CN1262766C - 用于通过泵装置产生可调且大致恒定的流体容积流量的方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用来产生可调节且大致恒定的流体容积流量的泵装置和方法，其中通过泵装置(1)将流体(5)从贮存器(2)运送到流体连接机构(4)。旋转式泵(1)被用作该泵装置，且旋转式泵(1)以低于其最大效率(ηmax)的一半的效率工作。

Description

用于通过泵装置产生可调且大致恒定 的流体容积流量的方法及其应用
技术领域
本发明涉及用于产生可调节且大致恒定的流体容积流量的方法和泵装置，以及此方法的应用。
背景技术
在许多工业过程和大量的方法操作中需要以计量方式输送流体，即容积流量大致恒定的流体应该以这样的方式运送，那就是每单位时间运送的流体量是恒定的。这里可以给出的一个例子是应用在半导体工业中的化学机械抛光(CMP)工艺。在这样的工艺中，将一种通常称为料浆的一般由非常精细的固体颗粒和液体组成的悬浮液施加到一个旋转的晶片上，在那里用来抛光或研磨非常精细的半导体结构。在这方面，以一种恒定的、可调节的容积流量，即以一种计量方式，将悬浮液(料浆)施加到晶片表面就非常必要。
在其它工艺中，例如将光敏抗蚀剂应用到晶片上，需要输送一定量的流体，原则上这可以通过在预定的时间内输送恒定的容积流量来实现。
现在容积式泵例如如蠕动泵、齿轮泵、活塞泵和隔膜泵等，被应用到计量运送中。这些容积式泵具有这样的特征，即它们在每个工作循环中运送确定量的流体。例如，活塞泵每冲程运送的流体容积由活塞面积和活塞冲程确定。这样就能产生一个恒定的容积流量，因为在活塞的每个冲程中运送了相同容积的流体。
然而，容积式泵有一些特性，这些特性在一些应用中被证明是不利的，例如，它们通常产生脉动流体流动。与之有关的压力波动被证明是非常令人困扰的。它们易于产生沉淀或颗粒的结块。况且，对一些特殊的液体，如已经提到的料浆悬浮液，固体颗粒由于磨损会对泵产生相当大的损害，尤其对吸引侧和加压侧之间的密封件而言更是如此。例如，由于磨损颗粒的存在会产生泄漏，如当活塞环和/或筒壁被损害时，沿着活塞泵的活塞会产生泄漏。
发明内容
本发明的目的是提供另外一种方法和一种装置，利用其可以产生一种可调节且大致恒定的流体容积流量。这种方法能够在装置方面尽可能简单地实现，尤其适合用来输送悬浮液例如料浆。
在装置方面和技术方法方面满足本发明目的的主题具有相应类别的独立权利要求的特征。
根据本发明，提供了一种方法，它通过泵装置来产生一种可调节且大致恒定的流体容积流量，在此方法中，泵装置将流体从一个贮存器运送到一个流体连接机构。该泵装置采用了旋转式泵，且旋转式泵以低于其最大效率的一半的效率工作。优选地，该旋转式泵最多以其最大效率的百分之二十的效率工作。
本发明的重要性在于确认了，对应于非常低效的旋转式泵的工作状况下，泵的转速、特别是泵转子的转速，与泵运送的流体容积流量一一对应。在此工作范围中可以通过泵转子的转速直接设定一个恒定的流体容积流量，而不需要用来探测容积流量的传感器或者旋转式泵的控制电路。因为这个原因，本发明的方法在装置方面可以很容易地实现。通过旋转式泵的转速可以很简单地控制和调节所需的容积流量。
根据旋转式泵的工作原理，通过旋转式泵产生的容积流量将不再有脉动问题，出现不需要的沉积的危险也大大地减少。
此外，采用旋转式泵，泵的入口与出口之间存在着恒定的流量交换。没有隔膜、活塞或类似部件将出口相对于入口密封起来。这样在运送磨损颗粒时减少了对损害泵的危险。
而且，旋转式泵也可以在出口封闭时工作，也就是运送零容积流量，而不会招致损害。从而能够在时间方面限定这个恒定的容积流量或者通过位于泵的下游的一个开/关阀来中断这个恒定的容积流量。因而，根据本发明的方法，能够实现一个预定流体量的计量配送，而不需要复杂的控制机构来控制泵的运送性能。
