JP4372010B2 - 流れ調整システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的に、流体流れおよび調整に関し、より詳細には、超純粋または腐食性の用途で使用するのに適した流体流れ調整システムに関する。

半導体、医薬、および生物工学のような多くの産業は、一般的に低流量、研磨用化学流体の使用、腐食性化学流体の使用、および汚染物質が無く正確で小型な実時間の流体送出しおよび／または混合システムの必要性のために、流体送出し問題に直面する。

例えば、化学機械研磨（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｌａｎａｒｉｚａｔｉｏｎ、ＣＭＰ）は、半導体のウェーハ表面を平らにするプロセスを含む半導体産業における重要なプロセスである。大抵の用途では、スラリーで被覆された研磨パッドが、半導体ウェーハに対して制御された速度で回転して表面を平らにする。スラリーは、表面を機械的に研磨する研磨パッドと協働する研磨剤だけでなく、化学的に表面を軟化させる化学薬品も含む。ＣＭＰが完全に機能するためには、機械研磨と化学研磨が、微妙な平衡で調和して機能しなければならない。この平衡に対する変化はどんなものでもウェーハに損傷を与えるか、歩留りを下げることがある。スラリーがない場合には、研磨の全ては機械的であり、サンドペーパでガラスを研磨するのに似ているだろう。スラリーが多すぎる場合には、研磨の大部分は化学的であり、再び平衡がずれている。ウェーハの研磨速度は、流体の送出し速度および研磨作業中に送出される流体の全量に大いに依存する。

ＣＭＰのようなプロセスでは、スラリー送出しシステムは、一般に、容器からスラリーを引き出して、そのスラリーを研磨パッドに加えるために、蠕動ポンプのような容積形ポンプを含む。ポンプは、ポンプの速度に応じて多かれ少なくかれ一定速度で流体を動かすが、蠕動ポンプの作用は、流体送出し速度の脈動を引き起こす。蠕動ポンプは容積計量流体送出しシステムであるので、ポンプチューブの古さ、ポンプチューブの温度、流体組成、ポンプモータの速度、容器中の流体のレベル、ポンプの較正、その他のような変化する条件で、流体の量が変わる。

さらに、多くのＣＭＰおよび同様なプロセスでは、スラリーのような流体は、循環オーバヘッドループで供給される。そのようなスラリーループは、多くの場合、空気作動膜ポンプで駆動される。いくつかのＣＭＰツールは、同じループで駆動されることがある。１つのツールがスラリーを吸い込んだとき、ループの圧力は変化することがある。ループ圧力のこの変化は、同じループに接続された他のツールのスラリー流量に影響を及ぼすことがある。

プロセス流量に対するこれらの影響の全ては、ＣＭＰプロセスのウェーハ歩留りを下げると考えられる。したがって、従来技術に関連した欠点に対処する流体送出しシステムに対する要求がある。

本発明の一態様では、流れ調整システムは、入口および出口を有する実質的に堅い容器を含む。プロセス流体溜めが、堅い容器中に位置し、かつ入口および出口と流体連通している。可動部材が堅い容器中に配置されて、第１の方向への可動部材の動きによって、プロセス流体が入口に引き込まれ、かつ第２の方向への可動部材の動きによって、プロセス流体が出口から排出される。

プロセス流体溜めは、袋（ｂｌａｄｄｅｒ）を含むことができ、この袋は、堅い容器中に位置しかつ入口および出口と流体連通している。入口および出口は、プロセス流体溜めの中へまたプロセス流体溜めから外へのプロセス流体の流れを調整するために、それぞれ入口逆止め弁および出口逆止め弁を含むことができる。

ある特定の実施形態では、シリンジポンプが使用され、したがって堅い容器は円筒を備え、その円筒中にプランジャが滑動可能なように配置されている。例えば、ステップモータが、プランジャを作動する。他の実施形態では、膜ポンプ装置が使用され、可動部材は、プロセス流体溜めから駆動流体溜めを隔てる膜である。ポンプは、選択的に作用流体溜めの中にまた作用流体溜めから外に作用流体を計量して供給するように、作用流体溜めと流体連通している。

