矩形样品磁控溅射仪运动控制装置及其控制方法

摘要

本发明涉及一种矩形样品磁控溅射仪运动控制装置及其控制方法，该装置具有工业控制计算机、运动执行机构及运动控制卡，运动控制卡接收运动执行机构的反馈信号，并向运动执行机构发送控制信号，运动控制卡与工业控制计算机进行通讯连接；工业控制计算机存有控制程序。该方法包括以下步骤：初始化操作；进入等待及状态显示界面，同时报警检测；用户手动设置系统状态参数；控制代码的设定，将用户设置的代码转换成运动控制卡能够识别的运动函数；控制程序是否按控制代码自动运行以及运行结束后样品状态设定；选择是，则开线程运行系统并实时显示；程序结束运行。本发明提高了样品成膜的均匀性，操作简单、易实现，且安装和携带方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料科学领域中的磁控溅射运动控制系统，具体地说是一种矩形样品磁控溅射仪运动控制装置及其控制方法。

背景技术

磁控溅射技术是在物理科学、材料科学领域中已广泛使用的实验和生产的表面改性技术。所谓“溅射”就是用荷能粒子(通常用气体正离子)轰击物体，引起物体表面原子从母体中溢出的现象。磁控溅射，是在建设的环境中加入磁场，利用磁场的洛伦兹力束缚阴极靶表面电子运动，导致轰击靶材的高能离子增多和轰击基片的高能电子减少，使镀膜过程具有低温、高速等特点。但因为实验环境的苛刻，工艺的摸索和实现人工调控复杂繁琐，效率低，尤其是矩形样品成膜的均匀性，更是难以控制，仅凭经验粗略地对溅射时间和基片运动进行控制同样是不科学的。另外，现在的运动控制板卡均为PCI接口或者ISA接口，安装和携带都很不灵活。

发明内容

为了克服以上不足，本发明要解决的技术问题是提供一种均匀性好、安装和携带灵活的矩形样品磁控溅射仪运动控制装置及其控制方法。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：

本发明装置具有工业控制计算机及运动执行机构，在工业控制计算机及运动执行机构之间设有运动控制卡，其接收运动执行机构的反馈信号，并向运动执行机构发送控制信号，运动控制卡通过USB接口与工业控制计算机进行通讯连接，运动控制卡中存有运动控制的基本函数；工业控制计算机存有控制程序。

所述运动控制卡包括单片机及运动控制模块，单片机的读写信号、数据信号、地址信号及片选信号与运动控制模块相连，运动控制模块通过驱动电路或光电隔离电路与运动执行机构相连；单片机通过USB接口与工业控制计算机进行数据通讯；所述运动执行机构包括样品转盘自转步进电机、样品转盘公转步进电机以及样品转盘提升步进电机。

本发明方法包括以下步骤：

开始，进行初始化操作；进入等待及状态显示界面，同时开线程进行报警检测；用户在显示界面上手动设置系统状态参数；控制代码的设定，将用户设置的代码转换成运动控制卡能够识别的运动函数；控制程序是否按控制代码自动运行以及运行结束后样品状态设定；选择是，则开线程运行系统并实时显示；程序结束运行。

当选择控制程序不按控制代码自动运行时，回到等待及状态显示步骤。

所述用户在显示界面上手动设置系统状态参数包括系统状态设置以及自动运行代码设置，其中系统状态设置包括样品位置、样品在运行中位置偏差的修正、样品名称、形状、样品转盘提升速度、样品转盘公转速度、样品转盘自转速度、样品需要镀膜部分的长度以及某样品对应的某靶位；自动运行代码设置包括样品在各靶位的停留时间T、样品在该靶位前的动作级状态；

