CN1423307A - 化学溶液输送装置和制备悬浮液的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于输送化学溶液到外部设备的装置。该装置包括:用于制备悬浮液的备料罐；循环管,其连接到备料罐上以循环悬浮液；输送管,其连接在备料罐与外部设备之间,以向外部设备输送悬浮液；泵,其将备料罐中的化学溶液传送到循环管和输送管中；浓度检测器,其设置在泵的下游,用来检测悬浮液的浓度；控制器,其根据浓度检测器的检测值控制备料罐中化学溶液的浓度,并控制化学溶液的输送。
Description
发明领域
本发明涉及一种在半导体制造过程中用于输送悬浮液到化学机械抛光(CMP)设备的装置，以及一种用于制备悬浮液的方法。
背景技术
在半导体制造过程中，CMP设备与含有抛光剂的化学溶液一起抛光一薄膜，该薄膜被应用到一晶片表面上，其由金属如钨或铜制成。该化学溶液是一种通过在储液中混合抛光剂和氧化剂而制成的悬浮液。要制造一个具有一致的电路线尺寸的半导体装置并提高产量，悬浮液中氧化剂的含量必须被维持在一个固定的值。
在现有技术中，抛光剂由研磨颗粒，如硅石、矾土或铈构成，氧化剂由硝酸铁构成。抛光剂与储液(悬浮液储液)的混合物的pH值与氧化剂的pH值大不相同。悬浮液储液与氧化剂的混合比例(悬浮液储液∶氧化剂)是1∶1或1∶2。氧化剂在悬浮液中的浓度可以在悬浮液储液与氧化剂混合之后通过测量pH值来获得。
然而，在抛光剂与氧化剂之间的化学反应往往会使研磨颗粒凝结。研磨颗粒在一个很短的时期内沉淀，尤其是当矾土用作研磨颗粒时。这将导致抛光速度的不稳定并且会由于沉淀的研磨颗粒而刮伤抛光表面。因此，现在双氧水(H2O2)被用作氧化剂。
双氧水的pH值大约是7.0、中性，悬浮液储液与氧化剂的混合比例是10∶1或更高。这样，当氧化剂加入到悬浮液储液中时，混合物的pH值不会改变很多。因此，氧化剂的浓度不能从pH值中获得。
要测量悬浮液中双氧水的浓度，建议在一个化学溶液输送装置中加入一个自动滴定装置。然而，滴定分析至少需要十分钟来完成一次单独的分析。因此，即使使用自动滴定装置，混合物的浓度也不能连续监测。
此外，实施滴定分析要使用一种试剂。当该试剂变得不足时必须及时补充。当滴定分析间隔被缩短时，加入该试剂的间隔也就变得越来越短。这导致了试剂的补充变得难以负担。而且，还必须执行一个排泄过程以纯化由滴定分析产生的废液体。
双氧水在悬浮液中会分解。这样，如图9所示，在悬浮液中的双氧水浓度C随着时间流逝而降低。要维持氧化剂的浓度在一个固定的值，必须测量双氧水的浓度以便在双氧水变得不足时对其进行补充。
对于实施浓度检测以便补充不足的双氧水而言，自动滴定分析的方法是最适宜的。然而，在检测结果必须立即获得以便不断地检查氧化剂浓度时，不应该采用自动滴定装置。
双氧水的储液浓度不是稳定的，因为双氧水会蒸发。相应地，即使悬浮液储液和双氧水以一个预定的混合比例混合，悬浮液中双氧水浓度也不会维持固定，且可能因此而超出一个预定的浓度。
在这种情况下，悬浮液储液必须再次被补充。然后，双氧水必须被补充，双氧水浓度必须被调整。这就变得非常麻烦。
而且，在制备具有一固定浓度的悬浮液后，随着时间流逝，双氧水与悬浮液发生反应，消耗了悬浮液的成份。这会导致抛光速率起伏不定。
日本公开专利公开号11-126764描述了一个具有两个储罐以不断地输送新鲜悬浮液到一个抛光机械的悬浮液输送装置。在双罐悬浮液输送装置的每一个储罐中，悬浮液的制备和对制备好的悬浮液输送直至悬浮液被倒空是分别轮流进行的。因此，如果在悬浮液制备时双氧水的浓度不需要作精确的调整，双氧水的浓度在不同批次时是各不相同的。
发明内容
