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Designofreactivesputteringstablecontrolsystem
Abstract:
Inviewofthemodernindustrialproductionofreactivesputtering,hysteresisoccursduetothechangeofthereactivegasflowwhichwillaffectthequalityofthecoating,thetypeofformingfilm,coatingcosts,etcintheindustry.LabVIEWsoftwareisusedtosimulatethecontrolprocessofthegasflowchangingduringindustrialcoatingproduction.Thegasflowiscontrolledinastablerangeunderthecriticalvaluewhenthegasflowdoesnotreachthecriticalvalueandthehysteresisdoesnothappen.Thusitensuresthatthesputteringtakespalceinasafeandefficientrangeofthegasflow.AccordingtoLabVIEW‘ssimulation,howtocontroltheenterofthegasflowandthecurveformedbythecontrolofthegasflowcanbeobservedthroughcurveofthegasflowvalue.Afterthat,thepossiblefailureofthesysteminindustrialprocessisanalyzed.Thenthearticleconsidersthefailedsystem,andquantitativlyanalyzesthedegreeoffault.Themethodisadoptedtodeterminethedegreeoffaultprinciplemethodsandprocedures.
Keywords:
reactivesputtering;
hysteresis;
stability;
faultdiagnosis;
simulation
1绪论
1.1溅射镀膜原理
对容器抽真空，充入惰性气体，让惰性气体（通常为Ar气）产生辉光放电现象产生带电的离子，带电离子经电场加速后撞击靶材表面，使靶材原子被轰击而飞出来，同时产生二次电子，再撞击气体原子从而形成更多的带电离子，靶材原子携带着足够的动能到达被镀物（基材）的表面进行沉积。
[1-3]
图1.1溅射原理图
1.2反应溅射镀膜原理
现代表面工程的发展越来越多地需要用到各种化合物薄膜[1]，反应磁控溅射技术是沉积化合物薄膜的主要方式之一。
沉积多元成分的化合物薄膜，可以使用化合物材料制作的靶材溅射沉积，也可以在溅射纯金属或合金靶材时，通入一定的反应气体，如氧气、氮气，反应沉积化合物薄膜，后者被称这反应溅射。
通常纯金属靶和反应气体较容易获得很高的纯度，因而反应溅射被广泛的应用沉积化合物薄膜。
近代工业工程的发展愈来愈多需要用到各种化合物薄膜，例如光学工业中使用的TiO2，SiO2和Ta2O3等硬质膜[4]，工业中使用的ITO透明导电膜，SiO2、Si3N4和Al2O3等钝化膜、隔离膜、绝缘膜；
建筑玻璃上使用的ZnO、SnO2、TiO2、SiO2等介质膜。
另一方面，许多化合物薄膜的推广应用又大大促进了科学技术的发展与产业和产品的更新换代。
制备化合物薄膜可以使用各种化学气相沉积或物理气相沉积方法。
但目前从工业规模大生产的要求来看，物理气相沉积中的反应磁控溅射沉积技术具有明显优势，因而被广泛应用，这是因为：
反应磁控溅射所使用的靶材料（单元素靶或多元素靶）和反应气体（氧、氮、碳氢化合物等）通常很容易获得很高的纯度，因而有利于制备高纯度的化合物薄膜。
反应磁控溅射中调节沉积工艺[5]可以制备化学配比的化合物薄膜，从而达到了通过调节薄膜的组成来调控薄膜特性的目的。
反应磁控溅射沉积过程中基板的温度一般不会有很大的升高，而且生成薄膜的过程通常也并不要求对基板进行很高温度的加热，因此对基板材料的限制较少。
反应磁控溅射适用于制备大面积均匀薄膜[6]实现单机年产上百万平方米镀膜的工业化生产。
但是反应磁控溅射在现阶段的工业生产中，反应溅射在生产中又存在很多的问题，例如，靶中毒引起的打火和溅射过程的不稳定，沉积速率较低，膜的缺陷密度较高。
其中，溅射过程的不稳定主要因为反应溅射气体流量变化引起的迟滞效应。
图1.2迟滞回线图
在反应磁控溅射的过程中，溅射沉积室中的反应气体流量较低时（A－B），大部分的反应气体被溅射金属所获，此时沉积速率较高，且几乎保持不变，此时沉积膜基本上属金属态，因此这种溅射状态称为金属模式。
