JP2005533639A - プロセス材料を配合するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

プロセス材料を配合および供給するための方法および装置。本方法および装置は、特に、超高純度化学物質の配合、半導体ウエハ研磨用の研磨スラリーとその他の化学物質の配合、および化学物質の高精度配合に応用可能である。

Description

発明の詳細な説明

発明の背景
配合プロセス化学物質（blended process chemicals）は、例えば、半導体工業において必要となる。一般的な配合方式システム（blend style system）において、供給システム市場を支配している２つの混合方式（styles of mixing）があり、それが体積方式および質量方式である。両者とも定量的な技法であり、これらの技法では、流入液体は均一な流れであり、合計単位質量を基準とする特定の化学成分の質量割合の分析に基づいた化学濃度において、狭い変動範囲内にあることが仮定される。ほとんどの場合に、これらの小さな変動は、数パーセントであり、例えば、半導体グレードの過酸化水素は、通常は３０重量パーセントであると仮定されるが、これは２８〜３３重量パーセントの範囲で変動する可能性がある。これらの化学物質の最終寄与が重量で１０分の数パーセントから約４パーセントであることを必要とする配合物を対象とするときには、流入化学物質の流入重量割合が広範囲であると、最終溶液への是正が必要となる変動へとつながる可能性がある。最終溶液の是正は、オフライン技法またはインライン技法において生じる可能性があり、それには、物理的サンプル収集と実験室解析による分析から、自動化サンプル分析システムによりサンプル分流と分析を行うものまでがある。製造環境において使用するために移送を待つ、液体化学物質配合物の最終受け入れには、多大な時間がかかることがある。

化学的応用における現行の液体配合方式では、必要構成成分のそれぞれを分配するために、体積計測または質量計測の使用が必要である。体積計測は、流量計の使用または液面検知によって行われる。流量計は、何らかの機構、例えば外輪車、タービン翼車、超音波周波数、圧力差計測、その他によって液体の体積を計測する。液面センサは、容器内の液体柱の高さを測定し、容器の既知の断面積を介して、体積と関係づける。

体積計測は、様々な方式の流量計および液面計測部品を利用して、容器中に分配される体積を測定する。この体積はある時間にわたって送出され、これは、適正な量の液体を分配するために個々の液体流に要求される投入パラメータに基づいて、相応して変動することがある。投入パラメータは支援システムに基づいており、この支援システムは一般に圧力供給され、配合システムに供給する流量の変動を起こすことがある。変動は、供給設備において使用される送出機構の方式における脈動、支援ラインを介して課せられる摩擦損失、または化学処理施設内部の供給設備の場所に応じた様々な水頭損失（head loss）に起因することがある。原材料の個々の供給流による供給の流れを減速する、これらの様々な寄与は、いずれも、配合容器内部の化学物質を分配するための時間を増大させる。

これらの計測方式のそれぞれは、計測に起因するなんらかの形態の誤差を生じさせる。この誤差は、デバイスに備わった感度レベルに基づく、固定割合の形態である可能性がある。この割合は、既知の一定値となり、この値は、流量計の全動作範囲に適用される。これは、フルスケールと呼ばれることもある。別の誤差の形態は、読取り値の割合となり、これは流れの増加と共に増大する。例として、毎分０．１リットルのフルスケール誤差で、毎分１〜１０リットルの範囲である流量計は、流速に関係なく、０．１リットルの同一の誤差を生成することになる。この流量計は、高い流量値において有利であるが、それは、この固定誤差は不正確さのレベルに対しての寄与が小さいためである。誤差が一定であるので、計測された流量に対する全体誤差は、流量が増加するにつれて、毎分１リットル時の１０％から、毎分１０リットル時の１％まで低下する。別の例としては、フルスケール誤差が１％で、毎分１〜１０リットルの範囲の流量計がある。この流量計において流量が増大すると、不正確さのレベルは、流量の一定割合のままとなる。分配される量に関係なく、誤差は、流量の固定割合のままとなる。流体が流量計から容器に分配されるときには、固定誤差であっても流量の固定割合であっても、不正確な構成成分の量は、誤差率と、流体が流量計を介して分配される時間との積である。このような寄与は、特定のプロセス内においては一定値となり、これは一般にシステムが作動する状態で調整される。

いずれの場合にも、液体化学物質の配合プロセスの最終結果は、指定された処方を維持する流体の体積である。この処方は、特定の化学種、試薬、開始化合物、事前混合比、およびその他の液体または粉体種類の選択比の選択として詳細に記述されている。この処方の要件は、あるレベルの許容誤差が維持されるか、さもなければバッチの内容が、指定のプロセスに対して使用不可として登録されなくてはならないということである。そのような場合の例としては、特定の酸の希釈、より具体的には、ウエハ基板の層をエッチングするのに使用されるフッ化水素酸の希釈の場合がある。この層に対するエッチングは、フッ化水素酸の浴環境にウエハを浸漬する結果であり、フッ化水素酸は、均一な材料の除去が達成できるように浴環境内で操作することができる。このプロセスは、露出されたウエハの材料除去速度を時間とともに一定とするために、指定の濃度を必要とする。すなわち、濃度が低すぎると、十分な材料が除去されず、特定の層が露出されて後続のプロセスステップにおいて処理されることになり、濃度が高すぎると、下にある表面を露出させて、ウエハの損傷を生じ、生産ロットから廃棄されるだけとなる。

