基于PLC的真空镀膜机控制系统改造

摘 要：为克服传统的化学气相镀膜机电气控制缺点，开发了一套基于可编程控制器的化学气相沉积镀膜机控制系统。描述了该镀膜机控制系统的硬件结构和软件功能。对气体流量、基片温度及开关量的控制效果进行了大量的实验研究。结果表明：基片温度控制精度达到±1℃、工作（反应）气体的流量控制精度达到10mL、可以进行精确的开关量控制。应用表明：该控制系统可以实时监控并保证镀膜机的可靠运行。

关键词：化学气相沉积 镀膜机 温度 气体流量 控制 精度

1、前言

低温等离子体广泛应用于镀膜、半导体刻蚀等新材料制造领域。其中射频放电电容耦合等离子体（CCP）是射频等离子体的重要方式[1]。在射频电源作用下，平行板电极间的气体放电激发等离子体，等离子体在电磁场的作用下沉积在基片上形成薄膜。本文研究利用射频等离子体进行等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备（类）金刚石薄膜的工艺过程[2]。对原有的电气控制系统进行了改造，开发了工业控制计算机的控制系统，达到了对数据实时存储、显示和分析目的。

2、工艺简介

RF-500型CVD（化学气相沉积）镀膜机是根据射频放电电容偶合方式产生等离子体的设备，利用它可以进行化学气相沉积镀膜，其射频电源频率为13.56MHz。采用单室平行板电极电容耦合方式。目前该镀膜机可用于纳米级功能薄膜、类金刚石硬质膜、光学薄膜的生产。

RF-500型CVD镀膜机结包括RF-500型CVD镀膜机的真空室、气体入口、射频电极、等离子体、朗缪尔探针、基片架、基片加热丝、热电偶温度传感器、为基片、为放气口。

3、控制系统的组成

为了深入研究薄膜的形成机理，精确控制各种物理量以及便于对数据进一步分析，开发了RF-500型CVD镀膜机计算机控制系统。目的是实现该镀膜机镀膜过程的实时监控，并对数据进行存储和显示，提高可靠性和抗干扰性，使工作人员在友好的人机交互环境下，完成对现场设备的管理，以简化操作，提高效率。

该镀膜机的输入/输出开关量有15个，包括总电源开启/关闭、机械泵开启/关闭、进气阀开启/关闭和温控电源开启/关闭等；输入/输出模拟量有10个，如4路流量、真空度和温度等。

4、控制系统的实现

PLC系统的开关量控制要求准确快速，且控制逻辑容易更改，通过编制简单的梯形图程序就可以实现逻辑控制，即控制逻辑的软件化，这样便于控制逻辑的升级。本计算机控制系统的可编程序控制器选择松下FP2-C1型[3-4]，采用模块化设计，CPU模块具有RS232通讯端口，直接与计算机连接，其I/O模块为FP2-XY64D2T，模拟量采集模块为AD8，模拟量控制模块为DA4。

由于晶体管型PLC带负载能力有限，在工程中PLC一般不直接控制功率较大的接触器和电磁阀，而是通过控制中间继电器（KA），再由中间继电器控制接触器和电磁阀。

质量流量控制器用于对镀膜过程的气体质量流量进行控制。气体从质量流量控制器的气体入口处进入，其流量经质量流量控制器的传感器测量后，从质量流量控制器的出口流出。质量流量控制器内的流量调节阀可以连续改变开度从而连续调节气体的流量。质量流量控制器是没有控制算法的控制元件，其流量的测量信号可以通过其标准信号0-5V输出口输出，由AD8模块传送给计算机，利用计算机内编制的PID控制算法，输出控制量，再由DA4模块输出0-5V标准控制信号给质量流量控制器，使其阀的开度得到连续的控制。图1为某次流量控制实验的响应曲线。从图1可见流量的稳态误差远小于10sccm，说明实现了流量的精确控制。

图1某次流量控制实验的响应曲线图

温度控制是以温度控制器为核心。温度控制器选用日本岛电公司的SR93型，显示精度为0.3级，具有自由输入，手动输出，调节输出限幅，双设定值，双调节输出，模拟变送输出，数字通讯功能。SR93控制器采用了岛电的无超调专家PID算法，两组独立的PID参数，功能完善，能够充分满足系统控制的需求。

控制回路里，K型热电偶测量真空室内温度，并将测得的温度转换为电信号传送给SR93温度控制器，测量值与目标值相比较，经过控制器内专家PID算法运算，控制器输出0-5V标准控制信号。此控制电压经功率调节装置，使可控硅移相触发器控制可控硅在00-1800范围内移相导通，从而控制电阻丝加热，达到温度闭环反馈控制的目的。图2为某次温度控制实验的响应曲线。从图2可见温度的稳态误差小于1℃，无超调。

图2 某温度控制实验的响应曲线图

5、控制系统软件开发

本系统软件开发[5-7]是在三维力控组态软件环境下进行的，根据控制系统的实际配置与工艺要求，软件设计最终实现了以下几点功能：

（1）实现了设备运行状态的动画显示；（2）实现了数据（开关量和模拟量）的实时显示；（3）实现了各种数据的存储及历史运行数据查询和数据报表打印；（4）实现了报警。

6、结束语

对RF-500型CVD镀膜机电气控制系统进行了全面改造，实现了基于工业PC和PLC的开关量及模拟量的控制，开发的控制软件实现了控制工艺的动画显示、数据的实时显示和存储。该控制系统的投入运行表明，其工作稳定可靠，控制精度高，提高了科研效率。

参考文献

[1] 王庆，巴德纯.RH-KTB炉外精炼过程监控软件开发[J].真空与低温，2002， 8 （3）：183～185.

[2] 李崇俊，马伯信.化学气相沉积/渗透技术综述[J].固体火箭技术，1999， 1 （22）：54～58.

[3] 袁任光.集散型控制系统应用技术与实例[M]，北京：机械工业出版社，2003.

[4] 王常力，罗安. 分布式控制系统（DCS）设计与应用[M]，北京：电子工业出版社，2004.

[5] 郭宗仁.可编程序控制器及其通信网络技术[M]，北京：人民邮电出版社，1999.

[6] 李树雄，李全利.可编程控制器原理及应用教程[M]，北京：北京航空航天大学出版社.

[7] 宋伯生. PLC编程理论、算法及技巧[M]，北京：机械工业出版社，2005.