一种基于PLC系统的具有自检测功能的溅射电缆

彭更　陈永军

摘要：在生产过程中，大型真空溅射设备的靶材数量多，电源数量多，溅射电源和靶材之间的电缆多，并且电缆处于线盒中。然而更换靶材的周期短时间紧，工作人员难免会将溅射电源和阴极之间张冠李戴。一旦溅射电源和阴极张冠李戴就会存在一定的安全隐患，为了能提前发现此类错误而避免隐患就需要一种带自动检测功能的溅射电缆线。

关键词：磁控溅射；溅射电源；靶材（阴极）；PLC；人机界面

中图分类号：TP307 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0045-02

1 磁控溅射的原理

磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

2 制作电缆的必要性

根据磁控溅射原理，在溅射过程中必须存在电场，因此为溅射提供电场的电源必不可，由于工艺要求的不同，电源的种类有很多种。如直流电源，直流脉冲电源，还有交流电源。由于不同公司的电源也不相同，因此本文仅以某公司的一种直流电源作为例子。最大输出电源功率30千瓦，开路电压800V，输出电缆的截面积50平方毫米。

在溅射过程中，首先将直流电源和阴极靶材之间用电缆线接好。由于靶材和设备之间是绝缘的，设备又已经有可靠的接地，所以可以直接将直流电源的正极接在设备上，阴极接在靶材的接线端子上。在生产过程中由于设备不需要移动，因而阳极可以直接一次性固定牢固。由于靶材是一种消耗品需要更换，并且电源的输出功率越高，更换靶材的时间久越短，因而电源的负极就无法一次性固定。

在生产过程中由于工艺要求，设备上会有多个靶材，并且是不止一种靶材。同时存在多台多种类的电源，在此情况下单个电源和单个阴极之间就没有必然的接线关系，仅仅是一种根据工艺要求和当时的实际情况建立的临时的接线关系。随着工艺要求的不同，接线方式也会随之不同。同时由于生产任务的要求，这种接线不可能浪费太多的时间，否则效率太低，因而在生产中应用了大电流连接器。大电流连接器的应用提高了接线效率，而且提高了电源的利用率，但是也增加了一定的隐患。

大电流连接器是一种电气插头，只需要公母接头对接即可实现电缆的连接。因而只要在靶材的接线端和电源的负极端分别接好连接器的公母接头即可随时更换电源和靶材的对应关系。由于电缆的数量多，即便标记清楚，也难免会犯张冠李戴的错误。一旦犯张冠李戴的错误，最直接的是设备无法正常生产，其次还会存在安全隐患。如果是把溅射电源的输出线接错靶材，如果不及时发现靶材可能损坏。如果是溅射电源线没有接入靶材，一旦把溅射电源开启，此时负极接线插头与设备之间存在800V电压。为了避免此类错误，因而需要一种可以自检测的溅射电缆。

3 自检测的溅射电缆的制作方法

有两点：接地可以防止溅射电缆的绝缘层被划伤或老化引起的触电。如果编织层的通电截面积足够，还可以电源的阳极使用。用于交流中频电源该层必不可少，而且安全可靠的接地；3.热缩套管，既是一种绝缘层，又使溅射电缆变成一个整体，方便在阴极端区分；4.带绝缘层的多芯导线，即编码线。该多芯导线的芯数可以根据阴极的个数而定。2导线的芯数>=阴极个数+1。

编码线的接线方式如下：在此以D型九针插头（插头的种类可以根据编码电缆的线数决定，如D型15针脚或25针脚，等等）和IO输入类型为高电平有效为例说明。以母插头的1号脚为公共端，接入24V电源（如果IO输入是低电平有效，1号针脚接GND）。将母插头的2号至8号针脚接入已经定义好的PLC输入点。以公插头的1号针脚为公共端，2号至8号针脚对应于一个字节的低位到高位，将公插头对应的靶材编号转换成二进制编码，并将对应二进制编码中为1的针脚与1号针脚短接。通过读取母插头2号至8号针脚组成的编码即可知道该溅射电缆对应的阴极编号。