本発明の他の態様に従って、流れ調整システムは、実質的に堅い容器を備え、その堅い容器によってプロセス流体出口が画定されている。例えば使い捨てのバッグである可撓性のプロセス流体溜めが、堅い容器中に位置し、プロセス流体出口と流体連通している。作用流体溜めは、堅い容器中に位置し、かつプロセス流体溜めを実質的に囲んでいる。堅い容器が作用流体入口を画定し、作用流体溜めの中に入れられた作用流体が、プロセス流体溜めを押し付けて、プロセス流体溜めからプロセス流体出口を通してプロセス流体を排出する。作用流体溜めの中に作用流体を計量して供給するために、ポンプが作用流体入口に接続されている。

本発明のさらに他の態様に従って、ＣＭＰツールへのスラリーの流れを調整する方法は、スラリーを含むスラリー溜めを設けることを含む。ＣＭＰツールは、スラリー出口に接続され、スラリー溜めは、スラリー溜めからＣＭＰツールへ所望の流量でスラリーを排出するようにつぶされる。スラリーは、使い捨てのバッグで供給されることができる。もしくは、スラリー溜めと流体連通しているスラリー入口に、スラリーの供給源を接続することができる。スラリー入口に接続された入口弁は開かれ、スラリー出口に接続された出口弁は閉じられ、そして所定量のスラリーが、スラリー供給源からスラリー溜め中に引き込まれる。そして、スラリー溜めをつぶすことは、入口弁を閉じ出口弁を開いて、スラリーがスラリー溜めの中に引き込まれるの防ぎ、スラリーがＣＭＰツールに排出されるようにすることを含む。

ある特定の例示の実施形態では、スラリー溜めおよび可動部材は、堅い容器中に位置している。スラリー溜めをつぶすことは、可動部材を第１の方向に動かすことによって行うことができる。可動部材を第２の方向に動かすことによって、所定量のスラリーが、スラリー供給源からスラリー溜めに引き込まれる。他の例示の実施形態では、スラリー溜めは堅い容器の中に位置し、作用流体が、堅い容器の中にポンプで送られてスラリー溜めをつぶす。

本発明の他の目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、かつ図面を参照するとき明らかになるであろう。

本発明は、様々な修正および代替え形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態を例として図面に示し、本明細書で詳細に説明する。しかし、特定の実施形態についての本明細書の説明は、開示された特定の形態に本発明を制限するものではなく、反対に本発明は、添付の特許請求の範囲で規定されるような本発明の精神および範囲の中に含まれる全ての修正形態、同等物、および代替え形態を含むものであることは理解されるべきである。

本発明の具体的な実地形態を以下で説明する。はっきりさせるために、本明細書では、実際の実施の特徴を全て説明するとは限らない。もちろん理解されることであろうが、そのような実際の実施形態の開発では、実施ごとに異なるシステムに関連する制約およびビジネスに関連する制約への適合のような開発者の固有の目的を達成するために、数多くの実施に固有の決定が行われなければならない。さらに、理解されることであろうが、そのような開発努力は、複雑で時間のかかるものであるかもしれないが、それにもかかわらず、この開示の恩恵を受ける当業者にとってはいつもの仕事であるかもしれない。

図１は、本発明の態様に従った流れ調整システム１００の部分を概念的に示すブロック図である。図１に示す例示のポンプシステム１００は、実質的に堅い容器１１０を含み、この容器１１０は、堅い容器１１０の１つの側に一般に配置された入口１１４および出口１１６を含む。プロセス流体溜め１１２は、堅い容器１１０の中に位置し、入口１１４および出口１１６と流体連通している。プロセス流体をプロセス流体溜め１１０から排出するために、本明細書で以下にさらに説明するように、プロセス流体溜めはつぶされる。ある特定の実施形態では、プロセス流体溜め１１２は、プロセス流体を予め詰めた状態で供給され、したがって入口１１４は設けられない。

