MFC在真空镀膜机上的应用研究

2018-11-08张士强

信息记录材料 2018年11期

关键词：蒸汽压压差阀门

王宠，张士强

（中国乐凯集团有限公司河北保定 071054）

1 引言

在真空镀膜的工艺过程当中，工艺气体的“量”精确稳定的控制，对工艺过程的稳定性和重复性起着至关重要的作用，MFC采用直接测量气体质量流量的方法，不受到气体温度、压力的影响，从而受到使用者广泛欢迎。

2 MFC控制原理

质量流量控制器，即Mass Flow Controller（英文缩写为MFC），不但具有气体质量流量计的功能，更加重要的是，它具有可以控制气体流量的功能。不同于质量流量计的是，它能够形成一个控制闭环，当用户根据工艺需要设定一个流量值时，MFC可以通过自身的闭环控制将输出流量值与设定值比对，最终使流量输出值与设定值近似相同。根据MFC自身的控制原理，它的流量输出不受工艺气体系统压力和环境温湿度的影响。从而可以实现进行稳定的气体流量输出的功能。

2.1 MFC的主要优点

（1）稳定的流量供给不受温度、压力变化影响，流量范围可从5sccm～300slm

（2）可实现对腐蚀性气体、浓缩气体或其他特殊气体的控制

（4）电气信号控制可实现自动、远程控制，方便智能管理

2.2 MFC的内部结构

图1 MFC内部结构示意图

质量流量控制器由如下几部分组成：流量传感器、分流器通道、流量调节阀门和比较放大控制器。质量流量控制器的内部结构示意图见图1。气体流量传感器是采用的毛细管传热温差量热法原理，从而测量气体的质量流量（无需温度压力补偿）。气体在流量传感器中流过时，传感器进出端的温度发生变化，从而引起传感器加热电桥测量值的变化，将测量得出的信号输入放大器放大，放大后的流量检测信号与设定信号进行比较，利用差值信号去控制调节阀门，从而实现了流量的闭环控制，最终流过通道的流量与设定的流量相等。

分流器的作用是在一定的分流比下使气体流量在传感器和旁路间分流。整个分流器的流量即为流量控制器的流量。例如，传感器毛细管的满量程设计为为5ml/min；传感器毛细管的内径设计为0.25mm；分流管的内径规格则可以设计为0.25mm、0.50mm、1.00mm等等。在实际设计应用中，可以将流量传感器固定不变，通过改变分流器、组合分流管来实现出各种流量规格的气体质量流量控制器。

图2 MFC分流器示意图

2.3 MFC的工作压差

质量流量控制器（MFC）的流量输出过程中有一个气体流量调节阀门，阀门在接受信号后可以实现流量控制器的流量从零到满量程的流量调节。在质量流量控制器工作过程当中，气体入口和出口之间会产生一个气压降，即压差。适合MFC的工作压差范围通常为0.05～0.3MPa，如果工作压差低于最低值0.05MPa，有可能在流量控制过程中流量无法达到满量程值；如果工作压差高于0.3MPa，气体有可能对气体流量调节阀门进行压力冲击，使流量控制的重复性误差大于2%F.S。所以在使用MFC时，不管工作的反应腔室是真空还是高压，都应该做到使MFC进出气两端的压差保持在所要求工作压差范围之内，并且要求气压值要相对稳定，这是保证MFC的正常工作的一个重要部分。

3 MFC在真空镀膜机上的应用

3.1 一般气体的MFC控制过程

在真空镀膜过程中，需要由气体质量流量控制器来控制各种工艺气体的稳定流量，比如O2/NH3/SiH4，包括一些惰性气体如Ar、N2等。此时工艺气体的控制过程如图3所示。

图3 一般气瓶气体MFC流量控制示意图

如图3所示，气体（比如N2）从气瓶中经过调压阀们，可调节气体压力为50～300kPa，经过自动阀门和MFC，可直接通入真空反应腔室中。

3.2 液体蒸汽的MFC控制过程

MFC有时需要控制一些由液态转化为气态的气体。如在镀膜时有时需要的原料为液体，如六甲基硅氧烷（HMDSO），其沸点为100℃，常温下为液体。对于此类由液体转化为气体的原料，需要解决两个重要问题：MFC的系统温度、工作压差。

