VYSOKÉ MICHAL PAVERA BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PHYSICAL ENGINEERING BACHELOR S THESIS AUTHOR

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ YRSTV ´ Í FAKULTA STROJNÍHO INZEN ´ ´ ÍHO INZEN ˇ YRSTV ´ Í USTAV FYZIKALN FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PHYSICAL ENGINEERING

ˇÍZENÍ DEPOZICN ˇ ÍHO PROCESU POMOCÍ POC ˇÍTACE ˇ R

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE AUTHOR

BRNO 2009

MICHAL PAVERA

´ UCEN ˇ Í TECHNICKE ´ V BRNE ˇ VYSOKE BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

ˇ YRSTV ´ Í FAKULTA STROJNÍHO INZEN ´ ´ ÍHO INZEN ˇ YRSTV ´ Í USTAV FYZIKALN FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PHYSICAL ENGINEERING

ˇÍZENÍ DEPOZICN ˇ ÍHO PROCESU POMOCÍ POC ˇÍTACE ˇ R COMPUTER CONTROL OF THE DEPOSITION PROCESS

´ RSK ˇ A ´ PRACE ´ BAKALA BACHELOR’S THESIS

´ AUTOR PRACE

MICHAL PAVERA

AUTHOR

´ VEDOUCÍ PRACE SUPERVISOR

BRNO 2009

´ ING. MICHAL URBANEK, PH.D.

sem vloˇzit zadán´ı

ABSTRAKT Bakaláˇrská práce se zabývá problematikou spojenou s návrhem automatizace depozice ultratenkých vrstev metodou IBAD. Jedn´ım z u´kol˚ u bakaláˇrské práce je návrh a realizace ovládán´ı drˇzáku substrátu a terˇce. Tato práce tedy obsahuje výkresovou dokumentaci u´pravy manipulátor˚ u drˇzáku terˇce a ovládán´ı clony, pro moˇznost jejich ovládán´ı pomoc´ı krokových motor˚ u. Dalˇs´ım u´kolem je návrh elektrického a programového ˇr´ızen´ı primárn´ıho a sekundárn´ıho iontového zdroje. Je zde tedy popsáno ˇreˇsen´ı propojen´ı celé aparatury s poˇc´ıtaˇcem pomoc´ı AD/DA pˇrevodn´ık˚ u a jejich vhodné naprogramován´ı. V závˇeru jsou diskutovány rozd´ıly mezi manuáln´ım a automatizovaným ovládán´ı a také jejich klady a zápory.

ˇ ´ SLOVA KLÍCOV A IBAD, IBS, iontové napraˇsován´ı, iontový zdroj, krokový motor, AD/DA pˇrevodn´ık, vrstva, depozice tenkých vrstev

ABSTRACT This bachaloers thesis deals with automation of the deposition process of the ultrathin layers by IBAD method. One of the tasks is to design motorized target and shutter manipulator. The thesis therefore contain drawings of these manipulators. Which enable their control by stepper motors. Second task is to design of electronics and program control of primary and secondary ion source. In this part is described connection of the system with the computer using AD/DA converters and the appropriate programming. Last part of the thesis deals with differences between automated and manual control of the system, their advantages and disadvantages.

KEYWORDS IBAD, IBS, ion source, step motor, AD/DA converter, layer, thin-film deposition

ˇ ızen´ı depoziˇcn´ıho procesu pomoc´ı poˇc´ıtaˇce. Brno: Vysoké uˇcen´ı technické PAVERA, M. R´ v Brnˇe, Fakulta strojn´ıho inˇzenýrstv´ı, 2009. 46 s. Vedouc´ı bakaláˇrské práce Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

´ SEN ˇ Í PROHLA ˇ ızen´ı depoziˇcn´ıho procesu poProhlaˇsuji, ˇze svou bakaláˇrskou práci na téma R´ ” moc´ı poˇc´ıtaˇce“ jsem vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho bakaláˇrské práce a s pouˇzit´ım odborné literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, které jsou vˇsechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakaláˇrské práce dále prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım této bakaláˇrské práce jsem neporuˇsil autorská práva tˇret´ıch osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným zp˚ usobem do ciz´ıch autorských práv osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom následk˚ u poruˇsen´ı ustanoven´ı § 11 a následuj´ıc´ıch autorského zákona ˇc. 121/2000 Sb., vˇcetnˇe moˇzných trestnˇeprávn´ıch d˚ usledk˚ u vyplývaj´ıc´ıch z ustanoven´ı § 152 trestn´ıho zákona ˇc. 140/1961 Sb.

V Brnˇe dne

...............

.................................. (podpis autora)

Podˇekován´ı Rád bych podˇekoval vˇsem kteˇr´ı se, pˇr´ımo ˇci nepˇr´ımo, pod´ıleli na vzniku této práce. V prvé ˇradˇe bych rád podˇekoval vedouc´ımu bakaláˇrské práce Ing. Michalu Urbánkovi za cenné rady a vstˇr´ıcnost pˇri ˇreˇsen´ı problém˚ u. Také chci podˇekovat Ing. Petru Báborovi za pˇripom´ınky, jeˇz mˇe nasmˇerovaly správným smˇerem. M˚ uj velký d´ık patˇr´ı mým rodiˇc˚ um, za podporu pˇri studiu a také vˇsem kteˇr´ı mi zpˇr´ıjemˇnovali chv´ıle v laboratoˇri 518. Nakonec mé velké d´ıky patˇr´ı i Bc. Oskáru Hanzélymu za neocenitelnou pomoc pˇri ˇreˇsen´ı technických problém˚ u.

OBSAH ´ 1 Uvod

8

2 Teoretick´ aˇ c´ ast 2.1 Leptán´ı a depozice tenk´ ych vrstev pomoc´ı IBS/IBAD . . . 2.2 Princip iontového odpraˇsován´ı a interakce iont˚ u s povrchy 2.3 Kolizn´ı kaskáda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Reˇzim jednoduch´ ych náraz˚ u . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Lineárn´ı kaskádov´ y reˇzim . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Reˇrim tepelného bodce . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Aplikace metody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

9 9 9 11 12 12 13 13

. . . .

15 15 16 16 17

. . . .

18 18 18 20 21

5 Iontov´ e zdroje 5.1 Návrh ovládán´ı primárn´ıho a sekundárn´ıho iontového zdroje . . . . . 5.1.1 Postup zapálen´ı v´ yboje a extrakce iont˚ u . . . . . . . . . . . . 5.1.2 Navrˇzen´ı elektrického obvodu pro ovládán´ı a komunikaci s PC 5.2 Programován´ı v LabVIEW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Program Kaufman 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Blokové schéma programu Kaufman 1.0 . . . . . . . . . . . . .

23 23 24 26 30 32 35

6 Zhodnocen´ı v´ ysledk˚ u

42

7 Z´ avˇ er

45

Literatura

46

3 Praktick´ aˇ c´ ast 3.1 Popis zaˇr´ızen´ı Kaufman“ . . . . . . . ” 3.1.1 Iontové zdroje . . . . . . . . . . 3.1.2 Drˇzák substrátu, terˇce a clony . 3.1.3 Vakuové v´ yvˇevy a mˇerky tlaku 4 N´ avrh manipul´ ator˚ u 4.1 Elektrické ovládán´ı manipulátor˚ u . 4.1.1 Krokové motory . . . . . . . 4.2 Mechanické ovládán´ı manupulátor˚ u 4.3 Programován´ı krokov´ ych motor˚ u .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . .

. . . .

. . . .

1

´ UVOD

Studium tenk´ ych vrstev a multivrstev patˇr´ı v modern´ı fyzice k nejpopulárnˇejˇs´ım vˇedn´ım obor˚ um. Tuto oblibu si lze vysvˇetlit ˇsirokou ˇskálou vyuˇzit´ı, at’ uˇz ˇcistˇe fyzikáln´ıho nebo v koneˇcné fázi i komerˇcn´ıho v´ yznamu. V prvé ˇradˇe jde o vˇedn´ı obor jeˇz dal základ nanotechnologi´ım. V komerˇcn´ı sféˇre pak m˚ uˇze j´ıt o mnohá optická, komunikaˇcn´ı ˇci v´ ypoˇcetn´ı zaˇr´ızen´ı. Kromˇe toho studium tenk´ ych vrstev pˇredstavuje u ćhvatnou ukázku sladˇen´ı a spolupráce mnoha rozd´ıln´ ych pol´ı fyziky a má tedy mnoho smˇer˚ u kter´ ymi se lze zab´ yvat. D´ıky ˇsiroké ˇskále aplikac´ı lze tomuto oboru do budoucna pˇredv´ıdat jistˇe stále stoupaj´ıc´ı popularitu. Budouc´ı vyuˇzit´ı této technologie ovˇsem závis´ı na tlouˇst’ce a kvalitˇe tˇechto vrstev, proto se vkládá do tohoto odvˇetv´ı nemalé mnoˇzstv´ı finanˇcn´ıch prostˇredk˚ u. C´ılem pˇredkládané baklaláˇrské práce je ˇr´ızen´ı depoziˇcn´ıho procesu metodou IBAD (Ion Beam Assisted Depositioon) pomoc´ı poˇc´ıtaˇce, jeˇz u ´zce souvis´ı s kvalitou vytváˇren´ı tenk´ ych vrstev a multivrstev. Tvorba ultratenk´ ych vrstev s pˇresnost´ı desetin nanometr˚ u závis´ı na pˇresném nastaven´ı parametr˚ u iontov´ ych zdroj˚ u metody IBAD a také pˇresného ovládán´ı clony spolu s drˇza´kem terˇc˚ u. Vedle samotného ˇreˇsen´ı obsahuje rovnˇeˇz teoretické a praktické poznatky spojené s problematikou tvorby tenk´ ych vrstev. Práce je rozdˇelena do nˇekolika ˇca´st´ı. Prvn´ı ˇcást se zab´ yvá teoretick´ ymi poznatky depozice tenk´ ych vrstev a multivrstev metodou IBAD, principem ˇcinnosti ˇsirokosvazkového zdroje, vlivem poˇca´teˇcn´ıch parametr˚ u a také aplikacemi této metody. V druhé ˇcásti se popisuje praktické ˇreˇsen´ı metody IBAD. Obsahuje popis aparatury “KAUFMAN” spolu s popisem ovládán´ı primárn´ıho a sekundárn´ıho iontového zdroje. Tˇret´ı ˇcást se zamˇeˇruje na problematiku elektrického a mechanického ovládán´ı clony substrátu a drˇza´ku terˇc˚ u. Je zde nast´ınˇené ˇreˇsen´ı pomoc´ı krokov´ ych motor˚ u a také mechanick´ y návrh jejich upevnˇen´ı k aparatuˇre. V závˇeru této kapitoly je nast´ınˇen´ y zp˚ usob jejich vhodného naprogramován´ı. V dalˇs´ı ˇcásti je popsána realizace ovládán´ı primárn´ıho a sekundárn´ıho iontového zdroje. Je popsán konstrukˇcn´ı návrh ovládán´ı spolu s popisem galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ u. Ty jsou nezbytné pro oddˇelen´ı jednotliv´ ych stabilizovan´ ych napˇet’ové proudov´ ych zdroj˚ u od AD/DA pˇrevodn´ıku. V této kapitole je ˇreˇseno i ovládán´ı napˇet’ov´ ych zdroj˚ u k extrakˇcn´ım mˇr´ıˇzkám iontového zdroje. Posledn´ı ˇca´st se zamˇeˇruje na vyhodnocen´ı testovac´ıch pokus˚ u, spoleˇcnˇe s komentáˇrem v´ yhod tohoto zapojen´ı.

