真空太阳能集热管生产设备磁控溅射镀膜
机的自动化实现
摘要太阳能真空集热管生产设备直接影响太阳能真空集热管使用性能的好坏，其自动化的提高是保证太阳能真空集热管集热效率的关键。本文综述了太阳能真空集热管生产设备磁控溅射镀膜机的自动化技术实现，对提高太阳能真空集热管生产设备的自动化程度有一定的指导作用。
关键词太阳能真空集热管磁控溅射镀膜机设备
0 前言
真空镀膜机是太阳能真空管生产的关键设备，随着自动化技术的发展，其工艺要求及自动化程度也越来越高。最初的真空镀膜机控制系统是采用继电器控制，模拟线路板及单片机等电路组成实现控制功能，因线路繁杂以及电子元器件的不稳定造成设备性能的不稳定，并且给维修工作带来很大困难，另外操作界面不直观，误操作现象时有发生。目前,真空镀膜机已广泛采用PLC可编程器设计控制系统，该技术已相当成熟，基本取代了单片机，并采用先进的人机界面——触摸屏更加直观的人机对话，可方便地设定参数，由控制系统按工艺流程分步或自动运行。具有各种系统保护以及故障提示、报警信息等功能，并且通过利用PLC通讯功能，与上位机通讯，实现对真空镀膜机工艺流程的全程监控，以便工程师及时发现并处理故障信息，以及远程修改工艺参数等，极大的方便了生产过程质量控制和管理。
1设计方案及实现
1.1设备原理
真空太阳能集热管铝-氮/铝吸热膜层是在磁控溅射镀膜机真空环境下，利用真空稀薄气体辉光放电产生的正离子轰击金属或其合金表面，溅射出金属粒子沉积到工件表面，从而获得的物理膜层。其装置一般由溅射电源、真空机组、工作气体控制器、真空室和真空测量仪表等组成。
真空室内工件装填完毕后，真空机组抽出真空室气体，建立镀膜必须的真空环境。抽真空分为粗抽、精抽以及维持扩散泵真空度的过程，真空度由热偶规管、电离规管及真空测量仪表获得。当真空度达到镀膜要求数值后，关闭光拦阀，真空室内充入稀薄的氩气，打开溅射电源，在金属靶上施加400V左右的直流电压，真空稀薄气体辉光放电产生的正离子轰击金属靶表面，溅射出金属粒子沉积到工件表面，并且按照预先设定的工艺参数分层改变充入氮气流量、电流、电压等，从而形成的太阳选择性吸收膜层，维持泵维持扩散泵真空，真空室此时可充气开门取出工件，重新装填工件后进入下一个操作循环。
1.2系统组成
磁控溅射镀膜机核心控制部分采用PLC控制，由于PLC采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。PLC根据预设程序实现对电磁阀、真空泵、旋转电机等进行逻辑过程控制，通过模拟量输入输出模块对电流、电压、温度、流量等模拟量信号采集处理。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息，并可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
人机界面采用大屏幕触摸屏，通过程序编写和画面编辑，把整个系统做成逼真的画面显示在屏幕上，辅以动画演示，可以形象直观的表现出设备运行状态和各种参数，由于界面友好更加形象直观，各种操作触控按钮、数据显示在模拟画面的相应位置，使操作人员更能够理解和掌握设备运行系统原理，从而减少误操作，设备故障时也能更快捷的发现和排除故障，并且触摸屏还能够生成各种数据的历史记录，方便质量控制和管理。
利用PLC的通讯功能，可将一台或多台镀膜机生产现场数据传送到上位机，实现现场数据集中监控，上位机组态软件丰富的功能可非常方便的监控工艺过程，分析研究工艺参数，及时调整工艺参数以获得更好的镀膜效果。
1.3上位机监控主要实现以下功能
1.实时数据显示。实时显示磁控靶电源电压、电流、各真空计数值、气体流量等现场参数数值；可根据需要定时记录设备运行情况，及重要工艺参数，并形成报表文件和历史曲线。
