有机薄膜器件的镀膜自动控制系统设计

Racheler

摘要:设计了用于有机薄膜器件的镀膜自动控制系统;整个自动控制系统以单片机为核心，可分为3个功能模块:人机交互、强弱
电转换、样品处理。人机交互由单片机来实现;强弱电转换由固体继电器来完成;样品处理包括镀膜速率自动控制和样品保护两个部
分。控制系统体现了弱电控制强电的设计思路，系统采用了单片机、继电器、电磁阀和可调变阻器等器件以及程控可调电阻电路。所
% J1 P5 y; F1 E" Q' f) b设计的控制系统能克服目前有机薄膜器件镀膜系统的一些弊端，实现镀膜和镀膜速率的自动控制，并且能够避免有机半导体材料在真
1 j7 ]# C' u( e" N  B3 c. t4 u' w空腔内的相互污染。
9 P; Q. v9 v# C0 j/ d6 Q0 A3 d关键词:用于有机薄膜器件的真空镀膜自动控制系统;单片机;固体继电器;电磁阀
0引言
; t! c! U- |4 ^, O有机场薄膜半导体器件是电子信息技术发展的-一个重要方
向，其制备工艺和所使用的材料都很廉价[1，近年来越来越受
1 i; o% E6 G* @; k& ]到人们的重视，他们中最有前景的是有机电致发光二极管
(OLED)[2、有机薄膜晶体管(OFET)[3] 和有机太阳能电池
, J% S6 A' j, I(OPV)41]。真空蒸镀成膜是目前较为普遍的一种有机薄膜半
导体器件制备方法。目前实验室的有机真空镀膜系统自动化程
# o# H: c- i- _8 X# o; k度很低，在一个样品蒸镀完成时候，不能够智能控制样品的交
; f' U0 D0 [; z0 ~2 [替镀膜，需要人工来机械切换;不能自动控制薄膜蒸镀速率,
: w4 U5 s) s* [8 V$ M因此较难精确控制膜厚;在一个真空腔内放置了几个蒸发源，
因此在蒸镀一个样品时其他样品也会因此受到污染，这样很难
精确控制膜的纯净度。本文设计了相关方案来解央现有系统的

0 C9 `( g$ B' G6 s不足之处。整个控制系统中，单片机起到核心作用[s5-0],通过
! t8 G! G+ c( ^' }/ y! t2 t单片机的外接键盘即可控制镀膜系统。为解决样品的污染问
7 }' ~( I6 ^4 |题，本系统在蒸发源上加一个电磁阀开关以密封蒸发源，保护
7 q! k# a: q) q) Y8 n/ s样品。在膜厚达到预定厚度时，电磁阀自动关闭，电流同时停
) _. {% b1 `5 q* B止加热。为避免固体样品中残余气体在开始通电时加热过快而
) Q% A9 e7 o/ v9 g- k4 I! I+ g" n过度膨胀，导致样品飞溅，也避免电流停止时蒸发源依然余热
过大而继续蒸发样品，在蒸镀时采用程控可变电阻电路控制加
热速率，可以对整个样品和薄膜起到保护和精确控制作用。
1系统设计与功能
1.1系统框架
整个控制系统的框架如图1所示，它可以实现: (1)多个
样品自动交替镀膜; (2) 实时根据膜的厚度，自动调整样品镀
0 ?. G$ G" S0 B! ~4 s' \膜速率并在必要时候停止样品镀膜; (3)避免样品接触到其他
2 H0 q( `; L* Z  B' B+ ^" l样品蒸气而受到污染。
9 m) j) g/ q9 a; }) w控制系统可分为3个功能模块:人机交互、强弱电转换和
2 y9 W. n5 K* E$ d样品处理。通常使用石英振荡器来测量膜厚，即为图中的测厚.
% d' M/ @- J2 Z3 h; S. i模块.
4 F' u. W7 E( S
) D. l; i+ P  [5 U% N  d7 S5 p( p整个控制系统的工作流程:先通过单片机的外接键盘输入
1 p$ \. u& v- [" ?9 e7 s9 e各样品所需镀膜的厚度，然后按镀膜开始键，与第一个蒸发源
4 g& M3 E  O3 r$ {5 {7 ~2 u0 a/ A相对应的I/O端口置“1", 相连的固体继电器导通，相应的蒸
发源通电，同时相应的电磁阀打开。蒸发源上的有机半导体样
品在被加热到一定程度时升华，样品气体通过电磁阀口输出，
' s' N2 L5 i) {% f在基片上成膜。在镀膜过程中，系统实时测量膜厚，通常膜厚
- M- ]' i, X2 g! ^& u5 X为模拟电信号，经过A/D转换将所测膜厚模拟信号转化为数
字信号，再输人单片机，单片机判断膜厚是否达到规定厚度。
3 x. y' j0 A0 p9 T" m在镀膜过程中，由单片机控制镀膜速率，- -开始镀膜速率较
慢，经过一段时间，变快，到该样品镀膜快结束时，又放慢至
; k1 ?% ?9 V5 Z+ q3 F  D5 O结束。一个样品镀膜结束，另一个样品镀膜自动开始，到最后
5 L. R- @2 ]( y所有样品镀膜结束，提示灯亮。
* L: V  Q; ~4 _5 r( k1.2 人机交互
单片机是人机交互模块中的核心器件，也是实现程序控制
9 a3 o. E6 D/ Q的核心，操作人员通过按单片机外围键盘即能控制整个镀膜系
' B1 h% J2 c, V: q% V统的运作。当键盘电路有按键按下，单片机即外部中断0,于
  i* m7 G, g) B  R" E% [是执行外部中断0的中断服务程序。中断服务程序是键盘的扫
描程序，因键盘有机械触点，易发生抖动，因此在扫描程序之
前，应该去抖。去抖动需加一廷时程序，两次读取端口数据，
如果两次相同，则说明有键盘按下。
8 ~* @. U7 s+ Z$ B$ \键盘扫描: 3X4 键盘(对有机真空镀膜系统足够)，先置.
" c! L' b/ |/ L5 V0 W第0列为“0”， 如果其中有一行输出为“0”, 则是0列的该行
5 f+ q/ l- p% t有键按下，若没有则置第1列为“0”, 按键就是位于其中输出
为“0"的行。
当CPU判断具体的按键按下了，如表1所示，单片机去.
( C+ I  n# `# Y" e6 y  b; g2 S! X执行相应的中断服务程序。一开始人工输人膜厚，每输人一个.
膜厚，程序一个变量(代表膜层数)就加1.
镀膜开始键按下，启动ADC0804 (即A/D转换)，第一
个蒸发源相应的单片机I/O端口置“1", 导通对应的固体继电
7 g1 n( i6 O- c# m* M器(SSR)，样品受热，升华，在基片上成膜。测厚模块实时
输出基片当前的厚度，经ADC0804输人单片机，以判断当前
5 N0 Z, g% q, {1 x- W6 o
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真空蒸镀成膜是目前较为普遍的一种有机薄膜半导体器件制备方法