本发明的目的是提供一种装置，该装置用来制备一种保持在一预定浓度的混合化学溶液。
要实现上述目的，本发明是一种用于输送化学溶液到外部设备的装置。该装置包括：备料罐，该备料罐被供应给第一储液和第二储液，以混合该第一和第二储液，制备化学溶液；循环管，其连接到该备料罐以循环制备好的化学溶液；输送管，其连接在备料罐与外部设备之间，以向外部设备输送备料罐中存储的化学溶液；泵，其将备料罐中的化学溶液传送到循环管和输送管；浓度检测器，其设置在泵的下游，以检测化学溶液的浓度；控制器，其根据浓度检测器的检测值控制备料罐中化学溶液的浓度，并控制化学溶液的输送。
本发明更进一步的方面是一种制备悬浮液的方法。该方法包括通过混合悬浮液储液与氧化剂来制备悬浮液；氧化剂被混合以便悬浮液中氧化剂的浓度不高于一个预定的目标值；检测悬浮液中氧化剂的浓度，以及另外再供应氧化剂以便氧化剂浓度能够达到预定值。
本发明其他的方面及优点在从下面结合附图的描述中，通过根据本发明原理的举例说明将变得更显而易见。
附图说明
本发明及其目的和优点通过下面的参考对当前的优选实施例和附图的描述可变得最易于理解。
图1为显示根据本发明第一实施例的化学溶液输送装置的示意图；
图2为显示一浓度检测器的位置的示意图；
图3为显示浓度检测器的示意图；
图4为图示一浓度控制单元的操作的流程图；
图5为图示浓度控制单元的操作的流程图；
图6为显示根据本发明第二实施例的化学溶液输送装置的示意图；
图7为图示当悬浮液输送时氧化剂的浓度的曲线图；
图8为图示在浓度检测器的检测过程中由于气泡而引起的波动的曲线图；
图9为显示悬浮液中包含的双氧水浓度的变化的示意图。
优选实施例的具体描述
图1为根据本发明第一实施例的一化学溶液输送装置100的示意图。悬浮液输送装置100包括第一备料罐1和第二备料罐2。当悬浮液从罐1、2中的一个被输送时，悬浮液同时在罐1、2中的另一个中被制备。这就连续地将新鲜悬浮液输送到了一CMP装置10中。
悬浮液储液装在第一储液罐3中。悬浮液储液通过第一储液泵P1被送到第一和第二备料罐1、2中。双氧水，作为一种氧化剂，装在第二储液罐4中。双氧水通过第二储液泵P2和储液阀5a被送到第一备料罐1，通过第二储液泵P2和储液阀5b送到第二备料罐2。
控制悬浮液输送装置100的控制器16具有一浓度控制单元6。该浓度控制单元6提供一控制信号给储液阀5a、5b以改变双氧水的流量和流速。
搅拌器7a、7b分别被安置在第一和第二备料罐1、2中，用于搅拌悬浮液储液和双氧水。
第一输送管9a和第二输送管9b分别连接到第一和第二备料罐的下部。第一输送管9a具有一悬浮液泵P3和一第一浓度检测器8a，该第一浓度检测器安置在悬浮液泵P3的下游。第一循环管13a从第一浓度检测器8a下游处的第一输送管9a延伸，与第一备料罐1的上部相连。第二输送管9b具有一悬浮液泵P4和一第二浓度检测器8b，该第二浓度检测器安置在悬浮液泵P4的下游。第二循环管13b从第二浓度检测器8b下游处的第二输送管9b延伸，与第二备料罐2的上部相连。
当悬浮液在第一备料罐1中制备时，切换阀18运转，从而第一备料罐1通过悬浮液泵P3和第一浓度检测器8a连接到第一循环管13a上。在这种情况下，悬浮液泵P3通过第一循环管13a输送在第一备料罐1中制备的悬浮液，并将悬浮液送回第一备料罐1。悬浮液的循环有效地搅动了第一备料罐1中的悬浮液。
当悬浮液在第二备料罐2中制备时，切换阀18运转，从而第二备料罐2通过悬浮液泵P4和第二浓度检测器8b连接到第二循环管13b上。在这种情况下，悬浮液泵P4通过第二循环管13b输送在第二备料罐2中制备的悬浮液，并将悬浮液送回第二备料罐2。悬浮液的循环有效地搅动了第二备料罐2中的悬浮液。
