CN101432219A - 液体分配系统 - Google Patents

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CN101432219A CNA200780015686XA CN200780015686A CN101432219A CN 101432219 A CN101432219 A CN 101432219A CN A200780015686X A CNA200780015686X A CN A200780015686XA CN 200780015686 A CN200780015686 A CN 200780015686A CN 101432219 A CN101432219 A CN 101432219A
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Abstract

本发明涉及一种通过分配回路向需要液体的工具供应液体的系统、设备和方法。具体地，本发明涉及一种向半导体制造工艺的CMP(化学机械抛光)工具提供液体或浆液的系统、设备和方法。根据本发明，通过在分配回路中使用结合了流量或压力传感器的泵来控制流速和压力，由此使所述液体以恒定的流速和压力传输到所述工具。

Description

液体分配系统
技术领域
本发明涉及一种通过分配回路向需要液体的工具供应液体的系统、设备和方法。特别地，本发明涉及一种用于向半导体制造工艺的CMP(化学机械抛光)工具供应液体的系统、设备和方法。
背景技术
在各种表面处理技术、特别是在半导体装置的制造工艺中，使用包括浆液的多种液体。使用这种液体的一个重要方面是控制流量和对半导体制造工具的压力。通过保持恒定的流量和压力，可使工具加工达到更大的稳定性。此外，通过控制流量和压力，可减小来自剪切力的破坏，该剪切力产生破坏液体的实用性和有效性的团块。
和本发明一起转让的美国专利No.6,019,250描述了一种通过流动回路向使用部位分配液体的方法和系统。具体地，此系统和方法要求多个(优选为三个)室，每个室都有分配、返回和填充操作模式。所述方法和设备包括用于调节各个室内的压力的调节装置，使得在各个使用部位的液压保持基本恒定。
此外，本领域需要通过减少容器的数量以及所需的连接设备的数量来减少液体传输系统的复杂性。这又有助于减少此系统的成本和半导体制造的整体成本。
发明内容
本发明提供了一种通过分配回路向需要液体的工具供应液体的系统、设备和方法，其中，液体以恒定的流速和压力传输到工具。根据本发明，通过在分配回路中使用结合有流量或压力传感器的容积式泵或离心泵来控制流速和压力。
附图说明
下面，参考以下附图将详细描述本发明的系统、设备和方法。
图1是根据本发明的第一实施例的系统的示意图；
图2是根据本发明的第二实施例的系统的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明的第一实施例的系统的示意图。具体地，图1示出包括返回容器110和分配容器120的液体分配系统100，其中，压力和流量控制由容积式泵如标号为130和140的容积式泵来管理。多数情况下，泵130和140是冗余式的，即：一个泵作为另一个泵的备用泵，但是，如下面更加详细的讨论，也能够独立于泵140而单独操作泵130。在其中任一种情况下，泵130和140不会直接控制压力或流量，而是从返回容器110或常用罐150抽取液体并以更高压力将此液体传输到分配容器120中。在此实施例中，返回容器110和分配容器120在操作过程中并不循环(填充或排空)。下面将更加详细地讨论本发明的该实施例的操作顺序。
首先，从液源桶或常用罐150将液体抽取到分配容器120中，直到分配容器120中的液位处于预定的高位设定点。然后，对分配容器120加压，开始液体的分配，通过从常用罐150中抽取附加的液体而将分配容器120内的液位维持在预定范围内。具体地，液位传感器122用于检测分配容器120内的液位并将泵开启或关闭。例如，如果正在使用的是泵130，当液位下降到低于预定的低位设定点时泵130开启并从常用罐150中抽取液体，当液位升高到高于预定的高位设定点时泵130关闭，并且不再从常用罐150中抽取液体。所述液体继续通过分配系统，并可选地在传输到工具170之前通过过滤器。没有传输到工具170的液体继续通过过滤系统并流进返回容器110，直到返回容器110中的液位达到预定的高位设定点。一旦返回容器110中的液位达到所述高位设定点时，可以从返回容器110中抽取液体并传输到分配容器120。当返回容器110中的液位低于预定的低位设定点时，从常用罐150中抽取液体并传输到分配容器120中。通过控制泵的开或关的操作状态和液体源，即常用罐150或返回容器110，可以同时保持分配容器120和返回容器110中的液体合适的液位。
