CN1239243C - 混合及分配浆液的工艺和设备 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了混合及分配浆液的工艺和设备，所述设备包括混合罐，其中顺序加入至少第一和第二成分，直至每种成分达到粗重量设定值，所述成分被允许沉淀并通过脉冲注入再加入，直至获得精重量设定值；搅拌器，用于将所述至少第一和第二成分混合入溶液中；处理罐，用于接受所述溶液，并将其分配至使用地点，其中在所述混合罐下配置秤，以测量每种加入成分的重量。所述工艺和设备可用于半导体制造业。

Description

混合及分配浆液的工艺和设备
技术领域
本发明涉及一种用于半导体加工设备的将浆液混合并分配至某地点的工艺。本发明也涉及一种生产和分配悬浮液和浆料的系统及工艺，尤其是电子工业中采用的研磨浆料。
背景技术
在半导体制造业，采用化学机械抛光(CMP)平整半导体基片的表面。CMP工艺通常涉及通过安装垫片将半导体晶片附着至载体，并通过使晶片与抛光垫接触抛光其接触面。晶片表面和抛光垫间的机械磨蚀导致晶片表面的平整化。
为了帮助晶片表面的平整化和传送从晶片表面分离的晶片颗粒，在晶片表面和抛光垫间引入一种浆料。浆料通常包括磨粒和磨粒悬浮其中的介质。此外，按客户要求，在使用地点或在原位经常使用氧化剂与浆料混合。也可为浆料添加表面活性剂，以增强被抛光表面的可湿性和减小平整化过程中的振动。浆料的化学成分与晶片表面反应，从而使晶片更容易抛光。
这些技术中通常使用的一种为柱塞成形工艺。在此工艺中，在半导体晶片表面上沉积电介质层后，通过光刻和蚀刻工艺在电介质层中形成接触孔。然后在晶片上层状沉积一种金属，以填充接触孔并形成金属覆盖层。接着执行CMP工艺直至覆盖电介质层的金属被去除，在接触孔中留下金属柱塞。
有几个与浆料混合及处理相关的问题。例如，在去离子水通常可用于半导体制造环境的同时，其它浆料成分通常为必须小心处理、混合和传送至加工工具的危险化学品。此外，这些浆料为胶体悬浮液，必须在混合后及分配给使用地点的过程中保持均匀。此外，浆料通常在混合后适用期有限。
已经提出浆料传送和混合系统，其中浆料在制造设备原位混合。Danielson等人在美国第5,407,526号专利中公开这种系统的例子之一，其中浆料浓缩物和氧化剂被抽入混合室中，它们在其中混合形成浆料，浆料被传送至加工工具。在这种系统中，仅当加工工具运转时才会发生浆料的混合。
Murphy等人在美国第5,478,435号专利中公开另一浆料混合系统，其中浆料被直接抽至化学机械抛光工具的抛光垫上。混合浆料的成分直至获得所需的PH值。但是，在传送至加工工具时，此溶液不必要均匀或为特定应用所需的浓度。
为了满足半导体制造业的需要，并克服相关技术的缺点，本发明的目的之一是提供一种用于原位混合和分配氧化研磨浆液的新型综合系统。
本发明的另一目的是基于重量和/或可选地通过注入，或与按重量填充的计量泵一起，提供浆液成分至混合罐中。
本发明的另一目的是监测和调整形成浆液的成分浓度。
本发明的另一目的是供应均匀的浆液至多个处理工具，不管其是否运转。
本发明的另一目的是连续地供应处理工具，同时按配方制造随后提供至处理罐及从其中至处理工具的浆液。
本发明的另一目的是提供一种接近此系统不同部件的便利方式，以在清洗或修复它们的同时最小化停机时间。
在仔细阅读说明书、附图和所附的权利要求书时，本领域的技术人员将明白本发明的其它目的和方面。
发明内容
按照本发明，提供一种混合及分配氧化研磨浆液的革新工艺和系统。本发明尤其适用于半导体制造业，其中可以原位产生所需配方的化学溶液，所产生溶液被直接导入一个或更多半导体化学机械抛光加工工具。
按照本发明的一方面，提供一种混合及分配浆液至使用地点的工艺。此工艺包括顺序供应至少第一和第二成分至混合罐。加入每种成分直至达到粗重量设定值，一旦获得上述粗值，成分被允许沉淀并通过脉冲注入再加入，直至获得精重量设定值。然后，成分被混合成浆液并传送至处理罐，此后进入使用地点。