第一浓度检测器8a位于悬浮液泵P3和第一循环管13a之间。第二浓度检测器8b位于悬浮液泵P4和第二循环管13b之间。浓度检测器8a、8b各自检测从备料罐1、2被送至相关循环管13a、13b的悬浮液中的双氧水浓度。然后，浓度检测器8a、8b各自提供一表示被检测的双氧水的浓度的检测信号给浓度控制单元6。
当输送第一备料罐1中的悬浮液到CMP装置10时，切换阀18被切换以把第一备料罐1连接到主管9上。悬浮液泵P3输送悬浮液通过第一浓度检测器8a和主管9，并将悬浮液输送到CMP装置10。
当输送第二备料罐2中的悬浮液到CMP装置10时，切换阀18被切换以把第二备料罐2连接到主管9上。悬浮液泵P4输送悬浮液通过第二浓度检测器8b和主管9，并将悬浮液输送到CMP装置10。
浓度检测器8a、8b各自提供一检测信号给浓度控制单元6，该检测信号表示从相关备料罐1、2输送到CMP装置10中的悬浮液中的双氧水的浓度。
图2表示了第一浓度检测器8a的位置。第一浓度检测器8a安置在悬浮液泵P3的下游、垂直延伸的管17上。从悬浮液泵P3排出的悬浮液被引入第一浓度检测器8a的下部，通过第一浓度检测器8a向上流动，然后从第一浓度检测器8a的上部被送出。经过第一浓度检测器8a的悬浮液进一步流经切换阀18和主管9，然后被输送至CMP装置10。
参考图3，它优选地使用了一种超声波检测器作为浓度检测器8a(或8b)。第一浓度检测器8a包括一检测部分11和一与检测部分11相对的反射部分12。检测部分11产生直接朝向反射部分12的超声波。第一浓度检测器8a测量超声波返回检测部分11所需的时间，并计算悬浮液中超声波的传送速度(声速)。第一浓度检测器8a从传送速度中计算出双氧水的浓度。
悬浮液通过第一浓度检测器8a向上移动。当包含在悬浮液中的气泡B到达检测部分11和反射部分12时，从悬浮液泵P3中排出的悬浮液迫使气泡B向上。这样，气泡就B不会集中在检测部分11和反射部分12处。第二浓度检测器8b的结构与第一浓度检测器8a的结构是相同的。
浓度控制单元6根据浓度检测器8a、8b的检测信号控制储液阀5a，5b，这样备料罐1、2中的悬浮液中的双氧水浓度被维持在一个预定的目标值。
一液体总量传感器(未示出)安置在第一和第二备料罐1、2中来检测悬浮液的液面。液体总量传感器提供一检测信号给控制器16。
控制器16控制储液泵P1、P2，该泵P1、P2分别提供悬浮液储液和双氧水给相联结的备料罐1、2，也控制悬浮液泵P3、P4，该泵P3、P4从备料罐1、2中排出悬浮液。控制器16通过驱动各溶液泵P1、P2的轴的转数来确定悬浮液储液或双氧水的流速。
现在要讨论的是悬浮液输送装置100的操作。
在第一和第二备料罐1、2中，悬浮液的制备和悬浮液到CMP装置10的输送是轮流进行的。当第一和第二备料罐1、2中的一个在制备悬浮液时，罐1、2中的另一个则输送悬浮液到CMP装置10。例如，要在第一备料罐1中制备悬浮液，则搅拌器7a搅拌从第一储液罐3来的悬浮液储液和从第二储液罐4来的双氧水。
悬浮液泵P3压送来自第一备料罐1的悬浮液通过第一循环管13a，并将该悬浮液送回第一备料罐1的上部，悬浮液在其中被搅拌。第一浓度检测器8a不断地或连续地检测循环悬浮液中的双氧水的浓度。浓度控制单元6根据第一浓度检测器8a的检测信号控制储液阀5a来调整双氧水的流速。这就使悬浮液中的双氧水浓度被保持在目标值上。
在这种状态下，第二备料罐2则输送悬浮液到CMP装置10。也就是说，悬浮液泵P4压送第二备料罐2中的悬浮液通过第二浓度检测器8b和主管9，输送悬浮液到CMP装置10。第二浓度检测器8b不断地或连续地检测循环悬浮液中双氧水的浓度。浓度控制单元6根据第二浓度检测器8b的检测信号来控制储液阀5b来调整输送的悬浮液中的双氧水浓度。
