DE69828754T2

DE69828754T2 - Aufschlämmung-Mischvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE69828754T2
Application number: DE69828754T
Authority: DE
Inventors: Peter M San Jose Pozniak; Duy Khanh San Jose Trang; Benjamin R Los Altos Roberts
Original assignee: BOC Group Inc
Current assignee: Edwards Vacuum LLC
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: KR100332367B1; SG70137A1; CA2249965C; CA2249965A1; US5887974A; JPH11207604A; IL126495A0; IL126495A; EP0922534A2; JP4354552B2; EP0922534B1; DE69828754D1; TW442325B; KR19990045565A; EP0922534A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen einer Schlämme aus einem Schlammkonzentrat, wobei das Schlammkonzentrat, deionisiertes Wasser und ein Oxidierer in eine Verbindungsstelle gepumpt werden, um die Schlämme zu erzeugen. Mehr im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf ein solches Gerät und Verfahren, bei welchem die Homogenität der Schlämme verbessert wird, indem die Schlämme durch eine Mischeinrichtung geleitet und ein Teil der fertiggestellten Schlämme zurück zu der Verbindungsstelle rezirkuliert wird.
Schlämmen werden in einer Vielfalt von Oberflächenbehandlungstechniken verwendet. Eine wichtige Oberflächenbehandlung, die bei der Herstellung von Halbleitergeräten eingesetzt wird, ist das chemisch-mechanische Polieren oder Planarisieren. Typischerweise enthalten die bei dieser Oberflächenbehandlung verwendeten Schlämmen Kaliumhydroxid, Siliziumoxid, einen Oxidierer wie beispielsweise Wasserstoffperoxid, und ein Verdünnungsmittel wie beispielsweise deionisiertes Wasser. Eisen-III-Nitrat oder -Chlorid könnte ebenfalls vorhanden sein. Der in der Schlämme enthaltene Oxidierer wirkt auf die zu behandelnde Oberfläche ein, und die abrasiven Teilchen scheuern die Oberflächenschicht weg. Schlämmen werden oftmals als Schlammkonzentrat, das beispielsweise das Kaliumhydroxid und Silitiumdioxid enthält, zu einer Verwendungsstelle transportiert. Das Verdünnungsmittel und der Oxidierer werden dann an Ort und Stelle zu dem Konzentrat oder in manchen Fällen am Werkzeug selbst zugegeben.
Es gibt jedoch zahlreiche Schwierigkeiten, die mit dem Mischen der Schlämme und der Handhabung der einmal gemischten fertigen Schlämme verbunden sind. Ein Hauptproblem liegt darin, daß die Schlämme eine sehr begrenzte Topfzeit hat und in soweit nur eine sehr begrenzte Verwendungsdauer der Schlämme nach dem Mischen gegeben ist. Des weiteren bleiben Schlämmen wie solche, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden, nicht homogen, nachdem sie Scherkräften ausgesetzt worden sind. Beispielsweise erzeugt in der Schlämme aufgrund scharfer Rohrbiegungen induzierte Scherung eine Agglomeration, welche die Brauchbarkeit der Schlämme in dem Halbleiterfertigungsprozeß zerstört.
Wegen solcher Probleme sind Schlämmezufuhr- und Mischsysteme vorgeschlagen worden, in denen die Schlämme an Ort und Stelle aus dem Schlammkonzentrat gemischt wird. Ein Beispiel eines solchen Systems ist in der US-Patentbeschreibung Nr. 5 407 526 be schrieben. In diesem Patent werden das Schlammkonzentrat und das Oxidationsmittel in eine Mischkammer gepumpt, wo sie zur Bildung der fertigen Schlämme gemischt werden. Die Schlämme wird dann sofort auf den Halbleiter aufgebracht, so daß sie mittels des Polierwerkzeugs verarbeitet werden kann. Ein anderes Schlammmischsystem ist in der US-Patentbeschreibung Nr. 5 478 435 beschrieben, bei welchem Schlämme direkt auf ein Polierkissen eines chemisch-mechanischen Planarisierungswerkzeugs gepumpt werden.
In jedem der vorstehenden US-Patente kann die Mischung der Schlämme aus dem Schlammkonzentrat nur erfolgen, wenn sich das Polierwerkzeug in Betrieb befindet. Die Erfindung beinhaltet eine Einrichtung und ein Verfahren, wo die Schlämme an einer von dem Polierwerkzeug entfernten Stelle gemischt wird, um eine Verteilung der Schlämme auf mehrere Werkzeuge zu ermöglichen, die jeweils nicht unbedingt in Betrieb sein müssen. Des weiteren ermöglicht die Erfindung eine bessere Steuerung der Konsistenz und Aufbereitung der Schlämme, als dies in einem der vorstehenden US-Patente möglich ist.