2、故障报警记录。在设备出现故障时监控系统自动弹出报警画面和文字提示，同时报警灯闪烁；根据故障的轻重缓急，可对报警信息进行分类并记录所有报警信息，以备检修时查询。
3、自动诊断保护。当设备出现严重故障时，监控系统可自动启动保护措施减少因故障对设备造成的损害；可自行检测上、下位机通信是否正常。
4、其它功能：该计算机监控系统还设置了系统时钟、设备输入输出点监控界面、设备操作说明界面等方便用户查询、使用的一些实用功能。
2自动化实现
依据磁控溅射镀膜生产线的工艺要求，镀膜生产控制可设计成四个分时动作过程。
第一个过程是真空获得，为保证镀膜的质量，系统要求必须具备一定的本底真空；第二个过程是离子轰击，为了提高膜层的附着力，采用高能离子轰击清洗工件表面，以去除表面杂物及脏物；第三个过程是磁控溅射镀膜，从阴极发身出来的电子，在磁场和电场中受到洛仑兹力的作用，沿着磁场的方向作摆线动力前进，沉
积到工件表面开成薄膜；第四个过程是系统开关机，这是镀膜前后对整个设备的处理操作。
2.1真空获得过程的自动化控制设计
磁控镀膜生产线真空系统采用滑阀真空泵一罗茨真空泵一高真空油扩散泵机组来获取低真空和高真空，采用微机型数显真空计来检测真空度，该过程的自动化控制包括：机械泵、扩散泵、真空计、水泵的启停控制；各真空计的高、低真空值输出控制；各真空阀门、翻板阀的开闭控制。
整套设备采用循环水处理冷却，所以系统在没有接收到水压指示前不能开启真空机组。翻板阀用来实现大气与低真空室以及低真空室与高真空室之间的隔离；真空阀门用来控制真空抽气通路的通断。系统通过控制气动装置来实现对阀门的打开与关闭。
2.2离子轰击过程的自动化控制设计
对于某些机型（如亚克力镀膜生产线），为了提高薄膜的附着力，本系统采用了高能离子轰击作为镀前处理工艺。在轰击清洗过程中，控制指标是氩气质量流量、轰击电压、轰击电流、轰击时间和传动速度等；为了满足镀膜工艺的要求，可以选择工件缓慢地通过轰击室，一边行进一边轰击；也可以选择工件停留在轰击室，轰击一段时间后再进入缓冲室，这就实现了对工件的高能离子清洗。
2.3镀膜过程的自动化控制系统设计
为了满足镀膜工艺的要求，镀膜过程中需要控制氩气质量流量、反应气体质量流量、各靶溅射电压、溅射电流和镀膜传动速度等指标。当工件行进至磁控靶前，靶电流由维持状态自动转至工作状态，对工件进行镀膜，直至工件离开该靶后，回复至维持状态，最大限度地节省靶材。为有效地保护磁控靶及靶电源，系统设计了水压、真空度控制和过流、过热故障报警功能，以及靶电源电压、电流的缓升降功能。
2.4系统开关机的自动化控制设计
自动开机，是从扩散泵预热开始，真空抽气系统自动工作直至镀膜室真空度达到后，磁控靶自动启动，这一段过程的所有操作均由设备自动完成。
自动关机，是生产线镀膜工作完成后，自动关闭磁控靶，并逐步关闭真空抽气系统，这一段过程的所有操作均由设备自动完成。
3结语
通过以上自动化功能的实现，可极大的方便太阳能生产企业实时监督和控制生产过程，加强质量管理和控制，使企业更加规范，更能适应现代企业发展的要求。
作为一套成功的镀膜生产线计算机监控自动化控制系统，具有极大的推广价值和应用前景，对于促进我国真空镀膜设备计算机监控技术的发展有极大的意义。
磁控溅射镀膜原理及工艺 摘要：真空镀膜技术作为一种产生特定膜层的技术，在现实生产生活中有着广泛的应用。真空镀膜技术有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。这里主要讲一下由溅射镀 膜技术发展来的磁控溅射镀膜的原理及相应工艺的研究。 关键词：溅射；溅射变量；工作气压；沉积率。 绪论 溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用二极溅射设备如右图。 通常将欲沉积的材料制成板材-靶，固定在阴 极上。