具体步骤如下：（1）根据溅射电源的功率要求完成溅射电源的供电线路；（2）将编码电缆中公共端串联在直流电源的交流接触器的辅助触点中，并将交流辅助触点接入输入点，只有直流电源上电后，电缆中才有24V电压，并且可以知道溅射电源已经供电。在此以供电线路中有交流接触器为例。如果没有交流接触，只需要接入24V即可；（3）根据靶材的编号焊接对应的公插头，并将插头固定在阴极上；（4）将母插头中2号至8号针脚的导线接在PLC的输入点。在IO定义时，为了计算方便最好将2号脚接在一个输入字节的第零位。在此以西门子PLC为例说明，如I0.0或I10.0等等，这样可以直接按字节读取；（5）接好直流电源与阴极之间的

接线。

当硬件接线完成后再次开机之时，PLC系统需要对需要开起的溅射电源逐一上电，并且检测对应的阴极编号。检测结果会显示在人机界面中，如果提前把工艺要求的溅射电源和阴极的对应关系输入人机界面，系统会一旦发现对应关系错误就会报警提示，不需要等到溅射电源开起后才发现接线错误。例如：假设PLC为西门子300系列，阴极的编号为1。通过触摸屏输入的阴极编号保存在PLC的DB1.DBW0中（DB1.DBW0：西门子300系列PLC中的存储地址，一个字的长度，具有掉电保持功能）。2号针脚至8号针脚对应的IO点是I0.0至I0.7。通过编码电缆读到的阴极编号保存在PLC的DB1.DBW2中并在触摸屏中显示。溅射电源的交流接触器吸合信号为I1.0。报警输出点为Q0.0。监控程序如下：在西门子STEP7中“//”表示注释，在本文中用此方式简要说明程序的作用。

总之，按照本文所述的方法自制溅射电缆以结构简单、使用方便和监控软件简单的特点完成对溅射电源和阴极之间的自动监控，避免了因为人为的失误而存在的隐患。

参考文献

[1] 百度文库

[2] 李云奇.真空镀膜[M].化学工业出版社，2012.

作者简介：彭更（1983—），男，河南夏邑人，电气工程师，研究方向：电气自动化。

摘要：在生产过程中，大型真空溅射设备的靶材数量多，电源数量多，溅射电源和靶材之间的电缆多，并且电缆处于线盒中。然而更换靶材的周期短时间紧，工作人员难免会将溅射电源和阴极之间张冠李戴。一旦溅射电源和阴极张冠李戴就会存在一定的安全隐患，为了能提前发现此类错误而避免隐患就需要一种带自动检测功能的溅射电缆线。

关键词：磁控溅射；溅射电源；靶材（阴极）；PLC；人机界面

中图分类号：TP307 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0045-02

1 磁控溅射的原理

磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

2 制作电缆的必要性

根据磁控溅射原理，在溅射过程中必须存在电场，因此为溅射提供电场的电源必不可，由于工艺要求的不同，电源的种类有很多种。如直流电源，直流脉冲电源，还有交流电源。由于不同公司的电源也不相同，因此本文仅以某公司的一种直流电源作为例子。最大输出电源功率30千瓦，开路电压800V，输出电缆的截面积50平方毫米。

在溅射过程中，首先将直流电源和阴极靶材之间用电缆线接好。由于靶材和设备之间是绝缘的，设备又已经有可靠的接地，所以可以直接将直流电源的正极接在设备上，阴极接在靶材的接线端子上。在生产过程中由于设备不需要移动，因而阳极可以直接一次性固定牢固。由于靶材是一种消耗品需要更换，并且电源的输出功率越高，更换靶材的时间久越短，因而电源的负极就无法一次性固定。

