KR100949029B1 - 화학물질 혼합 및 이송 시스템과 그 방법 - Google Patents

화학물질 혼합 및 이송 시스템과 그 방법 Download PDF

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에이. 존슨 케네스
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에어 리퀴드 일렉트로닉스, 유.에스. 엘피
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Abstract

본 발명은 화학물질 이송 시스템과 액체 화학물질의 이송을 위한 방법에 관한 것이다. 한 실시예에는, 반도체 산업에서 사용되는 이송 화학물질을 이송하기 위한 다중-저장실 로드 셀 조립체(도 2, 도 4, 도 5, 도 7, 도 9, 도 11)를 포함하는 시스템들이 개시되어 있다. 또 다른 실시예(도 12)에서, 본 발명은 제어기(PLC), 완충 저장실(92, 71), 주저장실(69), 상기 조립체 및 상기 제어기에 연결되고 저장실 내의 액체의 중량을 측정할 수 있는 하나 이상의 로드 셀(12, 13, 67, 68, 91, 96), 다수의 공급 라인(A ~ D)들, 각 공급원, 및 제어기에 의해 요구될 때 조립체로부터 액체를 배출시키고 공급 컨테이너로부터 조립체를 보충하기 위한 가스원과 진공원을 포함하는 다중-저장실 로드 셀 조립체(69, 92, 71)를 제공한다. 완충 저장 유입 밸브(80)와 유출 밸브(81)를 포함하는 비례 밸브 블록은 완충 저장실로의 압력을 조절한다.
화학물질, 주저장실, 완충 저장실, 다중-저장실 로드 셀 조립체, 비례 밸브 블록, 논리 연산 제어기

Description

화학물질 혼합 및 이송 시스템과 그 방법{CHEMICAL MIX AND DELIVERY SYSTEMS AND METHODS THEREOF}
본 발명은 일반적으로 액체 화학물질(들)을 혼합 및/또는 이송하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 논리 장치와 다중-저장실 로드 셀 조립체(multi-reservoir load cell assembly)를 이용하여 정확한 양의 액체 화학물질을 혼합 및 이송하기 위한 시스템과 방법에 관한 것이다.
본 발명은 용도가 다양하지만, 광식각술(photolithography) 공정에서 포토레지스트(photoresist)의 노출을 위하여 실리콘 웨이퍼로 포토레지스트를 전달하는 방법과 관련된 문제를 고려함으로써 본 발명을 설명할 수 있다. 요구되는 정밀한 영상을 형성하기 위하여, 포토레지스트는 웨이퍼의 사용 가능한 부분 상에 정밀하고도 균일한 두께로 기포 없이 요구된 정밀한 양만큼 전달되어야만 한다. 종래의 시스템들은 아래와 같은 문제점을 가지고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 대표적인 포토레지스트 이송 시스템은 전형적으로 병(bottle)인 공급 컨테이너(100, 102)를 포함하며, 상기 공급 컨테이너는, 기포 센서(110, 112)에 의해 감시되고 밸브(V1, V2)에 의해 제어되는 공급 라인(106, 108)에 연결되어 있는 라인(117)을 통해, 단일-저장실(104)로 포토레지스 트를 공급한다. 저장실의 바닥은 웨이퍼 상에 포토레지스트를 분배하는 트랙 툴(track tool)(미도시)로 향한 포토레지스트 배출 라인(114)에 연결되어 있다. 저장실(104) 내의 포토레지스트 위의 공간이 가스 라인(118)에 연결되어 있다. 가스 라인(188)은, 3-방향 밸브(V3)의 위치에 기초하여, 니들 밸브(120)에 의해 조절되는 질소 다기관 라인(126)으로부터 저장실9104)에 질소 가스를 공급하거나, 저장실(104) 내에 진공을 형성시킨다. 저장실(104) 내의 포토레지스트의 레벨을 감지하기 위하여, 상기 시스템은 저장실(104)의 벽 위에 수직으로 배열된 전기 용량 센서(122) 배열을 이용한다. 질소 가스 다기관과 진공 이젝터(vacuum ejector)(124) 사이에 위치한 2-방향 밸브(V4)가 진공 이젝터(124)로 질소를 공급하거나 질소의 유동을 차단한다.
트랙 툴이 필요한 만큼의 포토레지스트를 분배할 수 있기 위해서는, 포토레지스트 이송 시스템은 항상 "온-라인" 상태이어야만 한다. 다수의 포토레지스트 이송 시스템들이 트랙 툴에 온-라인으로 포토레지스트를 공급하고자 저장실을 사용하려고 시도하지만, 포토레지스트 이송 시스템은 비어 있는 공급 컨테이너의 적시의 교환에 의존하여 정기적으로 저장실을 다시 채워야만 한다. 그렇지 않을 경우, 트랙 툴은 필요한 때에 포토레지스트를 이송할 수 없게 된다.
분배 모드 중에, 저장실(104)로부터 트랙 툴에 의하여 포토레지스트가 배출될 때, 밸브(V3)에 의하여 질소가 질소 다기관으로부터 저장실(104)로 유입될 수 있고 포토레지스트 위에 질소 블랭킷(nitrogen blanket)이 형성되어 오염이 감소되며, 저장실 내에서 포토레지스트의 레벨이 감소함에 따라 진공 상태가 생성되는 현 상이 방지된다. 저장실(104) 내의 포토레지스트가 충분히 낮은 레벨에 도달하면, 시스템 제어기(미도시)가 보충 모드를 개시하며, 이 때 여러 문제가 발생한다.
보충 모드 중에, 질소가 다기관 라인(126)으로부터 진공 이젝터(124)로 유동하도록 밸브(V4)가 활성화되며, 상기 진공 이젝터는 저압 라인(170)을 형성시킴에 따라 저장실(104) 내의 포토레지스트 상에 저압 공간을 형성시킨다. 기포 센서(110, 112)들은, 공급 컨테이너(100, 102)가 비었을 경우에 형성된다고 추정되는 공급 라인(106, 108) 내의 기포들을 감시한다. 예를 들어, 기포 센서(110)가 기포를 검출하면, 제어기가 컨테이너(100)에 공급할 밸브(V1)를 차단시키고, 저장실(104)을 계속 보충하기 위하여 밸브(V2)가 컨테이너(102)로 개방된다. 그러나, 공급 라인(106) 내에 기포가 존재한다고 해도, 공급 컨테이너(100)가 비어 있다는 것을 의미하는 것은 아닐 것이다. 따라서, 시스템이 포토레지스트 공급을 위해 공급 컨테이너(102)로 전환하기 전에, 공급 컨테이너(100) 내의 모든 포토레지스트가 사용되는 것은 아니다. 그러므로, 필요한 시점에 여러 공급 컨테이너들이 저장실을 보충할 수 있도록 기존의 시스템이 의도되었음에도 불구하고, 필요한 시점 이전에 공급 컨테이너가 비어 있어 교체될 필요가 있다고 시스템이 잘못 표시할 수도 있다.
공급 컨테이너(100)가 비워지고, 작업자(operator)가 이를 교체하지 못하여 공급 컨테이너(102)도 비워질 때까지 시스템이 연속적으로 작동될 경우, 저장실(104)은 임계 하위 레벨 상태에 도달하게 된다. 이러한 현상이 지속되면, 기포가 발생하게 되는데, 그 이유는 기포에 대한 포토레지스트의 민감성(susceptibility) 이 높기 때문이며, 만일 미소 기포가 웨이퍼로 전달되는 포토레지스트에 유입되면, 광식각술 공정 중에 불완전한 영상(image)이 형성될 수 있다.
또한, 저장실가 다시 채워질 때 화학물질 배출 라인(114)의 하류에 연결된 트랙 툴의 펌프가 켜질 경우, 단일-저장실 내의 진공 상태가 상기 펌프에 대하여 흡인력을 작용시키므로, 상기 펌프는 상기 진공 상태로부터 부압(negative pressure)을 겪게 될 것이다. 이 현상이 지속되면 몇 가지 문제가 발생할 수 있다. 즉, 트랙 툴로 이송되는 포토레지스트의 부족으로 인하여 공급 컨테이너가 비었다는 오류 신호를 전송할 수도 있을 것이며, 펌프가 자신의 내부 체임버로 포토레지스트를 이송하지 못하여, 포토레지스트를 적절히 분배할 수 있는 능력을 상실할 수 있으며, 심지어 펌프가 과열되어 타버릴 수도 있다. 이러한 각각의 시나리오의 결과는 트랙 툴이 불충분하거나 전무한 포토레지스트를 받았을 경우에 발생하는 것으로, 이러한 현상은 "미스 샷(missed shot)"이라고 알려져 있고 트랙 툴의 수율에 영향을 미친다.