但是当反应气体的流量的值增加到临界值B时，金属靶与反应气体作用，在靶表面生成化合物层。
由于化合物的二次电子发射系数一般高于金属，溅射产额降低，此时反应气体的流量稍微增加（B－C），沉积室的压力就会突然上升，溅射速率会发生大幅度的下降，这种过程称为过渡模式。
通常高速率反应溅射过程工作在过渡模式。
此后反应气体流量再进一步增加，气体流量与沉积室压力呈线性比例，沉积速率的变化不大，沉积膜呈现为化合物膜，此时的溅射状态称为反应模式。
在溅射处于化合物反应模式时，逐渐减小反应气体流量（D－E），溅射速率不会由C立刻回升到B，而呈现缓慢回升的状态，直到减小到某个数值E，才会出现突然上升到金属模式溅射状态时的数值，这是因为反应气体保持高的分压，直到靶材表面的化合物被溅射去除，金属重新曝露出来，反应气体的消耗增加，沉积室压力又降低，这样就形成了闭合的迟滞回线。
类似于上述溅射速率与反应气体流量之间的迟滞回线的还有靶电压与反应气体流量之间的迟滞回线，两条迟滞回线的趋势完全相同。
在工程应用中，当反应溅射发生在过渡阶段时，能获得最大的沉积速率，并且制备的薄膜的质量更高，更接近我们所需要的功能。
所以操作工程师必须掌握所有使用工艺的迟滞效应区间，才能植被出质量稳定的薄膜材料。
因为迟滞效应，所以工业反应溅射过程中，系统扰动会很容易造成反应溅射从过度模式转到化合物模式和金属模式。
所以在这种情况下，我们必须对系统加以控制，是气体流量稳定在一个系统允许的范围内，使系统能够平稳的运行。
通过LabVIEW软件进行对气体流量平稳性进行仿真模拟。
2基于LabVIEW的反应溅射控制系统仿真
2.1LabVIEW软件的使用
2.1.1LabVIEW软件介绍
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据标志显示及数据存储，等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序（子VI）的结果运行、单步执行等等，便于程序的调试。
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。
传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。
VI是LabVIEW的程序模块。
LabVIEW提供很多外观与传统仪器（如示波器、万用表）类似的控件，可用来方便地创建用户界面。
用户界面在LabVIEW中被称为前面板。
使用图标和连线，可以通过编程对前面板上的对象进行控制。
这就是图形化源代码，又称G代码。
LabVIEW的图形化源代码在某种程度上类似于流程图，因此又被称作程序框图代码。
2.1.2LabVIEW软件特点
LabVIEW软件尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件；
可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器；
用户可以根据自己的需要定义和制造各种仪器。
未来虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。
目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。
未来的仪器也应当是网络化的。
LabVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineeringWorkbench）是一种图形化的编程语言的开发环境，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数。
这是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
图形化的程序语言，又称为“G”语言。
使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。
它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。
它可以增强构建科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。
使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32位/64位编译器。
像许多重要的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、Macintosh的多种版本。
2.1.3LabVIEW的应用领域
LABVIEW有很多优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出。
测试测量：
LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域。
