矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置及其控制方法
2023-07-29 22:05:16
專利名稱：矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種材料科學領域中的磁控濺射運動控制系統，具體地說 是一種矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置及其控制方法。
背景技術：
磁控濺射技術是在物理科學、材料科學領域中已廣泛使用的實驗和生 產的表面改性技術。所謂"濺射"就是用荷能粒子(通常用氣體正離子). 轟擊物體，引起物體表面原子從母體中溢出的現象。磁控濺射，是在建設 的環境中加入磁場，利用磁場的洛倫茲力東縛陰極靶表面電子運動，導致 轟擊靶材的高能離子增多和轟擊基片的高能電子減少，使鍍膜過程具有低 溫、高速等特點。但因為實驗環境的苛刻，工藝的摸索和實現人工調控復 雜繁瑣，效率低，尤其是矩形樣品成膜的均勻性，更是難以控制，僅憑經 驗粗略地對濺射時間和基片運動進行控制同樣是不科學的。另外，現在的
運動控制板卡均為PCI接口或者ISA接口 ，安裝和攜帶都很不靈活。
發明內容
為了克服以上不足，本發明要解決的技術問題是提供一種均勻性好、 安裝和攜帶靈活的矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置及其控制方法。 為解決上述問題，本發明釆用的技術方案是
本發明裝置具有工業控制計算機及運動執行機構，在工業控制計算機 及運動執行機構之間設有運動控制卡，其接收運動執行機構的反饋信號， 並向運動執行機構發送控制信號，運動控制卡通過USB接口與工業控制計 算機進行通訊連接，運動控制卡中存有運動控制的基本函數；工業控制計 算機存有控制程序。
所述運動控制卡包括單片機及運動控制模塊，單片機的讀寫信號、數 據信號、地址信號及片選信號與運動控制模塊相連，運動控制模塊通過驅
動電路或光電隔離電路與運動執行機構相連；單片機通過USB接口與工業 控制計算機進行數據通訊；所述運動執行機構包括樣品轉盤自轉步進電機、 樣品轉盤公轉步進電機以及樣品轉盤提升步進電機。
本發明方法包括以下步驟
開始，進行初始化操作；進入等待及狀態顯示界面，同時開線程進行 報警檢測；用戶在顯示界面上手動設置系統狀態參數；控制代碼的設定， 將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運動函數；控制程序是否 按控制代碼自動運行以及運行結東後樣品狀態設定；選擇是，則開線程運 行系統並實時顯示；程序結束運行。當選擇控制程序不按控制代碼自動運行時，回到等待及狀態顯示步驟。 所述用戶在顯示界面上手動設置系統狀態參數包括系統狀態設置以及 自動運行代碼設置，其中系統狀態設置包括樣品位置、樣品在運行中位置 偏差的修正、樣品名稱、形狀、樣品轉盤提升速度、樣品轉盤公轉速度、
樣品轉盤自轉速度、樣品需要鍍膜部分的長度以及某樣品對應的某靶位；
自動運行代碼設置包括樣品在各靶位的停留時間T、樣品在該靶位前的動作
級狀態；
運行結束後狀態設定包括本次實驗要操作的樣品，實驗結束後該樣 品停留的位置。
所述將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運動函數具體
為 . .