본 발명은, 화학기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP)용 슬러리의 혼합 및 이송과 관련된 문제들을 고려함으로써 설명될 수 있다. 반도체 제조에 있어서, 슬러리 분배 시스템(slurry distribution system, SDS)이 CMP 슬러리를 연마기에 이송한다. 예를 들면, 본 발명에서 인용하는 반도체 제조 기술 핸드북(Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology)(2000)에는 연마기로의 CMP 슬러리 이송에 대하여 기재되어 있으며 431 페이지에 SDS의 구성이 나타나 있다. 일부 적용 분야에 있어서는, SDS는 혼합 탱크 내의 슬러리 구성물을 혼합할 필요가 있다. 슬러리를 혼합하고 처리하는 동안에, SDS는 슬러리를 손상시키지 않아야 하는데, 슬러리에 과다한 전단력을 가함으로써 응집이 발생하거나 너무 작은 전단력을 가함으로써 침전이 발생하는 등의 슬러리 손상을 방지하여야 한다. 공정 툴에 의하여 요구되었을 때에, 펌프가 슬러리를 분배 탱크에 전달할 수 있다. CMP 슬러리 배합물은 각 공정에 적합하도록 제조되는 경우가 많기 때문에, SDS는 다양한 화학물질을 처리하여야 한다. SDS는, 슬러리 혼합비를 알 수 있도록 정확한 양의 슬러리 구성물을 혼합 탱크 내에 도입하여야 한다. 종종, 공정 툴로의 유량을 정확하게 제어하고/제어하거나 낮은 유량에서 이송시킬 필요도 있다. 낮은 유량에서는 미세 기포가 분배 라인에서 발생하는 경우가 있고, 이로 인하여 슬러리 이송에 지장을 초래한다. SDS의 작동을 중지하지 않더라도 라인들을 세정할 수 있다면 바람직하다. 물론, 일상의 슬러리 제조 및 이송 공정 중의 무결함에 대한 신뢰성뿐만 아니라, 공정 결과에 영향을 주는 슬러리 조성의 편차를 방지하기 위한 주기적인 보수의 용이성도 달성되어야 한다.
화학물질의 유량을 제어하기 위하여 통상 유량계를 사용한다. 유량계는 일반적으로 소망 유량의 2% ~ 3%의 범위 내에서 정확할 뿐이고, 입력 압력에 기인한 변화에도 민감하다. 두 번째로, 슬러리와 같은 일부 화학물질은 유량계를 폐색시켜 유동이 일어나지 않을 수도 있다. 유량을 제어하는 또 다른 방법으로서, 저장실을 가압하는 "가압" 가스를 이용하고 가압 가스 압력을 조절하여 유량을 조절할 수 있다. 이러한 방법에 의하면, 가압 가스 압력의 변화할 수 있고, 저장실 내의 레벨 변경에 따라 유량이 변화할 수 있기 때문에, 정확한 유량이 얻어지지 않는다.
본 발명은 이와 같은 문제점들을 해결하고 화학물질의 낭비를 방지하며, 공급 컨테이너 내에 남아 있는 화학물질의 양을 나타내는 사용자 친화적 인터페이스를 제공하고, 시스템 자본 경비 및 조업 비용을 절감시킨다. 예를 들어, 공급 컨테이너 내의 화학물질의 양을 볼 수 없는 경우에, 본 발명에 따르면, 기존의 컴퓨터 네트워크 능력과 제공되는 전자 장치들에 의하여 원격지에 인터페이스가 제공될 수 있다.
본 발명은 액체 화학물질의 정밀한 혼합 및 이송을 위하여 제어기 또는 논리 장치 및 다중-저장실 로드 셀 조립체를 사용하는 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 공급원으로부터 공정으로 액체 화학물질을 이송하는 방법에 관한 것으로, 동적 공급 및 액체 화학물질의 사용이 공정 요구도를 만족하도록 정확히 측정 및 조절한다. 최종적으로, 본 발명은 공정에서 이용 가능한 액체 공급을 감시, 조절, 및 분석하기 위한 다중-저장실 로드 셀 조립체를 제공한다.
도 1은 단일-저장실과 이 단일-저장실에 연결된 공급 라인 상의 기포 센서를 사용하는 화학물질 이송 시스템을 나타내는 도면.
도 2a는 본 발명의 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제1 실시예에 대한 정면 단면도.
도 2b는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제1 실시예에 대한 평면도.
도 3은 도 2a와 도 2b 또는 도 4a와 도 4b의 다중-저장실 로드 셀 조립체를 포함하는 화학물질 이송 시스템의 실시예를 나타내는 배관 및 설비도.
도 4a는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제2 실시예에 대한 정면 단면도.
도 4b는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제2 실시예에 대한 측면 단면도.
도 5a는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제3 및 제6 실시예에 대한 정면 단면도.
도 5b는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제3 및 제6 번째 실시예에 대한 측면 단면도.
도 6은 도 5a와 도 5b 또는 도 11a와 도 11b의 다중-저장실 로드 셀 조립체를 포함하는 화학물질 이송 시스템의 실시예를 나타내는 배관 및 설비도.
도 7a는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제4 실시예에 대한 정면 단면도.
도 7b는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제4 실시예에 대한 측면 단면도.
도 8은 도 7a와 도 7b의 다중-저장실 로드 셀 조립체를 포함하는 화학물질 이송 시스템의 실시예를 나타내는 배관 및 설비도.
도 9a는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제5 실시예에 대한 정면 단면도.
도 9b는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제5 실시예에 대한 측면 단면도.
도 10은 도 9a와 도 9b의 다중-저장실 로드 셀 조립체를 포함하는 화학적 이송 시스템의 실시예를 나타내는 배관 및 설비도.
도 11a는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제7 실시예에 대한 정면 단면도.
도 11b는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제7 실시예에 대한 측면 단면도.
도 12는 화학물질 혼합 및 이송 시스템의 실시예를 나타내는 배관 및 설비 도.
도 13은 적어도 하나의 저장실 내의 액체 중량 감소를 이용하는 유량 제어 시스템을 나타내는 흐름도.
제1 실시예에서, 본 발명은 도 2a와 도 2b에 도시된 다중-저장실 로드 셀 조립체(200)를 포함한다. 조립체(200)는 도 3에 도시된 시스템의 일부일 수 있고, 도 1에 제시된 문제점 있는 단일-저장실(104)과 기포 센서(110, 112) 대신에 사용될 수도 있다.
이와 같은 실시예에서, 테프론, SST, 폴리프로필렌 또는 모든 화학적 호환성 재료로 구성된 조립체(200)는 상부 격실(202), 주저장실(206), 그리고 완충 저장실(208)을 모두 외측 하우징(212) 내에 포함하고 있다. 완충 저장실(208)은 격벽(209)에 의하여 주저장실(206)로부터 밀봉되고, O-링 밀봉부(211)가 외측 하우징(212)에 대하여 격벽(209)의 둘레를 밀봉한다. 격벽(209)에는 중앙 원추형 구멍(250)이 형성되어 있고, 따라서 내부 밀봉 샤프트(204)가 격벽(209)과 함께 액밀 및 기밀 밀봉부를 형성할 수 있다. 격벽(209)은 O-링 밀봉부(210)와 함께 공압 튜브(215)에 대하여 액밀 및 기밀 밀봉부를 형성한다. 주저장실(206)은 격벽(209)과 저장실 캡(205) 사이에 강성의 분리부(rigid separation)를 형성하는 중간 슬리브(214)를 포함한다. O-링(203)이 외측 하우징(212)의 내면에 대하여 저장실 캡(205)의 주위를 밀봉한다. 저장실 캡(205)은 내부 밀봉 샤프트(204), 화학물질 유입 튜브(217), 및 공압 튜브(215, 128) 각각과 접촉하여 O-링 밀봉부(207, 220, 222, 224) 세트(도면부호 224는 도 2a에 나타나 있지 않지만, 도 2b에 위치가 도시되어 있음)와 함께 밀봉부를 형성한다. 저장실 캡(205)과 공압 실린더(226)에는, 스페이서(244)가 공유되도록 설치된다. 상부 슬리브(233)와 중간 슬리브(214)에 의하여 저장실 캡(205)이 소정 위치에 유지된다. 외측 테프론 저장실 상부(201)는 외측 하우징(212)에 볼트로 연결되어 있고, 상부 슬리브(233)와 공압 실린더(226)에 대하여 기계적으로 확고한 고정부를 형성한다. 공압 실린더(226)를 위한 공압 공기 라인이 공간 구멍(260)을 통하여 외측 테프론 저장실 상부(201)에 삽입된다.
