eng
Выпуск #6/2017
Л.Колесник, К.Моисеев, Ю.Панфилов, В.Рябов, С.Сидорова
Лабораторный комплекс с удаленным доступом для нанесения тонких пленок в вакууме
Лабораторный комплекс с удаленным доступом для нанесения тонких пленок в вакууме
Просмотры: 3495
Рассмотрены вакуумные установки для нанесения тонких пленок с автоматическим управлением, встроенным в систему удаленного доступа. На установках реализованы методы термического, магнетронного, ионно-лучевого и газофазного осаждения наноструктурированных тонкопленочных покрытий. Разработаны методическое обеспечение для подготовки к выполнению лабораторных работ и виртуальный симулятор для обучения практической работе на установке.
УДК 621.793
ВАК 05.16.08
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.77.6.76.82
УДК 621.793
ВАК 05.16.08
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.77.6.76.82
Теги: nanostructured coating thin-film technology vacuum deposition вакуумное осаждение наноструктурированныое покрытие тонкопленочная технология
Качественное обучение студентов технических специальностей, включая наноинженерию, невозможно без лабораторного практикума, выполняемого на современном оборудовании. Проблема заключается в ограниченности доступа студентов к сложному и, как правило, дорогостоящему технологическому или аналитическому оборудованию. Поэтому, в большинстве случаев, лабораторный практикум включает изучение технической документации на оборудование и методики выполнения лабораторной работы, а практическая часть сводится к наблюдению за работой учебного мастера и записи показаний приборов. Практического навыка работы на оборудовании при такой постановке лабораторного занятия студенты не получают.
В МГТУ им. Н.Э.Баумана на кафедре "Электронные технологии в машиностроении" разработан лабораторный комплекс для нанесения тонких пленок в вакууме с функцией удаленного доступа, предназначенный для получения каждым студентом практических навыков работы на вакуумном технологическом оборудовании. В рамках двух государственных контрактов созданы вакуумные установки для нанесения тонких пленок с системой автоматического управления, методическое обеспечение для изучения теоретических основ технологии тонких пленок и подготовки к выполнению лабораторных работ, система удаленного доступа к установке и виртуальный симулятор, выполняющий роль тренажера для овладения умением работы на оборудовании [1].
Возможность удаленного доступа позволяет студентам изучать теорию, знакомиться с устройством и принципом действия оборудования, осваивать методику выполнения лабораторной работы в компьютерном классе, дома, в транспорте и т.п., что экономит время и студента, и преподавателя.
МАЛОГАБАРИТНОЕ ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Входящая в состав комплекса вакуумная установка УВН-1М (рис.1а) оснащена безмасляной системой откачки [2], вакуумной камерой объемом 2 л, быстросъемными фланцами, на одном из которых размещается источник нанесения пленки (резистивный испаритель или магнетронное распылительное устройство), а на другом – подложкодержатель с диэлектрической подложкой, на которой сформированы контактные площадки [3, 4]. К контактным площадкам через герметичный токоввод подключается пикоамперметр, LCR-станция или другой прибор, измеряющий характеристики тонкой пленки [4].
Вторая вакуумная установка МВТУ-11-1 [4] (рис.1b) укомплектована безмасляной системой откачки и технологическими источниками, реализующими корпускулярно-лучевые методы генерации потоков пленкообразующих частиц: электронно-лучевым испарителем и автономным источником ионов. В дальнейшем планируется оснастить установку импульсной системой лазерной абляции.
Для обеих установок разработана система автоматического управления, подключаемая к локальной сети и имеющая возможность выхода в интернет.
Конфигурация установок позволяет проводить измерение ключевых характеристик наносимых пленок непосредственно во время их формирования. В качестве примера на рис.2 приведен график изменения тока, протекающего между контактными площадками в зависимости от времени формирования сначала островковой, а затем сплошной пленки [4]. Нелинейный характер нарастания тока на втором участке графика свидетельствует об островковом росте тонкой пленки с коалесценцией островков и изменением расстояния между ними. По этому участку можно изучать начальные стадии роста тонких пленок в зависимости от осаждаемого материала, скорости осаждения и энергии пленкообразующих частиц, которая зависит от метода нанесения тонкой пленки.