別の例は、タングステンまたは銅の結線などの金属接点を必要とする、ウエハ基板の化学的および機械的な研磨、または平坦化に関する。二酸化ケイ素または酸化アルミナ（alumina oxide）などの不活性材料を含む研磨懸濁液が、除去プロセスのために特定のｐＨ値を保つための追加の改質剤（modifying chemicals）を含む、脱イオン水の媒体中に分散される。これらのスラリーは、過酸化水素水、硝酸第二鉄、ヨウ素酸カリウムなどの酸化剤と混合してもよく、ここで酸化剤は、化学結合を介して基板の金属構成成分と反応し、金属イオンを酸化させる。不活性研磨剤は、研磨表面と共に、機械的用剤として作用し、酸化された金属を除去し、プロセスで処理しようとする材料の新鮮な層を露出させる。ここでも、プロセスは、酸化物の特定の濃度を維持して、製造プロセス全体を通して、各ウエハ毎に、均一な除去速度を保証するようにしなくてはならない。酸化剤含有率が変化すると、目標酸化剤濃度より低い場合には、不完全な除去が起こり、部分的に平坦化されたウエハが残る。また酸化剤濃度が、指定目標値より高いと、過度に研磨された表面が露出し、場合によっては、ウエハを損傷してウエハの廃棄につながることさえある。

配合化学物質のプロセスへの定常的な供給を維持することは、それが半導体ウエハ基板の生産において消費される場合には、製造設備が本格生産状態にあるときに重要である。生産設備を通してのウエハの流れは、すべての生産設備の場合と同様に、ボトルネックが生じると低下する。液体化学物質配合および分配システム内におけるボトルネックは、配合システムに入る液体流の調整を介して正確な配合を取り込もうとする試みの結果として、流量調整が原因で発生することがある。配合の継続時間に寄与する要因としては、システムへの各流れの追加、改質薬品をプロセスに添加するときの製品の循環、所望の均一配合物を達成するための、これらの構成成分の攪拌、最終配合物の計測、配合物の合格への認定手順（qualification procedure）、指定範囲外（out-of-specification）バッチへの事後添加、計測前の循環時間、および配合物の再認定がある。バッチがオーバシュートした場合には、配合システム機構によっては、配合を調節する技術を持たないものがあり、この場合には、単に全バッチプロセスが再開始するために内容物が排液ラインから廃棄される。このようなバッチの損失は、時間の損失と化学物質の浪費とにつながる。

混合容器へのプロセス材料の添加は、通常は、質量または体積の差を計測することによって、監視および調整がなされる。一般的な質量差調整式添加には、保持容器またはタンク上の秤の使用を伴うことがある。この種のシステムにおいては、自動制御システムが、同時に添加される２種類のプロセス材料の相対量を識別することができないために、各プロセス材料は個別に添加される。一般的な体積差調整式添加には、流量計の使用を伴うことがある。いずれの場合にも、流入液体が、指定範囲外に変化する場合には、合格認定中に最終計測が行われるまでは、不合格の配合物について即座に知ることはできない。

従来式プロセスの多くは、その目的の用途に合格する配合プロセス材料のバッチを生産するのに、プロセス材料の高精度の添加を必要とする。したがって、混合容器への投入量を監視する計測機器は、通常、バッチ間の一貫性を保証するために非常に高精度である。ほとんどの応用において、わずかなプロセス変化でも、配合プロセス材料のバッチにおける重大な差異を生じ、そのバッチを、その目的用途に対して使用不能にする可能性がある。

半導体基板およびデバイスウエハがいくつかのステップに供される、ウエハの本格生産には、製造技法が組み込まれており、それには、堆積ステップの結果としての不要な層の除去、必要な平坦化ステップ、およびエッチング機能である。これらの機能は、時間ベースプロセスを必要とする場合があり、それにおいては、ウエハ基板が、浴またはシンクに浸漬されている間に溶液に露出され、清浄プロセス中に化学溶液を噴霧され、化学的および機械的研磨過程を経て材料を除去して、順次プロセスステップを行うための表面を準備する。これらのウエハ基板の生産コストが高いことから、使用する化学溶液は、製造プロセスにおける一貫性をもたらすために、製造される化学物質の各配合バッチに対して厳密な正確さを要求する。バッチ間の一貫性を維持して、ウエハ製造の全体プロセスでの廃棄ウエハが最少になることを保証しなくてはならない。
複数化学物質処方は、スラリー、化学機械式平坦化（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Planarization）後の清浄メッキ浴、現像液、その他にとって、システム要件においての重要な特徴となりつつある。必要とされる処方は、１％以下（すなわち、それよりも良好な）配合精度を要求する。これらの処方は、一定尺度において１：１から１：１０００までの比を有することがある。必要なシステム構成成分を正確に指定することは、すべてのシステム設計技術者に課題を与える。

概要
一態様において、本発明は、第１および第２の材料を受け入れるための第１の取入口と第２の取入口とを有する配合室を含む、配合システムを目的とする。第１の取入口は第１の弁に、第２の取入口は第２の弁に接続されている。システムは、第１および第２の材料の混合物を受け入れるとともに、その混合物を配合室に送り返す、配合室に接続された再循環ラインを含む。センサが再循環ラインに配置されるとともに、コントローラがこのセンサと前記第２の弁に接続されて、第２の取入口で受け入れる第２の材料の量を制御して、混合物中における第２の材料の所望濃度を達成する。

別の態様においては、本発明は、配合室を有する、少なくとも２種類の構成成分を配合するシステムを目的とする。この配合室は、それぞれ、第１および第２の材料を受け入れるための第１および第２の取入口、ならびに第１の構成成分および第２の構成成分の混合物を装置（tool）に分配する取出口、および再循環ライン用の取入口および取出口を有する。このシステムは、また、再循環ラインにおいて混合物を分析して、第２の構成成分を配合室に添加する速度を調節する手段を含む。
別の態様においては、本発明は、少なくとも２種類の材料を所望の濃度に配合する方法を目的とする。第１の材料は配合室にまとめて大量に提供され、第２の材料の流れが配合室に提供されて、混合物が生成される。この混合物の特性を混合物が再循環する間に計測し、配合室への第２の材料の流れを調節して、所望の濃度を達成する。
本発明の、好ましい、非限定の実施態様を、添付の図面を参照して例を挙げて説明する。