8

´ C ˇ AST ´ TEORETICKA

2 2.1

Lept´ an´ı a depozice tenk´ ych vrstev pomoc´ı IBS/IBAD

Proces napraˇsován´ı se skládá z nˇekolika krok˚ u: prvn´ım krokem je zapálen´ı v´ yboje v iontovém zdroji a následná extrakce iont˚ u pˇres extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzku. Tyto ionty dopadaj´ı na terˇc, ze kterého postupnˇe odpraˇsuj´ı materiál a ten je deponován na substrát. Pˇri napraˇsován´ı metodou IBAD lze pouˇz´ıt i sekundárn´ıho iontového zdroje. Ten emituje ionty, které pˇr´ımo bombarduj´ı vrstvu která souˇcasnˇe vzniká napraˇsován´ım z terˇce a modifikuj´ı tak jej´ı fyzikáln´ı vlastnosti. Pˇri depozici pomoc´ı iontového svazku lze oproti jin´ ym metodám pˇresnˇe nastavit r˚ uzné parametry daného procesu. M˚ uˇzeme ovlivnit hustotu toku iont˚ u, u ´hel dopadu iont˚ u a jejich energii. V porovnán´ı s jin´ ymi metodami je tato metoda také mnohem pˇresnˇejˇs´ı. Provozuje se pˇri niˇzˇs´ıch tlac´ıch, ˇc´ımˇz docház´ı k menˇs´ı kontaminaci zneˇciˇstˇen´ı napraˇsované vrstvy jin´ ymi ˇcásticemi, napˇr´ıklad zbytkov´ ym plynem.

2.2

Princip iontov´ eho odpraˇ sov´ an´ı a interakce iont˚ u s povrchy

Po dopadu iont˚ u na terˇc obsahuj´ıc´ı vzorek rozpraˇsovaného materiálu docház´ı k celé ˇradˇe fyzikáln´ıch proces˚ u (Obr. 2.1) [3]. Tyto procesy jsou závislé pˇreváˇznˇe na energii dopadaj´ıc´ıch iont˚ u. Na tomto poznatku jsou zaloˇzeny r˚ uzné fyzikáln´ı metody zkoumán´ı povrchu materiálu. Pˇri bombardován´ı povrch˚ u m˚ uˇze tedy docházet napˇr´ıklad k: • odrazu iont˚ u od povrchu - tzv. zpˇetn´ y rozptyl, • proniknut´ı do terˇce a vyvolán´ı sráˇzkov´ ych kaskád, coˇz vede k odpraˇsován´ı, • odpraˇsován´ı v´ıceatomov´ ych ˇca´stic, • emisi sekundárn´ıch elektron˚ u, • emisi foton˚ u. Pro naˇse u ´ˇcely se zamˇeˇr´ıme pouze na dopad iontu s energi´ı schopnou vyvolat kolizn´ı kaskády, protoˇze ty vedou k vyraˇzen´ı atom˚ u z terˇce. Tento proces vyráˇzen´ı atom˚ u z terˇce za pomoci dopadaj´ıc´ıch iont˚ u se naz´ yvá odpraˇsován´ı.

9

I

+ h

-

e

+

I

A

M Va´kuum

A

M

Terc

I

Obrázek 2.1: Dopad primárn´ıho iontu na terˇc (I + - primárn´ı nebo zpˇetnˇe odraˇzen´ y − iont, hν - emise foton˚ u, e - emise sekundárn´ıch elektron˚ u, A odpraˇsován´ı atom˚ u, M - odpraˇsován´ı molekul) Odpraˇsován´ı je komplikovan´ y a tˇeˇzko popsateln´ y jev a kolizn´ı kaskáda je pouze zjednoduˇsen´ y pohled na tuto problematiku. Jde o energeticky velice ne´ uˇcinn´ y proces kde energie Evys vystupuj´ıc´ıch ˇca´stic z látky je pouze nepatrnou ˇca´st´ı energie iont˚ u, které látku bombarduj´ı. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ım parametrem u ´ˇcinnosti odpraˇsován´ı je tzv. odpraˇsovac´ı v´ ytˇeˇzek. Ten je definován jako pr˚ umˇern´ y poˇcet emitovan´ ych atom˚ u pˇripadaj´ıc´ıch na jeden primárn´ı iont. Tento parametr je závisl´ y na typu, u ´hlu dopadu, energii primárn´ıch iont˚ u a na struktuˇre látky terˇce. Pro n´ızké energie (ˇra´dovˇe nˇekolika des´ıtek eV) lze odpraˇsovac´ı v´ ytˇeˇzek vypoˇc´ıst jako Y ≈α

1 , U0

(2.1)

kde α je funkc´ı pod´ılu atomové hmotnosti atomu terˇce a dopadaj´ıc´ıho iontu a U0 je povrchová vazebná energie. Na obrázku 2.2 vid´ıme kˇrivku závislosti odpraˇsovac´ıho v´ ytˇeˇzku na energii primárn´ıch iont˚ u, kde plná ˇcára znázorˇ nuje teoretickou hodnotu a jednotlivé znaˇcky jsou experimentálnˇe namˇeˇrené hodnotou r˚ uzn´ ych vˇedeck´ ych skupin. Odpraˇsovac´ı v´ ytˇeˇzek silnˇe závis´ı na u ´hlu dopadu primárn´ıch iont˚ u. U amorfn´ıho terˇc´ıku roste pˇri zvˇetˇsuj´ıc´ım se u ´hlu od normály plochy a pˇri zhruba 55◦ − 65◦ je maximáln´ı. Dalˇs´ım zvˇetˇsován´ım odpraˇsovac´ı v´ ytˇeˇzek klesá a pˇri velk´ ych u ´hlech jiˇz docház´ı k totáln´ımu odrazu. U monokrystalického terˇc´ıku nen´ı závislost ekvivalentn´ı, vykazuje maxima a minima, která jsou závislá na orientaci krystalové mˇr´ıˇzky.

10

Obrázek 2.2: Odpraˇsovac´ı v´ ytˇeˇzek jako funkce energie primárn´ıch iont˚ u [4].

2.3

Kolizn´ı kask´ ada

Kolizn´ı kaskáda (Obr.2.3) je základn´ım modelem popisuj´ıc´ım zjednoduˇsené odpraˇsován´ı. Pˇri dopadu iont˚ u o dostateˇcné energii na povrch terˇce nedocház´ı pouze k pˇredán´ı energie, ale také k vyraˇzen´ı primárn´ıch atom˚ u. Je-li energie dopadaj´ıc´ıch iont˚ u v´ yraznˇe vˇetˇs´ı neˇz je vazebná energie atom˚ u ve vzorku, pˇredá se ˇca´st energie iontu atomu, ˇc´ımˇz dojde k vyraˇzen´ı atomu ze své vazby a ˇca´steˇcné pˇremˇenˇe kinetické energie v tepelnou. Dále se tento atom pohybuje vzorkem podobnˇe jako p˚ uvodn´ı iont, pˇriˇcemˇz postupnˇe docház´ı k dalˇs´ım koliz´ım s pˇredáván´ım ˇca´sti energie, ˇc´ımˇz se generuje celá kaskáda uvolnˇen´ ych atom˚ u. Kaˇzd´ y individuáln´ı atom se poté ustál´ı v m´ıstˇe, kde jiˇz nemá dostateˇcnou energii pro uvolnˇen´ı dalˇs´ı vazby. Pˇresnˇeji ˇreˇceno k ustálen´ı dojde ve chv´ıli, kdy se veˇskerá kinetická energie pˇremˇen´ı v tepelnou. Bˇehem celého tohoto procesu m˚ uˇze doj´ıt k vyraˇzen´ı atomu, kter´ y je um´ıstˇen tˇesnˇe pod povrchem vzorku, do volného prostoru . Typick´ ym pˇr´ıkladem je dopad iontu argonu s energi´ı nˇekolika eV. Pˇri tomto dopadu dojde k posunu terˇce zhruba o 1 nm ve zvláˇstn´ıch pˇr´ıpadech mohou b´ yt posuny vˇetˇs´ı. Tyto posuny nejsou jenom ve smˇeru dopadu iontu, ale izotropnˇe do vˇsech ostatn´ıch smˇer˚ u coˇz je zˇretelné ze samotné podstaty kolizn´ı kaskády. Pro analytické u ´ˇcely je nˇekdy vhodné znát hloubku pr˚ uniku primárn´ıch iont˚ u do látky R = ξE0δ cos(α),

(2.2)

kde R je hloubka pr˚ uniku primárn´ıch iont˚ u, E0 energie iont˚ u, α u ´hel dopadu a + + ξ, δ jsou konstanty (napˇr Ar : ξ = 1, 622, δ = 0, 84, Cs : ξ = 1, 838, δ = 0, 68). Hustota kaskád závis´ı pˇredevˇs´ım na poˇca´teˇcn´ıch podm´ınkách a vlastnostech dopadaj´ıc´ıho iontu. Pˇredevˇs´ım se jedná o jeho hmotnost a energii. Pˇri kolizi iont˚ uo r˚ uzn´ ych poˇcáteˇcn´ıch podm´ınkách m˚ uˇze doj´ıt ke tˇrem r˚ uzn´ ym stav˚ um:

11

Obrázek 2.3: Dopad iontu na vzorek a vytvoˇren´ı sráˇzkové kaskády. • reˇzimu jednoduch´ ych náraz˚ u, • lineárn´ımu kaskádovému reˇzimu, • reˇzimu tepelného bodce.

2.3.1

Reˇ zim jednoduch´ ych n´ araz˚ u

K tomuto stavu (Obr.2.4)docház´ı pˇri dopadu iont˚ u o n´ızk´ ych hmotnostech a energi´ıch. Poˇcáteˇcn´ı energie se pohybuj´ı ˇra´dovˇe v rozmez´ı 10 eV - 100 eV. Pˇri dopadu iontu na terˇc se veˇskerá jeho energie pˇredá atom˚ um bl´ızko povrchu vzorku, pˇriˇcemˇz uvnitˇr vzorku dojde k malému poˇctu sráˇzek atom˚ u. Kaskáda se nevytvoˇr´ı a s velkou pravdˇepodobnost´ı dojde k vyraˇzen´ı atomu ze vzorku.

Obrázek 2.4: Reˇzim jednoduch´ ych náraz˚ u.

2.3.2

Line´ arn´ı kask´ adov´ y reˇ zim

Lineárn´ı kaskádov´ y reˇzim (Obr.2.5) vzniká dopadem iont˚ u o velk´ ych energi´ıch. Energie tˇechto iont˚ u se pohybuje v rozmez´ı 1 keV - 1 MeV. Lineárn´ı kaskádov´ y reˇzim lze oznaˇcit jako standardn´ı reˇzim tvorby kaskády ve vzorku. Iont po dopadu na vzorek

12

pˇredá ˇca´st své energie atomu. Tento atom je vyraˇzen, dále postupuje vzorkem a uvloˇ nuje z vazeb dalˇs´ı atomy.

Obrázek 2.5: Lineárn´ı kaskádov´ y reˇzim.

