基于PLC的直流電弧等離子噴射化學氣相沉積金剛石設(shè)備自動控制系統(tǒng)

2010-05-19 姜龍河北省激光研究所

　　針對直流電弧等離子噴射化學氣相沉積金剛石設(shè)備，以PLC作為系統(tǒng)的控制核心，觸摸屏作為人機界面，梯形圖為編程語言，不僅實現(xiàn)了設(shè)備的自動運行，而且還由上位機的組態(tài)軟件通過485 總線實現(xiàn)了多臺設(shè)備的遠程監(jiān)視和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的長期記錄。實際運行結(jié)果表明，整個系統(tǒng)硬件可靠，軟件運行穩(wěn)定，達到了設(shè)計要求。

　　直流電弧等離子噴射一直是化學氣相沉積金剛石的主要方法之一，該方法制備金剛石生長速度快，產(chǎn)品質(zhì)量好，但設(shè)備復雜，控制煩瑣，嚴重制約了生產(chǎn)規(guī)模的擴大，實現(xiàn)自動化操作是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的必然要求。

1、設(shè)備原理

　　整套設(shè)備組成如圖1 所示，核心是自主研制的磁場和氣動力聯(lián)合控制的大口徑長通道等離子炬，安裝于真空室頂部。真空室采用夾層水冷套結(jié)構(gòu)，在三個不同方向上設(shè)有可啟閉的視窗，方便觀察、樣品取放及清理等工作。等離子炬正下方設(shè)置水冷的沉積臺，沉積臺可以旋轉(zhuǎn)、升降，沉積金剛石的基片即放置于沉積臺上。沉積過程中，由紅外測溫儀監(jiān)測并通過調(diào)整電弧電流來控制基片的溫度。CVD 過程所需的工質(zhì)氣體通過質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)流量后供給等離子矩。

　　為了減少工質(zhì)氣體的用量，降低生產(chǎn)成本，設(shè)計了半開放式的氣體循環(huán)系統(tǒng)，以羅茨泵作為增壓泵，在真空室和循環(huán)泵的出口分別安裝真空計以監(jiān)測該處的壓力，改變調(diào)節(jié)閥的開度，可以調(diào)節(jié)真空室和循環(huán)泵出口處的壓力。

　　工作過程如下：系統(tǒng)啟動后，按順序開啟冷卻水、旋片泵預(yù)抽真空，壓力達到羅茨泵開啟壓力時，開啟羅茨泵。真空度滿足要求后，向等離子炬中送入氬氣、氫氣、碳源（含碳氣體）等，改變調(diào)節(jié)閥1 和調(diào)節(jié)閥2 的開度，使真空室和羅茨泵出口壓力滿足要求。啟動電弧電源后，首先在等離子炬的陰極和陽極之間建立空載電壓，然后疊加高頻高壓的脈沖，引燃電弧，待電弧穩(wěn)定工作后，脈沖立即去除，沉積工作隨即開始。經(jīng)過預(yù)定時間的沉積，按照和開機相反的順序依次關(guān)閉電源、氣體、羅茨泵、旋片泵和冷卻水，即完成本次沉積工作。

直流電弧等離子噴射化學氣相沉積金剛石設(shè)備示意圖