GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳偉，李坤

安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001

光電陰極的材料是光電發(fā)射的出射電子能量、暗發(fā)射電流和分布量子效率等重要性能參數(shù)的決定性因素［1］。GaN（氮化鎵）基材料在高性能的紫外光光電探測(cè)器、電子束平版印刷術(shù)、高亮度彩色發(fā)光二極管、短波長(zhǎng)激光二極管、大功率半導(dǎo)體器件、工業(yè)設(shè)備和白色家電以及汽車的電源、電路與電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［2］。GaN 光電陰極的制備包括GaN 材料的生長(zhǎng)、GaN 光電陰極的凈化和激活［3］。GaN 材料的生長(zhǎng)是在高溫下，通過高純的TMGa（三甲基鎵）分解出Ga，再和NH3進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)［4］，目前制備GaN外延生長(zhǎng)的主要方法是金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）［5］；GaN 光電陰極的凈化是先進(jìn)行化學(xué)清洗，然后送入超高真空實(shí)驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行高溫退火凈化［6］；GaN 光電陰極的激活是在超高真空實(shí)驗(yàn)倉(cāng)中進(jìn)行的，激活過程中用氘燈從反射式方向照射GaN光電陰極［7］，并對(duì)樣品采用Cs 源持續(xù)照射、O 源斷續(xù)照射的方法進(jìn)行激活［8］。

超高真空系統(tǒng)需要根據(jù)不同的超高真空度、溫度、無油性等工藝要求研究設(shè)計(jì)不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如盧少波等設(shè)計(jì)了空間行波管專用排氣工藝極高真空系統(tǒng)［9］，張磊等設(shè)計(jì)了低溫波蕩器超高真空系統(tǒng)［10］，楊鋼設(shè)計(jì)了原子相位剪切干涉儀超高真空系統(tǒng)［11］。上述文獻(xiàn)均未涉及可視化和數(shù)字化的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。我們針對(duì)GaN 光電陰極的凈化與激活所需大于或等于10-8Pa 的超高真空度、生長(zhǎng)和凈化所需溫度、制備時(shí)間和升降機(jī)構(gòu)等的工藝要求，研究設(shè)計(jì)了其超高真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及基于PLC（可編程控制器）和組態(tài)軟件的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統(tǒng)包括超高真空抽取裝置和高溫退火凈化裝置。

1.1 超高真空抽取裝置設(shè)計(jì)

超高真空抽取裝置具體設(shè)計(jì)如圖1 所示。先將分子泵與前級(jí)閥串聯(lián)，再和旁路閥并聯(lián)。并聯(lián)氣路的一端接高真空閥后再接向真空室；并聯(lián)氣路的另一端和機(jī)械泵串聯(lián)，機(jī)械泵的另一端和大氣相通。另用濺射離子泵與高真空閥的電動(dòng)濺射離子泵閥連接后與真空室相接。再用鈦升華泵與高真空閥的電動(dòng)鈦升華泵閥連接后與真空室相接。

圖1 超高真空系統(tǒng)人機(jī)界面

使用機(jī)械泵和分子泵進(jìn)行預(yù)抽，再用濺射離子泵和鈦升華泵進(jìn)一步抽取真空，通過四級(jí)抽空和排放裝置，以達(dá)到工藝要求。其操作方法和特點(diǎn)如下。

（1）工作時(shí)，開啟旁路閥及機(jī)械泵，先抽氣到10 Pa 以下，關(guān)閉旁路閥；再開啟前級(jí)閥和分子泵，抽空倉(cāng)本底，然后通氣調(diào)至工作真空。

（2）分子泵采用分子篩吸附泵抽取活性氣體和惰性氣體氬。

（3）為快速抽氣，采用抽氣速率大的鈦升華泵。由于鈦升華泵吸附惰性氣體差，而濺射離子泵能抽惰性氣體和甲烷，因此采用濺射離子泵與鈦升華泵組成復(fù)合鈦泵，從而快速達(dá)到所要求的超高真空度。

1.2 高溫退火凈化裝置設(shè)計(jì)

高溫退火可減少GaN 陰極樣品中的寄生電容和各種缺陷，以改善樣品材料的結(jié)晶屬性，又可以改善GaN 陰極樣品的表面質(zhì)量，是提高GaN 陰極樣品光譜響應(yīng)的一種有效方法［12］。高溫退火凈化裝置包括樣品升降機(jī)構(gòu)、加熱工作臺(tái)、鹵鎢加熱燈和測(cè)溫?zé)犭娕疾考Ｔ谡婵窄h(huán)境下，通過升降機(jī)構(gòu)將樣品送至真空實(shí)驗(yàn)艙中，并持續(xù)高溫加熱樣品一定時(shí)間完成退火。

