AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE DEPOSITO DE PELICULAS

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1 AUTOMATIZACION DE UN SISTEMA DE DEPOSITO DE PELICULAS DIRECTOR DEL PROYECTO: MC. HERNAN PERAZA VAZQUEZ CLAVE ASIGNADA POR CGPI: RESUMEN En este trabajo se reporta la automatización, mediante instrumentación virtual, de un sistema de crecimiento de compuestos ternarios semiconductores. Este sistema utiliza como calefactores para la evaporación bloques de grafito. La corriente es suministrada a cada grafito mediante 3 fuentes programables marca Xantrex. Las temperaturas son monitoreadas utilizando termopares tipo K. Para obtener la temperatura deseada en cada bloque de grafito, se controla la corriente que pasa a través de él. El programa desarrollado en Labview manipula la corriente de cada una de las fuentes que calientan a los grafitos. Así mismo, en tiempo real registra la temperatura y la corriente subministrada a cada elemento calefactor. Despliega la grafica del comportamiento de la temperatura de cada uno de los grafitos y almacena en formato de hojas de cálculo los datos de las graficas. El control de la temperatura de cada una de las fuentes de evaporación fue realizado utilizando un algoritmo PI. I. INTRODUCCIÓN La técnica de transporte de vapor en espacio reducido, CSVT (Close Space Vapor Transport), es empleado para depositar películas de materiales semiconductores, este proceso está basado en calentar a diferentes temperaturas el material semiconductor para ser depositado en un sustrato en forma de película, es una técnica de crecimiento de películas delgadas, donde el material en fase gaseosa, para el deposito, es tomado de una fuente de fase sólida colocada cerca del substrato y transportada a través de un gas inerte de control. El proceso de crecimiento puede ser divido en tres etapas: 1.- La transformación del material a partir de la fuente de fase sólida a fase vapor dentro del gas de control. 2.- El transporte de material de forma de vapor a través del gas de control, 3.- La condensación en el substrato del material para transformar la película delgada. La técnica esta caracterizada por la corta distancia entre la fuente de fase sólida y el substrato, la cual es usualmente menor de 10 mm. La cámara de crecimiento consiste en un espacio cerrado por paredes de grafito colocada entre la fuente y el substrato. Cuando las reacciones y las disociaciones químicas son excluidas, la etapa 1.-es llamada sublimación. La etapa 3.-es la inversa de la etapa 1.-), y si la fase condensada presenta una estructura cristalina, es llamada cristalización. La transferencia de materia a partir de la fuente a la película es esencialmente efectuada por la etapa 2.- a la cual se le llama transferencia de masa. El método experimental mas usual utilizado en el crecimiento de películas delgadas, en términos generales es sellar un medio que contiene al material fuente, haciendo un vació previo y luego se agrega una atmósfera (o flujo) de un gas inerte para controlar la presión, esto se realiza si queremos controlar la razón del deposito, en caso contrario no inyectamos ningún gas. Se le aplica un gradiente térmico, generalmente por efecto joule se calientan dos grafitos, uno sirve como fuente de evaporación del material a sublimar, y el otro para calentar el substrato, de tal forma que el material fuente este en un punto mas caliente, a una temperatura (Tf), y la superficie de condensación (substrato) a una temperatura (Ts) inferior a (Tf), el sistema registrará las temperaturas de cada grafito, las cuales alcanzan una temperatura máxima de 1400 grados centígrados, los bloques son calentados por medio de una fuente de poder programable hasta 3000 watts. El presente Proyecto consiste en la automatización de la técnica mencionada para ellos se cuenta con una fuente de poder de la serie XANTREX XKW con interfaz GPIB, un modulo SCXI-1000 consistente en un chasis de 4 canales, tarjeta SCXI termopar con operación de multiplexado, Tarjeta GPIB y NI-DAQ, de la Nacional Instrument, la

2 automatización incluirá el desarrollo de drives, librerías, programación en lenguaje C y Labview, instalación de hardware, pruebas al sistema y control en tiempo real de todo el proceso almacenándole de manera digital. La realización de dicha automatización repercutirá en un mejor control de la técnica, con lo que se podrá minimizar errores y se analizaran con mayor confiabilidad las propiedades de las películas crecidas. Actualmente se realiza el control de los equipos de forma manual. Se usa el lenguaje de programación grafica Labview, el cual esta orientado a la Automatización. II. DETALLES EXPERIMENTALES El sistema está compuesto de las siguientes partes: un sistema de vacío, tres fuentes de poder, un modulo acondicionador de señales y un modulo de termopares, una computadora personal, una tarjeta de interfaz GPIB para interactuar con las fuentes de poder y una tarjeta de adquisición de datos NIDAQ para manipular el modulo de termopares. En la figura 1 se pueden observar todos los elementos mencionados y el esquema de interconexión que presentan. El proceso de control se realiza a través de un software desarrollado en un ambiente de instrumentación virtual implementado en el lenguaje de instrumentación Labview. Figura1. Elementos que integran el sistema. El proceso de crecimiento de películas delgadas se realiza en un equipo de evaporación que consiste en una campana de vidrio montada sobre una base de acero inoxidable, y que complementada con una bomba mecánica y una bomba turbomolecular permiten alcanzar presiones dentro de la campana del orden de 1x10-6 Torr. Adicionalmente se cuenta con válvulas neumáticas para aislar las diferentes entradas a la campana. En la figura 2. se observa un esquema del sistema de vacío. Figura 2. Esquema del sistema de vacío.

