DE60123254T2

DE60123254T2 - Verfahren und vorrichtung zum mischen von prozessmaterialien

Info

Publication number: DE60123254T2
Application number: DE60123254T
Authority: DE
Inventors: Alexander Jeffrey Mesa WILMER; Kase Daniel Scottsdale MACKENZIE; Michael John Claremont LULL; A. Eric Gilbert ZADAI; Phoenix Michael L. Walker
Original assignee: Kinetics Chempure Systems Inc Tempe; Kinetics Chempure Systems Inc
Current assignee: Celerity Inc
Priority date: 2000-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP5008815B2; JP2012071304A; DE60123254D1; WO2002009859A3; CN100374189C; IL153673A0; KR100746414B1; WO2002009859A2; IL153673A; SG148839A1; JP2004504930A; AU2001281373A1; KR20030068124A; US20020048213A1; EP1305107B1; CN101274230A; TW512071B; CN1446117A; EP1305107A2; US6923568B2

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Mischen von Prozessmaterialien und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen ultrahochreiner Chemikalien, Schleifaufschlämmungen und Ähnlichem.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Gemischte Prozessmaterialien sind beispielsweise in pharmazeutischen, kosmetischen und Halbleiterindustrien erforderlich. In der Halbleiterindustrie werden gemischte Prozessmaterialien typischerweise unter Verwendung von Chargen-Produktionssystemen einschließlich eines Abgabesubsystems und eines Vermischungssubsystems hergestellt. Das Abgabesubsystem überträgt Materialien von einer Lieferquelle zu einem Vermischungssubsystem. Die Lieferquellen sind typischerweise Container, die für eine sichere Lagerung eines Prozessmaterials, wie beispielsweise einer Chemikalie oder Aufschlämmung, ausgelegt sind. Andere Lieferquellen umfassen Erzeugungsanlagen, wie beispielsweise Anlagen zur Erzeugung von Deionat (DI-Wasser) oder Anlagen zum Liefern von Massenproduktionsprozessmaterialien, wie beispielsweise Wasserstoffperoxid oder Ammoniumhydroxid. Die Erzeugungsanlage kann direkt mit dem Abgabesubsystem verbunden sein. Ein einzelnes Abgabesubsystem kann mit einer Vielzahl von Lieferquellen verbunden sein, die Prozessmaterialien von jeder an das Vermischungssubsystem übertragen.
In dem Vermischungssubsystem werden die Prozessmaterialien, die von dem Abgabesubsystem übertragen wurden, einem Vermischungsgefäß oder -tank hinzugefügt. Typischerweise werden die Materialien in einer vorbestimmten Sequenz hinzugefügt, wie es für einen bestimmten Prozess erforderlich ist. Beispielsweise kann der Prozess ein bestimmtes Verhältnis der individuellen Prozessmaterialien erfordern, um eine erwünschte Mischung zu erzeugen. Die Sequenz des Prozesses kann auf der Reaktivität oder Sicherheit basiert sein, und zwar wird beispielsweise eine saure oder basische Lösung typischerweise nach Wasser hinzugefügt. Alternativ kann die Sequenz des Prozesses auf dem Erfordernis basieren, Prozessvarianzen zu verringern oder zu korrigieren, wie beispielsweise die Verdünnung einer übermäßig konzentrierten Waferpolieraufschlämmung mit deionisiertem Wasser bzw. Deionat. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, das Hinzufügen eines ersten Prozessmaterials zu unterbrechen, um ein zweites Prozessmaterial hinzuzufügen, gefolgt von der Wiederaufnahme der Hinzufügung des ersten Prozessmaterials.
Das Hinzufügen von Prozessmaterialien zu einem Mischungsgefäß wird typischerweise durch Messen der Massen- oder Volumenunterschiede reguliert. Typische durch Massenunterschiede regulierte Hinzufügungen können die Verwendung einer Skala auf einem Haltegefäß oder -tank umfassen. In diesem Systemtyp wird jedes Prozessmaterial einzeln hinzugefügt, da ein automatisiertes Steuerungssystem, welches die Masse des Haltegefäßes misst, nicht imstande ist, die relativen Mengen der beiden simultan hinzugefügten Prozessmaterialien auseinanderzuhalten. Typische durch Volumenunterschiede regulierte Hinzufügungen können die Verwendung von Strömungsmessern umfassen.
Sobald sie sich in dem Vermischungsgefäß befinden, werden die Prozessmaterialien typischerweise in eine homogene Lösung mit einem Impeller bzw. einem Laufrad vermischt, der eine Charge von gemischten Prozessmaterialien bildet. Die Charge von gemischten Prozessmaterialien wird dann typischerweise für seine intendierte Anwendung verwendet.
Viele herkömmliche Prozesse erfordern das präzise Hinzufügen von Prozessmaterialien um eine Charge von gemischten Prozessmaterialien zu erzeugen, der für seine intendierte Anwendung annehmbar ist. Demgemäß sind die Messinstrumente, die die Eingaben in das Mischgefäß überwachen typischerweise sehr präzise, um eine Chargen-Konsistenz sicherzustellen. In vielen Anwendungen können selbst winzige Prozessvariationen zu signifikanten Unterschieden in der Charge der gemischten Prozessmaterialien führen, was sie für die intendierte Anwendung nutzlos machen kann.
DE 23 20 212 offenbart ein Mischsystem und ein Verfahren zum Mischen von Materialien.
US-A-5 332 125 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Strömung eines Zweikomponentenabgabesystems.
US-A-S 271 521 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung, um Veränderungen in der Viskosität in einem Zweikomponentenabgabesystem zu kompensieren.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf ein Mischsystem gemäß Anspruch 1 gerichtet. Das Mischsystem weist ferner ein Prozesssteuersystem einschließlich einer ersten Strömungssteuervorrichtung auf, die auf mindestens einer der ersten und zweiten Materiallieferleitungen positioniert ist, einen ersten Sensor, der stromabwärts von dem statischen Mischer positioniert ist, und eine Steuervorrichtung auf, die einen Logic-Code aufweist, um ein Steuersignal an die erste Strömungssteuervorrichtung zu liefern, und zwar basierend auf einem Sensorsignal, das durch den ersten Sensor geliefert wird.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf ein Mischsystem gemäß Anspruch 11 gerichtet. Das Mischsystem umfasst ebenfalls ein Prozesssteuersystem einschließlich einer Steuervorrichtung, einer Eingabevorrichtung in Verbindung mit der Steuervorrichtung zum Liefern eines Eingangssignals, welches eine gewünschte oder Soll-Mischung von Prozessmaterialien repräsentiert, und eines ersten Ventils, das mit einer der Vielzahl von Materiallieferleitungen und mit der Steuervorrichtung verbunden ist. Das Mischsystem umfasst ferner ein Abgabesubsystem, das ein Haltegefäß aufweist, und zwar mit einem Einlass und einem Auslass, eine Rezirkulationsleitung, die strömungsmittelmäßig mit dem Einlass und dem Auslass verbunden ist, sowie ein zweites Ventil, das strömungsmittelmäßig mit der Rezirkulationsleitung und mit einer der Vielzahl von Materiallieferleitungen derart verbunden ist, dass Material von der Rezirkulationsleitung selektiv zu der Materiallieferleitung abgeleitet werden kann.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Liefern von gemischten Prozessmaterialien gemäß Anspruch 20 gerichtet. Das Verfahren umfasst das Liefern eines ersten Prozessmaterials durch eine erste Materiallieferleitung, Liefern eines zweiten Prozessmaterials durch eine zweite Materiallieferleitung, und Mischen der ersten und zweiten Prozessmaterialien in einem statischen Mischer, der strömungsmittelmäßig stromabwärts mit den ersten und zweiten Materiallieferleitungen verbunden ist. Das Verfahren umfasst auch das Regulieren der Lieferung von einem der ersten und zweiten Prozessmaterialien mit einem ersten Ventil, das auf einer der ersten und zweiten Materiallieferleitungen positioniert ist, und zwar basierend auf einem Sensorsignal, das durch einen Sensor geliefert wird, der stromabwärts von dem statischen Mischer positioniert ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Liefern gemischter Prozessmaterialien gemäß Anspruch 23 gerichtet. Das Verfahren umfasst das Liefern einer Vielzahl von Prozessmaterialien durch eine Vielzahl von Materiallieferleitungen und das Mischen der Vielzahl von Prozessmaterialien in einem statischen Mischer, der stromabwärts von der Vielzahl von Materiallieferleitungen positioniert ist. Das Verfahren umfasst auch das Regulieren der Lieferung der Vielzahl von Prozessmaterialien mit einem Prozesssteuersystem, das eine Steuervorrichtung, eine Eingabevorrichtung, und ein erstes Ventil umfasst, das mit einer der Vielzahl von Materiallieferleitungen und mit der Steuervorrichtung verbunden ist. Die Eingabevorrichtung ist mit der Steuervorrichtung verbunden, um ein Eingangssignal zu liefern, welches eine gewünschte Mischung von Prozessmaterialien repräsentiert. Das Verfahren umfasst ferner das Halten von einem oder mehreren der Vielzahl von Prozessmaterialien in einem Haltegefäß mit einem Einlass und einem Auslass, das Rezirkulieren von einem oder mehreren der Vielzahl von Prozessmaterialien in einer Rezirkulationsleitung, die mit dem Haltegefäßeinlass und -auslass verbunden ist, sowie das Ablenken eines Teils von einem oder mehreren der Vielzahl von Prozessmaterialien in eine der Vielzahl von Materiallieferleitungen mit einem zweiten Ventil, das mit der Rezirkulationsleitung und mit einer oder mehreren der Vielzahl von Materiallieferleitungen verbunden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte, nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Erfindung;
3 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Erfindung;
4 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Erfindung;
5 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des statischen Mischers der Erfindung;
6 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels des statischen Mischers der Erfindung, der in 5 dargestellt ist, mit einem dargestellten Strömungspfad durch die Kammer;
7 eine perspektivische Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels des statischen Mischers der Erfindung, der in 5 dargestellt ist, mit einem dargestellten Strömungspfad durch die Kammer;
8 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des zweiten statischen Mischers der Erfindung mit einem dargestellten Strömungspfad durch die Kammer;
9 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Erfindung;
10 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung der Erfindung;
11 ein Diagramm des Prozentsatzes an Feststoffen versus der Versuchsnummer; und
12 ein Diagramm der Dichte versus der Versuchsnummer.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist auf ein System zum Mischen von Prozessmaterialien gerichtet. Das Mischsystem ist geeignet zum Mischen und Liefern von Prozessmaterial auf Anfrage an eine Verwendungsstelle oder zum Liefern einer Mischung von Prozessmaterialien zur späteren Verwendung. Durch Prozessmaterialien sind irgendwelche flüssigen Materialien gemeint, die in der Lage sind, durch eine Leitung transportiert zu werden. Beispielsweise können Prozessmaterialien Wasser, verschiedene Chemikalien, Lösungen, Suspensionen von Feststoffen, Aufschlämmungen und irgendwelche derartigen anderen Materialien umfassen. Während das Mischsystem der vorliegenden Erfindung zur Verwendung mit irgendeinem Prozess dient, der gemischte Prozessmaterialien erfordert, ist es insbesondere auf Anwendungen anwendbar auf das Mischen von ultrahochreinen Chemikalien und Schleifaufschlämmungen und anderen Mischungsanwendungen bei denen Genauigkeit und Präzision erwünscht sind. Zum Beispiel ist die vorliegende Erfindung insbesondere nützlich in der Halbleiter-, kosmetischen und pharmazeutischen Industrie.
