【康沃真空網(wǎng)】目前國(guó)產(chǎn)CVD和PECVD管式爐中普遍存在真空壓力控制不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定等問(wèn)題。那么面對(duì)這種情況如何正確分析處理呢？小編收集了一個(gè)經(jīng)典的改造案例分享給大家，提供一些經(jīng)驗(yàn)和參考。案例如下：
一、背景介紹
客戶(hù)訂購(gòu)了一臺(tái)CVD管式爐以進(jìn)行小尺寸材料的制作，CVD管式爐及其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在使用中客戶(hù)發(fā)現(xiàn)這臺(tái)管式爐在CVD工藝過(guò)程中無(wú)法保證材料的質(zhì)量和重復(fù)性，材料性能波動(dòng)性較大，分析原因是真空壓力控制不準(zhǔn)確且不穩(wěn)定。為解決此問(wèn)題，客戶(hù)提出對(duì)此CVD管式爐的真空控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。
圖1 用戶(hù)購(gòu)置的CVD管式爐及其結(jié)構(gòu)內(nèi)容
我們通過(guò)分析圖1所示CVD管式爐的整體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)造成真空壓力控制效果較差的原因，主要是此管式爐的真空控制系統(tǒng)存在以下幾方面的嚴(yán)重問(wèn)題，而這些問(wèn)題在目前國(guó)產(chǎn)CVD和PECVD管式爐中普遍存在。
?。?）真空計(jì)選擇不合理：對(duì)于絕大多數(shù)的CVD和PECVD管式爐，其真空度的控制范圍一般都為1Pa~0.1MPa（絕對(duì)壓力），并要求實(shí)現(xiàn)真空度精確控制。而在客戶(hù)所購(gòu)置的CVD管式爐（包括其他品牌產(chǎn)品）中，為了節(jié)省造價(jià)，管式爐廠家配備了皮拉尼計(jì)和皮拉尼+電容真空計(jì)，但這種組合式電容真空計(jì)在10kPa~95kPa范圍內(nèi)的精度只有±5%，0.1Pa~10kPa范圍內(nèi)的精度則變?yōu)椤?5%，比單純的薄膜電容真空計(jì)的全量程±0.25%精度相差太大。合理的選擇是使用單純的薄膜電容真空計(jì)，而且須配置2只真空計(jì)才能覆蓋整個(gè)真空度范圍的測(cè)量和控制。
?。?）控制方法錯(cuò)誤：對(duì)于1Pa~0.1MPa（絕對(duì)壓力）范圍內(nèi)的真空度控制，需要分別采用上游和下游控制模式進(jìn)行控制才能達(dá)到很好的控制精度。例如，在1Pa~1kPa范圍內(nèi)采用上游控制模式，即固定真空泵抽速而只調(diào)節(jié)上游進(jìn)氣流量；在1kPa~0.1MPa范圍內(nèi)采用下游控制模式，即固定上游進(jìn)氣流量而只調(diào)節(jié)下游的排氣流量?？蛻?hù)所采用的CVD管式爐則僅采用了調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量的上游控制模式，勢(shì)必會(huì)造成1kPa~0.1MPa范圍內(nèi)的真空度控制波動(dòng)性很大，同時(shí)造成工作氣體的極大浪費(fèi)。
?。?）多種比例混合氣體控制結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤：在CVD工藝中，反應(yīng)氣體為按比例配置的多種工作氣體混合物。盡管CVD管式爐中采用了4只氣體質(zhì)量流量計(jì)來(lái)配置工作氣體，但質(zhì)量流量計(jì)只能保證氣體混合比的準(zhǔn)確性而無(wú)法對(duì)真空度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，除非是單一氣體則可以通過(guò)一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量來(lái)實(shí)現(xiàn)真空度控制。
綜上所述，客戶(hù)所購(gòu)置的CVD管式爐存在一些嚴(yán)重影響真空度控制精度的問(wèn)題，文本將詳細(xì)介紹解決這些問(wèn)題的具體方法和升級(jí)改造詳細(xì)內(nèi)容。改造后的真空度控制系統(tǒng)可在全量程范圍內(nèi)控制精度優(yōu)于±1%。
二、升級(jí)改造技術(shù)指標(biāo)
對(duì)客戶(hù)的CVD管式爐的真空度控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
（1）真空度控制范圍：1Pa~0.1MPa（絕對(duì)壓力）。