본 발명이 실리콘 웨이퍼 상으로의 CMP 슬러리 또는 포토레지스트 이송에만 한정되는 것이 아니라는 점을 밝혀둔다. 예를 들면, 이러한 환경에서 본 발명이 종래 시스템에 비하여 장점을 나타내지만, 본 발명의 시스템은 기타 유형의 공정에 대하여 다른 액체 화학물질을 이송할 수 있다. 본 발명의 신규성은 이송되는 화학물질의 성질에 국한되는 것이 아니라 그 이상의 범위에 이르기 때문에, 본 발명의 범위와 관련된 오해를 방지하기 위하여 이하에서 화학물질의 이송에 관하여 설명한다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 도 2a와 도 2b에 도시된 다중-저장실 로드 셀 조립체(200)가 스케임(Scaime) 로드 셀 모델 번호 F60X10C610E 등인 것이 바람직한 로드 셀(412)에 현가되어 중량이 측정되고, 미쓰비시 FX2N 등인 것이 바람직한 논리 연산 제어기(PLC)(330), 컴퓨터 또는 기타 종래의 논리 장치가 로드 셀 중량과 화학물질의 비중으로부터 조립체(200) 내의 화학물질의 체적을 결정한다. 설명의 편의를 위하여, 논리 장치를 PLC라고 칭하기로 한다. 라인(217)으로부터의 화 학물질이 주저장실(206)로 이송되고, 로드 셀(412)이 로드 셀(412) 상의 중량에 비례하는 작은 밀리볼트(mV) 아날로그 신호(324)를 출력한다. 한 실시예에서, ATX-1000 신호 증폭기(326)가 작은 신호(324)를 4mV ~ 20mV의 범위로 증폭시키고 미쓰비시 FX2N4-AD와 같은 아날로그-디지털 변환기(328)로 증폭된 신호를 보내고, 출력된 디지털 신호(332)가 PLC(330)로 전송된다. PLC(330)는 종래의 사다리 논리(ladder logic)에 의하여 신속히 프로그래밍이 가능하다. 화학물질의 배출 도중에, PLC(330)의 소프트웨어 설정점에 도달할 때까지 조립체(200)의 중량이 감소한다.
도 3에 또한 도시되어 있는 바와 같이, PLC(330)는 24 DC 볼트 솔레노이드 작동 밸브를 사용하여 밸브(V1 ~ V5)를 제어할 수 있고, 미쓰비시 FX2N과 같은 출력 카드에 의하여 밸브들을 활성화시킬 수 있다. 각각의 솔레노이드 밸브가 개방되었을 경우에, 솔레노이드 밸브에 의하여, 베리플로 자동-감압형 조절기(VeriFlow self-relieving regulator)와 같은 조절기(2)로부터의 가압 가스가 공압 작동식 밸브(V1 ~ V5)들로 유동하여 밸브들이 개방 또는 밀폐될 수 있다. 제1 실시예의 작동 순서는, 도 2a, 도 2b 및 도 3에 도시된 구성요소가 아래에 기술된 바와 같이 작동하도록 PLC(330) 내에 프로그래밍되어 있다.
일단 화학물질이 특정 높이까지 하강하면, PLC(330)는 도 2a와 도 2b의 다중-저장실 로드 셀 조립체(200)를 이용하여 도 3에 도시된 시스템들이 다음과 같은 자동 보충 단계를 시작하도록 작동시킨다.
a) 베리플로 자동-감압형 조절기와 같은 조절기(1)에 의하여, 예를 들면 6.9kPa(1psi)과 같은 저압의 불활성 가스인 것이 바람직한 블랭킷(blanket)이 공압 튜브(218)를 통하여 주저장실(206)로 연속적으로 공급된다.
b) 공압 실린더(226)가 내부 밀봉 샤프트(204)를 상승시킴으로써, 완충 저장실(208)이 주저장실(206)로부터 밀봉된다.
c) 완충 저장실(208)이 밀봉되면, 주저장실(206)은 배기되어 대략 71cm(28 인치) Hg의 진공 상태가 된다. 도 2a 도 2b에 도시되어 있는 바와 같이, 주저장실(206)로부터의 공압 튜브(218)는 3-방향 밸브(V4)의 출력 측에 연결되어 있다. 밸브(V4)가 활성화되면 튜브(218)가 도 3에 도시된 바와 같이 진공 이젝터(324)에 연결된 라인(316)과 소통한다. 진공 이젝터(324)는 압축 가스에 의해 구동되며, 상기 가스는 2-방향 밸브(V5)에 의하여 진공 이젝터로 향하게 된다. 밸브(V5)가 개방되면, 압축된 공기가 통과할 수 있고, 진공 이젝터(324)가 주저장실(206)과 연통하는 라인(316)을 통하여 대략 71cm(28 인치) Hg의 압력(진공)을 형성시킨다.
d) 진공은 완충 저장실(208)로부터 차단되어 있고, 소량의 불활성 가스 블랭킷이 상측에 형성되어 있는 완충 저장실은 화학물질을 공정 또는 툴(tool)로 연속적으로 공급하며, 이 때 툴로 이송될 화학물질은 부압이나 압력차에 노출되지 않는다.
e) 주저장실(206) 내에 형성된 진공에 의하여, 밸브(V1, V2)에 연결된 화학물질 라인은 압력이 저하한다. 밸브(V2)가 개방되었다고 가정하면, 저압 라인(217)에 의하여 화학물질이 공급 컨테이너(102)로부터 저장실(206)로 유동한다. 이 시간 동안에, 주저장실(206)은 설정된 최고 레벨(full level)에 도달될 때까지 화학물질로 다시 채워진다.
f) 최고 레벨은 로드 셀(412)의 사용 및 PLC(330)에 의해 수행된 중량 계산에 의해 결정된다. 예를 들면, 바람직한 하나의 실시예에 있어서는, 체적 용량이439cm3(cc)인 완충 저장실(208)과 용량이 695cm3(cc)인 주저장실(206)이 사용된다. 화학물질의 비중을 이용하여, PLC(330)는 화학물질이 점유하고 있는 체적을 계산한다. 화학물질 체적이 439cc에 도달하거나 그 이하로 떨어지면, PLC(330)는 보충 단계를 시작한다. 화학물질 체적이 695cc에 도달하면 보충은 중단된다. 이와 같은 과정에 의하여, 완충 저장실(208) 내의 거의 모든 439 cc의 화학물질이 소모되는 동안에, 주저장실(206)을 695cc의 화학물질로 다시 채우는 것이 가능하고, 주저장실(206)이 넘치거나 완충 저장실(208)로부터 화학물질이 완전히 배출되는 것이 방지된다.
g) 주저장실(206)이 다시 채워지면, 밸브(V5)가 닫히고 그에 따라 진공 이젝터(324)로 향하는 가스 유동과 진공 이젝터(324)에 의한 진공 발생이 중단된다. 그 후, 3-방향 밸브(V4)의 방향이 전환되어 불활성 가스 라인(218)이 주저장실(206)과 연통하고, 불활성 가스 블랭킷이 완충 저장실(208)과 동일한 압력으로 주저장실(206) 내의 화학물질 위에 다시 형성되는데, 그 이유는 두 개의 라인(218, 215)들이 동일한 불활성 가스 다기관(318)으로부터 가스를 수용하기 때문이다(도 3 참조). 또한, 이때 밸브(V2)가 밀폐되어 공급 컨테이너(102)가 주저장실(206)로부터 차단된다.
주저장실(206)이 화학물질로 보충되고 그 위에 불활성 가스 블랭킷이 형성된 후에, 내부 밀봉 샤프트(204)가 하강함으로써 화학물질이 주저장실(206)로부터 완충 저장실(208)로 유동할 수 있게 된다. 결국, 완충 저장실(208) 전체와 주저장실(206)의 대부분이 채워지게 된다. 공압 튜브(215) 내의 화학물질이 주저장실(206)과 동일한 높이에 도달할 때까지, 완충 저장실(208)에 연결된 공압 튜브(215)가 화학물질로 채워지며, 그 이유는 두 저장실들 내의 압력이 서로 동일하기 때문이다. 다시 주저장실(206)을 채운다고 결정될 때까지 내부 밀봉 샤프트(204)는 개방된 채로 유지된다.