樣品轉盤提升步進電機驅動器的脈衝頻率F1P|US由以下公式轉換
F1Plus= NixV!xl"(Lx60) + T)1 其中M為樣品轉盤提升步進電機完成一轉所需要的脈衝數，W為用 戶設定的樣品轉盤提升速度，Ii為升降機構的減速比，L為步進電機完成
一轉機構提升或降低的行程，m為升降裝置的誤差補償；
樣品轉盤公轉步進電機驅動器的脈衝頻率F2p^由以下公式轉換
F2Plus = N2 x V2 x 12 / 60 + T|2 其中N2為樣品轉盤公轉步進電機完成一轉所需要的脈衝數，V2為樣 品轉盤公轉速度，12為公轉機構的減速比，，2為公轉機構的誤差補償； 樣品轉盤提升步進電機驅動器的脈衝頻率F3^由以下公式轉換
F3Pius = N3 x V3 x l3 / 60 + ri3 式中N3為樣品轉盤自轉步進電機完成一轉所需要的脈衝數，W為用
戶設定的樣品轉盤自轉速度，13為自轉機構的減速比， 為自轉機構的誤 差淨卜償。
樣品轉盤自轉步進電機和樣品轉盤步進提升電機為聯動運行，通過以
下方程建立聯動運行模式
T = X/V
(1) n = X/h (2) V3 = n x 60 / T ( 3 )
其中X為樣品需要鍍膜部分的長度，T為樣品在該靶位的停留時間，h 為靶的有效刻蝕區高位，n為這個過程工件需要自轉的圈數。
本發明方法還具有以下步驟當檢測到報警信號時結東程序；所述報 警信號為樣品轉盤的升降極限位置信號。
本發明具有以下有益效果及優點
1 .提高了樣品成膜的均勻性。本發明裝置使樣品通過自轉及公轉在不同 的靶前停留，且具有上下移動、樣品盤自轉等聯動控制，通過計算將樣品 單位面積所沉積的材料顆粒量比轉換成濺射時間的比，從而算出樣品自轉
5和移動的最佳運動速度，保證了樣品成膜的均勻性。
2. 操作簡單，易實現。本發明通過用戶接口設置參數來實現裝置的全自 動運行，包括系統狀態的設置、自動運行代碼設置、運行提示及結東後狀 態設置等，方便靈活，可讀性強。
3. 安裝和攜帶方便。本發明選用帶有USB接口的運動控制卡，可方便 地與其他控制單元通訊，如PC、工控機、筆記本電腦等。
圖l為本發明裝置結構框圖2為本發明裝置中運動控制卡的原理圖3為本發明方法流程具體實施例方式
如圖l、 2所示，本發明矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置具有工業控 制計算機及運動執行機構，在工業控制計算機及運動執行機構之間設有運 動控制卡，其接收運動執行機構的反饋信號(包括報警信號)，並向運動執 行機構發送控制信號，運動控制卡通過USB接口與工業控制計算機進行通 訊連接，運動控制卡中存有運動控制的基本函數，工業控制計算機存有控 製程序，控制程序通過對這些函數的調用可以完成各種動作和控制。
所述運動控制卡包括單片機及運動控制模塊，單片機的讀寫信號、數 據信號、地址!號及片選信號與運動控制模塊相連，運動控制模塊通過驅 動電路或光電隔離電路與運動執行機構相連；單片機通過USB接口與工業
控制計算機進行數據通訊；產生報警信號的限位開關接至相應的限位引腳； 所述運動執行機構包括樣品轉盤自轉步進電機、樣品轉盤公轉步進電機以 及樣品轉盤提升步進電機。
本實施例中，上位機通過USB接口 (釆用CH372)的與單片機(釆用 ATmegal68)通訊，通過單片機向運動控制模塊(採用MCX314)發送指 令並讀寫相應的寄存器。JTAG接口是編程口，可用來做在線調試，與單片 機進行通訊。
ATmegal68單片機是基於AVR增強型RISC結構的低功耗8位CMOS 控制器，具有如下配置16K字節的系統內可編程Flash (具有在編程過程 中還可以讀的能力，即RWW) ， 512位元組的EEPROM， 1K字節的' SRAM, 23個通用I/O 口線，'32個通用工作寄存器，3個具有比較模式'' 的靈活的定時器/計數器(T/C)，片內/外中斷，可編程串行USART，面 向字節的兩線串行接口， 1個SPI串行埠， l個6路10位ADC,具有 片內振蕩器的可編程看門狗定時器，以及5種可以通過軟體選擇的省電模 式。空閒模式時CPU停止工作，而SRAM、 T/C、 USART、兩線串行接口、 SPI埠以及中斷系統繼續工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有 功能除了中斷和硬體復位之外都停止工作，寄存器的內容則一直保持；省電模式時異步定時器繼續運行，以允許用戶維持時間基準，器件的其他部
