專利名稱：化學品混合與輸送系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明主要涉及用于混合和/或輸送液態(tài)化學品的系統(tǒng)和方法，特別是涉及使用邏輯裝置和多儲罐負載傳感器組件以精確的量混合和輸送液態(tài)化學品的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
本發(fā)明具有多種應用，但是本文主要是考慮到如何將光致抗蝕劑輸送至硅晶片用于使光致抗蝕劑在光刻工藝中曝光的問題。為了形成所要求的精確的圖像，光致抗蝕劑必須以所需精確的量、無氣泡且在晶片可使用的部分上具有精確一致的厚度的方式進行輸送。常規(guī)系統(tǒng)具有以下問題，如下所述。
如圖1所示，典型的傳統(tǒng)光致抗蝕劑輸送系統(tǒng)包括供應容器100，102，一般是瓶罐，所述瓶罐通過管線117供應光致抗蝕劑至單個儲罐104，所述管線117與供應管線106，108相連接，其受到氣泡傳感器110，112的監(jiān)測并受閥門V1和V2控制。儲罐的底部連接至光致抗蝕劑輸出管線114，進而連接至在晶片上分配光致抗蝕劑的軌跡移動設備(未示出)。儲罐104中光致抗蝕劑上面的空間被連接至氣體管線118，所述氣體管線118基于三通閥V3的位置，要么經過針形閥1的調節(jié)從氮氣歧管126管線向儲罐104供應氮氣，要么在儲罐104中產生真空。為了感應到儲罐104中的光致抗蝕劑的高度，系統(tǒng)中使用一排垂直布置在儲罐104壁上的電容傳感器122。位于氮氣歧管和真空噴射器124進口之間的二通閥V4供給或斷開傳輸?shù)秸婵諊娚淦?24處的氮氣流。
該光致抗蝕劑輸送系統(tǒng)必須總是“在線的”，因此軌跡移動設備可根據需要分配光致抗蝕劑。多種光致抗蝕劑輸送系統(tǒng)試圖使用儲罐以提供向軌跡移動設備的光致抗蝕劑的在線供應，但是光致抗蝕劑輸送系統(tǒng)仍然必須經常向儲罐中進行再注入，這取決于空供應儲罐的適時更換。否則，當有需要時軌跡移動設備依然不能輸送光致抗蝕劑。
在分配模式中，當軌跡移動設備從儲罐104中取出光致抗蝕劑時，閥門V3允許氮氣從氮氣歧管流向儲罐104，以在光致抗蝕劑上產生氮氣層，從而減輕污染并防止在儲罐中的光致抗蝕劑高度下降時形成真空。一旦儲罐104中的光致抗蝕劑達到足夠低的高度，系統(tǒng)控制器(未示出)啟動再注入模式，由此產生一系列問題。
在再注入模式中，閥門V4被致動，使得氮氣從歧管管線126流向真空噴射器124，這樣形成低壓管線170，由此在儲罐104中的光致抗蝕劑上產生低壓空間。氣泡傳感器110，112監(jiān)測供應管線106，108中的氣泡，所述氣泡假定是在供應容器100，102變?yōu)榭諘r產生的。若例如氣泡傳感器110探測到氣泡，那么控制器關閉連接至供應容器100的閥門V1，而閥門V2與供應容器102之間是打開的，以繼續(xù)向儲罐104進行再注入。然而，供應管線106中的氣泡并不意味著供應容器100是空的。因此，并不是在系統(tǒng)轉換到光致抗蝕劑供應容器102之前，供應容器100中的所有光致抗蝕劑可被使用。因此，雖然常規(guī)系統(tǒng)旨在在需要時允許多個供應容器補給所述儲罐，但是該系統(tǒng)可以顯示出供應容器為空并且在必要之前需要進行更換。
若供應容器100為空并且操作員不能將其更換且該系統(tǒng)繼續(xù)進行工作直至供應容器102也變空，那么儲罐104將達到臨界低位條件。若這種情況繼續(xù)，由于光致抗蝕劑對氣泡存在高度的敏感性，因此可能產生氣泡；若盡管細小的氣泡進入輸送至晶片處的光致抗蝕劑中，那么在光刻工藝中有可能產生有缺陷的圖像。
此外，若在對儲罐進行再注入時連接化學品輸出管線114下游的軌跡移動設備中的泵被接通，那么該泵將經受來自單個儲罐中的真空的負壓，向反方向拉所述泵。若這種情況持續(xù)存在，可發(fā)生缺少向軌跡移動設備輸送的光致抗蝕劑發(fā)送出供應容器為空的錯誤信號，所述泵不能將光致抗蝕劑輸送至它自己的內部室中，失去了其充分分配光致抗蝕劑的優(yōu)點和能力，并且所述泵甚至可以過熱并燒壞。每一種情況的結果是軌跡移動設備接收到不充足的或甚至是沒有接收到光致抗蝕劑，通常所說的“脫靶(missed shot)”，其對軌跡移動設備的產量有影響。
還可以通過考慮與混合和輸送用于化學機械拋光(CMP)的漿料相關聯(lián)的問題對本發(fā)明進行說明。在半導體制造中，漿料分配系統(tǒng)(SDS)將CMP漿料輸送至拋光機。例如，在此作為參考被引用的“半導體制造技術手冊(2000)”(Handbook of Semiconductor ManufacturingTechnology(2000))中介紹了CMP漿料向拋光機的輸送并且在第431頁示出了SDS的布置。在一些應用中，SDS需要在混合罐中混合漿料中的組分。在漿料的混合和處理中，SDS必須不會使?jié){料受到損傷，即使?jié){料受到過大的有可能造成團聚的剪切力；或使?jié){料受到過小的有可能造成沉降的剪切力。在工藝設備需要時，泵可將漿料輸送至分配罐。由于CMP漿料組成物常常適合各種工藝，因此SDS應能處理多種化學品。SDS應將精確量的漿料組分引入到混合罐中，使得漿料混合物是已知的。有時工藝設備還需要精確的低流速和/或以低流速進行輸送。在低流速條件下，在分配管線中有時會形成微泡，其阻礙了漿料的輸送。理想的是清除管線而不切斷SDS。當然，所希望的還有無缺陷的日常生產和漿料輸送的可靠性，以及日常維修的簡易性，從而避免因改變漿料組成而影響到工藝結果。
