专利名称：输送基片机械抛光研磨悬浮液的设备和方法
技术领域：
本发明涉及输送基片机构抛光研磨悬浮液的设备和方法。
在半导体、光电子和光学工业里，用氧化硅或氧化铝悬浮液来给硅片的前后表面抛光是经常的。这就自然引来怎样把这种物品从供应桶输送到几个使用地点的问题。这类悬浮液也可用来为已沉积在硅片上的金属层抛光。在这情况下，悬浮液的物理化学性质可能和前面用的不同。如果不定期搅拌的话，这些悬浮液的物化性质，粘滞性，固体成分及PH值使其容易固化。结果，由于固化这些悬浮液的输送管经常堵塞，脱落的氧化硅或氧化铝结块还使硅片的抛光出现深划痕这样的缺陷。输送管必须经常更换这一切带来高运作费用及低的设备使用率。
几种在化学和/或机械抛光硅片过程中输送研磨悬浮液(或浆)的方法，总结如下最常用的输送研磨悬浮液的方法是把泵连在输送研磨悬浮液到使用地点的管子上。然而，研磨悬浮液的性质，特别是由于一方面它含有研磨颗粒另一方面它要么是强酸PH要么是强碱PH，会很快地引起所使用泵功能减退，带来严重的保养问题这些输送系统只能运转一点时间，大多时间是用来更换，疏通和保养。即使是用聚四氟乙烯泵，泵中的膜每隔两、三月也必须更换。
一种输送化学品的真空系统见于美国专利US 5,148,945和US 5,330,072，其中，一系列真空的中介容器被用来代替泵来吸出化学制品并迫使它流向使用地点。虽然这种输送系统不用泵，它却不能用来输送那些从表面上去除金属的研磨悬浮液。因为这类悬浮液的固化时间极短又有极强的腐蚀性。
另一种设备见于专利申请WO 96/02319，它有一个称量容器，在此容器中，各种研磨悬浮液所用的化学制品依次放入并称重，称重后每种化学制品又被送往混合容器，在那里悬浮液的所有组份混合在一起，这个混合容器又和一个真空容器相连以便吸出混合容器中的悬浮液并送往不同的研磨悬浮液输送站。
目前需要这样一种输送研磨悬浮液的设备，它无需大量的养护，而在需要时又可以养护。
如本发明设备，其特征在于它包括一个罐，其中放置准备输送的研磨悬浮液；一个输送悬浮液的环路，它的两端都连在罐上；使研磨悬浮液在环路中循环的装置；使循环后的研磨悬浮液得以复原的复原装置；使研磨悬浮液在环路中维持连续循环的，控制循环装置的控制装置(最好至少当设备运转时，即，它在向使用地点输送悬浮液的状态下)。
到使用地点的输送环路最好由平行的多路环路组成，最好，每环路至少和所有其它环路有一个公共臂、多路环路的一端和公共臂的一端相连。这个环路最好包括两个公共臂，它们的第一个端口分别和由平行的子环路组成的多路环路的两个端口相连，第一个公共臂的第二个端口和研磨悬浮液罐相连，第二个公共臂的第二个端口和研磨悬浮液的复原装置相连。另外，每根从罐到悬浮液送往点的管(无论哪条环路)的长度要大致一样，每根从送往地到研磨悬浮液复原装置的管的长度最好也大致一样。
为获得研磨悬浮液连续和均匀的循环，依照本发明的设备最好备有控制装置，这些控制装置最好是控制管中研磨悬浮液压力的或是控制管中研磨悬浮液流速的装置(或选用两者结合的装置)。最好要选定输送管中的最小流速以防研磨悬浮液在输送管壁上沉积而堵塞管路。事实上，这也是本发明的主要优点之一，即，用这样的方法来防止存于现有设备里的管道堵塞这一严重问题。通过使管中的研磨悬浮液连续地最好以大于或等于大约0.2m/s，小于或等于大约10m/s的速度循环的办法，可防止由管路阻塞引起的问题，阻塞通常是由于研磨悬浮液的硬化和/或凝结引起。流速选在大约介于0.5m/s到大约2m/s之间为好，选在大约介于1和1.2m/s之间更好。
最好用泵来驱使研磨悬浮液循环，因为已经知道通过使用循环泵来维持研磨悬浮液连续循环可以避免现存技术中常见的问题，即，过滤器和泵的堵塞等问题。然而，为使本发明设备有最大的可靠性，最好平行安装两个循环泵，每个泵最好只以大约(且最多)其能力的50％运行。这意味着，一旦两者之一坏掉，还可以靠一个泵来继续正常操作，这时此泵将以其能力的100％运转。当然，在这种情况下，即当两泵之一堵塞或不正常，或通过它的物流为零时，警报器会做出指示。
