Campinas, primeiro semeste de 2010Universidade Estadual de Campinas - UNICAMPRelatório Final de Instrumentação 1 - F530Aluno: Rodolfo Alves Valente RA:025065Orientadora: Mônica CottaCo-Orientador: João Hermes Clerice

Interface de controlador de temperatura para sistema de crescimento de semicondutores

No Departamento de Física Aplicada (DFA), temos um sistema para crescimento de semicondutores. Esse processo é denominado epitaxia, essa palavra tem origem em duas outras palavras gregas “epi” que significa sobre, e “taxia” que significa arranjo, então temos que epitaxia pode ser entendida como arranjo sobre.

O crescimento epitaxial consiste na obtenção de camadas finas (espessuras de alguns nanômetros a alguns micrômetros) sobre substratos cristalinos. O objetivo principal é o estudo dos mecanismos envolvidos no crescimento e as condições ideais de crescimento. São investigadas as propriedades estruturais, elétricas e óticas destas camadas, através de técnicas tais como difração de raios-x, microscopia de força atômica, medidas de efeito Hall, resistividade e fotoluminescência.

O processo utilizado para esse crescimento de semicondutores no nosso laboratório é o Crescimento Epitaxial por feixe químico (do inglês: Chemical Beam Epitaxy -CBE ) é uma técnica bastante promissora no crescimento de camadas semicondutoras e/ou de micro/nano sistemas semicondutores, particularmente do tipo III-V que ocorre em ultra-alto vácuo. Como fonte gasosa de feixe molecular temos tipicamente os hidretos (PH3 e AsH3) e os metalorgânicos (TMI e TMGa). Na técnica CBE a importância do conhecimento das temperaturas que envolvem todo o processo de crescimento é essencial. Para que ocorra o crescimento das amostras em questão a quebra ou o craqueamento das moléculas dos hidretos e a pirólise dos organometálicos faz-se necessário. Sabe-se que os hidretos são craqueados em alta temperatura (~1000C) antes de atingirem a superfície do substrato. Já a pirólise dos organometálicos ocorre sob a superfície do substrato. Ainda temos a possibilidade de obtermos amostras dopadas com silício e berílio. Portanto a precisão da temperatura utilizada no craqueador, bem como a temperatura da superfície do substrato e as temperaturas das células de silício e berílio são fundamentais para a obtenção de uma amostra bem crescida. Entenda-se como bem crescida o casamento entre parâmetros de rede das camadas epitaxiais (boa qualidade na interface) e o controle da taxa de crescimento.

Sendo a temperatura tão importante para esse sistema, com ajuda da minha orientadora e dos engenheiros e físicos que trabalham neste laboratório, irei implementar uma interface para um controlador de temperatura Eurotherm 808, para isso utilizaremos um microcontrolador PIC16F687.

A importância desse projeto para minha formação está na minha inserção em um ambiente acadêmico voltado a pesquisa, onde possa acompanhar o processo global não só como observador mas também como agente. No projeto os conceitos sobre instrumentação, aquisição de sinais e programação de microcontroladores também serão abordados.

O trabalho realizado até agora foi: estudar o funcionamento básico do controlador de temperatura Eurotherm 808, estudar a linguagem de programação Assembly. Foi realizado também

um modelo de circuito impresso no software EAGLE. O material de estudo básico para o desenvolvimento do projeto até agora foi: manual do Eurotherm, guia do usuário do MPLAB,e datasheet do microcontrolador PIC. Também estudei pelas lições passo a passo obtidas online "PIC Elmer 160 Course Lessons".

A interface do controlador de temperatura do laboratório número 25 do DFA, antes da implementação do projeto, tem o seu esboço lógico da seguinte maneira:

Figura 1: Esquema lógico da interface antes da implementação da interface

Aqui vemos que a temperatura é controlada diretamente por uma fonte ligada a uma resistência dissipativa que gera a energia térmica necessária para o aumento da temperatura. A diminuição da temperatura é feita simplesmente desligando-se a alimentação da resistência. A monitoração da temperatura é feita via termopar, que tem o seu sinal amplificado e enviado de volta ao CLP e também ao Eurotherm, que no caso funciona apenas como um display. Essa interface será melhorada com a inserção do Eurotherm como controlador ativo de temperatura pois ele possui um controle mais fino de oscilação e manutenção da temperatura e pode seguir instruções muito exatas sobre como a temperatura varia durante o processo.

Na primeira etapa temos a inserção de um microcontrolador PIC16F687 para fazer a

tradução do sinal do CLP, que é um sinal analógico de 0-10V, para a linguagem do Eurotherm, mais especificamente 2 bytes com instruções serão transmitidas do PIC para o Eurotherm,,via cabo serial Com essa instrução controla a fonte da resistência dissipativa. O Eurotherm monitora a temperatura através do termopar, que também se liga ao amplificador. O amplificador ligado ao CLP transmite a informação sobre a temperatura para o computador.