如果通过流体连接机构将流体运送到一个剂量器，恰当选定流体连接机构和剂量器的总流阻，使得其平均值比流阻在工作过程中的波动要显著地大-其至少是两倍大，是特别是有利的。那样，剂量器的流阻(负载流阻)，能够在流量(即泵运送的容积流量)恒定的情况下产生变化。
以低于旋转式泵最大效率的一半的效率运行旋转式泵的方法还可有效地用来确定流体的粘度，特别是动态粘度。旋转式泵的这一应用与泵是否用来产生一个恒定的容积流量无关。
本发明的方法最好用来运送悬浮液，特别是运送料浆，尤其在一个CMP工艺中。
本发明的泵装置特征在于它被设计成一个旋转式泵。
从从属权利要求中可了解到实施本方法的进一步有利的措施和途径。
附图说明
下面通过具体实施方式并结合附图对本发明的装置和技术方法作进一步详细描述。下面示出的示意图包括：
图1示出一个旋转式泵中压力(上图)或效率(下图)和流量之间的关系；
图2示出本发明方法的一个实施例中流量(实线)或压力(虚线)和转速之间的关系；
图3示出本发明方法的一个实施例中电机电流和旋转式泵转速之间的关系；
图4示出实现本发明方法的一个实施例的配置；
图5-8示出图4所示布置的变型。
具体实施方式
用于产生可调节且大致恒定的流体容积流量的方法，其特征特别在于采用了旋转式泵，该泵以低于旋转式泵最大效率一半的效率工作。较佳地，其效率最多达到最大效率的百分之二十。
图4示出了实现本发明方法的一个实施例配置。这里，旋转式泵1被设计为一个离心泵，它有转子10，其入口连接到一个贮存器2，在贮存器2中有待运送的流体5。旋转式泵1的出口通过一个流体连接机构4连接到一个剂量器6，剂量器带有一个管口61。
下面通过举例提到了实践中一个特别重要的应用，就是本发明的方法作为半导体行业中的化学机械抛光(CMP)工艺的一个部分。在这些工艺中，将一种悬浮液(即料浆)施加到一个旋转晶片7上，并用于研磨或抛光非常精细的半导体结构，这种悬浮液的液体中具有非常精细的固体颗粒。图4中，箭头D标明了晶片7的转动。本例子中待运送的流体是悬浮液，称为料浆。
旋转式泵，已知有离心泵，它指的是所有这样的泵装置，它们具有转子或叶轮，通过转子或叶轮的转动，动量传递到待运送的流体。术语旋转式泵特别包括离心泵、轴流泵和侧通道泵。通常旋转式泵的入口和出口之间有恒定的流量交换。所以，例如，在其入口和出口之间不存在隔膜。
较佳地，旋转式泵有一个完全靠磁力支撑的转子，特别是对一些含有固体颗粒或具有高纯度的流体。转子没有机械轴承具有几个优点。例如，避免了磨损形颗粒会损坏机械轴承的问题。进一步地，没有润滑剂或轴承磨损污染流体的危险。
如在EP-A-0 819 330或US-A-6,100,618中公开了一种特别好的旋转式泵。此旋转式泵具有所谓的整体转子10，并被设计为无轴承电机。在这方面，术语整体转子表示泵转子和驱动泵的电机的转子是同一个。转子既作为电机驱动的转子，也作为泵的转子。术语无轴承电机表示转子完全由磁力支撑，没有提供单独的磁力轴承。定子既是电驱动器的定子，也是磁力支撑的定子，它包括一个极对数为p的驱动绕组和一个极对数为p±1的控制绕组。从而能够驱动电机，也能通过磁力支撑它，而与定子完全没有接触。关于这样的一个旋转式泵的细节可以参考在此已经引用的文献。
在这些描述体系中，术语效率指的是旋转式泵的液压效率，它是泵的液压性能(运送性能)和转子(在轴承或类似部位没有任何摩擦损失)用于驱动的机械性能的比。
图1的上部示出了压力p(纵坐标)和流量或容积流量Q(横坐标)之间的关系，对于一个本身已知的旋转式泵1这是有代表性的。被称为旋转式泵1的压力流量特性曲线或节流曲线的不同曲线与泵的不同的转速ω对应，在图1中它们以每分钟转数(U/min)的形式给出。图1的下部以效率η为纵坐标，横坐标仍相同。可以看出为达到旋转式泵的转速ω，存在一个最大效率ηmax。在这方面，最大值的位置取决于转速，在图1(下部)每个例子中由一个圆圈表示。
旋转式泵，特别是离心泵，通常使用在高泵送量很重要的地方，也就是运送性能最大的地方。因此，这些泵工作在液压效率最大的范围中。这个范围由图1上部用A标明，并由两条点划线界定。在此工作范围内，没有用适当的传感器制成的合适的测量仪器，不可能足够精确地确定流量。