分則處於睡眠狀態；ADC噪聲抑制模式時CPU和所有的I/0模塊停止運 行，而異步定時器和ADC繼續工作，以減少ADC轉換時的開關噪聲； Standby模式時振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流， 同時具有快速啟動能力。
USB接口釆用CH372,是一個USB總線的通用設備接口晶片，遵守 USB1.1協議。在本地端，CH372具有8位數據總線和讀、寫、片選控制線 以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機、DSP等控制器的系統總線上； 在計算機系統中，CH372的配套軟體提供了簡潔易用的操作接口，與本地 端的單片機通信就如同讀寫硬碟中的文件。CH372內置了 USB通訊中的底 層協議，具有內置固件模式和外置固件模式。在內置固件模式下CH372屏 蔽了 USB通信中的所有協議，在計算機應用層與本地端控制器之間提供端 對端的連接。使用CH372,不需要了解任何USB協議或者固件程序，甚至 驅動程序，就可以輕鬆地將並口、串口的產品升級到USB接口。
運動控制模塊釆用MCX314，是一個用於實現4軸運動控制的集成電 路，它可以控制由步進電機驅動器或由脈衝型伺服電機驅動的4軸的位置、 速度和插補。MCX314晶片的功能有和資源4軸控制、脈衝輸出、恆速控 制、速度控制、位置控制、比較限位、直線插補、圓弧插補、位模式插補、 連續插補、單步插補、內部及外部中斷、外部信號驅動、輸入/輸出信號、 伺服電機反饋信號、實時監控、8位/16位數據總線。
考慮到實際環境的複雜和對基片的準確定位，運動執行機構釆用高精 度的步進電機。
軟體系統設計
本發明裝系統應用軟體的開發工具是Microsoft公司的VC++,它是運 行於Windows平臺上的交互式的可視化集成開發環境。在這個工程項目中 主要包括這樣的幾個類
系統狀態類，這裡包含系統一切狀態變量，與狀態顯示存儲有關的函
數；
MCX314函數類，這裡包含一切MCX314的功能函數，例如，脈衝輸 出，插補運算，寄存器讀寫，1/0量輸入輸出，頻率設定等；
基片運動類，包含一切關於基片運動的函數，這些函數都是由MCX314' 的基本函數組合而來； ' '
代碼解析類，為了方便試驗人員操作該儀器，並靈活定義工藝，該軟 件定義了一些具有特殊含義的關鍵字，這個類裡的函數負責解析這些關鍵 字，將其分解成具體的運動函數。
為方便操作人員使用該設備，本發明方法設計了如下主要功能
設備狀態設置設定當前設備狀態，如樣品名稱，位置，形狀等。設 定後計算機將以當前設定的狀態為參考按已設定的工藝執行；手動操作此部分用來方便實驗人員檢修運動裝置及方便調試；
運行參數在這裡實驗人員將預先設計好的工藝設置到軟體系統中； 自動運行操作當確認工藝設定沒有錯誤的時候，點擊這裡儀器將按
照事先設定的工藝自動運行；
文件保存為了方便實驗人員保存數據，已便進行後期的分析，該軟
件系統可以對已設定工藝及系統每 一 時刻的運行情況進行存儲；
極限報警當系統運動系統到達極限位置時，將通過傳感器輸出報警 信號，通過運動控制卡反映給計算機，軟體系統這時會停止相應的運動。
運動算法因為基片的長度是磁控靶長度的幾倍，而靶的刻蝕區的等
離子體的濃度也是從中心到外緣不同的，所以要在長條形的基片上做出相
對均勻的薄膜，就要讓刻蝕出來的膜帶在基片上進行疊加從而完成整個基
片的鍍膜。本算法的出發點是在一定約束條件成立的條件下，通過計算將 基片上單位面積所沉積的材料顆粒量比表時成濺射時間的比，從而算出基
片的最佳運動速度
當程序進入到控制運行時，使用多線程方式來執行控制過程，這樣可以 隨時中止工藝過程並實時顯示工件狀態。在工件運動的時候，程序還需要 不斷訪問運動控制模塊(MCX314)內部邏輯脈衝計數器，這樣可以通過讀 取已發送脈衝的個數，計算出工件的各個姿態。
並且，為了方便後來的工程人員開發實用，本系統，在設計的時候，將 運動控制模塊(MCX314)的功能函數打包成動態連結庫。