依照本发明的另一个特殊的优选实施例。为避免用泵，特别是当研磨悬浮液有高度腐蚀性时，压缩气体最好是压缩的中性气体如氮和/或氩和/或氦等被用来驱使悬浮液循环。然而在这种情况下，除去别的事情外，还发现堵管现象发生。在用压缩空气循环的情况下，申请者表明，这样的堵塞可以免除，如果能确保用于循环的压缩空气处于最小的相对温度。为此，可以蒸发或雾化去离子水(它具有一切电子应用上的纯度特性)到中性气体中(在将其注入管路前)，使气体保持足够的湿度，以防阻塞过滤器。通过在正常使用的流速限度内的压缩气体里加上合适的水浓度及使用上述方法，可以免除所有管路阻塞。
下面的非限制性实施例和示意图有助于对本发明有一个更清楚的了解。
图1表示本发明设备的第一实施例和方法的实施。
图2表示图1的一个替换实施例。
在图1中，罐1盛有研磨悬浮液2，它被穿过罐1壁的管3在4处抽出，两个平行安装的泵5，6承接这条管，两个泵的出口重又在管7处相连，管7于过滤器8相连，过滤器又和管9连接。管20，21…22分别连在10，11，…12点，这些管的另一端分别在30，31，…32一起连到研磨悬浮液返回管40，这条管40在41点穿过所述罐的壁没入该罐1所盛的悬浮液中。充装罐42和罐1平行安装并通过管43与其相连，以使在任何情况下罐1中某一预定的最小水平得以保持。这个辅助罐特别用来调节研磨悬浮液的粘滞度。
另外还备有通过管45连到罐1的注入装置来压缩气体，如一种中性气体，最好是氮，具有满足应用所需的纯度，特别是N50型纯度或更高的纯度。分别置于连接点10，30，11，31，…12，32之间的是点B，C，…D，分别通过阀门70，71，…72向使用点60，61，…62输送研磨悬浮液。在各自不同的环路20，21，…22中最好使用相同直径的管，点4到点B，C，…D各自的距离也应保持一致(或，如果直径不同，则要选不同的长度使每条线路的头损(head loss)相同)。这样，在点B，C，…D各处的研磨悬浮液压力大致相同，就使研磨悬浮液能均匀输送。在管40点32和41之间，设备还装有一个压力计80，它电连接于一个PID(正比/积分/差分)-型控制系统81上，等线83，84将控制系统分别电连接在泵5，6上。压力要同PID中设定的压力保持一致，当压力计80测到的压力小于指示压力时，PID 81产生电信号来提高泵5，6的压力。当压力计80侧到的压力大于或等于PID 81显示的压力时，PID81改变信号通过等线83和84传送泵5和6，使泵5和6的压力回到预定的压力值。相反，如果压力计测出的压力高于PID 81中显示的设定压力，那么PID通过将适当的电信号送至泵5和6，从而减小泵的泵送压力。
设备也可包括一个流动控制系统，或者自成体系(没有带PID的压力检测系统)或附加在压力检测系统上。这个流动控制系统包括研磨悬浮液流速的测量，测量值和预设值的比较，比较测量的流速和显示的流速后，向泵5和6发出相应的信号以增减它们的输出。图2代表图1中设备的一个替代实施例，其中特别地至少用到两个贮存研磨悬浮液的罐子，它们平行连接；交替使用；这样，当一个罐空了且此状态被测出时，比如由一个水平测量仪，第二个罐会自动投入运转而无需中断研磨悬浮液的循环，以防止凝结和堵塞管道的问题，进而减少了设备的维护(在图2中于图1中相同的装置的标号与图1相同)。
通过受控开启阀103和102及管113和118，两根连于研磨悬浮液罐112和115的管101和119在点126相会。图2中，罐112处于中性气体如氮的压力之下(用于抛光硅片的悬浮液，其纯度级别为超纯净或“电子”纯净的)比如，在悬浮液127上方空处114压力大约有3巴。当罐112用空后，悬浮液通过阀111(它充装罐时打开使用时并闭-见下文)及在129处没入储备罐131中的储液130的管128进行补充。同样，罐115的底通过管117阀116和管120连在管128上以便于当115排空时对它充装(阀116开，阀111关)，当111开116关时对112充装(或当111和116关闭时，都不充装)。