在生产过程中由于工艺要求，设备上会有多个靶材，并且是不止一种靶材。同时存在多台多种类的电源，在此情况下单个电源和单个阴极之间就没有必然的接线关系，仅仅是一种根据工艺要求和当时的实际情况建立的临时的接线关系。随着工艺要求的不同，接线方式也会随之不同。同时由于生产任务的要求，这种接线不可能浪费太多的时间，否则效率太低，因而在生产中应用了大电流连接器。大电流连接器的应用提高了接线效率，而且提高了电源的利用率，但是也增加了一定的隐患。

大电流连接器是一种电气插头，只需要公母接头对接即可实现电缆的连接。因而只要在靶材的接线端和电源的负极端分别接好连接器的公母接头即可随时更换电源和靶材的对应关系。由于电缆的数量多，即便标记清楚，也难免会犯张冠李戴的错误。一旦犯张冠李戴的错误，最直接的是设备无法正常生产，其次还会存在安全隐患。如果是把溅射电源的输出线接错靶材，如果不及时发现靶材可能损坏。如果是溅射电源线没有接入靶材，一旦把溅射电源开启，此时负极接线插头与设备之间存在800V电压。为了避免此类错误，因而需要一种可以自检测的溅射电缆。

3 自检测的溅射电缆的制作方法

有两点：接地可以防止溅射电缆的绝缘层被划伤或老化引起的触电。如果编织层的通电截面积足够，还可以电源的阳极使用。用于交流中频电源该层必不可少，而且安全可靠的接地；3.热缩套管，既是一种绝缘层，又使溅射电缆变成一个整体，方便在阴极端区分；4.带绝缘层的多芯导线，即编码线。该多芯导线的芯数可以根据阴极的个数而定。2导线的芯数>=阴极个数+1。

编码线的接线方式如下：在此以D型九针插头（插头的种类可以根据编码电缆的线数决定，如D型15针脚或25针脚，等等）和IO输入类型为高电平有效为例说明。以母插头的1号脚为公共端，接入24V电源（如果IO输入是低电平有效，1号针脚接GND）。将母插头的2号至8号针脚接入已经定义好的PLC输入点。以公插头的1号针脚为公共端，2号至8号针脚对应于一个字节的低位到高位，将公插头对应的靶材编号转换成二进制编码，并将对应二进制编码中为1的针脚与1号针脚短接。通过读取母插头2号至8号针脚组成的编码即可知道该溅射电缆对应的阴极编号。

具体步骤如下：（1）根据溅射电源的功率要求完成溅射电源的供电线路；（2）将编码电缆中公共端串联在直流电源的交流接触器的辅助触点中，并将交流辅助触点接入输入点，只有直流电源上电后，电缆中才有24V电压，并且可以知道溅射电源已经供电。在此以供电线路中有交流接触器为例。如果没有交流接触，只需要接入24V即可；（3）根据靶材的编号焊接对应的公插头，并将插头固定在阴极上；（4）将母插头中2号至8号针脚的导线接在PLC的输入点。在IO定义时，为了计算方便最好将2号脚接在一个输入字节的第零位。在此以西门子PLC为例说明，如I0.0或I10.0等等，这样可以直接按字节读取；（5）接好直流电源与阴极之间的

接线。

当硬件接线完成后再次开机之时，PLC系统需要对需要开起的溅射电源逐一上电，并且检测对应的阴极编号。检测结果会显示在人机界面中，如果提前把工艺要求的溅射电源和阴极的对应关系输入人机界面，系统会一旦发现对应关系错误就会报警提示，不需要等到溅射电源开起后才发现接线错误。例如：假设PLC为西门子300系列，阴极的编号为1。通过触摸屏输入的阴极编号保存在PLC的DB1.DBW0中（DB1.DBW0：西门子300系列PLC中的存储地址，一个字的长度，具有掉电保持功能）。2号针脚至8号针脚对应的IO点是I0.0至I0.7。通过编码电缆读到的阴极编号保存在PLC的DB1.DBW2中并在触摸屏中显示。溅射电源的交流接触器吸合信号为I1.0。报警输出点为Q0.0。监控程序如下：在西门子STEP7中“//”表示注释，在本文中用此方式简要说明程序的作用。

总之，按照本文所述的方法自制溅射电缆以结构简单、使用方便和监控软件简单的特点完成对溅射电源和阴极之间的自动监控，避免了因为人为的失误而存在的隐患。

参考文献

[1] 百度文库

[2] 李云奇.真空镀膜[M].化学工业出版社，2012.