采用抓住主要矛盾进行调解法，劳动争议调解员必须立足于对纠纷的全局和整体的深刻认识和准确把握。只有正确把握和认识纠纷的全局和整体，才有刺于发现主要矛盾。而要做到正确把握和认识纠纷的全局和整体，一方面要注重调查研究，尽可能全面搜集与纠纷有关的资料。另一方面，劳动争议调解员还要善于观察、洞悉，准确把握影响矛盾纠纷的主要问题。此外。劳动争议调解员还必须站在“旁观者”的位置上，保持客观中立的立场。只有这样，劳动争议调解员才不会受环境影响，不会被纠纷当事人的情绪所影响，从而保持冷静的头脑，在纷繁复杂的纠纷中快速理顺来龙去脉，抓住影响纠纷的关键，及时解决。

3.2.1 MFC的系统温度控制。此时的工艺控制过程如图4所示。

图4 液-汽式MFC流量控制系统示意图

如图4所示，在真空镀膜过程中，一般该系统有两种工作状态：

一是加原料液体，首先打开自动阀门1和自动阀门3，关闭自动阀门2和手阀1，将原料罐内抽成一定负压状态，然后将自动阀门1和自动阀门3关闭，缓缓打开手阀1，即可通过管路汲取原料进入原料罐内；

二是正常气体供给，关闭手阀1、自动阀3，打开自动阀1和自动阀2。为保障气体有一定的恒定蒸汽压力，则需将原料罐进行升温，同时将管路以及MFC等升温至一定温度，需要注意的是，为防止气体结露堵塞MFC，随着气路的流动，气路所经过位置的温度应逐渐升高，即管路的温度一般高于原料罐的温度。另一方面，普通的MFC工作温度一般低于50℃，那么此时的MFC应选用耐高温MFC，即MFC-HT型号。

3.2.2 需要在工作压差范围内工作如图4所示控制系统中，HMDSO的加热罐内形成一个密闭空间，在使用前首先进行抽真空除去了杂质气体，那么在一定的温度下，HMDSO液体与蒸汽会处于相对平衡的状态下，即形成饱和蒸汽压，同一物质在不同温度下有不同的饱和蒸气压，并且饱和蒸汽压会随着温度的升高而增大。因为MFC另一端为真空腔室，压力可忽略，那么MFC此时的前后压差即为HMDSO在此温度下的饱和蒸汽压。

采用Antoine公式可以计算不同物质在不同温度下蒸气压，公式如下：

lgP =A+B/T+C*lgT+D*T+E*T2;

P/mmHg;

T/K

查4958种化学物质的饱和蒸气压安托尼常数表可得如表1数据：其中A、B、C、D、E为常数。

经计算可得：

在80℃，HMDSO饱和蒸汽压为47.26kPa；

在50℃，HMDSO饱和蒸汽压为17.42kPa；

在20℃，HMDSO饱和蒸汽压为4.45kPa。

因HMDSO也为易燃易爆的化学物质，80℃对于原料气体和MFC都有不小的安全隐患和质量隐患，原料液的温度越低，后边的气路和MFC内越不容易结露，而20℃时4kPa的工作压差对于厂家来说很难达到。所以50～60℃为比较合理的控温范围。

由上边的介绍我们了解到MFC的工作压差为50～300kPa，而在50℃时，HMDSO的饱和蒸气压为17.42kPa，比50kPa要小，那么就无法满足MFC正常工作的条件，需要在订货时跟厂家提出要求，将MFC的工作压差调小（例如10kPa左右），与此同时MFC的工作压差范围也会适当的缩小。

3.3 MFC对于接触气体的材料的材质要求

MFC适用于各种气体的流量的控制，包括腐蚀性气体和特殊气体，但是要注意的是，在使用腐蚀性气体和特殊气体的情况下，需要恰当选择型号和接触气体材料的材质。

一般情况下，MFC接触工艺气体的材料为金属、聚四氟乙烯和橡胶等，金属材料一般为316L不锈钢、金或镍等耐腐蚀材料。在采用金属接触材质时，MFC适用更大范围的气体，包括各种腐蚀性气体和特种气体。金属材质可以应用于特殊场合或者精度、耐腐蚀要求高的场合。而在要求不是很高的一般场合，可以应用橡胶材质，如氟橡胶，可以用于大多数酸性和碱性等腐蚀性气体。