压缩氮源121是分别通过阀108和110(这些阀由控制装置81控制，内行都知道它是正比、积分、微分型或PID型的)控制悬浮液上方压力的基础，设若压力予设在比如，127上方3巴(相对)(为推压悬浮液进入113)，115中零巴(相对)以使115得以补充悬浮液。121还通过管123，阀122(可是也可不是由PID81控制的)与131相连，122使悬浮液130上方保持例如0.5巴(相对)的压力。
回收余液的管137回到罐131。
为保证罐131有附加的供应和弥补上游悬浮液的消耗，还备有一个经管124供应131的大容积罐132。可以提高罐132以利用重力来供应其它罐(也可选用通过管125向罐顶施以纯氮压的办法)。这种利用气压而不用泵的输送方法，免除了泵失灵引起的问题。
另外几个罐如同112、115也可以相互平行安置。图1中，罐2的体积很大足以使设备自给运转大约两天半到三天。最好要不停地进行机械搅拌并维持微弱的过压(1至3毫巴)以防二氧化碳气体和某些研磨悬浮液中的液态胺反应。罐由塑料制成，不存在固化的氧化硅或氧化铝附着其上的危险。从罐中抽取最好经底阀进行；从环路回输经由沉到罐最低水平之下的阀进行。用一个正排泵(positive displacement pump)从运送桶向罐充装。如果需要用水稀释的话，可以把水和氧化硅悬浮液不断地注入静止的混合器。运送桶全都排净后，贮存罐的氧化硅供应线，包括泵和管道要用去离子水清洗。
知道循环的悬浮液的蚀磨性质，就最好在实际操作中平行地使用两个以其标称速度一半运行的泵，每只泵连上一个变频(0-100Hz)电源，它由一个电流控制(例如从4到20毫安)；这两个变频电源通过PID控制器81受环路末尾，控制阀前压力的制约。
也可以选用陶瓷泵。为保证封的正常使用寿命，每个泵的轴最好装两个密封件，两个密封件间的空间(钟)注入去离子水以维持一个相对氧化硅的过压。去离子水供应线包括进口处的一个100-200l/h的校准口，出口处的一个10-20l/h的校准口。若是和氧化硅接触的内封不漏的话，“钟”里的压力恒定。反之，如果漏，钟里两封圈间的压力会逐渐降压，压力传感器会使告警信号传出以组织维修行动。最好一旦停泵就有装置来用去离子水来自动进行清洗。
这样的安排有如下优点由于泵以低速运转，它在磨蚀介质的磨损有限。
两个泵的使用可以维持环路中的流速和压力，假使一个泵出了故障，另一个会自动提高转速来补偿。
假若放出量很大，罐回流的压力下降，泵就提高转速使(回)流速度恒定。如果，举例来说，装置的放出量大于标称的环路输出量，也会有自动补偿，环路中的流动决不停止。反之当放出停止时，压力趋于上升，PID控制器会降低泵的控制频率。输送网中压力的变化的振幅很小，比如±100g，这对抛光设备中研磨悬浮液的定量供给是重要的。
环路(在其公共臂7、9间)上还装了一个过滤器8，最好是聚丙烯袋型的，最好能挡住至少90％的粒度大于100微米的物质。由于这种悬浮液的性质，加大此过滤器较为有利，这样就可以在减少的压差(0.1至0.2巴)下面运行。
所有从输送环路分出的线路要有大概相同的头损(head loss)。每一环路(输送)都有一个流出T型管和一个流入T型管，每个T型管都配有独立的阀。流入阀还配有一个校准口它有下列两个作用以相同方式在网络的不同分枝上配流；每一装置(输送)的放出，在校准口上游的一个T型管中进行，不会引起很大的压力下降。
校准口的直径取决于许多参量，如环路中的流速，压力，被供应装置的数目，所输送悬浮液的粘滞度等行家不难选择的因素，使得流速最好在0.2至0.5m/s之间，以减小管的磨蚀。
输送环路最好包括一个抗磨蚀的非伺服控制阀(图中未画出)，一个流量计90和一个压力传感器80，置于阀的上游。
流速由控制阀控制，它并不遵从一个预定值，预定的压力显示在PID控制器81上，其参数要调得使环路有良好的运行，特别是在由放出，接通及/或单泵运行等引起的小压力变化情况下能良好运行。