제1 실시예에 있어서 공급 컨테이너 내의 화학물질의 양을 결정하기 위하여 기포 센서 대신에 로드 셀을 사용하기 때문에, 본 발명은 다양하고 유용한 특징들을 제공한다. 첫 번째 특징은 공급 컨테이너 내에 남아 있는 화학물질을 실시간으로 정확히 결정할 수 있다는 점이다. 만일 공급 컨테이너가 시스템에 연결되었을 때에 가득 채워져 있다면, PLC는 제거된 화학물질 (및 다중-저장실 로드 셀 조립체에 공급된 화학물질)과 공급 컨테이너 내에 남아 있는 화학물질의 양을 쉽게 계산할 수 있다. 이 정보는 컨테이너 내에 남아 있는 화학물질의 양을 그래프로 표현하는 데에 활용될 수 있다. 두 번째 특징은, 시스템 내의 중량 증가를 감시함으로써, 공급 컨테이너가 완전히 비워지는 시점을 PLC가 정확히 결정할 수 있다는 점이다. 보충 단계 중에 저장실의 중량이 증가하지 않는다면, 공급 컨테이너가 비었다는 것을 의미하게 된다. 그에 따라, 공급 컨테이너에 대한 밸브가 밀폐되고 다음의 공급 컨테이너가 온 라인 상태로 이송된다. 관련된 세 번째 특징은, 로드 셀 기술이 화학물질의 사용 추이를 정확히 예측하고 확인할 수 있는 능력을 제공해 준다는 것이 다. 정확한 양의 화학물질이 측정되어 저장실로 이송되기 때문에, 이러한 정보는 용이하게 전자적으로 저장, 처리 및 전송될 수 있다.
도 4a와 도 4b에 도시된 다중-저장실 로드 셀 조립체(400)의 두 번째 실시예는, 바닥 캡(410)에 결속되고 O-링(411)에 의하여 밀봉된 완충 저장실(408)을 포함한다. 배출되는 화학물질은 튜브 연결부(401)를 통하여 흐른다. 완충 저장실(408)에는 공압 튜브(415), 화학물질 밸브(407), 로드 셀 분리기(413) 및 로드 셀(412)이 연결되어 있다. 로드 셀(412)은 완충 저장실(408)에 볼트로 고정되어 있고, 타측은 다중-저장실 로드 셀 조립체(400)의 일부가 아닌 강성 부재(미도시)에 볼트로 고정되어 있다. 외측 슬리브(404)는 완충 저장실(408) 둘레와 미끄럼 접촉하고 바닥 캡(410)에 놓이게 된다. 외측 슬리브(404)는, 로드 셀(412)이 슬리브를 방해받지 않은 상태에서 통과할 수 있도록 기계 가공되어 있다. 밸브(407)의 단부(405)가 주저장실(406)에 연결되고 타측 단부(409)가 완충 저장실(408)에 연결된다. 주저장실(406)은 상측 캡(403) 내의 O-링에 의하여 캡슐화되어 밀봉되어 있다. 상측 캡(403)은 계단 형상의 가장자리를 포함하고 그 주변부를 따라 외측 슬리브(404)가 고정된다. 공압 라인(418)과 화학물질 유입 라인(417)은 상측 캡(403)에 고정되어 있다. 외측 슬리브(404)는 분리된 저장실(406과 408)들을 위한 기계적 강도를 제공한다.
도 4a와 도 4b에 도시되어 있고 도 3의 시스템에 사용된 다중-저장실 로드 셀은 제1 실시예와 유사하지만, 다음과 같은 주요 차이점이 있다.
a) 밸브(407)가 주저장실(406)과 완충 저장실(408) 사이의 유체 경로의 제어 를 제공한다.
b) 외측 슬리브(404)가 주저장실(406) 및 완충 저장실(408)을 지지하는 강성 조립체를 형성하는 기계적 지지부를 제공한다.
도 5a와 도 5b에 도시되어 있는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제3 실시예는, 서로 이격되어 있으나 가용성 유체 라인(516)에 의하여 연결된 두 개의 저장실(506, 508)들을 사용한다. 제3 실시예는 도 4a와 도 4b에 도시되어 있는 전술한 구성요소들의 대다수를 사용하기는 하나, (i) 외측 슬리브(404)를 사용하지 않고, (ii) 완충 저장실(508)이 주저장실(506)로부터 기계적으로 현가되지 않고, (iii) 로드 셀 스페이서(513)와 로드 셀(512)이 주저장실(506)의 바닥에 고정되어 있다.
제3 실시예는, 로드 셀(512)이 도 5a, 도 5b 및 도 6에 도시된 주저장실 탱크(506) 내의 화학물질의 체적을 측정한다는 점만 제외하면, 제2 실시예와 유사하게 작동한다. 제3 실시예의 장점은, 주저장실(506)로 전달되는 화학물질의 정밀한 양을 항상 알 수 있고, PLC가 보충 작동 중에 완충 저장실(508)로부터 제거된 화학물질의 양을 추정할 필요가 없다는 점이다. 제3 실시예는 도 3의 제어 시스템(즉, PLC, A/D, 신호 증폭기 등)과 함께 도 6의 시스템 내에서 사용될 수 있다. 본 명세서에 있어서, 도면부호의 선행 숫자(lead digit)는 어느 도면이 부재의 세부 사항을 나타내는지를 표시하며, 후행 숫자(trailing digit)는 해당 부재가 동일한 후행 숫자로 표시된 다른 부재들과 유사하다는 것을 나타낸다. 따라서, 완충 저장실(206)과 완충 저장실(306)은 기능이 서로 유사하고, 각각 도 2a와 도 3a에 도시되어 있다.
도 7a와 도 7b에 도시되어 있는 다중-저장실 로드 셀 조립체의 제4 실시예는 제3 실시예와 동일한 구성요소들을 사용하고 있으나, 제2 로드 셀(722)이 완충 저장실(708)에 부착되어 있다. 조립체(700)는, 도 3의 제어 시스템 및 제2 로드 셀을 위한 추가 구성요소들 갖춘 도 8의 시스템에서 사용되는 것이 바람직하다.
도 7a와 도 7b에 도시되어 있는 다중-저장실 로드 셀 조립체(700)의 제4 실시예는, 로드 셀(712)이 주저장실(706) 내의 화학물질만을 측정하고 로드 셀(722)이 완충 저장실(708) 내의 화학물질만을 측정한다는 점을 제외하면, 제2 실시예와 매우 유사하게 작동한다. 제2 실시예의 장점은 완충 저장실(708)이 항시 감시되기 때문에, 하류 공정 또는 툴이 보충 사이클 중에 갑자기 많은 양의 화학물질을 소모할 경우, 시스템이 보충 사이클을 즉시 중단시키고 주저장실(706)로부터 완충 저장실(708)로 화학물질을 이송시켜 완충 저장실(708)로부터 화학물질이 완전히 배출되는 것을 방지한다.
도 9a와 도 9b에 도시되어 있는 다중-저장실 로드 셀 조립체(900)의 제5 실시예는, 주저장실(906) 대신에 완충 저장실(908)에 로드 셀(912)이 부착된다는 점만을 제외하면, 제3 실시예와 동일한 구성요소들을 사용한다. 제5 실시예는 도 3에 도시되어 있는 제어 시스템(즉, PLC, A/D, 신호 증폭기 등)을 갖춘 도 10에 도시된 시스템에서 사용되는 것이 바람직하다.
기능적으로, 주-저장실 로드 셀 조립체(900)의 제5 실시예는 제2 실시예와 동일하게 작동하며, 유일한 차이점은 로드 셀(912)이 완충 저장실(908) 내의 화학물질의 중량만을 측정한다는 점이다.
공정 또는 툴이 화학물질을 소비함에 따라, 주저장실(906)이 또한 비워질 때까지 완충 저장실(908)의 중량은 일정하다. 그 후 완충 저장실(908) 내의 중량이 감소하기 시작하며, 이는 주저장실(906)이 다시 채워질 필요가 있다는 것을 나타낸다. 이 시점에서, 주저장실(906)은 계산된 시간 동안에 보충된다. 이 단계 중에, 주저장실(906)이 다시 채워지고 두 개의 저장실(906, 908)들 사이의 밸브(907)가 다시 개방될 때까지, 완충 저장실(908) 내의 화학물질은 감소한다.
제6 실시예는 도 5a와 도 5b에 도시된 제3 실시예와 동일한 구성 요소들을 사용한다. 주목해야 할 유일한 차이점은 약 6.9kPa(1psi)의 불활성 가스 블랭킷(도 6 참조)이 약 551kPa(80psi)(이 값은 화학물질의 유형에 따라 다소 변화할 수 있음)까지 증가한다는 점이다. 불활성 가스의 압력이 증가하면, 제6 실시예는 일정한 배출 압력으로 화학물질을 분배시키는 압력을 이용할 수 있으며, 상기 배출 압력은 보충 사이클 동안일지라도 영향을 받지 않는다. 이러한 방법에 의하여, 매우 정확하고 비-펄스화된 화학물질의 배출 유동이 가능해진다. 필터 뱅크(filter bank)를 통하여 화학물질을 펌핑하는 초고순도 용도에서는, 이러한 점이 매우 중요한 특징이 될 수도 있다. 화학물질의 어떠한 맥동(pulsation)일지라도 필터 뱅크로부터 초고순도 화학물질 배출류 내로 유입되는 입자들을 유발할 수 있다.
