王 寵，張士強(qiáng)

（中國(guó)樂凱集團(tuán)有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

在真空鍍膜的工藝過程當(dāng)中，工藝氣體的“量”精確穩(wěn)定的控制，對(duì)工藝過程的穩(wěn)定性和重復(fù)性起著至關(guān)重要的作用，MFC采用直接測(cè)量氣體質(zhì)量流量的方法，不受到氣體溫度、壓力的影響，從而受到使用者廣泛歡迎。

2 MFC控制原理

質(zhì)量流量控制器，即Mass Flow Controller（英文縮寫為MFC），不但具有氣體質(zhì)量流量計(jì)的功能，更加重要的是，它具有可以控制氣體流量的功能。不同于質(zhì)量流量計(jì)的是，它能夠形成一個(gè)控制閉環(huán)，當(dāng)用戶根據(jù)工藝需要設(shè)定一個(gè)流量值時(shí)，MFC可以通過自身的閉環(huán)控制將輸出流量值與設(shè)定值比對(duì)，最終使流量輸出值與設(shè)定值近似相同。根據(jù)MFC自身的控制原理，它的流量輸出不受工藝氣體系統(tǒng)壓力和環(huán)境溫濕度的影響。從而可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行穩(wěn)定的氣體流量輸出的功能。

2.1 MFC的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）穩(wěn)定的流量供給不受溫度、壓力變化影響，流量范圍可從5sccm～300slm

（2）可實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕性氣體、濃縮氣體或其他特殊氣體的控制

（4）電氣信號(hào)控制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制，方便智能管理

2.2 MFC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1 MFC內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

質(zhì)量流量控制器由如下幾部分組成：流量傳感器、分流器通道、流量調(diào)節(jié)閥門和比較放大控制器。質(zhì)量流量控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。氣體流量傳感器是采用的毛細(xì)管傳熱溫差量熱法原理，從而測(cè)量氣體的質(zhì)量流量（無需溫度壓力補(bǔ)償）。氣體在流量傳感器中流過時(shí)，傳感器進(jìn)出端的溫度發(fā)生變化，從而引起傳感器加熱電橋測(cè)量值的變化，將測(cè)量得出的信號(hào)輸入放大器放大，放大后的流量檢測(cè)信號(hào)與設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，利用差值信號(hào)去控制調(diào)節(jié)閥門，從而實(shí)現(xiàn)了流量的閉環(huán)控制，最終流過通道的流量與設(shè)定的流量相等。

分流器的作用是在一定的分流比下使氣體流量在傳感器和旁路間分流。整個(gè)分流器的流量即為流量控制器的流量。例如，傳感器毛細(xì)管的滿量程設(shè)計(jì)為為5ml/min；傳感器毛細(xì)管的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為0.25mm；分流管的內(nèi)徑規(guī)格則可以設(shè)計(jì)為0.25mm、0.50mm、1.00mm等等。在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中，可以將流量傳感器固定不變，通過改變分流器、組合分流管來實(shí)現(xiàn)出各種流量規(guī)格的氣體質(zhì)量流量控制器。

圖2 MFC分流器示意圖

2.3 MFC的工作壓差

質(zhì)量流量控制器（MFC）的流量輸出過程中有一個(gè)氣體流量調(diào)節(jié)閥門，閥門在接受信號(hào)后可以實(shí)現(xiàn)流量控制器的流量從零到滿量程的流量調(diào)節(jié)。在質(zhì)量流量控制器工作過程當(dāng)中，氣體入口和出口之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氣壓降，即壓差。適合MFC的工作壓差范圍通常為0.05～0.3MPa，如果工作壓差低于最低值0.05MPa，有可能在流量控制過程中流量無法達(dá)到滿量程值；如果工作壓差高于0.3MPa，氣體有可能對(duì)氣體流量調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行壓力沖擊，使流量控制的重復(fù)性誤差大于2%F.S。所以在使用MFC時(shí)，不管工作的反應(yīng)腔室是真空還是高壓，都應(yīng)該做到使MFC進(jìn)出氣兩端的壓差保持在所要求工作壓差范圍之內(nèi)，并且要求氣壓值要相對(duì)穩(wěn)定，這是保證MFC的正常工作的一個(gè)重要部分。

3 MFC在真空鍍膜機(jī)上的應(yīng)用

3.1 一般氣體的MFC控制過程

在真空鍍膜過程中，需要由氣體質(zhì)量流量控制器來控制各種工藝氣體的穩(wěn)定流量，比如O2/NH3/SiH4，包括一些惰性氣體如Ar、N2等。此時(shí)工藝氣體的控制過程如圖3所示。

圖3 一般氣瓶氣體MFC流量控制示意圖

如圖3所示，氣體（比如N2）從氣瓶中經(jīng)過調(diào)壓閥們，可調(diào)節(jié)氣體壓力為50～300kPa，經(jīng)過自動(dòng)閥門和MFC，可直接通入真空反應(yīng)腔室中。

3.2 液體蒸汽的MFC控制過程

MFC有時(shí)需要控制一些由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的氣體。如在鍍膜時(shí)有時(shí)需要的原料為液體，如六甲基硅氧烷（HMDSO），其沸點(diǎn)為100℃，常溫下為液體。對(duì)于此類由液體轉(zhuǎn)化為氣體的原料，需要解決兩個(gè)重要問題：MFC的系統(tǒng)溫度、工作壓差。