Ein Ausführungsbeispiel des Mischsystems der Erfindung umfasst eine Vielzahl von Materiallieferleitungen, einen statischen Mischer, der stromabwärts von der Vielzahl von Materiallieferleitungen positioniert ist, und ein Prozesssteuersystem. Die Vielzahl von Materiallieferleitungen kann aus irgendwelchen Leitungen zum Tragen von Prozessmaterialien bestehen. Beispielsweise können die Materiallieferleitungen Rohre, Kanäle oder andere Vorrichtungen zum Leiten des Strömungsmittelstromes sein. Die Vielzahl von Materiallieferleitungen kann viele unterschiedliche Prozessmaterialien aus einer Vielzahl von Quellen liefern. Beispielsweise können die Materiallieferleitungen Prozessmaterialien von Speicherbehältern oder von Erzeugungsanlagen liefern. In einigen Umständen können die Materiallieferleitungen Prozessmaterialien von einem Abgabesubsystem liefern.
In einigen Ausführungsbeispielen, die ein Abgabesubsystem umfassen, kann das Abgabesubsystem aus einem Haltegefäß, einer Rezirkulationsleitung und einem Ventil bestehen. Die Rezirkulationsleitung kann strömungsmittelmäßig mit dem Einlass und dem Auslass des Haltegefäßes verbunden sein, um eine kontinuierliche Zirkulation des Prozessmaterials durch die Rezirkulationsleitung vorzusehen. Diese Strömung kann durch eine Vorrichtung zur Veranlassung einer Strömungsmittelströmung, wie beispielsweise einer Pumpe, geliefert werden. Das Ventil in dem Abgabesubsystem kann mit der Rezirkulationsleitung und mit einer Materiallieferleitung verbunden sein, so dass Prozessmaterial von der Rezirkulationsleitung an die Materiallieferleitung abgeleitet werden kann.
Der statische Mischer des Mischsystems der vorliegenden Erfindung befindet sich in Strömungsmittelverbindung mit der Vielzahl von Materiallieferleitungen. Beispielsweise umfasst der statische Mischer eine Vielzahl von Einlässen, von denen jeder mit einem der Vielzahl von Materiallieferleitungen verbunden ist. Der statische Mischer kann ebenfalls einen Mischbereich und einen Auslass umfassen. Die Prozessmaterialien werden aus den Materiallieferleitungen bei den Einlässen des statischen Mischers und an den Mischbereich weitergeleitet. Der Mischbereich ist geformt, um eine Bewegung bzw. Agitation und eine Mischung der Prozessmaterialien, die durch diesen strömen, zu verursachen. Nach der Mischung gehen die Prozessmaterialien durch den Auslass hindurch, der mit einem Verwendungspunkt oder Speichergefäß verbunden ist. Verwendungspunkte sind irgendwelche Stellen, wo ein Bedarf für eine Lieferung der gemischten Prozessmaterialien besteht. Beispielsweise können Verwendungspunkte Prozessgeräte oder Arbeitsstationen umfassen.
In einigen Ausführungsbeispielen kann das Prozesssteuersystem des Mischsystems der Erfindung eine Steuervorrichtung, eine Eingabevorrichtung und ein Ventil umfassen. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Prozesssteuersystem eine Steuervorrichtung, einen Sensor und ein Ventil umfassen. Es sollte erkannt werden, dass die Ventile zur Steuerung der Strömung hierin beispielhaft diskutiert werden; jegliche Strömungssteuerungsvorrichtung kann für jegliches Ventil in der Erfindung substituiert werden. Mit Strömungssteuerungsvorrichtung ist jegliche Vorrichtung gemeint, die imstande ist, ein erwünschtes Niveau an Strömungssteuerung vorzusehen, wie beispielsweise verschiedene Typen von Ventilen, Pumpen und anderen Druckveränderungsvorrichtungen.
Die Steuervorrichtung kann jegliche Vorrichtung sein, die imstande ist, Information aufzunehmen und gemäß dieser Information zu handeln, und zwar basierend auf einer Reihe von Protokollen, wie beispielsweise einem Logic-Code. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung eine auf einem Mikroprozessor basierte Vorrichtung, wie beispielsweise ein Computer sein. Wenn das Prozesssteuersystem eine Steuervorrichtung umfasst, kann die Eingabevorrichtung mit dieser verbunden sein, um ein Eingabesignal zu liefern, das eine erwünschte Mischung der Prozessmaterialien repräsentiert. Die Eingabevorrichtung kann jegliche Vorrichtung sein, die imstande ist, Information aufzunehmen und sie an die Steuervorrichtung weiterzuleiten. Beispielsweise kann die Eingabevorrichtung ein Potentiometer, eine Tastatur oder ein SCADA-Knoten (SCADA = Supervision Control And Data Acquisition) sein.
Das Ventil oder die Ventile des Prozesssteuersystems kann/können mit einer oder mehreren Materiallieferleitungen und mit der Steuervorrichtung verbunden sein. Beispielsweise kann ein Ventil entlang einer Materiallieferleitung positioniert sein, um die Strömung durch oder in die Materiallieferleitung zu steuern und kann durch die Steuervorrichtung gesteuert werden. Demgemäß kann die Steuervorrichtung die Strömung durch oder in die Materiallieferleitung mit dem Ventil gemäß einer erwünschten Mischung der Prozessmaterialien steuern, die bei der Eingabevorrichtung geliefert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuervorrichtung die Strömung durch oder in die Materiallieferleitung basierend auf einem Signal steuern, das durch den Sensor geliefert wird.
Das Mischsystem der Erfindung als Ganzes betrachtend wird es nun klar sein, dass Ausführungsbeispiele des Mischsystems imstande sind, eine erwünschte Mischung der Prozessmaterialien basierend auf einer durch den Nutzer spezifizierten Eingabe zu liefern. Diese Mischung der Prozessmaterialien kann auf einer Bedarfsbasis geliefert werden, was das Erfordernis beseitigt, die gemischten Prozessmaterialien zu speichern bzw. zu lagern. Es wird erkannt werden, dass die Steuervorrichtung zusätzliche Eingaben aufnehmen kann, um den Mischprozess zu unterstützen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung mit Information von für den Prozess geeigneten Sensoren hinsichtlich der Prozessmaterialien oder der Prozessbedingungen beliefert werden. Derartige Sensoren können irgendwo in dem Mischsystem positioniert sein, wie beispielsweise in dem Abgabesubsystem, auf einer Materiallieferleitung, oder selbst stromabwärts des statischen Mischers. Es wird ebenfalls erkannt werden, dass die Steuervorrichtung andere Aspekte des Mischprozesses steuern kann. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung mit Vorrichtungen oder Systemen zum Verändern bzw. Modifizieren der Eigenschaften der Prozessmaterialien verbunden sein, und kann selektiv diese Vorrichtungen oder Systeme basierend auf Eingaben bedienen, die von Sensoren hinsichtlich des Zustands der Prozessmaterialien, oder von einem Bediener oder von einer anderen Außenquelle empfangen wurden.
Die vorliegende Erfindung ist für die Verwendung in einer breiten Vielzahl von Anwendungen adaptier- bzw. anpassbar. Beispielsweise können, wo die Überwachung der Prozessmaterialien erwünscht ist, Sensoren verwendet werden, und diese Sensoren können mit den Prozessmaterialien variieren. In ähnlicher Weise kann der Aufbau des Mischsystems, wie beispielsweise die Rohrleitungen, die Verrohrung, sowie benetzte Oberflächen der Instrumente und Pumpen auf bestimmte Prozessmaterialien angepasst werden. Beispielsweise können, wo derartige Prozessmaterialien abschleifend oder korrodierend sein können, wie beispielsweise Polieraufschlämmungen oder Chemikalien, die oft in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden, diese Strukturen aus Kunststoffmaterialien, wie beispielsweise Fluropolymeren gebildet sein.
Jetzt auf die Figuren und insbesondere 1 Bezug nehmend, ist ein veranschaulichendes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In 1 ist ein Abgabesubsystem 2 mit einem Mischungssystem 1 gekoppelt. Das Abgabesubsystem 2 umfasst Geräte zum kontinuierlichen Abgeben eines Prozessmaterials von einem Haltegefäß 3 an ein Mischungssystem 1, wie beispielsweise eine Pumpe 4 und eine Rezirkulationsleitung 14. Von dem Haltegefäß 3 kann das Prozessmaterial durch die Pumpe 4 durch die Rezirkulationsleitung 14 zu dem Mischungssystem 1 gepumpt werden. Wie in 4, die ein Blockdiagramm des Mischungssystems 1 ist, dargestellt, geht eine Rezirkulationsleitung 14 durch das Mischungssystem 1 hindurch. In dem Mischungssystem 1, kann ein Ventil 20, das auf der Rezirkulationsleitung 14 positioniert ist, die Rezirkulationsleitung 14 mit einer Materiallieferleitung 18 verbinden. Das Ventil 20 kann betätigt werden, um Prozessmaterial von der Rezirkulationsleitung 14 an die Materiallieferleitung 18 abzugeben, welche wiederum das Prozessmaterial an einen statischen Mischer 22 liefert. Das Prozessmaterial, das nicht durch das Ventil 20 abgegeben wird, bleibt in der Rezirkulationsleitung 14 und wird zu dem Haltegefäß 3 zurückgeführt.
Das Haltegefäß 3 kann irgendein Lagerbehälter sein, der in der Lage ist, ausreichend Prozessmaterial aufzunehmen, um einen Mischprozess zu beschicken. Der Bequemlichkeit halber ist es bevorzugt, dass das Haltegefäß 3 der Behälter ist, in dem das Prozessmaterial geliefert und/oder gespeichert ist. Beispielsweise kann das Haltegefäß 3 ein Tank, wie beispielsweise ein 55-Gallonen-Fass oder ein anderes übliches Speichergefäß, sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Haltegefäß 3 eine Agitationsvorrichtung, wie beispielsweise einen Rührkopf oder einen Impeller, umfassen. Eine Rührvorrichtung ist insbesondere geeignet, wenn sich die Prozessmaterialien absetzen oder trennen können.
Die Pumpe 4 kann irgendeine Vorrichtung jeglicher Konstruktion sein, die eine adequate Strömung des Prozessmaterials in der Rezirkulationsleitung 14 vorsieht. Beispielsweise kann die Pumpe 4 pneumatisch oder elektrisch betrieben sein und kann eine Förder- bzw. Verdrängerpumpe sein, die ein Gebläse bzw. Balg oder eine Membrankonstruktion nutzt. Die Pumpe 4 kann aus Materialien konstruiert sein, die mit den Prozessmaterialien, die gepumpt werden, kompatibel sind. Beispiele geeigneter Pumpen umfassen die ASTI-Pumpen, die von Saint Gobain Performance Plastics aus Garden Grove, Kalifornien, verfügbar sind, sowie die ARO-Pumpen, die von Ingersoll-Rand aus Woodcliff Lake, New Jersey, verfügbar sind.