ある特定の実施形態では、可動部材１２０が、堅い容器１１０の中に配置され、第１の方向への可動部材１２０の動き（図１に示すように左の方へ）によって、プロセス流体１２２（例えば、ＣＭＰプロセス用のスラリー）は、供給チューブ１２３を介して入口１１４に引き込まれる。第２の方向への可動部材１２０の動き（図１に示すように右の方へ）によって、溜め１１２がつぶれ、プロセス流体は出口１１６からプロセスチューブ１２５を介してプロセスツール１２４に排出される。作動装置１３０は、可動部材１２０の動きを選択的に制御する。

入口逆止め弁１１５および出口逆止め弁１１７が、入口１１４および出口１１６に設けられる。可動部材１２０が図１に示すような左に動くとき、出口逆止め弁１１７は閉じ、入口逆止め弁１１５は開き、プロセス流体１２２がプロセス流体溜め１１２に入ることができる。供給圧力は、環境（例えば、プロセス流体１２２がボトルから供給される）、正（ループ圧力）または負（例えば、プロセス流体１２２はバケツから供給される）であってもよい。プロセス流体ローディング（ｌｏａｄｉｎｇ）は、平均圧力の変動またはプロセス流体供給源の脈動と無関係である。ポンプシステム１００は本質的に容積計量であるので、気泡は流体と区別されない。

空気収集およびパージは、いくつかの方法で行うことができる。例えば、入口弁の前に蓄積装置または保存タンクを使用して、流体を蓄え、そして、プロセス流体が底に沈むと同時に、気泡を表面に上昇させること。そのとき、「泡のない」プロセス流体が、タンクの底から入口１１４に引き込まれる。他の実施では、気泡を放出するためにインテリジェントパージが使用され、ある所定体積のプロセス流体が溜め１１２に引き込まれ、他の所定体積が頂部からパージされる（ことによると、供給タンクに逆戻り）。残りのプロセス流体は、次に計量供給される。

可動部材１２０を、図１に示すような右に動かしてプロセス流体をプロセスツール１２４に送出すとき、入口逆止め弁１１５は閉じ、出口逆止め弁１１７は開く。これによって、ポンプシステム１００は、その送出中、プロセス流体１２２の供給源から実効的に切り離される。このように、圧力変動または目詰まりフィルタによる上流側の影響は、送出中にプロセス流体流量に影響を及ぼさない。一般に、作動装置１３０は、下流側の影響を克服して（作動装置の設計限界まで）、命令された流量を維持することができる。

図２は、一般的に、本発明の例示の実施形態に従った流れ調整システム２００を示す。流れ調整システム２００は、シリンジポンプ２０１を含む。ポンプシステム２００では、堅い容器は、一般的に一様な断面を有する円筒２１０である。円筒２１０は、入口１１４および出口１１６を有する一端部を有し、この入口１１４および出口１１６は、それぞれ入口逆止め弁１１５および出口逆止め弁１１７を介して、供給チューブ１２３およびプロセスチューブ１２５に接続されている。プランジャ２２０は、一般に、円筒２１０の入口／出口端部の反対側に位置している。プランジャ２２０は円筒２１０の中で滑動可能であり、その結果、図２に示すような右へのプランジャ２２０の動きで、プロセス流体が、円筒２１０から出口１１６を通ってプロセスチューブ１２５に排出されるようになる。上で言及したように、円筒２１０は一般的に一様な断面を有するので、容積流量はプランジャ速度に正比例する。

例示の実施形態では、直線駆動ステップモータ２３０が、ピストン２３２を介してプランジャ２２０に接続されて、プランジャ２２０を作動させる。ステップモータ２３０は、たとえ下流側の圧力が変化しても、命令された速度（例えば、単位時間あたりのパルス）でプランジャ２２０を動かす。例えば、Ｈａｙｄｏｎ Ｓｗｉｔｃｈ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＳｉｚｅ２３Ｃａｐｔｉｖｅ５７０００シリーズのハイブリッド直線作動装置は、プランジャ２２０を作動するのに適切なステップモータである。ポンプシステム２００は、プロセスに影響を及ぼすものに基本的に即時に反応することができる。その理由は、プランジャの力は、命令された速度でプランジャ２２０を動かし続けるために必要なレベルに調整されるからである。ある特定の実施では、下流側のフィルタ目詰まりのようなプロセスの問題の指示として、モータ電流が監視されかつ使用される。電流が過大になった場合には、機械的な故障が起こる前に、システムが停止される。使用される特定の作動装置は、バッチサイズ、バッチ時間、入口圧力、出口圧力、流体粘度、流体密度などを含んだいくつかの要因に基づいている。