제7 실시예는 제3 실시예와 동일한 구성요소 및 도 11a와 도 11b에 도시된 추가 구성요소들을 사용하는데, 주저장실(1106), 완충 저장실(1108), 밸브(1122)를 통해 주저장실(1106)에 추가된 제2 화학물질 유입 라인(1119), 화학물질 유입 라인(1117)에 추가된 밸브(1123), 교반 모터(1120) 및 임펠러 조립체(1121)를 포함한 다.
기능적으로 제7 실시예는 제3 실시예와 동일하게 작동하나, 정확한 비율로 두 개의 화학물질을 혼합한 후에 혼합물을 완충 저장실(1108)로 전달하는 부가적 기능을 갖추고 있다. 화학물질은 개방된 밸브(1123)와 화학물질 유입 라인(1117)을 통하여 주저장실(1106)로 유입될 수 있으며, 로드 셀(1112)에 의하여 중량이 측정된다. 적정량이 주저장실(1106)로 유입되면, 밸브(1123)가 밀폐되고 밸브(1122)가 개방되며, 따라서 제2 화학물질이 주저장실(1106)로 유입될 수 있다. 주저장실(1106)로 적정량이 유입되면, 밸브(1122)가 밀폐되고 교반 모터(1120)와 임펠러 조립체(1121)에 의하여 화학물질이 혼합된다. 화학물질의 혼합은 상기 단계 중에 언제라도 개시될 수 있다. 혼합이 완료되면 밸브(1107)가 개방되고, 가스 라인(1115)에 또한 연결되어 있는 완충 저장실(1108)로 화학물질이 이송될 수 있다. 이는, 시간 민감성 화학물질들을 혼합하고 혼합 화학물질의 일정하고 비-펄스화된 배출을 유지하는 이상적 방법이다.
도 12는 화학물질 혼합 및 이송 시스템의 실시예를 나타내는 배관 및 설비도이다. 설명을 명확하게 위하여, 화학물질들을 CMP 슬러리 내에 함께 혼합하기 위하여 시스템을 사용하는 방법에 대하여 설명하겠으나, 다른 화학물질들을 혼합하기 위하여 상기 시스템을 사용할 수도 있다. 도 12에는 다수의 부재들이 포함되어 있으며, 도면의 간략화를 위하여, 도 11a와 도 11b에 표기된 선행 숫자 및 후행 숫자로서의 4자리 숫자 대신에 2자리 숫자의 도면부호를 사용하였다.
시스템은, 대량 보충 밸브(gross fill valve)(41)와 유량 제어 밸브(43)를 통하여 탈이온수(DI water)를 공급하는 탈이온수 라인 및 미량 보충 밸브(fine fill valve)(42)를 구비한 주저장실(69)을 포함한다. 실시예에서, 대량 보충 밸브는 0.95cm(3/8-in) 밸브이고 미량 보충 밸브는 0.64cm(1/4-in) 밸브이다. 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, PLC는 24 DC 볼트 솔레노이드 작동 밸브를 사용하여 밸브들을 제어하고, 미쓰비시 FX2X과 같은 출력 카드로 밸브들을 활성화시킬 수 있다. 각 솔레노이드 밸브가 개방되면, 베리플로 자동-감압형 조절기와 같은 조절기(2)로부터의 가압 가스가 공압 작동식 밸브들로 유동하여, 밸브들이 개방 또는 밀폐될 수 있다. 이러한 작동기는 본 명세서 내에 언급되어 있지만, 도 12에는 간략화를 위하여 도시되어 있지 않다.
실시예에 있어서, PLC는 그와 같은 작동기에 신호를 전송하여 대량 보충 밸브(41)를 개방함으로써, 주저장실(69)에 물이 신속하게 채워질 수 있다. 주저장실(69)이 거의 충분한 물을 수용하면, PLC는 작동기에 또 다른 신호를 전송하여 대량 보충 밸브(41)를 폐쇄하고 소위 "밸브 채터링(chattering)" 조작에 의하여 미량 보충 밸브(42)를 단속적으로 개폐한다. 이에 따라 시스템은 혼합물에 필요한 탈이온수의 정확한 배합량을 첨가할 수 있다. 물론, 모든 구성물에 대하여 이러한 대량 보충 및 미량 보충의 배열을 이용할 수 있으나, 최종 혼합물 내의 함량의 대부분을 차지하는 구성물이 존재하는 경우에 가장 유용하다. 유량 제어 밸브(43)는 수동 또는 자동 제어 밸브로서, 소정 설비에서 이용 가능한 여러 수압을 보상한다.
탈이온수는 분기관(bypass)(40)을 통해 순환한 후에 회수된다. 순환수의 속도가 소정 레벨 이상, 예를 들어 2.1m/sec(7ft/sec) 이상이면, 박테리아 발생이 감 소 또는 방지된다. 탈이온수를 사용하는 목적은 슬러리를 나타내는 화학물질 A를 희석시키기 위함이다. 슬러리는 미량 보충 밸브(44)를 통해 주저장실(69)로 이송되고, 분기관(53)을 통과한 후에 화학물질 A 회수 장치로 순환하며, 이러한 구성에 의하여 화학물질 A 내의 현탁 마모제의 침전이 감소된다.
화학물질 B 내지 화학물질 D는, 미량 보충 밸브(46 ~ 48)를 통해 주 저장소(69)로 공급되는 안정제, 계면 활성제, 패드 조절제와 같이 소량으로 사용되는 기타 구성물을 나타낸다. PLC는 화학물질 A 내지 화학물질 D를 순차적으로 유입시키는 제어 신호를 전송함으로써, 주저장실(69)의 로드 셀(12, 13)이 각 물질을 정확하게 칭량할 수 있다. 도 12에 도시되어 있는 2개의 로드 셀을 사용하면 하나를 사용하였을 경우보다 정확도가 증가하지만, 로드 셀의 수가 본 발명에 본질적인 것은 아니다. PLC는, CMP 슬러리 내의 구성물을 교반하는 샤프트(24)와 임펠러(21)를 회전시키는 혼합 모터 본체(20)를 작동시키는 제어 신호를 또한 전송한다. 공정 요건에는 임펠러(21)에 대한 최적의 시간 주기 및 rpm가 설정되어 있다. 임펠러(21)는 소정 CMP 슬러리 배합물을 연속적으로 교반한다.
도 12의 상단에 도시되어 있는 바와 같이, 불활성 가스 공급원으로부터 조절기, 안전 압력 감압 밸브(33) 및 체크 밸브(35)를 통하여 불활성 가스 가습기로 불활성 가스가 공급된다. 일부 CMP 슬러리의 경우에 질소가 바람직하지만, 기타 화학물질의 경우에 다른 가스가 필요하다. 당업자라면, 불활성 가스가 소정 CMP 배합물의 경우에 적절하다는 점을 알 수 있을 것이다. 설명을 명확하게 하기 위하여 질소 가스인 불활성 가스에 대하여 검토하기로 하며, 불활성 가스는 튜브를 통하여 탈이 온수 내에서 버블링되어 가습된다. 이는, 주저장실과 완충 저장실 내에서의 CMP 슬러리 혼합물의 고형화(caking)를 감소시킨다. 가습 질소는 주저장실 압력 조절기(51)와 유입 압력 밸브(50)를 통하여 주저장실(69)로 공급된다. 통기 밸브(49)는 안전 밸브이고, 작동되지 않을 때에는 통상 개방(normally open, NO)되어 있다. 공지되어 잇는 바와 같이, 일련의 체크 밸브(16, 35, 37, 39, 76, 86, 99)들은 관련 라인들 내에서의 역류를 방지한다.
주저장실(69)은 혼합 CMP 슬러리를 완충 저장실(들)로 전달한다. 한 실시예에서, 주저장실(69)은 1 리터 용량의 2개의 완충 저장실(71, 92)들 각각에 효과적으로 슬러리를 공급할 수 있도록 2 리터를 수용한다. CMP 슬러리는 주저장실 유출 밸브(58)와 라인을 통하여 완충 저장실 유입 밸브(60)로 이송된다. 마찬가지로, 주저장실(69)은 우선 CMP 슬러리를 주저장실 유출 밸브(58)와 라인을 통하여 이송한 후에, 완충 저장실 유입 밸브(97)로 이송한다. 공정 툴은, 완충 저장실(71, 92)이 분배 라인(1, 2)들을 통하여 CMP 슬러리를 이송하는 시점을 결정한다. 안전을 위하여 분배 라인(1, 2)들에는 수동 밸브(84, 85)들이 결합되어 있다.