按照本发明的另一方面，提供一种混合及分配浆液至半导体设备使用地点的系统，包括：混合罐，其中顺序加入至少第一和第二成分，直至每种成分达到粗重量设定值，所述成分被允许沉淀并通过脉冲注入再加入，直至获得精重量设定值；搅拌器，用于将所述至少第一和第二成分混合入溶液中；和处理罐，用于接受所述溶液，并将其分配至使用地点，其中在所述混合罐下配置秤，以测量每种加入成分的重量。
附图说明
从下面参照附图关于本发明优选实施方式的详细说明中，本发明的目的和优点将变得明显，其中：
图1为按照本发明的示例浆料混合器和分配系统的示意图；以及
图2A-2C为示例工艺的流程图。
具体实施方式
图1为按照本发明的连接至半导体经过设备的示例浆料混合器和分配系统的示意图。应该清楚以下描述的发明概念决不是对优选实施方式的限制，并可以容易地应用于其它混合器、分配系统构造和加工方案。
混合器和分配系统100包括混合/搅拌罐102，其中通过导管110，112和114提供组成浆料的成分。按数量顺序加入各成分，以获得如下所述的预定浆料合成物。
在优选的实施方式中，从桶168通过导管128和130供应氧化研磨浆料，并通过浆料泵126沿系统传送。当不导入混合罐102时，浆料通过导管128，130和132被循环至桶168，以保持材料处于悬浮状态。当循环浆料时，浆料进料阀V1被关闭，而循环阀V2被打开。本领域的技术人员将容易理解，阀V1和阀V2以及本系统中的其它阀和控制设备，通过适当的控制系统自动操作。
参照图1及图2A，以特定的比例加入浆液的成分，以获得所需浆料合成物。其中，每种成分被顺序引入混合罐102中，直至已经加入每种成分的所需数量。
混合罐102放置在秤(scale)134上，这允许测量混合罐的含量，从而测量每种进入成分的重量。例如可编程逻辑控制器(PLC)、微处理器型或其它已知控制器(未示出)之类的适当控制器调节并控制所提供的每种材料的数量。
按照本示例实施方式，测量混合罐102的重量以保证此罐是空的。在混合罐102中存在材料的情况下，传送泵166被激活，所含材料被去除。另外，通过采用加压超高纯氮或其它惰性气体，可以沿系统传送浆液至使用地点。Bucholz等人在美国第4,390,126号专利中说明一种加压氮传送系统，在1982年3月30日第6卷第127号日本专利摘要中也说明一种加压氮传送系统，在此通过引用来引入其全部内容。
在示例实施方式中加入成分的顺序为浆料、过氧化氢和最后的表面活性剂。当秤或液位传感器检测到混合罐为空时，阀V2被关闭而阀V1被打开。从而将浆料通过导管128和130引入混合罐102。在可编程逻辑控制器中输入的预设重量控制所需加入的材料数量。
在将浆料和过氧化氢加入混合罐102之后，第三成分，即表面活性剂被加入混合罐102中。表面活性剂包含在表面活性剂罐138中，通过导管114被导入混合罐102中。安装在导管114中的回压调节器136辅助注入器138将限定数量的表面活性剂注入混合罐中。调节器136防止在注入脉冲中间气泡沿导管114传送，并保持注入器138和调节器136间的压力基本不变。因此，每次注入脉冲分配的表面活性剂数量实际上相同。
如图2B的流程图所示，成分被导入混合罐并称重直至达到混合罐102中的粗重量设定值。一旦达到此值，材料被允许沉淀预定量的一段时间，然后再注入。通过阀打开或关闭的时间控制注入。操作阀的计时器根据工艺而定。例如，可以通过重量或通过注入加入表面活性剂。当获得所需重量的浆料时，秤复位至零读数，加入后面的成分。当然，可以简单地加入随后的成分，直至达到成分的总重量。
可以采用计时器来保证成分加入过程正常工作。将计时器设定为供应成分的预定时间时间。在预定时间时间内成分未被提供至混合罐的情况下，系统进入填充超时(即，系统停止)，激活警报，提醒操作者注意。操作者可以随后改变空供应桶，打开与特定成分桶相关的阀，或者修复系统内的问题。然后警报被去除，加入成分直至达到粗设定值。