基片置于正对靶面的阳极上，距靶一定距 离。系统抽至高真空后充入（10～1）帕的气体（通 常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极 间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作 用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶 面逸出的靶原子称为溅射原子，其能量在1至几十 电子伏范围内。溅射原子在基片表面沉积成膜。 其中磁控溅射可以被认为是镀膜技术中最突出的 成就之一。它以溅射率高、基片温升低、膜-基结 合力好、装置性能稳定、操作控制方便等优点， 成为镀膜工业应用领域(特别是建筑镀膜玻璃、透 明导电膜玻璃、柔性基材卷绕镀等对大面积的均 匀性有特别苛刻要求的连续镀膜场合)的首选方 案。 1磁控溅射原理 溅射属于PDV（物理气相沉积）三种基本方法：真空蒸发、溅射、离子镀（空心阴极离子镀、热阴极离子镀、电弧离子镀、活性反应离子镀、射频离子镀、直流放电离子镀）中的一种。 磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区
真空磁控溅射镀膜控制系统 用 户 手 册 2008-07-09 V1.1
目录 1.系统简述 (4) 1.1真空系统 (4) 1.2 传送系统 (4) 1.3 加热系统 (4) 1.4 溅射电源 (4) 1.5 冷却水 (4) 1.6 工艺气路 (5) 2.系统供电 (5) 2.1 柜体通电前检查 (5) 2.2 现场设备通电前检查 (5) 2.3 电源送电顺序 (5) 2.3.1 PLC控制柜 (5) 2.3.2 电加热柜 (6) 2.3.3 泵组柜 (6) 3.PLC运行程序 (6) 3.1 环境模式 (7) 3.2 工作模式 (7) 3.3 安全连锁 (9) 3.4 系统报警 (10) 4.上位机软件操作 (12) 4.1 上位机画面 (12) 4.1.1 介绍 (12) 4.1.1.1 图例 (12) 4.1.2总貌 (14) 4.1.3 真空 (15) 4.1.4 传动 (17) 4.1.5加热 (19) 4.1.6 参数设定 (21) 4.1.7 溅射电源 (23) 4.1.8 控制模式 (25)
4.1.9 分子泵使能操作 (27) 4.1.10 历史报警 (28) 4.1.11 框架信息 (29) 4.1.12运行注意事项 (30) 4.1.12.1 开机注意事项 (30) 4.1.12.1 停机注意事项 (31) 5. 工程维护 (31) 5.1 传输设置 (31) 5.1.1 传输工程文件 (32) 5.2 WINGP运行 (33) 6.变量地址表 (34)
TFT系统需要实现玻璃在真空环境下自动化的连续镀膜，生产线布置为“回”字型矩形结构，生产线划分为4个区，位于生产线左右侧的上片区和下片区，位于上下片平台间的工艺区和回传区，其中呈”->”方向移动的区域为工艺区，呈”<-“方向移动的区域为回送区。TFT控制系统实现对生产过程中的真空、加热、传动、电源、冷却水、工业气体在镀膜过程中的连续控制。 1.1真空系统 真空系统设备集中于真空室区域，由抽气设备（机械泵、罗茨泵、分子泵）检测设备（PG 表，CG表）、安全阀（分子泵前蝶阀、机械泵罗茨泵间自吸阀、管道阀和破空阀）；通过机械泵 ->罗茨泵->分子泵接力抽气，将腔室内压力由大气变为真空，并在生产过程中保持适合生产的真空环境； 1.2 传送系统 传送系统共24台操作电机，上下片平台各4台，工艺区11台，回传区5台传动电机，除上下片平台各有2台电机可实现双向传动外，其余电机均为单向传动；其中除M3 –M9 