완충 저장실(71, 92)들 각각은 비례 밸브 블록을 포함하며, 비례 밸브 블록은 완충 저장실 내의 압력을 제어하기 위하여 PLC에 의하여 사용된다. PLC는 비례 밸브 블록에 제어 신호를 전송하여, 완충 저장실로부터의 CMP 슬러리의 소망 유량을 달성하기 위해 필요한 완충 저장실 내의 압력을 유지시킨다. 예를 들면, 도 12에 PT로 표기된 압력 변환기가 완충 저장실(71) 내의 압력을 감지하여, 이 압력을 표시하는 신호를 PLC로 전송한다. 측정된 압력과 압력 설정점에 기초하여, PLC는 비례 밸브 블록에 신호를 전송하여, 완충 저장실(71) 내의 압력을 증가시키기 위하여 완충 제어 유입 밸브(80)를 개방하거나 완충 저장실(71) 내의 압력을 감소시키기 위하여완충 제어 유출 밸브(81)를 개방한다. 마찬가지로, 완충 저장실(92)의 압력 변환기는 압력을 감지하고 비례 밸브 블록에 신호를 전송하여, 완충 저장실(92)로부터의 CMP 슬러리의 소망 유량에 필요한 압력을 유지시킨다. PLC 신호에 기초하여, 비례 밸브 블록은 완충 저장실(92)의 압력을 증가시키기 위하여 완충 제어 유입 밸브(56)를 개방하거나 완충 저장실(92)의 압력을 감소시키기 위하여 완충 제어 유출 밸브(52)를 개방한다. 완충 저장실(92)은, 다수의 완충 유출 밸브들을 연결하는 장착면으로서 사용될 수 있는 선택 사양의 완충 다기관(90)을 또한 포함할 수 있으나, 도시되어 있는 바와 같이 완충 유출 밸브(87)가 하나인 경우에는 완충 다기관이 필요하지 않다.
완충 유출 밸브(73)의 하류에는 핀치 밸브가 배치되고, 완충 유출 밸브(87)의 하류에도 또 다른 핀치 밸브가 배치된다. 도 12는 완충 저장실(71)의 핀치 밸브에 대한 적절한 제어 구성을 나타내며, 이러한 구성은 완충 저장실(92)과 같은 기타 완충 저장실에도 사용될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, PLC는 압력 조절기(79)를 통과하는 청정 건조 공기(CDA)의 유량을 제어하는 공기 작동기(78)에 연결된다. 도 12에는 도시되어 있지는 않으나, 동일한 연통 채널, 청정 건조 공기원 및 CDA 라인이 완충 저장실(92)의 핀치 밸브의 제어를 위한 실시예로서 사용될 수 있다는 점은 명확하다. 도 12에 도시되어 있는 신호 증폭기(77), A/D 변환기 및 로드 셀은 전술한 실시예들에서 설명한 부재들과 동일할 수 있고, 동일한 작용을 할 수 있다. 혼합기 모터(93)는 완충 저장실(92) 내의 샤프트(94)와 임펠러(95)를 회전시키고, 혼합기 모터(71)는 완충 저장실(71) 내의 샤프트(65)와 임펠러(66)를 회전시킨다. 완충 저장실(71, 92)들은 완충 저장실 통기 밸브(62, 53)들을 포함하며, 이 통기 밸브(62, 53)들은 안전을 위하여 작동되지 않을 때에는 압력을 해제하도록 통상은 개방되어 있다.
전술한 부재들은 다음과 같은 업체로부터 구입이 가능하다. 파커 코포레이션(Parker Corporation)의 계열사로서 미국 아리조나주 툭손에 소재하는 파텍(Partek)은, 품목 번호 PV36346-01의 적절한 대량 보충 밸브, 품목 번호 PV106324-00의 미량 보충 밸브, 품목 번호 CASY1449의 밸브 다기관(70, 72, 90) 및 품목 번호 CV1666 체크 밸브를 공급하고 있다. 또 다른 적절한 PLC는 미쓰비시 AG05-SEU3M이다. 적절한 비례 밸브 블록은, 미국 인디아나주 맥코드스빌에 소재하는 프로포션 에어, 인코포레이티드(Proportion Aire, Inc.)에서 제조 및/또는 판매하는 품목번호 PA237의 제품이다. 품목 번호 43002SR01의 적절한 불활성 가스 가습기 및 품목 번호 PV-SL-25의 핀치 밸브는 매사츄세츠주 말덴에 소재하는 아사히 아메리카(Asahi America)에 의해 제조 및/또는 판매되고 있다.
작동에 있어서, 화학물질 혼합 및 이송 시스템은 여러 모드를 갖는다. 초기 모드는, 시스템이 주저장실(69) 내에 구성물들을 함께 첨가하여 혼합하는 충전 또는 보충 단계이다. 한 실시예에서, 충전 또는 보충 단계는 다음과 같이 실시될 수 있다.
1. PLC는 제어 신호를 전송하여 탈이온수 라인과 화학물질 A 내지 화학물질 D 라인들을 개방하고 주저장실(69)에 구성물을 공급한다. 이러한 구성이 유일한 것은 아니지만, 로드 셀(12, 13)들이 최종 혼합물 내의 각 구성물의 중량을 바로 표시할 수 있도록, 이러한 화학물질들이 주저장실(69)에 순차적으로 유입되는 것이 바람직하다.
2. PLC는 작동기에 제어 신호를 전송하여, 질소가 주저장실(69)로 유입되지 않도록 유입 압력 밸브(50)를 차단하고, 잔류 가스가 주저장실(69)로부터 배출되도록 통상 개방되어 있는 통기 밸브(49)를 개방한다.
3. PLC는 신호를 전송하여 혼합기 모터(20)를 기동시킨다. 한 실시예에서, 임펠러(21)가 탈이온수 또는 화학물질 A로 덮였을 때에 혼합기 모터(20)가 작동을 개시하지만, 그 시간은 공정에 따라 변화할 수 있고 본 발명에 필수 불가결한 것은 아니다. 혼합기 모터(20)는, 화학물질 A 내지 화학물질 D 및 탈이온수가 주저장실(69)에 유입되기 전, 유입되는 동안 또는 유입된 후에 작동을 개시할 수 있다.
4. PLC는 작동기에 제어 신호를 전송하여, 유량 및 공정 요건에 의해 결정된 충분한 압력, 예를 들어 138kPa(20psig)까지 질소 압력을 증가시키도록 유입 압력 밸브(50)를 개방한다.
PLC 또는 논리 장치(들)는, 불활성 가스 가습기가 다음과 같이 작동할 준비를 하도록 제어 신호를 또한 전송한다.
1. PLC는 작동기에 제어 신호를 전송하여, 통상 개방되어 있는 불활성 가스 가습기의 DI 배출 밸브(36)를 폐쇄시킨다.
2. PLC는 제어 신호를 전송하여, 불활성 가스 가습기에 탈이온수가 채워지기 시작하도록 DI 유입 밸브(38)를 개방한다.
3. 이어서 불활성 가스 가습기에 부속된 HI 센서가 탈이온수의 높은 레벨을 감지하고 PLC에 신호를 전송하며, PLC는 제어 신호를 전송하여 DI 유입 밸브(38)를 폐쇄한다.
4. PLC는 작동기에 제어 신호를 전송하여 밸브(34)를 개방하고, 그에 따라 질소가 탈이온수를 통해 버블링되어 상승함으로써 질소 가스 가습기로부터 유출되는 질소 가스가 가습된다. 밸브(34)는 항상 열려 있거나 항상 닫혀 있다. 시스템이 단전되었을 경우, 즉 작동되지 않을 경우에, 밸브(34)가 폐쇄되어 불활성 가스 가습기 내로 질소와 같은 불활성 가스가 도입되는 것을 방지하도록, 밸브(34)는 통상 폐쇄(normally closed, NC)되어 있다.
5. 불활성 가스 가습기는 라인을 통해 유입 압력 밸브(50) 및 완충 유입 제어 밸브(56, 80)까지 질소를 공급한다. 유입 압력 밸브(50)를 통해 공급되는 압력은, CMP 슬러리를 소망 유량으로 주저장실로부터 유출시키기 위하여 이용될 수 있다는 점에 주목하여야 한다.
시스템은 주저장실에서 혼합된 CMP 슬러리를 다음과 같이 완충 저장실로 전달한다.