采用抓住主要矛盾進(jìn)行調(diào)解法，勞動(dòng)爭(zhēng)議調(diào)解員必須立足于對(duì)糾紛的全局和整體的深刻認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確把握。只有正確把握和認(rèn)識(shí)糾紛的全局和整體，才有刺于發(fā)現(xiàn)主要矛盾。而要做到正確把握和認(rèn)識(shí)糾紛的全局和整體，一方面要注重調(diào)查研究，盡可能全面搜集與糾紛有關(guān)的資料。另一方面，勞動(dòng)爭(zhēng)議調(diào)解員還要善于觀察、洞悉，準(zhǔn)確把握影響矛盾糾紛的主要問題。此外。勞動(dòng)爭(zhēng)議調(diào)解員還必須站在“旁觀者”的位置上，保持客觀中立的立場(chǎng)。只有這樣，勞動(dòng)爭(zhēng)議調(diào)解員才不會(huì)受環(huán)境影響，不會(huì)被糾紛當(dāng)事人的情緒所影響，從而保持冷靜的頭腦，在紛繁復(fù)雜的糾紛中快速理順來龍去脈，抓住影響糾紛的關(guān)鍵，及時(shí)解決。

3.2.1 MFC的系統(tǒng)溫度控制。此時(shí)的工藝控制過程如圖4所示。

圖4 液-汽式MFC流量控制系統(tǒng)示意圖

如圖4所示，在真空鍍膜過程中，一般該系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：

一是加原料液體，首先打開自動(dòng)閥門1和自動(dòng)閥門3，關(guān)閉自動(dòng)閥門2和手閥1，將原料罐內(nèi)抽成一定負(fù)壓狀態(tài)，然后將自動(dòng)閥門1和自動(dòng)閥門3關(guān)閉，緩緩打開手閥1，即可通過管路汲取原料進(jìn)入原料罐內(nèi)；

二是正常氣體供給，關(guān)閉手閥1、自動(dòng)閥3，打開自動(dòng)閥1和自動(dòng)閥2。為保障氣體有一定的恒定蒸汽壓力，則需將原料罐進(jìn)行升溫，同時(shí)將管路以及MFC等升溫至一定溫度，需要注意的是，為防止氣體結(jié)露堵塞MFC，隨著氣路的流動(dòng)，氣路所經(jīng)過位置的溫度應(yīng)逐漸升高，即管路的溫度一般高于原料罐的溫度。另一方面，普通的MFC工作溫度一般低于50℃，那么此時(shí)的MFC應(yīng)選用耐高溫MFC，即MFC-HT型號(hào)。

3.2.2 需要在工作壓差范圍內(nèi)工作 如圖4所示控制系統(tǒng)中，HMDSO的加熱罐內(nèi)形成一個(gè)密閉空間，在使用前首先進(jìn)行抽真空除去了雜質(zhì)氣體，那么在一定的溫度下，HMDSO液體與蒸汽會(huì)處于相對(duì)平衡的狀態(tài)下，即形成飽和蒸汽壓，同一物質(zhì)在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓，并且飽和蒸汽壓會(huì)隨著溫度的升高而增大。因?yàn)镸FC另一端為真空腔室，壓力可忽略，那么MFC此時(shí)的前后壓差即為HMDSO在此溫度下的飽和蒸汽壓。

采用Antoine公式可以計(jì)算不同物質(zhì)在不同溫度下蒸氣壓，公式如下：

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

P/mmHg;

T/K

查4958種化學(xué)物質(zhì)的飽和蒸氣壓安托尼常數(shù)表可得如表1數(shù)據(jù)：其中A、B、C、D、E為常數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可得：

在80℃，HMDSO飽和蒸汽壓為47.26kPa；

在50℃，HMDSO飽和蒸汽壓為17.42kPa；

在20℃，HMDSO飽和蒸汽壓為4.45kPa。

因HMDSO也為易燃易爆的化學(xué)物質(zhì)，80℃對(duì)于原料氣體和MFC都有不小的安全隱患和質(zhì)量隱患，原料液的溫度越低，后邊的氣路和MFC內(nèi)越不容易結(jié)露，而20℃時(shí)4kPa的工作壓差對(duì)于廠家來說很難達(dá)到。所以50～60℃為比較合理的控溫范圍。

由上邊的介紹我們了解到MFC的工作壓差為50～300kPa，而在50℃時(shí)，HMDSO的飽和蒸氣壓為17.42kPa，比50kPa要小，那么就無法滿足MFC正常工作的條件，需要在訂貨時(shí)跟廠家提出要求，將MFC的工作壓差調(diào)?。ɡ?0kPa左右），與此同時(shí)MFC的工作壓差范圍也會(huì)適當(dāng)?shù)目s小。

3.3 MFC對(duì)于接觸氣體的材料的材質(zhì)要求

MFC適用于各種氣體的流量的控制，包括腐蝕性氣體和特殊氣體，但是要注意的是，在使用腐蝕性氣體和特殊氣體的情況下，需要恰當(dāng)選擇型號(hào)和接觸氣體材料的材質(zhì)。

一般情況下，MFC接觸工藝氣體的材料為金屬、聚四氟乙烯和橡膠等，金屬材料一般為316L不銹鋼、金或鎳等耐腐蝕材料。在采用金屬接觸材質(zhì)時(shí)，MFC適用更大范圍的氣體，包括各種腐蝕性氣體和特種氣體。金屬材質(zhì)可以應(yīng)用于特殊場(chǎng)合或者精度、耐腐蝕要求高的場(chǎng)合。而在要求不是很高的一般場(chǎng)合，可以應(yīng)用橡膠材質(zhì)，如氟橡膠，可以用于大多數(shù)酸性和堿性等腐蝕性氣體。

表1 安托萬常數(shù)表NO.2559

4 結(jié)語

MFC在半導(dǎo)體行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)在真空鍍膜過程中也有難以替代的作用，MFC本身屬于精密儀器，且價(jià)格比較昂貴，在使用過程中應(yīng)注意MFC系統(tǒng)溫度、工作壓差、抗腐蝕性和密封性要求，以便更好的掌握其使用方法。