本發明裝置的工作原理是將樣品掛於樣品轉盤上的掛鈎上，置於磁控 乾的工作空間內，磁控靶為一金屬靶，是一個提供磁場的裝置，由磁鋼提 供閉環磁場。在磁控耙與樣品上分別施加正電壓和負電壓，使磁控靶與樣 品之間的氣體離子電離，在磁場中做加速運動。靶面上放置一層金屬材料 (如銅)，則氣體離子在磁場作用下做加速運動時，撞擊到靶面上的金屬材 料使其受到轟擊而濺射出金屬等離子體，金屬等離子體會在樣品和靶形成 的電場中做運動，最後在樣品上沉積出一層金屬物質，即金屬材料膜。靶 的數量可為多個，每個靶上可附有不同的金屬材料，讓樣品通過公轉在不 同的靶前停留，可以濺射多層金屬塗層。當樣品有多個面需要做塗層時， 通過樣品的自轉來實現。如果金屬靶的等離子區面積小，而樣品具有相當 的長度，則需樣品上下移動。為了保證塗層的均勻性，本發明裝置釆用樣 品盤自轉和升降聯動、樣品盤自'轉與公轉的聯動設計。 如圖3所示，本發明方法通過以下步驟實現 開始，進行初始化操作；
進入等待及狀態顯示界面，同時開線程進行報警檢測； 用戶在顯示界面上手動設置系統狀態參數；
控制代碼的設定，將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運
動函數；控制程序是否按控制代碼自動運行，以及結東後樣品狀態設定； 選擇是，則開線程運行系統並實時顯示；否則，回到等待及狀態顯示 步驟；
程序結東運行。
本發明方法還包括以下步驟當檢測到報警信號時結束程序；該報警 信號為樣品轉盤的升降極限位置信號。
所述用戶在顯示界面上手動設置系統狀態參數包括系統狀態設置以及 自動運行代碼設置，其中系統狀態設置包括樣品位置、樣品在運行中位置 偏差的修正、樣品名稱、形狀、樣品轉盤提升速度V，、樣品轉盤公轉速度 v2、樣品轉盤自轉速度V3、樣品需要鍍膜部分的長度x以及某樣品對應的 某乾位(程序自動運行的起始參照位置)；自動運行代碼設置包括樣品在各 靶位的停留時間T、樣品在該靶位前的動作級狀態；
運行結東後狀態設定包括本次實驗要操作的樣品，實驗結東後該樣 品停留的位置；
所述將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運動函數具體
為
樣品轉盤提升步進電機驅動器的脈衝頻率F,p,us由以下公式轉換
F1Plus= N！ x Vj xlJ(Lx60) + ru 其中N,為樣品轉盤提升步進電機完成一轉所需要的脈衝數，V！為用 戶設定的樣品轉盤提升速度，Ii為升降機構的減速比，L為步進電機完成
一轉機構提升或降低的行程，th為升降裝置的誤差補償；
樣品轉盤公轉步進電機驅動器的脈衝頻率F別us由以下公式轉換
F2Plus = N2 X V2 X 12 / 60+ T|2
其中N2為樣品轉盤公轉步進電機完成一轉所需要的脈衝數，V2為樣 品轉盤公轉速度，12為公轉機構的減速比，化為公轉機構的誤差補償； 樣品轉盤提升步進電機驅動器的脈衝頻率F奶us由以下公式轉換
F3Pius = N3 x V3 x I3 / 60 + T(3 式中N3為樣品轉盤自轉步進電機完成一轉所需要的脈衝數，W為用
戶設定的樣品轉盤自轉速度，13為自轉機構的減速比，Tl3為自轉機構的誤 差補償。
i品轉盤自轉步進電機和樣品轉盤步進提升電機為聯動運行，通過以
下方程建立聯動運行模式 '
T = X/V, (1) n = X/h (2) V3 = n x 60 / T ( 3 )
其中X為樣品需要鍍膜部分的長度，T為樣品在該靶位的停留時間，h 為靶的有效刻蝕區高位，n為這個過程工件需要自轉的圈數。
權利要求
1. 一種矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置，具有工業控制計算機及運動執行機構，其特徵在於在工業控制計算機及運動執行機構之間設有運動控制卡，其接收運動執行機構的反饋信號，並向運動執行機構發送控制信號，運動控制卡通過USB接口與工業控制計算機進行通訊連接，運動控制卡中存有運動控制的基本函數；工業控制計算機存有控制程序。
2. 根據權利要求1所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置，其特徵 在於所述運動控制卡包括單片機及運動控制模塊，單片機的讀寫信號、 數據信號、地址信號及片選信號與運動控制模塊相連，運動控制模塊通過 驅動電路或光電隔離電路與運動執行機構相連；單片機通過USB接口與工 業控制計算機進行數據通訊。
3. 根據權利要求1所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置，其特徵 在於所述運動執行機構包括樣品轉盤自轉步進電機、樣品轉盤公轉步進 電機以及樣品轉盤提升步進電機。
