GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統設計

陳偉，李坤

安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001

光電陰極的材料是光電發射的出射電子能量、暗發射電流和分布量子效率等重要性能參數的決定性因素［1］。GaN（氮化鎵）基材料在高性能的紫外光光電探測器、電子束平版印刷術、高亮度彩色發光二極管、短波長激光二極管、大功率半導體器件、工業設備和白色家電以及汽車的電源、電路與電動機、驅動電路等領域應用廣泛［2］。GaN 光電陰極的制備包括GaN 材料的生長、GaN 光電陰極的凈化和激活［3］。GaN 材料的生長是在高溫下，通過高純的TMGa（三甲基鎵）分解出Ga，再和NH3進行化學反應實現［4］，目前制備GaN外延生長的主要方法是金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）［5］；GaN 光電陰極的凈化是先進行化學清洗，然后送入超高真空實驗倉進行高溫退火凈化［6］；GaN 光電陰極的激活是在超高真空實驗倉中進行的，激活過程中用氘燈從反射式方向照射GaN光電陰極［7］，并對樣品采用Cs 源持續照射、O 源斷續照射的方法進行激活［8］。

超高真空系統需要根據不同的超高真空度、溫度、無油性等工藝要求研究設計不同系統結構，如盧少波等設計了空間行波管專用排氣工藝極高真空系統［9］，張磊等設計了低溫波蕩器超高真空系統［10］，楊鋼設計了原子相位剪切干涉儀超高真空系統［11］。上述文獻均未涉及可視化和數字化的自動監控系統。我們針對GaN 光電陰極的凈化與激活所需大于或等于10-8Pa 的超高真空度、生長和凈化所需溫度、制備時間和升降機構等的工藝要求，研究設計了其超高真空系統結構及基于PLC（可編程控制器）和組態軟件的自動監控系統。

1 GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統設計

GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統包括超高真空抽取裝置和高溫退火凈化裝置。

1.1 超高真空抽取裝置設計

超高真空抽取裝置具體設計如圖1 所示。先將分子泵與前級閥串聯，再和旁路閥并聯。并聯氣路的一端接高真空閥后再接向真空室；并聯氣路的另一端和機械泵串聯，機械泵的另一端和大氣相通。另用濺射離子泵與高真空閥的電動濺射離子泵閥連接后與真空室相接。再用鈦升華泵與高真空閥的電動鈦升華泵閥連接后與真空室相接。

圖1 超高真空系統人機界面

使用機械泵和分子泵進行預抽，再用濺射離子泵和鈦升華泵進一步抽取真空，通過四級抽空和排放裝置，以達到工藝要求。其操作方法和特點如下。

（1）工作時，開啟旁路閥及機械泵，先抽氣到10 Pa 以下，關閉旁路閥；再開啟前級閥和分子泵，抽空倉本底，然后通氣調至工作真空。

（2）分子泵采用分子篩吸附泵抽取活性氣體和惰性氣體氬。

（3）為快速抽氣，采用抽氣速率大的鈦升華泵。由于鈦升華泵吸附惰性氣體差，而濺射離子泵能抽惰性氣體和甲烷，因此采用濺射離子泵與鈦升華泵組成復合鈦泵，從而快速達到所要求的超高真空度。

1.2 高溫退火凈化裝置設計

高溫退火可減少GaN 陰極樣品中的寄生電容和各種缺陷，以改善樣品材料的結晶屬性，又可以改善GaN 陰極樣品的表面質量，是提高GaN 陰極樣品光譜響應的一種有效方法［12］。高溫退火凈化裝置包括樣品升降機構、加熱工作臺、鹵鎢加熱燈和測溫熱電偶部件。在真空環境下，通過升降機構將樣品送至真空實驗艙中，并持續高溫加熱樣品一定時間完成退火。

1.3 超高真空系統實現

超高真空系統的實現即對機械泵、分子泵、離子泵、鈦升華泵、電動前級閥、電動高真空閥、電動旁路閥、電動離子泵閥、電動鈦升華泵閥及升降機等的自動控制，以及以下功能的實現：升降機的升和降互鎖，即上升、下降不會同時動作；機械泵和分子泵連鎖，即必須在機械泵啟動后，分子泵方可啟動。

1.4 自動控溫數字化控制

通過溫度自動控制系統，對真空倉中的溫度進行自動控溫數字化控制，具有超溫自動保護功能和聲音提示。

2 GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空監控系統

GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空監控系統的總體方案如圖2 所示。

圖2 超高真空監控系統的總體方案

GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空監控系統采用PLC 為控制中心，操作單元將手動或自動控制信號輸入到系統控制單元，系統控制單元控制其相應的執行機構動作；數據采集單元將執行機構工作狀況及工藝參數等數字量信號數據輸入到工控機中的組態軟件構成的人機界面（HMI），人機界面與系統控制單元進行數據交換，組成帶反饋的閉環控制單元，實現對系統的精準控制。