Лабораторное занятие включает в себя изучение теоретических основ технологии тонких пленок и методики выполнения лабораторной работы, с которыми студент может знакомиться, подключившись к сети интернет через интуитивный интерфейс (рис.3).
Обучение управлению установкой осуществляется с помощью виртуального симулятора, встроенного в систему удаленного доступа. Сдав тест и получив допуск к практикуму, студенты, находясь в компьютерном классе, приступают к выполнению лабораторной работы в режиме удаленного доступа.
СИСТЕМА УДАЛЕННОГО ДОСТУПА
И ВИРТУАЛЬНЫЙ СИМУЛЯТОР
Для обеспечения удаленного доступа к оборудованию была разработана специальная программа – сервер удаленного доступа [5]. Система автоматического управления вакуумной установкой подключается к системе удаленного доступа через драйвер сопряжения, который является промежуточным звеном между оборудованием и сервером удаленного доступа. Реализация взаимодействия с реальной системой автоматического управления скрыта внутри драйвера. С помощью драйвера, соответствующего спецификации системы удаленного доступа, можно подключать фактически любое технологическое оборудование, оснащенное системой управления, без изменения функционала программной части комплекса.
Виртуальный симулятор (рис.4) позволяет имитировать работу, создавая у пользователя ощущение, что он управляет реальным оборудованием. Это решение не требует присутствия оператора, позволяет одновременно проводить несколько виртуальных экспериментов и может использоваться как в учебных целях, так и для проведения научных исследований. При работе с оборудованием как в режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени, так и в режиме виртуального симулятора реализуются общие методики и алгоритмы за исключением операций, требующих ручных действий на стороне оборудования, например, установки подложки.
В режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени пользователь управляет установкой через локальную вычислительную сеть или Интернет, то есть работает с имитатором установки.
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ИЗ УНИФИЦИРОВАННЫХ КОМПЛЕКТУЮЩИХ
Располагая достаточно большим выбором унифицированных комплектующих элементов вакуумного оборудования – малогабаритных вакуумных камер, вакуумных насосов, вакуумметров, вакуумной арматуры, а также источников термического испарения и ионного распыления материалов – можно изготовить недорогую лабораторную установку (рис.5), оснастить ее системой автоматического управления и эксплуатировать в режиме удаленного доступа. При этом можно проводить лабораторные работы по курсам технологического и исследовательского учебных циклов, а также по конструированию и эксплуатации вакуумного технологического оборудования, на которых студенты получат навыки сборки из унифицированных узлов, наладки, запуска установки и вывода ее на заданные режимы работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный подход к проведению лабораторных работ может быть применен практически к любым методам нанесения тонких пленок в вакууме, включая молекулярно-лучевую эпитаксию, атомно-слоевое осаждение и другие методы. Он может быть реализован на любой лабораторной вакуумной установке для нанесения тонких пленок, имеющей систему автоматического управления, а также на промышленном оборудовании, например, производства ОАО "НИИ точного машиностроения" (Зеленоград) [6]. Разработанная в НИИТМ серия малогабаритных вакуумных установок вполне подходит для реализации системы удаленного доступа и проведения учебных занятий и научных исследований при условии оснащения их методическим обеспечением и виртуальным симулятором, что может существенно расширить круг потенциальных пользователей такого оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панфилов Ю.В., Колесник Л.Л., Рябов В.Т., Моисеев К.М., Сидорова С.В. Интерактивный учебно-научный модульный комплекс для выполнения работ по формированию наноструктурированных тонкопленочных покрытий с использованием современного высоковакуумного оборудования и его виртуального симулятора. Интерактивные учебно-научные комплексы для выполнения работ в режиме удаленного доступа: Учебно-методическое издание (сборник–каталог) / Под общ. ред. В.В.Лучинина и А.Г.Савченко. – СПб: СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. 300 c.
2. Капустин Е.Н., Бурмистров А.В., Саликеев С.И. Этапы разработки типоразмерного ряда безмасляных спиральных вакуумных насосов // Вакуумная техника и технология. 2015. Т. 25. № 2.С. 176–180.
3. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Сидорова С.В. Нанотехнологическая вакуумная установка модульного типа // Наноинженерия. 2014. № 8. С. 14–18.
4. Панфилов Ю.В., Сидорова С.В. Контроль роста островковых наноструктур в вакууме // Наноинженерия. 2012. № 9. С. 8–11.
5. Колесник Л.Л. Реализация удаленного доступа к технологическому оборудованию на примере создания научно-учебного комплекса для изучения процессов формирования тонкопленочных покрытий // Наноинженерия. 2013. № 12. С.31–37.
6. Одиноков В.В., Панфилов Ю.В. Выбор типа вакуумного нанотехнологического оборудования по критерию заданной производительности // Наноинженерия. 2013. № 11. С. 7–18.
В МГТУ им. Н.Э.Баумана на кафедре "Электронные технологии в машиностроении" разработан лабораторный комплекс для нанесения тонких пленок в вакууме с функцией удаленного доступа, предназначенный для получения каждым студентом практических навыков работы на вакуумном технологическом оборудовании. В рамках двух государственных контрактов созданы вакуумные установки для нанесения тонких пленок с системой автоматического управления, методическое обеспечение для изучения теоретических основ технологии тонких пленок и подготовки к выполнению лабораторных работ, система удаленного доступа к установке и виртуальный симулятор, выполняющий роль тренажера для овладения умением работы на оборудовании [1].
Возможность удаленного доступа позволяет студентам изучать теорию, знакомиться с устройством и принципом действия оборудования, осваивать методику выполнения лабораторной работы в компьютерном классе, дома, в транспорте и т.п., что экономит время и студента, и преподавателя.
МАЛОГАБАРИТНОЕ ВАКУУМНОЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Входящая в состав комплекса вакуумная установка УВН-1М (рис.1а) оснащена безмасляной системой откачки [2], вакуумной камерой объемом 2 л, быстросъемными фланцами, на одном из которых размещается источник нанесения пленки (резистивный испаритель или магнетронное распылительное устройство), а на другом – подложкодержатель с диэлектрической подложкой, на которой сформированы контактные площадки [3, 4]. К контактным площадкам через герметичный токоввод подключается пикоамперметр, LCR-станция или другой прибор, измеряющий характеристики тонкой пленки [4].
Вторая вакуумная установка МВТУ-11-1 [4] (рис.1b) укомплектована безмасляной системой откачки и технологическими источниками, реализующими корпускулярно-лучевые методы генерации потоков пленкообразующих частиц: электронно-лучевым испарителем и автономным источником ионов. В дальнейшем планируется оснастить установку импульсной системой лазерной абляции.
Для обеих установок разработана система автоматического управления, подключаемая к локальной сети и имеющая возможность выхода в интернет.
Конфигурация установок позволяет проводить измерение ключевых характеристик наносимых пленок непосредственно во время их формирования. В качестве примера на рис.2 приведен график изменения тока, протекающего между контактными площадками в зависимости от времени формирования сначала островковой, а затем сплошной пленки [4]. Нелинейный характер нарастания тока на втором участке графика свидетельствует об островковом росте тонкой пленки с коалесценцией островков и изменением расстояния между ними. По этому участку можно изучать начальные стадии роста тонких пленок в зависимости от осаждаемого материала, скорости осаждения и энергии пленкообразующих частиц, которая зависит от метода нанесения тонкой пленки.
Лабораторное занятие включает в себя изучение теоретических основ технологии тонких пленок и методики выполнения лабораторной работы, с которыми студент может знакомиться, подключившись к сети интернет через интуитивный интерфейс (рис.3).
Обучение управлению установкой осуществляется с помощью виртуального симулятора, встроенного в систему удаленного доступа. Сдав тест и получив допуск к практикуму, студенты, находясь в компьютерном классе, приступают к выполнению лабораторной работы в режиме удаленного доступа.