Die WO 96/02 319 beschreibt eine Einrichtung zum Mischen, Rühren und Zuführen von ChemikalienSchlämme zur Verwendung bei einem Fertigungsvorgang.
Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung einer Schlämme aus einem Schlammkonzentrat vorgesehen, wobei die Einrichtung eine erste, zweite und dritte Einlasspumpe zum Pumpen des Schlammkonzentrats bzw. von deionisiertem Wasser bzw. einem Oxidierer, ein Strömungsnetzwerk mit einem Abgabezweig und einem Rezirkulationszweig zum Aufteilen eines Stroms der Schlämme in einen Abgabestrom und einen Rezirkulationsstrom, eine an die erste, zweite und dritte Pumpe und den Rezirkulationszweig des Strömungsnetzwerks angeschlossene Verbindung, so daß das Schlammkonzentrat, das deionisierte Wasser, der Oxidierer und der Rezirkulationsstrom miteinander in Berührung gebracht werden, um ein Gemisch zu bilden, mindestens eine an die Verbindung angeschlossene Mischeinrichtung zur Begünstigung der Homogenität des Gemischs und dadurch zur Bildung der Schlämme, und eine Auslasspumpe umfasst, die mit der mindestens einen Mischeinrichtung verbunden ist, um die Schlämme von der mindestens einen Mischeinrichtung wegzupumpen, wobei das Strömungsnetzwerk mit der Auslasspumpe verbunden ist und der Rezirkulationszweig ein Druckminderventil zum Absenken des Abgabe drucks auf einen dem Schlammkonzentrat, dem deionisierten Wasser und dem Oxidierer durch die erste, zweite und dritte Einlasspumpe mitgeteilten Druck enthält.
Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen einer Schlämme aus einem Schlammkonzentrat, wobei das Verfahren umfasst: Pumpen des Schlammkonzentrats, von deionisiertem Wasser und eines Oxidierers zur Bildung von drei gepumpten Strömen mit einem durch das Pumpen mitgeteilten Druck, Zusammenbringen der drei gepumpten Ströme in Berührung miteinander und mit einem Rezirkulationsstrom zur Bildung eines Gemischs, Begünstigen der Homogenität innerhalb des Gemischs zur Bildung der Schlämme, Pumpen der Schlämme auf einen Abgabedruck, Aufteilen der Schlämme in einen Abgabestrom und den Rezirkulationsstrom, und Absenken des Abgabedrucks des Rezirkulationsstroms auf den Druck vor dem Kombinieren des Rezirkulationsstroms mit den drei gepumpten Strömen.
Obwohl die Schlämme an Ort und Stelle und nach Bedarf gebildet wird, braucht die die Schlämme verwendende Polier- oder sonstige Ausrüstung während des Mischens der Schlämme nicht in Betrieb zu sein. Darüber hinaus besteht ein größeres Maß an Steuerung über die Konsistenz der Schlämme aufgrund der Begünstigung der Homogenität durch Mischeinrichtungen sowie das Rezirkulieren der fertigen Schlämme.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Ausführen eines Verfahrens nach der Erfindung, und
2 eine Schnittdarstellung einer Mischeinrichtung, die in 1 verwendet wird.
Es wird auf 1 Bezug genommen, wo eine Einrichtung 1 zum Erzeugen einer Schlämme gemäß der Erfindung dargestellt ist. Es kann sich um eine selbstständige Einheit oder um eine solche handeln, die in Verbindung mit einem bekannten Verteilungsgerät zum Zuführen von Schlämme unter Druck zu einer oder mehreren Verwendungsstellen benutzt wird.
Eine erste Pumpe 10 ist zum Pumpen eines Stroms 12 aus einem Schlammkonzentrat vorgesehen. Eine zweite Pumpe 13 ist zum Pumpen eines Stroms 14 von deionisiertem Wasser vorgesehen, und eine dritte Pumpe 16 ist zum Pumpen eines Stroms 18 eines Oxidierers vorgesehen. Die erste, zweite und dritte Pumpe 10, 13 und 16 sind vorzugsweise peristaltische Pumpen. Des weiteren wird bevorzugt, daß die erste, zweite und dritte Pumpe 10, 13 und 16 Pumpen mit variabler Drehzahl sind, so daß das Verhältnis der gepumpten Bestandteile eingestellt werden kann. Es sind auch andere Arten der Einstellung möglich, beispielsweise könnte eine feste Einstellung durch Vorsehen von Pumpen mit unterschiedlichen Kapazitäten bewirkt werden. In jedem Fall sollten die die Ströme 20, 22 und 24 führenden Rohrleitungen im allgemeinen von gleicher Länge sein, so daß die gewünschten Strömungen im Verlauf der Zeit leicht eingestellt werden können, ohne daß zeitweise Verschiebungen der Mischverhältnisse bewirkt werden.