発明の詳細な説明
本発明は、特に、半導体デバイス基板および全体ウエハデバイスの製造および処理に使用される超高純度化学物質の希釈および配合のための方法であって、化学処方終点の特定のパラメータを検出する定性的計測による尺度を使用する、均質化のための化学物質の配合方法を目的とする。このプロセスは、半導体デバイス基板の平坦化に使用される研磨用コロイド懸濁液の配合にも応用することができる。

以下に記述する本発明は、物理的配合プロセス中にバッチを分析かつ修正して、液体化学物質流をバッチに添加する速度を調節して、系が要求される終点濃度に到達することを可能にすることによって、液体化学物質バッチを認定して受け入れる時間を低減するプロセスを生成する手段である。
本発明は、半導体デバイス基板およびデバイスウエハの処理および製造において使用する、液体化学物質の一定流入バルク濃度を配合するシステムを目的とする。半導体デバイス基板およびデバイスウエハの製造に使用されるある特定のプロセスは、以下の理由によって正確性と精度を必要とする。

本発明の一実施態様は、システムに、脱イオン水を含む、基礎的な濃縮されたバルク化学物質を供給する、複数の濃縮化学物質供給ラインを含む、配合システムを目的とする。複数の濃縮液体供給ラインは、開および閉位置に作動する自動双方向弁および可変制御弁によって、配合容器と区画して分けることが可能である。配合容器には、供給、投入、および排出ポートとして機能する複数の接続を含めることができる。このシステムは、配合容器、インライン化学物質濃度モニタ、ポンプ機構、および配合、排液および移送の機能のために流体を誘導する追加の弁から構成することができる。配合システムには、コントローラ、入力装置、およびシステム内の流れを制御するための関連する弁を含む、プロセス制御システムを含めることができる。追加の装置を組み込んで、物理的損傷および健康障害の両方を低減する、安全および必要な警報機能を維持することができる。

弁の下流の供給ラインは配合容器に接続し、この配合容器は、供給ポートおよび戻りポート、排液ポート、およびオーバフローポートを有してもよい。供給ラインは、ポンプ機構に接続するインライン機器に接続してもよい。ポンプ機構と配合容器との間のこの機器の位置は、配合均質性の状態に関する濃度情報が、ポンプ機構による圧力生成の乱流の寄与による変動がほとんどなく、事前に計測されるようにすることができるが、装置によっては脈動によって影響を受けない。ポンプ機構は、プロセスパイプに接続して、このプロセスパイプは、プロセス排液ラインおよび循環ラインへと枝分させてもよい。プロセス排液ラインは、修理作業、予防的保全のための洗浄サイクルや点検の発生時に、システムが内容物を排液することを可能とするか、または指定範囲外配合の発生時に一部内容を排液することを可能にする。循環ラインは別のブランチ、すなわち内容物を、配合過程および認定の間に配合容器に循環させて戻すことを可能にするか、または所望の消費使用地点までの循環プロセスループに定常的な補給をするデイタンクに移送することを可能にする、別のブランチに接続することができる。

本発明は、プロセス材料を配合するためのシステムを目的とする。この配合システムは、プロセス材料を、要求に応じて配合して使用地点に供給するのに適している。プロセス材料とは、導管を介して輸送することのできる任意の流体材料を意味するものである。例えば、プロセス材料には、水、様々な化学物質、固体の懸濁液、スラリー、その他のそのような材料が含まれる。本発明の配合システムは、配合されたプロセス材料を必要とする任意のプロセスでの使用のためのものであるが、特に、超高純度化学物質および研磨スラリー類の配合、および正確さと精度を必要とするその他の配合用途、特に半導体デバイスおよびウエハ基板の製造に応用が可能である。

本発明の配合システムのプロセス制御システムには、コントローラ、投入装置および複数の空圧ソレノイド弁を含めることができ、これらの弁は、自動化環境において、圧縮空気を排出して弁などの専用の機構を作動させる。コントローラは、信号入力を受け取り、一連の規約およびアルゴリズムに基づいて、情報に作用して、一連の動作を実行する。例えば、コントローラは、コンピュータまたはプログラム可能論理コントローラ（ＰＬＣ）などのマイクロプロセッサに基づく装置とすることができる。プロセス制御システムの入力装置は、コントローラに接続して、プロセス材料の所望の配合を表わす入力信号を提供することができる。入力装置は、情報を受け取り、それをコントローラに中継することのできる任意の装置とすることができる。例えば、入力装置は、キーパッドまたは監視制御とデータ収集（ＳＣＡＤＡ：Supervision Control And Data Acquisition）ノードとすることができる。

プロセス制御システムの複数の弁は、１つまたは２つ以上の材料供給ラインとコントローラとに接続することができる。例えば、弁を材料供給ラインに沿って設置して、材料供給ラインを通過するか、またはその中への流れを制御するとともに、コントローラによって制御することができる。したがって、コントローラは、入力装置に供給されるプロセス材料の望ましい配合に応じて、材料供給ラインを通過する流れ、またはその中への流れを、弁を用いて制御することができる。配合システムを全体として見ると、配合システムは、ユーザー指定入力に基づいてプロセス材料の所望の配合を供給できることは明らかである。このプロセス材料の配合を保持し、使用の地点に中断することなく連続方式で供給することが可能である。また、コントローラが配合プロセスを支援するために追加の入力を受け取ることができることも、認識できるであろう。例えば、コントローラには、プロセス用適正センサからプロセス材料またはプロセス状態に関する情報を供給することができる。これらの機能は、自動化環境において、完全な通信が非常に重要である場合に利用される。また、コントローラは、配合プロセスのその他の観点を制御することもできることも、認識できるであろう。例えば、コントローラは、プロセス材料の特性を改質するための装置またはシステムに接続することが可能であるとともに、センサから受け取る、プロセス材料の状態に関する入力に基づいて、これらのデバイスまたはシステムを選択的に作動させることができる。