现在将参考图4来讨论控制器16和控制单元6的执行过程。
举例来说，要在步骤S1中在第一备料罐1中制备悬浮液，控制器16就启动第一储液泵P1来开始从第一储液罐3供应输送的悬浮液储液到第一备料罐1中。
在步骤S2，当供应到第一储液罐3的悬浮液储液的量达到一预定的量，控制器16就关上第一储液泵P1。然后，在步骤S3，控制器16启动第二储液泵P2来打开储液阀5a，从第二储液罐4供应双氧水到第一备料罐1中。
在步骤S4，在一预定量的双氧水被供应到第一备料罐1后，控制器16关上第二储液泵P2，并关闭储液阀5a。送到第一备料罐1的双氧水的量小于双氧水达到目标浓度值所需的量。
在步骤S5，控制器16启动搅拌器7a，搅拌在第一备料罐中的悬浮液一段预定的时间。步骤S1到S5详细说明了一个初级制备过程。
在步骤S6，浓度检测器8a检测悬浮液中双氧水的浓度。在步骤S7，控制器16将检测到的浓度值(检测值)与目标值相比较。当检测值与目标值相匹配时，制备过程结束。
当检测值在步骤S7小于预定的值时(是)，控制器16继续步骤S8并从检测值与目标值的差中计算出应该被加入的双氧水的量。在步骤S9控制器启动第二储液泵P2，打开储液阀5a，在第一备料罐1中加入计算好的附加的双氧水量。
在步骤S10，搅拌器7a搅拌第一备料罐1中的悬浮液一段预定的时间。控制器16此时回到步骤S6。
步骤S6到S10被重复，直到检测值与目标值相匹配。步骤S6到S10详细说明了一个二级制备过程。当检测值与目标值相匹配时，二级制备过程结束。
当悬浮液在第二备料罐2中制备时，步骤S1到S10以同样的方式被执行。
根据图5的流程图，在悬浮液从第一备料罐1或第二备料罐2中被输送到CMP装置10的同时，浓度控制单元6维持悬浮液中的氧化剂在一个固定的值。
例如，当第一备料罐1在步骤S11和S12输送悬浮液到CMP装置10时，浓度控制单元6不断地监视浓度检测器8a的检测信号。当检测到的浓度值(检测值)变得小于目标值(步骤S12的“是”)时，在步骤S13，浓度控制单元6从浓度控制单元的检测值与目标值之间的差，以及第一备料罐1中悬浮液的剩余量中计算出需要被加入的双氧水的量。在步骤S14，浓度控制单元6启动第二储液泵P2并打开储液阀5a以加入需要的双氧水的量到第一备料罐1中。在浓度控制单元6重复S11到S14的步骤直到检测值匹配目标值的期间，第一备料罐1一直持续输送悬浮液到CMP装置10。
如图9所示，悬浮液中的双氧水浓度由于化学反应而随着时间的流逝自然下降。然而，在悬浮液通过图4和图5的流程图所示的过程不断被输送的同时，悬浮液中的双氧水浓度也不断地被监视。相应地，双氧水在如图7所示的每个补充点被补充。这使得悬浮液中双氧水的浓度维持在目标值。
第一实施例的悬浮液输送装置100具有下面所述的优点。
(1)备料罐1、2中的任一个都可以轮流进行悬浮液的制备和悬浮液到CMP装置10的输送。这样，CMP装置10可被连续地输送给新鲜悬浮液。因此，抛光速率被维持在一个固定的值。
(2)当悬浮液在备料罐1、2中制备时，浓度检测器8a、8b不断检测制备的悬浮液的浓度，浓度控制单元6不断地将检测器8a、8b的检测值与目标值相比较。双氧水基于比较结果被适当地补充。这样，双氧水浓度被维持在目标值。因此，具有预定的双氧水浓度的悬浮液被连续地制备。
(3)当悬浮液的初级制备在备料罐1、2中进行时，双氧水的量要使得双氧水的浓度小于目标值。这样，即使第二储液罐4中双氧水的浓度不一致，在初级制备期间的悬浮液中的双氧水浓度也不会超出目标值。相应地，在紧接着初级制备的二级制备期间，双氧水的浓度恰好可通过按照检测到的浓度来加入双氧水而被调节。因此，浓度就很容易地被控制了。