运行结束后状态设定包括：本次实验要操作的样品，实验结束后该样品停留的位置。

所述将用户设置的代码转换成运动控制卡能够识别的运动函数具体为：

样品转盘提升步进电机驱动器的脉冲频率F_1Plus由以下公式转换：

F_1Plus＝N₁×V₁×I₁/(L×60)+η₁

其中N₁为样品转盘提升步进电机完成一转所需要的脉冲数，V₁为用户设定的样品转盘提升速度，I₁为升降机构的减速比，L为步进电机完成一转机构提升或降低的行程，η₁为升降装置的误差补偿；

样品转盘公转步进电机驱动器的脉冲频率F_2Plus由以下公式转换：

F_2Plus＝N₂×V₂×I₂/60+η₂

其中N₂为样品转盘公转步进电机完成一转所需要的脉冲数，V₂为样品转盘公转速度，I₂为公转机构的减速比，η₂为公转机构的误差补偿；

样品转盘提升步进电机驱动器的脉冲频率F_3Plus由以下公式转换：

F_3Plus＝N₃×V₃×I₃/60+η₃

式中N₃为样品转盘自转步进电机完成一转所需要的脉冲数，V₃为用户设定的样品转盘自转速度，I₃为自转机构的减速比，η₃为自转机构的误差补偿。

样品转盘自转步进电机和样品转盘步进提升电机为联动运行，通过以下方程建立联动运行模式：

T＝X/V₁                         (1)

n＝X/h                               (2)

V₃＝n×60/T                      (3)

其中X为样品需要镀膜部分的长度，T为样品在该靶位的停留时间，h为靶的有效刻蚀区高位，n为这个过程工件需要自转的圈数。

本发明方法还具有以下步骤：当检测到报警信号时结束程序；所述报警信号为样品转盘的升降极限位置信号。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.提高了样品成膜的均匀性。本发明装置使样品通过自转及公转在不同的靶前停留，且具有上下移动、样品盘自转等联动控制，通过计算将样品单位面积所沉积的材料颗粒量比转换成溅射时间的比，从而算出样品自转和移动的最佳运动速度，保证了样品成膜的均匀性。

2.操作简单，易实现。本发明通过用户接口设置参数来实现装置的全自动运行，包括系统状态的设置、自动运行代码设置、运行提示及结束后状态设置等，方便灵活，可读性强。

3.安装和携带方便。本发明选用带有USB接口的运动控制卡，可方便地与其他控制单元通讯，如PC、工控机、笔记本电脑等。

附图说明

图1为本发明装置结构框图；

图2为本发明装置中运动控制卡的原理图；

图3为本发明方法流程图；

具体实施方式

如图1、2所示，本发明矩形样品磁控溅射仪运动控制装置具有工业控制计算机及运动执行机构，在工业控制计算机及运动执行机构之间设有运动控制卡，其接收运动执行机构的反馈信号(包括报警信号)，并向运动执行机构发送控制信号，运动控制卡通过USB接口与工业控制计算机进行通讯连接，运动控制卡中存有运动控制的基本函数，工业控制计算机存有控制程序，控制程序通过对这些函数的调用可以完成各种动作和控制。

所述运动控制卡包括单片机及运动控制模块，单片机的读写信号、数据信号、地址信号及片选信号与运动控制模块相连，运动控制模块通过驱动电路或光电隔离电路与运动执行机构相连；单片机通过USB接口与工业控制计算机进行数据通讯；产生报警信号的限位开关接至相应的限位引脚；所述运动执行机构包括样品转盘自转步进电机、样品转盘公转步进电机以及样品转盘提升步进电机。

本实施例中，上位机通过USB接口(采用CH372)的与单片机(采用ATmega168)通讯，通过单片机向运动控制模块(采用MCX314)发送指令并读写相应的寄存器。JTAG接口是编程口，可用来做在线调试，与单片机进行通讯。

ATmega168单片机是基于AVR增强型RISC结构的低功耗8位CMOS控制器，具有如下配置：16K字节的系统内可编程Flash(具有在编程过程中还可以读的能力，即RWW)，512字节的EEPROM，1K字节的SRAM，23个通用I/O口线，32个通用工作寄存器，3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C)，片内/外中断，可编程串行USART，面向字节的两线串行接口，1个SPI串行端口，1个6路10位ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，以及5种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、USART、两线串行接口、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；ADC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；Standby模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力。

