4465.新基于工控机和PLC的真空磁控溅射镀膜设备控制系统设计

4465.新基于工控机和PLC的真空磁控溅射镀膜设备控制系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于工控机和PLC的真空磁控溅射镀膜 设备控制系统设计 摘 要:磁控溅射镀膜技术在薄膜制备领域广泛应用，控制系统的设计对磁控溅射镀膜设备的稳定运行有着重要的影响。本文介绍了基于嵌入式一体化工控机和PLC的真空磁控溅射镀膜设备电气自动控制系统的硬件构成、系统原理、系统功能以及设计思路及 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。并重点叙述了OMRON CJ系列PLC在控制系统中的应用。 关键词:可编程控制器;工控机;磁控溅射 Design of Electrical Control System of the Vacuum Magnetron Sputtering Deposition on Industry control computer and PLC Abstrack: The technology of Vacuum Magnetron Sputtering Deposition is wide used on the field of thin film manufacture. The design of Control system is very significant to MS system. The article intends to explain the electrical automatic control system of MS equipment on Industry control computer and PLC, including hardware structure, work theory, system function and the method of design. And the application of PLC to OMRON CJ1 series is described mostly in detail. Key Words: PLC (Programmable logic Controller); Industry control computer; MS (Magnetron Sputtering); 2.1 设备构成及相关部件 1 系统概述 该设备主要由真空室、抽真空及测量系统、 磁控溅射镀膜技术是一种目前广泛使用的沉磁控溅射靶及其电源、基片架、挡屏、水冷系统、积镀膜方法。由于其能有效地降低工作压强和工残余气体 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、加热及测量、气路控制系统、工作电压, 提高溅射速率和沉积速率, 降低基片温控机控制单元等组成。其中: 度, 减小等离子体对膜层的破坏等优点, 特别适, 抽真空及测量系统:由分子泵、机械泵、合于大面积镀膜生产，广泛应用到光学、材料、真空阀门构成，用于对真空室抽气; 半导体、电子等领域。 , 磁控溅射靶及其电源:通过改变电源功 所谓溅射是指，在相对稳定的真空状态下，率改变真空室内辉光放电情况，实现对溅射在阴阳极间施加一定的电压会产生辉光放电，极速率、膜层质量的控制; 间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离, 基片架:用于安装待镀基片，由旋转电子受阴极负电位加速运动而撞击阴极靶材，将其机带动，通过调节转速对膜层均匀性进行控原子等粒子溅出，溅出的粒子沉积在阳极基板上制; 形成薄膜。 , 挡屏:由旋转电机带动，预溅射时，遮 磁控溅射是以磁场来改变电子的运动方向，挡在阴极靶前，防止基片污染; 并束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子, 水冷系统:设备中真空泵、溅射靶等部对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能分在运行过程中会发热，利用水冷方式带走量。因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅热量; 射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，, 残余气体分析:高真空状态下利用质谱又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。