CN103426791B - 粘度自动控制系统及自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种粘度自动控制系统，用于实时、准确地监测和控制液体的粘度，包括粘度测量系统、温度测量系统、粘度调节系统和控制器，其中所述粘度测量系统测量所述液体的粘度，所述温度测量系统测量所述液体的温度，所述粘度调节系统调节所述液体的粘度，所述控制器与所述粘度测量系统、温度测量系统和粘度调节系统相连，根据所述粘度测量系统测量到的粘度和所述温度测量系统测量到的温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果产生控制信号控制所述粘度调节系统。本发明还进一步公开一种粘度自动控制方法。

Description

粘度自动控制系统及自动控制方法

技术领域

本发明涉及无应力铜抛光技术领域，尤其涉及一种无应力铜抛光的抛光液粘度自动控制系统及自动控制方法。

背景技术

在集成电路制造中，化学机械抛光（CMP）技术在单晶硅衬底和多层金属互连结构的层间全局平坦化方面得到了广泛的应用。化学机械抛光可以抛光和平坦化在介质材料的非凹陷区域上形成的金属层。虽然化学机械抛光可以只抛光金属层而对电介质层没有影响，然而，由于其强机械作用力，化学机械抛光会对集成电路结构带来一些有害的影响，尤其是随着极大规模集成电路和超大规模集成电路的快速发展，铜和低K或者超低K电介质材料被应用在极大规模集成电路和超大规模集成电路中，由于铜和低K或者超低K电介质材料的机械性能有很大的差别，化学机械抛光中的强机械作用力可能会对低K或者超低K电介质材料造成永久性的损伤。

为了解决化学机械抛光技术中的缺点，人们在不断完善化学机械抛光技术的同时，也在不断探索和研究新的平坦化技术，其中，无应力抛光技术被逐渐应用在极大规模集成电路和超大规模集成电路的制造中。无应力抛光技术能够克服传统的化学机械抛光技术在超微细特征尺寸集成电路中的缺陷。无应力抛光技术基于电化学抛光原理，能够无机械应力的对金属互联结构进行平坦化。无应力抛光需要使用能够导电的抛光液，而抛光液的粘度是无应力抛光技术中的重要技术参数，抛光液的粘度会受环境温度，环境湿度等因素变化的影响，抛光液的粘度过高或过低都会影响金属铜的去除率和片间均匀性，其粘度稳定性也直接影响抛光工艺的可重复性。因此，在无应力抛光过程中，抛光液的粘度控制是一个很重要的环节，如何实时、准确地监测和控制抛光液的粘度成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能够实时、准确地监测和控制液体粘度的粘度自动控制系统。

为实现上述目的，本发明提供的一种粘度自动控制系统，包括粘度测量系统、温度测量系统、粘度调节系统和控制器，其中所述粘度测量系统测量所述液体的粘度，所述温度测量系统测量所述液体的温度，所述粘度调节系统调节所述液体的粘度，所述控制器与所述粘度测量系统、温度测量系统和粘度调节系统相连，根据所述粘度测量系统测量到的粘度和所述温度测量系统测量到的温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果产生控制信号控制所述粘度调节系统。

为实现上述目的，本发明提供的另一种粘度自动控制系统，包括兼具测温功能的粘度测量系统、粘度调节系统和控制器，其中所述兼具测温功能的粘度测量系统测量所述液体的粘度和温度，所述粘度调节系统调节所述液体的粘度，所述控制器与所述兼具测温功能的粘度测量系统和所述粘度调节系统相连，根据所述兼具测温功能的粘度测量系统测量到的粘度和温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果产生控制信号控制所述粘度调节系统。

本发明的又一目的是提供一种粘度自动控制方法，所述粘度自动控制方法能够实时、准确地监测和控制液体粘度。

为实现本发明的又一目的，本发明提供的粘度自动控制方法，包括如下步骤：

测量液体的粘度和温度；

根据测量到的粘度和温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果调节所述液体的粘度。

综上所述，本发明的有益效果是：本发明通过实时测量液体的粘度和温度，并根据测量到的粘度和温度计算温度补偿粘度，然后将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果调节所述液体的粘度，实现了实时、准确地监测和控制液体粘度的目的。