USB接口采用CH372，是一个USB总线的通用设备接口芯片，遵守USB1.1协议。在本地端，CH372具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP等控制器的系统总线上；在计算机系统中，CH372的配套软件提供了简洁易用的操作接口，与本地端的单片机通信就如同读写硬盘中的文件。CH372内置了USB通讯中的底层协议，具有内置固件模式和外置固件模式。在内置固件模式下CH372屏蔽了USB通信中的所有协议，在计算机应用层与本地端控制器之间提供端对端的连接。使用CH372，不需要了解任何USB协议或者固件程序，甚至驱动程序，就可以轻松地将并口、串口的产品升级到USB接口。

运动控制模块采用MCX314，是一个用于实现4轴运动控制的集成电路，它可以控制由步进电机驱动器或由脉冲型伺服电机驱动的4轴的位置、速度和插补。MCX314芯片的功能有和资源：4轴控制、脉冲输出、恒速控制、速度控制、位置控制、比较限位、直线插补、圆弧插补、位模式插补、连续插补、单步插补、内部及外部中断、外部信号驱动、输入/输出信号、伺服电机反馈信号、实时监控、8位/16位数据总线。

考虑到实际环境的复杂和对基片的准确定位，运动执行机构采用高精度的步进电机。

软件系统设计：

本发明装系统应用软件的开发工具是Microsoft公司的VC++，它是运行于Windows平台上的交互式的可视化集成开发环境。在这个工程项目中主要包括这样的几个类：

系统状态类，这里包含系统一切状态变量，与状态显示存储有关的函数；

MCX314函数类，这里包含一切MCX314的功能函数，例如，脉冲输出，插补运算，寄存器读写，I/O量输入输出，频率设定等；

基片运动类，包含一切关于基片运动的函数，这些函数都是由MCX314的基本函数组合而来；

代码解析类，为了方便试验人员操作该仪器，并灵活定义工艺，该软件定义了一些具有特殊含义的关键字，这个类里的函数负责解析这些关键字，将其分解成具体的运动函数。

为方便操作人员使用该设备，本发明方法设计了如下主要功能：

设备状态设置：设定当前设备状态，如样品名称，位置，形状等。设定后计算机将以当前设定的状态为参考按已设定的工艺执行；

手动操作：此部分用来方便实验人员检修运动装置及方便调试；

运行参数：在这里实验人员将预先设计好的工艺设置到软件系统中；

自动运行操作：当确认工艺设定没有错误的时候，点击这里仪器将按照事先设定的工艺自动运行；

文件保存：为了方便实验人员保存数据，已便进行后期的分析，该软件系统可以对已设定工艺及系统每一时刻的运行情况进行存储；

极限报警：当系统运动系统到达极限位置时，将通过传感器输出报警信号，通过运动控制卡反映给计算机，软件系统这时会停止相应的运动。

运动算法：因为基片的长度是磁控靶长度的几倍，而靶的刻蚀区的等离子体的浓度也是从中心到外缘不同的，所以要在长条形的基片上做出相对均匀的薄膜，就要让刻蚀出来的膜带在基片上进行叠加从而完成整个基片的镀膜。本算法的出发点是在一定约束条件成立的条件下，通过计算将基片上单位面积所沉积的材料颗粒量比表时成溅射时间的比，从而算出基片的最佳运动速度

当程序进入到控制运行时，使用多线程方式来执行控制过程，这样可以随时中止工艺过程并实时显示工件状态。在工件运动的时候，程序还需要不断访问运动控制模块(MCX314)内部逻辑脉冲计数器，这样可以通过读取已发送脉冲的个数，计算出工件的各个姿态。