袋２１２は、入口１１４および出口１１６と流体連通してプロセス流体溜め１１２を形成するように、円筒２１０の中に位置している。図示の実施形態では、スラリーのようなプロセス流体が、円筒２１０およびプランジャ２２０の内部から隔離されるように、袋２１２が、円筒２１０の入口／出口端部に固定されている。したがって、一方向へのプランジャの動き（図２に示すように左の方へ）によって、流体が袋の中に引き込まれ、反対方向へのプランジャの動き（図２に示すように右の方へ）によって、流体は袋２１２から排出される。流体供給チューブ１２３は、入口逆止め弁１１５を介して入口１１４に接続され、出口１１６は、出口逆止め弁１１７を介してプロセスチューブ１２５に接続されている。

多くの半導体プロセスと関連した用途のような多くの用途では、流体送出しシステムの流路（プロセス流体で濡れる全表面）は、高純度な化学的不活性／耐性材料で構成されることが要求される。ＣＭＰのようなスラリー用途では、研磨剤粒子が配管内に蓄積して、研磨剤材料の硬い「石（ｓｔｏｎｅ）」を形成することがある。そして、この石が、砕けてチューブからとれて自由になり、ウェーハ上に行くと、ウェーハは、引っ掻き傷ができることがあるし、ことによると壊れることがある。したがって、大きな粒子を取り除くために、一般にフィルタが使用される。

袋２１２、入口１１４、出口１１６、逆止め弁２４４、２４６、および供給チューブ１２３ならびにプロセスチューブ１２５のようなポンプシステム２００の濡れ部品は、高純度プラスチックで製作される。適切な高純度プラスチックは、ＰＦＡ（パーフルオロアルコキシ共重合体）であり、このＰＦＡは、優れた化学的耐性および機械的特性を有する高性能フルオロ重合体である。また、ＰＶＤＦおよびＰＴＦＥのような様々な弗素化重合体も適切である。さらに、これらの材料は「非粘着性」であるので、粒子を集める傾向がない。このことは、粒子の蓄積およびそのような蓄積によるフィルタの目詰まりを防ぐ。

図３は、本発明の実施形態に従った他の例示の流れ調整システム３００を示す。システム３００は、膜ポンプ３０１を使用し、さらに作動装置としてポンプ３３０を使用する。膜３２０は、プロセス流体溜め１１２を画定するように堅いシェル３１０の内側に位置し、このプロセス流体溜め１１２は、入口１１４および出口１１６、ならびに入口逆止め弁１１５および出口逆止め弁１１７と流体連通している。高純度用途では、濡れ部品は、ＰＦＡのような高純度プラスチックで製造される。

作用流体溜め３４０は、膜３２０の反対側に画定される。容積形ポンプのようなポンプ３３０は、選択的に作用流体溜め３４０の中に、また作用流体溜め３４０から外に作用流体を計量して供給する。一般に、水または油のような非圧縮性流体が、作用流体として望ましい。このように、作用流体を作用流体溜め３４０から外に計量供給することで、膜３２０は第１の方向（図３に示すように右の方に）に変位して、プロセス流体が入口１１４に引き込まれる。作用流体を作用流体溜め３４０の中に計量供給することで、膜３２０は反対方向に変位して、プロセス流体が出口１１６から排出される。

図４は、本発明のさらに他の例示の実施形態に従った流体調整システム４００を示す。システム４００は、実質的に堅い容器４１０を含み、この容器４１０は、それを貫通するプロセス流体出口１１６を画定している。可撓性プロセス流体溜め４１２は、堅い容器４１０の中に収納され、プロセス流体出口１１６と流体連通している。可動部材を使用してプロセス流体溜め４１２をつぶす代わりに、作用流体が、堅い容器４１０の中にポンプで送られて、プロセス流体溜めをつぶす。作用流体溜め４４０は、プロセス流体溜め４１２を実質的に囲む堅い容器中に画定される。堅い容器４１０は、また、作用流体入口４４２を画定する。作用流体溜め４４０に入れられる作用流体は、プロセス流体溜め４１２を押し付けて、プロセス流体溜め４１２からプロセス流体出口１１６を通してプロセス流体を排出する。計量供給ポンプまたはシリンジポンプのようなポンプ４３０は、作用流体溜め４４０中に作用流体を計量供給するために、作用流体入口４４２に接続されている。したがって、作用流体溜め４４０に作用流体が入る速度と実質的に同じ速度で、プロセス流体１２２はプロセス流体溜め４１２から排出される。

