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

2010-05-19 姜龙河北省激光研究所

　　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