本発明は、広範囲の用途における使用に適合させることができる。用途に応じて、本発明の実施態様は異なる。例えば、配合容器のオーバフロー、システム全体としての漏洩、または故障弁などの、プロセス材料の監視が望ましい場合には、センサを使用することが可能であり、これらのセンサは、プロセス材料によって変えることができる。同様に、配管（piping）、細管（tubing）、および機器の湿潤表面などの配合システムの構成は、特定のプロセス材料に適合させることができる。例えば、そのようなプロセス材料が、半導体産業において頻繁に使用される、研磨スラリーおよび化学物質などの研磨性または腐食性である場合には、これらの構造は、大多数の既知の化学物質と化学的に適合するフッ素ポリマー、またはウエハの化学機械的な研磨において使用される研磨性化合物の多くに対して耐久性のあるポリプロピレンなどのプラスチック材料で形成することができる。

図面、特に図１４を参照すると、本発明の説明のための実施態様を示してある。図１４には、外部から供給される、液体形態の開始化合物が、システムに供給されて、制御弁１および２を介して調節される。制御弁は、流路を横断して、シール表面、例えばダイアフラムシールの配置を変更することによって、装置を通過して流れる化学物質の速度を調整することができるようになっている。弁のこのような方式は、ステッパ弁またはインデックス弁の場合には電気制御式に、２重アクチュエータの場合には空圧式にすることができ、この場合に、シール面を変位させる１次ポートを介しての供給圧力が、２次ポートを介して供給される抵抗圧力によって打ち消される。速度制御弁は、全開流を、液滴の細流に低減すること、および流入プロセス流を完全閉止まで低減することを可能にする。場合によっては、追加の弁を、流れ制御弁の位置の上流と下流の両方に設置して、完全閉止を確保しての点検を可能にするとともに、人のいる領域においての絶対閉止またはフェイルセーフ手順を確保する必要性が規定される製造設備において、安全要件とすることもできる。

投入化学物質流の制御速度は、インライン検出装置または機器によって計測される濃度によって決まる。配合しようとする化学物質の種類、および化学構成成分の数によって機器の選択が決定まる。インライン機器の最小数は１であり、例えば、脱イオン水で４９重量％の濃縮値から０．００５重量％まで希釈するプロセスにおいてフッ化水素酸の濃度を計測する導電率プローブである。機器の種類としては、ｐＨプローブ、ＯＲＰプローブ、濃度計測機器、超音波減衰、導電率、ζ電位（zeta potential）、透過スペクトル、吸収スペクトル、濁度測定、比濁分析（nephelometry）、近赤外ＮＩＲ、または対象とする単一の化学種を分離して、溶媒中の化学濃度と関係づけることを可能にするその他のスペクトル技法がある。特定の波長の光が特定の化学物質種類に取り込まれる場合などには、光学機器を使用して、よく知られたブーゲ・ランバート・ベールの法則（Beer-Lambert law）によって濃度を正確に計測することが可能になる。化学種は、特定の波長において光学的に活性であるので、多数の光学センサを集めて、複合化学溶液を測定して、個々の種を対象として適正に化学濃度を正確に測定することも可能である。これによって、プロセス材料を順次添加するか、または同時に添加して、なお独立して監視することが可能となり、検知される値にそれぞれのプロセス材料が与える相対的影響を確定することのできないその他のセンシングの方法とは対照的である。

液体化学物質を配合するプロセスステップを、図１５および図１６に示し、均一で、正確かつ再現可能な配合物を達成するための２つの異なる方式を説明している。それぞれの場合に、配合容器に接続されている液体調整装置に接続された標準双方向制御弁によって、バルク液体が配合容器に加えられる。液体調整装置を使用するのは、ウォーターハンマとも呼ばれる、突然の衝撃またはシステム変動を低減しながら、なお初期のバルク液体が配合容器に円滑で迅速に到達することを可能にするためである。初期液体が配合容器に添加されるとき、特定の場所に設置された液面センサが、ある液面高さでトリップする。センサの正確な場所は、正確で再現可能な配合物を生成する上で重要ではない。このような設置によって、移送する必要のある配合サイクルを完了する時間に柔軟性を与えるとともに、最終化学バッチの成果にはまったく影響を与えないようにすることができる。液面センサの場所についてのおおざっぱなアイデアが、配合された内容物の合計体積が容器内に収まることを保証するために必要となることに注意することが重要である。この場所決めは、概略を計算して容器上にマークするか、または水などの無害液体の概略量をタンク中に注入して液面センサ設置を設定する初期設定の間に、容易に達成することができる。

センサは、ポンプを作動させて、配合容器の液体内容物の循環を開始して、化学濃度監視機器上の均一な測定値を確保することができる。システムが本格生産の場合には、先のバッチから配合容器に残留している残留液体が、流入する初期液体化学物質によって明白に希釈されて、出力値またはインライン計測器用の値として登録される。配合容器の内容物は、噴霧ヘッド、排出装置（eductor）、スパージャ（sparger）、またはノズルなどの静的攪拌器の効果によって均一な濃度に到達させることができる。この静的攪拌装置は、流入する初期化学物質に対して、配合容器内部に高度に乱流状態の環境を生成する役割を果たすことができる。液面センサがトリップすると、初期の内容物添加速度が、第２の液面センサによって制御されて、プログラム可能論理コントローラなどの制御プラットホーム内のコントローラまたはプロセッサに合図をして、これによって双方向弁が閉じて、初期液体化学物質の添加が停止される。配合容器の内容物、バルク初期液体化学物質および先のバッチで残る残留物が、ポンプ機構を介して循環して、インライン計測器から均一な値が記録されるまで配合容器に復帰する。例として、脱イオン水および０．５００重量％の残り残留フッ化水素酸の内容物を循環させる、５ガロン配合容器に対して、インライン計測器出力において均一性を達成するまでの平均時間は、毎分３ガロンの平均ポンプ流量を使用して１０秒未満である。