并且，为了方便后来的工程人员开发实用，本系统，在设计的时候，将运动控制模块(MCX314)的功能函数打包成动态链接库。

本发明装置的工作原理是：将样品挂于样品转盘上的挂钩上，置于磁控靶的工作空间内，磁控靶为一金属靶，是一个提供磁场的装置，由磁钢提供闭环磁场。在磁控靶与样品上分别施加正电压和负电压，使磁控靶与样品之间的气体离子电离，在磁场中做加速运动。靶面上放置一层金属材料(如铜)，则气体离子在磁场作用下做加速运动时，撞击到靶面上的金属材料使其受到轰击而溅射出金属等离子体，金属等离子体会在样品和靶形成的电场中做运动，最后在样品上沉积出一层金属物质，即金属材料膜。靶的数量可为多个，每个靶上可附有不同的金属材料，让样品通过公转在不同的靶前停留，可以溅射多层金属涂层。当样品有多个面需要做涂层时，通过样品的自转来实现。如果金属靶的等离子区面积小，而样品具有相当的长度，则需样品上下移动。为了保证涂层的均匀性，本发明装置采用样品盘自转和升降联动、样品盘自转与公转的联动设计。

如图3所示，本发明方法通过以下步骤实现：

开始，进行初始化操作；

进入等待及状态显示界面，同时开线程进行报警检测；

用户在显示界面上手动设置系统状态参数；

控制代码的设定，将用户设置的代码转换成运动控制卡能够识别的运动函数；

控制程序是否按控制代码自动运行，以及结束后样品状态设定；

选择是，则开线程运行系统并实时显示；否则，回到等待及状态显示步骤；

程序结束运行。

本发明方法还包括以下步骤：当检测到报警信号时结束程序；该报警信号为样品转盘的升降极限位置信号。

所述用户在显示界面上手动设置系统状态参数包括系统状态设置以及自动运行代码设置，其中系统状态设置包括样品位置、样品在运行中位置偏差的修正、样品名称、形状、样品转盘提升速度V₁、样品转盘公转速度V₂、样品转盘自转速度V₃、样品需要镀膜部分的长度X以及某样品对应的某靶位(程序自动运行的起始参照位置)；自动运行代码设置包括样品在各靶位的停留时间T、样品在该靶位前的动作级状态；

运行结束后状态设定包括：本次实验要操作的样品，实验结束后该样品停留的位置；

所述将用户设置的代码转换成运动控制卡能够识别的运动函数具体为：

样品转盘提升步进电机驱动器的脉冲频率F_1Plus由以下公式转换：

F_1Plus＝N₁×V₁×I₁/(L×60)+η₁

其中N₁为样品转盘提升步进电机完成一转所需要的脉冲数，V₁为用户设定的样品转盘提升速度，I₁为升降机构的减速比，L为步进电机完成一转机构提升或降低的行程，η₁为升降装置的误差补偿；

样品转盘公转步进电机驱动器的脉冲频率F_2Plus由以下公式转换：

F_2Plus＝N₂×V₂×I₂/60+η₂

其中N₂为样品转盘公转步进电机完成一转所需要的脉冲数，V₂为样品转盘公转速度，I₂为公转机构的减速比，η₂为公转机构的误差补偿；

样品转盘提升步进电机驱动器的脉冲频率F_3Plus由以下公式转换：

F_3Plus＝N₃×V₃×I₃/60+η₃

式中N₃为样品转盘自转步进电机完成一转所需要的脉冲数，V₃为用户设定的样品转盘自转速度，I₃为自转机构的减速比，η₃为自转机构的误差补偿。

样品转盘自转步进电机和样品转盘步进提升电机为联动运行，通过以下方程建立联动运行模式：

T＝X/V₁                  (1)

n＝X/h                   (2)

V₃＝n×60/T              (3)

其中X为样品需要镀膜部分的长度，T为样品在该靶位的停留时间，h为靶的有效刻蚀区高位，n为这个过程工件需要自转的圈数。