Wenn Prozessmaterialien aus der Rezirkulationsleitung 14 an die Materiallieferleitung 18 abgegeben werden, kann sich ein Druckverlust in der Rezirkulationsleitung 14 ergeben, trotz des anhaltenden Betriebs der Pumpe 4. Demgemäß kann eine zweite Art und Weise zur Druckanpassung verwendet werden. Beispielsweise kann ein Gegendruckventil 100 in der Rezirkulationsleitung 14 installiert werden und reguliert werden, um einen erwünschten Druck in der Rezirkulationsleitung 14 aufrechtzuerhalten, und zwar trotz der Übertragung von Prozessmaterial an die Materiallieferleitung 18.
Um nutzbares Prozessmaterial an das Mischungssystem 1 zu liefern, kann das Abgabesubsystem 2 Systeme oder Vorrichtungen zum Überwachen und/oder Modifizieren der Eigenschaften der Prozessmaterialien in dem Mischungssystem 1 umfassen. Beispielsweise können Eigenschaften, die bestätigen dass die Prozessmaterialien für das Mischen akzeptabel sind, überwacht und/oder modifiziert werden. Die Überwachungs- oder Modifizierungssysteme können eine Vielzahl von Instrumenten umfassen. Jetzt ebenfalls auf 2 Bezug nehmend, kann das Abgabesubsystem 2 Instrumente, wie beispielsweise die Instrumente 5, 6, 7, 8, 9 umfassen, um das Prozessmaterial in der Rezirkulationsleitung 14 zu überwachen. Die Instrumente können basierend auf dem Prozessmaterial, das an das Mischungssystem 1 geliefert wird, und der Toleranzen der intendierten Anwendung für die gemischten Prozessmaterialien, variieren. Beispielsweise können die Instrumente zum Überwachen der Dichte, des pH-Werts, der Teilchen, des Oxidations- und Reduktionspotentials, der Leitfähigkeit, des Brechungsindex oder anderer Prozessbedingungen für eine gegebene Anwendung geeignet sein. Jegliches Instrument, das die erwünschte Rückmeldung vorsieht, kann verwendet werden. Beispielsweise kann die Dichte durch einen Densitometer bzw. eine Dichtemessvorrichtung 5, oder der pH-Wert mit einer pH-Sonde 6 überwacht werden.
Als Beispiel werden Aufschlämmungen in Halbleiterprozessen beschrieben werden. In Halbleiterprozessen werden Aufschlämmungen als Poliermedium bei der Herstellung von Halbleiterwafern verwendet. Aufschlämmungen werden verwendet, um optische Linsen und andere scheibenbezogene Gegenstände zu polieren. Der Poliereffekt der Aufschlämmungen ist auf feine, inerte, schleifende Teilchen zurückzuführen, die in einer Flüssigkeit suspergiert sind. Typische Schleifstoffe in Aufschlämmungen, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden, sind Siliziumdioxid bzw. Kieselerde, Aluminiumoxid bzw. Tonerde, und Ceria bzw. Cerdioxid. Schleifstoffe für Aufschlämmungen werden hergestellt und in Teilchengrößenbereiche sortiert. Typische Aufschlämmungen umfassen Teilchen in einem Bereich von 0,05 Mikrometern bis 0,30 Mikrometern im Durchmesser und enthalten mehr als 10¹² Teilchen pro Kubikzentimeter.
Zum Überwachen einer Aufschlämmung in einem Halbleiterprozess kann ein Instrument zur kontinuierlichen Messung der Massendichte (hierin bezeichnen Dichten im Grunde die Massendichte, außer es ist anderweitig angezeigt), wie beispielsweise ein Densitometer 5, bevorzugt sein. Die Messung der Dichte ist eine Art und Weise die Konzentration zu verfolgen. Beispielsweise steht bei Aufschlämmungen die Dichte mit der Menge an inerten, nichtflüchtigen Feststoffen pro Volumeneinheit in Beziehung. Demgemäß kann durch Messen der volumetrischen Strömungsrate pro Zeiteinheit, beispielsweise mit einem Durchfluss- bzw. Strömungsmessgerät, sowie der Dichte, die Menge an inerten Feststoffen überwacht werden, die an eine Mischung von Prozessmaterialien geliefert wird. Das Überwachen der Dichte kann für eine Aufschlämmung in einem Halbleiterprozess bevorzugt sein, da die Dichtemessinstrumente geringere Anlagerungen erzeugen als andere Instrumente, die eine ähnliche Rückmeldung vorsehen, da sie nicht die Scherspannungen in die Aufschlämmung einführen. Ein ausreichend genaues Massenströmungsmessgerät, das keine inakzeptable Anlagerung erzeugt, oder ein Prozent-Feststoffsensor können zu diesem Zweck verwendet werden.
Bei Aufschlämmungsprozessen kann ebenfalls ein Instrument zur Messung des pH-Werts, wie beispielsweise ein pH-Sensor, verwendet werden. Wenn der pH-Wert der Aufschlämmung höher als akzeptabel ist, kann die Aufschlämmung zu aggressiv sein, und kann unbeabsichtigte Materialien von dem Wafer entfernen. Umgekehrt, wenn der pH-Wert zu niedrig ist, können vorgesehene Materialien nicht entfernt werden.
Als Beispiel werden Chemikalien, die in Halbleiterprozessen verwendet werden, beschrieben. Bei Halbleiterprozessen werden verschiedene Chemikalien als Reaktionsstoffe bzw. Reaktanten und Oxidationsmittel zur Waferpolierung verwendet, ebenso wie Scheuerlösungen, Nachreinigungslösungen und Entwicklerlösungen. Diese Chemikalien werden typischerweise in roher, konzentrierter Form versendet. Typische Chemikalien, die zum Polieren verwendet werden, umfassen Wasserstoffperoxid, Kaliumhydroxid und Ammoniumhydroxid. Wasserstoffperoxid wird als ein Oxidationsmittel für Metallschichten auf einem Wafer verwendet. Das Steuern des Betrags an Wasserstoffperoxid in einer Mischung von Prozessmaterialien steuert die Rate, mit der Material von der Waferoberfläche entfernt wird. Typischerweise wird Wasserstoffperoxid aus einer 30 Gewichtsprozent (Gew.-%) Lösung zu einer Lösung mit wenigen Prozent, wie beispielsweise 2 bis 4 Gew.-% gemischt. Kaliumhydroxid wird in dielektrischen Zwischenschichtpolierschritten zum Steuern des pH-Werts eine Mischung von Prozessmaterialien verwendet, um eine erwünschte Feinstreinigung bzw. Polierung von Siliciumdioxidschichten vorzusehen. Wasserstoffperoxid- und Ammoniumhydroxidmischungen werden typischerweise als Reinigungs- und Scheuerlösungen verwendet. Wenn diese Mischungen ungenutzt bleiben, zersetzen sich Wasserstoffperoxid und Ammoniumhydroxid in Wasser und Ammoniak. Demgemäß ist es gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, diese Mischungen herzustellen, wenn sie verwendet werden.
Für die Verteilung von Grund- bzw. Massenchemikalien zur Verwendung in der Halbleiterindustrie ist es bevorzugt, dass die Instrumente 5, 7, 8, 9 die Strömung in der Rezirkulationsleitung 14 überwachen, um sicherzustellen, dass zulässiges bzw. akzeptables Material weitergeleitet wird. Eines der bevorzugten Instrumente zum Überwachen der Annehmbarkeit bzw. der Eignung eines chemischen Prozessmaterials ist ein Instrument, das die Dichte des Prozessmaterials auf einer kontinuierlichen Basis misst, wie beispielsweise ein Densitometer 5. Das Überwachen der Dichte eines chemischen Prozessmaterials kann, wie bei dem Überwachen der Dichte einer Aufschlämmung, es möglich machen, die Konzentration des Prozessmaterials vor der Abgabe an das Vermischungssubsystem zu messen. Alternativ kann, wo die Dichte gut mit der Temperatur korreliert, ein Thermopaar oder eine andere Temperatursonde das Densitometer ersetzen.
Andere Instrumente, die für die Messung und Überwachung eines chemischen Prozessmaterials nützlich sein können, und die für derartige Prozesse in der Halbleiterindustrie bevorzugt sind, sind Instrumente zur Bestimmung der Konzentration und der Reaktionsfähigkeit bzw. Reaktivität, wie beispielsweise Leitfähigkeitssensoren 9 bzw. Sensoren 8 für das Oxidations- und Reduktionspotential (ORP = Oxidation and Reduction Potential). Die Leitfähigkeit kann verwendet werden, um die chemische Konzentration durch Korrelieren von den beiden zu messen. Für viele übliche Prozessmaterialien existieren Tabellen, die die Leitfähigkeit zu der Konzentration in Beziehung setzen. Demgemäß ist es durch Überwachen der Leitfähigkeit des Prozessmaterials möglich, seine Konzentration zu überwachen. Das Überwachen des ORP des Prozessmaterials kann die Detektion von raschen Veränderungen in der chemischen Reaktivität ermöglichen. Die ORP-Sensoren 8 arbeiten ähnlich wie die pH-Sonden 6, jedoch können die ORP-Sensoren 8 die Eigenschaften von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Fluorwasserstoffsäure, messen, die typische pH-Sonden degenerieren kann. Brechungsindexsensoren können ebenfalls beim Bestimmen der Konzentration nützlich sein, da der Brechungsindex des Materials mit der Konzentration korreliert sein kann.
Eine weitere Prozessmaterialeigenschaft, die von besonderer Bedeutung in hochreinen Anwendungen, wie beispielsweise der Halbleiterindustrie, ist, ist die Konzentration an Teilchen. Beispielsweise erfordert die Herstellung von Wafern ultrahochreine Prozessmaterialien. Teilchen, die aus dem Haltegefäß 3 oder bei der Herstellung des Prozessmaterials erzeugt werden, können das Prozessmaterial und das Produkt kontaminieren. Strikte Richtlinien für die Teilchengrößen und die Anzahl der Teilchen einer bestimmten Größe können nötig sein, damit ein Halbleiterprozess wirtschaftlich durchführbar ist. Demgemäß kann für Prozesse, die empfindlich gegenüber Teilchen sind, ein Instrument zur Messung der Teilchenkonzentrationen in einem Prozessmaterial, wie beispielsweise ein leitungsexterner oder leitungsinterner Teilchenzähler 7, verwendet werden. Die Teilchenzähler 7 können Anwendung sowohl innerhalb des Abgabesubsystems 2 als auch zwischen dem Abgabesubsystem 2 und dem Vermischungssubsystem 1 finden, wo sie überprüfen können, dass das Prozessmaterial von dem Abgabesubsystem 1 eine akzeptabel niedrige Teilchenkonzentration besitzt. Die Teilchenzähler 7 können ebenfalls verwendet werden, um zu überprüfen, dass eine Mischung von Prozessmaterialien von dem statischen Mischer eine akzeptabel niedrige Teilchenkonzentration besitzt.