2.3.3

Reˇ rim tepeln´ eho bodce

K tomuto reˇzimu (Obr.2.6) docház´ı pˇri dopadu tˇeˇzk´ ych iont˚ u o velk´ ych energi´ıch. Energie iont˚ u se pohybuje v rozmez´ı 100 keV - 1 MeV. Je patrné, ˇze tento reˇzim ˇcásteˇcnˇe energiovˇe pˇrekr´ yvá lineárn´ı kaskádov´ y reˇzim, rozd´ıl hledejme hlavnˇe v poˇca´teˇcn´ıch hmotnostech iont˚ u. Podstatnou roli zde hraj´ı sráˇzky mezi ˇcásticemi o vysok´ ych rychlostech kdy docház´ı k tvorbˇe velice husté kolizn´ı kaskády. V limitn´ım pˇr´ıpadˇe se vˇsechny atomy stávaj´ı tepeln´ ym souborem o vysoké teplotˇe a m˚ uˇzeme tak hovoˇrit o lokáln´ım taven´ı, ba dokonce vypaˇrován´ı pevné látky. Cel´ y proces probˇehne bˇehem velice krátkého ˇcasového u ´seku.

Obrázek 2.6: Reˇzim tepelného bodce.

2.4

Aplikace metody

Prvotn´ım u ´ˇcelem metody v´ yroby tenk´ ych vrstev pomoc´ı IBAD je rozvoj a studium nanotechnologi´ı. Z pˇr´ım´ ych aplikac´ı potom jmenujme napˇr´ıklad: • leptán´ı struktur,

13

• optické tenké vrstvy, • magnetické vrstvy, • ochranné tenké vrstvy, • polovodiˇcov´ y pr˚ umysl.

14

3 3.1

´ C ˇ AST ´ PRAKTICKA Popis zaˇ r´ızen´ı Kaufman“ ”

´ Na Ustavu fyzikáln´ıho inˇzen´ yrstv´ı se v ˇcist´ ych laboratoˇr´ıch vyskytuje reálná aparatura IBAD naz´ yvaná Kaufman“ (Obr.3.1). Základ tvoˇr´ı dva iontové zdroje Kaufmanova ” typu [1], z ˇcehoˇz vycház´ı také celkové oznaˇcen´ı aparatury. Vyskytuje se zde také spousta dalˇs´ıch zaˇr´ızen´ı, nutn´ ych ke správné funkci pˇri procesech jako leptán´ı, odpraˇsován´ı, ˇci napraˇsován´ı, za uˇzit´ı iontového svazku. Vakuovou komoru, jeˇz má 440 mm v pr˚ umˇeru, 400 mm na v´ yˇsku a která byla vyvinuta na u ´stavu fyzikáln´ıho inˇzen´ yrstv´ı, okupuj´ı dva iontové zdroje Kaufmanova typu, drˇza´k substrátu, otoˇcn´ y drˇza´k terˇce, otoˇcn´ y drˇzák clony substrátu a mnohé dalˇs´ı. přívod plynu elektrická průchodka vakuová měrka pirani & penning

primární iontový zdroj držák substrátu s tloušťkoměrem

sekundární iontový zdroj

přívod plynu ovládač clony substrátu

elektrická průchodka

odprašované atomy terče

zavzdušňovací ventil rotační držák terče ventil

65 K

kryogenní vývěva

8K

piraniho vakuová měrka

rotační vývěva

ventil kompresor

expander

Obrázek 3.1: Zaˇr´ızen´ı Kaufman“. ”

15

3.1.1

Iontov´ e zdroje

Jako zaj´ımavost iontov´ ych zdroj˚ u Kaufmanova typu m˚ uˇzeme uvést jejich prvotn´ı u ´ˇcel. Byly totiˇz vyvinuty jako pohon kosmick´ ych lod´ı, jehoˇz princip byl zaloˇzen na emitaci ˇsirokého svazku iont˚ u, kter´ y dosahoval v pr˚ umˇeru aˇz nˇekolika cm. Primárn´ı iontov´ y zdroj ve v´ ybojové komoˇre má v pr˚ umˇeru 150 mm. Od vakuové komory ho dˇel´ı st´ın´ıc´ı a extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzka. St´ın´ıc´ı mˇr´ıˇzka má za u ´kol ohraniˇcen´ı plazmatu a extrakˇcn´ı extrakci iont˚ u do komory. Mˇr´ıˇzky jsou vytvoˇreny z molybdenu. Pomoc´ı tˇechto mˇr´ıˇzek, a v závislosti na nastaven´ ych napˇet´ıch, m˚ uˇzeme dosáhnout fokusace iont˚ u do svazku o polomˇeru cca 40 − 80 mm. Energie iont˚ u, které opouˇst´ı iontov´ y zdroj se pohybuje v rozmez´ı 50 − 1200 eV, v závislosti na nastaven´ ych potenciálech na mˇr´ıˇzkách. Primárn´ı iontov´ y zdroje se pouˇz´ıvá k rozpraˇsovan´ı terˇce. Sekundárn´ı iontov´ y zdroj má v pr˚ umˇeru 75 mm a jeho ned´ılnou souˇca´st tvoˇr´ı ´ cel st´ın´ıc´ı a extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzky odpov´ıdá st´ın´ıc´ı, extrakˇcn´ı a deceleraˇcn´ı mˇr´ıˇzka. Uˇ u ´ˇcelu na primárn´ım iontovém zdroji, deceleraˇcn´ı nav´ıc odstiˇ nuje v´ ybojovou komoru a zlepˇsuje fokusaci. I tyto mˇr´ıˇzky byly vytvoˇreny z molybdenu. Tento iontov´ y zdroj se pouˇz´ıvá k bombardován´ı, souˇcasnˇe deponovan´ ych vrstev, k leptán´ı a k ˇciˇstˇen´ı substrátu. T´ımto je moˇzné jednoduˇse ovlivnit chemické a fyzikáln´ı vlastnost´ı jako struktura, tvrdost, pˇr´ıpadnˇe index lomu. Jedn´ım z hlavn´ıch u ´kol˚ u této práce je navrhnout elektrické ovládán´ı tˇechto zdroj˚ u, které bude popsáno dále.

3.1.2

Drˇ z´ ak substr´ atu, terˇ ce a clony

Podstata napraˇsován´ı je zaloˇzena na pˇrenosu atom˚ u terˇce na substrát. Terˇc s napraˇsovanou látkou je um´ıstˇen na drˇza´ku, kter´ y m˚ uˇzeme ovládat pomoc´ı manipulátoru. Manipulátorem lze pohybovat terˇcem ve svislém smˇeru. Tento pohyb ovlivˇ nuje vzdálenost terˇce od substrátu a tedy i dopad atom˚ u na substrát. Dalˇs´ım moˇzn´ ym pohybem je rotace terˇce kolem vlastn´ı osy. T´ım se m˚ uˇze zamˇenit terˇc s napraˇsovanou látkou, coˇz ve v´ ysledku vede k tvorbˇe ultratenk´ ych multivrstev. Rovnˇeˇz lze t´ımto zp˚ usobem mˇenit u ´hel dopadu iont˚ u. Pˇri odpráˇsen´ı atom˚ u z terˇce, dopadaj´ı tyto atomy na drˇzák se substrátem, na kterém se postupnˇe vytváˇr´ı tenká vrstva. Nastaven´ı drˇza´ku substrátu je pevné a nelze jej bˇehem celého procesu mˇenit. Polohu m˚ uˇzeme zmˇenit teprve po ukonˇcen´ı experimentu a otevˇren´ı vakuové aparatury. Drˇzák substrátu je vyhˇr´ıván pomoc´ı wolframové spirály a je od vakuové komory elektricky izolován pomoc´ı keramick´ ych podloˇzek. Pˇred tento drˇza´k se umist’uje clona, kterou lze cel´ y substrát podle potˇreby libovolnˇe pˇrekr´ yt a t´ım zamezit dopadu iont˚ u a atom˚ u odpráˇseného materiálu (jak z terˇce tak sekundárn´ıho iontového zdroje). Na drˇza´k substrátu je upevnˇen krystalov´ y

16

mˇeˇriˇc tlouˇst’ky. Clonu substrátu lze ovládat z vnˇejˇsku pomoc´ı manipulátoru, kter´ y vypadá fyzicky naprosto stejnˇe jako manipulátor otáˇcen´ı terˇce. Návrh manipulátor˚ u otáˇcen´ı terˇce a ovládán´ı clony substrátu, je popsán v následuj´ıc´ı kapitole.

3.1.3

Vakuov´ e v´ yvˇ evy a mˇ erky tlaku

Vakuovou komoru ˇcerpaj´ı dvˇe v´ yvˇevy. Primárn´ı vakuum zajiˇst’uje rotaˇcn´ı olejová v´ yvˇeva, která pˇredˇcerpává aparaturu na tlak cca 2 Pa. Pˇri tomto tlaku se aktivuje druhá, kryogenn´ı v´ yvˇeva. Pouˇzit´ım této pumpy jsme schopni dosáhnout v aparatuˇre −5 ˇ tlaku cca 2 · 10 Pa. Cerpac´ ı rychlost kryogenn´ı v´ yvˇevy je 2000 ls−1 . Kv˚ uli velkému rozsahu tlak˚ u jsme nuceni mˇeˇrit tlaku v aparatuˇre dvˇemi mˇerkami. Piraniho mˇerka mˇeˇr´ı niˇzˇs´ı vakuum, tedy pracovn´ı rozsah tlak˚ u 10 kPa aˇz 10−1 Pa. Pro vyˇsˇs´ı vakuum vyuˇz´ıváme Penningovu mˇerku jej´ıˇz rozsah je 0, 1 Pa aˇz 10−5 Pa.

17

4

´ ´ ˚ NAVRH MANIPULATOR U

4.1

Elektrick´ e ovl´ ad´ an´ı manipul´ ator˚ u

Návrh elektrického ovládán´ı clony substrátu, otoˇcného terˇce a jej´ı realizace, je prvn´ım u ´kolem této práce. Podstatou tohoto u ´kolu je náhrada souˇcasného manuáln´ıho manipulátoru vhodn´ ym zaˇr´ızen´ım, které lze ovládat pomoc´ı poˇc´ıtaˇce. ´ Ukol se vztahuje pouze na rotaˇcn´ı ovládán´ı manipulátoru terˇce a rotaˇcn´ı ovládán´ı clony substrátu. Dalˇs´ı smˇery, jeˇz byly popsány v pˇredeˇslé kapitole, nejsou podstatou této práce. Fyzické ovládán´ı terˇce i clony je totoˇzné, liˇs´ı se pouze rozsah nastaven´ı a d˚ uvod pouˇzit´ı. Dále se tedy zab´ yváme pouze ovládán´ım terˇce a ovládán´ı clony chápeme pouze jako analogii. Rotaˇcn´ı pohyb drˇza´ku substrátu uskuteˇcn ˇuje mechanick´ y, otoˇcn´ y manipulátor. Jeho jádro tvoˇr´ı soustava loˇzisek a samotn´ y krout´ıc´ı moment je pˇrenáˇsen pomoc´ı plastové hlavice, jeˇz je na okraj´ıch pro snadnˇejˇs´ı uchopen´ı zdrsnˇená.