Die drei gepumpten Ströme 20, 22 und 24 werden in eine Verbindungsstelle 26 zugeführt. Da die erste, zweite und dritte Pumpe 10, 13 und 16 mit unterschiedlichen Drehzahlen arbeiten und durch jede Pumpe eine gewisse Strömungspulsierung erzeugt wird, werden Reihen von Bereichen innerhalb des die Verbindungsstelle 26 verlassenden Stroms erzeugt, die reicher an einer Komponente als an einer anderen Komponente sind. Ein Rezirkulationsstrom, der aus der fertigen Schlämme hergestellt wird, wird ebenfalls in die Verbindungsstelle 26 zugeführt.
Die Schlämme gelangt dann durch einen bekannten statischen Mischer 28. Der statische Mischer 28 ist so gepackt, daß er die gemischte Schlämme auswärts führt und dadurch die Homogenität in einer zur Strömungsrichtung radialen Richtung begünstigt. Die nunmehr radial strömende gleichförmige Schlämme gelangt in einen Trichtermischer 30, der die Homogenität des Schlämmestroms in Richtung der Strömung begünstigt. Eine Auslasspumpe 32 ist mit dem Mischer 30 verbunden, um die Schlämme auf einen Abgabedruck zu pumpen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist möglich, die den statischen Mischer 28 nicht enthält. Bei einer solchen Ausführungsform würden leichte Schwankungen der Schlämmezusammensetzung in radialer Richtung zur Strömung der Schlämme toleriert werden.
Die Schlämme gelangt dann in ein mit der Auslasspumpe 32 verbundenes Strömungsnetzwerk. Das Strömungsnetzwerk hat einen Abgabezweig 34 und einen Rezirkulationszweig 36. Vorzugsweise sollte das Strömungsnetzwerk, insbesondere durch geeignete Bemessung der Rohrleitungen, so ausgelegt sein, daß etwa 50% der in den Abgabezweig 34 eintretenden Schlämme im Rezirkulationszweig 36 rezirkuliert werden.
Es sind höhere oder niedrigere Rezirkulationsraten möglich, je nach der beabsichtigten Zusammensetzung der Schlämme. Ein Rückschlagventil 38 ist vorgesehen, um zu verhindern, daß der Rezirkulationsstrom in Richtung zum Abgabezweig 34 zurückfließt. Ein Druckregelventil 39 dient zum Absenken des Drucks des Rezirkulationsstroms vom Abgabedruck auf den durch die erste, zweite und dritte Pumpe 10, 13 und 16 mitgeteilten Druck. Der Rezirkulationszweig 36 ist mit der Verbindungsstelle 26 verbunden und kann mit einem Rückführungszweig 54 verbunden sein. Ein Rückschlagventil 40 kann innerhalb des Rezirkulationszweigs 36 vorgesehen sein, um eine Rückströmung zu verhindern.
Es wird zusätzlich auf 2 Bezug genommen, wonach der Trichtermischer 30 mit einem Trichter 42 und einem koaxialen Rohr 44 ausgebildet ist, das innerhalb des Trichters 42 angeordnet ist. Das koaxiale Rohr 44 ist mit Öffnungen 46 in Gruppen von vier Öffnungen versehen, die vorzugsweise um 90° voneinander beabstandet sind, so daß die Schlämme aus dem Rohr 44 in vier ortogonalen Richtungen in den Trichter 42 austritt. Das Rohr 44 ist an einem Ende 48 offen, um Schlamm aufzunehmen, und an einem Ende 50 verschlossen. Die Schlämme mischt sich daher selbst in Längsrichtung innerhalb des Trichters 42 und folglich parallel relativ zu seiner Strömungsrichtung. Die Schlämme wird aus einer Bodenöffnung 32 ausgetragen, wie im Boden des Trichters 42 angeordnet ist. Es sind auch andere Mischeinrichtungen in der Leitung möglich.
Die Schlämme tritt aus dem Abgabezweig 34 und durch ein Ventil 53 aus, das zum Trennen des Schlämmewerkzeugs von dem Strömungsnetzwerk dienen kann. Nach dem Werkzeug fließt die Schlämme durch den Rückführzweig 54 zurück. Der Druck dieser Rückführung ist durch Verwendung eines Druckregelventils 55 abgesenkt. Ein Rückschlagventil 56 kann vorgesehen sein, um eine Rückströmung zu verhindern. Zurückgeführte Schlämme (oder allgemeiner ausgedrückt, nicht verwendete Schlämme) gelangt in den Rückführzweig 54 und wird daher ebenfalls zu der Verbindungsstelle 26 zugeführt.