对本发明的方法而言，重要的是确认了在旋转式泵1的那些效率远低于最大效率的工作范围中，泵转子的转速和运送的容积流量之间存在一一对应的关系。这些工作范围位于图1(上部)中虚线形式的直线G的左边，在这些工作范围中，旋转式泵1可以被简单地用作一个计量泵，以产生一种可调节且大致恒定的容积流量，而不需要对运送的流量进行复杂的控制或者要使用的相关传感器。
由于在这些非常低效的工作状态下，旋转式泵1的转速和流体的容积流量(流量)之间存在一一对应的关系，可以通过控制转速直接将旋转式泵运送的容积流量设定到所需要的值。从而，旋转式泵可以作为一个计量泵来使用。
图2示出了旋转式泵工作在非常低效的工作范围中时，流量(容积流量)Q与旋转式泵的转速ω之间存在的一一对应的关系。图2中实线示出了流量Q对转速ω的依赖关系。同样的，图2中虚线示出了压力p，更精确地说是泵送扬程，对转速ω的依赖关系。这两个参数之间也存在一一对应的关系。
图2中显示的两个依赖关系通常不是线性的，但可以在校准测量中确定。待运送的流体容积流量最好只由旋转式泵的转速调节。为此目的，事先要进行校准测量以确定如图2中实线所示的流量/转速曲线。接着将这个曲线作为一个数学函数例如一个多项式近似法或者一个电子查阅表，存在存储器中。在旋转式泵的运行过程中，可以在查阅表中查找到与所需要的大致恒定的容积流量相关的转速。接着可以通过设定相应的转速来实现所需的恒定的容积流量。
转速和容积流量之间的清晰的关系取决于待运送的流体，特别是取决于其粘度，而众所周知，粘度是流体内摩擦力的一个量度。在一个非常低效率的运行范围内运行该旋转式泵，最好以最多为最大效率ηmax的百分之二十的效率运行，这使得待运送流体的粘度可以一种简单的方式确定下来。下面结合附图3对此进行说明。
附图3示出了电机电流I与泵的转速ω的依赖关系，它是关于旋转式泵1在非常低效率的运行状态下运送两种不同粘度的流体。标有F1M和F1Z的虚线是关于一种高粘度的流体，标有F2M和F2Z的实线是关于一种低粘度的流体。在每种情况所示的两条曲线中上面那一条，即标有F1M或F2M的那两条，适用于在此运行状态下泵能产生的最大流量(容积流量)的情形，两条曲线中下面那一条，即标有F1Z或F2Z的那一条，适用于完全没有产生流量的情形(容积流量恒定为零)。下面将要进一步详细地说明的大电机电流I位于纵坐标上，它是对驱动转子或者叶轮的转矩的直接测量。在旋转式泵的最佳实施方式的情况下，无轴承电机由于转子由磁力支撑、没有机械轴承摩擦，从而驱动转子的转矩非常近似于传送到流体上的转矩。
实际上，整个转矩和由叶轮或转子传送到流体的机械能在液体中被转化为摩擦损失，这是旋转式泵1工作在图3所示的非常低效的工作状态下的结果。在图3中，特别是从最大流量曲线F1M和F2M与相关的零流量曲线F1Z和F2Z几乎没有区别的情况中也可以看出这一点。这样，叶轮的转矩就是粘度的直接度量，更精确的说是流体的动态粘度的直接量度，这是因为转子的机械能几乎完全被转化为液体的摩擦损失。
前面已经提过，转子传送到液体的转矩基本上对应于驱动转子的驱动转矩，除了机械摩擦损失以外。这特别适用于由磁力支撑的转子。图3中位于纵坐标上的电机电流依次给出了用来驱动转子的驱动转矩。在这方面，电机电流指的是电驱动中形成转矩部分的电流，也称为电枢电流。电枢电流对驱动转子的转矩而言是一个很好的量度，特别是在以场定向的三相电机和直流电机中更是如此。
在图3所示出的工作范围中，旋转式泵以仅为其最大效率的一小部分的效率工作，这种情况下，在驱动泵的电机电流和流体的粘度之间存在直接的关系。这样，通过简单方式并通过在线测量电机电流就能够确定待运送的流体的动态粘度。最好设定一个固定的转子试验转速ωT来确定粘度，并且在此试验转速ωT下确定电机电流。接着从确定的电机电流可以得知流体的粘度，例如通过与校准测量值比较和/或在计算的基础上来得知。对粘度特别精确的确定可以通过关闭旋转式泵的出口，也就是将恒定的容积流量设定为零来实现。这些状态下，叶轮或转子的全部机械能都被转化为液体摩擦，与此相应的是图3中的曲线F1Z和F2Z。