经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认。
至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备。
同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包。
这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了。
有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序。
控制：
控制与测试是两个相关度非常高的领域，从测试领域起家的LabVIEW自然而然地首先拓展至控制领域。
LabVIEW拥有专门用于控制领域的模块----LabVIEWDSC。
除此之外，工业控制领域常用的设备、数据线等通常也都带有相应的LabVIEW驱动程序。
使用LabVIEW可以非常方便的编制各种控制程序。
仿真：
LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真、原型设计等工作。
在设计机电设备之前，可以先在计算机上用LabVIEW搭建仿真原型，验证设计的合理性，找到潜在的问题。
在高等教育领域，有时如果使用LabVIEW进行软件模拟，可以达到同样的效果，使学生不致失去实践的机会。
2.1.4在LabVIEW中模拟仿真控制
图2.1稳定控制假想图
气体的流量达到一个临界值（临界值可在实验中测试得到）时则发生迟滞效应，假设这个值为K（如图2.1）。
M值为临界值下的一点，该点的意义在于控制过程中，不能让气体流量的数值达到K值，否则气体流量将在一段时间内受到迟滞效应的影响从而不可调控，所以根据经验可以得到一个M值，将其设定为调控的上限，从而使得调控得到的气体流量，以获得最大的生产效率。
在反应溅射过程中，气体流量不断的扰动过程中，当超过了设定值M时，控制系统将控制气体流量阀门对气体流量数值调控，这时气体流量还未达到临界值K，从而实现气体流量未达到临界值K，不会发生迟滞效应，维持了稳定的气体流量环境。
2.2反应溅射稳定控制系统的建模
数学模型的定义：
被控过程的数学模型（动态特性），是指过程在各输入量（包括控制量与扰动量）的作用下，其相应的输出量（被控量）变化函数关系的数学表达式。
在反应溅射稳定性控制系统中，输出量为反应气体的流量，通过控制反应气体阀门的闭合程度来控制输出量。
假设反应溅射稳定控制过程为一阶惯性环节，即
，T为时间常数。
2.3Bang-bang控制
Bang-bang控制实际上是一种调控时间较短，见效较快的一种控制[7]，它的控制函数总是取在容许控制的边界上，或者取最大，或者取最小，仅仅在这两个边界值上进行切换，其作用相当于一个继电器，所以也是一种位式开关控制。
这种控制方式在某些方面具有比常规PID控制较为优越的性能，尤其是对于给定值的提降及大幅度的扰动作用，效果更显著。
在动态质量上不仅体现为过渡时间短这一特点，而且在超调量等其他指标上也具有一定的改善。
Bang-bang控制结合到反应溅射稳定控制中的意义在于，它是一种对时间最优控制的方法，在工业生产中，一旦反应气体流量超过临界值K，则系统将进入迟滞效应阶段，对生产效率以及靶材料的无用损失造成很大的影响。
Bang-bang控制的优点在于，控制十分的迅速，当我们气体流量数值超过了设定的M值时，Bang-bang控制会马上将气体流量数值调控到稳定的范围内，这对于迟滞效应的特性来说是非常适合的一种控制方式。
如图2.2，为反应溅射流量Bang-bang控制器曲线。
图2.2bang-bang控制效果图
如图2.2所示，模拟的正弦曲线通过Bang-bang的控制一大部分满足我们的初步要求，为了接近实际生产的物理参数，我们的反应气体流量应该为正值，所以将滤波后的正弦曲线图改为正值。
如图2.3：
图2.3结合实际bang-bang控制输出图
仿真结果说明，Bang-bang控制在随动系统控制中能够很好地满足系统快速性的要求，达到阶跃过程最小化，并且结合其他的控制方法能提高系统自适应能力和控制精度，有很好的推广价值。
2.3.1Bang-bang控制的缺点
在反应溅射的过程中，在存在反应气体的情况下，高能粒子溅射靶材时，靶材会与反应气体反应形成化合物（如氮化物或氧化物），这些形成的化合物会沉积在靶材的表面，从而阻碍了高能粒子轰击靶材，使得反应溅射的沉积速率下降，工业生产的效率降低。
通过上图我们可以形象的看到，Bang-bang控制只是将在反应气体流量超过设定危险值M时将气体流量数值调控下降，但是在稳定的范围内（L~M）之中，Bang-bang控制是没有作用的，单独使用了Bang-bang控制在稳定的范围内无法对工业生产产生更有益的影响，为了提高在稳定过程中的沉积速率和生产效率，必须在稳定区间之内对气体流量进行控制，使其更精确的保持在一个高效的生产范围内。
