专利名称：流动控制系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及流体流动及控制，尤其涉及适于在超高纯或腐蚀性应用中使用的流体流动控制系统。
背景技术：
例如半导体、制药、以及生物技术的许多产业都遇到了流体输送的问题，一般来说，这归咎于低流率、磨料化学流体的使用、腐蚀性化学流体的使用、和对没有污染物、准确、紧凑且实时的流体输送及/或混合系统的需要。
例如，化学机械平面化(CMP)在半导体产业中是关键的过程，该关键的过程包括将半导体的晶片表面压平的过程。在大多数应用中，涂有浆液的磨光垫以被控制的速度相对于该半导体晶片旋转，以压平表面。该浆液包括使表面化学地变软的化合物，还包括与磨光垫一起工作的研磨剂，以机械地抛光表面。为了使CMP理想地工作，机械和化学的抛光必须在精密的平衡下一起工作-该平衡的任何变化可能引起对晶片的损坏或降低成品率。如果没有浆液，那么所有的抛光都是机械式的，就像用砂纸来抛光玻璃一样。如果有过多的浆液，那么大多数的抛光是化学式的，并且平衡再次被打破。晶片的抛光率高度依赖于流体的输送速度以及在抛光操作过程中所输送的流体总量。
对例如CMP的过程来说，浆液输送系统一般包括容积式泵，例如蠕动泵，以从容器中抽出浆液并将其涂到磨光垫上。该泵使流体以近似恒定的速度运动，该恒定速度依赖于泵的速度，尽管蠕动泵的动作会引起流体输送速度的脉动。由于蠕动泵是体积流体输送系统，所以流量随着条件的改变而变化，所述条件是指例如泵管寿命、泵管温度、流体组成、泵马达速度、流体在容器中的水平、泵校准等。
此外，在许多CMP及类似过程中，流体例如浆液被应用在高架循环环路中。这样的浆液环路通常用气动膜片泵来驱动。多个CMP工具可以从同一环路中被驱动。环路中的压力可以在一个工具抽出浆液时变化。环路压力的变化可能在另一工具连接到同一环路上时影响浆液流率。
所有这些对过程流体流率的影响被认为降低了CMP过程中的晶片成品率。因此，需要提供一种克服了与现有技术有关的缺点的流体输送系统。
发明内容
在本发明的一个方面中，流动控制系统包括具有入口和出口的基本上刚性的容器。过程流体贮存器以与该入口及出口流体连通的方式位于该刚性容器中。可动部件定位在该刚性容器中，可动部件在第一方向上的运动使得过程流体被抽到入口，而可动部件在第二方向上的运动使得过程流体从出口被排出。
该过程流体贮存器可以包括囊，所述囊位于该刚性容器中且与该入口及出口流体连通。该入口和出口可以包括入口止回阀和出口止回阀，以控制过程流体进出过程流体贮存器的流动。
在特定实施例中，采用了注射泵，因此刚性容器包括压力缸，所述压力缸具有可滑动地定位于其上的柱塞。步进马达例如致动该柱塞。在其它实施例中，使用了膜片泵装置，其中可动部件是将驱动流体贮存器与过程流体贮存器分隔开的膜片。一个泵与工作流体贮存器流体连通，以可选择地对进出工作流体贮存器的工作流体进行计量。
根据本发明的其它方面，流动控制系统包括基本上刚性的容器、和由此限定的过程流体出口。柔性的过程流体贮存器例如一次性袋位于该刚性容器中且与过程流体出口流体连通。工作流体贮存器位于该刚性容器中且基本上围绕该过程流体贮存器。该刚性容器限定了工作流体入口，容纳在工作流体贮存器中的工作流体压缩该过程流体贮存器，以便从其中通过过程流体出口排出过程流体。一个泵连接在工作流体入口上，用于对进入工作流体贮存器的工作流体进行计量。
根据本发明的其它方面，控制至CMP工具的浆液流动的方法包括提供收纳浆液的浆液贮存器。该CMP工具连接在浆液出口上，并且该浆液贮存器被压陷，以便以所希望的流率从浆液贮存器向CMP工具排出浆液。该浆液可以被设置在一次性袋中。替代地，浆液源可以连接在浆液入口上以便与浆液贮存器流体连通。连接在浆液入口上的入口阀被打开，连接在浆液出口上的出口阀被关闭，并且预定容量的浆液从浆液源被抽到浆液贮存器中。压陷该浆液贮存器包括关闭入口阀和打开出口阀，以阻止浆液被抽入到浆液贮存器中且容许浆液被排出到CMP工具。