(4)当备料罐1、2输送悬浮液到CMP装置10时，浓度检测器8a、8b不断监视悬浮液中的双氧水浓度。当浓度变得不足时，双氧水立即被加入。因此，CMP装置10被输送给具有维持在一固定值的双氧水浓度的悬浮液。
(5)浓度检测器8a、8b直接安置在相联结的备料罐1、2的下游。悬浮液在强大的压力下向上流过浓度检测器8a、8b。因此，悬浮液流经浓度检测器8a、8b防止了气泡集中在浓度检测器8a、8b的检测和反射部分11、12处。这使得浓度检测较为精确。如果气泡集中在检测和反射部分11、12，则当气泡突然被除去的时候，如图8所示在检测点CP处检测到的浓度会有较大的起伏。这会降低检测值的可靠性。然而，在第一实施例中，气泡被防止集中在检测和反射部分11、12处。因而浓度能够被精确地检测出来。
根据本发明第二实施例的一悬浮液输送装置200如图6所示。在第二实施例中，一自动滴定装置15被用来替代第一实施例中的浓度检测器8a、8b。第二实施例此外的结构与第一实施例的结构是一样的。
悬浮液泵P3、P4压出来的悬浮液通过排出阀14a、14b被送到循环管13a、13b或主管9。
当配料罐1、2中的一个制备悬浮液或输送悬浮液到CMP装置10时，由悬浮液泵P3、P4压出来的悬浮液中的一些通过排出阀14a、14b被不断地送入自动滴定装置15。
自动滴定装置15实施中和滴定以自动地检测它接受到的悬浮液中的双氧水浓度。然后，自动滴定装置15传送检测值到浓度控制单元6。
浓度控制单元6基于自动滴定装置15的检测值，以与第一实施例相同的方式运作。
在第二实施例的悬浮液输送装置200中，自动滴定装置15的检测速度要低于第一实施例中浓度检测器8a、8b的检测速度。这样，当悬浮液被输送时该浓度调节的响应要低于第一实施例。然而，在悬浮液的制备期间，自动滴定装置15用于检测悬浮液中的双氧水浓度以加入缺少的双氧水量来说是足够的。
对于本领域技术人员来说，很明显本发明可以以许多不脱离本发明精神或范围的其他特定方式来实现。特别应该能够理解本发明还可以下列方式来实现。
氧化剂不只限于双氧水。
备料罐的数量不只限于两个，可以是其他数目。
可应用量筒来人工测量供应到备料罐1、2中去的氧化剂。
可应用比重计来测量供应到备料罐1、2中去的氧化剂。
当前的例子和实施例应该认为是解释性的而不是限制性的，本发明并不仅限于此处给出的内容，而是可在与随附的权利要求等同的范围内作修改。
Claims (14)
1.一种用于输送化学溶液到外部设备的装置，该装置包括：
被供应有第一储液和第二储液的备料罐，其用来混合该第一和第二储液以制备化学溶液；
循环管，其连接到所述备料罐上以循环正在制备的化学溶液；
输送管，其连接在所述备料罐与外部设备之间，以向外部设备输送备料罐中存储的化学溶液；
泵，用于将备料罐中的化学溶液传送给循环管和输送管；
浓度检测器，其设置在泵的下游，用来检测化学溶液的浓度；
控制器，用于根据浓度检测器的检测值控制备料罐中化学溶液的浓度，并用于控制化学溶液的输送。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述浓度检测器设置成使得化学溶液向上流过该浓度检测器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一储液是一种悬浮液储液，所述第二储液是一种氧化剂，化学溶液是一种由该悬浮液储液和氧化剂的混合物组成的悬浮液；所述浓度检测器是一种超声波浓度检测器，它能够连续地检测悬浮液中氧化剂的浓度。