流量計通常被用以控制化學品的流速。流量計通常僅精確到所需流速的2-3％的范圍內，并且還由于輸入壓力的原因易于改變。第二，一些化學品會使流量計發(fā)生堵塞，并阻礙流動通過，如漿料。用于控制流動的另一種方法是使用“推壓”氣體以對儲罐加壓，然后調節(jié)推壓氣體壓力從而調節(jié)流速。由于推壓氣體壓力的潛在的變化性以及隨儲罐內高度的變化而變化的流速，因此這種方法不能產生準確的流速。
本發(fā)明對這些問題進行了說明，并且避免產生化學品廢物，提供了描述供應容器中殘留的化學品的量的用戶友好的界面，同時降低了系統(tǒng)成本和操作成本。若例如不能看到在供應容器中所述化學品的量，那么本發(fā)明允許遠距離通過常規(guī)的計算機網絡和電子設備提供所述界面。

發(fā)明內容
本發(fā)明涉及使用控制器或邏輯裝置以及多儲罐負載傳感器組件用以精確混合和/或輸送液態(tài)化學品的系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及用于將液態(tài)化學品從供應源輸送到工藝中的方法，使得本發(fā)明準確地解決和調節(jié)液態(tài)化學品的動態(tài)供應量和使用量，以滿足工藝要求。最后，本發(fā)明提供用于監(jiān)測、調節(jié)、和分析工藝中所存在的液體供應的多儲罐負載傳感器組件。


圖1示出了一種采用單個儲罐和在通向所述單個儲罐的供應管線上的氣泡傳感器的化學品輸送系統(tǒng)；圖2A是根據本發(fā)明的多儲罐負載傳感器組件的第一實施例的前剖視圖；圖2B是該多儲罐負載傳感器組件的第一實施例的頂視圖；圖3是管道和儀器裝備布置圖，圖中示出了包括圖2A-2B或4A-4B所示的多儲罐負載傳感器組件的化學品輸送系統(tǒng)的實施例；圖4A是該多儲罐負載傳感器組件的第二實施例的前剖視圖；圖4B是該多儲罐負載傳感器組件的第二實施例的側剖視圖；圖5A是該多儲罐負載傳感器組件的第三和第六實施例的前剖視圖；圖5B是該多儲罐負載傳感器組件的第三和第六實施例的側剖視圖；圖6是管道和儀器裝備布置圖，圖中示出了包括圖5A-5B或11A-11B所示的多儲罐負載傳感器組件的化學品輸送系統(tǒng)的實施例；圖7A是該多儲罐負載傳感器組件的第四實施例的前剖視圖；圖7B是該多儲罐負載傳感器組件的第四實施例的側剖視圖；圖8是管道和儀器裝備布置圖，圖中示出了包括圖7A-7B所示的多儲罐負載傳感器組件的化學品輸送系統(tǒng)的實施例；
圖9A是該多儲罐負載傳感器組件的第五實施例的前剖視圖；圖9B是該多儲罐負載傳感器組件的第五實施例的側剖視圖；圖10是管道和儀器裝備布置圖，圖中示出了包括圖9A-9B所示的多儲罐負載傳感器組件的化學品輸送系統(tǒng)的實施例；圖11A是該多儲罐負載傳感器組件的第七實施例的前剖視圖；圖11B是該多儲罐負載傳感器組件的第七實施例的側剖視圖；圖12是管道和儀器裝備布置圖，圖中示出了化學品混合和輸送系統(tǒng)的實施例；和圖13是示出了在至少一個儲罐中采用液體重量下降的流速控制系統(tǒng)的流程圖。
具體實施例方式
根據本發(fā)明的第一實施例包括如圖2A-2B所示的多儲罐負載傳感器組件200。該組件200可以是如圖3所示的系統(tǒng)的一部分，并且可替換如圖1所示的存在問題的單個儲罐104和氣泡傳感器110，112。
在該實施例中，由特氟隆、SST、聚丙烯或任何一種化學相容材料制成的該組件200包括全部在外殼912中的上部隔室202、主儲罐206，和緩沖儲罐208。緩沖儲罐208通過隔板209與主儲罐206相互緊密接觸，而O型密封圈211使隔板209的周邊與外殼212緊密接觸。隔板209中使用了允許內部密封軸204與隔板209形成液體密封和氣密密封的錐形中心孔250。隔板209通過O型密封圈210與氣動導管215形成液體密封和氣密密封。主儲罐206中包括在隔板209和儲罐蓋205之間形成剛性隔離的中間套筒214。O形圈203緊密接觸儲罐蓋205的周邊，并密封貼靠在外殼212的內表面上。儲罐蓋205分別通過一組O型密封圈207，220，222和224(隱藏的，但是圖2B中示出了其位置)密封貼靠在內部密封軸204、化學品輸入管217以及氣動導管215和218上。在儲罐蓋205上安裝有墊片244，所述墊片同樣安裝到氣動缸226上。儲罐蓋205通過上部套筒233和中間套筒214被保持在適當?shù)奈恢锰?。外部特氟隆儲罐頂?01用螺栓固定在外殼212上，并形成上部套筒233和氣動缸226的機械硬止擋。氣動缸226的氣動空氣管路通過隙孔260穿過外部特氟隆儲罐頂部201。
應該清楚的是，本發(fā)明不限于硅晶片上CMP漿料或光致抗蝕劑的輸送。例如，盡管與所使用的傳規(guī)系統(tǒng)相比，在該種環(huán)境下本發(fā)明具有一些優(yōu)點，但是本發(fā)明中的系統(tǒng)可以輸送用于其它工藝中的其它液態(tài)化學品。由于本發(fā)明的新穎性延伸超出進行輸送的化學品的性質，因此以下說明涉及化學品的輸送，以避免對本發(fā)明的范圍產生誤解。