附图说明

图1是本发明粘度自动控制系统的第一实施例的结构示意图。

图2是本发明粘度自动控制系统的第二实施例的结构示意图。

图3是本发明粘度自动控制方法的流程图。

图4是本发明温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度值之差的绝对值与温度增加之间的关系图。

图5是本发明温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度值之差的绝对值与去离子水增加体积比之间的关系图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。

请参阅图1，为本发明粘度自动控制系统的第一实施例的结构示意图。本发明粘度自动控制系统包括储液槽10、液体循环控制系统40、粘度测量系统20、温度测量系统30、粘度调节系统（图中未示）、液位测量系统70和控制器90。所述粘度调节系统具体包括温度控制系统50和液体供应控制系统60。

所述储液槽10储存抛光液。所述液体循环控制系统40与储液槽10相连通并与储液槽10形成循环通路，抛光液在循环通路中循环流动以保证抛光液在各个位置处的粘度均匀性，避免由于监测点和其它位置处的粘度不一致造成的误差。所述粘度测量系统20设置在循环通路上，测量抛光液的粘度，粘度测量系统20与控制器90相连并将测量到的抛光液的粘度传输给控制器90，优选的，粘度测量系统20是活塞式粘度测量仪，或者是带有测温功能的粘度测量仪，当采用带有测温功能的粘度测量仪时，所述温度测量系统30可以省略。所述温度测量系统30与粘度测量系统20设置在循环通路上的同一位置，测量抛光液的温度，温度测量系统30与控制器90相连并将测量到的抛光液的温度传输给控制器90。所述温度控制系统50与控制器90相连并受控制器90的控制以调节储液槽10内抛光液的温度。所述液体供应控制系统60与控制器90相连并受控制器90的控制以调节向储液槽10内补充去离子水的体积。所述液位测量系统70测量储液槽10内抛光液的液位，液位测量系统70与控制器90相连并将测量到的液位传输给控制器90。所述控制器90还与液体循环控制系统40相连并控制循环通路内抛光液的流速。

请参阅图2，为本发明粘度自动控制系统的第二实施例的结构示意图。本发明粘度自动控制系统包括储液槽10、液体搅拌系统80、粘度测量系统20、温度测量系统30、粘度调节系统（图中未示）、液位测量系统70和控制器90。所述粘度调节系统具体包括温度控制系统50和液体供应控制系统60。

所述储液槽10储存抛光液。所述液体搅拌系统80搅拌储液槽10内的抛光液，使抛光液在储液槽10内的各个位置处的粘度保持均匀性，避免由于监测点和其它位置处的粘度不一致造成的误差。所述粘度测量系统20设置在储液槽10内，测量抛光液的粘度，粘度测量系统20与控制器90相连并将测量到的抛光液的粘度传输给控制器90，优选的，粘度测量系统20是活塞式粘度测量仪，或者是带有测温功能的粘度测量仪，当采用带有测温功能的粘度测量仪时，所述温度测量系统30可以省略。所述温度测量系统30与粘度测量系统20设置在储液槽10内的同一位置，测量抛光液的温度，温度测量系统30与控制器90相连并将测量到的抛光液的温度传输给控制器90。所述温度控制系统50与控制器90相连并受控制器90的控制以调节储液槽10内抛光液的温度。所述液体供应控制系统60与控制器90相连并受控制器90的控制以调节向储液槽10内补充去离子水的体积。所述液位测量系统70测量储液槽10内抛光液的液位，液位测量系统70与控制器90相连并将测量到的液位传输给控制器90。所述控制器90还与液体搅拌系统80相连并控制液体搅拌系统80的搅拌速度。

下面简单介绍本发明粘度自动控制系统的工作原理：粘度测量系统20和温度测量系统30分别实时测量抛光液的粘度和温度，并将测量到的粘度和温度传输给控制器90，设定参考温度值和温度补偿系数，控制器90记录实时粘度和实时温度，并根据温度补偿粘度计算公式计算并记录对应于该实时粘度和实时温度的温度补偿粘度（TCV：TemperatureCompensation Viscosity）。所述温度补偿粘度计算公式如下：

TCV=exp{exp[ln(ln(V+0.8))–TCC(ln(Tref+273.15)–ln(T+273.15))]}-0.8

公式中，V表示动态粘度/绝对粘度，TCC表示温度补偿系数，Tref表示参考温度，T表示温度。根据所述温度补偿粘度计算公式计算出的温度补偿粘度为去除温度因素后的粘度，即忽略温度波动对粘度的影响。因此，温度补偿粘度能够精确地反应在一定参考温度下抛光液粘度的变化。