这种确定流体粘度的简单方法除了用在运送一个可调节且大致恒定的容积流量中外，自然也可有其它应用。
图2中显示的容积流量和转速之间的关系是针对不同的粘度来确定的，并以通常的电子查阅表的形式或通过数学近似法来存储。现在，如果某种流体由旋转式泵1运送，那么(假定其粘度未知)首先在给定的试验转速ωT下确定流体的粘度(参见图3)。接着选定该粘度下容积流量和转速之间的一一对应关系(参见图2)，通过控制转子或叶轮的转速设定各自所需的待运送的流体的恒定的容积流量。
进一步有利的措施包括设计流体连接机构4(参见图4)的流阻，使得在全部流阻上的压力下降比在剂量器6上可能的压力波动要显著地大，该整个流阻由流体连接机构4的流阻和称为负载流阻的剂量器6的流阻构成。对流体连接机构4和剂量器6的总流阻这样选定有利，即使得在工作过程中其平均值比流阻的波动显著地大。“显著地大”要理解为“至少两倍大”。
负载流阻或流体连接机构4和剂量器6的总流阻的变化，比如，可通过在工作过程中将一个过滤器逐步堵塞来实现。
在剂量器6上的压力的波动，比如，可通过泵送扬程或剂量器6的流阻的变化来实现。
同样有利的是恰当选定总流阻，使得在总流阻上的压力下降比在旋转式泵1的入口上的压力变化要显著地大，在旋转式泵1的入口上的压力例如可通过改变贮存器或贮藏容器2的填注面高度来实现。
在图4的配置中，负载流阻基本上由管口61确定。
将流体连接机构4和剂量器6设计成一个平均值比其波动要显著大的流阻的方法，具有这样的优点，即待运送的流体的流量或容积流量与负载流阻的变化无关(只要负载流阻的变化维持远小于平均总流阻)。这样，在流体5的恒定容积流量恒定的情况下，液压负载流阻可以产生变化。
流体连接机构4的流阻可被有利地改变。例如，它可与待运送的流体5相匹配。进一步地，通过改变流体连接机构4的流阻，能够保证流体连接机构4和剂量器6的总流阻平均起来比其波动要显著地大，或者在总流阻上的压力下降比在剂量器6上的压力波动要显著地大。
图4中指出了一种改变流体连接机构4的流阻的方法。在流体连接机构4设有一个或多个环41。
图5中示出了改变流体连接机构4的流阻的另一可能配置。这里，流体连接机构4有一个调节阀42，它可以改变自由流截面，从而改变流阻。
如图6所示，用一个限流管路43自然也能改变流体连接机构4的流阻。在这方面通过限流管路43的长度和/或横截面可以调整流阻。
在许多应用方面，例如将光敏抗蚀剂应用到半导体上时，需要运送一种预定流量的流体。这一要求也可以由本发明的方法实现。因为，根据本发明，用旋转式泵1运送一种可调节且大致恒定容积流量的流体，一个预先确定的流量可以通过使用例如一个时间控制的开/关阀来计量。
为此目的，如图7所示，在流体连接机构4或在剂量器6上提供了一个开/关阀8或另一开关装置，所述开关装置打开或者关闭通往剂量器6的流体连接机构4。由于旋转式泵1运送一个在时间上恒定的容积流量，施加到晶片上的流量能通过对开/关阀8的时间控制来精确计量。在此方面旋转式泵1的一个特别的优点是旋转式泵1不同于许多已知的容积式泵，它在开/关阀8关闭流体连接机构4的情况下也能继续运行。旋转式泵1在出口关闭的情况下的工作状况并不会出现问题。开/关阀也自然可设计为一个可控阀或调节阀。
通过图8示出的配置可实现更有利的方法。在这种配置下，流体连接机构4在旋转式泵1的下游分叉为两个支路4a和4b。支路4a类似前述方式，通过开/关阀8通向上述剂量器6。第二支路4b连通回贮存器2。在第二支路上进一步提供了一个阀9，用来打开和关闭支路4b。阀9打开时，流体5至少部分地再循环回到贮存器2。
该方法特别有利于这样的流体，例如易于结块、相分离、沉淀或颗粒沉积的流体，例如对悬浮液，尤其是料浆溶液。由于循环的存在，贮存器中的流体5也保持流动，使得产生恒定的混合。