1. PLC는 신호를 전송하여, 주저장실 분배 밸브(58)를 개방하고 완충 저장실 유입 밸브(60)를 개방한다.
2. PLC는 또한 신호를 전송하여 비례 밸브 블록을 제어하고 완충 저장실(들) 내의 소망 압력, 즉 PLC 내에 저장된 설정점을 유지시킨다. 한 실시예에서, 주저장 실의 압력이 138kPa(20psig)로 유지될 경우에, 설정점 압력은 34kPa ~ 83kPa(5psig ~ 12psig)일 수 있다. 한 실시예에서, 도 12에 PT로 표기된 압력 변환기는 완충 저장실(71) 내의 압력을 제공하며, 그 압력이 너무 높은 경우에는 완충 제어 유출 밸브(81)가 개방되고, 그 압력이 완충 저장실(71)의 설정점에 비하여 너무 낮은 경우에는 완충 제어 유입 밸브(80)가 개방된다.
3. 완충 저장실(92 또는 71)의 혼합기 모터(93 또는 64)는 구성물을 혼합기 내에서 교반하다. 또한, 개시 시간, 시간 주기 및 rpm은 공정에 따라 변화한다.
일실시예에서, 완충 저장실(92, 71)들 각각의 분배 밸브 유출구(87, 73)가 개폐될 때에, 연마기와 같은 공정 툴이 작동을 시작한다.
완충 저장실(92)의 로드 셀(91, 96)은 PLC에 신호를 전송하고, 이 신호는 주저장실 유출 밸브(57)와 완충 유입 밸브(97)를 제어하여 주저장실(69)과 완충 저장실(92) 사이에서 CMP 슬러리를 이송시키기 위하여 사용된다. 완충 저장실은 도 12d 도시되어 있는 바와 같이 유사한 구성에 의해 작동된다.
주저장실(69)에 부착된 로드 셀(12, 13)들은, 또 다른 투입분량의 CMP 슬러리를 제조하기 위하여 구성물을 새로이 첨가하여야 할 시점을 표시한다. 구성물들이 주저장실에 첨가되었을 때에 로드 셀(12, 13)들이 주저장실(69)에 첨가된 각 구성물의 중량을 정확히 나타내도록, 주저장실 분배 밸브(57, 58)는 폐쇄된다.
주저장실(69)을 세정 및/또는 세척하기 위하여, PLC는 제어 신호를 전송하여, 주저장실 분배 밸브(58)를 폐쇄하고, 탈이온수가 유입되도록 대량 보충 밸브(41)를 개방하고, 완충 저장실 유입 밸브(97)를 폐쇄하고, 주저장실 배출 밸브(99) 를 개방함으로써, 탈이온수가 주저장실(69)을 거쳐 완충 저장실(92)을 통과한다. 완충 저장실(71)에 대해서도 유사한 단계가 이용될 수 있다.
완충 저장실(92)의 세정 및/또는 세척을 위하여, 개방된 주저장실 분배 밸브(57), 개방된 완충 저장실 유입 밸브(97) 및 폐쇄된 주저장실 유출 밸브(89)를 탈이온수가 통과할 수 있다. 완충 저장실(71)은 도 12에 도시되어 있는 유사한 구성에 의하여 세정 또는 세척될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 구성 물질의 기계적 성질 및 분배되는 매체의 물리적 속성으로 인하여 극히 낮은 유량이 얻어지지 않는 경우에, 고정 개구(orifice) 핀치 밸브가 사용될 수 있다. 이 핀치 밸브는, 고정 개구를 형성하도록 소정의 설정점까지 압축된 유연성 유동 경로를 이용한다. 이러한 구성에 의하여, 매우 낮은 유량을 제어하기 위한 가압하는 압력을 증가시키거나 유지시키는 데 필요한 유동 경로를 바람직하게 제한할 수 있다. 핀치 밸브는, 유연성 유동 경로가 최대 개구까지 개방되어 세척 단계에서 최대 유량이 얻어진 다음에 바람직한 소정의 설정점으로 복원될 수 있도록 작동될 수 있다. 예를 들면, 개구가 0.64cm(1/4-in)인 0.64cm(1/4-in) 밸브 완충 저장실에 대한 가압력을 조절하여 화학물질을 분배한다. 유체용 배출 밸브도 0.64cm(1/4-in) 밸브이다. 유량이 감소함에 따라, 가압에 필요한 압력도 감소한다. 극히 낮은 유량의 경우, 가압력을 제어하는 밸브의 고유 성질에 의하여, 가압에 필요한 가스의 정확한 체적의 재현성이 제한된다. 고정 개구 핀치 밸브를 설치하고 분배 유량을 제한함으로써, 가압력이 더 높은 레벨에서 작용할 수 있으므로 매우 낮은 유량의 정확한 반복 제어가 가능해진다.
PLC 및/또는 조작자는 핀치 밸브의 최소 및 전개(全開) 개구 크기를 조절할 수 있다. 전개 개구 설정은 분배 라인의 방해물을 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 핀치 밸브를 전개시키는 것을 라인 버핑(burping)이라고 부르기도 한다. CMP 슬러리의 경우에 이러한 특징이 중요하며, 그 이유는 유량이 낮을 때에 미세 기포가 형성되기 때문이다. PLC는, 압력이 증가하여 유량이 극히 낮아지고 방해물 제거를 위한 공정 사이클 후에 버핑이 발생하도록 핀치 밸브를 제어할 수 있다. 버핑 시간은 0.5초와 같이 단시간일 수 있고, 버핑은 CMP 슬러리 이송 후에 실시될 수 있다. 전형적인 공정은 최대 1.5분 동안의 CMP 슬러리의 이송을 필요로 할 뿐이므로, 공정 후의 버핑으로도 충분할 수도 있다. 그렇지 않다면, 분배 라인은 소정의 공정 사이클에 대한 유량에 과도한 영향을 미치지 않으면서 보다 자주 버핑될 수 있다.
도 13은, 적어도 하나의 완충 저장실 내의 CMP 슬러리 또는 화학물질 혼합물의 감소 중량을 이용하는 유량 제어 시스템의 일실시예에 연관된 PLC의 기능 블록을 설명한다. 로드 셀은 CMP 슬러리의 중량을 계속 감시하고, 완충 저장실의 CMP 슬러리의 중량을 나타내는 아날로그 신호를 생성한다. A/D 변환기는 이 아날로그 신호를 디지털 수치로 변환한 후에 PLC로 전송한다. PLC는 각 구성물의 비중을 저장하여 구성성분의 체적을 계산한다. 이러한 과정과 병렬 또는 직렬적으로, 사용자는 키보드, 키패드 또는 터치스크린을 사용하여 200ml/분 등과 같은 소망 체적 유량을 입력한다. PLC는 분당 유량을 시간당 유량으로 변환시킬 수 있다. 그 후, PLC의 지령에 의하여, 완충 유입 압력 밸브가 개방되고 완충 저장실에 압력이 작용하 여 소망 유량이 형성된다. PLC는 시간 주기로 중량 감소를 감시하고 현재의 유량을 소망 유량과 비교한다. 유량이 낮으면, PLC는 압력이 증가하도록 비례 밸브 블록에 신호를 전송하고, 유량이 너무 높으면, PLC는 압력이 감소하도록 비례 밸브 블록에 신호를 전송한다. 체적 유량이 소정의 공차 내에 있게 되면, PLC는 완충 저장실의 압력이 증가하지도 감소하지도 않도록 비례 밸브 블록에 신호를 전송한다.
즉, 비례 제어 밸브 또는 밸브들에 의하여 가압 가스가 완충 저장실에 공급되고, 압력 변환기 또는 전달기에 의하여 압력이 감시된다. 소망 유량이 달성되고, 소정의 시간 주기 동안에 완충 저장실로부터의 필요한 중량 손실을 결정하기 위한 연산이 실행된다. PLC는, 가압 가스 압력을 조절하고 완충 저장실 내의 중량 감소를 조절하여 유량 요건을 만족하도록, 비례 밸브로 전송되는 신호를 생성한다. 필요한 유량의 정확도에 따라 0.1초 내지 60초 (또는 그 이상)의 범위의 시간 동안에 중량 감소가 감시될 수 있다. 예를 들면 180ml/분의 유량은 3ml/초의 유량과 동일하다. PLC는 각 완충 저장실 내의 중량 변화를 감시한다. 중량 감소가 3ml/초보다 작으면, 압력을 증가시킨다. 완충 저장실 내의 중량 감소가 3ml/초보다 크면, 압력을 감소시킨다. 보다 정확도를 높이기 위하여, 시간 프레임을 1/2초 또는 0.1초 또는 그 이하의 동안에 달성되는 중량 감소로 단축시킬 수 있다. 결정적인 요인은 완충 저장실에 부착된 로드 셀의 정밀도이다. 로드 셀이 0.1g까지의 정밀도를 갖는다면, 보다 엄격한 제어를 실시할 수 있다.