在特定示例性实施例中，浆液贮存器和可动部件位于刚性容器中。压陷该浆液贮存器可以通过在第一方向上移动可动部件来实现。通过在第二方向上移动可动部件，预定容量的浆液从浆液源被抽到浆液贮存器中。在其它示例性实施例中，浆液贮存器位于刚性容器中，工作流体被泵入到刚性容器中，以压陷该浆液贮存器。
本发明的其它目的和优点在阅读了以下的详细说明及参照附图后就会变得明了，其中图1是在概念上示出了根据本发明的方面的流动控制系统的框图。
图2主要示出了根据本发明的示例性实施例的流动控制系统。
图3主要示出了根据本发明的另一个示例性实施例的流动控制系统。
图4主要示出了根据本发明的又一示例性实施例的流动控制系统。
尽管本发明易于进行多种变更及替代形式，但其特定实施例已通过附图中的例子被示出且在此进行了详细的说明。然而应当理解的是，在此特定实施例的说明不意味着将本发明限制于所公开的具体形式，而相反地，本发明包括在由附加的权利要求所限定的发明主旨及范围内的所有变更、等效形式、及替代形式。
具体实施例方式
本发明的说明性实施例如下所述。为了简明，并不是实际实施方案的所有特征都在本说明书中进行了描述。当然应理解的是，任何这样的实际实施例的开发、许多实施方案特殊的决定都必须被作出以实现开发者的目标，例如符合关于系统及商业的限制，这就使实施方案彼此不同。此外，应理解的是，这样的开发工作可能是复杂和费时的，但对受益于本公开内容的本领域的普通技术人员来说仍然是日常的任务。
图1是在概念上示出了根据本发明的方案的流动控制系统100的部分的方框图。图1所示的该示例性泵系统100包括基本上刚性的容器110，所述容器110包括通常定位在刚性容器100的一侧的入口114和出口116。过程流体贮存器112以与该入口114及出口116流体连通的方式位于该刚性容器100中。为了从该过程流体贮存器110中排出过程流体，该过程流体贮存器如下面进一步所述地被压陷。在特定实施例中，该过程流体贮存器112设置为预先填充有过程流体，因此该入口114未被设置。
在特定实施例中，可动部件120定位在该刚性容器110中，以致可动部件120在第一方向(如图1所示向左)上的运动使过程流体122(例如，用于在CMP过程中使用的浆液)经由供给管123被抽入入口114。可动部件120在第二方向(如图1所示向右)上的运动压陷该贮存器112并且使过程流体经由过程管125从出口116排出到过程工具124。致动器130可选地控制可动部件120的运动。
入口和出口止回阀115、117被设置在入口114和出口116处。当可动部件120如图1所示地移动到左侧时，出口止回阀117关闭且入口止回阀115打开，容许过程流体122进入该过程流体贮存器112。该供给压力可以为周围环境压力(例如，如果过程流体122从瓶供给)、正压力(环路压力)、负压力(例如，该过程流体122从桶供给)。过程流体的载入依赖于装置压力的变化或者在过程流体供给时的压力脉动。因为该泵系统100实际上具有容积，所以气泡不与流体区分开来。
可以通过多种方法来实现空气收集和净化。例如，在入口阀之前使用储罐或者存储器以储存流体且容许气泡上升到顶部，而过程流体下降到底部。然后，该“气泡较少”的过程流体从存储器的底部被抽入入口114。在其它实施方案中，智能净化被使用，以释放气泡-一些预定容量的过程流体被抽入贮存器112且另一些预定容量的过程流体被从顶部清除(可能回到供给箱)。剩余的过程流体然后被分配。
当可动部件120如图1所示地运动到右侧以输送过程流体到过程工具124时，入口止回阀115关闭且出口止回阀117打开。这有效地在过程流体122的输送过程中将泵系统100与过程流体122的源隔开。因此，由于压力变化或堵塞过滤器引起的任何上游影响都不会在输送过程中影响过程流体流率。通常，致动器130可以克服任何下游影响(一直到其设计极限)以维持指定的流率。