この循環ステップを完了すると、化学物質投入弁が開放されて、所望の化学物質の投入物を順番に混合することが可能になる。化学物質の投入は、各流れが、最初に最大流で配合容器に進入することを可能にする。化学物質流が、容器中に入り、初期バルク溶媒と混合すると、化学濃度監視装置が、変化を出力値として記録し始める。この信号は、化学物質追加の結果として時間とともに上昇する。配合しようとする所望の化学物質の濃度が増大するにつれて、処理信号が、双方向で可変制御弁を調節することによって、所望の化学物質が進入する速度を制御することが可能となり、これを図１５および１６に視覚的に示してある。図１５が示すプロセスでは、可変制御弁の代わりに、普通の双方向弁がプロセッサ（例えば、制御プラットホームにおけるプロセッサ）によって時間設定で制御される。

弁の作動は迅速に開閉されて、少量の所望の化学物質を分配して、攪拌されている容器に進入させる。この階段状のプロセスが作動する速度は、インライン濃度計測器によって記録される増大する濃度値によって制御することができる。ステップ化順序は、少量部分の所望の化学物質を、設定点が達成されてプロセスが完了するまで、分配することを可能にする。図１６は、可変制御弁を使用するプロセスを示しており、ここで所望の化学物質の進入流は、時間に対して速度制御されている。監視装置が、化学濃度における増大を記録すると、可変制御弁が、所望の化学物質が混合用器に進入する速度を低下させる。この連続プロセスによって、階段状方式におけるよりも、終点がより速く達成されるように、流れが調整される。このプロセス制御の両方の様式とも、計測器が変化を記録してこの値をコントローラに伝達することによって、弁動作の変化を合図する速度によって、調整することが可能である。

このプロセスは、所望設定点が達成されるまで、全配合順序が完了しないようにして、配合指定未達が発生する事象を克服するようにされている。配合順序が要求されるよりも高い濃度を生成する場合においては、フェイルセーフサブルーチンが、以下の順序でバッチを修正する。この順序によって、プロセス排液および事後ポンピング機構を作動させて、配合容器の内容物を部分的に排液して、指定範囲外にある配合物の少量の部分を容器から除去することが可能となる。この量は、排液弁を制御する簡単なタイマー設定によって達成される。少量を除外すると、プロセス排液ラインが閉止されて、システムが再び循環される。排液が閉止されると、わずかな割合の初期バルク溶媒化学物質が、やはりその初期バルク溶媒化学物質を制御するタイマー設定によって、配合容器に添加される。初期バルク溶媒化学物質が完了すると、ステップ弁作動または可変制御弁添加プロセスが実行される。

このプロセスは、最終配合指定のオーバシュートにより起こる損失がほとんどなく、正確で再現可能な化学物質溶液の迅速な配合速度を可能にする。その他の方式のシステムと比較すると、現在公表されているプロセスの２倍の速度がこのプロセスによって達成される。半導体プロセスにおいては、半導体ウエハの製造に、スラリーが研磨媒体として使用される。スラリーは、また、光学レンズおよびその他のディスク関連部品の研磨にも使用される。スラリーによる研磨効果は、液体内に懸濁された微細な、不活性研磨粒子によって生じる。半導体産業において使用されるスラリー中の一般的な研磨剤としては、シリカ、アルミナおよび酸化セリウム類がある。スラリー用の研磨剤は、製造されて粒子寸法範囲に分類される。一般的なスラリーは、直径が０．０５ミクロン〜０．３０ミクロンの範囲の粒子を含むとともに、１立方センチメートル当たり１０１２粒子より多くの粒子を含有する。

半導体プロセスにおいてスラリーを監視するために、濃度計（densitometer）などの連続的に密度を計測する計測器が好ましい場合がある。密度の計測は、濃度を追跡する１つの方法である。例えば、スラリーにおいては、密度は、単位体積あたりの不活性不揮発固体の量と関係する。
スラリープロセスにおいて、ｐＨセンサなどのｐＨを計測するための計測器も、常に必要ではないが、好ましい。スラリーのｐＨ値が、許容できるよりも高いと、スラリーは攻撃性が強すぎて、その他の本質的な化学物質をウエハから除去し、ｐＨが低すぎると、ウエハ上での化学反応が、ほとんどまたはまったく発生しない。

化学機械式平坦化を伴う半導体プロセスにおいては、様々な化学物質が、ウエハ研磨用の反応物質および酸化剤としてとともに、洗浄溶液、事後清浄化溶液および現像液としても使用される。これらの化学物質は、一般に未精製濃縮形態で輸送される。研磨用に使用される代表的な化学物質としては、過酸化水素、水酸化カリウムおよび水酸化アンモニウムがある。過酸化水素は、ウエハ上の金属プラグおよび金属層を除去するための酸化剤として使用される。プロセス材料の配合物中に含まれる過酸化水素の量を制御することによって、材料がウエハ表面から除去される速度が制御される。一般的に、過酸化水素は、３０重量％溶液から数％溶液、例えば２〜４重量％溶液に配合される。水酸化カリウムは、層間誘電体研磨ステップにおいて、プロセス材料の配合物のｐＨを制御して、二酸化ケイ素（silica dioxide）層に所望どおりに研磨するのに使用される。過酸化水素および水酸化アンモニウム混合物は、通常、清浄化および洗浄溶液として使用される。これらの混合物は未使用のまま残留すると、過酸化水素と水酸化アンモニウムは、水とアンモニアに分解する。したがって、本発明によって、これらの混合物を使用中に製造することが好ましい場合がある。