СИСТЕМА УДАЛЕННОГО ДОСТУПА
И ВИРТУАЛЬНЫЙ СИМУЛЯТОР
Для обеспечения удаленного доступа к оборудованию была разработана специальная программа – сервер удаленного доступа [5]. Система автоматического управления вакуумной установкой подключается к системе удаленного доступа через драйвер сопряжения, который является промежуточным звеном между оборудованием и сервером удаленного доступа. Реализация взаимодействия с реальной системой автоматического управления скрыта внутри драйвера. С помощью драйвера, соответствующего спецификации системы удаленного доступа, можно подключать фактически любое технологическое оборудование, оснащенное системой управления, без изменения функционала программной части комплекса.
Виртуальный симулятор (рис.4) позволяет имитировать работу, создавая у пользователя ощущение, что он управляет реальным оборудованием. Это решение не требует присутствия оператора, позволяет одновременно проводить несколько виртуальных экспериментов и может использоваться как в учебных целях, так и для проведения научных исследований. При работе с оборудованием как в режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени, так и в режиме виртуального симулятора реализуются общие методики и алгоритмы за исключением операций, требующих ручных действий на стороне оборудования, например, установки подложки.
В режиме удаленного доступа в реальном масштабе времени пользователь управляет установкой через локальную вычислительную сеть или Интернет, то есть работает с имитатором установки.
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ИЗ УНИФИЦИРОВАННЫХ КОМПЛЕКТУЮЩИХ
Располагая достаточно большим выбором унифицированных комплектующих элементов вакуумного оборудования – малогабаритных вакуумных камер, вакуумных насосов, вакуумметров, вакуумной арматуры, а также источников термического испарения и ионного распыления материалов – можно изготовить недорогую лабораторную установку (рис.5), оснастить ее системой автоматического управления и эксплуатировать в режиме удаленного доступа. При этом можно проводить лабораторные работы по курсам технологического и исследовательского учебных циклов, а также по конструированию и эксплуатации вакуумного технологического оборудования, на которых студенты получат навыки сборки из унифицированных узлов, наладки, запуска установки и вывода ее на заданные режимы работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанный подход к проведению лабораторных работ может быть применен практически к любым методам нанесения тонких пленок в вакууме, включая молекулярно-лучевую эпитаксию, атомно-слоевое осаждение и другие методы. Он может быть реализован на любой лабораторной вакуумной установке для нанесения тонких пленок, имеющей систему автоматического управления, а также на промышленном оборудовании, например, производства ОАО "НИИ точного машиностроения" (Зеленоград) [6]. Разработанная в НИИТМ серия малогабаритных вакуумных установок вполне подходит для реализации системы удаленного доступа и проведения учебных занятий и научных исследований при условии оснащения их методическим обеспечением и виртуальным симулятором, что может существенно расширить круг потенциальных пользователей такого оборудования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Панфилов Ю.В., Колесник Л.Л., Рябов В.Т., Моисеев К.М., Сидорова С.В. Интерактивный учебно-научный модульный комплекс для выполнения работ по формированию наноструктурированных тонкопленочных покрытий с использованием современного высоковакуумного оборудования и его виртуального симулятора. Интерактивные учебно-научные комплексы для выполнения работ в режиме удаленного доступа: Учебно-методическое издание (сборник–каталог) / Под общ. ред. В.В.Лучинина и А.Г.Савченко. – СПб: СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2012. 300 c.
2. Капустин Е.Н., Бурмистров А.В., Саликеев С.И. Этапы разработки типоразмерного ряда безмасляных спиральных вакуумных насосов // Вакуумная техника и технология. 2015. Т. 25. № 2.С. 176–180.
3. Панфилов Ю.В., Рябов В.Т., Сидорова С.В. Нанотехнологическая вакуумная установка модульного типа // Наноинженерия. 2014. № 8. С. 14–18.
4. Панфилов Ю.В., Сидорова С.В. Контроль роста островковых наноструктур в вакууме // Наноинженерия. 2012. № 9. С. 8–11.
5. Колесник Л.Л. Реализация удаленного доступа к технологическому оборудованию на примере создания научно-учебного комплекса для изучения процессов формирования тонкопленочных покрытий // Наноинженерия. 2013. № 12. С.31–37.
6. Одиноков В.В., Панфилов Ю.В. Выбор типа вакуумного нанотехнологического оборудования по критерию заданной производительности // Наноинженерия. 2013. № 11. С. 7–18.
Отзывы читателей