这就仪实现对真空室内气体成分进行分析，以了是磁控溅射具有“低温”，“高速”两大特点的道解环境对基片成分的影响; 理。 , 加热及测量:采用红外加热方式，烘烤 针对磁控溅射技术的以上特点，控制系统采基片，去除基片表面附着的水分子，同时提用先进的计算机技术及自动控制理论对溅射工艺高膜层的结合力。加热功率2kW,最高温度进行 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 和控制，保证了设备的稳定性和可靠性。 350?; , 工控机控制单元:提供人机交互控制界2 系统组成及工艺流程 面，实现对设备的监控。 1 2.2 设备工艺流程 全量程真空传感器:德国pfeiffer PKR251 图1给出了真空磁控溅射镀膜设备的工艺流电机驱动器:美国Copley Controls 程图。 质量流量控制器:美国MKS 1179A 溅射电源:美国AE 3.2 I/O控制点构成 数字信号采集点:水流量开关,位置开关; 数字信号输出点:真空泵、阀开关、电机动 作、质量流量计开关; 模拟信号采集:温度传感器信号、压力传感 图1 工艺流程图 器、各分立功能设备标准输出信号; Fig.1 Flowchart of technics 模拟信号控制:温度控制、气体流量调节、 从图中可以了解到，一个完整的磁控溅射工电机速度调节、溅射功率给定。 艺需要的几个步骤:(1)对基片进行清洗，不同图2是设备硬件系统示意图。 材料清洗方法不同，清洗的主要目的是去油、去 水，也有的基片材料需要表面粗化;(2)基片安 装到真空室后，进入抽真空步骤，首先要抽本底 真空，目的是去除真空室内的残余气体;(3)烘 烤基片，目的一个是去除基片表面的水分，另一 个是消除薄膜应力，提高膜—基结合力;(4)分 压，由于磁控溅射是建立在辉光放电的基础上的， 而辉光放电的气压条件是一定的，所以在系统达 到符合工艺要求的本底真空后，充入一定的氩气, 图2 硬件系统示意图 使真空室内压力在0.1,10Pa范围内;(5)预溅射， Fig.2 Schematic of hardware system 大多金属靶材材料接触大气候都容易氧化，在表 面形成一层氧化膜，预溅射的作用就是在正式溅4 控制系统软件构成 射前去除氧化膜，保证溅射到基片上膜层的纯净。 具体方法是:给溅射靶加直流/射频电压，使真空4.1软件介绍 室内产生辉光放电。根据靶材材料的活泼程度决 在本系统中，PLC是系统控制的核心，用于处定溅射时间的长短;(6)溅射，过程与预溅射类理与外围设备的数据交换、处理;工控机则作为似，只是将遮挡在靶材前面的档屏转动开，使溅人机交互平台，方便操作及状态检测。 射出的靶材粒子可以到达基片表面形成薄膜;(7)工控机采用WinCE操作系统和MCGS嵌入版组退火，如果靶材材料与基片材料的热膨胀系数相态软件作为软件系统平台，可以保存、查询各种差较大，薄膜与基片的结合力会很差，此时适当数据，制作报表和趋势曲线，在本设备中，使用的应用退火工艺，可以有效地提高结合力。 Microsoft Access数据库来实现数据的存储和管 理，并可通过操作命令对数据组对象进行转存，3 控制系统硬件构成 便于数据的脱机读取。PLC通过host link端口与3.1主要电气部件 工控机COM口连接，实现数据交换。工控软件功能 工控机: nTouch 嵌入式一体化工控机如图3。 TPC15421H 15寸TFT触摸屏; PLC: OMRON CJ1,包括CPU(CJ1M-CPU13),DI 模块(CJ1W-ID211),DO模块(CJ1W-OC211),温度模 块(CJ1W-TC003),AI模块(CJ1W-AD081-V1),AO模 块(CJ1W-DA08V); 压力变送器:德国Leybold TTR91S 2 5.1 真空系统 5.1.1 工艺流程 真空系统控制程序负责对真空机组进行顺序 控制，实现工艺的真空条件。首先使分子泵(莱 宝T1600)运转到最高速度，然后机械泵对真空室 进行初抽，当腔体内真空度达到500Pa时，利用分 -4Pa。之后，子泵抽本底真空，一般需高于4×10 降低分子泵转速，为分压溅射作准备。图4是工作 流程图，图5是操作界面。 图3工控软件功能示意图 Fig.3 Function of software on industry computer 4.2软件功能 4.2.1 工艺流程手/自动控制及动态显示 该设备的操作功能最终通过“人机对话操 作”。