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述氧化剂是双氧水。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，备料罐是包括第一备料罐和第二备料罐的多个备料罐中的一个；其中控制器轮流控制在每个第一和第二备料罐中的悬浮液的制备和悬浮液的输送，控制器控制第一和第二备料罐，使得在该备料罐中的一个中执行悬浮液的输送时，备料罐中的另一个执行悬浮液的制备；控制器在悬浮液制备以及悬浮液被输送到外部设备时，根据检测值来调整悬浮液中氧化剂的浓度。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，控制器包括一用于调整悬浮液中氧化剂浓度，并根据超声波浓度检测器的检测值来控制氧化剂供应量的浓度控制单元。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述浓度控制单元计算浓度检测器的检测值与一预定的目标值之间的差值，并基于备料罐中悬浮液的量和该差值计算出一另外需要的氧化剂的量。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，在制备悬浮液时，浓度控制单元执行初级制备和二级制备，在初级制备中，氧化剂这样被供应，从而使得悬浮液中氧化剂的浓度小于目标值；在二级制备中，氧化剂被另外供应，从而使得检测值与目标值相匹配。
9.一种制备悬浮液的方法，包括的步骤有：
通过混合一悬浮液储液和一氧化剂来制备悬浮液，氧化剂这样被混合，从而使得悬浮液中氧化剂的浓度小于一个预定的目标值；
检测悬浮液中氧化剂的浓度；以及
另外供应氧化剂，使得氧化剂的浓度等于预定值。
10.该方法进一步包含步骤：循环备料罐中的悬浮液。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述检测步骤包括连续地检测被循环的悬浮液中的氧化剂的浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述另外供应氧化剂的步骤根据所述检测步骤中被检测的悬浮液中氧化剂的浓度来执行。
13.一种用于将由悬浮液储液和双氧水的混合物组成的悬浮液输送到外部设备的装置，该装置包括：
装有悬浮液储液的第一储液罐；
装有双氧水的第二储液罐；
从第一和第二储液罐供给悬浮液储液和双氧水以制备悬浮液的备料罐；
用于混合备料罐中悬浮液储液和双氧水的搅拌器；
连接在备料罐与外部设备之间，以从备料罐向外部设备输送悬浮液的输送管；
设置在输送管中用来传送悬浮液通过输送管的泵；
连接在输送管和备料罐之间的位于泵下游的循环管，其用来循环备料罐中的悬浮液；
超声波检测器，用于连续检测悬浮液中双氧水的浓度，其中浓度检测器设置在泵和循环管之间，从而使得悬浮液向上流经该浓度检测器；以及
控制器，用于保持备料罐中的悬浮液中的双氧水浓度在一预定的目标值，并用于控制悬浮液输送到外部设备。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，备料罐是包括第一备料罐和第二备料罐的多个备料罐中的一个；其中，控制器轮流控制在每个第一和第二备料罐中悬浮液的制备和悬浮液的输送，控制器控制第一和第二备料罐，使得在备料罐中的一个中执行悬浮液的输送时，备料罐中的另一个执行悬浮液的制备；控制器另外供应双氧水，使得当悬浮液制备并被输送到外部设备时，悬浮液中双氧水的浓度被维持在目标值。
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