本文對XJPD-900磁控濺射生產線的控制系統(tǒng)進行了設計，重點對應用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)據存儲等的程序做了設計分析，完成了整機的工藝試驗。設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、工藝重復性好，達到了設計目的。

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

1、主機系統(tǒng)結構概述

　　XJPD-900磁控濺射生產線是一個三室的PVD系統(tǒng)，結構如圖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)域往復運動，直到達到工藝預設的加熱時間。工作區(qū)首先是一個線性離子源，對工件表面進行離子轟擊清洗，然后經過三個平面濺射靶，可反復多次分別進行金屬鈦、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

　　左邊的進片室兩端分別通過進室門及鎖閥1連接進片臺和主工作濺射室。進片室工件架分為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。右邊的出片室與進片室結構相同，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，進片室才可繼續(xù)下一工件的傳片。

2、控制系統(tǒng)硬件設計

　　核心控制器選用OMRON公司的CJ1M-CUP13-ETN型PLC，用以太網口與上位工控機iFix組態(tài)軟件傳遞數(shù)據。工控機上的iFix組態(tài)軟件做為管理監(jiān)控整個系統(tǒng)的人機界面。工作方式為全自動一鍵連續(xù)操作模式。工藝配方參數(shù)的設置選取，EXCEL表格格式的實時數(shù)據存儲等都在工控機上完成，觸摸屏只做為手動維護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，其余均為開關量或PLC及工控機內部模擬量參數(shù)�？刂葡到y(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

3、人機界面軟件設計

　　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，適合用來做生產設備人機監(jiān)控界面的快速開發(fā)。XJPD-900是一臺全自動的生產設備，在進入控制系統(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。設計完成后的人機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正常工作。工藝配方和實時數(shù)據的存儲則在參數(shù)配置畫面存取修改或選擇實時數(shù)據的存儲間隔周期。實時數(shù)據的存儲是以EXCEL表格形式按照輸入配方名稱加時間標記做為文件名，通過選擇定時器存儲數(shù)據定時間隔秒數(shù)，秒數(shù)每到達一次，增加一行數(shù)據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)據存儲VBA腳本

4、PLC程序的軟件設計

　　自動程序分為自動真空、自動工藝和自動關機三個過程。其中前兩個過程可根據配置連續(xù)或分開執(zhí)行。自動關機必須在完成當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。首先進行系統(tǒng)冷卻水和壓縮氣等的檢測，確認無任何報警后，將四組分子泵前級抽空并啟動分子泵，直到轉速正常。此時將抽氣分別從前級轉為預抽真空室，但濺射室轉換的條件是對應的兩臺分子泵都達到轉速正常。在經過機械泵粗抽和分子泵主抽轉換后，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)進行的，只要進室裝載的工件按程序依次全部傳出進片室，鎖閥1關閉并充氣準備重新裝片進行新的循環(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關閉并充氣準備卸載工件，直至最后一個工件傳送到出片臺，關出室門進行下次循環(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定，直到滿足工藝厚度。

5、工藝試驗與改進

　　由于用戶希望在高壓強下濺射沉積，所以最初設計選用VCC500壓強計時配的是1Torr的薄膜規(guī)。多次調節(jié)試驗表明，壓強在10-1Pa數(shù)量級時，壓強穩(wěn)定響應慢且效果不好，只能在幾帕時穩(wěn)定工作。薄膜規(guī)改為0.1Torr后，壓強工作在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壓強計的工作范圍。而0.1Torr薄膜規(guī)此時信號輸出值達到幾百毫伏，提高了10倍，滿足了VCC500壓強計的工作范圍。

　　我們在改進后的XJPD-900磁控濺射設備系統(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。完全達到設計要求。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、結論

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