基于PLC的原子沉積設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄒兆瑞，李壯舉，曹少中，陳強(qiáng)，史子棋

基于PLC的原子沉積設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

鄒兆瑞1，李壯舉1，曹少中2，陳強(qiáng)2，史子棋1

（1.北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，北京 102616；2.北京印刷學(xué)院，北京 102600）

為提高原子沉積鍍膜工藝的可靠性，穩(wěn)定薄膜質(zhì)量，設(shè)計基于可編程邏輯控制器（PLC）的一種原子層沉積設(shè)備控制系統(tǒng)。針對工作原理和工藝需求，根據(jù)傳感器和執(zhí)行器的特點，確定了以西門子S7–200 Smart PLC為控制器，以昆侖通態(tài)1070Gi觸摸屏作為人機(jī)界面的硬件系統(tǒng)方案，實現(xiàn)所有邏輯控制；并利用PLC的晶體管輸出端子，采用“PID+PWM”技術(shù)進(jìn)行加熱區(qū)域溫度控制。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了原子沉積鍍膜一鍵操作，保證了鍍膜過程中高精度溫度均勻性要求（±1 ℃），確保了設(shè)備的可靠性和沉積薄膜的可重復(fù)性。經(jīng)實際應(yīng)用，證明該控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、誤差小、自動化程度高等優(yōu)點，達(dá)到了工藝要求。

原子層沉積；PLC；溫度控制；脈沖寬度調(diào)制

原子層沉積（Atomic Layer Deposition，ALD）鍍膜是一種可以將物質(zhì)以單原子膜的形式逐層鍍在基底表面的真空鍍膜方法[1]。自1977年，芬蘭的頌多拉（Tuomo Suntola）博士發(fā)明以來，原子層沉積技術(shù)已經(jīng)逐漸成為了一項沉積功能薄膜的重要技術(shù)，具有保型性高、薄膜質(zhì)量高、表面均勻性好、厚度可精確控制、無孔性等優(yōu)點。

近年來，原子層沉積鍍膜技術(shù)在國家重點聚焦的高端制造，特別是微電子這一卡脖子領(lǐng)域得到越來越多的重視，如在能源領(lǐng)域，ALD技術(shù)在太陽能電池傳輸層材料制備、減反薄膜制備、鈍化層薄膜的制備等都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，為太陽能電池電能優(yōu)化設(shè)計和高效利用提供重要支持；在半導(dǎo)體領(lǐng)域，因其制備的薄膜高度均勻和高度保型，大大提高了微電子器件如芯片、存儲器、互連線等性能，故得到廣泛應(yīng)用，是解決國家關(guān)鍵“卡脖子”問題亟待突破的技術(shù)之一；除此之外，因為原子層沉積薄膜致密、無缺陷，在有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）、電子發(fā)光元件、柔性印刷電子器件、柔性穿戴電子設(shè)備等的封裝方面成為首選方法[2-7]。

在原子沉積薄膜過程中，控制系統(tǒng)對前驅(qū)體及反應(yīng)腔室溫度、反應(yīng)真空度、氣體流量和配比等參數(shù)的精準(zhǔn)控制是影響薄膜生長的至關(guān)重要因素[8]。同時，因為原子層沉積薄膜生長速度很慢，沉積100 nm薄膜需要工作時間很長，設(shè)備的穩(wěn)定性和可重復(fù)性也非常重要，因此研制精度高、造價低、集成性強(qiáng)的原子層沉積控制系統(tǒng)顯得尤為重要。目前國外公司如Beneq、Picosun等有相關(guān)成套原子層沉積鍍膜設(shè)備生產(chǎn)經(jīng)驗，但其設(shè)備購置周期長，且造價高昂，同時也存在一定的不足，如為了達(dá)到溫度的精確控制，設(shè)備體積龐大等。國內(nèi)ALD技術(shù)處于初級發(fā)展階段，原子層沉積設(shè)備主要還處于高校實驗室應(yīng)用階段；僅有少數(shù)企業(yè)有相關(guān)研發(fā)，例如：嘉興科民、無錫邁納德等有銷售，但相比于國外公司，其自動化程度有待改進(jìn)，缺乏核心競爭力，因此，需要盡快在控制方面建立配套方案，提高生產(chǎn)效率，穩(wěn)定生產(chǎn)品質(zhì)。