化学プロセス材料の計測および監視に有用であり、また半導体産業におけるプロセス用に好ましい、その他の計測器としては、導電率センサならびに酸化および還元電位（ＯＲＰ）の各センサなどの、濃度および反応性を測定する計測器がある。導電率と化学濃度とを、材料の全体質量に対する百分率重量比で関係づけるか、あるいは溶媒１リットル当たりのモル当量に比である規定度、または溶媒１リットル当たりの指定化学物質のモル比であるモル濃度の化学用語のいずれかで関係づける表があるので、導電率は化学濃度を計測するの使用すること可能であり、この場合に溶媒はほとんどの場合に脱イオン水である。
したがって、プロセス材料の導電率を監視することによって、プロセスの温度に対して、濃度を計算することができる。導電率は、溶媒の温度の関数であるので、所望の濃度の導電性（conductance）と、溶液の温度との関係を理解することが必要である。この関係を理解して、制御システムに組み入れることによって、配合プロセスにおける温度変化に関係なく、指定された終点に到達するのに必要な所望の導電率が温度と関係づけられ、この値が決まると、濃縮化学物質の分配が完了する。

本発明のこの実施態様は、複数流量計および分配／検証技法ではなく、基本的な配合終点検出によって稼働する。現行の例は、所定量の化学物質を分配するための秤と流量計を使用する装置を含むのに対して、配合物の検証は、導電率フィードバックループを含む。現行方式のバッチ配合プロセスが直面する問題には、分配材料の質量を計測するのに使用する秤のドリフトにより生じる誤差、分配に使用する流量計（単数または複数）におけるドリフトにより生じる誤差、および配合物を検証してスパイク（spike）するのに使用する導電率プローブ（単数または複数）によって生じる誤差がある。

本明細書における使用においては、以下の用語の意味は次のとおりである。
導電率：材料の電気特性の尺度。通常、流体においては、既知の距離に対する、固有抵抗量の尺度として、オームで表わされる。
ＰＯＵ：使用地点（point of use）。配合化学物質（または一連の配合化学物質）を消費することを要求する、流体システム内の特定の場所。この場所は、必ずしも実際の装置本体（例えば半導体プロセス装置）である必要はなく、分配の場所である。
Ｃ_ｖ：ある時間内の、オリフィスを通過する体積流量に関係する流量係数であり、これが１ゲージｐｓｉ（psig）の圧力低下を生成する。
Ｐｓｉｇ：１平方インチ当たりのポンドで表わすラインのゲージ圧。
ＵＨＰ（超高純度）：極めて低い微粒子および特定金属イオン汚染を有する化学的性質。これらの化学物質は、通常、システム自体から生成される微粒子を除去するために、連続的なろ過を必要とする。純度のレベルのせいで、金属表面にさらされると、溶液中に金属イオンを流出させることになる。極限の純度要件から、通常、フッ化ポリマー材料が要求される。
ＡＢＳ：数学的引き数の絶対値。統計解析に使用される。

システム動作：標準的な配合シナリオ
図１４を参照して、本発明による配合システムにおける特定の一実施態様の作動を、例として説明する。最初に、弁１（通常は空気圧弁）を開き、ＤＩ（脱イオン）水を配合タンク１０に提案容積まで充満させる。タンク１０の全容積は、絶対配合物体積（最終）が、全タンク容積の７５〜８５％を占めるようにすることができる。この絶対最終流体体積は、ＳＥＭＩ標準に準拠させることができる。
弁１の状態（開／閉および開／閉の程度）は、液面センサ１２によって制御することができる。ＤＩ水の流体体積がセンサを起動すると、弁１が、閉じて、配合物のオーバシュートが発生しない限り、現行の配合動作中には使用することができない（下記を参照）。液面センサの選択は、構造材料の組成が、半導体工業で使用される任意すべての化学物質に適合するとともに、その感度が頑強であるようにすることができる。

液面センサ１２がトリガーされると、ポンプ１４がタンクの内容物を循環させ始めることができる。これによって、スパージャヘッド１６によるタンク内容物の攪拌が可能となり、攪拌手段のない（例えばスパージャのない）場合に通常かかる配合時間を低減する。システムがＤＩ水を循環させると、化学物質は、弁２の開口を介して、配合タンク１０中に分配される（通常は空気圧弁）。
最終プロセスへの原料化学物質投入供給は、一定圧供給またはハウス供給（house supply）とすることができる。化学物質の供給ラインは、既知の非付勢方法によって流量を有意に制御できるようにすることができる。これには、１／２インチ細管から１／８インチ細管へとライン寸法を低減すること、および供給流へのニードル弁を含めることができる。

導電率プローブ１８、２０は、液体混合物が純粋ＤＩ（１８ＭＯｈｍ）から最終の予測される終点結果に対する既知の値まで移行するときの、その導電特性の変化を計測するのに使用することができる。導電率のドリフトおよび平均値を監視するか、または冗長性のために、２つのプローブを使用することができるが、単一のプローブでも十分である。
導電率値が、目標値（目標値は用途によって変わってもよいが、例えば、終点値の７５％）に接近するにつれて、弁２がある時間、閉じて、内容物を混和させて、定常的な導電率値に向けて均質化させる。内容物が安定化すると、弁２が迅速に開または閉作動して、原料化学物質をタンクに分配する。弁２を作動させる毎に、システム内容物は、内容物が均質になるまで、追加の時間、循環させることができる。