Der Rückführzweig 54 kann von dem Schlämmewerkzeug durch ein Ventil 58 getrennt sein. Wenn sowohl das Ventil 53 als auch das Ventil 58 geschlossen ist, können die Ventile 59 und 68 geöffnet werden, damit das System mit deionisiertem Wasser zu Reinigungszwecken gespült werden kann. Daher werden die Ventile 53 und 58 der Einrichtung 1 während des Betriebs in die Offenstellung gestellt und die Ventile 59 und 68 in die Schließstellung. Ein Trennventil 70 kann vorgesehen sein, um den Ablauf aus dem Strömungsnetzwerk während dessen Reinigung zu trennen.

Claims

Einrichtung zur Erzeugung einer Schlämme aus einem Schlammkonzentrat, wobei die Einrichtung umfasst: eine erste (10), zweite (13) und dritte (16) Einlasspumpe zum Pumpen des Schlammkonzentrats bzw. von deionisiertem Wasser bzw. eines Oxidierers, ein Strömungsneztwerk mit einem Abgabezweig (24) und einem Rezirkulationszweig (36) zum Aufteilen eines Stroms der Schlämme in einen Abgabestrom und einen Rezirkulationsstrom, eine an die erste, zweite und dritte Pumpe und den Rezirkulationszweig des Strömungsnetzwerks angeschlossene Verbindung (26), so daß das Schlammkonzentrat, das deionisierte Wasser, der Oxidierer und der Rezirkulationsstrom miteinander in Berührung gebracht werden, um ein Gemisch zu bilden, mindestens eine an die Verbindung angeschlossene Mischeinrichtung (28, 30) zur Begünstigung der Homogenität des Gemischs und dadurch zur Bildung der Schlämme, und eine Auslasspumpe (32), die mit der mindestens einen Mischeinrichtung verbunden ist, um die Schlämme von der mindestens einen Mischeinrichtung wegzupumpen, wobei das Strömungsnetzwerk mit der Auslasspumpe verbunden ist und der Rezirkulationszweig ein Druckminderventil (39) zum Absenken des Abgabedrucks auf einen dem Schlammkonzentrat, dem deionisierten Wasser und dem Oxidierer durch die erste, zweite und dritte Einlasspumpe mitgeteilten Druck enthält.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Mischeinrichtung umfasst: einen Trichter (42) mit einem vertikal orientierten Rohr (44) mit Perforationen (46), aus welcher das Gemisch in den Trichter austritt, wobei der Trichter einen Bodenauslaß (52) aufweist, der mit der Auslasspumpe verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die mindestens eine Mischeinrichtung weiter einen statischen Mischer (29) enthält.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strömungsnetzwerk des weiteren einen Rückführungszwei (54) aufweist, der an die Verbindung angeschlossen ist, um unbenutzte Schlämme zurück in die mindestens eine Mischeinrichtung zu führen, wobei der Rückführungszweig ein weiteres Druckregulierventil zum Absenken des Abgabedrucks zurück auf den dem Schlammkonzentrat, dem deionisierten Wasser, und dem Oxidierer durch die erste, zweite und dritte Einlasspumpe mitgeteilten Druck enthält.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpen drehzahlveränderliche Pumpen sind.
Verfahren zum Erzeugen einer Schlämme aus einem Schlammkonzentrat, wobei das Verfahren umfasst: Pumpen des Schlammkonzentrats, von deionisiertem Wasser und eines Oxidierers zur Bildung von drei gepumpten Strömen mit einem durch das Pumpen mitgeteilten Druck, Zusammenbringen der drei gepumpten Ströme in Berührung miteinander und mit einem Rezirkulationsstrom zur Bildung eines Gemischs, Begünstigen der Homogenität innerhalb des Gemischs zur Bildung der Schlämme, Pumpen der Schlämme auf einen Abgabedruck, Aufteilen der Schlämme in einen Abgabestrom und den Rezirkulationsstrom, und Absenken des Abgabedrucks des Rezirkulationsstroms auf den Druck vor dem Kombinieren des Rezirkulationsstroms mit dem drei gepumpten Strömen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Homogenität durch Einleiten des Gemischs in einen statischen Mischer (28) begünstigt wird, der ein in einen Trichter (42) enthaltenes vertikal orientiertes Rohr (44) speist, wobei das Rohr Perforationen (46) hat, aus denen das Gemisch in den Trichter austritt.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, das weiter das Einleiten unbenutzter Schlämme in das Gemisch umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Pumpendrehzahl zur Steuerung der Anteile des Schlammkonzentrats, des deionisierten Wassers und des Oxidierers eingestellt wird.