此后，成分被允许在混合罐中沉淀预定的一段时间时间，并将材料脉冲注入混合罐，直至获得精重量设定值。如上所述，参照粗重量设定值，材料计时器监控脉冲注入成分的加入。在预定时间时间内未达到精重量设定值的情况下系统进入填充超时，通过警报提醒操作者注意由于系统故障使成分未被提供。因此，为操作者提供改正问题的机会，成分被脉冲注入混合罐中直至获得精重量设定值。
混合罐102包括变量传感器树(tree)，这种传感器如L’AirLiquide在美国第09/168,607号专利申请书中所说明的那样，此处通过引用来引入其全部内容。放置传感器以检测混合罐中制剂的高低液位。另外，在每个高低液位传感器上安装冗余传感器。在当加入一种成分时存在工艺故障(也就是说，系统阀保持固定于开位)的情况下，这些传感器提供系统的应急部件。通过冗余高液位传感器检测混合器/混合罐102中的溶液，从而触发警报。混合器/混合罐的操作被立即暂停，直至问题被解决和警报解除。
然后，如图2A所示，如果低水平传感器检测到混合器/混合罐102中存在残余溶液，溶液被排出。假定导致罐过填充的错误已经损害其中的溶液。
在确认罐为空后，按照以上参照图2A的方法制备一组新的氧化研磨液，其中过氧化氢和表面活性剂被顺序加入氧化物研磨剂。因此，保证下一批次的完整性。处理罐118中的浆料保持在一层加湿氮、或其它加湿惰性气体下，以防止结块现象，在这种现象中浆料粘结至处理罐118的壁上。虽然不希望限制于解释这种现象的特定理论，结块可能由于在溶液变干时悬浮在水性浆液中的颗粒团聚而发生。
将超高纯氮气流通过含去离子水的罐176，以加湿气体。随后加湿后的氮气流被传送至处理罐118，以形成一层覆盖其中浆料的气体。
一旦混合罐102中的材料达到由可编程逻辑控制器提供的所需组合重量，通过由空气发动机140之类的设备驱动的螺旋搅拌器或涡流搅拌器115混合溶液，以达到所需某浓度的均匀组。
根据处理罐118中的溶液液位，通过传送泵166沿导管116将混合后的溶液传送至处理罐118。这种罐在工业中通常称为“日常罐”。打开通常关闭的混合罐传送阀，溶液被传送至处理罐118。此外，如果溶液已经被污染，或者被外部影响以任何形式损害，溶液被传送至排水管。因此，通常关闭的混合罐传送阀V5保持关闭，而通常关闭的加工排水阀V6被打开，以传送溶液至排水管。
进入处理罐118的溶液的浓度可以通过在导管116或在导管146上放置浓度传感器148测量，导管146从导管116分叉并返回至混合罐102。通过这种方法，测量溶液浓度，同时溶液被循环回混合罐102。其中，如上所述，可以通过注入成分将浓度调整至所需值。
在优选的实施方式中，通过浓度传感器148，测量氧化物研磨浆料制剂中过氧化氢的浓度。适当的浓度传感器包括例如用于诸如那些含过氧化氢之类的离子溶液的采用AC Torroid线圈的无电极电导率传感器，和用于非离子溶液的声学信号传感器。
浆液被导入处理罐118，直至高液位传感器检测其中的溶液。例如参照混合罐102讨论的传感器树，被采用于处理罐，其中安装在树上的传感器检测罐118中的溶液。
图2C为表示操作加工/日常罐118的程序的流程图。
通过控制器，根据传感器的读数，监控日常罐中浆液的液位。当分配传感器(未示出)被启动时，通常关闭的加工输出阀V7被打开，配置在罐118的下游的作用泵120沿导管172传送溶液，本领域的技术人员通常称作温克尔曼(Winkleman)环。溶液在此环中循环至使用地点，其中部分溶液在工作站174排出，并通过回流阀V8返回至处理罐118。
人们知道用于优选实施方式中的浆料的过氧化氢成分随时间而分解。因此，可以在温克尔曼环中选择采用浓度传感器156监控浆液中这种成分的浓度，以保证其保持在特定的界限内。
回压调节器154保持所需压力，以在温克尔曼环中循环溶液。此压力如果上升至高于操作者设定的液位，制剂绕过调节器流入处理罐118中，直至达到设定压力。另一方面，此压力如果下降至低于设定液位，调整调节器154，直至获得环上所需的压力水平。因此，可以调整或修复泵。同时，发出警报声或显示警报。