用户与设备间的联系通过触摸式工控机建 立，用户通过人性化的操作面板进行相关工艺参 数的设置，触摸屏图形画面可根据不同的工作状 态显示不同的颜色，来提示用户了解设备工作情 况。设备可进行全自动、半自动、分步动作等操 作，方便用户使用。 4.2.2 实时数据显示 通过触摸式工控机用户可以观察到系统实时 真空度、温度、电机转速等参数的当前值。 图4 真空系统工艺流程图 4.2.3 历史数据记录、历史曲线查询 Fig.4 Flowchart of vacuum system 该设备支持对历史数据的查询，包括设备真 空度、压力、溅射电压、溅射电流、温度等，记 录形式以列表的方式存在，包括记录生成的日期、 时间、内容，方便用户进行工艺分析及优化，实 现故障追溯。记录数据的多少取决于工控机存储 量的大小，当存储量不足时，用户可利用工控机 的USB接口，通过操作屏实现一键转存，存储 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 为Excel格式，方便用户的查询。 历史曲线功能将历史数据制成趋利曲线，方 便用户对工艺过程各个参数的变化趋势进行系统 的分析。 4.2.4 报警功能 图5 真空系统操作界面 设备拥有故障自检功能，当设备出现故障时， Fig.5 Interface of vacuum system 触摸屏上弹出报警框，直到用户对故障进行处理 并作对报警做出相应后，设备才能恢复到正常工5.1.2真空度信号处理 作状态。 本设备涉及到的真空度变送器均为标准信号 0-10V,利用欧姆龙CJ1W-AD081-V1模块对信号进5 控制系统设计思路及解决方法 行采集计算并将真空度在人机界面上显示。以下 控制系统以磁控溅射工艺流程为指导思想，介绍如何利用PLC编程实现: 进行分系统模块化设计，实现系统功能。 以全量程真空计PKR251为例，电信号0-10V对 3 应与真空度的对应关系为 针端口。具体功能通过图7所示程序实现。 (1.6679.333)u,p,10 (1) 首先设置PLC的分别率为4000(也可以是 8000)，这样通过模拟量输入端口将获取一个 0-4000(十进制)范围的数值，根据对应关系将 该值除以400将得到其对应的电压值(这里要注意 将所用到的数值都转换成浮点数格式，否则得到 的结果是正整数，无法进行以后的公式计算)。 将得到的电压值代入公式(1)，就可以得到真空 度的结果。功能程序见图6: 图7 MFC流量控制程序 Fig7 Control programme of MFC 5.3 运动系统 本设备采用瑞士maxmon motor公司的RE40电 机+GP52C行星轮减速箱+1024数字编码器作为运 动系统，减速比285:1，电机控制器用Copley Control公司的ACJ-055-18，利用CME2可编程设置 软件对控制器进行设置，定义电机的转速、方向、 旋转角度等参数。 (1)基片架控制 电机带动基片架作匀速圆周运动，速度在0, 20rpm范围内连续可调。该动作可利用控制器的速 度环控制方式进行设置。输入控制电压0,10V,所 以在设定时将10V对应的电机最大转速设定为 5700(最大速度20×减速比285),这样通过触摸屏 图6 真空度显示程序 设定的电机转速通过PLC计算处理转换为电压信 Fig.6 Display programme of pressure 号，通过模拟输出单元连接到ACJ-055-18的[IN]5.2 工艺气体流量控制系统 口，ACJ-055-18通过调节输出电压来控制电机的 由于辉光放电现象的发生是在一个相对稳定转速。 的真空条件下(0.1,10Pa),因此需要使抽真空(2)档屏电机控制 和充工作气体两种动作建立动态平衡，来维持特档屏电机进行角度旋转运动，即电机可根据定的真空环境。在本系统中，充气前先通过PLC的需要旋转固定的角度，并能达到精确的定位、归模拟输出模块降低分子泵抽速到一个固定的值，零。该动作可利用控制器的位置控制方式进行设然后利用质量流量控制器(MFC)调节充气流量。 置。在设计过程中，利用1024数字编码器作为反 1179A质量流量控制器(MFC)是以单位时间内馈信号，形成闭环控制系统。在参数设置过程中压力体积的流量方式来控制气体质量流量的测量需了解到，电机每旋转一圈的计数脉冲为仪器，其原理是将测量电压与设定电压进行比较，1167360(1024×4×285),这样旋转任意角度所需再将差值信号放大后去控制调节阀，通过闭环控要的计数脉冲可以很容易的计算出来。电机位置制来控制通过的流量。因此只需要根据工艺要求的归零通过位置传感器实现。