本文對XJPD-900磁控濺射生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，重點對應(yīng)用PLC和iFix組態(tài)軟件實現(xiàn)工藝過程自動控制以及EXCEL表格數(shù)據(jù)存儲等的程序做了設(shè)計分析，完成了整機(jī)的工藝試驗。設(shè)備使用證明控制系統(tǒng)界面清晰友善、操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、工藝重復(fù)性好，達(dá)到了設(shè)計目的。

　　不同于以往的非晶太陽能電池背電極磁控濺射生產(chǎn)線和大型幕墻玻璃磁控濺射生產(chǎn)線，XJPD-900是一臺只有一個濺射室的三靶雙端生產(chǎn)線。它可以為直徑φ500的厚金屬圓盤濺射鍍膜，為生產(chǎn)靶材的下道焊接工序創(chuàng)造條件，以便于金屬焊接。

1、主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

　　XJPD-900磁控濺射生產(chǎn)線是一個三室的PVD系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。中間主室是濺射室，它被分為兩個區(qū)域，即加熱區(qū)和由隔板隔離的清洗及濺射工作區(qū)。加熱區(qū)的最高烘烤溫度為300℃，加熱時工件可在此區(qū)域往復(fù)運動，直到達(dá)到工藝預(yù)設(shè)的加熱時間。工作區(qū)首先是一個線性離子源，對工件表面進(jìn)行離子轟擊清洗，然后經(jīng)過三個平面濺射靶，可反復(fù)多次分別進(jìn)行金屬鈦、鎳、銀的輝光濺射沉積。線性離子源擁有獨立的流量計。三個磁控濺射靶的工藝氣路分別通過各自的截止閥控制，匯集后在用一路質(zhì)量流量控制器恒流量地充入一種工藝氣體的同時，也可用另一套INFICON壓力控制器VCC500充入另一種工藝氣體，共同進(jìn)行恒流量和恒壓力的穩(wěn)定工藝配方參數(shù)的濺射沉積。

圖1 濺射系統(tǒng)示意圖

　　左邊的進(jìn)片室兩端分別通過進(jìn)室門及鎖閥1連接進(jìn)片臺和主工作濺射室。進(jìn)片室工件架分為5層，每次可以最多裝載5個工件。工藝沉積濺射前打開與主室連通的鎖閥1，從下到上，依次向加熱濺射區(qū)傳片并完成工藝鍍膜。右邊的出片室與進(jìn)片室結(jié)構(gòu)相同，工藝濺射中與主室連通的鎖閥2打開，用來接收濺射鍍膜工藝后的工件。多層工件架進(jìn)片裝好后，打開出室門，自動向出片臺依次出片。由于每個工件在濺射室都需要多次往返并多靶濺射以達(dá)到微米級工藝膜厚，所以濺射室每次只能有一個工件在傳片。直到沉積完成并被出片室工件架收回該工件，進(jìn)片室才可繼續(xù)下一工件的傳片。

2、控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　核心控制器選用OMRON公司的CJ1M-CUP13-ETN型PLC，用以太網(wǎng)口與上位工控機(jī)iFix組態(tài)軟件傳遞數(shù)據(jù)。工控機(jī)上的iFix組態(tài)軟件做為管理監(jiān)控整個系統(tǒng)的人機(jī)界面。工作方式為全自動一鍵連續(xù)操作模式。工藝配方參數(shù)的設(shè)置選取，EXCEL表格格式的實時數(shù)據(jù)存儲等都在工控機(jī)上完成，觸摸屏只做為手動維護(hù)操作臨時的工具選用。

　　PLC控制的烘烤溫度、變頻器傳動的速度、工作壓力、氣體流量、電源功率參數(shù)，通過串口或AD/DA模塊傳遞，其余均為開關(guān)量或PLC及工控機(jī)內(nèi)部模擬量參數(shù)�？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3、人機(jī)界面軟件設(shè)計

　　iFix組態(tài)軟件是一種性能優(yōu)秀、運行穩(wěn)定可靠的工業(yè)控制平臺，各種組態(tài)靈活豐富，適合用來做生產(chǎn)設(shè)備人機(jī)監(jiān)控界面的快速開發(fā)。XJPD-900是一臺全自動的生產(chǎn)設(shè)備，在進(jìn)入控制系統(tǒng)軟件界面后，如果系統(tǒng)有任何報警信息是無法啟動自動程序的。為確保工藝參數(shù)，操作者必須首先確定工藝配方參數(shù)，下載后才能分段或連續(xù)啟動自動真空和自動工藝程序。設(shè)計完成后的人機(jī)界面主要包含主控畫面和工藝參數(shù)配置畫面。