3 El sistema de crecimiento de películas está montado dentro de la campana de vidrio del equipo de vacío, en la figura 3, se observa la fotografía del sistema de crecimiento. Figura 3. Sistema de crecimiento por CSVT-FE. El sistema de calentamiento para alimentar los tres bloques calefactores está formado por tres fuentes de poder marca Xantrex que tienen un rango de 300 A. a 10 V. permitiendo manejar una potencia máxima de 3000 watts, en cada una de ellas. Dichas fuentes distribuyen la corriente a través de postes para suministrar la alimentación al sistema de crecimiento. Las fuentes de poder cuentan con interfaz GPIB por medio de la cual pueden ser controladas a través de la computadora personal. III. DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL El esquema de control PI analógico ha sido usado de manera exitosa en muchos sistemas de control industrial por más de medio siglo. El principio básico del esquema del control PI es que actúa sobre la variable a ser manipulada a través de una apropiada combinación de las tres acciones de control: la acción de control proporcional, la acción de control integral En situaciones donde muchas plantas se controlan directamente mediante un solo dispositivo digital (como un esquema de control en el que se controlan desde unos cuantos lazos hasta cientos de estos mediante un solo controlador digital), la mayoría de lazos de control se pueden manipular mediante esquemas de control PI. Para el desarrollo de este controlador del sistema de crecimiento por la técnica CSVT-FE que presenta tres bloques calefactores, para esto fue necesario desarrollar controladores independientes para cada uno de los bloques. En la figura 4 presentamos una serie de escalones de temperatura con ganancias proporcionales e integrales diferentes para cada uno de ellos. Se observa el mejor comportamiento para la curva con una ganancia de 1.1 y de 0.02, para la ganancia proporcional y para el integral respectivamente.

4 Figura 4. Se muestra la respuesta del controlador a un escalón de temperatura de 100 C con distintas ganancias. El valor de P indica la ganancia que utilizó en el control proporcional y la I la ganancia que se utilizó en el integral En la figura 5 se presenta el comportamiento de escalones programados de 25 C a 625 C y utilizando el controlador PI con los valores de ganancia encontrados y que presentaron el mejor desempeño. Figura 5. Escalones de temperatura para el controlador PI. En la figura 6, se observa el comportamiento de corriente que demanda el bloque calefactor conforme se fueron realizando los escalones de temperatura y que se muestran en la figura 5.

5 En este caso se presenta solo el comportamiento de uno de los bloques calefactores utilizados. El comportamiento de control es similar para los otros dos. Lo que se modifica es el valor de los valores de ganancia. Figura 6. Curva de la demanda de corriente para los escalones de temperatura. IV. PROGRAMA DESARROLLADO. El programa desarrollado en Labview presenta una interfaz visual atractiva y de fácil operación, a base de controles e indicadores, en la figura 7 se observa la pantalla que integra todo el sistema de control, en el se puede observar una sección para la programación de rampas o isotermas, y otra sección correspondiente al comportamiento real del proceso de calentamiento. Y una sección de botones para iniciar o detener el proceso. El programa también permite almacenar en un archivo de texto el comportamiento del proceso de calentamiento, que incluye la temperatura y la corriente que demando el sistema. A continuación se describen algunos de los controles que presenta el programa: Cuadro de controles de temperatura deseada: Se fijan las temperaturas que el usuario desea obtener el final de la función programada. Botones de función: Se utilizan para elaborar una rutina deseada de las temperaturas que el usuario requiera. Escalón: La temperatura inicial y la final son iguales a la temperatura fijada en el cuadro de selección de temperaturas. Rampa: La temperatura Inicial es igual a la temperatura final de la función anterior y la temperatura final es igual a la temperatura fijada en el cuadro de controles de temperatura. Isoterma: La temperatura inicial y la temperatura final son iguales a la temperatura final de la función anterior. Duración: Consta de tres recuadros donde se introducen las horas, los minutos y los segundos que va a durar la función a programar.

6 Botones de control de proceso Iniciar. Una vez que se termina de realizar el proceso. Indicadores. Tabla del proceso programado. Despliega el tipo de función programada, la duración, el tiempo de enlace de inició en segundos así como el final para cada función programada, la temperatura inicial y la temperatura final a programar para cada bloque de grafito programado. Tiempo transcurrido. Despliega un display del tiempo transcurrido del proceso en formato de horas, minutos y segundos. Instrumentos encendidos. Se tiene un led indicador para cada uno de las fuentes y el lector de termopares. El led se prende cuando el instrumento está encendido o trabajando de una manera adecuada. En lo que respecta a la grafica desplegada, en esta se puede observar el comportamiento real de la temperatura y el proceso programado (referencia) por el usuario. Este proceso se presenta en tiempo real para los tres bloques calefactores. Un aspecto importante es que el software presenta el tiempo total de duración del proceso. Y finalmente se permite imprimir la grafica. Adicionalmente se cuenta con una ventana de configuración para colocar límites a las fuentes de poder como son valores máximos y mínimos de voltaje y corriente. Figura 7. Pantalla principal del programa de control de temperatura. V. RESULTADOS Y CONCLUSIONES Se realizaron las pruebas al sistema de control para afinar detalles de las ganancias del controlador y de funcionalidad del programa al momento de hacer la programación. En la figura 8 se presenta una grafica correspondiente a un proceso de calentamiento, se utilizaron los parámetros para una rampa con velocidad de calentamiento de 10 C por minuto, y una isoterma de 10 minutos a 600 C. El control para temperaturas en el rango de 400 a 800 C tuvo un error máximo de ±1 C.

7 Figura 8. Proceso de control para un proceso general de calentamiento.