应该注意，上述系统也可以利用在半导体工业中常用的风箱式或膜式气泵来运行，条件是驱动气体从一个可控阀，即，一个控制气流速度，服从由压力校准器给出的外部预定值的装置注入。
这时，仍延用平行使用两个，以一半标称功率运转的、泵的运作方式以求高水平的利用资源。
权利要求
1.输送研磨悬浮液的设备，其特征在于它包括一个盛装一种研磨悬浮液(2)的罐(1)，一个和罐(1)相连的输送研磨悬浮液(2)的环路(3，7，9，40)，使研磨悬浮液在环路中循环并返回罐中的循环装置，使在环路中循环后的研磨悬浮液得以复原的复原装置(1)，为维持悬浮液连续循环而设的控制循环装置的控制装置(81)。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于；到使用地点的输送环路包括平行连接的多路环路(20，21，22，…)。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于所述环路包括至少一个为其它环路共用的公共臂(3，7，9)，多路环路的一端接在公共臂的一端上。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于所述环路包括两个公共臂，第一个臂(3，7，9)的第一端接在罐(1)上，第二个臂(40)的第一端接在复原装置(1)上。
5.如权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于每条管介于罐(1)和研磨悬浮液输送点之间的长度大约相同。
6.如权利要求1到5中任一项所述的设备，其特征在于每条管介于输送点(60，61，62)和复原设备(9)之间的长度大约相同。
7.如权利要求1到6中任一项所述的设备，其特征在于它包括控制研磨悬浮液在环路循环的装置(80，81)，控制的是输送所述液体管中的压力。
8.如权利要求1到7中任一项所述的设备，其特征在于它包括在输送环路的不同臂中控制研磨悬浮液流速的装置。
9.如权利要求1到8中任一项所述的设备，其特征在于研磨悬浮液在不同的输送管中有个最小流速以防止研磨悬浮液沉积到所述输送管壁上。
10.如权利要求1到9中任一项所述的设备，其特征在于液体在管中的输送速度大于或等于大约0.2m/s。
11.如权利要求1到10中任一项所述的设备，其特征在于研磨悬浮液在管中输送速度小于或等于大约10m/s。
12.如权利要求1到11中任一项所述的设备，其特征在于研磨悬浮液的输送速度最好在0.5和2m/s之间。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于研磨悬浮液的输送速度大约在1到1.2m/s之间。
14.如权利要求1到13中任一项所述的设备，其特征在于研磨悬浮液的循环装置至少包括一个泵。
15.如权利要求1到14中任一项所述的设备，其特征在于研磨悬浮液的循环装置包括两个平行安装的泵(5，6)，它们中的每一个都以不大于其能力50％的功率运转以便在两泵之一出故障时研磨悬浮液的输送仍可正常运行。
16.如权利要求1到15中任一项所述的设备，其特征在于循环装置(44)包括压缩气体，特别是中性气体，有如氮气。
17.如权利要求16所述的设备，其中，包括压缩气体的装置，其特征在于它还包括在压缩气体中雾化去离子水的装置以防止输送研磨悬浮液系统中的过滤器堵塞。
全文摘要
输送研磨悬浮液的设备包括:一个盛装研磨悬浮液的罐,一个连在罐上的输送研磨悬浮液的环路,使研磨悬浮液在环路中循环并确保其返回罐的循环装置,使循环后的研磨悬浮液得以复原的复原装置,使研磨悬浮液维持连续循环的控制循环装置的控制装置。
文档编号B24B37/04GK1247381SQ9911178
公开日2000年3月15日 申请日期1999年8月11日 优先权日1998年8月18日
发明者蒂里埃·莱德里赫, 乔治·瓜尔内里, 埃尔韦·迪尔法伊 申请人:液体空气乔治洛德方法利用和研究有限公司