文中針對北京印刷學(xué)院新研發(fā)的原子層沉積設(shè)備，設(shè)計一種基于小型可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）與觸摸屏人機(jī)界面（Human Machine Interaction，HMI）結(jié)合的自動控制系統(tǒng)，用戶只需設(shè)定工藝參數(shù)即可一鍵式操作，集溫度、氣壓在線觀察，數(shù)據(jù)運算、邏輯控制、生產(chǎn)配方可選擇和存儲等任務(wù)于一體，由PLC+HMI為核心的控制系統(tǒng)實現(xiàn)[9-12]，提高鍍膜的自動化程度，增加設(shè)備穩(wěn)定和可重復(fù)性。

1 原子沉積設(shè)備的工作原理與硬件結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

本原子層沉積系統(tǒng)示意圖見圖1。其中編號1—10為設(shè)備電磁閥，11為氣體質(zhì)量流量計，12為設(shè)備真空反應(yīng)腔，13為真空泵。原子層沉積鍍膜的主要工藝流程為：在規(guī)定的條件下（如確定的溫度、放電功率），設(shè)備的反應(yīng)腔抽到一定的真空度后，打開電磁閥，使前驅(qū)體脈沖輸入反應(yīng)腔，使其在基片表面進(jìn)行吸附反應(yīng)，然后脈沖輸入一定惰性載氣（N2或者Ar），利用惰性氣體吹走剩余沒有反應(yīng)的前驅(qū)體和反應(yīng)副產(chǎn)物，再脈沖輸入氧化物，和開始吸附的單體反應(yīng)，生長一個原子層薄膜。循環(huán)此工藝過程實現(xiàn)薄膜沉積。用戶可根據(jù)需求改變前驅(qū)體成分和輸入量、循環(huán)次數(shù)、溫度、氣壓等以控制薄膜沉積的成分與厚度。

圖1 原子層沉積系統(tǒng)示意圖

1.2 硬件結(jié)構(gòu)

原子層沉積系統(tǒng)工藝流程中含有多種物理量，選用PLC+HMI為核心的控制系統(tǒng)為方案，主要包括3個層面：人機(jī)界面、控制器、執(zhí)行器和傳感器[13]，見圖2。

1.2.1 系統(tǒng)的傳感器和執(zhí)行器

1）傳感器。電阻真空變送器，用來測量鍍膜反應(yīng)腔內(nèi)的實時壓力，產(chǎn)生0～10 V電壓信號接入PLC模擬量輸入模塊；熱電阻Pt100，用來測量系統(tǒng)加熱的溫度，產(chǎn)生的電流信號接入PLC的熱電阻模塊。

2）執(zhí)行器。電磁閥用于控制設(shè)備各段氣體的通斷，小型變壓器驅(qū)動設(shè)備用于反應(yīng)腔內(nèi)真空條件下的放電提供電源，均接入PLC數(shù)字量輸出模塊進(jìn)行控制；交流220 V加熱帶與加熱套，接入固態(tài)繼電器，接收來自PLC經(jīng)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的控制信號；氣體質(zhì)量流量計，用于調(diào)節(jié)氣體流通開度，接入PLC模擬量輸出模塊，接收0～5 V的電壓控制信號。

圖2 原子沉積設(shè)備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.2.2 控制器

本設(shè)備的控制邏輯較為復(fù)雜，控制點數(shù)較多，控制精度要求高。據(jù)此，PLC選用西門子公司生產(chǎn)的S7–200 Smart ST20可編程控制器，其基本指令執(zhí)行時間可達(dá)0.15 μs，晶體管型數(shù)字量輸出觸點可頻繁通斷，且該PLC具有PID與PWM向?qū)Чδ?，可接?個擴(kuò)展模塊和1個信號板，適用于I/O點數(shù)較多、邏輯控制較為復(fù)雜的小型工程?？刂葡到y(tǒng)的I/O變量見表1。通過STEP 7–MicroWIN SMART軟件對PLC編程。

表1 PLC主要變量

1.2.3 人機(jī)界面

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與可靠性，人機(jī)界面硬件選用昆侖通態(tài)10寸1070Gi四線電阻式觸摸屏，由24 V直流供電，觸摸屏與PLC之間通過以太網(wǎng)口進(jìn)行連接。利用MCGS Pro組態(tài)軟件進(jìn)行界面設(shè)計，除了電磁閥通斷、溫度設(shè)定等操作區(qū)域外，界面還顯示了系統(tǒng)實時溫度、氣壓等運行動態(tài)，用于對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和修改。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