可以通过端子通断和模拟量信号协同控制电机转速外，其余电机的传动速度由端子通断直接控制； 1.3 加热系统 加热系统共66台，在连续生产过程中，逐段加热工艺区腔室内的温度，以确保在玻璃在镀膜过程中的环境温度，加热系统进行PID运算，通过固态继电器的电压脉冲控制加热器的加热频率； 1.4 溅射电源 在工艺区有4个溅射室，室内配置MF中频溅射电源和DC直流溅射电源，通过电源产生的高电压电离气体分子； 1.5 冷却水 机械泵、分子泵、溅射电源冷却管路安装有压力检测设备，通过水流开关检测冷却水压力是否符合设备冷却的要求； 1.6 工艺气路 气路由供气管道，流量计和切断阀组成；
磁控溅射镀膜的简介及其实际操作 作者：徐超群 作者单位：乐山师范学院物理与电子工程系 【摘要】溅射技术的最新成就之一是磁控溅射。对于二级溅射、偏压溅射、三级或四级溅射和射频溅射而言。它们的缺点是沉积速率较低，特别是阴极溅射。因为它们在放电过程中只有大约0.3~0.5%的气体分子被电离。为了在低气压下进行高速溅射，必须有效的提高气体的离化率。由于在磁控溅 射中引入了正交电磁场使离化率提高到5~6%。于是溅射速率比三级溅射提高10倍左右，对许多材料，溅射速率达到了电子束蒸发的水平。 【关键字】溅射电子电场磁场高速 1.磁控溅射的工作原理： 电子e在电厂E的作用下在飞向基板的过程中与Ar原子发生碰撞使其电离Ar+和一个新的电子e，电子飞向基片，Ar+在电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高能能量轰击靶表面使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子或分子则由于不显电性而直接沉积在基片上形成薄膜。二次电子e一旦离开了靶面，就会同时受到电场和磁场的作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar 来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。 综上所述：磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。
磁控溅射镀膜机 产品型号：TSV1200-S 用途：磁控溅射PVD镀膜，氮化钛（TiN）、氮碳化钛（TiCN）、氮化锆（ZrN）、氮化铬（CrN）、氮化铝钛（TiAIN）、碳化钛（TiC）等 基材：不锈钢,锌合金,塑料 应用：手机外壳，MP3外壳，数码相机外壳，各种标牌的装饰改性加硬镀膜 颜色：白色，金色，银色，黑色，兰色等 基本参数： ● 真空室尺寸：1210mm（直径）×1200mm（高）； ● 抽气时间速：大气到5×10-3Pa≤20min (空载, 冷态,洁净)； ● 最高烘烤温度:300℃ ● 采用侧面对开门方式,便于工件装卸； ● 2台φ400mm口径分子泵、1台ZJP300型罗茨泵，2台2X-70型机械泵抽气； ● 一套公、自转工转机构，采用下驱动方式的二维平面行星机构；自转轴20根； ● 所有驱动引入采用带水冷套磁流体密封； ● 四对磁控溅射靶平行安装且成圆周分布，靶材尺寸：910mm×120mm（长×宽）； ● 4路进口质量流量计进气； ● 预溅射小车挡板，控制预溅射工艺； ● 三台30KW中频电源及一台30KW脉冲偏压电源； ● 控制系统采用触摸屏上位机（工控机）+下位机（PLC）的控制形式 ● 控制系统有手动和自动，全系统具有互保护, 泵阀互锁。 主要技术参数和配置： （一）真空系统技术指标 1. 极限真空：优于2x10-3Pa； 2. 抽速:大气到5x10-3Pa≤30mm（空载、冷态，洁净）； 3. 压升率：小于0.5Pa/hr. (二) 真空室和真空系统配置 1.度模式尺寸：1210mm（直径）x1200mm(高); 2.