通じて常駐していなければなりませんでした。LabVIEWを使用してイオンビームの電源、Kepco社製電源、ガスコントローラ、全てのバルブをシステム内の圧力と流量のモニタリングを行いながら制御することで、私たちはシステムを完全に自動化し、スクリプト言語を使いそれを制御することが可能となったのです 。

イオンビーム蒸着システム
システムを自動化する前は、担当者がそれぞれのターゲットのための2つのイオン源の電源、清浄化や蒸着中の補助のための3つめのイオン源、ターゲットと基板の槽の開閉を行わなければいけませんでした。また、当時は基板温度を制御するためのPID設定はありませんでした。
さらに、オペレータは、一つのターゲットに一台、つまり2つのInficon社製の測定モニタを使用して、マニュアルで蒸着レートをモニタリングしなければなりませんでした。フィードバック・メカニズムもなく、蒸着工程にはロギング機能がなかったのです。また、蒸着時間が長すぎたり短すぎたりするなどといった不注意による誤りに気づかずにやり過ごしてしまうことにより、蒸着したサンプルの上で行われるその後の研究が出来なくなることもありました。

米海軍研究試験所では、Data Science Automation社に連絡し、最小限の技術的スキルがあれば操作でき、簡単なスクリプトを使用した、イオンビーム蒸着システムを操作するための包括的なソリューションを提供してくれるよう依頼しました。

Data Science Automation社では、Windows 2000を搭載したPentium III PCに、ナショナルインスツルメンツのGPIBカード、8ポートシリアルカード、NI-DAQカードをインストールしました。シリアルポートとGPIBコントローラはイオンビームと熱電源、水晶発振制御器と通信するのに使用します。DAQカードは、SCXI-1124、SCXI-1125、SCXI-1161、SCXI-1180モジュールを使用してSCXIシャーシを制御します。これらのモジュールでアナログ/デジタルI/Oが行え、4つの空気弁の調整、4つの電磁弁、4つの流量調整器、システム内の様々な場所でのガスの流量や圧力を監視する基板温度の制御が行えます。

LabVIEW 6iに備えられた新機能（タブコントロール、制御リファレンスなど）やDataSocket接続を利用して、スクリプト作成をユーザとのダイアログによる対話しか必要としないアプリケーションを開発しました。しかも、スクリプト実行時にはユーザによる対話をほとんど必要としないので、オペレータによるミスが生じる危険性を大幅に低減させることが可能となりました。また、システムが全てのオペレーションのログを取ることができるため、ログファイルが残されている限りは、正確な蒸着作業手順を検証することが可能となるという利点もあります。このプログラムでは、スクリプトを何回でも使用し実行させることができるため、オペレータは同じ作業手順を繰り返せるようになり、手作業での操作につきものの、操作のばらつきをなくすことができます。同アプリケーションの開発には、複雑なステートマシンを使用し、スクリプトの実行やユーザとの対話を行いました。ここでは、変数やForループを実行するための機能など、20種類以上のコマンドをスクリプト言語で使用しました。

背景で実行されている4つの追加ループはそれぞれ制御リファレンスを使用して複数のフロントパネルコントロールにアクセスすることができます。最初のループはRS-232Cを介してゲージコントローラと通信し、フロントパネル上にあるイオンゲージやバラトロン圧力計ゲージからの圧力の読み取り値を更新します。2つめのループは全てのイオン銃制御を監視し、3つのうち1つでもイオンビーム電源に変化が生じた際には、RS-232Cを介してデータが送信されます。3つめのループは基板温度を監視し、PIDを使用したGPIBを介してKepco社製電源の制御を行います。最後のループはシステム内で生じるエラーの監視を行い、スクリプト内で何らかの作業が実行されるときには必ず関連する全てのパラメータをファイルに保存します。

こうして開発されたシステムは、現在ユーザがさほど手を加えなくても自動的に動作できるほか、オペレータもシステムの監視・制御を自分の席から行えるようになったため、クリーンルームへの立ち入りもこれまでと比較して格段に少なくなりました。また、NI-DAQ OPCサーバとVISAを使用することにより、ハードウェアとの接続も容易に行えるようになりました。LabVIEWは、使いやすい開発環境のため、使用することにより、システムで制御を行う計測器10台分の高レベルな計測器ドライバが簡単に開発できました。

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Richard Brueggman氏
Data Science Automation Inc.社

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