阀9，例如，可持久地打开或部分打开，使得流体5能够通过支路4b持久地再循环。然而，例如，还可以仅在关闭开/关阀8的情况下打开阀9，反之亦然。阀9也可自然地打开和关闭，而与开/关阀8无关。
因此，本发明提出了一种方法，它利用一个旋转式泵例如一个离心泵来产生一种可调节且大致恒定的流体容积流量。为了此目的，它不需要借助于相应的传感器来控制旋转式泵的流量，而是通过控制转速(也就是说不需要另外的控制)来直接设定所要的容积流量。
本发明的方法自然不限于这里所描述的应用，也就是不限于输送一种料浆悬浮液或者CMP工艺。它广泛地适用于输送悬浮液、乳状液、涂料、食品(如汁液或浓缩物)及其它应用，或者，例如胶片和带子的涂层。
根据本发明，进一步提供了一种泵装置，它可用来在化学-机械抛光工艺(CMP)中产生一种可调节且大致恒定的容积流量的料浆，或者产生一种可调节且大致恒定的容积流量的涂布液，如光敏抗蚀剂等，其中泵装置的特征是它被设计成一个旋转式泵1。

Claims (12)

1、一种通过泵装置产生可调节且大致恒定的流体容积流量的方法，其中流体(5)通过泵装置(1)被从贮存器(2)运送到流体连接机构(4)，其特征在于，将旋转式泵(1)用作所述泵装置，且旋转式泵(1)以低于其最大效率(ηmax)的一半的效率工作。
2、如权利要求1所述方法，其特征在于，所述旋转式泵(1)以最多为其最大效率(ηmax)的百分之二十的效率工作。
3、如前述任一权利要求所述方法，其特征在于，所述流体(5)通过流体连接机构(4)被运送到一个剂量器(6)，流体连接机构(4)和剂量器(6)的总流阻被选定为，使得在工作过程中其平均值显著地大于波动。
4、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述流体(5)通过流体连接机构(4)被运送到一个剂量器(6)，流体连接机构(4)和剂量器(6)的总流阻被选定为，使得在总流阻上的压力下降显著地大于剂量器上的压力波动。
5、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述流体(5)通过流体连接机构(4)被运送到一个剂量器(6)，流体连接机构(4)和剂量器(6)的总流阻被选定为，使得在总流阻上的压力下降显著地大于旋转式泵的入口的压力变化。
6、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，可以改变流体连接机构(4)的流阻，使其与待运送的流体(5)匹配。
7、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，容积流量仅由旋转式泵(1)的转速设定。
8、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，在流体连接机构(4)或剂量器(6)上设有开/关阀(8)。
9、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述流体(5)至少部分地回流到贮存器(2)内。
10、如权利要求1或2所述方法，其特征在于，所述旋转式泵(1)具有整体转子(10)，并被设计为无轴承电机。
11、一种用来在化学机械抛光工艺中将计量的研磨料浆供应到半导体表面上的方法，包括：提供具有一最大效率的旋转式泵，以小于所述泵最大效率的约一半的减小的效率操作所述泵，使料浆流过所述泵同时以所述减小的效率操作所述泵，从而所述旋转式泵的效率使得经过所述泵的料浆的容积流量基本上与泵的旋转速度直接相关，因此精确地进行计量。
12、一种用于半导体晶片的化学机械抛光方法，包括：旋转抛光晶片的表面，通过提供旋转式泵供应计量的包括研磨料的料浆，以小于所述泵最大效率的约一半的减小的效率操作所述泵，使料浆流过所述泵同时以所述减小的效率操作所述泵，从而所述旋转式泵的效率使得经过所述泵的料浆的容积流量基本上与泵的旋转速度直接相关，因此精确地进行计量。
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