設(shè)備的功能要求：在接通電源后，用戶在觸摸屏中設(shè)定工藝參數(shù)，包括沉積溫度、流量計開度、前驅(qū)體預(yù)熱溫度、前驅(qū)體脈沖輸入時間、惰性氣體清洗時間、氧化物輸入時間、等離子體作用時間、鍍膜周期次數(shù)和沉積層數(shù)等。設(shè)備運行后，自動進(jìn)行薄膜沉積，運行到設(shè)定循環(huán)周期數(shù)，設(shè)備自動停機(jī)。根據(jù)此要求，進(jìn)行PLC與觸摸屏設(shè)計，達(dá)到控制目的。

2.1 PLC程序設(shè)計

PLC的程序設(shè)計主要分為兩部分：系統(tǒng)邏輯控制和高精度加熱控制。

根據(jù)設(shè)備的功能要求，系統(tǒng)設(shè)有1個總循環(huán)和6個層循環(huán)，控制邏輯流程圖見圖3。

系統(tǒng)運行時，每個循環(huán)中都有3個狀態(tài)：判斷本層是否處于總循環(huán)之中、本層正在循環(huán)、層循環(huán)結(jié)束。系統(tǒng)自動運行后，判斷本層是否在鍍膜循環(huán)之中。若是，則執(zhí)行層鍍膜，達(dá)到鍍膜設(shè)定層數(shù)后層循環(huán)結(jié)束；若否，則直接到達(dá)層循環(huán)結(jié)束。層循環(huán)判定結(jié)束后，進(jìn)入下一層鍍膜，進(jìn)行同樣的判斷，類推直至總循環(huán)結(jié)束。

圖3 控制邏輯流程

其中每層循環(huán)有3種條件可以判斷層循環(huán)結(jié)束：鍍膜層數(shù)到達(dá)設(shè)定層數(shù)；用戶在觸摸屏界面提前按下“Next Layer”跳轉(zhuǎn)至下一個層循環(huán)；用戶設(shè)定本層不執(zhí)行或者執(zhí)行層數(shù)為0。

在鍍膜過程中，反應(yīng)溫度區(qū)間由單體類型和沉積的薄膜決定，溫度過高或者過低都會影響薄膜的成膜質(zhì)量和性能[14]?，F(xiàn)要求溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于±1 ℃；過渡過程的最大超調(diào)量小于2 ℃。由于被控對象的保溫性能良好且沒有散熱措施，存在較大的慣性，所以利用開關(guān)量進(jìn)行簡單的閾值控制容易出現(xiàn)過大超調(diào)，很難實現(xiàn)精準(zhǔn)有效的調(diào)節(jié)，這會影響鍍膜質(zhì)量，甚至導(dǎo)致鍍膜失效[15]。故該系統(tǒng)采取PID+PWM控制開關(guān)量加熱裝置的控制方法，使被控溫度更好地追蹤設(shè)定值，達(dá)到控制效果，圖4為系統(tǒng)加熱部分方框圖。

本設(shè)備共有6組加熱設(shè)備，雖然選用的ST20 PLC僅支持2路高頻PWM，但在加熱過程中，PWM將設(shè)定較長周期，頻率要求不高，考慮到經(jīng)濟(jì)適用性，利用其CPU自帶晶體管輸出，便可滿足加熱要求。故本系統(tǒng)在晶體管輸出觸點的硬件基礎(chǔ)上，利用“PID+PWM”方法進(jìn)行加熱，既可節(jié)約成本，又能達(dá)到控制效果[16]。圖5為加熱部分梯形圖程序。

圖4 系統(tǒng)加熱部分方框圖

圖5 加熱部分梯形圖

在PWM周期為10 s的條件下，使用響應(yīng)曲線法對PID參數(shù)進(jìn)行整定，得到可滿足控制要求的PID參數(shù)見表2。

表2 PID參數(shù)

2.2 觸摸屏程序

觸摸屏的層循環(huán)監(jiān)控界面見圖6。除人機(jī)交互以外，觸摸屏還完成部分量程變換和數(shù)值計算，如反應(yīng)腔內(nèi)部壓強(qiáng)計算，計算式為：

式中：為反應(yīng)腔內(nèi)壓強(qiáng)；為電阻真空變送器輸出電壓。

電阻真空變送器輸出電壓的范圍為0～10 V，對應(yīng)AE04模塊模擬量輸入量程范圍為0～27 648。在觸摸屏通道處理設(shè)置中進(jìn)行量程變換，得到設(shè)備實際輸出電壓，并在后臺運行策略中加入大氣壓強(qiáng)運行策略，以實時計算真空計示數(shù)[17]。