如圖3所示，圖2A-2B所示的多儲罐負載傳感器組件200懸掛在負載傳感器412上并通過負載傳感器412稱重，所述負載傳感器412優(yōu)選比如型號為F60X10C610E的Scaime負載傳感器，且一個優(yōu)選為三菱(Mitsubishi)FX2N型的可編程序邏輯控制器(PLC)330，計算機，或另一個常規(guī)的邏輯裝置通過負載傳感器測得的重量和化學品的比重確定組件200中的化學品體積。為了簡便起見，我們把該邏輯裝置叫做PLC。當來自管線217的化學品被抽吸進入主儲罐206中時，負載傳感器412輸出一個較小的與負載傳感器412上的重量成比例的毫伏模擬信號324。在一個實施例中，ATX-1000型信號放大器將小信號324增壓到4-20毫伏的范圍，并將其發(fā)送至模數(shù)轉換器328，如MitsubishiFX2N4-AD型模數(shù)轉換器，并且該輸出的數(shù)字信號332被發(fā)送至PLC 330。PLC 330采用常規(guī)的梯形邏輯程序可快速編程。在抽取化學品的過程中，直至達到PLC 330的軟件設定值前，組件200重量減小。
如圖3進一步所示，PLC 330可利用24伏直流電磁致動閥控制閥門V1-V5，并通過輸出板卡，如Mitsubishi FX2N型輸出板卡，致動所述閥門。每一個電磁閥在打開時允許加壓氣體從調節(jié)器2比如VeriFlow自動泄壓調節(jié)器傳輸至氣動控制的閥門V1-V5，以打開或關閉這些閥門。所述第一實施例中的操作順序被編程進入PLC 330中，以使圖2A-2B和圖3中所示的部件如下面所述進行工作。
一旦化學品下降到一定水平，PLC 330就起動圖3所示的系統(tǒng)，利用圖2A-2B所示的多儲罐負載傳感器組件200開始自動再注入工序，所述工序如下所述a)通過調節(jié)器1，例如VeriFlow自動泄壓調節(jié)器將一層優(yōu)選低壓例如1磅/平方英寸(psi)的不活性氣體經氣動導管218連續(xù)供應給主儲罐206。
b)氣動缸226抬升內部密封軸204，由此使緩沖儲罐208與主儲罐206密封接觸。
c)一旦緩沖儲罐208被密封住，主儲罐206就被抽空至約28英寸水銀柱大小的真空度。如圖2A-2B所示，來自主儲罐206的氣動導管218與三通閥V4的輸出端相連接。致動閥門V4，使得氣動導管218與連接至真空噴射器324的管線316相連通，如圖3所示。真空噴射器324受到通過二通閥V5引導至該處的壓縮氣體的動力驅動。一旦閥門V5打開，它允許壓縮氣體通過并且真空噴射器324在與主儲罐206相連通的管線316中產生約28英寸水銀柱大小的真空度。
d)該真空與緩沖儲罐208相隔離，所述緩沖儲罐208具有在其上的不活性氣體薄層并繼續(xù)供應化學品至工藝或設備，而不使進行傳輸至設備的化學品暴露于負壓或壓差條件下。
e)在主儲罐206中產生的真空形成與閥門V1和V2相連的低壓化學品管線。假定閥門V2打開，該低壓管線217使化學品從供應容器102中流入主儲罐206。在這一過程中，主儲罐206再次被注入化學品，直至達到所確定的滿量水平。
f)該滿量水平是通過使用負載傳感器412并采用PLC 330進行重量計算而確定的。例如，在一個優(yōu)選實施例中，使用了具有體積容量為439立方厘米(cc)的緩沖儲罐208和具有體積容量為695cc的主儲罐206。通過化學品的比重，PLC 330計算出化學品所占據的體積。然后一旦化學品的體積達到或下降至439cc以下，PLC 330開始再注入工序。一旦化學品體積達到695cc，該再注入工序停止。該工序使緩沖儲罐208中幾乎全部439cc的化學品在用695cc的化學品再注入主儲罐206時被消耗掉，并且防止主儲罐206發(fā)生溢流或從緩沖儲罐208中完全排空化學品。
g)一旦主儲罐206已進行再次注入，閥門V5關閉，由此使氣流停止并通過真空噴射器324產生真空。然后轉換三通閥V4，使得不活性氣體管線218與主儲罐206相連通并且由于兩條管線218，215接收來自同一不活性氣體岐管318的氣體(參見圖3)，因此不活性氣體層在與緩沖儲罐208相同的壓力下再次在主儲罐206中的化學品上形成。同時，閥門V2關閉，使供應容器102與主儲罐206分隔開。
在主儲罐206充滿化學品，并且在所述化學品上具有不活性氣體層后，內部密封軸204降低并使化學品從主儲罐206流入緩沖儲罐208中。最終，緩沖儲罐208與大部分主儲罐206一起被完全充滿。連接緩沖儲罐208的氣動導管215充有化學品，直至導管215中的化學品達到與主儲罐206中相同的高度，這是由于在兩個儲罐中的壓力相等。內部密封軸204保持打開，直至確定再次對主儲罐206進行再注入。
由于在第一實施例中使用了負載傳感器代替使用氣泡傳感器用于測定供應容器中化學品的量，因此本發(fā)明給出多種非常有用的特征。一個特征是可以準確地實時測定留在供應容器中的化學品的量。若在連接至該系統(tǒng)時所述供應容器是滿的，那么PLC可容易地計算出去除的(和加入到該多儲罐負載傳感器組件中的)化學品的量以及供應容器中還剩下多少化學品。這一信息可被用以給出容器中化學品剩余量的圖形表示。第二特征是PLC可通過監(jiān)測系統(tǒng)內的增重精確確定供應容器全空的時刻。若在再注入過程中儲罐的重量不增加，那么能夠推出供應容器為空。這樣造成該供應容器的閥門關閉并且使下一個供應容器進入管線。相關的第三特征是該負載傳感器技術提供了能夠準確預測和識別化學品用量趨勢的能力。由于測出進入儲罐中的化學品的準確的量，因此該信息可容易地進行電子存儲、處置和傳輸。
圖4A-4B所示的多儲罐負載傳感器組件400的第二實施例中包括通過O形圈411被緊固和密封到底蓋410上的緩沖儲罐408。輸出的化學品流動通過導管連接件401。緩沖儲罐408上連接有氣動導管415、化學品閥門407、負載傳感器分離器413和負載傳感器412。負載傳感器412被牢固地用螺栓固定到緩沖儲罐408上且其另一側被牢固地用螺栓固定到剛性構件(未示出)上，而非多儲罐負載傳感器組件400的一部分。外套筒404環(huán)繞著緩沖儲罐408滑動并靠在底蓋410上。對外套筒404進行機加工，使得負載傳感器412沒有阻礙地穿過外套筒。閥門407的端部405連接到主儲罐406上并且另一端部409連接到緩沖儲罐408上。主儲罐406被在上蓋403中的O形圈封裝和密封。上蓋403包括沿其周部的階梯形邊緣以將外套筒404緊固于其上。氣動管線418和化學品輸出管線417被緊固到上蓋403上。外套筒404具有用于分開儲罐406和408的機械強度。