在高液位传感器出现故障的情况下，继续供应溶液至日常罐118，直至达到冗余高液位传感器。此时响起警报以提示操作者，操作者可以从控制器确认警报。同时，通常关闭的加工排水阀V4被打开，以传送溶液至排水管。一旦达到合格条件，其中溶液的液位已经降低至高液位冗余传感器以下，加工排水阀V4被关闭，浆料被连续地供应至处理工具。
当浆液被排出时，日常罐中的浆料量下降至低液位传感器以下，此时混合器/混合罐102被控制器激活，以开始形成并供应一组新的浆液。此时，如上所述，可编程逻辑控制器激活混合罐，以开始加入供应至加工/日常罐118的成分。
随后浆液被供应至加工/日常罐118，直至高液位传感器检测到此罐已经填满，而停止传送。但是，如果日常罐118中的浆液下降至冗余低液位传感器液位以下，控制器发出警报，通知操作者混合器/混合罐未提供所需浆料，因此，操作者有机会调查和改正问题。
在制备并传送至处理罐118的溶液组已经被污染或未达到具体应用的要求的情况下，可以清洗处理罐。通过打开通常关闭的加工排水阀V4清空处理罐118，这批溶液被传送至排水管。排水后，最好使用去离子水清洗处理罐118。
打开阀V3，去离子水被通过导管160、170导入处理罐118中，最好通过全向喷头162冲洗处理罐118的内表面。当去离子水达到高液位传感器时，处理泵120被打开，且加工排水阀V4被打开。因此处理罐中的冲洗水被传送至排水管。
可选地，处理阀V7可以被打开，以允许去离子水通过温克尔曼环172，从而清洗它。在水通过此环后，它通过导管返回至处理罐118，并通过处理泵120进一步传送至排水管。
可以用同样的方法清洗混合罐102。可以通过导管160将去离子水导入混合罐102，最好通过全向喷头164清洗混合罐102，为随后的浆料混合做准备。当喷头164将去离子水导入罐中时，混合传送阀V5被关闭，而通常关闭的加工排水阀V6被打开，以将水传送至排水管。
可以将系统100装入柜式机壳(以虚线表示)中，以保护系统不受外部影响。可以在柜的底部提供排水泵122，以去除从系统漏出的液体。在柜的贮槽中安装一个或更多液位传感器或近控开关，以检测系统泄漏，它是否来自导管、化学制品供给装置、罐或其它系统部件。一旦通过传感器(未示出)在柜的底部检测到液体，排水泵122被激活，通常关闭的贮槽排水阀V9被打开，发出警报声或显示警报，从而允许液体被抽送至贮槽排水管。因此，操作者可以干预，并采取必要行动将工艺恢复至工作条件。
虽然已经参照其具体实施方式详细说明本发明，本领域的技术人员会理解，在不偏离所附权利要求的领域的情况下，可以做出各种改变和修改，并可以采用等价物。

Claims (39)

1.一种混合及分配浆液至半导体加工设备中使用地点的工艺，包括：
顺序供应至少第一和第二成分至混合罐，加入每种所述成分直至达到粗重量设定值，一旦获得所述粗值，所述成分被允许沉淀并通过脉冲注入再加入，直至获得精重量设定值，然后，将成分混合成浆液，并传送所述浆液至处理罐，随后进入使用地点。
2.根据权利要求1的工艺，还包括：
按重量加入所述成分，其中在所述混合罐下配置秤，以测量每种加入成分的重量。
3.根据权利要求2的工艺，还包括：
基于重量或通过定时注入，将至少一种所述成分加入所述混合罐中。
4.根据权利要求2的工艺，其中所述第一成分为浆料，所述第二成分为过氧化氢。
5.根据权利要求4的工艺，还包括第三成分，其中所述第三成分为表面活性剂。
6.根据权利要求1的工艺，其中所述成分通过混合罐中的搅拌器被混合，以形成所述浆液，并进一步被传送至所述处理罐。
7.根据权利要求6的工艺，其中通过由发动机驱动的轴和叶片系统，在预定的时间内执行所述混合。
8.根据权利要求7的工艺，还包括：
采用传送泵将所述浆液从所述混合罐传送至所述处理罐中。
9.根据权利要求7的工艺，还包括：
