Naval Research Lab - LabVIEW로 이온빔 증착 시스템 자동화

Author(s):
Richard M. Brueggman, Nils J. Gokemijer, Joe A. Christodoulides CEO, 자동화 컨설턴트 - Data Science Automation, Naval Research Laboratory

Industry:
Electronics

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, SCXI

The Challenge:
쉽게 작동할 수 있도록 복잡한 이온빔 증착 시스템을 자동화해야 합니다.

The Solution:
LabVIEW의 새로운 기능을 이용하여 증착 시스템을 완벽하게 자동화함으로써 이제 간단한 스크립트로 제어할 수 있도록 합니다.

Naval Research Laboratory에서는 이온빔 증착 시스템을 자동화하고자 하는 소망을 표명했습니다. 모든 제어가 수동으로 이루어질 수 밖에 없으므로 전체 증착 프로세스 동안 시스템을 작동시키려면 뛰어난 자격을 갖춘 직원이 필요합니다. LabVIEW를 이용하여 시스템의 압력과 흐름을 모니터링하면서 이온빔 전원 공급기인 Kepco 전원 공급기와 가스 컨트롤러 그리고 모든 밸브를 제어함으로써 시스템을 완벽하게 자동화하고 스크립트 언어를 통해 제어할 수 있게 되었습니다.

이온빔 증착 시스템
시스템을 자동화하기 전에는 직원들이 각 대상에 대한 2개의 이온빔 소스에 연결된 전원 공급기 뿐 아니라 증착 시 클리닝과 지원을 위한 제3의 이온빔 소스 그리고 두 대상의 셔터와 기판을 제어해야 했습니다. 기판 온도 제어를 위한 PID는 설정하지 않았습니다. 또한 오퍼레이터는 각 대상 당 하나씩 2개의 Inficon Crystal 모니터를 통해 증착 속도도 수동으로 모니터링해야 했습니다. 피드백 메커니즘이 없었으므로 증착 프로세스에는 로깅 기능이 없었습니다. 더욱이, 증착이 너무 오래 이루어지거나 너무 짧게 이루어지는 등의 부주의로 인한 오류가 간과된 채 지나가면 증착된 샘플에 수행된 이후의 연구가 쓸모 없게 됩니다. Naval Research Laboratory는 간단한 스크립트로 이온빔 증착 시스템을 작동시키는 턴키 솔루션을 제공함으로써 최소한의 기술적 지식을 가진 직원이 시스템을 작동시킬 수 있도록 Data Science Automation과 계약을 체결했습니다.
Data Science Automation은 내쇼날인스트루먼트 GPIB 카드, 8포트 직렬 카드 및 NI-DAQ 카드가 있으며 Windows 2000을 실행하는 Pentium III PC를 설치했습니다. 직렬 포트와 GPIB 컨트롤러는 이온빔 및 히터 전원 공급기 분 아니라 크리스탈 발진기 컨트롤러와 통신하며 DAQ 카드는 SCXI-1124, SCXI-1125, SCXI-1161 및 SCXI-1180 모듈을 사용하는 SCXI 섀시를 제어합니다. 이 모듈은 시스템의 다양한 위치에서 가스 흐름과 압력을 모니터링할 수 있도록 공압식 밸브 4개, 전자기 밸브 4개, 흐름 컨트롤러 4개 및 기판 온도를 제어하는 아날로그/디지털 I/O를 제공해 줍니다.
탭 제어, 데이터 소켓 연결 및 제어 참조와 같은 LabVIEW 6i의 새로운 기능을 이용하여, 우리는 스크립트 작성 중에는 사용자 상호작용만 필요로 하고 스크립트 실행 중에는 사용자 상호작용을 거의 또는 전혀 필요로 하지 않는 어플리케이션을 개발하여 오퍼레이터 오류 위험을 대폭 줄였습니다.

새롭게 자동화된 이온빔 증착 시스템

부가적으로 얻을 수 있는 혜택은 시스템에서 모든 작업을 로그할 수 있으므로 로그 파일만 있으면 정확한 증착 절차를 검증할 수 있게 되었다는 점입니다. 이 프로그램이 있으면 스크립트를 여러 번 실행할 수 있으므로 오퍼레이터가 동일한 절차를 반복할 수 있기 때문에 장비를 수동으로 작동할 경우에 생길 수 있는 변동성이 없어집니다. 스크립트를 실행하고 사용자 상호작용을 가능케 하는 복잡한 대기 상태 머신을 사용하는 어플리케이션을 개발하였으며 변수와 “for-next” 루프를 실행하는 기능을 포함하여 스크립트 언어에 20개의 다양한 명령을 구현했습니다.
4개의 추가 루프가 배경으로 실행되며 각 루프는 제어 참조를 이용하여 여러 프런트 패널 컨트롤에 액세스할 수 있습니다. 첫 번째 루프는 RS-232에서 게이지 컨트롤러와 통신하며 프런트 패널의 이온 게이지, Baratron 마노미터 게이지 및 2개의 Convectron 게이지의 압력 값을 지속적으로 업데이트합니다. 두 번째 루프는 모든 이온 건(ion gun) 컨트롤을 모니터링하며 변화가 있으면 RS-232를 통해 3개의 이온빔 전원 공급기 중 하나로 전달합니다.

사용자 인터페이스를 통해 시스템 오퍼레이터는 단일 창에서 시스템을 완전 제어 가능

세 번째 루프는 기판 온도를 모니터링하고 PID를 통해 GPIB에서 Kepco 전원 공급기를 제어하며 마지막 루프는 오류가 없는지 시스템을 모니터링하고 스크립트에서 한 단계가 실행될 때마다 모든 관련 매개변수를 파일에 기록합니다.

이제 시스템이 사용자의 개입이 거의 없이 자동으로 실행될 수 있을 뿐 아니라 오퍼레이터가 자신의 자리에서 시스템을 모니터링 및 제어할 수도 있으므로 청정실에 출입해야 하는 횟수도 훨씬 줄어들었습니다. NI-DAQ OPC 서버 및 VISA를 통해 우리는 하드웨어에 편리하게 연결할 수 있었습니다. LabVIEW는 시스템이 제어하는 10개의 인스트루먼트 각각에 대한 고급 인스트루먼트 드라이버를 쉽게 개발할 수 있도록 해주는 사용이 편리한 개발 환경을 제공해 줍니다.

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Richard M. Brueggman, Nils J. Gokemijer, Joe A. Christodoulides CEO, 자동화 컨설턴트
Data Science Automation, Naval Research Laboratory

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