圖4A-4B所示的并且用于圖3所示系統(tǒng)中的多儲罐負載傳感器組件400與第一實施例相似，但具有以下明顯的區(qū)別a)閥門407提供了對主儲罐406和緩沖儲罐408之間的流體通路的控制。
b)外套筒404提供機械支承以形成支承主儲罐406和緩沖儲罐408的剛性組件。
圖5A-5B所示的多儲罐負載傳感器組件的第三實施例中使用了兩個相互隔開的但是通過一條柔性流體管線516連接在一起的儲罐506和508。該第三實施例使用了許多先前的圖4A-4B所示的部件，除了(i)未使用外套筒404；(ii)緩沖儲罐508沒有自主儲罐506機械懸掛下來；和(iii)負載傳感器襯墊513和負載傳感器512被緊固到主儲罐506的底部上。
除負載傳感器512僅測定圖5A-5B和圖6所示的主儲罐506中的化學品體積以外，該第三實施例與第二實施例的工作方式相似。該第三實施例的優(yōu)點在于進入主儲罐506中的化學品的精確量總是已知的，并且PLC不用不得不推出在再注入作業(yè)過程中從緩沖儲罐508中除去的化學品的量。該第三實施例可被用在具有圖3所示的控制系統(tǒng)(比如PLC、模/數(shù)轉換器、信號放大器等)的圖6所示的系統(tǒng)中。注意，在該應用中，部件號碼的首位一般表示哪一幅圖示出了該部件的細節(jié)，而后面的數(shù)字表示該部件與具有相同后面的數(shù)字的其他部件相似。因此，圖2A和圖3A中的緩沖儲罐206與緩沖儲罐306分別在功能上相似。
圖7A-7B所示的多儲罐負載傳感器組件700的第四實施例中使用了與第三實施例中相同的部件，但是第二負載傳感器722被附接到緩沖儲罐708上。該組件700優(yōu)選用于具有圖3所示的控制系統(tǒng)和具有用于第二負載傳感器的附加部件的圖8所示的系統(tǒng)中。
除負載傳感器712僅測定主儲罐706中的化學品以及負載傳感器722僅測定緩沖儲罐708中的化學品以外，圖7A-7B所示的多儲罐負載傳感器組件700的第四實施例與第二實施例的工作方式特別相似。在此的優(yōu)勢在于緩沖儲罐708持續(xù)受到監(jiān)測，因此若下游工藝或設備在再注入周期過程中突然消耗大量的化學品，系統(tǒng)可突然停止所述再注入周期以將化學品從主儲罐706中帶入到緩沖儲罐708中，從而防止化學品從緩沖儲罐708中完全排空。
除負載傳感器912被附接到緩沖儲罐908而不是主儲罐906上以外，圖9A-9B所示的多儲罐負載傳感器組件900的第五實施例中使用了與第三實施例中相同的部件。該第五實施例優(yōu)選被用在具有圖3所示的控制系統(tǒng)(比如PLC、模/數(shù)轉換器、信號放大器等)的圖10所示的系統(tǒng)中。
在功能上，多儲罐負載傳感器組件900的第五實施例與第二實施例的工作方式相似，僅有的區(qū)別在于負載傳感器912僅稱重緩沖儲罐908中的化學品。
隨著工藝或設備消耗化學品，緩沖儲罐908的重量保持恒定，直至主儲罐906也變空。然后，緩沖儲罐908的重量開始減少，表明主儲罐906需要進行再次注入。在該工序中，緩沖儲罐908的重量減少，直至主儲罐906已被再次注入并且在兩個儲罐906和908之間的閥門907已被再次打開。
第六實施例中使用了與圖5A-5B所示的第三實施例中相同的部件。僅有的值得注意的區(qū)別是具有大約1psi的不活性氣體層(參見圖6)增壓至大約80psi(或多或少取決于化學品的品種)。不活性氣體壓力的增大使第六實施例能夠在再注入周期中未受影響的恒定的輸出壓力條件下利用壓力分配化學品。該方法可以產生非常精確的非脈沖化學品輸出流。這在將化學品泵送通過過濾機組的超高純度應用中是一個非常關鍵的特征?；瘜W品的任何脈動可從過濾機組上將顆粒強行除去進入超純化學品輸出流中。
第七實施例中使用了與第三實施例中相同的部件，并且具有圖11A-11B所示的附加部件，包括主儲罐1106、緩沖儲罐1108、通過閥門1122加到主儲罐1106上的第二化學品輸入管線1119、加到化學品輸入管線1117上的閥門1123以及攪拌馬達1120和葉輪組件1121。
在功能上，第七實施例與第三實施例的工作方式相同，并且增加了在將混合物輸送至緩沖儲罐1108之前以精確的配比混合兩種化學品的能力。所述化學品可通過開式閥1123和化學品輸入管線1117被吸入主儲罐1106中并由負載傳感器1112稱重。當已吸入主儲罐1106中適當量時，閥門1123關閉且閥門1122打開以允許第二化學品進入主儲罐1106中。當已吸入主儲罐1106中適當量時，閥門1122關閉并且化學品通過攪拌馬達1120和葉輪組件1121進行混合。在以上工序中的任何時間都可以啟動對化學品的攪拌。
一旦完成攪拌，閥門1107打開以允許化學品輸送至緩沖儲罐1108，所述緩沖儲罐1108同樣連接到氣體管線1115上。這是一種混合對時間敏感的化學品并且保持恒定的非脈沖式的混合化學品輸出的理想方式。
圖12是管道和儀器裝備布置圖，圖中示出了化學品混合和輸送系統(tǒng)的實施例。為清楚起見，我們現(xiàn)在討論如何使用該系統(tǒng)將所述組分一起混合進CMP漿料中，但是該系統(tǒng)也可被用于混合其他化學品。圖12中包括許多部件，為了避免混亂，我們使用兩位數(shù)的部件號碼而非四位數(shù)的部件號碼，代碼中的數(shù)字約定與在第9頁中所討論的首位數(shù)字和后面的數(shù)字的約定相同。