Ein leitungsinterner Teilchenzähler 7 umfasst typischerweise eine Durchflusszelle, die direkt in einer Prozessleitung, wie beispielsweise der Rezirkulationsleitung 14, angebracht ist. Der leitungsinterne Teilchenzähler 7 überwacht die Teilchen, die durch die Durchflusszelle hindurchgehen. Der leitungsinterne Teilchenzähler 7 misst typischerweise die Teilchen pro Volumen und, wenn die volumetrische Strömungsrate variiert, kann die gemeldete Teilchenzahl variieren. Demgemäß kann die Rate, mit der Material durch den Teilchenzähler 7 hindurchgeht, reguliert werden, um eine präzise Teilchenzahl zu liefern. Beispielsweise kann für ein präzises leitungsinternes Teilchenzählen eine Messzelle mit einer Abzweigung einer Prozessleitung verbunden sein. Die Abzweigung kann einen Strom an Strömungsmittel durch die Messzelle umlenken und es ermöglichen, dass die Strömungsrate durch den Zähler 7 an ein erwünschtes Niveau angepasst wird. Typischerweise wird die Strömungsrate durch den Zähler 7 auf ungefähr 100 Milliliter pro Minute (ml/min) angepasst.
Da er im Allgemeinen direkt in einer Prozessleitung angebracht ist, kann ein leitungsinterner Teilchenzähler 7 typischerweise nur die Teilchenkonzentration in dieser Prozessleitung überwachen. Alternativ kann der leitungsinterne Teilchenzähler 7 mit mehreren Prozessleitungen durch einen Schaltmechanismus bzw. eine Schaltung verbunden sein, und Prozessmaterial von irgendeiner dieser Leitungen kann zu dem Teilchenzähler 7 zur Überwachung umgeleitet werden. Wenn jedoch die Strömungsraten von den mehreren Prozessleitungen nicht identisch sind, werden die Messwerte von dem Teilchenzähler 7 für jede der Prozessleitungen nicht in der gleichen Volumenskala sein.
In einem leitungsexternen Teilchenzähler 7 muss sich der Teilchenzähler 7 nicht auf einer Prozessleitung befinden. Stattdessen können Proben von verschiedenen Prozessleitungen durch ein System zur Lenkung multipler Ströme, wie beispielsweise eine Sammelleitung, und zu dem Zähler 7 weitergeleitet werden. Die Proben können in eine Probensammelvorrichtung, wie beispielsweise eine kleine geschlossene Schleife gezogen werden, die sicherstellt, dass das Volumen jeder Probe gleich ist. Da das Volumen jeder Probe gleich ist, können die Teilchenmesswerte für jede Prozessleitung der gleichen Volumenskala entsprechen und können verglichen werden. Demgemäß ermöglicht es ein leitungsexternen Teilchenzähler 7, dass mehrere Prozessleitungen oder Punkte in einer Prozessleitung leichter überwacht und verglichen werden.
Ein Prozesssteuersystem zum Steuern des Abgabesubsystems 2 und/oder des Vermischungssubsystems 1 kann auf dem Prozess und den Prozessmaterialeigenschaften basierend arbeiten. Beispielsweise kann Information, die von Instrumenten gesammelt wird, in eine Steuervorrichtung eingegeben werden, die mit einem Prozesssteuersystem verbunden ist, das mit einem Ventil 20 verbunden ist, und/oder kann einem Bediener angezeigt werden, der die Probleme identifizieren und korrigieren kann. Die Darstellung für einen Bediener kann, wie gewünscht, in irgendeiner Form erfolgen, die die Aufmerksamkeit des Bedieners auf sich zieht, wie beispielsweise ein Ausgabemonitor oder ein Alarm. Wenn die Steuervorrichtung mit dem Ventil 20 verbunden ist, kann die Menge an Prozessmaterial, das von der Rezirkulationsleitung 14 an die Materiallieferleitung 18 abgezweigt wird, durch die Steuervorrichtung ausgewählt werden, und zwar basierend auf dem Prozess für eine gegebene Mischung von Prozessmaterialien. Demgemäß kann die Steuervorrichtung in der Lage sein, eine Mischung von Prozessmaterialien durch Verändern der Strömungsrate durch das Ventil 20 zu modifizieren, oder sie kann in der Lage sein, Abweichungen im Prozessmaterial zu korrigieren, das von der Rezirkulationsleitung 14 abgeleitet wird. Wenn beispielsweise der pH-Sensor 6 detektiert, dass der pH-Wert eines Prozessmaterials, das verwendet wird, um eine Mischung von Prozessmaterialien anzusäuern, angestiegen ist (eine Abweichung), kann die Steuervorrichtung ein Signal empfangen, welches sie auf diesen Umstand aufmerksam macht, und kann zusätzliches Prozessmaterial von der Rezirkulationsleitung 14 an die Materiallieferleitung 18 abzweigen, so dass der pH-Wert der gemischten Prozessmaterialien konstant bleibt. Alternativ, wenn eine Veränderung in der Strömungsrate die detektierte Abweichung nicht korrigieren kann, kann der Prozess angehalten werden und das Material kann innerhalb des Verteilungssystems 2 gehalten werden, bis eine geeignete Korrektur vorgenommen werden kann.
Wenn eine Anpassung der Strömungsrate des Prozessmaterials von der Rezirkulationsleitung 14 zu der Materiallieferleitung 18 unzureichend ist, um eine Abweichung zu korrigieren, ist es bevorzugt, dass die Rezirkulationsleitung 14 eines oder mehrere Systeme oder Vorrichtungen zum Korrigieren der Abweichung aufweist. Diese Systeme oder Vorrichtungen können Behandlungseinrichtungen umfassen. Wenn beispielsweise inakzeptable Teilchenkonzentrationen in der Rezirkulationsleitung 14 detektiert werden können, ist es bevorzugt, dass Teilchentrennvorrichtungen bzw. -separatoren 10, 11 entlang der Rezirkulationsleitung 14 positioniert sind. Die Teilchenseparatoren 10, 11 können beispielsweise grobe oder Polierfilter sein.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann eine kontinuierliche Rückmeldung von einem leitungsexternen oder leitungsinternen Teilchenzähler 7 Informationen an eine Steuervorrichtung zur Überwachung der Teilchenkonzentration in der Rezirkulationsleitung 14 liefern. Bei der Inbetriebnahme oder wann immer detektiert wurde, dass die Teilchenkonzentration einen voreingestellten Schwellenwert überschritten hat, können Ventile 12 durch die Steuervorrichtung oder einen Bediener betätigt werden, um die Rezirkulationsleitung 14 zu umgehen, und um das Prozessmaterial durch eine Umgehungsleitung 13 umzuleiten. Während das Prozessmaterial in der Umgehungsleitung 13 zirkuliert, kann ein Filter, wie beispielsweise ein grober Filter 10, die Teilchenkonzentration in dem Prozessmaterial verringern. Wenn die Teilchenkonzentration in den voreingestellten Schwellenwert fällt, kann die Steuervorrichtung entweder die Ventile 12 betätigen oder einen Bediener aufmerksam machen, der diese betätigen kann, wobei die Umgehung beendet und ermöglich wird, dass das Prozessmaterial durch die Rezirkulationsleitung 14 hindurchgeht, wo es an die Materiallieferleitung 18 abgezweigt wird. In Anwendungen, die sehr niedrige Teilchenkonzentrationen erfordern, ist es bevorzugt, dass ein Polierfilter 11 ebenfalls entlang der Rezirkulationsleitung 14 angeordnet ist. Die Verwendung einer Umgehungsleitung 13 mit einem groben Filter 10 und einem Polierfilter 11 auf der Rezirkulationsleitung 14 ist bevorzugt für die Verteilung von Grundchemikalien (bulk chemicals) für die oben beschriebene Verwendung in der Halbleiterindustrie. Wie in 1 dargestellt, können die Filter 10, 11 ebenfalls ohne die Umgehungsleitung 13 verwendet werden, um eine konstante Teilchenentfernung aus der Rezirkulationsleitung 14 vorzusehen. Darüber hinaus kann eine Umgehungsleitung in Systemen verwendet werden, die dafür ausgelegt sind, um andere Eigenschaften als die Teilchenkonzentrationen zu modifizieren.
Jetzt auf die 3 Bezug nehmend, können in einer großen Produktionsanlage, die zahlreiche Prozessmaterialien verwendet, wie beispielsweise multiple Aufschlämmungen und Chemikalien in einer Halbleiterverarbeitungsanlage, mehrere Abgabesubsysteme 2 mit einem Leitungsnetzwerk 16 verbunden sein. In dem Leitungsnetzwerk 16 kann jedes Prozessmaterial in einer Rezirkulationsleitung 14 enthalten sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann jede Rezirkulationsleitung 14 in einer sekundären Leitungsstruktur enthalten sein, um Leckagen zu verhindern und die Sicherheit zu erhöhen, wo die Prozessmaterialien gefährlich sind.
In Industrien, die eine hohe Reinheit erfordern, wie beispielsweise der Halbleiterindustrie, sind die Abgabesubsysteme 2 vorzugsweise in halb-reinen Räumen, weniger als idealen (sub-fab), oder Räumen einer bestimmten Reinheitsklasse untergebracht. Die Rezirkulationsleitungen 14 laufen vorzugsweise von dem Abgabesubsystem 2 zu einer Reinraumumgebung, wo das Vermischungssubsystem 1 und die Prozessausrüstung 60 angeordnet sind. Die Prozessausrüstung 60 kann mit dem Vermischungssubsystem 1 durch eine Ausgabeleitung 17 verbunden sein.
Jetzt auf 4 Bezug nehmend, kann, wie zuvor beschrieben, jede Rezirkulationsleitung 14 durch das Vermischungssubsystem 1 geführt werden. Jede Rezirkulationsleitung 14 kann mit einer Materiallieferleitung 18 über ein Ventil 20 verbunden sein. Ebenso kann es, wie zuvor beschrieben, das Ventil 20 zulassen, dass Strömungsmittel von der Rezirkulationsleitung 14 in die Materiallieferleitung 18 und dann zu dem statischen Mischer 22 strömt, und zwar ohne das gesamte Prozessmaterial in die Materiallieferleitung 18 abzuzweigen. Zahlreiche Ventile 20 können verwendet werden, um multiple Verbindungen mit einer einzelnen Materiallieferleitung 18 zuzulassen, was zu einer beschränkten Mischung der Prozessmaterialien in der Materiallieferleitung 18 führt. Das Ventil 20 ist vorzugsweise ein Nachstromventil (slip stream valve) und kann in jeglicher Art und Weise arbeiten, wie beispielsweise pneumatisch durch eine Luftzufuhr oder elektromagnetisch durch eine elektronische Betätigungsvorrichtung. In Prozessen, wie beispielsweise Halbleiterprozessen, wo die Prozessmaterialien entzündlich sein können, werden die Ventile 20 vorzugsweise durch eine pneumatisch Quelle aus Sicherheits- und Brandgefahrverhinderungszwecken erregt.