ある特定の実施形態では、プロセス流体溜め４１２は使い捨てのバッグであり、この使い捨てバッグは、高純度用途では、ＰＦＡのような高純度プラスチックで製作される。バッグは、スラリーのようなプロセス流体を予め詰め込まれ、プロセス流体がプロセスに供給されるときに、存在する気泡が無いことを保証するように気密であることがある。さらに、バッグは使い捨てで、清浄なシステムおよび新鮮なプロセス流体を保証することができる。使い捨てのバッグを使用することで、プロセス流体が製造される時間とプロセス流体がプロセスツールに取り入れられる時間との間に、プロセス流体が接触する表面の数は劇的に減少する。

プロセス流体出口１１６は、プロセス流体出口１１６に結合されたフィルタ４４６を有することができる。使い捨てのプロセス流体溜めを使用するシステムでは、フィルタ４４６は、プロセス流体バッグと一体であることができるので、プロセス流体の新しい供給ごとにフィルタは自動的に変えられる。いくつかの実施は、超音波混合機のような混合機４４８を使用して、プロセス流体溜め４１２を介してプロセス流体をかきまわす。

上で開示された特定の実施形態は例に過ぎない。というのは、本明細書の教示の恩恵を受ける当業者には明らかな異なるが同等なやり方で、本発明を修正しかつ実施することができるからである。さらに、特許請求の範囲で述べられるような制限以外に、本明細書で示した構造または設計の細部への制限を意図しない。したがって、明らかなことであるが、上で開示した特定の実施形態は、変更または修正することができ、そのような変形は、全て本発明の範囲および精神の範囲内で考えられる。したがって、ここで求められる保護は、特許請求の範囲で明らかにされる通りである。

本発明の態様に従った流れ調整システムを概念的に示すブロック図である。 本発明の例示の実施形態に従った流れ調整システムを一般的に示す図である。 本発明の他の例示の実施形態に従った流れ調整システムを一般的に示す図である。 本発明のさらに他の例示の実施形態に従った流れ調整システムを一般的に示す図である。

Claims (27)