該系統(tǒng)包括具有通過粗調注入閥41和流量控制閥43供應去離子水的去離子水管線的主儲罐69，和微調注入閥42。在一個實施例中，該粗調注入閥為3/8英寸閥門，且該微調注入閥為1/4英寸閥門。結合圖3如討論所述，PLC可利用24伏直流電磁致動閥控制所述閥門，并通過輸出板卡，如Mitsubishi FX2N型輸出板卡，致動所述閥門。每一個電磁閥在打開時允許加壓氣體從調節(jié)器比如VeriFlow自動泄壓調節(jié)器傳輸至氣動控制的閥門，以打開或關閉這些閥門。這些致動器參見說明書，并且在圖12中未示出，以減少混亂。
在一個實施例中，PLC向這種致動器發(fā)送信號，以打開允許水快速開始注入主儲罐69中的粗調注入閥41。當主儲罐69中含有差不多足夠量的水時，PLC向一個致動器給出另一個信號以關閉粗調注入閥41并且間歇性地打開和關閉微調注入閥42，即所謂的“震顫”閥門。這樣使得該系統(tǒng)增加該混合物所要求的精確余量的去離子水。當然，該粗調注入裝置和微調注入裝置可被用于任何組分，但是若在最終混合物中存在大量的該組分，則其最有用。流量控制閥43是用于補償在給定設備處的不同水壓的手動或自動控制的閥門。
去離子水再循環(huán)通過旁通管40，然后回到去離子水回路中。若再循環(huán)水速被保持在一定水平如7英尺/秒以上，這將會減少或消除細菌的形成。去離子水的目的在于稀釋代表漿料的化學品A。所述漿料通過微調注入閥44至主儲罐69，通過旁通管53并再循環(huán)至化學品A回路中，這樣減少了懸浮在化學品A中的研磨料的沉積。
化學品B-D代表少量使用的其他組分，例如通過微調注入閥46-48供應到主儲罐69中的穩(wěn)定劑、表面活性劑和墊料調節(jié)劑。PLC發(fā)送控制信號，以順序導入化學品A-D，以使主儲罐69中的負載傳感器12和13可以準確稱重每一種組分。圖12中所示出的兩個負載傳感器比一個負載傳感器具有更高的精確度，但是負載傳感器的個數(shù)對于本發(fā)明來說不是重要的。PLC還發(fā)送控制信號，以接通使軸24和葉輪21進行旋轉的主混合器馬達20，其旋轉將所述組分攪拌進入CMP漿料中。工藝要求將限定出葉輪21的最佳周期和每分鐘轉數(shù)。葉輪21會連續(xù)攪拌一定的CMP漿料組成物。
如圖12頂部所示，不活性氣體供應裝置通過調節(jié)器、卸壓安全閥33和止回閥35向不活性氣體加濕器提供不活性氣體。對一些CMP漿料來說優(yōu)選氮氣，但是其他化學品需要使用其他氣體。本領域的技術人員知曉哪一種不活性氣體適用于給定的CMP組成物。為了簡便起見，我們將討論不活性氣體為氮氣的情況，所述氮氣呈泡狀通過導管進入去離子水中，以對氮氣加濕。這樣就減少了CMP漿料混合物在主儲罐和緩沖儲罐中產生結塊的可能性。經過加濕的氮氣通過主儲罐壓力調節(jié)器51、進口壓力閥50被供應至主儲罐69中。通氣閥49為在未致動時通常為開(NO)的安全閥。如所公知的，一組止回閥16，35，37，39，76，86和99防止在相關管線上產生回流。
主儲罐69將混合的CMP漿料輸送至緩沖儲罐。在一個實施例中，主儲罐69保持2升，以使其能夠有效地為兩個緩沖儲罐71，92中的每一個服務，每個保持有1升。CMP漿料的輸送通過主儲罐出口閥58，通過管線，然后輸送至緩沖儲罐進口閥60。同樣，主儲罐69輸送CMP漿料首先通過主儲罐出口閥57，通過管線，然后輸送至緩沖儲罐進口閥97。該工藝設備確定何時緩沖儲罐71和92輸送CMP漿料通過分配管線1和2。為安全起見，手動閥84和85與分配管線1和2相關聯(lián)。
每一個緩沖儲罐71和92均包括比例閥組，所述閥組被PLC所使用用以控制在每個緩沖儲罐中的壓力。PLC向比例閥組發(fā)送信號以保持緩沖儲罐中具有為得到來自緩沖儲罐中的所需流速的CMP漿料所必需的壓力。例如，圖12中所示的壓力換能器PT讀出緩沖儲罐71中的壓力并向PLC發(fā)送表示出該壓力的信號?；谒鶞y定的壓力和壓力設定值，PLC將向比例閥組發(fā)送信號以要么打開緩沖控制進口閥80以增大緩沖儲罐71中的壓力，要么打開緩沖控制出口閥81以減小緩沖儲罐71中的壓力。同樣，緩沖儲罐92中的壓力換能器讀出壓力值并向比例閥組發(fā)送信號以保持為得到來自緩沖儲罐92中的所需流速的CMP漿料所必需的壓力?；谠揚LC信號，所述比例閥組要么打開緩沖控制進口閥56以增大緩沖儲罐92中的壓力，要么打開緩沖控制出口閥52以減小緩沖儲罐92中的壓力。緩沖儲罐92還包括可選擇的緩沖岐管90，所述緩沖岐管90可被用作安裝表面以連接多個緩沖儲罐出口閥，但是并不是單個緩沖儲罐出口閥87所必需的，如圖所示。圖中所示緩沖儲罐71具有緩沖岐管72，所述緩沖岐管72同樣也不是單個緩沖儲罐出口閥73所必需的。
夾緊閥位于緩沖儲罐出口閥73的下游，另一個夾緊閥位于緩沖儲罐出口閥87的下游。圖12中示出了一個對于緩沖儲罐71中的夾緊閥適當?shù)目刂蒲b置，其可被用在其他緩沖儲罐例如緩沖儲罐92中。在該裝置中，PLC與空氣致動器78相連接，所述空氣致動器78控制通過壓力調節(jié)器79的清潔干燥空氣(CDA)的流速。雖然圖12中未示出，但是應該很明顯的是相同的連通通道、清潔干燥空氣源和CDA管線可被用作用于控制緩沖儲罐92中的夾緊閥的一個實施例。如圖12所示的信號放大器77、模數(shù)轉換器和負載傳感器可以是相同的部件并且具有與在前實施例中所述的相同的操作方式?；旌掀黢R達93使軸94和葉輪95在緩沖儲罐92中旋轉，并且混合器馬達71使軸65和葉輪66在緩沖儲罐71中旋轉。緩沖儲罐71和92包括在作為安全裝置未使用時通常為打開的以釋放壓力的緩沖儲罐通氣閥62和53。