Im Vermischungssubsystem 1 können Materiallieferleitungen 18 Prozessmaterialien direkt von den Erzeugungsanlagen 70 tragen. Die Strömung der Prozessmaterialien von der Erzeugungsanlage 70 in das Vermischungssubsystem 1 kann durch ein Ventil 19 gesteuert werden. Andere Ventile 20 können entlang der Materiallieferleitung 18 positioniert sein und mit einer Rezirkulationsleitung 14 verbunden sein, um es zu ermöglichen, dass ein zweites Prozessmaterial dem Prozessmaterial der Erzeugungsanlage 70 hinzugefügt wird. Die kombinierten Prozessmaterialien werden dann dem statischen Mischer 22 zugeführt. Zum Beispiel kann Wasser von der Erzeugungsanlage 70 in die Materiallieferleitung 18 geliefert werden. Ein Prozessmaterial von der Rezirkulationsleitung 14 kann dann zu der Materiallieferleitung 18 bei dem Ventil 20 hinzugefügt werden, was zu einem verdünnten Prozessmaterial in der Materiallieferleitung 18 führt. Das verdünnte Prozessmaterial wird dann an den statischen Mischer 22 übermittelt. In einigen Ausführungsbeispielen ist es bevorzugt, dass die Materiallieferleitung 18 unter konstanten Strömungsbedingungen gehalten wird, um den Aufbau von Verschmutzungen bzw. Kontaminanten, wie beispielsweise Feststoffen und Bakterien, zu hemmen bzw. zu verhindern. Anstatt kontinuierlich teurere oder gefährliche Prozessmaterialien durch die Materiallieferleitungen 18 zu strömen, kann in einem derartigen Ausführungsbeispiel Deionat oder ein weiteres relativ inertes Material durch die Leitungen laufen, die gegenwärtig kein Prozessmaterial liefern. Die Materiallieferleitungen 18 mit einer Quelle von Deionat zu verbinden, kann ebenfalls beim Reinigen und der Wartung der Materiallieferleitungen 18 helfen.
Die Strömung der Prozessmaterialien zu dem statischen Mischer 22 von den Materiallieferleitungen 18 kann durch ein Ventil 21 reguliert werden. Wo Prozessmaterialien einer Materiallieferleitung 18 hinzugefügt werden, die ein anderes Material enthält, werden die Strömungsraten und die verbundenen Drücke in den verschiedenen Leitungen vorzugsweise gesteuert, um sicherzustellen, dass die Prozessmaterialien mit der gewünschten Rate und in der gewünschten Richtung strömen.
Das Abgabesubsystem 2 und das Vermischungssubsystem 1 können manuell oder elektronisch gesteuert werden. Vorzugsweise sind das Abgabesubsystem 2 und das Vermischungssubsystem 1 mit einem Prozesssteuersystem einschließlich einer Steuervorrichtung (am üblichsten eine Zentralverarbeitungseinheit (CPU) mit einem Speicher, wie beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung (PLC = Programmable Logic Controller), verbunden. Eine Eingabevorrichtung kann es ermöglichen, dass eine erwünschte Mischung von Prozessmaterialien durch einen Benutzer spezifiziert wird. Beispielsweise kann eine Tastatur oder ein Computerterminal verwendet werden, um eine vorgegebene Mischung von Prozessmaterialien an die Steuervorrichtung zu spezifizieren. Die Steuervorrichtung kann Signale von der Prozessausrüstung empfangen, um beispielsweise die zuströmenden Prozessmaterialien, die Prozessbedingungen und die Sicherheit des Personals kontinuierlich zu überwachen. Die Steuervorrichtung kann die Eingabe von der Eingabevorrichtung und die Signale der Prozessausrüstung interpretieren, um das Abgabesubsystem 2 und das Vermischungssubsystem 1 zu steuern, um die spezifizierte Mischung von Prozessmaterialien zu erzeugen. Beispielsweise kann ein SCADA-System verwendet werden, um das Abgabesubsystem 2 und das Vermischungssubsystem 1 zu steuern. Eine derartige Steuervorrichtung kann Qualitätssteuerungsdaten, Information über den Gebrauch des Systems, Alarminformation und andere Prozessinformation speichern. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung die statistische Prozesssteuerung durch die Aufbewahrung von historischen Daten, die mit der Prozessausgangsgröße korreliert sein können, ermöglichen, um Trends zu bestimmen und um Probleme zu erkennen. Ein Prozesssteuerungssystem kann derart ausgelegt sein, dass ein Bediener physisch aus der Prozessausrüstung entfernt werden kann, insbesondere da wo der Prozess oder die Prozessmaterialien gefährlich sind.
Ein typisches Prozesssteuersystem umfasst eine Vielzahl von Pumpen, Ventilen, Instrumenten und Überwachungsschaltern. Diese Komponenten können multiple Rollen im Betrieb des Systems spielen. Beispielsweise kann ein Strömungsdruckabfall über einen Filter hinweg überwacht werden, um zu bestimmen, ob der Filter gereinigt oder ersetzt werden muss. Die gleichen Druckmessvorrichtungen, die den Druckabfall über den Filter hinweg überwachen, können ebenfalls Daten über den absoluten Druck in der Prozessleitung liefern.
Prozesssteuersysteme können den Prozess graphisch auf einem Monitor anzeigen, was die Überwachung der Schlüssel- bzw. Hauptmerkmale des Prozesses ermöglicht. Diese graphische Anzeige kann es ermöglichen, dass ein Bediener sämtliche Subsysteme und Prozessdiagramme auf einem Übersichtsbildschirm betrachten kann. Im Allgemeinen kann jedes Teil der Prozessausrüstung graphisch in einem Gesamtschema beschrieben werden, das sämtliche Verbindungen, Endpunkte und Subsysteme zeigt. Aus dem Übersichtsbildschirm kann jedes Subsystem ausgewählt und ein separater Bildschirm geöffnet werden, der die Merkmale dieses Systems anzeigt.
Das Prozesssteuersystem kann ebenfalls eine Rückmeldung, wie beispielsweise einen Alarm, an einen Bediener vorsehen und zwar für Wartungsarbeiten oder zur Sicherheit. In dem obige Beispiel der Überwachung der Druckdifferenz über einen Filter hinweg, kann ein Alarm, wenn die Druckdifferenz einen bestimmten eingestellten Punkt überschreitet, einen Bediener darauf hinweisen, beispielsweise auf der graphischen Anzeige, den Filter zu reinigen oder zu wechseln. Wenn die Bedingung, die den Alarm verursacht, nicht innerhalb einer eingestellten Zeitperiode beseitigt wird, kann ein kritischer Alarm betätigt werden, der zu einer zusätzlichen Meldung der Alarmbedingung oder zu einer automatischen Handlung seitens des Prozesssteuersystems, wie beispielsweise ein Herunterfahren des Prozesses, führen kann.
Da die Strömungsrate, der Druck und andere Eigenschaften, wie beispielsweise die Konzentration oder die Dichte des Prozessmaterials in der Rezirkulationsleitung 14 sowohl die Strömung des Prozessmaterials durch das Ventil 20 in die Materiallieferleitung 18 als auch die erforderliche Menge an Prozessmaterial beeinflusst, können diese Daten an die Steuervorrichtung geliefert werden. Die Steuervorrichtung kann die Geschwindigkeit der Pumpe 4 und anderer Vorrichtungen in dem Abgabesubsystem 2 regulieren, um sicherzustellen, dass die geeignete Menge an Prozessmaterial in die Materiallieferleitung 18 übermittelt wird. Alternativ kann das Ventil 20 basierend auf diesen Daten reguliert werden, um die Strömung des Prozessmaterials in die Materiallieferleitung 18 zu steuern.
Die Strömungsrate des Prozessmaterials in die Materiallieferleitung 18 kann auch von der Strömungsrate und dem Druck irgendeines Prozessmaterials, wie beispielsweise Wasser, abhängen, das bereits in der Materiallieferleitung 18 vorhanden ist. Demgemäß ist es bevorzugt, dass diese Daten ebenfalls an die Steuervorrichtung geliefert werden. Die Steuervorrichtung kann die Ventile 19, 20 und/oder 21, ebenso wie die Strömungsrate in der Rezirkulationsleitung 14 mit der Pumpe 4 anpassen, um eine erwünschte Strömungsrate und Zusammensetzung in der Materiallieferleitung 18 zu erhalten. Aufgrund der Datenmenge, die an die Steuervorrichtung geliefert werden kann, und der Anzahl an Variablen, die basierend auf diesen Daten gesteuert werden können, ist es bevorzugt, dass die Steuervorrichtung einen oder mehrere Mikroprozessoren aufweist, die imstande sind, die Daten zu interpretieren und basierend auf den eingestellten Protokollen zu handeln, um eine gewünschte Mischung von Prozessmaterialien herzustellen. Diese Funktion kann jedoch auch durch Bediener oder durch analoge Steuerungen ausgeführt werden.
Das Vermischungssubsystem 1 kann gemäß Massen- oder Volumenströmungsraten oder einer Kombination von diesen gesteuert werden, und zwar abhängig von den beteiligten Materialien. Da diese typischerweise genauer sind, sind Massenströmungsraten bevorzugt. Die Strömungssteuerung für Prozessventile 12, 19, 20, 21 können ein Strömungssteuerungsventil oder ein Ventil mit einer variablen Zumessöffnungsfläche beinhalten, das mit einem Strömungsmesser verbunden ist, der durch ein Proportional-Integral-Differenzial-(PID)-System oder eine ähnliche Steuerregelschleife betrieben werden.
In der Halbleiterindustrie können mehrere Bestandteile aus dem Abgabesubsystem 2, einschließlich beispielsweise Aufschlämmungen, Chemikalien und/oder Deionat aus der Erzeugungsanlage 70, in eine gegebene Mischung von Prozessmaterialien eingehen. Die Komponenten der Mischung können durch eine Benutzerschnittstelle spezifiziert werden, die ein SCADA-Knoten sein kann. Typische Prozesse erfordern, dass Schleifaufschlämmungen mit Deionat für dielektrische Zwischenschichtpolierschritte verdünnt werden. Andere typischer Prozesse erfordern für das Polieren von Metallschichten eine Schleifaufschlämmung, Oxidationsmittel und Deionat. Diese Prozesse erfordern eine Vielzahl von Schleifmitteln, oxidierenden Chemikalien, Verdünnungsmitteln und Mengen von diesen, und zwar abhängig von dem Prozess, und diese können sich häufig verändern.
In einem derartigen Halbleiterprozesssystem können die Materiallieferleitungen 18 Deionat von der Erzeugungsanlage 70 zur Verdünnung der Prozessmaterialien und zum Ausspülen der Materiallieferleitung 18 und des statischen Mischers 22, wenn dies erforderlich ist, führen. Jede Materiallieferleitung 18 kann Deionat durch die Ventile 19, 21 an den statischen Mischer 22 übertragen. Wie zuvor erwähnt, halten die Deionatzugaben vorzugsweise jede Materiallieferleitung 18 bei konstanter Strömung, wodurch die Teilchen- und Bakterienbildung vermieden wird. Wenn ein Prozess ein Aufschlämmungsprozessmaterial enthält, kann das Ventil 20 betätigt werden, um das Wasser in der Materiallieferleitung 18 dem Aufschlämmungsprozessmaterial aus der Rezirkulationsleitung 14 auszusetzen. Das Ventil 19 reguliert vorzugsweise die Strömung des Deionats, um sicherzustellen, dass die Strömung aus der Rezirkulationsleitung 14 bei Ventil 20 zu dem Ventil 21 strömt. Das Ventil 21 reguliert die Aufschlämmungsströmungsrate zu dem statischen Mischer 22. Die Strömungsrate kann von der erforderlichen Menge an Aufschlämmung und der Dichte der Aufschlämmung abhängen. In ähnlicher Weise, wo ein Prozess ein chemisches Prozessmaterial aus einer Rezirkulationsleitung 14 erfordert, kann das Ventil 20 betätigt werden, um das Wasser in der Materiallieferleitung 18 dem chemischen Prozessmaterial auszusetzen. Die Strömungsrate kann von der erforderlichen Menge des chemischen Prozessmaterials und der Dichte, der Konzentration und anderen Eigenschaften des chemischen Prozessmaterials abhängen.
