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化学气相沉积CVD工艺中MKS下游排气高速节流阀的国产化替代方案及产品

  • 上海依阳实业
    2022/06/02
  • 私聊

常用设备综合讨论

  • 摘要:对标MKS、VAT和CDK等公司的下游排气高速节流阀系列产品,本文介绍了相应的国产化替代方案和产品。基于CVD工艺,技术方案将下游流量调节阀变为了下游压力调节阀,并采用分体结构,将调压阀与PID控制器分离,调压阀具备大口径和高速功能,电子气控驱动调压阀快速动作,PID控制器接收真空计信号和控制气控驱动阀,可实现阀门全开时间小于0.1秒。

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    一、背景介绍

    在各种化学气相沉积CVD工艺中,腔室上游为各种工作气体的进气端,腔室下游布置节流阀和真空泵,使得工作腔室内的工作气压在高温条件下按照设定程序进行控制。为达到较高的工艺质量,在CVD工艺中真空度的控制需达到以下几方面的要求:

    (1)下游控制方式:因为在CVD工艺过程中的真空度并不高,基本在10~500Torr范围内,在此范围内的低真空控制,采用下游控制方式可以达到较高精度,且控制速度很快。而上游控制方式则很难达到满意的控制效果,上游控制方式一般适用于较高真空度的低压控制。

    (2)高速调节能力:CVD工艺过程中,除了开始阶段的真空度缓慢调节控制之外,在温度突变过程中要求具备快速调节和恒定真空度的能力,这就要求下游调节阀门的响应速度极快,阀门从全闭到全开的时间至少不能大于1秒。

    (3)大口径:作为下游控制模式,节流阀安装在工作腔室和真空泵之间,要求具有较大口径以满足真空的快速抽取和控制。

    (4)易维护:CVD工艺中会有大量微尘抽出排放,尽管使用了过滤装置,但还是会对节流阀产生污染,由此要求节流阀便于拆装清理而不影响使用。

    目前市场上能满足CVD工艺上述要求且应用较多的节流阀是MKS、VAT和CDK等国外公司的系列下游排气高速节流阀,系列节流阀的全开速度在0.2~1.7秒范围内,口径1.270~2.362英寸,并集成了蝶阀、步进电机和PID控制器。

    目前MKS的下游节流阀在CVD工艺中应用比较成熟,但存在价格偏高和货期较长的问题。针对此问题,本文提出了相应的替代方案,介绍了相关产品,以期在国产化方面做出尝试。

    二、国产化替代方案

    国产化替代方案主要包括以下几方面的内容:

    2.1 压力调节方式

    目前MKS公司的下游节流阀是一种流量调节阀,通过调节蝶阀的开度大小来调节排气流量,与进口流量达到平衡来实现工作腔室内真空度的控制。我们的方案是直接采用压力调节阀,通过调节工作腔室排气口处的气压来实现腔室真空度控制。调压方式同样可以实现真空度的准确控制,特别是在CVD的低真空(高气压)工作区间内,排气量会更少,能节省工作气体的排放。

    2.2 分体结构

    与MKS下游节流阀的集成式结构不同,我们将阀门和PID控制器进行了模块分离。采用分体结构主要出于以下几方面的考虑:

    (1)采用独立的2通道PID控制器。这种PID控制器具有24位A/D和16位D/A的超高精度,更能保证真空度的控制精度,同时具有40多种信号输入类型,即可用来控制真空度,也可控温等。

    (2)2通道PID控制器可以连接两个不同量程的电容式真空计,并具有真空计自动切换功能,由此可实现全量程范围内真空度的自动测量和控制。如果只连接一个真空计,另外一个通道可连接温度传感器进行温度控制。

    (3)很多CVD设备都配备了独立且功能强大的PLC控制系统用来进行真空度、温度和流量等电气参数控制,同时也具备达到一定精度的PID控制功能。分体结构可以使PLC系统直接去控制阀门,避免功能的重复,有利于降低造价。

    2.3 气控驱动压力调节阀

    有别于美国MKS公司下游节流阀所采用的高速步进电机驱动蝶阀,我们的技术方案是电子气控先导阀驱动阀芯位移,由此可带动阀芯实现高速位移和压力调节。针对不同口径采用相应规格阀芯,内部阀芯非常便于拆卸、更换和清理。

    三、国产化相关产品

    3.1 大口径高速真空压力调节阀

    新推出的国产化EVR系列(EyoungVacuum Regulator)真空压力调节阀及其内部结构如图1所示。

    图1 国产EVR系列真空压力调节阀及其内部结构示意图


    EVR系列真空压力调节阀是一种常闭型调压阀门,可直接对气密性容器的真空压力(负压或正压)进行高速调节,调节方式采用顶部气控先导阀,先导阀可采用手动和电子控制形式。

    EVR系列产品可配各种手动和电子控制形式的先导阀,可形成开环和闭环控制回路。通过外接真空计和真空压力控制器相结合,可构成闭环形式快速高精度可编程真空控制回路。

    EVR系列真空压力调节阀的技术参数如表1所示。

    表1 EVR系列真空压力调节阀技术参数表


    3.2 两通道24位高精度多功能PID控制器

    对标英国欧陆控制器,国产VPC-2021系列PID控制器是多通道、24位A/D和16位D/A、可编程的通用型PID控制器,如图2所示。VPC-2021系列PID控制器可进行真空度、温度、流量和转速等多种参数的精密控制,功能十分强大,且性价比非常高。


    图2 VPC-2021系列高精度PID程序控制器


    VPC-2021系列控制器主要性能指标如下:

    (1)精度:24位A/D,16位D/A。

    (2)最高采样速度:50ms。

    (3)多种输入参数:47种(热电偶、热电阻、直流电压)输入信号,可连接各种温度和真空度传感器进行测量、显示和控制。

    (4)多种输出形式:16位模拟信号、2A (250 VAC)继电器 、22V/20mA 固态继电器、 3A/250VAC可控硅。

    (5)多通道:独立1通道或2通道输出。2通道可实现温度和真空度的同时测控,报警输出通道可用来控制旋转电机。

    (6)多功能:正向、反向、正反双向控制、加热/制冷控制。

    (7)PID程序控制:改进型PID算法,支持PV微分和微分先行控制。可存储20组分组PID,支持20条程序曲线(每条50段)。

    (8)通讯:两线制RS485,标准MODBUSRTU 通讯协议。

    (9)显示方式:数码馆和IPS TFT真彩液晶。

    (10)软件:通过软件计算机可实现对控制器的操作和数据采集存储。

    (11)外形尺寸:96×96×87mm(开孔尺寸92×92mm)。

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