基于PLC的直流电弧等离子喷射化学气相沉积金刚石设备自动控制系统

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河北省激光研究所 作者:姜龙

  针对直流电弧等离子喷射化学气相沉积金刚石设备,以PLC作为系统的控制核心,触摸屏作为人机界面,梯形图为编程语言,不仅实现了设备的自动运行,而且还由上位机的组态软件通过485 总线实现了多台设备的远程监视和生产数据的长期记录。实际运行结果表明,整个系统硬件可靠,软件运行稳定,达到了设计要求。

  直流电弧等离子喷射一直是化学气相沉积金刚石的主要方法之一,该方法制备金刚石生长速度快,产品质量好,但设备复杂,控制烦琐,严重制约了生产规模的扩大,实现自动化操作是产业化生产的必然要求。

1、设备原理

  整套设备组成如图1 所示,核心是自主研制的磁场和气动力联合控制的大口径长通道等离子炬,安装于真空室顶部。真空室采用夹层水冷套结构,在三个不同方向上设有可启闭的视窗,方便观察、样品取放及清理等工作。等离子炬正下方设置水冷的沉积台,沉积台可以旋转、升降,沉积金刚石的基片即放置于沉积台上。沉积过程中,由红外测温仪监测并通过调整电弧电流来控制基片的温度。CVD 过程所需的工质气体通过质量流量控制器调节流量后供给等离子矩。

  为了减少工质气体的用量,降低生产成本,设计了半开放式的气体循环系统,以罗茨泵作为增压泵,在真空室和循环泵的出口分别安装真空计以监测该处的压力,改变调节阀的开度,可以调节真空室和循环泵出口处的压力。

  工作过程如下:系统启动后,按顺序开启冷却水、旋片泵预抽真空,压力达到罗茨泵开启压力时,开启罗茨泵。真空度满足要求后,向等离子炬中送入氩气、氢气、碳源(含碳气体)等,改变调节阀1 和调节阀2 的开度,使真空室和罗茨泵出口压力满足要求。启动电弧电源后,首先在等离子炬的阴极和阳极之间建立空载电压,然后叠加高频高压的脉冲,引燃电弧,待电弧稳定工作后,脉冲立即去除,沉积工作随即开始。经过预定时间的沉积,按照和开机相反的顺序依次关闭电源、气体、罗茨泵、旋片泵和冷却水,即完成本次沉积工作。

直流电弧等离子喷射化学气相沉积金刚石设备示意图

1.等离子矩;  2.电弧电源; 3.真空室; 4.基片; 5.沉积台; 6.充气阀; 7. 真空计1; 8. 调节阀1; 9. 罗茨泵; 10. 真空计2; 11. 调节阀2 ; 12.旋片泵; 13.气路截止阀; 14 质量流量计

图1 直流电弧等离子喷射化学气相沉积金刚石设备示意图

7、结论

  直流电弧等离子喷射化学气相沉积金刚石自动控制系统已批量投入生产使用,经实际检验,各项指标基本达到设计要求,全系统运行稳定、可靠,操作简单,极大减轻了劳动强度,提高了产品质量,增加了企业效益。

参考文献

  [1] 达道安. 真空设计手册[M]. 北京:国防工业出版社,2004.
  [2] DVP- PLC 应用技术手册[M].2007.

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