摘要：本文介紹了根據客戶要求對CVD管式爐真空控制系統進行升級改造的過程，分析了客戶用CVD管式爐真空控制系統中存在的問題，這些問題在目前國產CVD和PECVD管式爐中普遍存在。本文還詳細介紹了改造後的真空壓力控制系統的工作原理、結構和相關部件參數等詳細內容，改造後的真空壓力控制精度得到大幅度提高。
一、背景介紹
客戶訂購了一台CVD管式爐以進行小尺寸材料的製作，CVD管式爐及其結構如圖1所示。在使用中客戶發現這台管式爐在CVD工藝過程中無法保證材料的質量和重複性，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定。為解決此問題，客戶提出對此CVD管式爐的真空控制系統進行升級改造。
圖1 用戶購置的CVD管式爐及其結構內容
我們通過分析圖1所示CVD管式爐的整體結構，發現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存在以下幾方面的嚴重問題，而這些問題在目前國產CVD和PECVD管式爐中普遍存在。
（1）真空計選擇不合理：對於絕大多數的CVD和PECVD管式爐，其真空度的控制範圍一般都為1Pa~0.1MPa（絕對壓力），並要求實現真空度精確控制。而在客戶所購置的CVD管式爐（包括其他品牌產品）中，為了節省造價，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範圍內的精度只有±5%，0.1Pa~10kPa範圍內的精度則變為±15%，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隻真空計才能覆蓋整個真空度範圍的測量和控制。
（2）控制方法錯誤：對於1Pa~0.1MPa（絕對壓力）範圍內的真空度控制，需要分別採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範圍內採用上游控制模式，即固定真空泵抽速而只調節上游進氣流量；在1kPa~0.1MPa範圍內採用下游控制模式，即固定上游進氣流量而只調節下游的排氣流量。客戶所採用的CVD管式爐則僅採用了調節進氣流量的上游控制模式，勢必會造成1kPa~0.1MPa範圍內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構錯誤：在CVD工藝中，反應氣體為按比例配置的多種工作氣體混合物。儘管CVD管式爐中採用了4隻氣體質量流量計來配置工作氣體，但質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量流量計來調節進氣流量來實現真空度控制。
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容。改造後的真空度控制系統可在全量程範圍內控制精度優於±1%。
二、升級改造技術指標
對客戶的CVD管式爐的真空控制系統進行升級改造，需要達到的技術指標如下：
（1）真空度控制範圍：1Pa~0.1MPa（絕對壓力）。
（2）真空度控制精度：±1%（全量程範圍）。
（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：自整定。
三、升級改造技術方案
針對客戶的4通道進氣CVD管式爐，為實現真空控制系統的上述技術指標，所採用的技術方案如圖2所示。
圖2 CVD管式爐真空度控制系統結構示意圖
如圖2所示，升級改造的技術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，更主要的是採用皮拉尼計可以覆蓋0.001Pa~1Pa的超高真空監控。但在1Pa~0.1MPa真空度範圍內，增加了兩隻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）對於1Pa~0.1MPa（絕對壓力）範圍內的真空度控制，分別採用上游和下游控制模式進行控制以實現更高的控制精度。例如，在1Pa~1kPa範圍內採用上游控制模式，即固定真空泵抽速而只調節上游進氣流量；在1kPa~0.1MPa範圍內採用下游控制模式，即固定上游進氣流量而只調節下游的排氣流量。
（3）對於多種比例混合工作氣體的CVD工藝，繼續保留4路氣體質量流量控制器以實現比例準確的工作氣體混合，但精密混合後的氣體進入一個緩衝罐。緩衝罐內氣體進入CVD管式爐的流量通過一個電動針閥進行調節，由此既能保證工作氣體的準確混合比，又能實現上游進氣流量的精密調節。
（4）為實現下游控制模式，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節排氣流量。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範圍內真空度的精確控制。如果在1kPa~0.1MPa範圍內採用上游控制模式，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節精度的影響之外，還會受到PID控制精度的嚴重製約。為此，技術方案中選用了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參數可進行自整定以便於準確確定控制參數。
（6）由於採用了兩隻高精度的電容真空計測量整個量程範圍的真空度，在實際真空度控制過程中，就需要根據不同量程選擇對應的電容真空計並進行真空度控制。由此，這就要求PID控制器需要具備兩隻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，也可以採用2通道可同時工作的PID控制器，一個通道對應一個電動針閥。
四、總結
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定的問題，分析了造成真空度控制不穩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構不正確。
為解決上述問題，本文提出了相應的升級改造技術方案，更換了精度更高的薄膜電容真空計，採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，並使用了調節和控制精度較高的電動針閥和2通道PID控制器。升級改造後的真空控制系統，可在全量程的真空度範圍（1Pa~0.1MPa）內實現±1%的控制精度和穩定性。