图2主要示出了根据本发明的示例性实施例的流动控制系统200。该流动控制系统200包括注射泵201。在泵系统200中，刚性容器是具有大致相同截面的压力缸210。该压力缸210具有包括入口114和出口116的一端，入口114和出口116经由入口和出口止回阀115、117而分别连接在供给管123和过程管125上。柱塞220通常位于与压力缸210的入口/出口端相反的一端。该柱塞220可在压力缸210中滑动，以致柱塞220的如图2所示的向右运动导致过程流体从压力缸210中被排出，通过出口116到达过程管125。如上所述，压力缸210具有大致相同的截面，所以体积流率直接与柱塞速度成比例。
在示例性实施例中，线性驱动步进马达230经由活塞232连接在柱塞220上，以致动柱塞220。即使下游压力变化，该步进马达230也以指定的速度来移动该柱塞220(例如，每单位时间的脉冲)。例如可从Haydon Switch and Instrument Company获得的混合线性致动器(尺寸23 Captive 57000系列)是用于致动柱塞220的适合的步进马达。当该柱塞力调节到所需水平以保持该柱塞220以指定的速度运动时，该泵系统200可以基本上同时响应于过程中的影响。在特定实施例中，该马达电流被监控并用作过程中的问题、例如下游过滤器堵塞的指示。如果电流变得过大，那么系统在机械故障产生前被切断。所使用的具体的致动器基于几个要素，包括批量大小、批量时间、入口压力、出口压力、流体速度、流体密度等。
囊212位于该压力缸210中，以致其与入口114和出口116流体连通，以形成过程流体贮存器112。在所说明的实施例中，该囊212被紧固在压力缸210的入口/出口端上，以致过程流体，例如浆液，与压力缸210的内部及柱塞220隔开。因此，柱塞在一个方向(如图2所示向左)上的运动使流体被抽入囊212中，而柱塞在相反方向(如图2所示向右)上的运动使流体从囊212中被排出。该流体供给管123经由入口止回阀244被连接在入口114上，出口116经由出口止回阀246连接在过程管125上。
许多应用场合，例如与许多半导体过程有关的那些应用，需要流体输送系统的流动路径(所有表面被过程流体润湿的表面)由高纯度且化学地插入/辅助的材料构成。在该浆液应用、例如CMP中，研磨剂粒子可以在管中堆积，形成研磨性材料的硬“石料”。如果该石料然后从管中脱离并跑到晶片上，该晶片会被擦伤且可能被毁坏。因此，过滤器经常被用于除去大的粒子。
泵系统200的润湿的部件，例如囊212、入口114、出口116、止回阀244、246和供给管和过程管123、125，由高纯度塑料制成。适合的高纯度塑料是PFA(全氟烷氧基共聚物)，其是具有优异的化学抗性和机械特性的先进的含氟聚合物。多种含氟聚合物、例如PVDF和PTFE也是适合的。此外，这些材料是“无粘性”的，因此没有聚集粒子的趋势。这阻止粒子堆积及由于这样的堆积而堵塞过滤器。
图3说明了根据本发明的实施例的其它示例性流动控制系统300。该系统300应用膜片泵301并使用泵330作为致动器。膜片320位于刚性容器310内以限定过程流体贮存器112，该过程流体贮存器112与入口114、出口116、及入口和出口止回阀115、117流体连通。在高纯度应用中，该润湿的部件由例如PFA的高纯度塑料制成。
工作流体贮存器340被限定在膜片320的相反一侧。该泵330，例如容积式泵，选择性地测量进出工作流体贮存器340的工作流体。通常，例如水或油的不能压缩的流体作为工作流体是理想的。因此，测量从工作流体贮存器340出来的工作流体是在第一方向(向图3所示的向右)上移动膜片320，以便将过程流体抽入入口114。测量进入工作流体贮存器340的的工作流体是在相反方向上移动膜片320，以便从出口116排出过程流体。