4.1.1

Krokov´ e motory

Vhodnou náhradou souˇcasného manuáln´ıho ovládán´ı se zdaj´ı b´ yt krokové motory. Krokov´ y motor se pouˇz´ıvá v mnoha oblastech pˇresné mechaniky, robotiky a nebo pro nás d˚ uleˇzité oblasti regulaˇcn´ı techniky. Toto zaˇr´ızen´ı se od obyˇcejn´ ych motor˚ u liˇs´ı hlavnˇe t´ım, ˇze kromˇe rychlosti otáˇcek lze nastavit i mnohé dalˇs´ı parametry. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ımi parametry které lze nastavit jsou poloha rotoru a smˇer otáˇcen´ı. Ten m˚ uˇzeme programovˇe mˇenit, aniˇz by muselo doj´ıt k vnˇejˇs´ımu pˇrepólován´ı motoru. V´ yrobou krokov´ ych motor˚ u se zab´ yvaj´ı mnohé komerˇcn´ı firmy na celém svˇetˇe. My jsme zvolili tuzemského v´ yrobce MICROCON. U tohoto v´ yrobce byla zakoupena celá v´ yvojová sada (Obr.4.1) pro ovládán´ı krokov´ ych motor˚ u. Tato sada obsahovala programovatelnou jednotku CD30x, krokov´ y motor S23 − 2727, napájec´ı zdroj P S35 a nezbytné ovládac´ı programy a kabely. Programovateln´ a jednotka CD30x Tato deska tvoˇr´ı základ ovládán´ı krokov´ ych motor˚ u firmy MICROCON. Na desku jsou vyvedeny konektory pro pˇripojen´ı zdroje napˇet´ı a také se na n´ı nacház´ı v´ ystupy pro zapojen´ı a následné ovládán´ı krokového motoru. V základu deska obsahuje 10 galvanicky oddˇelen´ ych uˇzivatelsk´ ych v´ ystup˚ u, jeˇz jsou vhodné pro monitorován´ı stavu krokového motoru, a 4 galvanicky oddˇelené

18

Obrázek 4.1: V´ yvojová sada MICROCON. uˇzivatelské vstupy. Ty lze nakonfigurovat pro ovládán´ı motoru bez nutnosti pˇr´ımého zaslán´ı ovládac´ıho kódu. Za nezbytnou souˇcást desky lze povaˇzovat kontroler M1486E1 s vnitˇrn´ı pamˇet´ı pro povely EEPROM 2000 bit˚ u. EEPROM je elektricky mazatelná pamˇet’, která je omezena poˇctem zápis˚ u, v naˇsem pˇr´ıpadˇe tedy 2000 bit˚ u. V´ yhoda této pamˇeti spoˇc´ıvá v tom, ˇze povely jsou uschovány v kontroleru i po vypnut´ı napájen´ı. Samotné ovládán´ı a nahráván´ı programovac´ıch povel˚ u na tuto desku zajiˇst’uje jednoduché sériové rozhran´ı RS232. Programován´ı se uskuteˇcn ˇuje jednoduchou sekvenc´ı povel˚ u v ASCII kodu, jeˇz odes´ıláme na toto zaˇr´ızen´ı. Pˇresnˇejˇs´ı technické u ´daje o programovatelné jednotce CD30x udává tabulka 4.1. Napájec´ı napˇet´ı Amplituda proudu Doporuˇcen´ y poˇcet mikrokrok˚ u na celokrok Statické momenty Rozmˇery

12 − 24V 0, 4 − 3, 3A 4, 8, 16 1, 2 − 8, 5 Nm 105 × 57 × 47 mm

Tabulka 4.1: Technické parametry programovatelné jednotky CD30x.

Krokov´ y motor SX23 − 2727 Hlavn´ı v´ yhodou tohoto motoru vid´ıme v jeho pomˇernˇe mal´ ych rozmˇerech, vysoké pˇresnosti a stabilitˇe. Délka jednoho kroku je nastavena na 1, 8◦ s moˇznost´ı mikrokrokován´ı, kdy hodnotu kroku m˚ uˇzeme jeˇstˇe 16× zmenˇsit. Pˇresnost tedy naprosto vyhovuje naˇsim poˇzadavk˚ um. Nelze pˇrehlédnout ani moˇznost zapojen´ı motoru jako bipolárn´ıho nebo unipolárn´ıho. Bliˇzˇs´ı technická specifikace viz. tabulka 4.2.

19

Odpor Jmenovit´ y proudu Indukˇcnost Statické momenty Moment setrvaˇcnosti rotoru

1, 4 Ω (sériovˇe); 0, 35 Ω (paralernˇe) 2, 7 A(sériové); 5, 4 A (paralern´ı) 6, 4 mH(sériovˇe); 1, 6 mH (paralernˇe) 2, 7 Nm 0, 053 kgm2 × 10−3

Tabulka 4.2: Technické parametry krokového motoru SX23 − 2727. Nap´ ajec´ı zdroj P S35 Celou sadu napáj´ı stejnosmˇern´ y nestabilizovan´ y zdroj P S35. Tento zdroj o napˇet´ı 48 Vje pˇr´ımo urˇcen k napájen´ı programovatelné jednotky CD30x.

4.2

Mechanick´ e ovl´ ad´ an´ı manupul´ ator˚ u

Ovládán´ı otoˇcného terˇce a st´ın´ıtka ˇreˇs´ıme pomoc´ı krokov´ ych motor˚ u, mus´ıme ale navrhnout samotné uchycen´ı tˇechto motor˚ u k zaˇr´ızen´ı Kaufman“. ” Nejprve bylo nutné nahradit stávaj´ıc´ı manuáln´ı manipulátory, manipulátory ovladateln´ ymi pomoc´ı krokov´ ych motor˚ u. Rozhodli jsme se nekonstruovat kompletn´ı manipulátory, ale upravit stávaj´ıc´ı manipulátory. U tˇechto manuáln´ıch manupulátor˚ u je moˇzné odˇsroubovat plastové hlavice, které lze nahradit duralovou násadou (Obr.4.2), upravenou pro pˇripojen´ı krokového motoru.

Obrázek 4.2: Duralová násada manipulátoru. Druh´ ym problémem byl návrh drˇzáku rotaˇcn´ı ˇca´sti krokového motoru. Bylo nutné zajistit souosost motoru a manipulátoru. Návrh tvoˇr´ı obj´ımka, tu lze upevnit pˇr´ımo na manipulátor, a nosná konzole krokového motoru (Obr.4.3). V´ yrobn´ım materiálem této konstrukce je opˇet dural. Koneˇcné propojen´ı manipulátoru s rotaˇcn´ı ˇcást´ı krokového motoru je umoˇznˇeno pomoc´ı spojky, která byla k motoru dodána. Jednoduchost konstrukˇcn´ıho návrhu odpov´ıdá ekonomick´ ym a hlavnˇe v´ yrobn´ım poˇzadavk˚ um. Celková konstrukce je na obrázku 4.4.

20

Obrázek 4.3: Nosná konstrukce motoru.

Obrázek 4.4: Smontovaná konstrukce i s motorem (bez spojky mezi manipulátorem a rotaˇcn´ı ˇcást´ı motoru).

4.3

Programov´ an´ı krokov´ ych motor˚ u

Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, programován´ı tˇechto motor˚ u, je uskuteˇcnˇeno pomoc´ı jednoduch´ ych ASCII pˇr´ıkaz˚ u odes´ılan´ ych pˇr´ımo na programovatelnou jednotku CD30x, pomoc´ı sériového rozhran´ı RS232. Nen´ı tedy nutné se zab´ yvat samotnou komunikac´ı s ovládac´ı deskou, ale pro ovládan´ı staˇc´ı zadat sadu pˇr´ıkaz˚ u. Ta bud’ bude motorem interpretována pˇr´ımo, nebo se pˇr´ıkaz uloˇz´ı do pamˇeti kontroleru jako podprogram. Tento podprogram m˚ uˇzeme ovládat uˇzivatelsk´ ymi vstupy, kdy kontroler vyhodnot´ı vstupn´ı data a vykoná pˇr´ısluˇsn´ y povel. Pˇr´ıklad jednoduchého programu otoˇcen´ı motoru: [ M1 C7 R ]

21

Kde M udává poˇcet mikrokrok˚ u na jeden celokrok, C nastavuje zadan´ y v´ ystup do hodnoty logická nula, R je pˇr´ıkaz jeˇz vykoná pohyb se zadan´ ymi parametry.

22

5 5.1

´ ZDROJE IONTOVE N´ avrh ovl´ ad´ an´ı prim´ arn´ıho a sekund´ arn´ıho iontov´ eho zdroje

V kapitole o popisu aparatury Kaufman“ byla uvedena zaˇr´ızen´ı, která se v nˇem fyz” icky nalézaj´ı. Nyn´ı uvedeme zp˚ usob jednotlivého napojen´ı a ovládán´ı tˇechto zaˇr´ızen´ı. Iontov´ y zdroj (at’ uˇz primárn´ı ˇc´ı sekundárn´ı) je ovládán pomoc´ı sestavy proudov´ ych a napˇet’ov´ ych zdroj˚ u um´ıstˇen´ ych na napájec´ı vˇeˇz´ı“. Tyto vˇeˇze“ máme dvˇe, jednu ” ” pro primárn´ı a druhou pro sekundárn´ı iontov´ y zdroj. Kaˇzdá z tˇechto vˇeˇz´ı“ obsahuje ” vˇzdy pˇet stabilizovan´ ych napˇet’ové/proudov´ ych zdroj˚ u. Schéma zapojen´ı zdroj˚ u a napájen´ı jednotliv´ ych ˇcást´ı iontového zdroje nalezneme na obrázku 5.1.

Obrázek 5.1: Schéma zapojen´ı elektrického ovládán´ı primárn´ıho iontového zdroje. Dále je podrobnˇe popsána funkce jednotliv´ ych stabilizovan´ ych zdroj˚ u v aparatuˇre. Nejn´ıˇze na napájec´ı vˇeˇzi“ se vyskytuje stabilizovan´ y zdroj MESIT s v´ ystupem ” na konektorech 0−40 V, v pˇr´ıpadˇe zapojen´ı jako napˇet’ového zdroje, pˇr´ıpadnˇe 0−40 A pro zapojen´ı jako proudového zdroje. V naˇsem zapojen´ı jde o MESIT oznaˇcen´ y jako

23

1 (primárn´ı zdroj), nebo 4 (sekundárn´ı zdroj). Tento zdroj je vyuˇz´ıván hlavnˇe jako proudov´ y a nastavuje proud ˇzhav´ıc´ım vláknem iontového zdroje (katodou). MESITY 2 a 3 (pro primárn´ı zdroje) pˇr´ıpadnˇe 4 a 5 (pro sekundárn´ı zdroj) jsou pouˇz´ıvány ˇcistˇe jako napˇet’ové zdroje s v´ ystupem na konektorech 0 − 40 V. Vˇsechny tyto zdroje se pouˇz´ıvaj´ı pro zapálen´ı v´ yboje na iontovém zdroji. Nejv´ yˇse poloˇzené zdroje na napájec´ı vˇeˇzi“ jsou zdroje firmy GLASSMAN. Jde ” o stabilizované vysokonapˇet’ové zdroje s r˚ uzn´ ymi v´ ystupn´ımi hodnotami. GLASSMAN oznaˇcen´ y jako 1 (Glassman WX Series, pro primárn´ı zdroj), nebo 3 (Glassman ER Series, pro sekundárn´ı zdroj) maj´ı za u ´lohu nastavit potenciál mezi zem´ı a extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzkou o jistou referenˇcn´ı hodnotu. Pro primárn´ı i sekundárn´ı zdroj jde o hodnotu −200 V. Posledn´ım zaˇr´ızen´ım v ˇr´ıd´ıc´ı struktuˇre jsou GLASSMANy oznaˇcené ˇc´ısly 2 (Glassman EH Series, primárn´ı zdroj) a 4 (Glassman EH Series, sekundárn´ı zdroj). Ty maj´ı za u ´kol zv´ yˇsit potenciál iontového zdroje, u primárn´ıho zdroje o 600 V a u sekundárn´ı je to hodnota v rozsahu 50 V aˇz 400 V. T´ım je urˇcena energie extrahovan´ ych iont˚ u.