采用侧面对开门方式,便于工件装卸； 3.外壁通冷却水，冷却水管采用半圆管焊接方式，焊缝美观、平整； 4. 3个观察窗口，左右门上各一个，室体正前方一个； 5. 抽气室内安装一个旋转挡气挡板，旋转角度范围0~90° 6．两台φ400mm口径分子泵； 7. 1台ZJP300型罗茨泵，增加气动旁通阀； 8. 2台2x-70型机械泵，一台为粗抽泵，一台为分子泵维持泵； 9. φ400mm口径高真空气动阀门2套； （三）工件架以及驱动装置 1. 一套公、自转工转机构，采用下驱动方式的二维平面行星机构；自转轴20根； 2. 转速0-8圈/分钟可控可调； 3. 驱动引入采用带水冷套磁流体密封； (四) 真空测量系统 1. 采用一台数字式复合真空计； 2.一路高真空测量，两路低真空测量（室体一路，低真空管道一路）
磁控溅射镀膜机/电子束蒸发镀膜仪技术参数 一、电子束蒸发镀膜仪技术要求： 1. 整机需采用柜式一体化集成封闭结构。高压强电系统需密封在柜内。 2. 镀膜技术：采用高真空电子束镀膜和电阻式热蒸发镀膜两种技术。 3. 电子枪及热蒸发源： 3.1）1台E型电子枪（功率≥8KW） 3.2）四穴水冷坩埚（无氧铜材料）。与基片的距离必须350～400mm可调。 3.3）3套水冷电极柱 3.4）3套电阻热蒸发源 3.5）4套挡板。 4. 真空腔体： 4.1）需用真空专用奥氏体，304不锈钢。立式D形前开门结构； 4.2）真空室内外全部电化学抛光。 4.3）必须预留膜厚仪接口及两个CF35接口； 4.4）腔体上要有≥Φ100mm观察窗，需配不锈钢挡板。观察窗。 4.5）极限真空≤8×10-5Pa 4.6）不锈钢金属波纹管路，真空规管用金属规，需用微机型复合真空计。 5. 真空系统： 真空系统需采用分子泵（抽速≥1200L/S）+机械泵真空机组（抽速≥8L/S）。 6. 控制系统：采用PLC控制。同时具有手动操控方式和半自动运行方式。 7. 电源系统：恒流，0～300A，可控可调。能在三套热蒸发源之间切换使用。 8. 基片台： 8.1）需配1套尺寸不小于Ф200mm可水冷样品台。 8.2）4块独立挡板，可通过磁控拉杆独立控制4部分区域镀膜； 8.3）基片转速2～20转/分，可控可调。基片台可旋转、可升降。 9. 膜厚仪：四通道，分辨率≥0.1埃；至少配1支水冷膜厚探头。 10. 水冷系统：需配1台循环制冷恒温水箱，确保能满足冷却要求。 11. 动力气源：需配1台低噪声气泵，确保系统能正常工作。 12. 安全及报警系统： 具有完善的真空互锁及保护系统，对泵、电极等缺水、过流过压、断路等 异常情况报警并执行相应保护措施。至少配6台水流流量计，观察窗必须 加装铅玻璃和滤光片。 二、磁控溅射镀膜机技术要求： 1. 整机需采用柜式一体化集成封闭结构。高压强电系统需密封在柜内。 2. 镀膜形式：三个磁控溅射靶向心溅射镀膜。 3. 磁控溅射靶： 需配3套Φ2英寸圆形平面磁控溅射靶及挡板，靶头可调角度。挡板需气动 驱动控制。 4. 真空腔体： 4.1需用真空专用奥氏体，304不锈钢，立式D形前开门结构； 4.2真空室内外全部电化学抛光； 4.3必须预留膜厚仪接口及两个CF35接口； 4.4腔体上要有≥Φ100mm观察窗，配不锈钢挡板； 4.5极限真空≤7×10-5Pa；大气到7×10-4Pa,30分钟。 4.6采用不锈钢金属波纹管路，真空规管用金属规，需用微机型复合真空计。 5. 真空系统：需采用分子泵（抽速≥600L/S）+机械泵真空机组（抽速≥8L/S）。插板阀手动电控两用，CF 刀口密封结构。旁抽阀由气动或电动驱动。 6. 控制系统：计算机＋PLC 两级控制系统1套。 7. 电源系统： 配智能型直流溅射电源及智能型射频溅射电源各1台，电源与电脑控制系统可互联通讯，可形成溅射过程的反馈控制。