Стабилизация давления внутри вакуумной камеры с применением электронного регулятора давления

1. Введение

Поддержание стабильности давления внутри рабочего объема технологической камеры является важным условием для получения качественных характеристик тонкопленочных покрытий при осаждении, напылении, эпитаксии и других операциях в микроэлектронике, фотонике, нанотехнологии и др. [1]

Наиболее распространенные методы поддержания давления следующие:

1.   Управление скоростью процесса откачки из рабочей камеры за счет регулирования потока газа путем изменения площади сечения трубопровода. Изменение площади осуществляется электромеханической заслонкой, связанной обратной связью с датчиком давления, установленным внутри камеры. Недостатком метода является его значительная инерционность.

2.   Управление расходом газа, поступающего в рабочую камеру. Поддержание требуемой величины давления осуществляется автоматическим регулированием давления специальными устройствами, получившими название электронные регуляторы давления.

В настоящей статье представлены результаты разработки и испытаний нового электронного регулятора давления (ЭРД) с возможностью регулирования «после себя» (РДГП) и до себя (РДГД). Термин «после себя» означает, что регулирование давления газа происходит в объеме, расположенном после регулятора, а «до себя» - до регулятора.

2. Конструкция ЭРД

В качестве средств измерений в ЭРД применяют различные датчики давления: пьезоэлектрические [4], Пирани и др. В данной работе использовался пьезоэлектрический датчик фирмы Honeywell.

Цифровая плата обеспечивает возможность измерения и ПИД-регулирования, а также совместимость с другими устройствами по цифровому и аналоговому интерфейсам. Цифровые интерфейсы реализованы на RS 232 и RS 485 и позволяет работать по протоколам Modbus RTU и Элточприбор М.

Элементом, регулирующим давление, является электромагнитный клапан, который интегрирован в корпус прибора. Клапан обеспечивает плавное и быстрое регулирование и выполнен в двух модификациях: с расходами до 1,5 м³/час и свыше 1,5 м³/час.

На рис.1 приведена конструкция электронного регулятора давления.

Следует подчеркнуть, что в РДГД поток газа, поступающий в датчик давления, близок к ламинарному. Т.е. скачки давления отсутствуют. Это позволяет использовать в РДГД практически любые датчики давления.

В регуляторе давления «после себя» (РДГП) поток газа на входе в датчик турбулентный. Чтобы сгладить изменение давления датчики снабжают защитой от бросков давления.

Рисунок 1. Схема электронного регулятора давления.

3.    Схема испытаний

Для изучения характеристик разработанного прибора была реализована следующая схема, рисунок 2.

Рисунок 2. Схема регулирования давления газа внутри вакуумной камеры:

а) «после себя», б) «до себя».

ИГ – источник газа или газовой смеси;

РРГ – регулятор расхода газа;

ВК – вакуумная камера;

ВН – вакуумный насос;

РДГП – регулятор давления «после себя»;

РДГД – регулятор давления газа «до себя».

В случае схемы Рисунок 2а скорость откачки вакуумным насосом постоянная, а давление регулируется регулятором РДГП, расход газа регулируется РРГ. Для схемы Рисунок 2б расход напускаемого газа регулируется РРГ, а регулировка давления осуществляется за счет регулирования скоростью входа газа с помощью РДГД. В качестве РРГ использовался цифровой регулятор расхода газа РРГ-12. Источником газа служил азот.

4.    Результаты испытаний

На рисунках 3, 4 приведены графики изменения давления газа внутри вакуумной камеры при реализации схем «после себя» и «до себя».

Рисунок 3. График изменения давления газа внутри вакуумной камеры при реализации схемы «до себя»

Рисунок 4. График изменения давления газа внутри вакуумной камеры при реализации схемы «после себя»

Проведенные испытания показали хорошее поддержание давления в камере на заданном уровне в течение продолжительного времени и при повторных включениях. В результате были созданы электронные регуляторы давления со следующими параметрами:

·     Диаметр условного прохода 4 мм,

·     Воспроизводимость < 0,2%,

·     Точность регулирования давления газа ±0,5% от полной шкалы,

·     Время отклика < 4 мс,

·     Диапазон температур 0 – 70 °С,

·     Рабочие газы: нейтральные, агрессивные, токсичные, взрыво- и пожароопасные,

·     Герметичность <10^-9 Па·м³/с.

5. Выводы

1. Разработаны электронные регуляторы давления, позволяющие поддерживать стабильное давление в режимах «после себя» и «до себя».

2. Регуляторы обеспечивают хорошую воспроизводимость <0,2% и высокую стабильность регулирования ±0,5%.

3. Регулятор имеет высокогерметичную конструкцию, что позволяет работать практически со всеми газами.

4. Регулятор способен работать во взрывоопасных зонах, однако измерительная и исполнительная часть устройства должны быть разнесены.

5. Разработанные регуляторы могут применяться в вакуумных технологиях, полупроводниковом производстве, хроматографии и т.д.

Список литературы