5.1.1

Postup zap´ alen´ı v´ yboje a extrakce iont˚ u

Pˇri ˇreˇsen´ı návrhu elektrického zapojen´ı pro poˇc´ıtaˇcové ovládán´ı je nutné znát posloupnost u ´kon˚ u pro zapálen´ı v´ yboje a následnou extrakc´ı iont˚ u. T´ımto zjist´ıme, které hodnoty je tˇreba nastavovat a které naopak monitorovat. V dalˇs´ım popisu se budu zab´ yvat pouze primárn´ım iontov´ ym zdrojem, tedy zdroji MESIT 1, 2, 3 (dále jen M1, M2 M3) a GLASSMAN 1, 2 (dále jen G1, G2). Sekundárn´ı iontov´ y zdroj se ovládá naprosto analogicky pouze m´ısto M1, M2, M3 se pouˇzij´ı Mesity M4, M5 a M6 a obdobnˇe m´ısto G1 a G2 se pouˇzij´ı G3 a G4. Priˇcemˇz v závorce v postupu jsou vˇzdy uvedeny hodnoty které se u sekundárn´ıho zdroje liˇs´ı. Pro zapálen´ı v´ yboje v iontovém zdroji je typick´ y následuj´ıc´ı postup (vycház´ıme z nulového nastaven´ı na vˇsech pˇr´ıstroj´ıch): 1. Pustit pˇr´ıvod plynu a vyˇckat neˇz bude dosaˇzen správn´ y tlak. 2. Napˇet´ı mezi anodou a katodou se nastav´ı na 80 V. Tj. na M2 a M3 se nastav´ı napˇet´ı 40 V. Tato zaˇr´ızen´ı jsou v sérii a jejich v´ ysledn´ ym souˇctem dostaneme 80 V. Ovládán´ı proudu nastav´ıme u obou na maximáln´ı hodnotu a dále si jich uˇz nevˇs´ımáme. 3. Ovládán´ı napˇet´ı na M1 nastav´ıme na 40 V a dále se jim jiˇz nezab´ yváme. Proud na M1 zvyˇsujeme z hodnoty 0 A dokud nezaˇcne procházet proud mezi katodou a anodou (zapálen´ı v´ yboje, registrován na M3) nebude roven 1, 5 A (0, 5 A pro sekundárn´ı zdroj)

24

4. Dále sniˇzujeme napˇet´ı na M2 postupnˇe k nule a korigujeme proud na M1 tak, aby proud mezi katodou a anodou (M3) byl stále na hodnotˇe 1, 5 A (0, 5 A) 5. Pokud je namˇeˇren´ y proud na M3 nastaven na 1, 5 A (0, 5 A) a zároveˇ n napˇet´ı na M2 je nastaveno na 0 V, doc´ılili jsme optimáln´ıch parametr˚ u v´ yboje iontového zdroje Po zapálen´ı v´ yboje na vláknˇe iontového zdroje se dostáváme do fáze extrakce iont˚ u. Té doc´ıl´ıme spuˇstˇen´ım zdroj˚ u G1 a G2 a následuj´ıc´ım postupem. V´ ychoz´ı hodnoty jsou opˇet nulové a odstup mezi ˇzhaven´ım vlákna a poˇcátkem extrakce je minimálnˇe 30 s. 1. Napˇet´ı, na st´ın´ıc´ı mˇr´ıˇzce (G1) nastav´ıme na 600 V (50 V aˇz 400 V pro sekundárn´ı zdroj, otoˇcn´ y knofl´ık nastaven´ı proudu nastav´ıme na maximum a dále si jej nevˇs´ımáme) 2. Napˇet´ı na extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzce (G2) nastav´ıme na hodnotu −200 V a otoˇcn´ y knofl´ık proudu nastav´ıme na maximum a dále si jej nevˇs´ımáme 3. Sledujeme proud procházej´ıc´ı extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzkou (G1) tak aby byl stále na hodnotˇe 50 mA (30 mA pro sekundárn´ı zdroj) a pokud nen´ı této hodnoty dosaˇzeno, vhodnˇe upravujeme proud procházej´ıc´ı vláknem iontového zdroje (M1) Z uvedeného postupu zjiˇst’ujeme, ˇze celá posloupnost u ´kon˚ u je pro manuáln´ı ovládán´ı dosti sloˇzitá a pro dosaˇzen´ı jisté pˇresnosti manuálnˇe témˇeˇr nedosaˇzitelná. Dále je nutné kontrolovat spadnut´ı v´ yboje (ten se projev´ı spadnut´ım proudu na M3 pˇri ˇzhaven´ı na nulu a na G1 pˇri extrakci na nulu) coˇz celou operaci dále komplikuje. Nyn´ı je naprosto patrné, jaké hodnoty je nutné na napájec´ı vˇeˇzi“ ovládat a jaké ” hodnoty ˇc´ıst. V´ ysledek znázorˇ nuje dalˇs´ı tabulka 5.1.

GLASSMAN 2 GLASSMAN 1 MESIT 3 MESIT 2 MESIT 1

ˇcten´ı U[V] I[A] X X X X X

zápis U[V] I[A] X X X

X

X

GLASSMAN4 GLASSMAN 3 MESIT 6 MESIT 5 MEIST 4

ˇ ı a zápis na jednotliv´ Tabulka 5.1: Cten´ ych stabilizovan´ ych zdroj´ıch.

25

Tabulka obsahuje i nˇekteré nepotˇrebné u ´daje, které pro ˇr´ızen´ı iontov´ ych zdroj˚ u nepotˇrebujeme. Tyto u ´daje maj´ı pro nás ovˇsem jistou v´ ypovˇedn´ı hodnotu, proto je také monitorujeme.

5.1.2

Navrˇ zen´ı elektrick´ eho obvodu pro ovl´ ad´ an´ı a komunikaci s PC

Pro komunikaci a ovládán´ı jednotliv´ ych zdroj˚ u s poˇc´ıtaˇcem lze pouˇz´ıt AD/DA pˇrevodn´ıky, které pˇrivád´ı, pˇr´ıpadnˇe ˇctou napˇet´ı v rozmez´ı 0 − 10 V na v´ ystupu (vstupu). Toto napˇet´ı je poté ve stabilizovan´ ych zdroj´ıch vhodnˇe pˇretransformováno na skuteˇcné hodnoty napˇet´ı, nebo proudu. Bl´ıˇze se o AD/DA pˇrevodn´ıc´ıch zm´ın´ım pozdˇeji. Nejprve popiˇsme ovládán´ı jednotliv´ ych stabilizovan´ ych zdroj˚ u. Ovládán´ı tˇechto zdroj˚ u rozdˇel´ıme na dvˇe kaskády. Kaskádu MESIT˚ u a kaskádu GLASSMAN˚ u, jeˇz se kaˇzdá ovládá trochu jinak. Kask´ ada MESIT˚ u Kaˇzd´ y z iontov´ ych zdroj˚ u pouˇz´ıvá k ovládán´ı 2 zdroje MESIT s v´ ystupy 0 − 40 V (souˇcasnˇe 0−10 A) a jeden zdroj s v´ ystupem 0−40 V (souˇcasnˇe 0−40 A). Elektrické schéma zapojen´ı (Obr. 5.2) je u vˇsech tˇr´ı stejné, liˇs´ı se pouze velikost´ı proudu na v´ ystupu. Pohledem na schéma zjist´ıme, ˇze velikost proudu na zaˇr´ızen´ı se ˇcte mezi piny 2 a 18. Dále zjist´ıme, ˇze v´ ystup na mˇeˇren´ı napˇet´ı zde nen´ı zaveden a je tedy nutné ˇc´ıst napˇet´ı pˇr´ımo na v´ ystupu zdroje tj. mezi piny 18 a 20. Manuáln´ı nastaven´ı napˇet´ı je dáno zmˇenou referenˇcn´ıho napˇet´ı UREF pomoc´ı potenciometru mezi piny 9 a 18. Obdobnˇe se nastavuje proud, ovˇsem mezi piny 5 a18. Pro poˇc´ıtaˇcové ˇr´ızen´ı jsme nuceni vyˇradit tyto okruhy s potenciometry (rozpojit piny 5-6 a 9-10) a zavést z AD/DA pˇrevodn´ıku napˇet´ı (0 − 10 V) pˇr´ımo mezi piny 6, 18 (pro I regulaci) a 10, 18 (pro U regulaci). Tuto strukturu vyˇreˇs´ıme meziˇclenem (Obr. 5.3) s kabelov´ ymi v´ yvody na kterém lze nastavit pomoc´ı vyp´ınaˇce manuáln´ı nebo poˇc´ıtaˇcové ˇr´ızen´ı. Návrh tohoto meziˇclenu je ˇreˇsen zcela univerzálnˇe, kdy kaˇzd´ y z nich m˚ uˇzeme pouˇz´ıt jak pro nastaven´ı proudu tak pro nastaven´ı napˇet´ı stejnˇe jako ˇcten´ı obou hodnot. Aˇckoli se zdá, ˇze jiˇz nic nebrán´ı k vzájemnému propojen´ı stabilizovan´ ych zdroj˚ u s AD/DA pˇrevodn´ıkem, opak je pravdou. Bohuˇzel ze schématu vnitˇrn´ıho zapojen´ı MESITU je patrné, ˇze nejsou jednotlivé vstupy a v´ ystupy galvanicky oddˇeleny. Stejnˇe tak nejsou galvanicky oddˇeleny vstupy a v´ ystupy na AD/DA pˇrevodn´ıku BASPELIN SVZ kter´ ym maj´ı b´ yt tyto zdroje ovládány. Pˇri zapojen´ı dojde tedy k

26

Obrázek 5.2: Schéma zapojen´ı stabilizovaného zdroje MESIT s piny pro manuáln´ı ovládán´ı.