本发明的方法可参考阀操作顺序来进一步说明。具体地，在初始操作之后，阀155将打开，以便利用工作泵将液体从常用罐150传输到分配容器120。阀117和135主要设置用于允许在需要修理或维护的情况下隔离泵130，并确保液体不会流回到所述泵中，因此可在工作中保持打开状态。类似地，阀118和145主要设置用于允许在需要修理或维护的情况下隔离泵140，所述阀可以是简单的止回阀以确保液体不会流回到所述泵中，因此在工作中可保持打开状态。一旦达到预定的高位设定点，液位传感器122向工作泵发送关闭信号，利用N2供料装置127和相联的阀128对分配容器120进行加压，液体的分配开始。此时，阀155优选为关闭，使得从常用罐150中不再抽取液体。当液位传感器122检测到分配容器120中的液位下降到预定的低位设定点时，工作泵开启，阀155再次打开使得从常用罐150中再抽取液体。通过这种方法，分配容器120中的液位保持在预定的范围内。液体传输到工具170中，多余的液体流进返回容器110，直到达到预定的高位设定点位置。此时，液体可以通过打开阀115从返回容器110传输到分配容器120。具体地，当液位传感器122检测到分配容器120中的液位下降到预定的低位设定点时，就会发出信号使得将工作泵开启并打开阀115，使得液体从返回容器110传输到分配容器120。从返回容器110抽取液体将使得其中的液位降低，直到达到预定的低位设定点时为止。此时，阀115关闭，阀155再次打开，使得从常用罐150再抽取液体。以这种方式，返回容器110中的液位可保持在预定的范围内。使用液位传感器112来检测返回容器110中的液位并控制阀115和155。
通过控制分配容器120和返回容器110中的压力，使流过系统的液体的流速和压力在通向工具170的入口处保持稳定不变。在此实施例中，通过使用用于分配容器120的连接到N2供料装置127的压力传感器125来控制分配容器的压力。通过以这种方式来控制压力，分配容器用作脉冲阻尼器，因此工作泵不再需要脉冲阻尼器，从而进一步减少了系统的成本和复杂性。类似地，使用用于返回容器110的连接到N2供料装置107的流量传感器105和相联的阀108来控制返回容器110的压力。在这种方式中，由返回容器110引起的背压来控制通过系统的流速。
如上所述，工作泵和阀115和155共同协作将分配容器120和返回容器110的液位保持在预定的范围内。分配容器120的液位是用于控制系统的主要参数。具体地，根据液位传感器122检测的分配容器120中的液位，工作泵开启或关闭。返回容器110中的液位是用于控制系统的第二参数。具体地，根据液位传感器112检测的返回容器110中的液位，阀115和155打开或关闭。
上述操作在下面的表1中以概括的方式进行总结，该表1示出在图1所示的系统的各种状态下，工作泵和阀的状态。可以使用其他的操作状态，表1中示出的顺序并不用于限制本发明。
表1
Figure A200780015686D00081
参考表1，根据本实施例，本发明的系统可在四个状态中的任何一个中进行操作。具体地，系统以状态1开始操作，该状态1一直持续到分配容器中达到预定的高位设定点。然后，根据分配容器和返回容器内的液位不同，系统循环到状态2、状态3、状态4中的一个进行操作。具体地，只要分配容器中的液位在预定的高位设定点和预定的低位设定点之间，系统就以状态2进行操作，不再从常用罐或返回容器中抽取液体。一旦分配容器中的液位达到预定的低位设定点，根据返回容器的液位，系统以状态3或状态4进行操作。具体地，只要返回容器中的液位在预定的高位设定点和低位设定点之间，系统就以状态3进行操作，从返回容器中抽取液体。如果返回容器中的液位处于或低于预定的低位设定点，那么系统以状态4进行操作，从常用罐中抽取液体。
根据本发明的系统的布置和部件以及根据本发明的操作方法存在多个可选方案。例如，如上所述，如图1中所示的两个泵提供了冗余和备用泵。可选地，可以使用单个或多于两个泵。此外，两个或多个泵可独立工作，例如，一个泵从常用罐抽取液体，另一个泵从返回容器抽取液体。
所述泵(一个或多个)可以是通常用于液体分配的任何类型，例如图1中所示的容积式泵、离心泵、叶轮泵等等。在另外的可选方案中，可使用调速泵使得分配容器中保持恒定的液位。通过这种方法，分配到工具的液体压力可达到更大的一致性。