控制器90将计算出的温度补偿粘度与设定值比较，根据比较结果产生控制信号控制粘度调节系统。具体地，如果控制器90计算出的温度补偿粘度小于设定值，控制器90产生第一控制信号，温度控制系统50根据第一控制信号升高储液槽10内抛光液的温度，使抛光液内含的水分蒸发，减少抛光液的水含量，从而提高抛光液的温度补偿粘度至设定值，抛光液的温度升高并维持一定时间后，再将抛光液的温度降低到设定的温度值；如果控制器90计算出的温度补偿粘度大于设定值，控制器90产生第二控制信号，较佳的，首先液位测量系统70测得储液槽10内抛光液的液位，并将该液位传输给控制器90，控制器90根据该液位和储液槽10的横截面积计算出储液槽10内抛光液的体积，然后控制器90根据比较结果和抛光液的体积产生第二控制信号，液体供应控制系统60根据第二控制信号向储液槽10内补充去离子水，从而降低抛光液的温度补偿粘度至设定值。

在粘度自动控制过程中，由于粘度的变化比较缓慢，较佳的，控制器90计算一设定时间段内温度补偿粘度的平均值，并将该平均值与设定值比较。

以下参考图3至图5讨论本发明的粘度自动控制方法。

可以根据大量实验预先建立温度补偿粘度与设定值之差的绝对值与温度增加之间的线性函数模型，以及温度补偿粘度与设定值之差的绝对值与去离子水增加体积比之间的线性函数模型，例如如图4和图5所示。温度增加是指温度控制系统50升高的温度，即储液槽10内抛光液升高的温度，去离子水增加体积比是指液体供应控制系统60向储液槽10内补充的去离子水的体积与储液槽10内抛光液的体积之比。

特别是，本发明粘度自动控制方法包括如下步骤：

S1：粘度测量系统20和温度测量系统30实时测量储液槽10内抛光液的粘度和温度，并将测量到的粘度和温度传输给控制器90。

S2：控制器90计算出温度补偿粘度并将该温度补偿粘度与设定值比较，若温度补偿粘度小于设定值，进入S3步骤；若温度补偿粘度大于设定值，进入S4步骤；若温度补偿粘度等于设定值，返回S1步骤。

S3：控制器90计算出温度补偿粘度与设定值之差的绝对值，并根据温度补偿粘度与设定值之差的绝对值与温度增加之间的线性函数模型得出温度控制系统50所需升高的温度，从而产生第一控制信号，温度控制系统50根据第一控制信号升高储液槽10内抛光液的温度，使抛光液内含的水分蒸发，减少抛光液的水含量，提高抛光液的温度补偿粘度至设定值，抛光液的温度升高并维持一定时间后，再将抛光液的温度降低到设定的温度值，然后返回S1步骤。

S4：控制器90计算出温度补偿粘度与设定值之差的绝对值，并根据温度补偿粘度与设定值之差的绝对值与去离子水增加体积比之间的线性函数模型得出液体供应控制系统60需向储液槽10内补充的去离子水增加体积比，根据液位测量系统70实时测量到的储液槽10内抛光液的液位和储液槽10的横截面积从而计算出储液槽10内抛光液的体积，进而得出液体供应控制系统60需向储液槽10内补充的去离子水的体积，然后产生第二控制信号，液体供应控制系统60根据第二控制信号向储液槽10内补充相应体积的去离子水，进而降低抛光液的温度补偿粘度至设定值，然后返回S1步骤。

进一步的，控制器90计算一设定时间段内温度补偿粘度的平均值，并将该平均值与设定值比较。

由上述可知，本发明粘度自动控制系统及自动控制方法能够实时、准确的监测和控制抛光液的粘度，使抛光液的粘度维持在设定值，进而提高无应力抛光的工艺效果。

综上所述，本发明粘度自动控制系统及自动控制方法通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。至于本文中所述元件数目的改变或等效元件的代替等仍都应属于本发明的权利范围。

Claims (17)

1.一种粘度自动控制系统，用于监测和控制液体的粘度，包括：粘度测量系统、温度测量系统、粘度调节系统和控制器，其中所述粘度测量系统测量所述液体的粘度，所述温度测量系统测量所述液体的温度，所述粘度调节系统调节所述液体的粘度，所述控制器与所述粘度测量系统、温度测量系统和粘度调节系统相连，根据所述粘度测量系统测量到的粘度和所述温度测量系统测量到的温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果产生控制信号控制所述粘度调节系统。