图4说明了本发明的又一示例性实施例的流动控制系统400。该系统400包括基本上刚性的容器410，所述基本上刚性的容器410限定穿过其中的过程流体出口116。柔性过程流体贮存器412被收纳在该刚性容器410中且与过程流体出口116流体连通。为了代替使用可动部件来压陷该过程流体贮存器412，工作流体被泵送入刚性容器410以压陷该过程流体贮存器。工作流体贮存器440被限定在基本上围绕该过程流体贮存器412的刚性容器410中。该刚性容器410也限定了工作流体入口442。收纳入工作流体贮存器440中的工作流体压缩该过程流体贮存器412，以从中通过过程流体出口116排出过程流体122。泵430，例如测量泵或注射泵，连接在工作流体入口442上以测量进入工作流体贮存器440中的工作流体。因此当工作流体进入工作流体贮存器440时，该过程流体122以大致相同的速度从过程流体贮存器412中排出。
在特定实施例中，过程流体贮存器412是一次性袋，其在高纯度应用中由例如PFA的高纯度塑料制成。该袋可以预先装有例如浆液的过程流体，并且气密以保证当过程流体被供给到该过程时没有气泡存在。此外，该袋是一次性，这保证清洁的系统和新鲜的过程流体。一次性的袋的使用极大地降低了在制成过程流体的时间和其被引入到过程工具的时间之间过程流体所接触的表面数量。
过程流体出口116可以具有与其相关的过滤器446。在使用一次性的过程流体贮存器的系统中，过滤器446可以与过程流体袋为一体，以使该过滤器随着过程流体的每次新的供给自动地变化。一些实施方案应用混合器448，例如超声混合器，以便搅动该过程流体通过过程流体贮存器412。
以上公开的具体实施例仅仅是用于说明，因为本发明可以以对受益于在此的启示的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行变更和实施。此外，除了如以下的权利要求所述的，在此示出的结构或设计的细节没有限制。因此显而易见的是，以上公开的具体实施例可以被改变或变更，并且所有的这些变化都被认为在本发明的主旨和范围中。因此，在此所谋求的保护如以下的权利要求所述。
权利要求
1.一种流动控制系统，其包括具有第一和第二端的基本上刚性的容器；该刚性容器的该第一端具有入口和出口；过程流体贮存器，以便与该入口及出口流体连通的方式位于该刚性容器中；以及定位在该刚性容器中的可动部件，该可动部件在第一方向上的运动使得过程流体被抽入该入口，并且该可动部件在第二方向上的运动使得过程流体从该出口排出。
2.如权利要求1所述的流动控制系统，其特征在于，该刚性容器包括压力缸。
3.如权利要求1所述的流动控制系统，其特征在于，该过程流体贮存器包括囊，所述囊以与该入口及出口流体连通的方式位于该刚性容器中。
4.如权利要求2所述的流动控制系统，其特征在于，该可动部件包括可滑动地定位于压力缸中的柱塞。
5.如权利要求4所述的流动控制系统，其特征在于，还包括活塞，其连接在柱塞上以便致动该柱塞。
6.如权利要求5所述的流动控制系统，其特征在于，还包括步进马达，其可运转地连接在用于致动该柱塞的活塞上。
7.如权利要求1所述的流动控制系统，其特征在于，该入口和出口分别包括入口止回阀和出口止回阀。
8.如权利要求4所述的流动控制系统，其特征在于，该柱塞由PFA(全氟烷氧基共聚物)制成。
9.如权利要求3所述的流动控制系统，其特征在于，该囊由PFA(全氟烷氧基共聚物)制成。
10.如权利要求1所述的流动控制系统，其特征在于，还包括位于刚性容器中的驱动流体贮存器。
11.如权利要求10所述的流动控制系统，其特征在于，该可动部件包括将该驱动流体贮存器与该过程流体贮存器分隔开的膜片。
12.如权利要求11所述的流动控制系统，其特征在于，该膜片由PFA(全氟烷氧基共聚物)制成。
13.如权利要求11所述的流动控制系统，其特征在于，还包括与该工作流体贮存器流体连通的泵，以便选择性地计量进出工作流体贮存器的工作流体，对于从该工作流体贮存器流出来的工作流体进行计量在第一方向上使得该膜片移动，以便将过程流体抽入入口，并且对于进入该工作流体贮存器的工作流体进行计量在第二方向上使得该膜片移动，以便从出口排出过程流体。