此外，图1中所示的常用罐是重力分配罐，用泵将液体从该罐中抽取。可选地，常用罐可以直接与返回容器或分配容器相联，也可以是要求泵180向返回容器传输液体的重力分配罐。在另外的可选方案中，常用罐可以是不需要用于向所连接的容器传输液体的泵的加压罐。
如上所述，设置了几个用于泵的隔离并防止液体回流到泵中的止回阀。在根据本发明的另外的可选方案中，这些阀可以是主动阀，其控制方式类似于图1的阀115和155。
图1示出这样一种布置，其中，通过检测到的返回容器中的液位来控制两个阀，以便确定液体应该从返回容器抽取还是常用罐抽取。如上所述，通常地，在任何给定的时刻，仅可打开其中一个阀。在本发明的另一个实施例中，所述两个阀可以是允许从返回容器和常用罐同时抽取液体的比例阀。
本发明使用的液位传感器可以是任何已知的检测容器内液位的类型，例如，测压元件、光学传感器、电容传感器、浮子传感器或雷达传感器。此外，流量传感器105可由压力传感器替代以便控制通过系统的流速。
尽管根据本发明的设备和方法与前述美国专利No.6,019,250之间有多处类似，但是仍存在显著差别。具体地，现有技术系统和方法要求多个室，各个室具有分配操作模式、返回操作模式和填充操作模式。在本发明中，存在具有分配操作模式和填充操作模式的单个分配容器，该分配容器也允许分配模式和填充模式同时进行。本发明具有多个优点，包括：减少了系统的整体设备需求、简化了控制操作以及减少了维护的要求。所有这些优点导致或有助于减少系统的整体成本及其操作。
图2是根据本发明的第二实施例的系统的示意图。具体地，图2示出包括常用罐210和分配容器220的液体分配系统200，其中压力和流量的控制由容积式泵230和240来管理。通过管理分配容器220的压力来实现压力控制，通过调整用于常用罐210的阀口205来控制回流。再一次，泵230和240并不提供压力或流量的直接控制，而是从常用罐210抽取液体并在更高压力下将此液体传输到分配容器220中。用于本发明的这个实施例的操作过程将在下面进行详细描述。
最初，液体从液源桶或混合系统250抽取到分配容器220中，直到分配容器220中的液位处于预定的高位设定点。然后用N2供料装置227和相联的阀228对分配容器220进行加压，液体的分配开始，而通过从液源桶250中抽取额外的液体，将分配容器220中的液位控制在预定的范围内。具体地，液位传感器222用于检测分配容器220内的液位并开启和关闭工作泵。例如，如果正在使用的是泵230，当液位下降到预定的低位设定点时泵230开启，从液源桶250中抽取液体；当液位达到预定的高位设定点时泵230关闭，不再从液源桶250中抽取液体。液体继续通过分配系统并在传输到工具270之前选择性通过过滤器260。没有传输到工具270的液体继续通过分配系统并流进常用罐210，直到常用罐210中的液位达到预定的高位设定点。一旦常用罐210中的液位达到高位设定点，可从常用罐210抽取液体并传输到分配容器220中。当常用罐210中的液位低于预定的低位设定点时，从液源桶250抽取附加的液体到分配容器220中。通过控制工作泵的开启或关闭状态以及液体源，即液源桶250或常用罐210，可以保持分配容器220和常用罐210中合适的液位。
可通过参考图2中所示的实施例的阀操作顺序来进一步解释本发明的方法。具体地，初始操作之后，阀255将打开，使得可利用工作泵将液体从液源桶250传输到分配容器220中。阀232和235主要设置用于允许在需要修理或维护的情况下隔离泵230，并保证液体不会回流到所述泵中，从而可在操作的过程中保持打开状态。类似地，阀242和245主要设置用于允许在需要修理或维护的情况下隔离泵240，所述阀242和245可以是简单的止回阀，以便保证液体不会回流到所述泵内，因此在工作中可保持打开状态。一旦在分配容器220中达到预定的高位设定点，液位传感器222向工作泵发送关闭信号，用N2供料装置227和相联的阀228对分配容器220进行加压，液体的分配开始。此时，阀255优选为关闭，使得液源桶250中不再有额外的液体抽出。当液位传感器222检测到分配容器220中的液位下降预定的低位设定点时，工作泵开启，阀255再次打开，使得从液源桶250中抽出额外的液体。通过这种方法，分配容器220中的液位保持在预定的范围内。液体传输到工具270，多余的液体流进常用罐210，直到达到预定的高位设定点。此时，通过打开阀215，液体可以从常用罐210传输到分配容器220。具体地，当液位传感器222检测到分配容器220中的液位下降到预定的低位设定点时，就会发送信号开启工作泵并打开阀215，使得液体从常用罐210抽取到分配容器220中。从常用罐210抽取液体将使其中的液位降低，直到达到预定的低位设定点为止。此时，阀215关闭，阀255再次打开，以便从液源桶250中抽取更多的液体。以此方式，常用罐210中的液位可保持在预定的范围内。使用液位传感器212来检测常用罐210的液位并控制阀215和255。