所述部件可通過以下廠家獲得。Partek，位于Tucson，AZ的ParkerCorporation的一個部門能夠提供合適的粗調注入閥，部件編號No.PV36346-01，微調注入閥，部件編號No.PV106324-00，閥式岐管70，72和90，部件編號No.CASY1449，以及止回閥，部件編號No.CV1666。另一種合適的PLC為Mitsubishi AG05-SEU3M型。合適的比例閥組為位于印地安那州McCordsville的Proportion Aire，Inc.所生產和/或出售的部件，編號為No.PA237。合適的不活性氣體加濕器，部件編號No.43002SRO1，和夾緊閥，部件編號No.PV-LS-.25是由位于馬薩諸塞州Malden的Asahi Anerica所生產和/或出售的。
操作中，所述化學品混合和輸送系統(tǒng)具有不同的模式。初始模式為注入或再注入工序，其中系統(tǒng)向主儲罐69中添加并將主儲罐69中的各組分混合在一起。在一個實施例中，所述注入或再注入工序可被實施，如下所述1.PLC發(fā)送控制信號，以打開去離子水管線和化學品A-D管線，從而將組分供應至主儲罐69。盡管不是僅有的布置，但是優(yōu)選這些化學品組分順序進入主儲罐69中，以使負載傳感器12和13直接表示最終混合物中每一種組分的重量。
2.PLC向致動器發(fā)送控制信號，以切斷進口壓力閥50，否則進口壓力閥50將允許氮氣進入主儲罐69，并且以打開通常為開的通氣閥49，以使各種殘留氣體可從主儲罐69中排出。
3.PLC發(fā)送控制信號，以啟動混合器馬達20。在一個實施例中，在葉輪21上覆蓋有去離子水或化學品A時混合器馬達20啟動，但是啟動時間取決于工藝且不作為本發(fā)明的一部分?；旌掀黢R達20可在化學品A-D和去離子水進入主儲罐69中之前、之中或之后啟動。
4.PLC向致動器發(fā)送控制信號，以打開進口壓力閥50，以使氮氣增壓至足夠壓力，例如20psi(表壓)，這由流速和工藝要求所決定。
所述PLC或邏輯裝置還發(fā)送控制信號，以準備使用不活性氣體加濕器，如下1.PLC向致動器發(fā)送控制信號，以關閉通常為開的不活性氣體加濕器中的去離子水排放閥36。
2.PLC發(fā)送控制信號，以打開去離子水進口閥38，使得去離子水開始注入不活性氣體加濕器中。
3.與不活性氣體加濕器相關的液位傳感器(HI sensor)隨后檢測到較高的去離子水高度并且向PLC發(fā)送控制信號，以關閉去離子水進口閥38。獨立地，該液位傳感器起到在去離子水超出工作高度時發(fā)送報警信號的作用。
4.PLC向致動器發(fā)送控制信號，以打開閥門34，所述閥門34允許氮氣起泡通過去離子水，以對從不活性氣體加濕器中流出的氮氣進行加濕。閥門34要么是自始至終全部打開，要么是自始至終全部關閉。通常是關閉(NC)的，使得當系統(tǒng)斷電時，即不工作時，閥門34關閉防止不活性氣體例如氮氣進入到不活性氣體加濕器中。
5.所述不活性氣體加濕器將氮氣通過管線引入至進口壓力閥50和緩沖儲罐進口控制閥56和80。應注意的是通過進口壓力閥50所供給的壓力被用以對CMP漿料加壓，使其以所需流速流出主儲罐69。
所述系統(tǒng)將主儲罐混合好的CMP漿料輸送至緩沖儲罐，如下所述1.PLC發(fā)送信號，以打開主儲罐分配閥58和緩沖儲罐進口閥60。
2.PLC還發(fā)送信號，以控制比例閥組，從而保持在每個緩沖儲罐中具有所需壓力，即PLC中所儲存的設定值。在一個實施例中，在主儲罐69中的壓力保持在20psi(表壓)時該壓力設定值可為5-12psi(表壓)。在一個實例中，圖12中標有PT的壓力換能器提供緩沖儲罐71中的壓力并且若與緩沖儲罐71的設定值相比該壓力太高，所述緩沖控制出口閥81打開，或者若與緩沖儲罐71的設定值相比該壓力太低，所述緩沖控制進口閥80打開。
3.緩沖儲罐92或71的混合器馬達93或64將所述組分攪拌成混合物。又一次，啟動時間、周期和每分鐘轉數(shù)取決于該工藝。
在一個實施例中，當緩沖儲罐92和71各自的分配出口閥87和73打開和關閉時，所述工藝設備，例如拋光機，起動。
緩沖儲罐92的負載傳感器91和96向PLC發(fā)送信號，所述PLC可被用以控制主儲罐出口閥57和緩沖儲罐進口閥97，用于在主儲罐69和緩沖儲罐92之間傳送CMP漿料。緩沖儲罐71以與圖12中所示相似的布置進行操作。
與主儲罐69相關聯(lián)的負載傳感器12和13將指示何時加入新的組分以制造另一批CMP漿料。所述主儲罐分配閥57和58在所述組分被加入到主儲罐69中時是關閉的，使得負載傳感器12和13準確地顯示出添加到主儲罐69中的每一種組分的重量。
為了清洗和/或沖洗主儲罐69，PLC可發(fā)送控制信號，以關閉主儲罐分配閥58，打開粗調注入閥41以使去離子水進入，打開主儲罐分配閥57，關閉緩沖儲罐進口閥97，打開主儲罐排放閥99，使得去離子水繞過緩沖儲罐92從主儲罐69中通過。緩沖儲罐71可以采用相類似的工序。
為了清洗和/或沖洗緩沖儲罐92，去離子水可流過打開的主儲罐分配閥57，打開的緩沖儲罐進口閥97，和關閉的主儲罐出口閥89。緩沖儲罐71可以與圖12中所示相似的布置進行清洗和/或沖洗。