采用加压氮传送系统将所述浆液从所述混合罐传送至所述处理罐中。
10.根据权利要求8的工艺，其中所述处理罐通过处理泵沿温克尔曼环将所述浆液传送至使用地点，并且其中所述环将未使用的一部分所述浆液循环至所述处理罐。
11.根据权利要求8的工艺，其中所述处理罐通过加压氮传送系统沿温克尔曼环将所述浆液传送至使用地点，并且其中所述环将未使用的一部分所述浆液循环至所述处理罐。
12.根据权利要求10的工艺，其中一旦所述处理罐中所述浆液下降至低于预定最小液位，就发出信号至所述混合罐以开始混合成分，从而将所述浆液供应至所述处理罐。
13.根据权利要求10的工艺，其中一旦所述处理罐中所述浆液超过预定最大液位，就激活警报以警告操作者，处理阀排水管被打开以排出所述浆液的过量部分。
14.根据权利要求1的工艺，还包括：
将加湿气体导入所述处理罐中，以形成浆液上的覆盖层。
15.根据权利要求1的工艺，其中将去离子水导入所述混合罐和所述处理罐中，以在生产运行间隙冲洗清洁所述罐。
16.根据权利要求11的工艺，还包括监测和控制所述工艺的所有功能的控制器。
17.根据权利要求16的工艺，还包括密闭贮槽，其中所述密闭贮槽包括泄漏传感器，以检测所述工艺中的故障，一旦检测到所述故障，就传送信号至所述控制器以停止工艺。
18.一种混合及分配浆液至半导体设备使用地点的系统，包括：
混合罐，其中顺序加入至少第一和第二成分，直至每种成分达到粗重量设定值，所述成分被允许沉淀并通过脉冲注入再加入，直至获得精重量设定值；
搅拌器，用于将所述至少第一和第二成分混合入溶液中；和
处理罐，用于接受所述溶液，并将其分配至使用地点，
其中在所述混合罐下配置秤，以测量每种加入成分的重量。
19.根据权利要求18的系统，还包括控制器，以监测和调整所述浆液的混合及至使用地点的分配。
20.根据权利要求18的系统，其中所述第一成分为从桶经导管供应的浆料。
21.根据权利要求18的系统，其中在导管上配置泵，以传送浆料成分至所述混合罐。
22.根据权利要求21的系统，其中在所述泵的下游的所述导管上配置阀门。
23.根据权利要求18的系统，其中向所述混合罐提供包括表面活性剂的第三成分。
24.根据权利要求23的系统，其中所述第三成分包括注入器，用来将所述第三成分传送至所述混合罐。
25.根据权利要求18的系统，其中通过其上配置泵的导管将混合后的浆液从所述混合罐传送至处理罐。
26.根据权利要求18的系统，其中通过其上具有加压氮传送系统的导管将混合后的浆液从所述混合罐传送至处理罐。
27.根据权利要求25的系统，还包括至少两个配置在所述泵下游的阀。
28.根据权利要求25的系统，其中一个所述阀允许所述浆液被传送至所述处理罐。
29.根据权利要求25的系统，其中一个所述阀允许所述浆液被传送至排水管。
30.根据权利要求18的系统，还包括将所述浆液从所述处理罐传送至使用地点并将未使用溶液返回至所述混合罐的导管。
31.根据权利要求30的系统，还包括配置在所述导管上的泵，以传送所述浆液至使用地点。
32.根据权利要求30的系统，还包括连接至所述导管的加压氮传送系统，以传送所述浆液至使用地点。
33.根据权利要求30的系统，还包括至少两个配置在所述泵下游的阀。
34.根据权利要求33的系统，其中一个所述阀允许所述浆液被传送至排水管。
35.根据权利要求30的系统，还包括配置在所述导管上游将所述未使用浆液返回至所述处理罐的某点的浓度传感器。
36.根据权利要求30的系统，还包括回压调节器，以在所述导管中保持所需压力。
37.根据权利要求18的系统，其中所述系统被包含在机柜中。
38.根据权利要求30的系统，其中所述机柜包括在所述机柜的贮槽中的电容近控开关，以检测泄漏。
39.根据权利要求18的系统，其中通过导管将去离子水导入罐中，清洗所述混合罐和处理罐。
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