Die Prozessmaterialien aus den Materiallieferleitungen 18 können kontinuierlich in den statischen Mischer 22 zur Vermischung übermittelt werden. Die Prozessmaterialien treten in den statischen Mischer 22 durch jegliche Vorrichtung ein, die es ermöglicht, dass sämtliche Prozessmaterialien, die für einen Prozess erforderlich sind, gleichzeitig eingespeist werden. Bezug nehmend auf die 5, 6 und 7, kann der statische Mischer 22 multiple Einlässe 30 umfassen, die mit den Materiallieferleitungen 18 verbunden sind. Die Einlässe 30 können mit Materiallieferleitungen 18, die direkt von den Erzeugungsanlagen 70 wegführen, mit Materiallieferleitung 18, die von den Rezirkulationsleitungen 14 wegführen oder mit Materiallieferleitungen 18, die von beiden Quellen Eingaben empfangen, verbunden sein. In der Halbleiterindustrie führen die Materiallieferleitungen 18 typischerweise Aufschlämmungsprozessmaterialien, chemische Prozessmaterialien und Deionat zu dem statischen Mischer 22.
Der statische Mischer 22 kann in jeglicher Weise konstruiert sein, die zu einer ausreichenden Vermischung der Prozessmaterialien führt. Vorzugsweise wird diese Vermischung dadurch bewerkstelligt, dass der statische Mischer 22 so konstruiert ist, dass die Prozessmaterialien turbulenten bzw. Wirbelströmungsbedingungen ausgesetzt werden. Beispielsweise kann der statische Mischer 22 einen oder mehrere Ablenkplatten bzw. Ablenkvorrichtungen oder andere Strömungsunterbrechungselemente umfassen. Für Prozesse, die Aufschlämmungen oder andere scherempfindliche Materialien verwenden, kann der statische Mischer 22 so konstruiert sein, dass die Vermischung sanft genug erfolgt, um nicht die Materialien zu schädigen, die vermischt werden, jedoch für eine gründliche Vermischung kräftig genug ist. Beispielsweise kann bei Aufschlämmungen, die für das Polieren in der Halbleiterindustrie verwendet werden, die Einführung von hohen Scherraten Teilchenwachstum erzeugen und ein siginifikantes Mikroverkratzen verursachen. Demgemäß ist für diese Aufschlämmungen der statische Mischer 22 vorzugsweise in einer Art und Weise konstruiert, die zu einem relativ sanften Vermischen führt. Ein typischer statischer Mischer, wie beispielsweise ein statischer Mischer, der ein schraubenförmiges Strömungsunterbrechungselement umfasst, kann in einigen Ausführungsbeispielen akzeptabel sein.
In dem in den 5, 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der statische Mischer 22 einen einzelnen Auslass 39 und ist nach den Einlässen 30 axial symmetrisch um die Länge des statischen Mischers herum. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Prozessmaterialien durch die Einlässe 30 hindurch in einen Vermischungsbereich 32 übermittelt. Während sich die Strömungsmittel vermischen und sich unter Druck stehenden Bedingungen bewegen, gehen sie durch einen Prall- bzw. Ablenkvorrichtung 33 hindurch, der toroidal geformt sein kann. Die Ablenkvorrichtung 33 erzeugt eine Druckdifferenz und Wirbelbildungen durch die Turbulenz. Diese Wirbel sind mit sehr hohen Reynolds-Zahlen assoziiert, die für die Vermischung der Prozessmaterialien in eine homogene Lösung notwendig sind. Nach dem Passieren der Ablenkvorrichtung 33, werden die Prozessmaterialien vorzugsweise um ein Strömungsunterbrechungselement 34 herum geleitet. Das Strömungsunterbrechungselement 34 kann zylindrisch sein und kann entlang der Mittellinie des statischen Mischers 22 gelegen sein. Das Strömungsunterbrechungselement 34 sieht eine zweite Agitationsstufe vor. Das Strömungsunterbrechungselement 34 kann Karmann-Strudel bzw. -Vortices erzeugen, die zu der Turbulenz durch die Wirbelerzeugung hinzukommen. Auf das Strömungsunterbrechungselement 34 folgend befindet sich vorzugsweise ein Restriktor bzw. ein Strömungsverengungsbereich 35. Der Strömungsverengungsbereich 35 komprimiert die Prozessmaterialien, während sie durch einen Auslass 39 hindurchgehen. Der Strömungsverengungsbereich 35 besitzt vorzugsweise eine verjüngte, konische Oberfläche, da dies den Rück- bzw. Gegendruck verringern kann, der andernfalls auftreten kann, wenn der Bereich stufenweise im Durchmesser verringert wird.
Bezug nehmend auf 8 können die Prozessmaterialien, die durch den Auslass 39 des statischen Mischers 22 hindurchgehen, in einen sekundären statischen Mischer 23 eintreten. Der sekundäre statische Mischer 23 ist vorzugsweise ein leitungsinterner statischer Mischer. Der sekundäre statische Mischer 23 kann ein schraubenförmiges Merkmal 38 enthalten. Das schraubenförmige Merkmal 38 kann beispielsweise aus einem gewundenen Kunststoffflächenelement hergestellt sein. Der sekundäre statische Mischer 23 sieht vorzugsweise ein konstantes Rühren der Prozessmaterialien vor. Für Aufschlämmungsprozessmaterialien in der Halbleiterindustrie wird der sekundäre statischer Mischer 23 vorzugsweise bei ausreichend niedrigen Strömungsraten betrieben, so dass der schraubenförmige Pfad des sekundären statischen Mischers 23 keine schädlichen Scherraten erzeugt, die Teilchenwachstum erzeugen und ein signifikantes Mikroverkratzen erzeugen können. Obwohl dies stark von dem Prozessmaterial und den Abmessungen und der Geometrie des sekundären statischen Mischers 23 abhängig ist, ist eine Strömungsrate von ungefähr 100–250 ml/min für einige Umstände geeignet. Es sollte verstanden werden, dass ein Mischer des Typs, der als sekundärer statischer Mischer 23 beschrieben wurde, als ein statischer Mischer 22 dienen kann und dass kein sekundärer statischer Mischer 23 vorhanden sein muss.
Die in den 6, 7 und 8 dargestellten Strömungsmittelflussdiagramme, die aus grundsätzlichen Strömungsmittelflussprinzipien erzeugt werden, zeigen mit den Strömungsleitungen 37 ein ausreichendes Rühren durch den statischen Mischer 22 und den sekundären statischen Mischer 23, um ein gründliches Vermischen der Prozessmaterialien sicherzustellen.
In einem Ausführungsbeispiel können die gemischten Prozessmaterialien durch den statischen Mischer 22 oder den sekundären statischen Mischer 23 durch die Auslassleitung 17 zu einem Verwendungspunkt, wie beispielsweise eine Prozessausrüstung 60 hindurchgehen. Der Verwendungspunkt kann jegliche Maschine, Ausrüstung, Station oder andere Stelle sein, wo ein Strom von gemischten Prozessmaterialien erwünscht ist. Die Auslassleitung 17 kann direkt zu einer Prozessausrüstung 60 führen oder zu einem Auslass zur Verwendung durch einen Bediener. Für Prozessmaterialien, die eine begrenzte Lebensdauer besitzen, oder die andernfalls während des Transports durch die Auslassleitung 17 an Wert verlieren, kann der statische Mischer 22 oder der sekundäre statische Mischer 23 nahe an einem Verwendungspunkt gelegen sein, um diesen Verlust zu minimieren.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es beispielsweise in den 9 und 10 dargestellt ist, kann die Auslassleitung 17 in ein Haltegefäß 3 führen und die gemischten Prozessmaterialien können, wie erforderlich, von dem Haltegefäß 3 einem Verwendungspunkt zugeführt werden. Das Speichern der Prozessmaterialien in dem Haltegefäß 3 kann es ermöglichen, dass die Annehmbarkeit der gemischten Prozessmaterialien getestet wird, bevor sie an einen Verwendungspunkt gesendet werden. Instrumente, die ähnlich zu denen sind, die oben für die Analyse von chemischen und Aufschlämmungsprozessmaterialien beschrieben wurden, können ebenfalls verwendet werden, um zu verifizieren, dass die gemischten Prozessmaterialien annehmbar sind. Die Konzentrationen der einzelnen Prozessmaterialien in einer Mischung können ebenfalls unabhängig mit einer geeigneten Vorrichtung getestet werden. Beispielsweise können die Konzentrationen der verschiedenen Bestandteile mit Chromatographie, wie beispielsweise Gaschromatographie, gemessen werden. Das Speichern des gemischten Prozessmaterials in dem Haltegefäß 3 kann ebenfalls die Vereinfachung des Mischsystems, wie oben beschrieben, ermöglichen.
9 stellt ein relativ einfaches Ausführungsbeispiel des Mischsystems der vorliegenden Erfindung dar, in dem zwei Materialien, wie beispielsweise eine Aufschlämmung und Deionat, gemischt werden können. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Prozessmaterialien, die gemischt werden sollen, anfänglich in Haltegefäßen 3 gespeichert. Die Prozessmaterialien können von dem Haltegefäß 3 durch die Materiallieferleitungen 18 zu dem statischen Mischer 22 durch eine Pumpe 90 gepumpt werden. Die Ventile 21 können verwendet werden, um die Strömung von jedem Prozessmaterial zu regulieren. Um das Mischsystem zu vereinfachen, kann eines der Prozessmaterialien mit einer konstanten volumetrischen Strömungsrate geliefert werden. Beispielsweise kann ein Ventil 21 in einer einzigen Position belassen werden oder eine Zumessöffnung fester Geometrie kann verwendet werden, um eine konstante volumetrische Strömungsrate von einem der Prozessmaterialien vorzusehen. Die Strömungsrate des anderen Prozessmaterials kann dann angepasst werden, um eine gewünschte Mischung der Prozessmaterialien vorzusehen.
Wenn eines der Prozessmaterialien bei einer konstanten volumetrischen Strömungsrate belassen wird, kann ein Sensor 92, der Daten liefert, die es ermöglichen dass die volumetrische Strömungsrate in eine Massenströmungsrate umgewandelt wird, auf der Materiallieferleitung 18 beinhaltet sein. Der Sensor 92 kann die Dichte oder eine Eigenschaft messen, die mit der Dichte korreliert ist, wie beispielsweise die Temperatur. Beispielsweise kann eine Steuervorrichtung 91 ein Signal von dem Sensor 92 empfangen, das eine Dichte des Prozessmaterials darstellt, und kann eine Massenströmungsrate des Prozessmaterials basierend auf diesem Signal und der bekannten volumetrischen Strömung berechnen.