27

20

19

18

17

14

13

10

A301

+1

Reg. U

Reg. I +Uref

Přední Panel Zadní -

A302

+1 -

10kW R45

10kW R48

9

R51

A2

-

10kW R49,R50

A5

-2

30kW

+

R406 0,046W

6

5

2

1

Řídící zdroj PRAVÁ zásuvka (piny)

Přední + Panel Zadní +

A3

A4

D2

D3

R46, R47 40kW

+

-

+

-

U

T402

T401

-

+

Stabilizovaný zdroj MESIT

Výstup mezičlenu

zapojení pinů

20 19

GND

18

OUT

U Monitor

17 GND

10 9

IN

6

GND

5

IN

2

GND

1

OUT

U Program I Program

I Monitor

Obrázek 5.3: Meziˇclen stabilizovaného zdroje MESIT. chybˇe. Nav´ıc zemˇe jednotliv´ ych MESIT˚ u nejsou stejné M2 má zemn´ı napˇet´ı oproti M3 zv´ yˇsené o hodnotu 40 V a M1 dokonce o hodnotu souˇctu M3 a M2 tedy aˇz o 80 V. Tento problém vyˇreˇs´ıme pˇridán´ım galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ u mezi stabilizované zdroje a AD/DA pˇrevodn´ıky. D´ıky galvanick´ ym oddˇelovaˇc˚ um budou jednotlivé vstupy a v´ ystupy galvanicky oddˇeleny a pˇri ˇr´ızen´ı a ˇcten´ı budou jednotlivé zemˇe na stejném potenciálu. Galvanick´ e pˇ revodn´ıky SMARIS Volba galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ u firmy SMARIS je podloˇzena jednak n´ızkou finanˇcn´ı nároˇcnost´ı a jednak ˇskálou parametr˚ u jeˇz tyto pˇrevodn´ıky nab´ızej´ı. Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, funkc´ı galvanického oddˇelovaˇce je galvanické oddˇelen´ı jednotliv´ ych kanál˚ u. Rozd´ıl vstupn´ıch a v´ ystupn´ıch napˇet´ı, m˚ uˇze u tˇechto zaˇr´ızen´ı b´ yt aˇz 1, 5 kV coˇz pro naˇse u ´ˇcely v´ıce neˇz staˇc´ı. Nutné ˇctené a zapisované hodnoty jednotliv´ ych MESITU˚ u zobrazuje tabulka 5.1. Zakoupeny byly tedy 4 galvanické oddˇelovaˇce vˇzdy pro jednu vˇetev ovládán´ı iontového zdroje. Jmenovitˇe tedy • 3×GSSUL1 se vstupem 0 − 10V a v´ ystupem 0 − 10V • 1×GSSUL1 se vstupem 0 − 40V a v´ ystupem 0 − 10V (kv˚ uli pˇr´ımému mˇeˇren´ı napˇet´ı na M1) Kaˇzd´ y z tˇechto galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ u napáj´ıme zvláˇst’ 24V zdrojem firmy SMARIS typu N Z − CL (Obr. 5.4). AD/DA pˇ revodn´ıky BASPELIN SVZ BASPELIN SVZ obsahuje konvertor se sériov´ ym v´ ystupem RS232 a základn´ı jednotku se svorkovnic´ı. Konvertor je propojen s poˇc´ıtaˇcem pomoc´ı sériového rozhran´ı

28

Galvanický oddělovač SMARIS - GSSUL1 1 IN+

Zdroj napětí SMARIS - NZ-CL

11

+24V

+Vs 12

V

OUT 3 IN-

Uout

13 GND1

GND

Obrázek 5.4: Zapojen´ı napájen´ı galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ u. RS232 a k základn´ı svorkovnici se propoj´ı pomoc´ı dvou optick´ ych kabel˚ u. Do konvertoru m˚ uˇzeme paralelnˇe zapojit aˇz 3 základn´ı svorkovnice, ovˇsem pro náˇs u ´ˇcel budou nutné pouze dva. Jednu na ovládán´ı MESIT˚ u primárn´ıho a druhou na ovládán´ı MESIT˚ u sekundárn´ıho iontového zdroje. Napájen´ı konvertoru i základn´ı jednotky uskuteˇcn´ıme pˇr´ım´ ym pˇripojen´ım k s´ıti s napˇet´ım 230 V. Napájec´ı napˇet´ı konvertoru mus´ı b´ yt pˇribliˇznˇe na stejném potenciálu jako napájec´ı napˇet´ı poˇc´ıtaˇce. Kv˚ uli oddˇelen´ı konvertoru od svorkovnice pomoc´ı dvou optick´ ych kabel˚ u nehraje rozd´ıl potenciál˚ u tˇechto dvou zaˇr´ızen´ı ˇza´dnou roli. Svorkovnici tvoˇr´ı vˇzdy 24 vstup˚ u s pˇr´ısluˇsn´ ymi svorkami nulového potenciálu a 24 v´ ystup˚ u s pˇr´ısluˇsn´ ymi svorkami nulového potenciálu. Pro komunikaci poˇc´ıtaˇce s konvertorem je nutné nastavit komunikaci pˇres sériové rozhran´ı na následuj´ıc´ı hodnoty: pˇrenosová rychlost 9600 Bd, 8 datov´ ych bit˚ u, 1 stop bit, bez parity. Základn´ı jednotka trvale vys´ılá data odpov´ıdaj´ıc´ı mˇeˇren´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım. Pˇrenos se uskuteˇcn ˇuje textov´ ym ˇretˇezcem konstantn´ı délky 8 znak˚ u, kdy posledn´ı dva znaky jsou ˇr´ıd´ıc´ı tedy \r a \n . Zbyl´ ych 6 znak˚ u lze interpretovat takto, prvn´ı dva znaky znamenaj´ı vstup pˇrevodn´ıku zbylé 4 znaky jmenovitou hodnotu napˇet´ı na vstupu. Pˇrepoˇcet ˇctyˇrm´ıstného kódu na jmenovité napˇet´ı je následuj´ıc´ı, hodnota 4000 je rovna 10 V jednoduch´ ym pˇrepoˇctem zjist´ıme, ˇze hodnota 0001 je rovna 0, 0025 V. Pˇri paraleln´ım zapojen´ı v´ıce svorkovnic do jednoho konvertoru je nutné pro ˇcten´ı jeˇstˇe mˇenit hodnoty RT S a DT R podle toho v jakém vstupu jsou svorkovnice na konvertoru zapojeny. V závislosti na tˇechto hodnotách budou posunuty i pˇr´ısluˇsné ˇctené hodnoty (viz Tab. 5.2). RT S 0 1 0

DT R 0 0 1

ˇctené v´ ystupy 00xxxx-23xxxx 24xxxx-47xxxx 48xxxx-71xxxx

Tabulka 5.2: Nastaven´ı RTS a DTR a pˇr´ısluˇsné ˇctené v´ ystupy.

29

Zápis se uskuteˇcn ˇuje pomoc´ı 8 znak˚ u kdy posledn´ı dva znaky jsou ˇr´ıd´ıc´ı znaky tedy \r a \n. Provád´ı se obdobnˇe jako ˇcten´ı ovˇsem nen´ı ovlivnˇen nastavenou hodnotou RT S a DT R. Staˇc´ı tedy na v´ ystup odeslat 6 znak˚ u v rozmez´ı 00xxx-71xxxx které nastav´ı pˇr´ısluˇsné vstupn´ı hodnoty a zakonˇcit je dvˇema ˇr´ıdic´ımi znaky. Sch´ ema zapojen´ı Celkové schéma zapojen´ı kaskády MESIT˚ u, meziˇclen˚ u a galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ us AD/DA pˇrevodn´ıkem BASPELIN SVZ je na obrázku 5.5. Kask´ ada GLASSMAN˚ u Zapojen´ı kaskády GLASSMAN˚ u je znaˇcnˇe jednoduˇsˇs´ı. Schéma zapojen´ı zdroj˚ u pˇri napájen´ı iontového zdroje naznaˇcuje, ˇze oba GLASSMANy jsou na stejném potenciálu. Tyto zdroje jsou také znaˇcnˇe modernˇejˇs´ı neˇzli pˇredchoz´ı MESITy a jejich v´ ystupy jsou jiˇz zcela galvanicky oddˇelené. GLASSMANy jsou také zcela pˇripravené pro ovládán´ı z extern´ıho zaˇr´ızen´ı. Na zadn´ı stranˇe se jiˇz vyskytuj´ı konektory s v´ ystupem 0 − 10 V pro pˇr´ımé ovládán´ı. Ovládán´ı GLASSMAN˚ u ˇreˇs´ıme pomoc´ı AD/DA pˇrevodn´ıku firmy National Instruments (NI USB 6229), lze jej k poˇc´ıtaˇci pˇripojit pˇr´ımo pomoc´ı rozhran´ı USB. Nejvˇetˇs´ı devizou tohoto pˇrevodn´ıku shledávám jeho ovládán´ı. Vyrobila jej totiˇz firma která je zodpovˇedná za programovac´ı prostˇred´ı LabVIEW, ve kterém se nacház´ı komponenta umoˇzn ˇuje pohodlné ovládán´ı tohoto pˇrevodn´ıku. Stejnˇe jako minule i zde je zapojen meziˇclen (Obr. 5.6), kter´ ym lze pˇrep´ınat mezi manuáln´ım a poˇc´ıtaˇcov´ ym ˇr´ızen´ım. Sch´ ema zapojen´ı Celkové schéma zapojen´ı kaskády GLASSMAN˚ u a AD/DA pˇrevodn´ıkem a meziˇclenem se nacház´ı na obrázku 5.7.

5.2

Programov´ an´ı v LabVIEW

LabVIEW [2] je grafické v´ yvojové prostˇred´ı ve kterém se vyv´ıj´ı mˇeˇr´ıc´ı, ˇr´ıd´ıc´ı a automatizaˇcn´ı systémy. Pˇri tvorbˇe aplikace na této platformˇe nen´ı nutné pˇr´ımo psát ˇrádky textu, n´ ybrˇz vyuˇz´ıvá se ikon které zastupuj´ı vˇzdy jisté komponenty, jejichˇz u ´koly jsou pˇresnˇe naprogramovány. Uˇzivatel se tedy nezab´ yvá samotn´ ym programován´ım jednotliv´ ych funkc´ı, ale vyuˇz´ıvá jiˇz dané komponenty které jsou k tomu u ´ˇcelu primárnˇe urˇcené. Samotná interpretace jazyka je zaloˇzena na principu datového toku, kde tok

30

Obrázek 5.5: Celkové zapojen´ı kaskády MESIT˚ u.