3 監控系統的硬件設計

監控系統的具體硬件結構如圖3 所示。

圖3 控制系統的硬件結構

3.1 控制器

選用西門子S7-200 CPU226 型PLC 為主控制單元，CPU 226 具有24 個開關量輸入端口和16 個開關量輸出端口。其I/O 端口數量不夠，外加擴展模塊EM DR16，其為8 個數字量輸入端口和8 個輸出端口模塊。采用先進的PLC 作為控制器，極大優化了陰極制備真空裝置的控制系統結構，提高系統的快速響應能力。

3.2 操作單元

包括自動控制開/關、旁路閥開/關、高真空閥開/關、前級閥開/關、離子泵閥開/關、鈦升華泵閥開/關、排氣閥開/關、機械泵開/關、分子泵開/關、離子泵開/關、鈦升華泵開/關、加溫開/關、升降機構升/降和旋轉編碼器脈沖共27 個控制按鈕。

將操作單元的控制信號通過PLC 的數字量輸入端輸入到系統控制單元。為加強抗干擾能力，并使光電信號分開，操作單元與PLC 電連接的中間均加有光電耦合器。

3.3 數據采集單元

包括真空度和溫度的數據采集。使用數字式真空度傳感器和數字式溫度傳感器讀取真空度和溫度數據，再通過串口輸入到工控機中，組態軟件讀取相關的數據，再發送到PLC 中進行處理。

3.4 執行機構

包括旁路閥、高真空閥、前級閥、離子泵閥、鈦升華泵閥、機械泵、分子泵、離子泵、鈦升華泵、加溫、機構升/降共12 個運行機構，均與PLC 的數字量輸出端相連，控制相關運行機構的啟/停，上述閥門均為電動閥門。

PLC 讀取旋轉編碼器脈沖輸入端的脈沖信號，經處理后將數字量脈沖輸出端口輸出的控制脈沖發至陰極進給電機驅動器，控制伺服電機的旋轉角度，實現對升降機構高度的控制。

4 監控系統的人機界面

工控機的人機界面采用北京亞控科技發展有限公司出品的通用型工業自動化監控組態王軟件V7.5。控制界面如圖1 所示，在人機界面中具有自動加工開/關按鈕、升降機構升/降按鈕，通過鼠標點擊按鈕，可進行相應操作。人機界面中實時顯示當前真空激活室中的真空度、溫度和升降高度數值。在人機界面中當相應的閥門打開時，閥門顯示為黃色；當相應的閥門關閉時，閥門顯示為藍色。當相應的泵運行時，其為閃爍狀態；停止時，狀態保持不變。人機界面中還有歷史數據查詢按鍵，具有對以前加工的數據進行保存和分析的功能。

5 監控系統的工藝控制方法

控制方法的工藝流程如圖4 所示。

圖4 控制方法的工藝流程

當操控臺上的自動開按鈕被按下時，開始加溫。當溫度加熱到設定值時，停止加溫；當溫度低于設定下限時，開啟加溫。對陰極制備真空裝置的加工溫度進行加溫并保溫。

操控臺上的自動開按鈕被按下的同時，進行初抽，先開啟電動旁路閥，然后開啟機械泵；當真空度小于或等于10 Pa 時，開啟電動高真空閥，隨后開啟電動前級閥，再開啟分子泵；然后開啟電動離子閥，隨后開啟離子泵［13］。當真空度小于或等于10-3Pa 時，開啟電動鈦升華泵閥，隨后開啟鈦升華泵；然后進行更進一步的抽空，直到真空度達到加工要求為止［14］。

當真空度滿足加工要求，且溫度達到所設定值，此時若按下升降機構的升按鈕，則升降機構開始上升；當上升到設定的高度時，升降機構停止，開始高溫退火加工；加工時間完成后，使用磁力轉運桿送至激活室進行激活。整個過程中，升降機構的上升、下降互鎖，不會同時動作。

當按下操控臺上的自動關按鈕時，真空實驗倉停止加溫，同時，依次關閉鈦升華泵、鈦升華泵閥、離子泵、離子閥、分子泵、前級閥、高真空閥、機械泵、旁路閥，最后結束自動加工過程。

整個控制程序用西門子PLC 軟件STEP 7 S7-200 Explorer V2.0.0.27 編寫，其采用PLC 指令表語言編寫的部分程序如下：

LD M1.1； LD T120； O Q2.1； ALD；LD M3.0； A Q3.1；LD T103； O Q2.1；ALD； AN M0.3； OLD； AN M4.0； = Q2.1；LD I1.5； AN M11.5； LD I1.6； AN M11.6；OLD； LD I1.7； AN M11.7； OLD； LD I2.0； AN M12.0。

6 結論

采用PLC 和組態軟件控制的GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統，可用于極高真空度的無油真空系統中，系統進入高真空的時間短，機械泵、分子泵、離子泵和鈦升華泵組合系統的使用與維護方便，成本低廉。GaN 光電陰極制備凈化與激活超高真空系統具有完整的可視化和數字化，系統加工操作簡便、直觀，顯著提高了陰極制備真空裝置的可靠性、穩定性和自動化程度，抗干擾能力強，這是傳統繼電器控制所無法比擬的。自動控制系統的可視化和數字化適用于其他超高真空系統，可促進超高真空裝置的應用和工藝水平的提高。