?。?）真空度控制精度：±1%（全量程范圍）。
?。?）控制形式：定點(diǎn)控制和曲線控制。
?。?）輸入形式：編程或手動(dòng)。
?。?）PID參數(shù)：自整定。
三、升級(jí)改造技術(shù)方案
針對(duì)客戶(hù)的4通道進(jìn)氣CVD管式爐，為實(shí)現(xiàn)真空控制系統(tǒng)的上述技術(shù)指標(biāo)，所采用的技術(shù)方案如圖2所示。
圖2 CVD管式爐真空度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
如圖2所示，升級(jí)改造的技術(shù)方案主要在以下幾方面進(jìn)行了改動(dòng)：
?。?）還保留了皮拉尼真空計(jì)以對(duì)真空度進(jìn)行粗略的測(cè)量，更主要的是采用皮拉尼計(jì)可以覆蓋0.001Pa~1Pa的超高真空監(jiān)控。但在1Pa~0.1MPa真空度范圍內(nèi)，增加了兩只薄膜電容真空計(jì)分別覆蓋1Pa~1kPa和10kPa~0.1MPa，以提高CVD工藝過(guò)程中的真空度測(cè)量精度。
?。?）對(duì)于1Pa~0.1MPa（絕對(duì)壓力）范圍內(nèi)的真空度控制，分別采用上游和下游控制模式進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)更高的控制精度。例如，在1Pa~1kPa范圍內(nèi)采用上游控制模式，即固定真空泵抽速而只調(diào)節(jié)上游進(jìn)氣流量；在1kPa~0.1MPa范圍內(nèi)采用下游控制模式，即固定上游進(jìn)氣流量而只調(diào)節(jié)下游的排氣流量。
?。?）對(duì)于多種比例混合工作氣體的CVD工藝，繼續(xù)保留4路氣體質(zhì)量流量控制器以實(shí)現(xiàn)比例準(zhǔn)確的工作氣體混合，但精密混合后的氣體進(jìn)入一個(gè)緩沖罐。緩沖罐內(nèi)氣體進(jìn)入CVD管式爐的流量通過(guò)一個(gè)電動(dòng)針閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，由此既能保證工作氣體的準(zhǔn)確混合比，又能實(shí)現(xiàn)上游進(jìn)氣流量的精密調(diào)節(jié)。
?。?）為實(shí)現(xiàn)下游控制模式，在CVD管式爐的排氣口處增加一個(gè)電動(dòng)針閥，此電動(dòng)針閥的作用是調(diào)節(jié)排氣流量。下游控制模式在CVD工藝中非常重要，這種模式可以保證1kPa~0.1MPa范圍內(nèi)真空度的精確控制。如果在1kPa~0.1MPa范圍內(nèi)采用上游控制模式，一方面是真空度控制波動(dòng)太大，另一方面是會(huì)無(wú)效損耗大量工作氣體。
（5）真空度的控制精度，除了受到真空計(jì)測(cè)量精度和電動(dòng)針閥調(diào)節(jié)精度的影響之外，還會(huì)受到PID控制精度的嚴(yán)重制約。為此，技術(shù)方案中選用了24位AD和16位DA的高精度PID控制器，且具有定點(diǎn)和可編程控制功能，同時(shí)PID參數(shù)可進(jìn)行自整定以便于準(zhǔn)確確定控制參數(shù)。
?。?）由于采用了兩只高精度的電容真空計(jì)測(cè)量整個(gè)量程范圍的真空度，在實(shí)際真空度控制過(guò)程中，就需要根據(jù)不同量程選擇對(duì)應(yīng)的電容真空計(jì)并進(jìn)行真空度控制。由此，這就要求PID控制器需要具備兩只真空計(jì)之間的自動(dòng)切換功能。
?。?）在CVD和PECVD管式爐真空度控制系統(tǒng)升級(jí)改造方案中，使用了上下游兩種控制模式，這就要求PID控制器同時(shí)具備正向和反向操作功能，也可以采用2通道可同時(shí)工作的PID控制器，一個(gè)通道對(duì)應(yīng)一個(gè)電動(dòng)針閥。
四、總結(jié)
針對(duì)客戶(hù)的4通道進(jìn)氣CVD管式爐存在的CVD工藝中真空度控制嚴(yán)重不穩(wěn)定的問(wèn)題，分析了造成真空度控制不穩(wěn)定的主要原因是真空計(jì)測(cè)量精度不夠、控制方法不正確、多種工作氣體混合結(jié)構(gòu)不正確。
為解決上述問(wèn)題，本文提出了相應(yīng)的升級(jí)改造技術(shù)方案，更換了精度更高的薄膜電容真空計(jì)，采用了控制精度更高的上下游控制方法，在多種氣體混合管路上增加了緩存罐，并使用了調(diào)節(jié)和控制精度較高的電動(dòng)針閥和2通道PID控制器。升級(jí)改造后的真空控制系統(tǒng)，可在全量程的真空度范圍（1Pa~0.1MPa）內(nèi)實(shí)現(xiàn)±1%的控制精度和穩(wěn)定性。