　　系統(tǒng)主控畫面如圖3所示。報警信息會在系統(tǒng)畫面中實時彈出，處理后故障消失自動恢復(fù)正常工作。工藝配方和實時數(shù)據(jù)的存儲則在參數(shù)配置畫面存取修改或選擇實時數(shù)據(jù)的存儲間隔周期。實時數(shù)據(jù)的存儲是以EXCEL表格形式按照輸入配方名稱加時間標(biāo)記做為文件名，通過選擇定時器存儲數(shù)據(jù)定時間隔秒數(shù)，秒數(shù)每到達(dá)一次，增加一行數(shù)據(jù)記錄并保存在硬盤上，方便查閱。但定時器是人為手動操作啟動和停止

　　的。圖4給出了iFix組態(tài)軟件儲存EXCEL實時數(shù)據(jù)的定時器事件觸發(fā)VBA腳本程序。

圖3 系統(tǒng)主控畫面

圖4 EXCEL實時數(shù)據(jù)存儲VBA腳本

4、PLC程序的軟件設(shè)計

　　自動程序分為自動真空、自動工藝和自動關(guān)機(jī)三個過程。其中前兩個過程可根據(jù)配置連續(xù)或分開執(zhí)行。自動關(guān)機(jī)必須在完成當(dāng)前自動工藝后的等待過程時才能執(zhí)行。自動工藝程序流程圖如圖5所示。

圖5 PLC自動工藝程序流程圖

　　啟動自動程序后，系統(tǒng)將按照下載的工藝配方參數(shù)運行。首先進(jìn)行系統(tǒng)冷卻水和壓縮氣等的檢測，確認(rèn)無任何報警后，將四組分子泵前級抽空并啟動分子泵，直到轉(zhuǎn)速正常。此時將抽氣分別從前級轉(zhuǎn)為預(yù)抽真空室，但濺射室轉(zhuǎn)換的條件是對應(yīng)的兩臺分子泵都達(dá)到轉(zhuǎn)速正常。在經(jīng)過機(jī)械泵粗抽和分子泵主抽轉(zhuǎn)換后，各室壓力均被抽到2×10-3Pa本底真空時，可以執(zhí)行自動工藝程序。自動工藝是可以循環(huán)進(jìn)行的，只要進(jìn)室裝載的工件按程序依次全部傳出進(jìn)片室，鎖閥1關(guān)閉并充氣準(zhǔn)備重新裝片進(jìn)行新的循環(huán)。裝片數(shù)量按照參數(shù)配方可以選擇每次1～5片。同樣，出片室完成參數(shù)配方中選擇的裝片數(shù)量后，鎖閥2關(guān)閉并充氣準(zhǔn)備卸載工件，直至最后一個工件傳送到出片臺，關(guān)出室門進(jìn)行下次循環(huán)的自動工藝真空抽氣。

　　自動濺射工藝時，每個工件可以按照參數(shù)配方設(shè)置的最大99次的往返次數(shù)，在離子源或任何靶下往返清洗和沉積鍍膜，并且鍍膜靶的先后次序可以任意設(shè)定，直到滿足工藝厚度。

5、工藝試驗與改進(jìn)

　　由于用戶希望在高壓強(qiáng)下濺射沉積，所以最初設(shè)計選用VCC500壓強(qiáng)計時配的是1Torr的薄膜規(guī)。多次調(diào)節(jié)試驗表明，壓強(qiáng)在10-1Pa數(shù)量級時，壓強(qiáng)穩(wěn)定響應(yīng)慢且效果不好，只能在幾帕?xí)r穩(wěn)定工作。薄膜規(guī)改為0.1Torr后，壓強(qiáng)工作在100Pa~10-1Pa數(shù)量級時均穩(wěn)定正常。分析原因是1Torr的薄膜規(guī)在壓強(qiáng)為10-1Pa數(shù)量級時，信號輸出值只有幾十毫伏，偏離了VCC500壓強(qiáng)計的工作范圍。而0.1Torr薄膜規(guī)此時信號輸出值達(dá)到幾百毫伏，提高了10倍，滿足了VCC500壓強(qiáng)計的工作范圍。

　　我們在改進(jìn)后的XJPD-900磁控濺射設(shè)備系統(tǒng)上，做了多次工藝沉積試驗，并最終使用FISCHERSCOPEX-RAY系列X射線熒光鍍層測厚儀對硅片樣品進(jìn)行膜厚測試。在每個直徑φ500的厚金屬圓盤工件中心和邊緣上，分散對稱各取9點放置測試硅片。使用鈦靶時均勻性達(dá)到±2.7%×1.8μm;銀靶時均勻性為±3.9%×3.6μm;鎳靶時均勻性為±4.9%×1.7μm。完全達(dá)到設(shè)計要求。分析鈦靶均勻性優(yōu)于鎳靶均勻性的原因，主要是鈦靶磁場分布較鎳靶磁場分布均勻的緣故。

6、結(jié)論

　　XJPD-900磁控濺射設(shè)備通過工藝試驗和用戶的使用生產(chǎn)，證明整個系統(tǒng)達(dá)到或超過了合同協(xié)議指標(biāo)，控制系統(tǒng)界面清晰友善、操作方便，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、工藝重復(fù)性好，是一臺性優(yōu)良的磁控濺射生產(chǎn)設(shè)備。