最終配合値に到達すると、タンクの全内容物を、弁３（通常は、３方向空気圧弁）を介して配合タンクから２次システムに分配することができる。
配合循環中の任意の時点で、導電率プローブが、設定閾値（例えば、３％）よりも大きな値を、設定時間（例えば、数秒）より長く記録する場合に、システムは、以下のとおり配合オーバシュートサブルーティンを作動させることができる。プロセス放出弁４（通常は空気圧式）が、プロセス排液２２に向かって開くことができる。化学物質は、システムから設定時間（例えば、数秒）の間、流出することができる。流出する化学物質の量は、初期化学物質バッチの約１０〜１５％がシステムから除去されるようにすることができる。そうすると、システムは、ＤＩ水投入の初期液面設定よりも低くなる。ＤＩ水供給弁１が開いて、センサ１２がＤＩ水供給弁をトリガーして閉じさせるまで、ＤＩ水を供給することができる。この時点で、弁２を上述の方法で制御することによって、所望の濃度を達成することができる。

半導体工業で使用するシステムの標準的なシステム仕様の例：
ＤＩ投入
選択ｐｓｉにおいて３／４インチ投入流を推奨
化学物質投入
３／８〜１／２インチ投入流を推奨
投入流の２０〜４５ｐｓｉ供給圧
脈動に起因する供給圧の変動を、３ｐｓｉ全脈動以下
空気圧入力
窒素、０．１０μｍまで濾過

流体、液体
半導体工業において直面する化学物質に耐性のあるすべての材料の浸水表面。テフロン（登録商標）または類似の、フッ素化されたポリマー類が許容できる。
非ＵＨＰ化学用途における雰囲気に露出される外部表面は、金属、好ましくは３１６ステンレス鋼、フッ素樹脂、など。
作動環境：
推奨雰囲気１５〜２５℃
湿度％ＲＨ（相対湿度）：４０〜８５％
すべての露出流体表面は、不活性雰囲気下に保持。

配合指定の例
以下の表は、本発明に従って配合することのできる化学物質の例とともに、それらの典型的な配合処方を示す。

配合の精度
好ましくは、本発明による配合システムの全体精度の向上を推進する装置は、導電率センサである。いくつかの実施態様においては、これが、混合物に対する唯一のプローブおよび／または制御装置である。したがって、導電率プローブに関する、装置精度に関する厳密な指定が必要である。追加の量の少ない、最終配合値、例えば２０％において、プローブを評価することに注意をしなくてはならない。
全体配合精度は、それぞれの個別配合運転に対して、設定点処方の２％より良好にできる。配合運転とは、開始から終了までの、必要なＤＩ洗浄および／またはＮ_２／ＣＤＡ放出を伴う、個々の処方バッチとして定義される。精度は、（（ＡＢＳ｜計測値−理論値｜）／（理論値）×１００％）＜Ｘで定義することができる（Ｘは２％とすることができる）。

配合の再現性は、（統計的偏差（１シグマ）＞１００計測点）／実際の流れ＜０．００１流れ範囲の中央尺度とすることができる。
プロセスの正確度は、＜指定処方の目標点の±１％とすることができる。
（（ＡＢＳ｜計測値−実際の表示値｜）／（実際の表示値）Ｘ１００％）
配合プロセスに対する全体応答時間は、次のように定義できる：
開始：ユニットが、オフ状態からオン状態まで、２秒以内に、適切に化学物質を分配する。
中間シフト（Mid-shift）：ユニットが、進入化学物質における変動に応答することができる。小さな変動に対する応答時間は、１秒より短い。

図１〜１３は、本発明の一実施態様を、例としてのみ示している。図において、ＬＯＯＳおよびＨＯＯＳは、それぞれ下方指定範囲外（Low Out Of Specification）および上方指定範囲外（High Out Of Specification）を表わす。
ＦＶ１０７〜１０７は、フロー弁を表わし、これらの内のいくつかは図１４にも示してある。例えば、第１のバルク材料の投入を制御するための、ＦＶ１０１は、図１４の弁１に対応する。ＦＶ１０２は、混合プロセス中に第２の材料の投入を制御し、図１４の弁２に対応する。配合物を配合タンクに戻すとともに、配合物を配送するための３方向弁３は、プロセスフロー図において、それぞれＦＶ１０３およびＦＶ１０４の両方で表わしてある。図１４の排液弁４は、ＦＶ１０５に対応する。ＦＶ１０６は、分配システムの一部であり、図１４には示していない。ＦＶ３０１および３０２も、システムの分配側の弁を表わす。ＦＶ２０１は、第３の材料の配合タンクへの投入、またはバルク材料に追加すべき第２の化学物質を配合タンクに投入するのを制御する弁を表わす。３種以上の材料の混合が考えられるが、多くのセンサは、３種以上の材料を容易に区別しないため、正確さの低い結果が得られる。

ＹＹＳ１０１およびＹＳ１０１〜ＹＳ１０５は、様々なセンサを表わす。特に、ＹＳＳ１０１およびＹＳ１０１は漏れ検出センサである。ＹＳ１０２は、配合タンクが空かそうでないかを表わすセンサを表わし、Ｙ１０３は、配合タンクが満杯すぎるかどうかを合図するセンサを表わす。ＹＳ１０４およびＹＳ１０５は、配合物送出システムの配送側のセンサを表わす。ＹＳ２０１は、第３の材料、または配合タンク内のバルク材料に追加すべき第２の化学物質用のセンサを表わす。
ＰＳ１０１Ｌは、低圧スイッチを表わす。ＰＳ１０４Ｈは、高圧用のスイッチを表わす。同様に、ＰＳ１０５Ｈ〜ＰＳ１０７Ｈは、高圧測定用の圧力スイッチを表わし、ＰＳ１０６ＬおよびＰＳ１０７Ｌは、低圧測定値用の圧力スイッチである。Ｐ１０１〜１０２は、様々なポンプを表わす。

