【康沃真空網(wǎng)】目前國產(chǎn)CVD和PECVD管式爐中普遍存在真空壓力控制不準確、不穩(wěn)定等問題。那么面對這種情況如何正確分析處理呢？小編收集了一個經(jīng)典的改造案例分享給大家，提供一些經(jīng)驗和參考。案例如下：
一、背景介紹
客戶訂購了一臺CVD管式爐以進行小尺寸材料的制作，CVD管式爐及其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在使用中客戶發(fā)現(xiàn)這臺管式爐在CVD工藝過程中無法保證材料的質(zhì)量和重復性，材料性能波動性較大，分析原因是真空壓力控制不準確且不穩(wěn)定。為解決此問題，客戶提出對此CVD管式爐的真空控制系統(tǒng)進行升級改造。
圖1 用戶購置的CVD管式爐及其結(jié)構(gòu)內(nèi)容
我們通過分析圖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重問題，而這些問題在目前國產(chǎn)CVD和PECVD管式爐中普遍存在。
（1）真空計選擇不合理：對于絕大多數(shù)的CVD和PECVD管式爐，其真空度的控制范圍一般都為1Pa~0.1MPa（絕對壓力），并要求實現(xiàn)真空度精確控制。而在客戶所購置的CVD管式爐（包括其他品牌產(chǎn)品）中，為了節(jié)省造價，管式爐廠家配備了皮拉尼計和皮拉尼+電容真空計，但這種組合式電容真空計在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，而且須配置2只真空計才能覆蓋整個真空度范圍的測量和控制。
（2）控制方法錯誤：對于1Pa~0.1MPa（絕對壓力）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行控制才能達到很好的控制精度。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，即固定上游進氣流量而只調(diào)節(jié)下游的排氣流量。客戶所采用的CVD管式爐則僅采用了調(diào)節(jié)進氣流量的上游控制模式，勢必會造成1kPa~0.1MPa范圍內(nèi)的真空度控制波動性很大，同時造成工作氣體的極大浪費。
（3）多種比例混合氣體控制結(jié)構(gòu)錯誤：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)量流量計來配置工作氣體，但質(zhì)量流量計只能保證氣體混合比的準確性而無法對真空度進行準確控制，除非是單一氣體則可以通過一個質(zhì)量流量計來調(diào)節(jié)進氣流量來實現(xiàn)真空度控制。
綜上所述，客戶所購置的CVD管式爐存在一些嚴重影響真空度控制精度的問題，文本將詳細介紹解決這些問題的具體方法和升級改造詳細內(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、升級改造技術(shù)指標
對客戶的CVD管式爐的真空度控制系統(tǒng)進行升級改造，需要達到的技術(shù)指標如下：
（1）真空度控制范圍：1Pa~0.1MPa（絕對壓力）。
（2）真空度控制精度：±1%（全量程范圍）。
（3）控制形式：定點控制和曲線控制。
（4）輸入形式：編程或手動。
（5）PID參數(shù)：自整定。
三、升級改造技術(shù)方案
針對客戶的4通道進氣CVD管式爐，為實現(xiàn)真空控制系統(tǒng)的上述技術(shù)指標，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，升級改造的技術(shù)方案主要在以下幾方面進行了改動：
（1）還保留了皮拉尼真空計以對真空度進行粗略的測量，更主要的是采用皮拉尼計可以覆蓋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分別覆蓋1Pa~1kPa和10kPa~0.1MPa，以提高CVD工藝過程中的真空度測量精度。
（2）對于1Pa~0.1MPa（絕對壓力）范圍內(nèi)的真空度控制，分別采用上游和下游控制模式進行控制以實現(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，即固定上游進氣流量而只調(diào)節(jié)下游的排氣流量。
（3）對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)量流量控制器以實現(xiàn)比例準確的工作氣體混合，但精密混合后的氣體進入一個緩沖罐。緩沖罐內(nèi)氣體進入CVD管式爐的流量通過一個電動針閥進行調(diào)節(jié)，由此既能保證工作氣體的準確混合比，又能實現(xiàn)上游進氣流量的精密調(diào)節(jié)。
（4）為實現(xiàn)下游控制模式，在CVD管式爐的排氣口處增加一個電動針閥，此電動針閥的作用是調(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太大，另一方面是會無效損耗大量工作氣體。
（5）真空度的控制精度，除了受到真空計測量精度和電動針閥調(diào)節(jié)精度的影響之外，還會受到PID控制精度的嚴重制約。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，且具有定點和可編程控制功能，同時PID參數(shù)可進行自整定以便于準確確定控制參數(shù)。
（6）由于采用了兩只高精度的電容真空計測量整個量程范圍的真空度，在實際真空度控制過程中，就需要根據(jù)不同量程選擇對應(yīng)的電容真空計并進行真空度控制。由此，這就要求PID控制器需要具備兩只真空計之間的自動切換功能。
（7）在CVD和PECVD管式爐真空度控制系統(tǒng)升級改造方案中，使用了上下游兩種控制模式，這就要求PID控制器同時具備正向和反向操作功能，也可以采用2通道可同時工作的PID控制器，一個通道對應(yīng)一個電動針閥。
四、總結(jié)
針對客戶的4通道進氣CVD管式爐存在的CVD工藝中真空度控制嚴重不穩(wěn)定的問題，分析了造成真空度控制不穩(wěn)定的主要原因是真空計測量精度不夠、控制方法不正確、多種工作氣體混合結(jié)構(gòu)不正確。
為解決上述問題，本文提出了相應(yīng)的升級改造技術(shù)方案，更換了精度更高的薄膜電容真空計，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針閥和2通道PID控制器。升級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)實現(xiàn)±1%的控制精度和穩(wěn)定性。