본 실시예는 유량 제어를 위한 어떠한 추가 구성요소도 필요로 하지 않는다. 추가 장치를 사용하지 않으므로, 폐색(plugging)의 문제가 해결된다. 완충 저장실 에 가해지는 압력을 PLC에 의하여 제어하므로, 유량을 설정 유량으로 유지시키기 위하여, 다양한 입력 압력을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. PLC를 사용하여, 적절한 유량을 유지시키기 위하여 이용되는 평균 압력을 결정할 수 있다. 완충 저장실 내의 레벨이 보충을 필요로 하는 지점에 도달하면, 완충 저장실이 보충되는 동안에 평균 압력을 이용하여 유량을 유지시킨다. 또한 체적 유량이 실시간으로 감시되며, 따라서 추가 구성물에 대하여 레벨을 검출해야 하는 요건을 완화시킨다. 완충 저장실은, 공정 툴로부터 전송된 요구 명령을 만족시킬 필요가 있을 때에 화학물질을 분배한다. 중량 감소가 감시되므로 하위 체적 설정점에 도달하면 체적 레벨이 보충된다. 마찬가지로, 중량 증가가 감시되므로 상위 설정점에 도달하면 체적 보충이 중단된다.
본 발명은 적어도 다음과 같은 장점을 제공한다. 배출 화학물질이 일정한 압력에서 유지될 수 있다. 분배 단계를 방해할 수도 있는 저압의 화학물질 라인에 공정 툴이 결코 노출되지 않으므로, 공정 툴의 수율이 증가된다. 다양한 크기의 여러 컨테이너가 화학물질 공급 컨테이너로서 저장실 시스템에 연결될 수 있다. 공급 컨테이너들을 연결하기 전에 컨테이너들의 유체 체적을 알면, 컴퓨터는 컨테이너로부터 제거된 화학물질의 양을 매우 정확하게 계산할 수 있으므로, 남아 있는 화학물질 양을 실시간으로 시각화한 정보를 디스플레이에 표시한다. 시각적 인터페이스에 의해 작업자가 한 눈에 공급 컨테이너의 상태를 파악하게 된다. 보충 단계 중에 연속적인 중량 증가가 발생하지 않으므로 로드 셀들은 공급 컨테이너가 완전히 비워 지는 시점을 결정할 수 있다. 공급 컨테이너가 비어 있다는 것은, 다른 컨테이너가 온 라인 상태가 되어야 한다는 것을 나타낸다. 일실시예에서, 화학물질 사용의 데이터 로깅(logging)이 제공될 수 있는데, 그 이유는 로드 셀(들)에 의하여 저장실(들) 내의 화학물질이 연속적으로 정확하게 칭량되기 때문이며, 로드 셀(들)은 저장실 내에 이용 가능한 화학물질의 양에 대한 정확한 정보를 실시간으로 출력하는 PLC 또는 기타 논리 장치에 입력 신호를 전송한다. 로드 셀은 본질적으로 안전한 감지 장치이며, 그 이유는 비정상 상태가 매우 큰 검출치로 표시되거나 즉시 영(0)의 검출치로 표시되고, 두 경우 모두에 있어서 PLC 또는 기타 논리 장치에 경고를 전달하기 때문이다. 또한 본 발명은, 공급 컨테이너의 스위칭 전환 작동 중에 발생하는 기포가 배출 화학물질 라인을 통과하는 것을 방지할 수 있고, 다수의 공급 컨테이너들에 일정하고 편차가 적은 압력을 부여하고, 진공 또는 펌핑 액체에 의해 스스로 보충함으로써 저장실을 보충하거나 여러 화학물질들을 정확한 비율로 보충할 수 있고, 여러 화학물질들을 혼합한 후에 완충 저장실에 혼합물을 전달할 수 있는데, 이러한 점들은 시간 의존적이고 반응성이 큰 화학물질의 경우에 매우 중요하다.
본 발명에 따르면, 밸브, 배관, 중량 센서(로드 셀) 및 제어 시스템을 구비한 압력 저장실을 사용하여, 유체, 화학물질 및 화합 혼합물의 유량을 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 밸브, 배관, 중량 센서 및 제어 시스템을 구비한 압력 저장실을 사용하여, 체적 레벨 보충을 감시하고 제어할 수 있다. 본 발명은, 수동 설정된 스로틀 밸브와 유량계 등의 경우에 정확한 유량 제어를 위해 통상 사용되는 방법들을 대체할 수 있다. 본 발명은, 핀치 밸브를 구비하는 경우에, 매우 정확하게 낮은 유량을 제어할 수 있다.

Claims (11)

  1. 하나 이상의 유입 보충 밸브, 유입 압력 밸브 및 주저장실 유출 밸브와 유체 연통하는 주저장실,
    완충 저장실 유입 밸브와 완충 배출 밸브와 유체 연통하는 완충 저장실,
    주저장실 유출 밸브와 완충 저장실 유입 밸브를 연결하는 라인,
    완충 저장실 내의 화학물질의 중량을 감시하고, 완충 저장실 내의 화학물질의 중량을 나타내는 디지털 신호로 변환될 아날로그 신호를 생성하는 로드 셀,
    완충 저장실의 압력을 조절하기 위한 완충 제어 유입 밸브와 완충 제어 유출 밸브를 포함하는 비례 밸브 블록, 및
    디지털 신호를 수신하고 비례 밸브 블록에 제어 신호를 생성하여 설정 화학물질 유량을 달성하는 논리 연산 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    주저장실 내의 화학물질의 중량을 감시하고, 주저장실 내의 화학물질의 중량을 나타내는 디지털 신호로 변환될 아날로그 신호를 생성하는 로드 셀을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 유입 보충 밸브는 대량 보충 밸브와 미량 보충 밸브를 포함하고,
    상기 논리 연산 제어기는, 주저장실이 충분한 화학물질을 수용할 때까지 상기 대량 보충 밸브를 개방하기 위한 신호를 전송하고, 주저장실이 필요로 하는 정확한 양의 화학물질을 수용할 때까지 상기 미량 보충 밸브를 채터링시키기 위한 또 다른 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 논리 연산 제어기는, 화학물질이 순차적으로 주저장실이 유입되도록 하나 이상의 유입 보충 밸브 각각에 순차적으로 제어 신호를 전송함으로써, 주저장실의 로드 셀이 각 화학물질을 정확하게 칭량할 수 있는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    주저장실에 부속되는 모터, 샤프트 및 임펠러 혼합기 조립체를 또한 포함하며,
    상기 논리 연산 제어기는, 모터를 작동시키고 주저장실 내에 유입된 화학물질을 교반하는 샤프트와 임펠러를 회전시키는 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    완충 저장실에 부속되는 모터, 샤프트 및 임펠러 혼합기 조립체를 또한 포함하며,
    상기 논리 연산 제어기는, 모터를 작동시키고 완충 저장실 내에 유입된 화학물질을 교반하는 샤프트와 임펠러를 회전시키는 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    완충 유출 밸브의 하류에서 완충 유출 밸브와 유체 연통하는 핀치 밸브를 또한 포함하며,
    상기 논리 연산 제어기는, 세척 단계 중에 유량이 최대가 되도록 핀치 밸브를 충분히 개방하고 그 후 보다 폐쇄된 소정의 설정점으로 복원시키는 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    주저장실 및 완충 저장실과 연통하는 불활성 가스 공급원을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 불활성 가스 공급원은 불활성 가스 가습기와 연결되어, 가스가 불활성 가스 가습기 내의 액체에 의해 가습되는 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
    시스템으로부터 이송되는 화학물질은 주구성물이 탈이온수인 화학기계적 연마 배합제이고, 상기 불활성 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    시스템으로부터 이송되는 화학물질은 주구성물이 탈이온수인 화학기계적 연마 배합제이고, 상기 불활성 가스는 질소인 것을 특징으로 하는 화학물질 이송 시스템.
  11. 하나 이상의 로드 셀과 혼합기를 구비하는 주저장실, 하나 이상의 로드 셀과 혼합기를 구비하는 완충 저장실 및 논리 장치를 포함하는 다중-저장실 로드 셀 조립체를 포함하는 시스템 내에서 낮은 유량으로 액체 화학물질을 이송하는 방법에 있어서,
    주저장실을 완충 저장실로부터 차단하는 단계,
    주저장실 내의 압력을 감소시키는 단계,
    주저장실 내에 액체 화학물질 구성물들을 순차적으로 첨가하는 단계,
    다중-저장실 로드 셀 조립체를 이용하여 각 액체 화학물질 구성물을 칭량하는 단계,
    혼합기 내에서 화학물질 구성물들을 혼합하는 단계,
    주저장실에 불활성 가스를 공급하는 단계,
    혼합물을 주저장실로부터 완충 저장실로 이송시키는 단계, 및
    상기 혼합물을 완충 저장실로부터 핀치 밸브를 통하여 이송시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 화학물질 이송 방법.
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