Die Steuervorrichtung 91 kann ebenfalls Signale von einem Sensor 93 empfangen, der mit der Materiallieferleitung assoziiert ist, durch die die volumetrische Strömungsrate variiert. Wie bei dem Sensor 92 kann der Sensor 93 ein Signal vorsehen, das eine Eigenschaft repräsentiert, die es ermöglicht, dass die Massenströmung in der Materiallieferleitung basierend auf einer volumetrischen Strömung berechnet wird. Da die volumetrische Strömungsrate des Prozessmaterials variieren kann, kann die Steuervorrichtung 91 auch ein Signal von einem volumetrischen Strömungsmesser 94 empfangen, was es ermöglicht, die Massenströmungsrate zu berechnen. Basierend auf der Massenströmungsrate in der Materiallieferleitung, kann die Steuervorrichtung 91 ein Ventil 21 steuern, um eine Massenströmungsrate vorzusehen, die gemeinsam mit der Massenströmungsrate des Prozessmaterials in der anderen Materiallieferleitung eine gewünschte Mischung der Prozessmaterialien vorsieht.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel, wie es zum Beispiel in 10 dargestellt ist, können der Sensor 93 und der volumetrische Strömungsmesser 94 durch Vorsehen eines Sensors 96 stromabwärts von dem statischen Mischer 22 beseitigt werden, der in der Lage ist, zu verifizieren, dass die gemischten Prozessmaterialien akzeptabel sind. Beispielsweise können, wo eine Aufschlämmung und Deionat gemischt werden, ein Densitometer, ein Prozent-Feststoffsensor oder Ähnliches verwendet werden, um zu verifizieren, dass das gemischte Prozessmaterial annehmbar ist. Der Sensor 96 kann ein Signal an die Steuervorrichtung 91 liefern, welches den Zustand des gemischten Prozessmaterials darstellt. Wenn notwendig, kann die Steuervorrichtung 91 die Strömungsrate von einem der Prozessmaterialien mit dem Ventil 21 anpassen, bis ein Signal, welches einen Sollwert darstellt, von dem Sensor 96 erreicht wird. Beispielsweise, wo die Prozessmateralien eine Aufschlämmung und Deionat sind, kann die Dichte der erwünschten Aufschlämmung/Deionat-Mischung der Sollwert sein. Wenn detektiert wird, dass diese Dichte zu gering ist, kann mehr Aufschlämmung hinzugefügt werden, und wenn detektiert wird, dass diese zu hoch ist, kann die Aufschlämmungsmenge, die hinzugefügt wird, verringert werden. In einigen Ausführungsbeispielen können mehrere Sensoren 96, unterschiedlichen oder gleichen Typs, Signale an die Steuervorrichtung liefern, die die Bedingungen der gemischten Prozessmaterialien darstellen.
In irgendeinem Ausführungsbeispiel, wo eines der Prozessmaterialien mit einer konstanten Strömungsrate zugeführt und die Strömungsrate des anderen Prozessmaterials angepasst wird, um eine erwünschte Mischung herzustellen, ist die Gesamtströmungsrate im Allgemeinen nicht auswählbar. Demgemäß können derartige Ausführungsbeispiele das gemischte Prozessmaterial an ein Haltegefäß 3 liefern. Das Haltegefäß 3 kann eine Vorrichtung oder ein System enthalten, um das Absetzen oder die Trennung der gemischten Prozessmaterialien zu verhindern, wie beispielsweise eine Rührvorrichtung. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann überschüssiges gemischtes Prozessmaterial erzeugt werden und was erforderlich ist, kann auf Nachfrage geliefert werden, wobei der Rest abgeschieden bzw. abgesondert wird. Alternativ kann die Strömungsrate des anderen Prozessmaterials ebenfalls angepasst werden, so dass die Gesamtströmungsrate der gemischten Prozessmaterialien dem Bedarf angepasst werden kann, wie zuvor beschrieben.
Während des Anlaufens oder irgendeinem anderen Zeitpunkt, an dem eine Mischung der Prozessmaterialien nicht annehmbar oder erforderlich ist, kann die Mischung weg von einem Verwendungspunkt oder Haltegefäß abgezweigt werden. Beispielsweise kann die inakzeptable oder nicht erforderliche Mischung von Prozessmaterial an einen Ableitungskanal 95 gesendet oder anderweitig entsorgt werden. Ein Ableitungskanal oder anderes Entsorgungssystem kann in jeglichem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wo die Mischung des Prozessmaterials inakzeptabel oder unter einigen Umständen nicht erforderlich ist.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, die ihrem Wesen nach veranschaulichend sein sollen und den Rahmen der beigefügten Ansprüche nicht beschränkend betrachtet werden sollen.
BEISPIELE
Beispiel 1
Ein typischer Mischprozess umfasst die Verdünnung einer feststoffreichen, konzentrierten Siliciumdioxidaufschlämmung mit Deionat. Eine derartige, industriell verfügbare Aufschlämmung ist die CABOT^® SEMISPERSE^TM 25 Aufschlämmung, welches eine kolloidale Suspension mit 25 Gew.-% Feststoffen und einem Dichtebereich von 1,162–1,170 g/ml (1,166 ± 0,004 g/ml). Diese Aufschlämmung ist eine typische Polieraufschlämmung bei der Halbleiterherstellung, die während dem Polieren der Siliciumdioxid-Oxid-Schicht oder der Oxidstufe verwendet wird. Zu Zwecken dieses Beispiels wird angenommen, dass die Nachfrage nach den gemischten Prozessmaterialien 200 Milliliter pro Minute (ml/min) beträgt.
Typische Polierprozesse erfordern eine Mischung mit einem Verhältnis einer Aufschlämmung zu Deionat von 1:1 in der Masse oder ungefähr 1:1,17 im Volumen, was zu einer endgültigen Dichte von ungefähr 1,074 Gramm pro Millimeter (g/ml) führt. Variationen in der Aufschlämmung können sich aus Variationen bei der Herstellung des Basismaterials ergeben. Darüber hinaus kann, obwohl es ein inkompressibles Strömungsmittel ist, die Dichte des in der Herstellung von Rohaufschlämmungen verwendeten Wassers variieren, wie es die Dichte des Deionats tut, das mit der Aufschlämmung gemischt wird. Dichtewerte des Deionats sind bekannt und einfach aus den technischen Referenzpublikationen verfügbar. Eine derartige Publikation, das „Handbook of Chemistry and Physics" von CRC Press Inc. bezeichnet einen Dichtebereich von 0,99970 bis 0,99565 g/ml für Wasser über einen Temperaturbereich von 50° bis 86°F (10° bis 30°C). Die Temperatur der Deionatlieferung von einer Erzeugungsanlage reicht typischerweise von ungefähr 65° bis 75°F (18° bis 24°C). Demgemäß wird zu Zwecken dieses Beispiels angenommen, dass die Dichte des Deionats 0,9821 g/ml (seine aufgelistete Dichte bei 68°F (20°C)) beträgt, jedoch könnte in der Praxis seine Temperatur überwacht werden, um eine genaue Dichte vorzusehen.
Da die Dichte der beiden Komponenten variieren kann, erzeugt die volumetrische Vermischung ein höheres Fehlerrisiko in der Mischung als die Massenvermischung. Demgemäß werden für ein Rezept mit Verhältnis von 1:1 im Gewicht, gleiche Massen von jedem Bestandteil hinzugefügt, was zu ungefähr 1,00 ml des Aufschlämmungskonzentrats und ungefähr 1, 168 ml des Deionats führt.
In einer dynamischen Situation der Rezeptmischung müssen die Materialien mit Raten ausgetauscht werden, deren Summen 200 ml/min oder 3,33 ml/Sek. entsprechen. Unter Verwendung der oben erwähnten nominalen Dichte von 1,074 g/ml und die erwünschte Mischungsströmungsrate von 200 ml/min oder 3,3 ml/Sek., ist eine Massenströmungsrate von ungefähr 1,789 g/Sek. das erwünschte Endprodukt.
Da diese einfache Anwendung gleiche Massen der beiden Bestandteile beinhaltet, kann das individuelle Anpassen der Strömungsrate der Lieferströme von sowohl der Aufschlämmung als auch dem Wasser den endgültigen projizierten Strömungsmittelstrom steuern. Idealer Weise entsprechen sich die beiden Massenraten der konzentrierten Aufschlämmung und des Deionats und das Verhältnis jeder Massenrate zu den entsprechenden Dichten für jedes Material liefert die erwünschte volumetrische Strömungsrate. Dies würde die volumetrischen Strömungsraten von ungefähr 92,064 ml/min (1,534 ml/Sek.) für die Aufschlämmung mit 25% Feststoffen und von ungefähr 107,928 ml/min (1,799 ml/Sek.) für das Deionat erzeugen. Es sei bemerkt, dass diese Anwendung nur für die konstante Dichte der Aufschlämmung von 1,166 g/ml, wie oben erwähnt, geeignet ist. Da die tatsächliche Dichte des Materials fluktuieren kann, kann die Übertragung dieses Werts von dem Abgabesubsystem zu der Steuervorrichtung die Strömungssteuervorrichtungen demgemäß anpassen. Wenn beispielsweise der Wert der Dichte auf 1,180 g/ml ansteigt, kann die Steuervorrichtung die Strömungsrate durch Schließen des Ventils zu einem geeigneten Grad reguliert werden. Dies würde wiederum die absolute Ausgangsströmungsrate verringern, was wiederum durch Erhöhen der Strömungsrate des Deionats angepasst werden würde. Die spezifizierte Endpunktströmungsrate und Dichte würde während dieser Anpassungen im Wesentlichen konstant bleiben.
Beispiel 2
Um zu demonstrieren, dass das Mischungssystem der vorliegenden Erfindung akzeptable Mischungen des Prozessmaterials erzeugen könnte, wurde die hypothetische Mischung von Aufschlämmung und Deionat, die in Beispiel 1 beschrieben ist, unter Verwendung des in 9 dargestellten Mischsystems ausgeführt. Deionat wurde von einem Haltegefäß bei einer konstanten, bekannten volumetrischen Strömungsrate geliefert und seine Temperatur wurde überwacht und an eine Steuervorrichtung geliefert, die eine Massenströmungsrate des Deionats berechnete. Die in Beispiel 1 beschriebene Aufschlämmung wurde von einem zweiten Haltegefäß geliefert. Diese Aufschlämmung wurde getestet und es wurde gefunden, dass sie einen Prozentsatz an Feststoffen von 25,8 Gew-% und eine Dichte von 1,151 g/ml besitzt. Die Dichte der Aufschlämmung und ihre volumetrische Strömungsrate wurden überwacht und an eine Steuervorrichtung geliefert, um eine Massenströmungsrate der Aufschlämmung zu berechnen. Die Aufschlämmungsmassenströmungsrate wurde mit einem Ventil durch die Steuervorrichtung angepasst, um ein Massenverhältnis des Deionats zu der Aufschlämmung von 1:1 zu erzeugen.
Basierend auf typischen Fehlertoleranzen für die Halbleiterindustrie wurde ein Bereich des akzeptablen Prozentsatzes an Feststoffen und der Dichte definiert, wie durch die oberen und unteren Niveaus in 11 und 12 dargestellt. Diese Darstellungen berichten auch den Prozentsatz an Feststoffen und die Dichte jeweils für jeden von fünf Versuchen. In sämtlichen Fällen war der Prozentsatz an Feststoffen akzeptabel und in sämtlichen Fällen außer einem war die Dichte akzeptabel. Dies demonstriert, dass das Mischsystem der vorliegenden Erfindung wiederholt akzeptable Mischungen der Prozessmaterialien liefern kann.