1.3 超高真空系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

超高真空系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)即對(duì)機(jī)械泵、分子泵、離子泵、鈦升華泵、電動(dòng)前級(jí)閥、電動(dòng)高真空閥、電動(dòng)旁路閥、電動(dòng)離子泵閥、電動(dòng)鈦升華泵閥及升降機(jī)等的自動(dòng)控制，以及以下功能的實(shí)現(xiàn)：升降機(jī)的升和降互鎖，即上升、下降不會(huì)同時(shí)動(dòng)作；機(jī)械泵和分子泵連鎖，即必須在機(jī)械泵啟動(dòng)后，分子泵方可啟動(dòng)。

1.4 自動(dòng)控溫?cái)?shù)字化控制

通過溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)真空倉(cāng)中的溫度進(jìn)行自動(dòng)控溫?cái)?shù)字化控制，具有超溫自動(dòng)保護(hù)功能和聲音提示。

2 GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空監(jiān)控系統(tǒng)

GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案如圖2 所示。

圖2 超高真空監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案

GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空監(jiān)控系統(tǒng)采用PLC 為控制中心，操作單元將手動(dòng)或自動(dòng)控制信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元，系統(tǒng)控制單元控制其相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；數(shù)據(jù)采集單元將執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作狀況及工藝參數(shù)等數(shù)字量信號(hào)數(shù)據(jù)輸入到工控機(jī)中的組態(tài)軟件構(gòu)成的人機(jī)界面（HMI），人機(jī)界面與系統(tǒng)控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，組成帶反饋的閉環(huán)控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的具體硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3.1 控制器

選用西門子S7-200 CPU226 型PLC 為主控制單元，CPU 226 具有24 個(gè)開關(guān)量輸入端口和16 個(gè)開關(guān)量輸出端口。其I/O 端口數(shù)量不夠，外加擴(kuò)展模塊EM DR16，其為8 個(gè)數(shù)字量輸入端口和8 個(gè)輸出端口模塊。采用先進(jìn)的PLC 作為控制器，極大優(yōu)化了陰極制備真空裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力。

3.2 操作單元

包括自動(dòng)控制開/關(guān)、旁路閥開/關(guān)、高真空閥開/關(guān)、前級(jí)閥開/關(guān)、離子泵閥開/關(guān)、鈦升華泵閥開/關(guān)、排氣閥開/關(guān)、機(jī)械泵開/關(guān)、分子泵開/關(guān)、離子泵開/關(guān)、鈦升華泵開/關(guān)、加溫開/關(guān)、升降機(jī)構(gòu)升/降和旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖共27 個(gè)控制按鈕。

將操作單元的控制信號(hào)通過PLC 的數(shù)字量輸入端輸入到系統(tǒng)控制單元。為加強(qiáng)抗干擾能力，并使光電信號(hào)分開，操作單元與PLC 電連接的中間均加有光電耦合器。

3.3 數(shù)據(jù)采集單元

包括真空度和溫度的數(shù)據(jù)采集。使用數(shù)字式真空度傳感器和數(shù)字式溫度傳感器讀取真空度和溫度數(shù)據(jù)，再通過串口輸入到工控機(jī)中，組態(tài)軟件讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)，再發(fā)送到PLC 中進(jìn)行處理。

3.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括旁路閥、高真空閥、前級(jí)閥、離子泵閥、鈦升華泵閥、機(jī)械泵、分子泵、離子泵、鈦升華泵、加溫、機(jī)構(gòu)升/降共12 個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)，均與PLC 的數(shù)字量輸出端相連，控制相關(guān)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的啟/停，上述閥門均為電動(dòng)閥門。

PLC 讀取旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖輸入端的脈沖信號(hào)，經(jīng)處理后將數(shù)字量脈沖輸出端口輸出的控制脈沖發(fā)至陰極進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)升降機(jī)構(gòu)高度的控制。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)界面