在另一個實施例中，在由于機械部件的性質和進行分配的介質的物理屬性而不能實現(xiàn)超低流速的情況下，可以使用固定節(jié)流孔夾緊閥。該夾緊閥采用柔性流動通路，所述柔性流動通路被壓縮至確定的設定值，以形成固定節(jié)流孔。這將會提供為用于“推壓”以調節(jié)非常低的流速而增大或保持壓力所必需的流動通路中的所需節(jié)流。夾緊閥可被致動以將柔性流動通路打開至其最大孔從而允許在沖洗工序中滿流流動，并且然后回到所需確定的設定值。例如具有1/4英寸孔的1/4英寸閥門控制對緩沖容器的推壓壓力以分配化學品。流體輸出閥也是1/4英寸的。隨著流速減小，推壓所需要的壓力也隨之減小。在超低流速的情況下，控制推壓壓力的閥門的固有性質限制了需要進行推壓的氣體的精確體積的再現(xiàn)性。通過安裝固定節(jié)流孔夾緊閥并在分配流動通路上增加約束，推壓壓力可在較高水平上進行操作，造成對超低流速的精確可重復的調節(jié)。
PLC和/或操作員可以調節(jié)夾緊閥的最小和全開的孔的尺寸。該全開的孔的設置可被用以清除分配管線中的阻塞物。將夾緊閥旋至全開被稱為對管線進行排氣。由于在低流速條件下形成微泡，因此這一特征對于CMP漿料來說是很重要的。PLC可以控制夾緊閥，使得壓力累積至允許超低流速和在工藝周期后進行排氣以清除任何阻塞物。排氣周期可短至比如0.5秒并且在CMP漿料輸送之后進行。典型工藝僅要求最高達1.5分鐘的CMP漿料的輸送并且在一些CMP漿料中約5分鐘不出現(xiàn)氣泡，因此可滿足后處理工藝中排氣的需要。不然的話，分配管線可更加頻繁地進行排氣，而不會過度地影響給定工藝周期的流速。
圖13示出了與流速控制系統(tǒng)的一個實施例有關的PLC的功能框圖，所述流速控制系統(tǒng)在至少一個緩沖儲罐中使用重量減少的CMP漿料或其他化學品混合物。負載傳感器不斷監(jiān)測CMP漿料的重量并產生表示緩沖儲罐中CMP漿料重量的模擬信號。模/數(shù)轉換器將這些模擬信號轉換成數(shù)字格式，然后將其發(fā)送給PLC。PLC中儲存了各種組分的比重，以計算出組分體積。與這一操作相并行或相串行的是，用戶通過鍵盤、鍵區(qū)或觸摸屏輸入所需的體積流速，比如200毫升/分鐘。PLC可將該流速轉換成每秒鐘的速度。緊接著，PLC指示緩沖儲罐進口壓力閥打開以向緩沖儲罐施加壓力從而產生所需的流動。PLC監(jiān)測到周期中的重量下降，并將當前流速與所需流速進行比較。若流速太小，PLC向比例閥組發(fā)送控制信號，以增大壓力，并且若流速太高，PLC向比例閥組發(fā)送控制信號，以減小壓力。若所述體積流速在預定公差范圍內，PLC向比例閥組發(fā)送信號，既不增大也減小對緩沖儲罐的壓力。
換句話說，“推壓”氣體通過比例控制閥或閥組被供應至緩沖儲罐并且通過壓力換能器或壓力傳感器對壓力進行監(jiān)測。輸入所需流速，并進行計算以確定在一定周期過程中的儲罐中的所需失重。PLC使信號發(fā)送至比例閥以調節(jié)推壓氣體壓力，調節(jié)儲罐內的失重從而滿足流速要求。根據所要求的流速精度在從0.1秒變化到60秒(或更高)的過程中可對失重進行監(jiān)測。例如，每分鐘180毫升大小的流速等于每秒3毫升大小的流速。PLC對每個緩沖儲罐內的重量變化進行監(jiān)測。若失重小于每秒3毫升，那么增大壓力。若緩沖儲罐內的失重大于每秒3毫升，那么減小壓力。為了達到更高的精度，時間段可被縮短至在1/2秒過程中，或者甚至在0.1秒或更短時間內所得到的失重。所述決定因素可以是與緩沖儲罐相關聯(lián)的負載傳感器的分辨率。若負載傳感器能夠分辨0.1克，那么可以實現(xiàn)更嚴格的控制。
該實施例不需要附加部件控制流動。由于不使用附加裝置，因此消除了堵塞的問題。由于儲罐的壓力受到PLC的控制，因此改變輸入壓力并進行適當調節(jié)以保持以所需速度流動。PLC可被用以確定用于保持適當流速的平均壓力。一旦緩沖儲罐中的液高達到需要進行再注入的點時，可以在緩沖儲罐再注入時利用平均壓力保持流速。同時還對體積水平進行實時監(jiān)測，減少了附加部件達到監(jiān)測水平的要求。緩沖儲罐將根據需要分配化學品以滿足從工藝設備傳送過來的要求。在監(jiān)測到重量下降而觸發(fā)較低的體積設定值時，體積水平得到補充。與之相似，在監(jiān)測到重量增加而觸發(fā)較高的體積設定值時，對體積水平的補充停止。
本發(fā)明至少具有以下優(yōu)點。輸出的化學品可保持恒壓。工藝設備從未經受可能妨礙進行分配工序的低壓化學品管線；由此設備產量增多。多種尺寸的容器作為化學品供應容器可被連接到儲罐系統(tǒng)。若在其進行連接之前所述供應容器的流體體積是已知的，那么計算機就能非常準確地計算出已從所述容器中除去的化學品的量，并因此顯示出所述信息，以可視地實時顯示出化學品的殘留量。該圖形界面與操作員“即刻”交流所述供應容器的狀態(tài)。由于在再注入工序中不存在連續(xù)增重，因此負載傳感器可確定供應容器何時為全空。這表示供應容器為空且另一個容器應進入管線。在一個實施例中，由于儲罐中的化學品通過負載傳感器持續(xù)且準確地進行稱重，所述負載傳感器將輸入信號傳送給實時輸出儲罐中的現(xiàn)有的化學品量的PLC或其他邏輯裝置，因此可給出化學品用量的數(shù)據記錄。由于故障可通過不正常的大讀數(shù)或者接近零讀數(shù)顯示出來，這兩種讀數(shù)均會使PLC或其他邏輯裝置報警，因此該負載傳感器為自身安全的傳感裝置。本發(fā)明還防止在供應容器轉換操作中所產生的氣泡通過到達化學品輸出管線，本發(fā)明可為多個供應容器提供恒定的，不發(fā)生變化的分配壓力，本發(fā)明可在將混合物輸送至緩沖儲罐之前，以精確的配比再注入儲罐或將不同的化學品再注入并進行混合，這對于依賴于時間的、具有很高活性的化學品來說可能是重要的，通過真空或通過泵送液體實現(xiàn)自身再注入。