通过控制分配容器220和常用罐210中的压力，流过系统的流体的流速和压力在通向工具270的入口处保持稳定不变。在此实施例中，通过使用用于分配容器220的连接到N2供料装置227的压力传感器225来控制分配容器的压力。通过以这种方式控制压力，所述分配容器用作脉冲阻尼器，因此工作泵不再需要脉冲阻尼器，从而进一步减少了系统的成本和复杂性。类似地，可用阀孔205或类似的用于常用罐210的流量控制装置来控制常用罐210的压力。以此方式，通过系统的流速可得到控制。
工作泵以及阀215和255共同作用使得分配容器220和常用罐210的液位保持在预定的水平。分配容器220中的液位是用于控制系统的主要参数。具体地，工作泵根据液位传感器222检测的分配容器220中的液位而开启或关闭。常用罐210中的液位是用于控制系统的第二参数。具体地，阀215和255根据液位传感器212检测的常用罐210中的液位而打开或关闭。
上述操作在下面的表2中以概括的方式进行总结，该表2示出在图2所示的系统的各种状态下，工作泵和可操作阀的状态。可以使用其他的操作状态，表2中示出的顺序并不用于限制本发明。
表2
Figure A200780015686D00121
参考表2，根据本实施例，本发明的系统可在四个状态中的任何一个中进行操作。具体地，系统以状态1开始运行，该状态一直持续到分配容器中达到预定高位设定点为止。然后，根据分配容器和常用罐中的液位，系统循环到状态2、状态3或状态4中的一个进行操作。具体地，只要分配容器中的液位处于预定的高位设定点和预定的低位设定点之间，系统以状态2进行操作，不再有液体从液源桶或常用罐中抽取。一旦分配容器中的液位达到预定的低位设定点，那么系统根据常用罐内的液位以状态3或状态4进行操作。具体地，只要常用罐中的液位处于预定的高位设定点和预定的低位设定点之间时，系统以状态3进行操作，并进一步从常用罐抽取液体。如果返回容器中的液位处于或低于预定的低位设定点，那么系统以状态4进行操作并且进一步从源桶中抽取液体。
上述图1中所示的关于实施例的所有替代方案都可等同地应用于图2中的实施例。例如，可使用冗余地或独立地操作的单个泵或多个泵。此外，所述泵可以是通常用于液体分配的任何类型，包括调速泵。而且，液源桶可以是需要泵280的重力分配罐或加压罐，并可直接联接到返回容器或分配容器。此外，可使用并主动控制不同类型的阀，也可使用任何已知类型的液位传感器。
如上所述，本发明提供一种通过分配回路向需要液体的工具供应液体的系统、设备和方法。如前面所指出的，具体的实施例涉及对半导体制造工艺的CMP工具进行浆液的传输。本发明允许液体或浆液以恒定的流速和压力进行传输，因此给制造工艺提供了更大的稳定性。此外，通过使用本发明的系统、设备和方法，可减少来自剪切力的破坏，该剪切力产生破坏液体或浆液的实用性和有效性的团块。此外，和现有技术的传输系统相比，本发明相对简单。具体的，在本发明中减少了容器的数量和需要的连接设备的数量，这导致减少了此系统的成本和整个半导体制造的成本。
根据前述说明书和示例的启示，本领域技术人员很容易想到本发明的其他实施例和变型，并且这些实施例和变型包含在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种用于将液体分配到至少一个使用部位的设备，该设备包括：
分配容器，该分配容器具有从分配容器分配液体的分配操作模式和将液体引入分配容器的填充操作模式；
返回容器，该返回容器具有将未使用的液体返回到返回容器的返回操作模式和从返回容器传输出液体的传输操作模式；
液体分配系统，该液体分配系统连接至少一个使用部位、分配容器和返回容器，以从分配容器向至少一个使用部位提供液体、将未使用的液体返回到返回容器中、以及将液体从返回容器传输到分配容器；以及