1. 流れ調整システムであって、
   第１および第２の端部を有する実質的に堅い容器を備え、堅い容器の第１の端部は、入口および出口を有し、前記流れ調整システムがさらに、
   堅い容器中に位置し、かつ入口および出口と流体連通しているプロセス流体溜めを含み、該プロセス流体溜めが、プロセス流体を堅い容器の内部から隔離しており、
   堅い容器が該容器中に配置された可動部材を備え、第１の方向への可動部材の動きによって、プロセス流体が入口に引き込まれ、かつ第２の方向への可動部材の動きによって、プロセス流体が出口から排出される、流れ調整システム。
2. 堅い容器が円筒を備える、請求項１に記載の流れ調整システム。
3. プロセス流体溜めが、袋を含み、該袋が、堅い容器中に位置しかつ入口および出口と流体連通している、請求項１に記載の流れ調整システム。
4. 可動部材が、円筒中に滑動可能なように配置されたプランジャを備える、請求項２に記載の流れ調整システム。
5. プランジャを作動するためにプランジャに接続されたピストンをさらに備える、請求項４に記載の流れ調整システム。
6. プランジャを作動するためにピストンに動作可能に接続されたステップモータをさらに備える、請求項５に記載の流れ調整システム。
7. 入口および出口が、それぞれ入口逆止め弁および出口逆止め弁を含む、請求項１に記載の流れ調整システム。
8. プランジャが、ＰＦＡで作られている、請求項４に記載の流れ調整システム。
9. 袋が、ＰＦＡで作られている、請求項３に記載の流れ調整システム。
10. 堅い容器中に位置している駆動流体溜めをさらに備える、請求項１に記載の流れ調整システム。
11. 可動部材が、駆動流体溜めをプロセス流体溜めから隔てる膜を備える、請求項１０に記載の流れ調整システム。
12. 膜が、ＰＦＡで作られている、請求項１１に記載の流れ調整システム。
13. 選択的に作用流体溜めの中にまた作用流体溜めから外に作用流体を計量して供給するための、作用流体溜めと流体連通したポンプをさらに備え、作用流体溜めから外に作用流体を計量して供給することで、膜が第１の方向に変位してプロセス流体が入口に引き込まれ、かつ作用溜めの中に作用流体を計量して供給することで、膜が第２の方向に変位してプロセス流体が出口から排出される、請求項１１に記載の流れ調整システム。
14. 実質的に堅い容器と、
    堅い容器で画定されたプロセス流体出口と、
    堅い容器中に位置しかつプロセス流体出口と流体連通している可撓性プロセス流体溜めとを含み、該プロセス流体溜めが、プロセス流体を堅い容器の内部から隔離しており、
    堅い容器が該容器中に位置しかつプロセス流体溜めを実質的に囲む作用流体溜めを備え、堅い容器が作用流体入口を画定し、作用流体溜めの中に入れられた作用流体が、プロセス流体溜めを押し付けて、プロセス流体溜めからプロセス流体出口を通してプロセス流体を排出する、流れ調整システム。
15. 作用流体溜めの中に作用流体を計量して供給するように作用流体入口に接続されたポンプをさらに備える、請求項１４に記載の流れ調整システム。
16. プロセス流体出口に接続されたフィルタをさらに備える、請求項１４に記載の流れ調整システム。
17. プロセス流体溜めの中に含まれたプロセス流体を混合する混合機をさらに備える、請求項１４に記載の流れ調整システム。
18. 混合機が、超音波混合機を備える、請求項１７に記載の流れ調整システム。
19. 作用流体溜めが、使い捨てのバッグを備える、請求項１４に記載の流れ調整システム。
20. ＣＭＰツールへのプロセス流体の流れを調整する方法であって、
    プロセス流体を含むプロセス流体溜めを設けるステップと、
    可動部材を設けるステップと、
    プロセス流体溜めと流体連通しているプロセス流体出口にＣＭＰツールを接続するステップと、
    可動部材を移動させて、それによってプロセス流体溜めをつぶして、プロセス流体溜めからＣＭＰツールへ所望の流量でプロセス流体を排出するステップとを含み、プロセス流体溜めおよび可動部材が堅い部材中に位置しており、前記プロセス流体溜めは、プロセス流体を堅い容器の内部から隔離する、方法。
21. プロセス流体を含むプロセス流体溜めを設けるステップが、
    プロセス流体溜めと流体連通しているプロセス流体入口にプロセス流体の供給源を接続すること、
    プロセス流体入口に接続された入口弁を開くこと、
    プロセス流体出口に接続された出口弁を閉じること、および
    所定量のプロセス流体をプロセス流体供給源からプロセス流体溜めに引き込むことを含む、請求項２０に記載の方法。
22. プロセス流体溜めをつぶすステップが、
    入口弁を閉じること、および
    出口弁を開くことを含む、請求項２１に記載の方法。
23. プロセス流体溜めからＣＭＰツールにプロセス流体を排出するように可動部材を第２の方向に動かすステップと、
    所定量のプロセス流体をプロセス流体供給源からプロセス流体溜めに引き込むステップにして、可動部材を第１の方向に動かすことを含むステップとをさらに有する、請求項２１に記載の方法。
24. プロセス流体を含むプロセス流体溜めを設けるステップが、プロセス流体を含んだ使い捨てのバッグを設けることを含む、請求項２０に記載の方法。
25. プロセス流体がスラリーである、請求項１に記載の流れ調整システム。
26. プロセス流体がスラリーである、請求項１４に記載の流れ調整システム。
27. プロセス流体がスラリーである、請求項２０に記載のＣＭＰツールへのプロセス流体の流れを調整する方法。

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