本發(fā)明可使用裝配有閥門、管路、重量傳感器(負載傳感器)和控制系統(tǒng)的壓力儲罐提供對流體、化學品和化合物混合物流量的精確控制。本發(fā)明還可以使用裝配有閥門、管路、重量傳感器(負載傳感器)和控制系統(tǒng)的壓力儲罐監(jiān)測和控制體積水平再補給。本發(fā)明還可以替換通常所使用的方法以控制精確的流量，例如手動設置節(jié)流閥和流量計。本發(fā)明若裝配有夾緊閥可非常精確地控制低流速。
權利要求
1.一種化學品輸送系統(tǒng)，包括與一個或多個進口注入閥、進口壓力閥、和主儲罐出口閥流體連通的主儲罐；與緩沖儲罐進口閥和緩沖儲罐出口閥流體連通的緩沖儲罐；連接主儲罐出口閥和緩沖儲罐進口閥的管線；用于監(jiān)測緩沖儲罐中化學品重量的并且產生被轉換成表示緩沖儲罐中的化學品重量的數(shù)字信號的模擬信號的負載傳感器；包括緩沖控制進口閥和緩沖控制出口閥的調節(jié)緩沖儲罐壓力的比例閥組；和接收所述數(shù)字信號并且向比例閥組提供控制信號以實現(xiàn)所需化學品流速的可編程序邏輯控制器。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括用于監(jiān)測主儲罐中化學品重量的并且產生被轉換成表示主儲罐中的化學品重量的數(shù)字信號的模擬信號的負載傳感器。
3.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述一個或多個進口注入閥包括粗調注入閥和微調注入閥，并且可編程序邏輯控制器發(fā)送信號以打開粗調注入閥直至主儲罐中具有差不多足夠量的化學品，并發(fā)送另一信號以震顫微調注入閥直至主儲罐中具有所需精確量的化學品。
4.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其中可編程序邏輯控制器向所述一個或多個進口注入閥中的每一個順序發(fā)送控制信號，以按順序將化學品導入主儲罐中，以使主儲罐中的負載傳感器可以準確稱重每一種化學品。
5.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，進一步包括混合器組件，其包括馬達、和與主儲罐相關聯(lián)的軸和葉輪，其中可編程序邏輯控制器發(fā)送控制信號以接通馬達，使軸和葉輪進行旋轉，從而攪拌進入主儲罐中的所述化學品。
6.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，進一步包括混合器組件，其包括馬達、和與緩沖儲罐相關聯(lián)的軸和葉輪，其中可編程序邏輯控制器發(fā)送控制信號以接通馬達，使軸和葉輪進行旋轉，從而繼續(xù)攪拌從主儲罐進入緩沖儲罐中的所述化學品。
7.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括與緩沖儲罐出口閥流體連通的并設置在其下游的夾緊閥，其中可編程序邏輯控制器發(fā)送控制信號以完全打開所述夾緊閥，從而允許在沖洗工序中出現(xiàn)滿流并且然后回到更接近確定的設定值處。
8.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，進一步包括與主儲罐和緩沖儲罐相連通的不活性氣體供應裝置。
9.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述不活性氣體供氣通過不活性氣體加濕器，使得所述氣體被不活性氣體加濕器中的液體加濕。
10.根據權利要求8或9所述的系統(tǒng)，其中從該系統(tǒng)輸送來的化學品為化學機械拋光組成，其主要組分為去離子水且所述不活性氣體為氮氣。
11.一種在包括多儲罐負載傳感器組件的系統(tǒng)中以低流速輸送液態(tài)化學品的方法，所述系統(tǒng)包括主儲罐和緩沖儲罐，每一個儲罐具有至少一個負載傳感器和混合器，以及邏輯裝置，其包括將主儲罐與緩沖儲罐隔開；降低主儲罐中的壓力；順序向主儲罐中加入液態(tài)化學品組分；使用多儲罐負載傳感器組件稱重每一種液態(tài)化學品組分；將所述化學品組分混合成混合物；向主儲罐供應不活性氣體；將所述混合物從主儲罐輸送至緩沖儲罐；以及自緩沖儲罐輸送所述混合物通過夾緊閥。
全文摘要
披露了用于輸送液態(tài)化學品的化學品輸送系統(tǒng)和方法。在一個實施例中，披露了具有用于輸送在半導體工業(yè)中所使用的化學品的多儲罐負載傳感器組件(圖2，4，5，7，9，11)的系統(tǒng)。在另一個實施例中(圖12)，本發(fā)明提供一種多儲罐負載傳感器組件(69，92，71)，其包括控制器(PLC)、緩沖儲罐(92，71)、主儲罐(69)、一個或多個連接到所述組件和控制器上，工作用以稱量所述儲罐中液體重量的負載傳感器(12，13，67，68，91，96)，供應每個儲罐的多條供應管線(A－D)、以及用于在接到控制器請求時從所述組件中抽出液體，并用于從供應容器再注入所述組件的氣體和真空源。包括緩沖控制進口閥(80)和出口閥(81)的比例閥組調節(jié)緩沖儲罐的壓力。
文檔編號C30B25/14GK1665718SQ03816040
公開日2005年9月7日 申請日期2003年5月5日 優(yōu)先權日2002年5月6日
發(fā)明者蘭迪·福西, A·J·肯尼斯 申請人:美國Boc氧氣集團有限公司