Während spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, ist es nicht beabsichtigt, dass sie auf die gezeigten Details beschränkt ist, da verschiedene Modifikationen und Substitutionen vorgenommen werden können, ohne in irgendeiner Weise von dem Rahmen der folgenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Ein Mischsystem, welches folgendes aufweist: eine erste Materiallieferleitung (18); eine zweite Materiallieferleitung (18); einen statischen Mischer (22) strömungsmittelmäßig stromabwärts verbunden mit den ersten und zweiten Materiallieferleitungen (18, 18); und ein Prozesssteuersystem, welches folgendes aufweist: eine erste Strömungssteuervorrichtung (20, 21) positioniert auf mindestens einer der ersten und zweiten Materiallieferleitungen (18, 18), einen ersten Sensor (96) positioniert stromabwärts von dem statischen Mischer (22) und eine Steuervorrichtung (91), die einen Logic-Code aufweist, um ein Steuersignal an die erste Strömungssteuervorrichtung (21) zu liefern, und zwar basierend auf einem durch den ersten Sensor (96) gelieferten Sensorsignal; ein Haltegefäß (3) einschließlich eines Einlasses und eines Auslasses; eine Rezirkulationsleitung (14) strömungsmittelmäßig verbunden mit dem Einlass und dem Auslass; und eine zweite Strömungssteuervorrichtung (20) strömungsmittelmäßig verbunden mit der Rezirkulationsleitung (14) und mit einer der ersten und zweiten Materiallieferleitungen (18, 18).
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei der erste Sensor (96) aus der Gruppe ausgewählt ist, die folgendes enthält: einen Dichtesensor, einen Prozent-Feststoffsensor, einen Teilchenzähler, einen pH-Sensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen Oxidations- und Reduktions-Potentialsensor, einen Berechnungsindexsensor und Kombinationen daraus.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei das Prozesssteuersystem ferner eine Eingabevorrichtung aufweist, und zwar verbunden mit der Steuervorrichtung zum Liefern eines Eingangssignals, welches eine gewünschte oder Soll-Mischung der Prozessmaterialien repräsentiert.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung einen Logic-Code aufweist, um ein Steuersignal zu der ersten Strömungssteuervorrichtung (21) zu liefern, und zwar basierend auf dem Sensorsignal und dem Eingangssignal.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei die zweite Strömungssteuervorrichtung (20) die gleiche Strömungssteuervorrichtung wie die erste Strömungssteuervorrichtung (21) ist.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei ferner eine Strömungssteuervorrichtung (19) vorgesehen ist, und zwar verbunden mit der Rezirkulationsleitung (14).
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei ferner folgendes vorgesehen ist: ein mit der Rezirkulationsleitung (14) verbundener zweiter Sensor (5, 6, 7, 8, 9) ausgewählt aus der folgendes enthaltenden Gruppe: einen Dichtesensor, einen Prozent-Feststoffsensor, einen Teilchenzähler, einen pH-Sensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen Oxidations- und Reduktions-Potentialsensor, einen Brechungsindexsensor und Kombinationen daraus.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei ferner ein Halbleiterherstellungswerkzeug (60) strömungsmittelmäßig stromabwärts vom statischen Mischer angeschlossen ist.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei ferner ein Teilchenseparator positioniert auf der ersten Materiallieferleitung, der zweiten Materiallieferleitung und der Rezirkulationsleitung (10, 11) ist.
Mischsystem nach Anspruch 1, wobei ferner ein Haltegefäß (3) vorgesehen ist, und zwar strömungsmittelmäßig stromabwärts gegenüber dem statischen Mischer (22) angeschlossen.
Ein Mischsystem, welches folgendes aufweist: eine Vielzahl von Materiallieferleitungen (18); einen statischen Mischer (22) positioniert stromabwärts von der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18) und strömungsmittelmäßig verbunden mit der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18); ein Prozesssteuersystem, welches folgendes aufweist: eine Steuervorrichtung (91), eine Eingabevorrichtung in Verbindung mit der Steuervorrichtung (91) zum Liefern eines Eingangssignals, welches eine gewünschte oder Soll-Mischung von Prozessmaterialien repräsentiert und ein erstes Ventil verbunden mit einer der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18) und mit der Steuervorrichtung (91); und ein Abgabesystem (2), welches ein Haltegefäß (3) aufweist, und zwar mit einem Einlass und einem Auslass, ferner mit einer Rezirkulationsleitung (14) strömungsmittelmäßig verbunden mit dem Einlass und dem Auslass und ein zweites Ventil (20) strömungsmittelmäßig verbunden mit der Rezirkulationsleitung (14) und mit einer der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18) derart, dass das Material von der Rezirkulationsleitung (14) selektiv zu der Materiallieferleitung (18) abgeleitet werden kann.
Mischsystem nach Anspruch 11, wobei das zweite Ventil (21) das gleiche Ventil ist wie das erste Ventil (21).
Mischsystem nach Anspruch 11, wobei ferner eine Pumpe (4) vorgesehen ist, die mit der Rezirkulationsleitung (14) in Verbindung steht.
Mischsystem nach Anspruch 11, wobei ferner ein mit der Rezirkulationsleitung verbundener Sensor (5, 6, 7, 8, 9) vorgesehen ist, und zwar ausgewählt aus der folgendes enthaltenden Gruppe: einen Dichtesensor, einen pH-Sensor, einen Leitfähigkeitssensor, einen Oxidations- und Reduktions-Potentialsensor, einen Teilchenzähler, einen Brechungsindexsensor, einen Prozent-Feststoffsensor und Kombinationen daraus.
Mischsystem nach Anspruch 11, wobei ferner ein Teilchenseparator (10, 11) vorgesehen ist, und zwar positioniert auf einer der folgenden Leitungen: erste Materiallieferleitung, zweite Materiallieferleitung und Rezirkulationsleitung.
Mischsystem nach Anspruch 11, wobei das erste Ventil eine Vielzahl von Ventilen aufweist, deren jedes mit einer Leitung der Vielzahl von Materiallieferleitungen und der Steuervorrichtung verbunden ist.
Mischsystem nach Anspruch 11, wobei ferner ein Sensor (96) vorgesehen ist, und zwar positioniert stromabwärts gegenüber dem statischen Mischer und in Verbindung mit der Steuervorrichtung.
Mischsystem nach Anspruch 17, wobei der mit der Rezirkulationsleitung verbundene Sensor (96) aus der aus folgendem bestehenden Gruppe ausgewählt ist: ein Dichtesensor, ein pH-Sensor, ein Leitfähigkeitssensor, ein Oxidations- und Reduktions-Potentialsensor, ein Teilchenzähler, ein Brechungsindexsensor, ein Prozent-Feststoffsensor und Kombinationen daraus.
Mischsystem nach Anspruch 17, wobei die Steuervorrichtung (91) einen Logic-Code aufweist, um ein Signal an das erste Ventil (20, 21) zu liefern, und zwar basierend auf einem Signal geliefert durch den Sensor (96).
Ein Verfahren zum Liefern von gemischten Prozessmaterialien, wobei folgendes vorgesehen ist: Liefern eines ersten Prozessmaterials durch eine erste Materiallieferleitung (18); Liefern eines zweiten Prozessmaterials durch eine zweite Materiallieferleitung (18); Mischen der ersten und zweiten Prozessmaterialien in einem statischen Mischer (22) strömungsmittelmäßig verbunden stromabwärts mit den ersten und zweiten Materiallieferleitungen (18, 18); und Regulieren der Lieferung von einem der ersten und zweiten Prozessmaterialien mit einem ersten Ventil (21) positioniert auf einer der ersten und zweiten Materiallieferleitungen (18, 18), und zwar basierend auf einem Sensorsignal geliefert durch einen Sensor (96) positioniert stromabwärts gegenüber dem statischen Mischer; Halten eines der ersten und zweiten Prozessmaterialien in einem Haltegefäß (3) mit einem Einlass und einem Auslass; Rezirkulieren eines der ersten und zweiten Prozessmaterialien in einer Rezirkulationsleitung (3) verbunden mit dem Haltegefäßeinlass und -auslass; und Ableiten oder Ablenken von mindestens einem Teil der ersten und zweiten Prozessmaterialien in eine der ersten und zweiten Materiallieferleitungen (18) mit einem zweiten Ventil (20) verbunden mit der Rezirkulationsleitung und mit einer der ersten und zweiten Materiallieferleitungen.
Verfahren zum Liefern von gemischten Prozessmaterialien nach Anspruch 20, wobei der Sensor (96) ein Sensorsignal liefert, und zwar entsprechend einer Eigenschaft ausgewählt aus der folgendes enthaltenden Gruppe: Dichte, Prozent Feststoffe, Teilchenzählerstand, pH-Wert, Leitfähigkeit, Oxidations- und Reduktionsmittelpotential, ein Brechungsindex des gemischten Prozessmaterials, und Kombinationen davon.
Verfahren zum Liefern von gemischten Prozessmaterialien nach Anspruch 20, wobei ferner ein Eingangssignal empfangen wird, welches eine gewünschte Mischung der Prozessmaterialien repräsentiert, und zwar von einer Eingabevorrichtung verbunden mit der Steuervorrichtung (91).
Verfahren zum Liefern gemischter Prozessmaterialien, wobei folgendes vorgesehen ist: Liefern einer Vielzahl von Prozessmaterialien durch eine Vielzahl von Materiallieferleitungen (18); Mischen der Vielzahl von Prozessmaterialien in einem statischen Mischer (22) positioniert stromabwärts gegenüber der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18); Regulieren der Lieferung der Vielzahl von Prozessmaterialien mit einem Prozesssteuersystem, welches folgendes aufweist: eine Steuervorrichtung (91); eine Eingabevorrichtung (96), die verbunden ist mit der Steuervorrichtung (91), um ein Eingangssignal zu liefern, welches eine gewünschte Mischung von Prozessmaterialien repräsentiert, und ein erstes Ventil (20, 21) verbunden mit einer der Vielzahl von Materiallieferleitungen und der Steuervorrichtung; Halten von einem oder mehreren der Vielzahl von Prozessmaterialien in einem Haltegefäß (3) mit einem Einlass und einem Auslass; Rezirkulieren von einem oder mehren der Vielzahl von Prozessmaterialien in einer Rezirkulationsleitung (14) verbunden mit dem Haltegefäßeinlass und -auslass; und Ablenken eines Teils von einem oder mehreren der Vielzahl von Prozessmaterialien in eine der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18) mit einem zweiten Ventil (20) verbunden mit der Rezirkulationsleitung (14) und mit einer oder mehreren der Vielzahl von Materiallieferleitungen (18).
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das erste Ventil (20, 21) das gleiche ist wie das zweite Ventil (21).
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Rezirkulation das Pumpen der Prozessmaterialien umfasst.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Rezirkulation eines oder mehrerer der Vielzahl von Prozessmaterialien ferner das Messen einer Eigenschaft von dem einen oder den mehreren der Vielzahl von Prozessmaterialien umfasst, und zwar ausgewählt aus der Gruppe, die aus folgendem besteht: eine Dichte, ein pH-Wert, eine Leitfähigkeit, ein Oxidations- und Reduktionsmittelpotential, ein Prozentsatz an Feststoffen, eine Anzahl von Teilchen, ein Brechungsindex, und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei ferner die Trennung von teilchenförmigem Material von der Rezirkulationsleitung vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Regulierung der Lieferung oder der Einspeisung der Vielzahl von Prozessmaterialien mit einem Prozesssteuersystem ferner die Steuerung des ersten Ventils umfasst, und zwar basierend auf einem Sensorsignal geliefert durch einen Sensor stromabwärts gegenüber dem statischen Mischer.