14.一种流动控制系统，其包括基本上刚性的容器；由该刚性容器限定的过程流体出口；柔性的过程流体贮存器，其以与过程流体出口流体连通的方式位于该刚性容器中；以及工作流体贮存器，其位于基本上围绕该过程流体贮存器的该刚性容器中，该刚性容器限定工作流体入口，以使容纳在该工作流体贮存器中的工作流体压缩该过程流体贮存器，以便从其中经该过程流体出口排出过程流体。
15.如权利要求14所述的流动控制系统，其特征在于，还包括连接在工作流体入口上的泵，以用于对进入工作流体贮存器的的工作流体进行计量。
16.如权利要求14所述的流动控制系统，其特征在于，还包括连接在过程流体出口上的过滤器。
17.如权利要求14所述的流动控制系统，其特征在于，还包括混合器，其用于混合包含在过程流体贮存器中的过程流体。
18.如权利要求17所述的流动控制系统，其特征在于，该混合器包括超声混合器。
19.如权利要求14所述的流动控制系统，其特征在于，该工作流体贮存器包括一次性的袋。
20.一种流动控制系统，其包括基本上刚性的容器；由该刚性容器限定的过程流体出口；用于容纳位于该刚性容器内的过程流体的装置；用于对从该刚性容器经该过程流体出口的过程流体进行计量的装置。
21.一种用于控制浆液到CMP(化学机械平面化)工具的流动的方法，其包括提供容纳浆液的浆液贮存器；以与该浆液贮存器流体连通的方式使得该CMP工具和浆液出口连接；压陷该浆液贮存器，以便将浆液以所希望的流率从该浆液贮存器排出到该CMP工具。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，提供容纳浆液的浆液贮存器包括以与浆液贮存器流体连通的方式使得浆液源和浆液入口连接；打开与该浆液入口连接的入口阀；关闭与该浆液出口连接的出口阀；和将预定容量的浆液从该浆液源抽入到该浆液贮存器中。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，压陷该浆液贮存器包括关闭入口阀；以及打开出口阀。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该浆液贮存器和可动部件位于刚性容器中，并且压陷该浆液贮存器包括在第一方向上移动该可动部件。
25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，该浆液贮存器位于刚性容器中，并且压陷该浆液贮存器包括将工作流体泵送入该刚性容器中。
26.如权利要求22所述的方法，其特征在于该浆液贮存器和可动部件位于刚性容器中；压陷该浆液贮存器包括在第一方向上移动该可动部件；在第二方向上移动该可动部件，以便将浆液从该浆液贮存器排出到该CMP工具，以及将预定容量的浆液从该浆液源抽入到该浆液贮存器中包括在第二方向上移动该可动部件。
27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，提供容纳浆液的浆液贮存器包括提供容纳浆液的一次性的袋。
全文摘要
一种流动控制系统，其包括基本上刚性的容器和过程流体贮存器，该过程流体贮存器以与出口流体连通的方式位于该刚性容器中。可动部件和/或工作流体位于该刚性容器中，以便选择性地从出口排出过程流体。在采用可动部件的情况下，可动部件在第一方向上的运动使过程流体被抽入入口，可动部件在第二方向上的运动使过程流体从出口排出。在其它实施方案中，对进入工作流体贮存器中的工作流体进行计量，以压缩柔性的过程流体贮存器并从其中排出过程流体。
文档编号B24B37/04GK1729082SQ03825480
公开日2006年2月1日 申请日期2003年9月10日 优先权日2002年9月30日
发明者M·G·惠勒 申请人:美国艾默生电气公司