作者简介：彭更（1983—），男，河南夏邑人，电气工程师，研究方向：电气自动化。

摘要：在生产过程中，大型真空溅射设备的靶材数量多，电源数量多，溅射电源和靶材之间的电缆多，并且电缆处于线盒中。然而更换靶材的周期短时间紧，工作人员难免会将溅射电源和阴极之间张冠李戴。一旦溅射电源和阴极张冠李戴就会存在一定的安全隐患，为了能提前发现此类错误而避免隐患就需要一种带自动检测功能的溅射电缆线。

关键词：磁控溅射；溅射电源；靶材（阴极）；PLC；人机界面

中图分类号：TP307 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0045-02

1 磁控溅射的原理

磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜，而产生的二次电子会受到电场和磁场作用，产生E（电场）×B（磁场）所指的方向漂移，简称E×B漂移，其运动轨迹近似于一条摆线。若为环形磁场，则电子就以近似摆线形式在靶表面做圆周运动，它们的运动路径不仅很长，而且被束缚在靠近靶表面的等离子体区域内，并且在该区域中电离出大量的Ar来轰击靶材，从而实现了高的沉积速率。随着碰撞次数的增加，二次电子的能量消耗殆尽，逐渐远离靶表面，并在电场E的作用下最终沉积在基片上。由于该电子的能量很低，传递给基片的能量很小，致使基片温升较低。

磁控溅射是入射粒子和靶的碰撞过程。入射粒子在靶中经历复杂的散射过程，和靶原子碰撞，把部分动量传给靶原子，此靶原子又和其他靶原子碰撞，形成级联过程。在这种级联过程中某些表面附近的靶原子获得向外运动的足够动量，离开靶被溅射出来。

2 制作电缆的必要性

根据磁控溅射原理，在溅射过程中必须存在电场，因此为溅射提供电场的电源必不可，由于工艺要求的不同，电源的种类有很多种。如直流电源，直流脉冲电源，还有交流电源。由于不同公司的电源也不相同，因此本文仅以某公司的一种直流电源作为例子。最大输出电源功率30千瓦，开路电压800V，输出电缆的截面积50平方毫米。

在溅射过程中，首先将直流电源和阴极靶材之间用电缆线接好。由于靶材和设备之间是绝缘的，设备又已经有可靠的接地，所以可以直接将直流电源的正极接在设备上，阴极接在靶材的接线端子上。在生产过程中由于设备不需要移动，因而阳极可以直接一次性固定牢固。由于靶材是一种消耗品需要更换，并且电源的输出功率越高，更换靶材的时间久越短，因而电源的负极就无法一次性固定。

在生产过程中由于工艺要求，设备上会有多个靶材，并且是不止一种靶材。同时存在多台多种类的电源，在此情况下单个电源和单个阴极之间就没有必然的接线关系，仅仅是一种根据工艺要求和当时的实际情况建立的临时的接线关系。随着工艺要求的不同，接线方式也会随之不同。同时由于生产任务的要求，这种接线不可能浪费太多的时间，否则效率太低，因而在生产中应用了大电流连接器。大电流连接器的应用提高了接线效率，而且提高了电源的利用率，但是也增加了一定的隐患。