2.4PID控制
在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制[8]。
模拟PID控制原理框图如下。
系统由模拟PID控制器和被控对象组成。
图2.4PID控制系统框图
PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值rin（t）与实际输出值yout（t）构成控制偏差：
error（t）=rin（t）-yout（t）
PID的控制规律为：
或写成传递函数的形式：
式中，kp——比例系数；
T1——积分时间常数；
Td——微分时间常数
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节[9]。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
PID控制，实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例（P）控制比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
比例调节依据“偏差的大小”来动作，它的输出与输入偏差的大小成比例。
比例调节及时、有力、但有余差。
它用比例度来表示其作用的强弱，比例度越小，调节作用越强，相反，比例度越大，调节作用就越弱；
比例作用太强时，会引起系统响应震荡。
积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
积分调节依据“偏差是否存在”来动作，它的输出与偏差对时间的积分成比例，只有当余差消失时，积分作用才会停止，其作用是消除余差。
但积分作用使最大动偏差增大，延长了调节时间。
它用积分时间T来表示其作用的强弱，T越小，积分作用越强，但积分作用太强时，也会引起震荡。
微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
微分调节依据“偏差变化的速度”来动作。
它的输出与输入偏差变化的速度成比例，其效果是阻止被调参数的一切变化，有超前调节的作用，对滞后大的对象（流量）有很好的效果。
它使调节过程偏差减小，时间缩短，余差也减小（但不能消除）。
它用微分时间TdL来表示其作用的强弱，Td大，作用强，但Td太大，也会引起振荡。
2.4.1PID参数的整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容[11]。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。
经过调试，设定PID的参数为0.3，0.1，0。
2.4.2PID控制仿真
通过上述的仿真，bang-bang控制并不能完全达到要求，所以选择了PID的控制方法，同样的，在LabVIEW中，我们可以仿真模拟PID控制的效果。
图2.5LabVIEWPID控制程序图
下图2.6为PID控制正弦波的输出波形，可以看出，波形已经控制在一个较为稳定的范围内。
图2.6PID控制的正弦波输出曲线
2.5Bang-bang+PID控制仿真
仅用PID控制依旧无法达到很好的控制效果。
将Bang-bang控制和PID控制结合起来[10]，让整个控制系统一方面拥有了Bang-bang控制所拥有的时间最优的特点优点，对系统的安全可靠作了保障，另一方面，在Bang-bang控制无法控制的区间内，PID控制很好的弥补了Bang-bang控制所不足的地方，在整个控制系统的过程中，气体流量能更平稳的输入，达到工业生产中效率的最大化。
图2.7bang-bang结合PID控制程序图
假设上文我们所设定的临界值K为1的情况下，我们选取一个最优的控制点，这里假设这个最优控制点为0.8，那么希望整个曲线稳定在0.5左右，通过LabVIEW软件的模拟，初步实现了这一点。
图2.8bang-bang结合PID控制程序前面板
图2.9bang-bang结合PID控制程序效果图
从上一些图我们可以看到，通过Bang-bang控制后的峰值有所下降，整体较仅由Bang-bang控制的时候要更平缓稳定，即PID+Bang-bang控制带来的优点。
3反应溅射控制系统故障诊断
在工业反应溅射过程中，一般工作在低压下，一旦出现故障，就可能会对设备造成损害，以及威胁人员的安全。
运用故障诊断机制[12]及时发现系统中的故障并加以定位，使系统出现故障时仍然能安全可靠地工作且维持一定的性能。
3.1故障诊断系统的建立
3.1.1故障诊障样本
通常反应溅射过程中发生的各种故障状况表现在反应气体的消耗损失上面。
可作为反映反应溅射设备异常的特征量。
在这里以影响反应气体消耗的各个因素作为状态变量，对系统进行实时监测，即可掌握反应溅射的运行状况，发现和跟踪存在的
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