该系统保证了档屏给定标定流量值的电压值(1,5V)就可以使其按可以准确地旋转到指定角度，并具有自校正功能，要求调节气体流量的大小。在程序上需要将HMI上实现位置的精确控制。 流量的设定值，通过模拟量输出模块5.4 温度控制系统 (CJ1W-DA08V)转换为电压信号，输出到MFC的95.4.1控制方式 4 温度控制系统是一个闭环控制的负反馈系选择温度控制单元的数据处理是BCD还是二进制、统，利用OMRON公司CJ1W-TC003特殊I/O单元实现。第4、5 针设定反向(加热)操作或正向(制冷)其工作原理是:当加热器温度变化时，控温热电操作、第6针设定用PID控制方式还是用ON/OFF 控偶的电压产生变化，此信号通过K型补偿导线传到制。 信号检测模块中，该模块提供信号给PLC部分中的温度的设定和对加热器温度的监控通过调用CPU,CPU将该信号与上位机中给定的温度相比较，功能块TCx002_SV和TCx002_PV实现，控制方式为执行相应的PID控制，并通过温控单元开路集电极PID闭环控制，自整定程序助记符如下: 送出输出结果，控制固态继电器的通断，从而实 现对温度的调节。控制原理图见图8。 图8 温控模块控制原理图 Fig.8 Schematic of temperature control 图10 温控单元PID自整定程序 同时，上位机的友好界面(见图9)设计方便 Fig10 AT programme of temperature control 了设备的操作，具体功能包括:加热开关控制; 电流监控;利用计划曲线控件实现工艺曲线编辑;5.5 溅射电源 温度定值设定;PID自整定;PID手动调整;报警溅射电源为等离子体的形成建立电场条件，设置及提示;温度曲线监控等。 本设备配置有DC电源和RF电源各一台，DC电源价 格便宜，主要用于导电靶材的溅射，RF电源则可 用于绝缘薄膜的沉积。对溅射电源的控制可通过 其本身的控制面板，也可以通过PLC控制用户端口 来实现。触摸屏上设有专门的操作窗口，配合PLC 模拟量输入、输出模块实现:电源开关、功率设 定、电压检测、电流检测、偏压检测等功能。 相对于DC电源而言，RF电源的控制还必须考 虑阻抗匹配的问题。在RF溅射镀膜过程中，膜层 厚度的变化、空间放电状态的改变将影响到RF电 图9 温控控制操作界面 源的输出负载的变化，输出阻抗的改变造成反射 Fig.9 Interface of temperature control 功率过大。所以RF电源必须配备阻抗匹配网络，5.4.2编程实现 通过专用的端口连接，匹配网络通过取样、比较 CPU单元与温度控制单元间的数据交换是通和运算实现阻抗自动调节。 过分配给作为特殊I/O 单元的温度控制单元的此外，由于RF电源信号源输出频率为CPU 单元的CIO 和DM 区中的字来执行的。操作数13.56MHZ，存在电磁辐射的隐患，所以系统的屏据(包括过程值，设定点，停止位，AT启动位， AT 闭接地要求必需安全可靠。且由于高频功率只在停止位，和其它基本数据)在CIO区的特殊I/O 单导体表面传输，即通常所称的“趋肤效应”。因元区，初始化数据和操作参数包括(报警SV，控此，接地铜带应该拥有尽可能大的表面积。 制周期，比例率，积分时间和其他参数)在DM 区的5.6 接地设计 特殊I/O 单元区。 信号屏蔽接地:仪器仪表、传感器与plc之 温控单元的温度控制要求的设定通过其面板间的信号传输均使用屏蔽导线，屏蔽层两端接在上的DIP开关设定，第2针选择的温度单位、第3针部件插头两端的接地端子上或测试对象附近的接 5 地点上。 磁控溅射镀膜设备采用嵌入式一体化工控机 工作接地:溅射室必须接地，以保证溅射时与PLC相结合的控制方式，提高了系统集成度，实阴阳极的形成。 现了系统的监视、控制、报警、数据记录、查询 安全接地:真空泵、溅射电源、机壳等全部等功能，同时具备运行可靠、稳定、操作方便、都单独用安装导线连接到地线汇流排上。 控制精度高等优点，具有良好的发展前景。6 结束语 参考文献: [1]OMRON可编程控制器编程手册.[M] [2]MCGS工控组态软件嵌入版用户手册.[M] [3]李云奇. 真空镀膜技术与设备设计安装及操作维护实用手册[M]. 北京:化学工业出版社,2006. [4]maxon motor直流电机控制用户手册.[M] [5]PFEIFFER VACUUM pkr251 operating manual.[M] [6]MKS Type 1179A Mass-Flo Controller Instruction Manual.[M] 6