2.根据权利要求1所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述粘度调节系统包括温度控制系统和液体供应控制系统，所述温度补偿粘度小于所述设定的温度补偿粘度时，所述控制器产生第一控制信号，所述温度控制系统根据所述第一控制信号升高所述液体的温度，使所述液体内含的水分蒸发，减少所述液体的水含量，提高所述液体的温度补偿粘度，所述温度补偿粘度大于所述设定的温度补偿粘度时，所述控制器产生第二控制信号，所述液体供应控制系统根据所述第二控制信号向所述液体内补充水，降低所述液体的温度补偿粘度。

3.根据权利要求2所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述温度补偿粘度与所述设定的温度补偿粘度之差的绝对值与液体升高的温度呈线性关系。

4.根据权利要求2所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述温度补偿粘度与所述设定的温度补偿粘度之差的绝对值与补充水的体积比呈线性关系，所述体积比为补充水的体积与所述液体的体积之比。

5.根据权利要求4所述的粘度自动控制系统，还进一步包括储液槽和液位测量系统，所述储液槽储存所述液体，所述液位测量系统测量所述储液槽内液体的液位，并与所述控制器相连，所述控制器根据所述液体的液位和所述储液槽的横截面积计算所述液体的体积。

6.根据权利要求5所述的粘度自动控制系统，还进一步包括液体循环控制系统，所述液体循环控制系统与所述储液槽相连通并与所述储液槽形成循环通路，所述液体在所述循环通路中流动。

7.根据权利要求6所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述粘度测量系统与所述温度测量系统设置在所述循环通路上的同一位置。

8.根据权利要求6所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述液体循环控制系统与所述控制器相连。

9.根据权利要求5所述的粘度自动控制系统，还进一步包括液体搅拌系统，所述液体搅拌系统搅拌所述储液槽内的液体。

10.根据权利要求9所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述粘度测量系统与所述温度测量系统设置在所述储液槽内的同一位置。

11.根据权利要求9所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述液体搅拌系统与所述控制器相连。

12.根据权利要求1所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述控制器计算一设定时间段内温度补偿粘度的平均值，并将所述平均值与所述设定的温度补偿粘度比较。

13.一种粘度自动控制系统，用于监测和控制液体的粘度，包括：兼具测温功能的粘度测量系统、粘度调节系统和控制器，其中所述兼具测温功能的粘度测量系统测量所述液体的粘度和温度，所述粘度调节系统调节所述液体的粘度，所述控制器与所述兼具测温功能的粘度测量系统和所述粘度调节系统相连，根据所述兼具测温功能的粘度测量系统测量到的粘度和温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果产生控制信号控制所述粘度调节系统。

14.根据权利要求13所述的粘度自动控制系统，其特征在于，所述粘度调节系统包括温度控制系统和液体供应控制系统，所述温度补偿粘度小于所述设定的温度补偿粘度时，所述控制器产生第一控制信号，所述温度控制系统根据所述第一控制信号升高所述液体的温度，使所述液体内含的水分蒸发，减少所述液体的水含量，提高所述液体的温度补偿粘度，所述温度补偿粘度大于所述设定的温度补偿粘度时，所述控制器产生第二控制信号，所述液体供应控制系统根据所述第二控制信号向所述液体内补充水，降低所述液体的温度补偿粘度。

15.一种粘度自动控制方法，包括如下步骤：

测量液体的粘度和温度；

根据测量到的粘度和温度计算温度补偿粘度，并将所述温度补偿粘度与设定的温度补偿粘度比较，根据比较结果调节所述液体的粘度。

16.根据权利要求15所述的粘度自动控制方法，还进一步包括所述温度补偿粘度小于所述设定的温度补偿粘度时，升高所述液体的温度，使所述液体内含的水分蒸发，减少所述液体的水含量，提高所述液体的温度补偿粘度，所述温度补偿粘度大于所述设定的温度补偿粘度时，向所述液体内补充水，降低所述液体的温度补偿粘度。

17.根据权利要求15所述的粘度自动控制方法，还进一步包括计算一设定时间段内温度补偿粘度的平均值，并将所述平均值与所述设定的温度补偿粘度比较。