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

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1、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。并重点叙述了OMRONCJ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DesignofElectricalControlSystemoftheVacuumMagnetronSputteringDeposi

2、tiononIndustrycontrolcomputerandPLCAbstrack:ThetechnologyofVacuumMagnetronSputteringDepositioniswideusedonthefieldofthinfilmmanufacture.ThedesignofControlsystemisverysignificanttoMSsystem.ThearticleintendstoexplaintheelectricalautomaticcontrolsystemofMSequ

3、ipmentonIndustrycontrolcomputerandPLC,includinghardwarestructure,worktheory,systemfunctionandthemethodofdesign.AndtheapplicationofPLCtoOMRONCJ1seriesisdescribedmostlyindetail.KeyWords:PLC(ProgrammablelogicController);Industrycontrolcomputer;MS(MagnetronSpu

4、ttering);61系统概述磁控溅射镀膜技术是一种目前广泛使用的沉积镀膜方法。由于其能有效地降低工作压强和工作电压,提高溅射速率和沉积速率,降低基片温度,减小等离子体对膜层的破坏等优点,特别适合于大面积镀膜生产，广泛应用到光学、材料、半导体、电子等领域。所谓溅射是指，在相对稳定的真空状态下，在阴阳极间施加一定的电压会产生辉光放电，极间气体分子被离子化而产生带电电荷，其中正离子受阴极负电位加速运动而撞击阴极靶材，将其原子等粒子溅出，溅出的粒子沉积在阳极基板上形成薄膜。磁控溅射是以磁场来改变电子的运动方向，并

5、束缚和延长电子的运动轨迹，从而提高了电子对工作气体的电离几率和有效地利用了电子的能量。因此，使正离子对靶材轰击所引起的靶材溅射更加有效。同时，受正交电磁场束缚的电子，又只能在其能量要耗尽时才沉积在基片上。这就是磁控溅射具有“低温”，“高速”两大特点的道理。针对磁控溅射技术的以上特点，控制系统采用先进的计算机技术及自动控制理论对溅射工艺进行检测和控制，保证了设备的稳定性和可靠性。2系统组成及工艺流程2.1设备构成及相关部件该设备主要由真空室、抽真空及测量系统、磁控溅射靶及其电源、基片架、挡屏、水冷系统、残余气

6、体分析、加热及测量、气路控制系统、工控机控制单元等组成。其中：Ø抽真空及测量系统：由分子泵、机械泵、真空阀门构成，用于对真空室抽气；Ø磁控溅射靶及其电源：通过改变电源功率改变真空室内辉光放电情况，实现对溅射速率、膜层质量的控制；Ø基片架：用于安装待镀基片，由旋转电机带动，通过调节转速对膜层均匀性进行控制；Ø挡屏：由旋转电机带动，预溅射时，遮挡在阴极靶前，防止基片污染；Ø水冷系统：设备中真空泵、溅射靶等部分在运行过程中会发热，利用水冷方式带走热量；Ø残余气体分析：高真空状态下利用质谱仪实现对真空室内气体成分进

7、行分析，以了解环境对基片成分的影响；Ø加热及测量：采用红外加热方式，烘烤基片，去除基片表面附着的水分子，同时提高膜层的结合力。加热功率2kW,最高温度350℃；Ø工控机控制单元：提供人机交互控制界面，实现对设备的监控。62.2设备工艺流程图1给出了真空磁控溅射镀膜设备的工艺流程图。图1工艺流程图Fig.1Flowchartoftechnics从图中可以了解到，一个完整的磁控溅射工艺需要的几个步骤：（1）对基片进行清洗，不同材料清洗方法不同，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

8、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,使真空室内压力在0.1～10Pa范围内；（5）预溅射，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，