MFC在真空鍍膜機上的應用研究

王 寵，張士強

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

1 引言

在真空鍍膜的工藝過程當中，工藝氣體的“量”精確穩定的控制，對工藝過程的穩定性和重復性起著至關重要的作用，MFC采用直接測量氣體質量流量的方法，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

質量流量控制器，即Mass Flow Controller（英文縮寫為MFC），不但具有氣體質量流量計的功能，更加重要的是，它具有可以控制氣體流量的功能。不同于質量流量計的是，它能夠形成一個控制閉環，當用戶根據工藝需要設定一個流量值時，MFC可以通過自身的閉環控制將輸出流量值與設定值比對，最終使流量輸出值與設定值近似相同。根據MFC自身的控制原理，它的流量輸出不受工藝氣體系統壓力和環境溫濕度的影響。從而可以實現進行穩定的氣體流量輸出的功能。

2.1 MFC的主要優點

（1）穩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）可實現對腐蝕性氣體、濃縮氣體或其他特殊氣體的控制

（4）電氣信號控制可實現自動、遠程控制，方便智能管理

2.2 MFC的內部結構

圖1 MFC內部結構示意圖

質量流量控制器由如下幾部分組成：流量傳感器、分流器通道、流量調節閥門和比較放大控制器。質量流量控制器的內部結構示意圖見圖1。氣體流量傳感器是采用的毛細管傳熱溫差量熱法原理，從而測量氣體的質量流量（無需溫度壓力補償）。氣體在流量傳感器中流過時，傳感器進出端的溫度發生變化，從而引起傳感器加熱電橋測量值的變化，將測量得出的信號輸入放大器放大，放大后的流量檢測信號與設定信號進行比較，利用差值信號去控制調節閥門，從而實現了流量的閉環控制，最終流過通道的流量與設定的流量相等。

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。整個分流器的流量即為流量控制器的流量。例如，傳感器毛細管的滿量程設計為為5ml/min；傳感器毛細管的內徑設計為0.25mm；分流管的內徑規格則可以設計為0.25mm、0.50mm、1.00mm等等。在實際設計應用中，可以將流量傳感器固定不變，通過改變分流器、組合分流管來實現出各種流量規格的氣體質量流量控制器。

圖2 MFC分流器示意圖

2.3 MFC的工作壓差

質量流量控制器（MFC）的流量輸出過程中有一個氣體流量調節閥門，閥門在接受信號后可以實現流量控制器的流量從零到滿量程的流量調節。在質量流量控制器工作過程當中，氣體入口和出口之間會產生一個氣壓降，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到滿量程值；如果工作壓差高于0.3MPa，氣體有可能對氣體流量調節閥門進行壓力沖擊，使流量控制的重復性誤差大于2%F.S。所以在使用MFC時，不管工作的反應腔室是真空還是高壓，都應該做到使MFC進出氣兩端的壓差保持在所要求工作壓差范圍之內，并且要求氣壓值要相對穩定，這是保證MFC的正常工作的一個重要部分。

3 MFC在真空鍍膜機上的應用

3.1 一般氣體的MFC控制過程

在真空鍍膜過程中，需要由氣體質量流量控制器來控制各種工藝氣體的穩定流量，比如O2/NH3/SiH4，包括一些惰性氣體如Ar、N2等。此時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）從氣瓶中經過調壓閥們，可調節氣體壓力為50～300kPa，經過自動閥門和MFC，可直接通入真空反應腔室中。

3.2 液體蒸汽的MFC控制過程

MFC有時需要控制一些由液態轉化為氣態的氣體。如在鍍膜時有時需要的原料為液體，如六甲基硅氧烷（HMDSO），其沸點為100℃，常溫下為液體。對于此類由液體轉化為氣體的原料，需要解決兩個重要問題：MFC的系統溫度、工作壓差。

采用抓住主要矛盾進行調解法，勞動爭議調解員必須立足于對糾紛的全局和整體的深刻認識和準確把握。只有正確把握和認識糾紛的全局和整體，才有刺于發現主要矛盾。而要做到正確把握和認識糾紛的全局和整體，一方面要注重調查研究，盡可能全面搜集與糾紛有關的資料。另一方面，勞動爭議調解員還要善于觀察、洞悉，準確把握影響矛盾糾紛的主要問題。此外。勞動爭議調解員還必須站在“旁觀者”的位置上，保持客觀中立的立場。只有這樣，勞動爭議調解員才不會受環境影響，不會被糾紛當事人的情緒所影響，從而保持冷靜的頭腦，在紛繁復雜的糾紛中快速理順來龍去脈，抓住影響糾紛的關鍵，及時解決。

3.2.1 MFC的系統溫度控制。此時的工藝控制過程如圖4所示。

圖4 液-汽式MFC流量控制系統示意圖

如圖4所示，在真空鍍膜過程中，一般該系統有兩種工作狀態：

一是加原料液體，首先打開自動閥門1和自動閥門3，關閉自動閥門2和手閥1，將原料罐內抽成一定負壓狀態，然后將自動閥門1和自動閥門3關閉，緩緩打開手閥1，即可通過管路汲取原料進入原料罐內；

二是正常氣體供給，關閉手閥1、自動閥3，打開自動閥1和自動閥2。為保障氣體有一定的恒定蒸汽壓力，則需將原料罐進行升溫，同時將管路以及MFC等升溫至一定溫度，需要注意的是，為防止氣體結露堵塞MFC，隨著氣路的流動，氣路所經過位置的溫度應逐漸升高，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℃，那么此時的MFC應選用耐高溫MFC，即MFC-HT型號。

3.2.2 需要在工作壓差范圍內工作 如圖4所示控制系統中，HMDSO的加熱罐內形成一個密閉空間，在使用前首先進行抽真空除去了雜質氣體，那么在一定的溫度下，HMDSO液體與蒸汽會處于相對平衡的狀態下，即形成飽和蒸汽壓，同一物質在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓，并且飽和蒸汽壓會隨著溫度的升高而增大。因為MFC另一端為真空腔室，壓力可忽略，那么MFC此時的前后壓差即為HMDSO在此溫度下的飽和蒸汽壓。

采用Antoine公式可以計算不同物質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種化學物質的飽和蒸氣壓安托尼常數表可得如表1數據：其中A、B、C、D、E為常數。

經計算可得：

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物質，80℃對于原料氣體和MFC都有不小的安全隱患和質量隱患，原料液的溫度越低，后邊的氣路和MFC內越不容易結露，而20℃時4kPa的工作壓差對于廠家來說很難達到。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，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，需要在訂貨時跟廠家提出要求，將MFC的工作壓差調小（例如10kPa左右），與此同時MFC的工作壓差范圍也會適當的縮小。

3.3 MFC對于接觸氣體的材料的材質要求

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，需要恰當選擇型號和接觸氣體材料的材質。

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時，MFC適用更大范圍的氣體，包括各種腐蝕性氣體和特種氣體。金屬材質可以應用于特殊場合或者精度、耐腐蝕要求高的場合。而在要求不是很高的一般場合，可以應用橡膠材質，如氟橡膠，可以用于大多數酸性和堿性等腐蝕性氣體。

表1 安托萬常數表NO.2559

4 結語

MFC在半導體行業中具有廣泛的應用，因為它的優勢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，且價格比較昂貴，在使用過程中應注意MFC系統溫度、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。