控制装置，该控制装置调节通过液体分配系统的液体的流量，使得在至少一个使用部位处的液体流量基本恒定。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括与所述分配容器相联以测量分配容器中液体的量的第一传感器装置，以及与返回容器相联以测量返回容器中液体的量的第二传感器装置。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一传感器装置和第二传感器装置相同或不同，并且选自液位传感器、测压元件、光学传感器、电容传感器、浮子传感器、雷达传感器。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液体分配系统包括用于向分配容器或返回容器、或者向二者提供液体的液体源。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述液体源是常用罐，所述液体分配系统还包括用于将液体泵送到分配容器内的泵装置。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述泵装置包括容积式泵、离心泵、叶轮泵或调速泵。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述液体源是加压罐。
8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液体分配系统还包括用于将流向至少一个使用部位的液体的流速控制在预定范围内的控制装置，其中，该控制装置连接到用于分配容器的控制部件。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述控制装置是压力传感器。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述控制设备包括氮气源和调节器。
11.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述控制装置包括流量计。
12.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述控制装置还连接到用于返回容器的控制部件。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于返回容器的控制装置是氮气源和调节器。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个使用部位是半导体制造工艺中的工具。
15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述液体是浆液。
16.一种分配液体的方法，该方法包括：
将液体从液体源填充到分配容器中，直到预定的分配高位设定点；
将液体以超过所需量的方式提供到至少一个使用部位；
将多出的液体提供到返回容器，直到预定的返回高位设定点；
当所述分配容器中的液位达到预定的分配低位设定点时，从返回容器或液体源中的至少一个进一步向分配容器提供液体；
其中，分配容器中的液位保持在预定的分配高位设定点和预定的分配低位设定点之间，返回容器中的液位保持在预定的返回高位设定点和预定的返回低位设定点之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少一个使用部位是半导体制造工艺中的工具。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述液体是浆液。
19.一种将流向至少一个使用部位的流体的流速保持恒定的方法，该方法包括：
通过液体分配系统向至少一个使用部位提供液体；
在至少一个使用部位附近测量液体的特性；以及
基于所测量的特性来控制通过流体分配系统的液体的流速。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所测量的特性是压力，对流速的控制包括控制与液体分配系统相联的液体分配容器中的压力。
21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所测量的特性是流速，对流速的控制包括控制与液体分配系统相联的液体分配容器中的压力。
22.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述至少一个使用部位是半导体制造工艺中的工具。
23.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述液体是浆液。
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