A primeira etapa do projeto tem seu esboço da seguinte maneira:

Figura 2: Primeira etapa da implementação da interface

Na segunda etapa temos a retirada do amplificador e uma segunda ligação, via cabo serial, com um PIC1F687. Ainda não sei se serão dois PIC ou somente um. Agora temos o sinal ou instrução saindo do computador, como exemplo digamos 200 º C, que será transmitido ao PIC como sinal analógico, convertido para digital, nos moldes do Eurotherm, que são dois bytes de instruções. O Eurotherm controla a fonte da resistência, termopar agora tem seu sinal enviado de volta ao

Eurotherm que funcionará também como display. O Eurotherm então envia um sinal digital para o PIC, que traduz de volta para um sinal analógico, e entra no CLP para monitoração no computador.

A segunda etapa tem seu esboço lógico da seguinte maneira:

Figura 3: Esquema lógico da segunda etapa do projeto.

A seguir algumas fotos do sistema de crescimento epitaxial por feixe químico do laboratório 25 do Departamento de Física Aplicada.

Figura 4: Sistema de crescimento epitaxial por feixe químico

Figura 5: Gabinete do controlador de temperatura, na foto os controladores Eurotherm 808 tem o LED verde

Figura 6: Detalhe dos controladores de temperatura Eurotherm 808 com LED verde

Durante o percurso do projeto, foi necessária a inserção de uma nova etapa, chamaremos essa etapa de zero. O Eurotherm na etapa zero será ligado diretamente a um computador, por uma placa que iremos confeccionar. A seguir figuras do esquema, da placa roteada do circuito que será confeccionado.

Figura 7: Esquemático do Eagle para a confecção do circuito da etapa zero

Figura 8: Figura da placa gerada pelo EAGLE, essa figura somente com as trilhas foi utilizada para a confecção do circuito impresso da etapa zero

O fluxograma da lógica de programação para a primeira etapa da interface de controlador de temperatura, está dado abaixo.

Essa lógica de programação será implementada no MPLAB que utiliza Assembly como linguagem.

Figura 9: Fluxograma da lógica de programação que será utilizada na etapa 1 do projeto

Tenho pronta também a lógica de programação do Eurotherm no que tange suas especificações de instruções e seus “settings”. O fluxograma dessa lógica de programação está representado a seguir.

Figura 10: Fluxograma da inicialização e instrução do Eurotherm

Para a confecção do circuito, utilizarei o laboratório Lamult.

A montagem e testes levam um tempo que não pode ser calculado. Tenho material o bastante para a apresentação. Estou preparado para os questionamentos sobre qualquer etapa do projeto que surgirão durante a apresentação. Não estou certo sobre a completude do projeto até a data de apresentação do relatório final. Como disse neste relatório durante o projeto foi necessária a criação de uma nova etapa, que pode demandar o tempo que seria necessário para completar a segunda ou até a primeira etapa. Essa etapa zero já é por si só uma interface de controlador de temperatura, sendo assim não creio que tenha prometido demais no projeto inicial, simplesmente não tinha informação o bastante para discriminar exatamente o que ia acontecer no decorrer do próprio e que rumo nossos estudos tomariam. Sendo essa a primeira versão prévia do relatório final, penso que produzi bastante para o que foi pedido. Se possível levarei à apresentação a placa de interface e o Eurotherm para demonstrações simples de sua comunicação e funcionamento.

No meio do processo de confecção da placa, o laboratório Lamult não é mais uma opção por sua dificuladade de operação, optamos então por fazer a placa manualmente através da impressão do circuito em um papel fotográfico. Depois com um ferro de passar roupas comum, esse circuito é transferido para a placa de cobre e silício. A foto da placa com o circuito impresso vai a seguir:

Figura 11: Foto da placa de cobre e silício com o circuito impresso antes do ataque químico

Nessa placa será feito um ataque químico de oxidação da placa de cobre. O cobre quando oxidado vira um pó que é facilmente removido da placa. O composto químico utilizado para isso será o percloreto de ferro.

Depois de feito o ataque químico, a placa então é limpa com acetona, todas as conexões são furadas, é passado uma palha de aço, duas mãos de verniz e então os componentes são soldados à placa.

Figura 12: Placa com os componentes

Depois dos componentes soldados é hora de conectar o Eurotherm à um computador. Isso é feito através de cabos seriais. Em seguida utilizando o software Turbo Pascal, que foi escolhido por mim pois é o que tenho mais experiência vamos mandar dois bytes, previamente preparados para o Eurotherm que para ele significa “status word”, que é como se perguntássemos ao Eurotherm qual sua configuração. O Eurotherm então responde com dois bytes também. Com estes dois bytes de resposta e o manual do usuário do Eurotherm já postado no ensino aberto, conseguimos interpretar esses dois bytes e saber qual a configuração interna do Eurotherm.