-

-

L

-

MESIT 1 (4)

L

MESIT 2 (5)

L

+

+

+

P

P

P

IN GND

I monitor

OUT GND

IN GND U monitor OUT GND I program

U program

I monitor

OUT GND

IN GND U monitor OUT GND I program

U program IN GND

20 19 18 17 10 9 6 5 2 1 IN GND

I monitor OUT GND

IN GND U monitor OUT GND

I program

U program

MEZIČLEN

20 19 18 17 10 9 6 5 2 1

MEZIČLEN

20 19 18 17 10 9 6 5 2 1

Uin 0-40V

Uin 0-10V

GND1

OUT

+Vs

OUT

+Vs

GND1

GND

+24V

SMARIS - NZ-CL

GND

+24V

SMARIS - NZ-CL

Zápis

IN-

IN+

SMARIS - GSSUL1

IN-

IN+

SMARIS - GSSUL1

Uout 0-10V

Uout 0-10V

Uout 0-10V

Uout 0-10V

IN-

IN+

GND1

OUT

+Vs

IN-

IN+

SMARIS - GSSUL1

GND1

OUT

+Vs

SMARIS - GSSUL1

GND

+24V

SMARIS - NZ-CL

GND

+24V

SMARIS - NZ-CL

Uin 0-10V

Uin 0-10V

1 (49)

2 (50)

Čteni

24 (72)

23 (71)

Zápis

BASPELIN SVZ AD/DA Převodník

GALVANICKÉ ODĚLOVAČE Čteni

IN IN

20 19 18 17 10 9 6 5 2 1

20 19 18 17 10 9 6 5 2 1

20 19 18 17 10 9 6 5 2 1

GND GND

MEZIČLEN

GND GND

MESIT 3 (6)

OUT OUT

31

Stabilizovaný zdroj GLASSMAN

Výstup mezičlenu

zapojení pinů

Ground V program

GND

Local V - Control

IN

I program

GND

Local I - Control

IN

V monitor

U Program I Program

GND

I monitor

OUT

U Monitor

GND OUT

I Monitor

Obrázek 5.6: Meziˇclen stabilizovaného zdroje GLASSMAN. dat procházej´ıc´ı uzly diagramu urˇcuje posloupnost provádˇen´ı funkc´ı coˇz je oproti konvenˇcn´ım programovac´ım jazyk˚ um pˇrevratná myˇslenka. LabView jakoˇzto programovac´ı platformu zv´ yhodˇ nuje i jej´ı primárn´ı u ´ˇcel integrace s nejr˚ uznˇejˇs´ımi mˇeˇric´ımi zaˇr´ızen´ımi. V souˇcasné dobˇe docház´ı k nár˚ ustu ovládac´ıch knihoven a stejnˇe tak se rozr˚ ustá komunita uˇzivatel˚ u tohoto systému kteˇr´ı ocen´ı pˇr´ımou a vizuáln´ı prezentaci sv´ ych myˇslenek. Navrˇzen´ı a realizace aplikace v LabView se tak stává jednoduˇsˇs´ı záleˇzitost´ı, kdy i laik je schopen rozpoznat co kter´ y blok programu vykonává. Srozumitelnost a jednoduchost byla jedn´ım z hlavn´ıch d˚ uvod˚ u proˇc jsme zvolili tento programovac´ı jazyk jako základ pˇri automatizaci celého systému.

5.2.1

Program Kaufman 1.0

Na obrázku vid´ıme grafické rozhran´ı programu Kaufman 1.0. Tento program se zab´ yvá ovládán´ım celé napájec´ı vˇeˇze“ a to jak primárn´ıho tak sekundárn´ıho ion” tového svazku, nebo obou zdroj˚ u najednou. Z grafického v´ ystupu je na prvn´ı pohled zˇretelné jasné rozdˇelen´ı na tˇri bloky. Dva boˇcn´ı bloky znázorˇ nuj´ı reálnou strukturu prvn´ı i druhé napájec´ı vˇeˇze“. Tyto bloky ” jsou pˇresnˇe oznaˇceny a funkce jednotliv´ ych zaˇr´ızen´ı byla popsána v pˇredcházej´ıc´ıch kapitolách. Na zaˇr´ızen´ı se vyskytuj´ı 2 typy indikátor˚ u. Prvn´ı typ s ˇcerven´ ym ukazatelem je voltmetr/ampérmetr uˇzivatelem nastavovan´ ych hodnot. Pˇri manuáln´ım módu maj´ı nulovou v´ ypovˇedn´ı hodnotu, ovˇsem pˇri módu automatickém nám ˇr´ıkaj´ı, co dan´ y systém vlastnˇe provád´ı. Druhou ˇcást vyplˇ nuj´ı ukazatele modré, coˇz jsou poˇc´ıtaˇcovˇe mˇeˇrené hodnoty. Celé toto schéma by mˇelo odpov´ıdat tabulce nastavovan´ ych a mˇeˇren´ ych dat, která byla popsána v kapitole o postupu zapálen´ı v´ yboje a extrakci iont˚ u. Stˇred diagramu je tvoˇren záloˇzkovou strukturou se dvˇemi záloˇzkami nazvan´ ymi manuáln´ı a automatické ovládán´ı. Manuáln´ı mód nen´ı nic jiného neˇz obyˇcejné ovládán´ı nastaven´ı proudu ˇci napˇet´ı kterého by bylo moˇzno dosáhnout i bez pouˇzit´ı poˇc´ıtaˇce.

32

Obrázek 5.7: Celkové zapojen´ı kaskády GLASSMAN˚ u.

33

1. Ground 4. V - Monitor 5. V - Program 6. Local V - Control 7. I - Monitor 8. I - Program 9. Local I - Control

GLASSMAN 1 (3)

1. Ground 4. V - Monitor 5. V - Program 6. Local V - Control 7. I - Monitor 8. I - Program 9. Local I - Control

GLASSMAN 2 (4)

1 4 5 6 7 8 9

1 4 5 6 7 8 9

I monitor

OUT GND

IN GND OUT U monitor GND I program

1 4 5 6 7 8 9

IN GND

I monitor

I program

OUT GND

IN GND OUT U monitor GND

U program

MEZIČLEN GLASSMAN

1 4 5 6 7 8 9

U program IN GND

MEZIČLEN GLASSMAN

NI USB-6229

GND

21 (53)

5 (37)

4 (36)

GND

20 (52)

IN

2 (34)

GND

1 (33)

IN

16 (48)

GND

IN

18 (50)

GND

17 (49)

IN

32 (64)

GND

OUT 15 (47)

OUT 31 (63)

AD/DA Převodník

Obrázek 5.8: Grafické rozhran´ı Kaufman 1.0 .

34

Mód automatického ovládán´ı je oproti tomu jiˇz naprogramován jako sled u ´kon˚ u které mus´ıme podstoupit pˇri ˇzhaven´ı vlákna a následné extrakci iont˚ u na mˇr´ıˇzce. Podrobnˇejˇs´ı popis této procedury je popsán v pˇredcházej´ıc´ıch kapitolách. Pˇri tomto módu lze individuálnˇe nastavit proud mezi katodou a anodou, ke kterému bude systém v prvotn´ıch fáz´ıch konvergovat pˇri ˇzhaven´ı vlákna iontového zdroje. Dále lze nastavit napˇet´ı na extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzce a napˇet´ı zvedaj´ıc´ı zemn´ı potenciál ˇzhaveného vlákna. Posledn´ım parametrem pro dosaˇzen´ı depozice je proud na extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzce kolem kterého by mˇela v´ ysledná hodnota po zbytek experimentu oscilovat s dostateˇcnou pˇresnost´ı. Cel´ y program má jeˇstˇe v hlaviˇcce skupinu tlaˇc´ıtek, jejichˇz aktivac´ı spust´ıme mˇeˇren´ı i zápis hodnot z celého systému. Bez jejich aktivace nebude fungovat ani manuáln´ı ani automatick´ y mód ovládán´ı.

5.2.2

Blokov´ e sch´ ema programu Kaufman 1.0

Blokové schéma naˇseho programu nen´ı u ´plnˇe jednoduché a bylo nutné jej rozdˇelit do nˇekolika d´ılˇc´ıch podprogram˚ u. Tˇemito podprogramy jsou: • komunikace s AD/DA pˇrevodn´ıkem BASPELIN SVZ, • formátován´ı dat a zápis hodnot na AD/DA pˇrevodn´ık BASPELIN SVZ, • formátován´ı a vyhodnocen´ı dat z AD/DA pˇrevodn´ıku BASPELIN SVZ, • komunikace, zápis a ˇcten´ı dat z pˇrevodn´ıku firmy National Instruments. Kromˇe tˇechto podprogram˚ u je zde jeˇstˇe hlavn´ı program ve kterém je naprogramována celá struktura automatického módu. Podrobnˇejˇs´ı popis jednotliv´ ych blok˚ u se nacház´ı n´ıˇze. Komunikace s AD/DA pˇ revodn´ıkem BASPELIN SVZ Primárn´ı u ´ˇcel tohoto podprogramu (Obr. 5.9) je navázán´ı kontaktu s pˇrevodn´ıkem, pˇriˇcemˇz se nezab´ yvá strukturou dat pˇrevodn´ıkem pˇrijat´ ych, nebo do pˇrevodn´ıku odeslan´ ych. Tato data pˇrepos´ılá dál do zbytku programu, kde jsou dále zpracovávána. Na programovém schématu nalézáme tˇri ˇcásti. Blok u ´plnˇe nalevo odes´ılá textov´ y ˇretˇezec libovolné délky na pˇrevodn´ık. Dalˇs´ı dva bloky se zab´ yvaj´ı ˇcten´ım dat z pˇrevodn´ıku. Kv˚ uli rozd´ılnému nastaven´ı RT S a DT R je nezbytné aby tyto bloky byly dva. Kaˇzd´ y z tˇechto blok˚ u se také snaˇz´ı o z´ıskán´ı textového ˇretˇezce délky 215 znak˚ u tj. jednoho kompletn´ıho cyklu dat (24 v´ ystup˚ u s 8 znaky na v´ ystup je rovno 192 znak˚ u) pˇriˇcemˇz ne´ uplné poˇcáteˇcn´ı a koncové ˇretˇezce jsou filtrovány. Zpoˇzdˇen´ı mezi jednotliv´ ymi ˇctec´ımi cykly je nastaveno na 30 ms. Toto zpoˇzdˇen´ı je nutné kv˚ uli delˇs´ı dobˇe zmˇeny vstupn´ıch kanál˚ u nastaven´ım RT S a DT R.

35

Obrázek 5.9: Komunikace s BASPELIN SVZ.

36

Form´ atov´ an´ı dat a z´ apis hodnot na AD/DA pˇ revodn´ık BASPELIN SVZ Tento podprogram (Obr. 5.10) se zab´ yvá správnou interpretac´ı nastavovan´ ych dat, které pˇrepoˇc´ıtává na ˇctyˇrm´ıstn´ y kód, ten je rozdˇelen na jednotlivé znaky a odes´ılán do komunikaˇcn´ıho protokolu, ze kterého je dále odeslán na pˇrevodn´ık. Pro pˇrepoˇcet nastaven´ ych dat je vymyˇslen algoritmus pomoc´ı dˇelen´ı. Chceme-li tedy na zaˇr´ızen´ı jehoˇz rozsah je 0 − 40 V nastavit hodnotu 40 V pomoc´ı AD/DA pˇrevodn´ıku s jmenovit´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım do 10 V (ˇcemuˇz odpov´ıdá kód 4000) je nutné vydˇelit reálnou nastavovanou hodnotu pˇresnost´ı o velikosti 0, 01 tak z´ıskáme 40/0, 01 = 4000. V´ ysledek je tedy interpretován tak, ˇze na v´ ystupu AD/DA pˇrevodn´ıku se nastav´ı jmenovité napˇet´ı 10 V coˇz si zdroj napˇet´ı pˇreloˇz´ı jako pˇr´ıkaz pro nastaven´ı 40 V. Na schématu jsou na prvn´ı pohled patrné 4 bloky, ve kter´ ych se vyhodnocuj´ı nastavovaná data pro jednotlivá zaˇr´ızen´ı. V´ ysledn´ y textov´ y ˇretˇezec je spojen do jednoho kusu a cel´ y odeslán. Form´ atov´ an´ı a vyhodnocen´ı dat z AD/DA pˇ revodn´ıku BASPELIN SVZ Tento podprogram (Obr. 5.11) je obdobou podprogramu urˇceného pro zápis. Rozd´ılem ovˇsem je, ˇze pˇrevád´ı z´ıskan´ y ˇctyˇrm´ıstn´ y kód na reálnou nastavenou hodnotu. Hodnoty jsou v textovém ˇretˇezci hledány tak, ˇze program vyhledává prvn´ı 4 znaky z osmim´ıstného kódu napˇr´ıklad \r\n49 a dalˇs´ı 4 znaky interpretuje takto hodnotu nastaveného napˇet´ı. Komunikace, z´ apis a ˇ cten´ı dat z pˇ revodn´ıku firmy National Instruments Jak jiˇz bylo ˇreˇceno, ovládán´ı pˇrevodn´ıku firmy Natinal Instruments (NI USB 6229) je mnohem jednoduˇsˇs´ı. Proto tento podprogram obsahuje jak komunikaˇcn´ı tak interpretaˇcn´ı cyklus. Celá komunikace s zaˇr´ızen´ım funguje pomoc´ı komponenty DAQ Asistant ve které m˚ uˇzeme nastavit vˇsechny vstupn´ı a v´ ystupn´ı parametry. V naˇsem pˇr´ıpadˇe jde o vstupy i v´ ystupy v rozsahu 0 − 10 V, které dále pˇrepoˇc´ıtáváme na reálnou nastavenou hodnotu. Hlavn´ı program V oknˇe hlavn´ıho programu se vyskytuj´ı jednak komponenty nahrazuj´ıc´ı podprogramy do kter´ ych jsou pˇrivádˇeny pˇr´ısluˇsné konektory a také 2 bloky programu zab´ yvaj´ıc´ı se automatick´ ym ovládán´ım celé sestavy (jeden blok pro kaˇzd´ y z iontov´ ych zdroj˚ u). Pro naprogramován´ı vlastnost´ı automatiky jsem se rozhodl vyuˇz´ıt ˇcistého programovac´ıho kódu. Tento kód je zjednoduˇsenou variac´ı jazyka C++ a dané cykly by

37

Obrázek 5.10: Formátován´ı a zápis dat BASPELIN SVZ.