4. 一種矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵在於包括以下步驟開始，進行初始化操作；進入等待及狀態顯示界面，同時開線程進行報警檢測； 用戶在顯示界面上手動設置系統狀態參數；控制代碼的設定，將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運動函數；控制程序是否按控制代碼自動運行以及運行結東後樣品狀態設定；選擇是，則開線程運行系統並實時顯示；程序結東運行。
5. 根據權利要求4所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵在 於當選擇控制程序不按控制代碼自動運行時，回到等待及狀態顯示步驟。
6. 根據權利要求4所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵在 於所述用戶在顯示界面上手動設置系統狀態參數包括系統狀態設置以及 自動運行代碼設置，其中系統狀態設置包括樣品位置、樣品在運行中位置 偏差的修正、樣品名稱、形狀、樣品轉盤提升速度、樣品轉盤公轉速度、樣品轉盤自轉速度、樣品需要鍍膜部分的長度以及某樣品對應的某靶位；自動運行代碼設置包括樣品在各靶位的停留時間T、樣品在該靶位前的動作級狀態；運行結東後狀態設定包括本次實驗要操作的樣品，實驗結束後該樣品停留的位置。
7. 根據權利要求4所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵在於所述將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運動函數具體為 樣品轉盤提升步進電機驅動器的脈衝頻率Fmus由以下公式轉換F〗Plus= M x V' xI!/(Lx60) + rn 其中N,為樣品轉盤提升步進電機完成一轉所需要的脈衝數，V，為用 戶設定的樣品轉盤提升速度，I,為升降機構的減速比，L為步進電機完成 一轉機構提升或降低的行程，th為升降裝置的誤差補償；樣品轉盤公轉步進電機驅動器的脈衝頻率F2p^由以下公式轉換 F2Plus = N2 x V2 x l2 / 60+ T|2其中N2為樣品轉盤公轉步進電機完成一轉所需要的脈衝數，V2為樣品轉盤公轉速度，i2為公轉機構的減速比，i!2為公轉機構的誤差補償；樣品轉盤提升步進電機驅動器的脈衝頻率F3Plus由以下公式轉換 F3pius = N3 x V3 x i3 / 60 + T)3式中N3為樣品轉盤自轉步進電機完成一轉所需要的脈衝數，W為用 戶設定的樣品轉盤自轉速度，13為自轉機構的減速比，w為自轉機構的誤 差補償。
8. 根據權利要求7所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵 在於樣品轉盤自轉步進電機和樣品轉盤步進提升電機為聯動運行，通過 以下方程建立聯動運行模式T二X/V, (1) n = X/h (2) V3 = n x 60 / T ( 3 )其中X為樣品需要鍍膜部分的長度，T為樣品在該靶位的停留時間，h 為靶的有效刻蝕區高位，n為這個過程工件需要自轉的圈數。
9. 根據權利要求4所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵 在於還具有以下步驟當檢測到報警信號時結東程序。
10. 根據權利要求9所述的矩形樣品磁控濺射儀運動控制方法，其特徵 在於所述報警信號為樣品轉盤的升降極限位置信號。
全文摘要
本發明涉及一種矩形樣品磁控濺射儀運動控制裝置及其控制方法，該裝置具有工業控制計算機、運動執行機構及運動控制卡，運動控制卡接收運動執行機構的反饋信號，並向運動執行機構發送控制信號，運動控制卡與工業控制計算機進行通訊連接；工業控制計算機存有控制程序。該方法包括以下步驟初始化操作；進入等待及狀態顯示界面，同時報警檢測；用戶手動設置系統狀態參數；控制代碼的設定，將用戶設置的代碼轉換成運動控制卡能夠識別的運動函數；控制程序是否按控制代碼自動運行以及運行結束後樣品狀態設定；選擇是，則開線程運行系統並實時顯示；程序結束運行。本發明提高了樣品成膜的均勻性，操作簡單、易實現，且安裝和攜帶方便。
文檔編號C23C14/54GK101451233SQ20071015857
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者軍 張, 暉 戚, 達 耿 申請人:中國科學院瀋陽科學儀器研製中心有限公司