工控機(jī)的人機(jī)界面采用北京亞控科技發(fā)展有限公司出品的通用型工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控組態(tài)王軟件V7.5?？刂平缑嫒鐖D1 所示，在人機(jī)界面中具有自動(dòng)加工開/關(guān)按鈕、升降機(jī)構(gòu)升/降按鈕，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕，可進(jìn)行相應(yīng)操作。人機(jī)界面中實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前真空激活室中的真空度、溫度和升降高度數(shù)值。在人機(jī)界面中當(dāng)相應(yīng)的閥門打開時(shí)，閥門顯示為黃色；當(dāng)相應(yīng)的閥門關(guān)閉時(shí)，閥門顯示為藍(lán)色。當(dāng)相應(yīng)的泵運(yùn)行時(shí)，其為閃爍狀態(tài)；停止時(shí)，狀態(tài)保持不變。人機(jī)界面中還有歷史數(shù)據(jù)查詢按鍵，具有對(duì)以前加工的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析的功能。

5 監(jiān)控系統(tǒng)的工藝控制方法

控制方法的工藝流程如圖4 所示。

圖4 控制方法的工藝流程

當(dāng)操控臺(tái)上的自動(dòng)開按鈕被按下時(shí)，開始加溫。當(dāng)溫度加熱到設(shè)定值時(shí)，停止加溫；當(dāng)溫度低于設(shè)定下限時(shí)，開啟加溫。對(duì)陰極制備真空裝置的加工溫度進(jìn)行加溫并保溫。

操控臺(tái)上的自動(dòng)開按鈕被按下的同時(shí)，進(jìn)行初抽，先開啟電動(dòng)旁路閥，然后開啟機(jī)械泵；當(dāng)真空度小于或等于10 Pa 時(shí)，開啟電動(dòng)高真空閥，隨后開啟電動(dòng)前級(jí)閥，再開啟分子泵；然后開啟電動(dòng)離子閥，隨后開啟離子泵［13］。當(dāng)真空度小于或等于10-3Pa 時(shí)，開啟電動(dòng)鈦升華泵閥，隨后開啟鈦升華泵；然后進(jìn)行更進(jìn)一步的抽空，直到真空度達(dá)到加工要求為止［14］。

當(dāng)真空度滿足加工要求，且溫度達(dá)到所設(shè)定值，此時(shí)若按下升降機(jī)構(gòu)的升按鈕，則升降機(jī)構(gòu)開始上升；當(dāng)上升到設(shè)定的高度時(shí)，升降機(jī)構(gòu)停止，開始高溫退火加工；加工時(shí)間完成后，使用磁力轉(zhuǎn)運(yùn)桿送至激活室進(jìn)行激活。整個(gè)過程中，升降機(jī)構(gòu)的上升、下降互鎖，不會(huì)同時(shí)動(dòng)作。

當(dāng)按下操控臺(tái)上的自動(dòng)關(guān)按鈕時(shí)，真空實(shí)驗(yàn)倉(cāng)停止加溫，同時(shí)，依次關(guān)閉鈦升華泵、鈦升華泵閥、離子泵、離子閥、分子泵、前級(jí)閥、高真空閥、機(jī)械泵、旁路閥，最后結(jié)束自動(dòng)加工過程。

整個(gè)控制程序用西門子PLC 軟件STEP 7 S7-200 Explorer V2.0.0.27 編寫，其采用PLC 指令表語言編寫的部分程序如下：

LD M1.1； LD T120； O Q2.1； ALD；LD M3.0； A Q3.1；LD T103； O Q2.1；ALD； AN M0.3； OLD； AN M4.0； = Q2.1；LD I1.5； AN M11.5； LD I1.6； AN M11.6；OLD； LD I1.7； AN M11.7； OLD； LD I2.0； AN M12.0。

6 結(jié)論

采用PLC 和組態(tài)軟件控制的GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統(tǒng)，可用于極高真空度的無油真空系統(tǒng)中，系統(tǒng)進(jìn)入高真空的時(shí)間短，機(jī)械泵、分子泵、離子泵和鈦升華泵組合系統(tǒng)的使用與維護(hù)方便，成本低廉。GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統(tǒng)具有完整的可視化和數(shù)字化，系統(tǒng)加工操作簡(jiǎn)便、直觀，顯著提高了陰極制備真空裝置的可靠性、穩(wěn)定性和自動(dòng)化程度，抗干擾能力強(qiáng)，這是傳統(tǒng)繼電器控制所無法比擬的。自動(dòng)控制系統(tǒng)的可視化和數(shù)字化適用于其他超高真空系統(tǒng)，可促進(jìn)超高真空裝置的應(yīng)用和工藝水平的提高。