38

Obrázek 5.11: Formátován´ı a ˇcten´ı dat BASPELIN SVZ.

39

Obrázek 5.12: Ovládán´ı NI USB 6229.

40

bylo velice obt´ıˇzné popsat nˇejak jinak. Pro vysokou nároˇcnost popisu celého bloku se nebudu zab´ yvat jednotliv´ ymi ˇca´stmi programového kódu. Samotn´ y kód je vnitˇrnˇe komentován a struktura navrˇzena tak aby odpov´ıdala postupu zapálen´ı v´ yboje a extrakce iont˚ u o kter´ ych byla ˇreˇc v pˇredchoz´ıch kapitolách.

41

6

´ ˚ ZHODNOCENÍ VYSLEDK U

Proveden´ı série testovac´ıch experiment˚ u je posledn´ım bodem této bakaláˇrské práce. Pro objektivn´ı zhodnocen´ı v´ ysledk˚ u byly provedeny série experiment˚ u zaˇzehnut´ı a extrakce iont˚ u na iontovém zdroji nejdˇr´ıve manuálnˇe a pozdˇeji i automaticky (Obr. 6.1). Prvn´ı graf znázorˇ nuje nastaven´ı ˇzhav´ıc´ıho proudu mezi katodou a anodou v závislosti na ˇcase.Z tohoto grafu je na prvn´ı pohled zˇrejmé, ˇze automatické ovládán´ı je pˇresnˇejˇs´ı. Zˇretelné v´ ykyvy v automatickém ovládán´ı v ˇcase 60−100 s jsou zp˚ usobeny skokov´ ym poklesem napˇet´ı (o 5 V) na Mesitu 2 v procesu ˇzhaven´ı. Toto zkreslen´ı se dá odstranit jinou volbou poˇca´teˇcn´ıch parametr˚ u (napˇr. zmenˇsen´ı poklesu napˇet´ı na Mesitu 2 o 2 V m´ısto souˇcasn´ ych 5 V). V ˇcase 100 − 125 s jsou u automatického ovládán´ı zˇretelné uˇz pouze malé v´ ykyvy od námi poˇzadované hodnoty 0, 5 V. Druh´ y graf zobrazuje závislost pr˚ uchodu konstantn´ıho proudu extrakˇcn´ı mˇr´ıˇzkou v závislosti na ˇcase. Z tohoto grafu je jiˇz naprosto zˇretelné, ˇze automatické ovládán´ı je mnohem pˇresnˇejˇs´ı a to jiˇz od samého poˇcátku. Zat´ımco pˇri manuáln´ım ovládán´ı je nutné hodnotu stále korigovat, automatické ovládán´ı tyto v´ ykyvy odstraˇ nuje pr˚ ubˇeˇznˇe. Pˇresto, ˇze automatické ovládán´ı naprosto pˇredˇc´ı manuáln´ı, m˚ uˇzeme m´ıt v´ yhrady k jej´ı pˇresnosti. U digitáln´ıho zpracován´ı by se dala oˇcekávat mnohem vˇetˇs´ı pˇresnost, opak je ale pravdou. Napˇr´ıklad MESIT s oznaˇcen´ım 3, na kterém pˇri ˇzhaven´ı poˇzadujeme nastaven´ı hodnoty na 1, 5 A. Rozsah ampérmetru na MESITu je 0 − 10 A které se transformuj´ı na v´ ystupu do hodnoty 0 − 10 V. Toto napˇet´ı je pˇredáno AD/DA pˇrevodn´ıku BASPELIN SVZ a programovˇe pˇrevedeno do indikátoru na pˇr´ısluˇsnou hodnotu. BASPELIN SVZ ovˇsem hodnotu 10 V pˇrevede na ˇc´ıslo 4000 to znamená, ˇze nejniˇzˇs´ı moˇzná soustava znak˚ u tedy 0001 bude m´ıt jmenovitou hodnotu 0, 0025 V (v pˇrepoˇctu 0, 0025 A). Tato pˇresnost je pomˇernˇe vysoká avˇsak ˇcten´ı a následné vzorkován´ı pˇrevodn´ıku je zanesen jistou chybou a posledn´ı ˇcten´ y znak tak ztrác´ı na v´ ypovˇedn´ı hodnotˇe. Dalˇs´ıho zkreslen´ı signálu jsme dosáhli pˇridán´ım galvanick´ ych oddˇelovaˇc˚ u, kdy kaˇzd´ y z tˇechto oddˇelovaˇc˚ u si reálnˇe nese chybu 0, 5% na pˇrenosu. Nejvˇetˇs´ı problém nastává v pˇr´ıpadˇe kdy korigujeme hodnotu na M3 hodnotou na M1. MESIT 1 má totiˇz rozsah proud˚ u 0 − 40 A to pˇri pˇrevodu do pˇrevodn´ıku znamená pro nejniˇzˇs´ı znak, tedy 0001 pouze pˇresnost v ˇrádech 0, 01, zápis je ovˇsem pomˇernˇe v´ıce stabiln´ı neˇzli ˇcten´ı. Chyby ˇcten´ı a pˇrenosu pˇres galvanické oddˇelovaˇce jsou patrné i zde. V´ ysledkem je, ˇze pokud chceme nastavit hodnotu ˇzhavic´ıho napˇet´ı na 1, 5 A dokáˇzeme nastavit hodnotu pouze nˇekde v rozmez´ı 1, 48 − 1, 52 A nikoli vˇsak pˇresnou referenˇcn´ı hodnotu. U zdroj˚ u typu GLASSMAN je situace obdobná. V systému nejsou sice galvanické oddˇelovaˇce a AD/DA pˇrevodn´ık je také schopen ˇc´ıst hodnoty na vˇetˇs´ı poˇcet

42

Obrázek 6.1: Grafy zaˇzehnut´ı a extrakce iont˚ u.

43

digitáln´ıch m´ıst, ovˇsem rozsah napˇet´ı je u nejsilnˇejˇs´ıho zdroje 0−3000 V pˇri pˇrepoˇctu 0 − 10 V na v´ ystupu doc´ıl´ıme toho, ˇze zmˇenou napˇet´ı z nuly na hodnoty 0, 01 dojde ke skoku napˇet´ı na reálném zdroji o 3 V. U mˇeˇren´ı proudu je situace lepˇs´ı, protoˇze nejvˇetˇs´ı rozsah ˇcin´ı pouze 0 − 400 mA coˇz i pˇri pˇrepoˇctu dává dostateˇcnˇe pˇresné hodnoty. I pˇres tyto nedostatky je pˇresnost oproti manuáln´ımu ovládán´ı znaˇcnˇe lepˇs´ı a dalˇs´ı v´ yhodu automatického ovládán´ı lze nalézt i v ˇcasové u ´spoˇre, kdy nen´ı nutné bˇehem celého procesu nastaven´ı aparatury neustále manuálnˇe opravovat a korigovat. V´ yhodou je také jednoduchá opakovatelnost celého procesu.

44

7

´ ER ˇ ZAV

Tato práce se zab´ yvá funkc´ı a problematikou automatického ovládán´ı iontov´ ych zdroj˚ u Kaufmanova typu. Prvn´ı ˇca´st je zamˇeˇrena na teoretické poznatky z oblasti leptán´ı a napaˇrován´ı tenk´ ych vrstev metodou IBAD. Popisuje fyzikáln´ı podstatu této metody, interakci iont˚ u s povrchem a zp˚ usoby vyuˇzit´ı. Pochopen´ı funkce iontov´ ych zdroj˚ u je nezbytné pro ˇreˇsen´ı problému ˇr´ızen´ı depoziˇcn´ıho procesu pomoc´ı poˇc´ıtaˇce. Druhá ˇcást se zab´ yvá jednotliv´ ymi praktick´ ymi u ´koly bakaláˇreské práce. V u ´vodu je popsána depoziˇcn´ı aparatura Kaufman“ na které jsou provádˇeny vˇsechny nezbytné ” automatizaˇcn´ı u ´pravy. Dále jsou popsány konstrukˇcn´ı u ´pravy manipulátor˚ u, jejich ovládán´ı a ˇca´steˇcnˇe i zp˚ usob programován´ı. Obdobnˇe je ˇreˇsena ˇcást zab´ yvaj´ıc´ı se ovládán´ım iontov´ ych zdroj˚ u. Je zde nast´ınˇen zp˚ usob zapojen´ı iontov´ ych zdroj˚ u a jejich ovládán´ı pomoc´ı stabilizovan´ ych zdroj˚ u Mesit a Glassman. Názornˇe je popsáno zapojen´ı ovládán´ı pro ˇr´ızen´ı poˇc´ıtaˇcem a na závˇer popis ovládac´ıho programu. Kapitola popisuj´ıc´ı test aparatury a zhodnocen´ı v´ ysledk˚ u pojednává o rozd´ılech mezi manuáln´ım a automatick´ ym ovládán´ım. Naznaˇcuje jeho v´ yhody a upozorˇ nuje na problémy, které by bylo moˇzné zlepˇsit.

45

LITERATURA [1] KAUFMAN,H. R,CUOMO, J. J. and HARPER, J. M. E.: Technology and aplications of broad-beam ion source used in sputtering. J. Vac. Sci. Technol. 21 3, 1982, 725-735. [2] TRAVIS,J. and KRING, J.: LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Easy & Fun. Prentice Hall PTR, 2006 ¨ [3] MOHLER, W.: Fundamentals of Ion-Surface Interaction. Technische Universität Dresden, 2004 [4] VLADIMÍR, M.: Metody pˇr´ıpravy povrch˚ u pro fyzikáln´ı elektroniku. MFF UK v Praze, 2007

46

VYSOKÉ MICHAL PAVERA BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PHYSICAL ENGINEERING BACHELOR S THESIS AUTHOR

Recommend Documents