人機(jī)界面使用MCGS Pro組態(tài)軟件設(shè)計，加入配方讀寫系統(tǒng)，用戶可根據(jù)生產(chǎn)或?qū)嶒炐枰?，成套存儲或讀取原子層沉積鍍膜方案，記錄設(shè)定狀態(tài)，避免不同原子沉積之間切換后，繁雜的參數(shù)設(shè)定，如果通過局域網(wǎng)互聯(lián)，用戶亦可將實驗數(shù)據(jù)、配方、曲線等上傳至云進(jìn)行存儲或下載至網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

3 測試結(jié)果及分析

除了邏輯控制完全正確之外，在溫度控制效果方面，根據(jù)表2參數(shù)進(jìn)行實際調(diào)試[18]，分別從室溫升至60、80、150 ℃，測得系統(tǒng)各項性能指標(biāo)見表3。在上升時間較快的前提下，加熱的整個過程中，設(shè)備最大溫度超過設(shè)定溫度均小于0.8 ℃，確保了被控溫度在跟蹤過程的相對穩(wěn)定性；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，被控溫度的穩(wěn)態(tài)誤差在0.3 ℃以內(nèi)，確保了溫度控制的準(zhǔn)確性，達(dá)到了原子沉積鍍膜預(yù)期的溫度要求。

在工藝操作方面，設(shè)備運行后，控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)單步手動的煩瑣工藝操作，簡化了工藝操作流程，可一次性完成原子層薄膜沉積，促進(jìn)薄膜沉積工藝的自動化控制，表4為原手動操作設(shè)備與文中備鍍膜耗時對比。在鍍膜過程中，自動控制系統(tǒng)的報警組態(tài)實時監(jiān)控設(shè)備部件的行狀態(tài)，在誤操作、設(shè)備故障等的情況下，及時報警提醒操作人員；在鍍膜結(jié)束后，可生成報表以供操作人員總結(jié)歸檔，有效降低工作人員的誤操作概率，保證工作效率，提高鍍膜工藝的成功率。

圖6 觸摸屏的層循環(huán)監(jiān)控界面

表3 PID+PWM控制算法性能指標(biāo)

表4 耗時對比

4 結(jié)語

為提高原子沉積鍍膜的可靠性，穩(wěn)定性和可重復(fù)性，根據(jù)設(shè)備的生產(chǎn)要求，設(shè)計了基于“PLC+HMI”的配套控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器、執(zhí)行器之間協(xié)調(diào)配合，利用PID+PWM的控制方案實現(xiàn)了溫度的精準(zhǔn)控制，并且實現(xiàn)數(shù)據(jù)化的生產(chǎn)配方存儲、狀態(tài)監(jiān)控等。經(jīng)過調(diào)試和實際使用，原子沉積鍍膜系統(tǒng)具有良好的可靠性和較高的工作效率，對ALD技術(shù)在國內(nèi)的推廣使用具有積極作用。

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Design and Realization of Atomic Deposition Equipment Control System Based on PLC

ZOU Zhao-rui1, LI Zhuang-ju1, CAO Shao-zhong2, CHEN Qiang2, SHI Zi-qi1

(1.School of Electrical and Information Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 102616, China; 2.Beijing Institute of Graphic Communication, Beijing 102600, China)

The work aims to design an atomic layer deposition equipment control system based on programmable logic controller (PLC) to improve the reliability of atomic deposition coating process and stabilize the film quality. According to the working principle and process requirements, as well as the characteristics of sensors and actuators, a hardware system scheme with Siemens S7-200 Smart PLC as the controller and MCGS 1070Gi touch screen as the man-machine interface was determined. All logic control was realized; and the "PID+PWM" technology was used to control the temperature of the heating area with the transistor output terminal of the PLC. The control system realized one-key operation of atomic deposition coating, which ensured high-precision temperature uniformity requirements (±1°C) during the coating process, and ensured equipment reliability and repeatability of deposited films. After practical application, it is proved that the control system has the advantages of good stability, small error and high degree of automation, and meets the technological requirements.KEY WORDS: atomic layer deposition; PLC; temperature control; pulse width modulation (PWM)

TP23

A

1001-3563(2023)01-0162-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.01.018

2022?03?03

國家自然科學(xué)基金（11875090）；北京市教委聯(lián)合項目（KZ202010015021）；北京市屬高校高水平創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)計劃項目（IDHT20190506）

鄒兆瑞（1997—），男，碩士生，主攻控制工程。

李壯舉（1975—），男，博士，副教授，主要研究方向為建筑節(jié)能、復(fù)雜系統(tǒng)控制、機(jī)器人控制技術(shù)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