大电流连接器是一种电气插头，只需要公母接头对接即可实现电缆的连接。因而只要在靶材的接线端和电源的负极端分别接好连接器的公母接头即可随时更换电源和靶材的对应关系。由于电缆的数量多，即便标记清楚，也难免会犯张冠李戴的错误。一旦犯张冠李戴的错误，最直接的是设备无法正常生产，其次还会存在安全隐患。如果是把溅射电源的输出线接错靶材，如果不及时发现靶材可能损坏。如果是溅射电源线没有接入靶材，一旦把溅射电源开启，此时负极接线插头与设备之间存在800V电压。为了避免此类错误，因而需要一种可以自检测的溅射电缆。

3 自检测的溅射电缆的制作方法

有两点：接地可以防止溅射电缆的绝缘层被划伤或老化引起的触电。如果编织层的通电截面积足够，还可以电源的阳极使用。用于交流中频电源该层必不可少，而且安全可靠的接地；3.热缩套管，既是一种绝缘层，又使溅射电缆变成一个整体，方便在阴极端区分；4.带绝缘层的多芯导线，即编码线。该多芯导线的芯数可以根据阴极的个数而定。2导线的芯数>=阴极个数+1。

编码线的接线方式如下：在此以D型九针插头（插头的种类可以根据编码电缆的线数决定，如D型15针脚或25针脚，等等）和IO输入类型为高电平有效为例说明。以母插头的1号脚为公共端，接入24V电源（如果IO输入是低电平有效，1号针脚接GND）。将母插头的2号至8号针脚接入已经定义好的PLC输入点。以公插头的1号针脚为公共端，2号至8号针脚对应于一个字节的低位到高位，将公插头对应的靶材编号转换成二进制编码，并将对应二进制编码中为1的针脚与1号针脚短接。通过读取母插头2号至8号针脚组成的编码即可知道该溅射电缆对应的阴极编号。

具体步骤如下：（1）根据溅射电源的功率要求完成溅射电源的供电线路；（2）将编码电缆中公共端串联在直流电源的交流接触器的辅助触点中，并将交流辅助触点接入输入点，只有直流电源上电后，电缆中才有24V电压，并且可以知道溅射电源已经供电。在此以供电线路中有交流接触器为例。如果没有交流接触，只需要接入24V即可；（3）根据靶材的编号焊接对应的公插头，并将插头固定在阴极上；（4）将母插头中2号至8号针脚的导线接在PLC的输入点。在IO定义时，为了计算方便最好将2号脚接在一个输入字节的第零位。在此以西门子PLC为例说明，如I0.0或I10.0等等，这样可以直接按字节读取；（5）接好直流电源与阴极之间的

接线。

当硬件接线完成后再次开机之时，PLC系统需要对需要开起的溅射电源逐一上电，并且检测对应的阴极编号。检测结果会显示在人机界面中，如果提前把工艺要求的溅射电源和阴极的对应关系输入人机界面，系统会一旦发现对应关系错误就会报警提示，不需要等到溅射电源开起后才发现接线错误。例如：假设PLC为西门子300系列，阴极的编号为1。通过触摸屏输入的阴极编号保存在PLC的DB1.DBW0中（DB1.DBW0：西门子300系列PLC中的存储地址，一个字的长度，具有掉电保持功能）。2号针脚至8号针脚对应的IO点是I0.0至I0.7。通过编码电缆读到的阴极编号保存在PLC的DB1.DBW2中并在触摸屏中显示。溅射电源的交流接触器吸合信号为I1.0。报警输出点为Q0.0。监控程序如下：在西门子STEP7中“//”表示注释，在本文中用此方式简要说明程序的作用。

总之，按照本文所述的方法自制溅射电缆以结构简单、使用方便和监控软件简单的特点完成对溅射电源和阴极之间的自动监控，避免了因为人为的失误而存在的隐患。

参考文献

[1] 百度文库

[2] 李云奇.真空镀膜[M].化学工业出版社，2012.

作者简介：彭更（1983—），男，河南夏邑人，电气工程师，研究方向：电气自动化。