ＬＳ１０１〜ＬＳ１０６は、様々な液面センサを表わす。例えば、ＬＳ１０３は、配合室内の液面センサを表わし、ＬＳ１０６は、材料移送用のセンサを表わす。
本明細書に記述した要素のそれぞれ、または２つ以上を合わせて修正することが可能であるか、または前述のものとは異なるその他の用途において有用性を見出すこともできることを理解すべきである。本発明の特定の実施態様を示して説明したが、添付の請求項に定義する本発明の趣旨からいかなる意味でも逸脱することなく、様々な修正および置換を行うことが可能であり、したがって本発明を提示した詳細に限定することを意図するものではない。

本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。

本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様のプロセスフロー図である。 本発明による配合プロセスの一実施態様の概略図である。 所望の設定点または終点濃度を達成する、化学物質のステップ弁動作添加の論理図である。 時間経過に対する、システムへの集中化学物質添加の動作速度制御の詳細を示す流れ曲線も含み、所望の設定点または終点濃度を達成する、制御弁動作添加の別の論理図である。 時間経過に対して、脱イオン水に添加された４９重量％のフッ化水素酸の１０回の反復を、０．５００±０．００５重量％フッ化水素酸の最終設定点に対して示す実際データを示す図である。 添加物を適正に配合かつ制御するために、インライン導電率センシングを使用する、２成分セリウムを基材とするスラリーの７つの個別配合物に対する１０回の反復を示す実際データの図である。 セリウムを基材とするスラリーのバッチ間変動と、設定点と実際の間の差異として計算された添加物との間で記録された差異を示す、設定点で除して１００を乗じた図１８の百分率誤差をプロットする図である。

Claims (15)

1. 少なくとも２種類の材料を配合するシステムにおいて、
   配合室であって、
   第１の材料を受け入れる第１の取入口であって、前記第１の取入口で受け入れる第１の材料の量を制御する第１の弁に接続された前記第１の取入口と、
   第２の材料を受け入れる第２の取入口であって、前記第２の取入口で受け入れる第２の材料の量を制御する第２の弁に接続された前記第２の取入口とを含む前記配合室；
   前記配合室に接続されて、前記第１の材料と前記第２の材料の混合物を受け入れるとともに、前記第１の材料と前記第２の材料の前記混合物を前記配合室に戻す、再循環ライン；
   前記再循環ラインに配置されて、前記第１の材料と第２の材料の混合物に混合された前記第２の材料の量を感知するセンサ；および
   前記センサおよび前記第２の弁に接続されて、前記第２の取入口で受け入れられる前記第２の材料の量を制御して、前記混合物中での前記第２の材料の所望の濃度を達成するコントローラを含む、前記システム。
2. 再循環ラインが、
   配合室に接続されて第１の材料と第２の材料の混合物を受け入れる取入口；
   配合室に接続されて第１の材料と第２の材料の混合物を前記配合室に戻す取出口；および
   前記第１の材料と第２の材料との混合物を再循環ラインの取入口から受け入れて、前記混合物を前記再循環ラインの取出口に送出するポンプを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 再循環ラインに接続され、かつポンプと前記再循環ラインの取出口との間に配置されて、混合物を装置に供給する取出口をさらに含む、請求項２に記載のシステム。
4. センサが導電率センサである、請求項３に記載のシステム。
5. センサが導電率センサである、請求項１に記載のシステム。
6. 再循環ラインに接続されて、混合物を装置に供給する、取出口をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
7. 少なくとも２種類の材料を所望の濃度に配合する方法であって、
   第１の材料を大量にまとめて配合室に提供する行為；
   第２の取入口を介して第２の材料の流れを前記配合室に提供する行為；
   前記配合室内で前記第２の材料の流れを前記第１の材料中に混合させる行為；
   前記配合室内で前記混合物を再循環させる行為；
   前記再循環させる行為中に、前記混合物の特性を計測する行為；および
   前記配合室への前記第２の材料の流れを調節して、所望の濃度を達成する行為を含む、前記方法。
8. 混合物の特性を計測する行為が、濃度を示す特性を検知することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 第１および第２の材料を提供する行為が、第１および第２の濃度の濃度を知ることなく行われる、請求項７に記載の方法。
10. 第１および第２の材料を提供する行為が、質量流コントローラを使用することなく行われる、請求項７に記載の方法。
11. 指定範囲外配合物の一部分を排出させて、前記指定範囲外配合物の残部を配合室内の残す行為をさらに含む、請求項７に記載の方法。
12. 追加の量の第１および第２の材料を提供する行為をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 少なくとも２種類の成分を配合するシステムであって、
    配合室であって、
    第１の成分を受け入れる第１の取入口と、
    第２の成分を受け入れる第２の取入口と、
    前記第１の成分と前記第２の成分との混合物を装置に分配するための取出口と、
    再循環ラインのための取入口および取出口とを有する前記配合室；および
    前記再循環ライン内で前記混合物を分析して、前記第２の成分を前記配合室に加える速度を調節する手段を含む、前記システム。
14. 物理的な配合プロセス中にバッチを修正し、かつ液体化学物質流を前記バッチに加える速度を調節することによって、流れを必要な終点に到達させる手段をさらに含む、請求項１３に記載のシステム。
15. 配合中に、指定範囲外の配合物を修正する手段をさらに含む、請求項１４に記載のシステム。

Images