TWI699237B - 研磨液混料供應系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種研磨液混料供應系統，包含入料模組、至少三個混料供應桶、供應模組以及控制單元。三個混料供應桶均具有混料及供應的功能。研磨液的供應時間大於入料時間與混料時間之和。

Description

研磨液混料供應系統
本發明涉及一種研磨液混料供應系統，具體來說，涉及一種包含三個以上混料供應桶的混料供應系統。
在半導體晶圓製造過程中，由微米製程的精度控制，進展為著重於微奈米的更高精度的製程，為確保化學機械平坦化(Chemical-Mechanical Planarization,CMP)製程的穩定性及品質優化，研磨液(Slurry)從進料端的混料、攪拌、輸送及分派至製程端的工藝掌握極為重要。
習知的研磨液中包含了研磨材料、酸鹼劑、純水及化學添加劑，其本質上是一種混合物。研磨材料可包含二氧化矽、二氧化鋁、氧化鈰等具有高硬度的奈米級微粒。化學添加劑則通常包含氫氧化鉀、過氧化氫、硝酸鐵、碘酸鉀、氨水等適用的添加物。研磨材料懸浮在純水中，透過適當的添加物氧化、活化介面，並透過酸鹼劑來穩定研磨液的pH值，以達到均勻研磨的效果。
為了供應混合均勻的研磨液至研磨機台使用，現有技術中均會使用混料桶將前述材料進行攪拌，混合均勻後再傳輸至供應桶，以供應至機台。在此過程中，需要經過將材料倒入混料桶的入料時間、將材料混合的混料時間、將混合好的研磨液傳輸至供應桶的傳輸時間、以及將研磨液供應完畢所需的供應時間。
由於工廠空間有限，為了在有限空間中達到最大使用率及穩定性，有許多設置方式被實際應用。以常用的雙桶模式為例，包含一個混料桶及一個供應桶，這種情況下的混料桶及供應桶的單桶可以具有最大容量，每次操作的材料量也最大，當混料桶混合好研磨液後，需要花費傳輸時間將研磨液傳輸至供應桶，此時的混料桶及供應桶皆無法進行其他操作，供應桶也無法進行清洗；一旦混料桶故障，即可能有研磨液供應中斷風險。在兩個桶均具有混料及供應之功能的情況下，雖然可以降低斷料風險，但在其中一個桶故障，或是需要清潔維修時，另一個桶雖能繼續操作，但必然會產生斷料的情況。
在另一種常用的三桶模式中，其一型包含兩個混料桶及一個供應桶，其二型是一個混料桶及兩個供應桶。此種作法的單一桶的容量較前述的雙桶要少，能在有兩個同功能的桶中，其一因故不能使用時提供冗餘。但是另一單一功能桶當不能使用時則會完全停擺。
在又另一種常用的四桶模式中，包含兩個混料桶及兩個供應桶，此種模式中雖然能夠在其中一個甚至兩個桶發生問題時提供冗餘，但是各個桶的容量則變得更小，機組的運轉次數則會遠大於前述的幾種模式。
因此，為了持續穩定的供應足量研磨液，並且保留冗餘以供設備清洗維修，新式的設置模式是必須的。
為解決上述問題，發明人改善以化學機械研磨液輸送及混料設備中的桶內研磨液攪拌工藝，以符合人因維修的安全空間下，提供一改良的混料 供應系統，以提供更優化的安全冗餘度、混料更精準，且即時、確保研磨液品質，且能夠降低系統營運成本。
本發明所提供的研磨液混料供應系統，包含：入料模組，係控制研磨液原料之入料量；供應模組，係將研磨液供應至外部機台；至少三個混料供應桶，以並聯方式連接於入料模組與供應模組之間，混料供應桶分別包含混合模組，以攪拌混合研磨液原料而得到研磨液；以及控制單元，電性連接至入料模組、混料供應桶及供應模組，控制單元依據入料時間、混料時間、供應時間及維護時間控制入料模組、混料供應桶以及供應模組的作動時序；其中供應時間大於入料時間與混料時間之和；其中三個混料供應桶中的一個的供應時間結束的時間點向前回推入料時間與混料時間之和，得到三個混料供應桶中的閒置混料供應桶的入料時間的起始時間點。
較佳地，混料供應桶包含一清洗模組，以在供應時間後清洗混料供應桶。
較佳地，混料供應桶的底部為錐形，角度在60度至120度之間。
較佳地，入料模組包含對應混料供應桶數量之複數控制閥，控制閥包含複數個閥體，以控制不同之研磨液原料之入料量。
較佳地，本發明之研磨液混料供應系統進一步包含連接至混料供應桶的濕氮氣裝置，提供帶有霧化水的氮氣提高混料供應桶中的溼度，以避免研磨液乾燥硬化。
較佳地，本發明之研磨液混料供應系統進一步包含分析該研磨液之性質的分析模組，以及依據分析模組之分析結果補正研磨液的組成的補正模組。
較佳地，混料供應桶包含穩壓暨脈波吸收模組，搭配輸送泵組，以穩定研磨液供應的流量及壓力。
較佳地，混料供應桶進一步包含排氣模組，隔離排除廢氣以維持混料供應桶內的氣密及酸鹼度。
較佳地，排氣模組包含過濾模組，控制排出之廢氣的性質。
本發明之研磨液混料供應系統進一步包含阻擋混料供應桶與外界接觸的阻風門，以及提供氮氣以維持混料供應桶的環境的氮氣供應裝置。
承上所述，本發明所提供之研磨液混料供應系統可具有一或多個下述優點：
(1)透過本發明之研磨液混料供應系統，可以在混料供應桶互相支援下穩定的提供高品質的研磨液而不斷料。
(2)透過分析模組，可以即時監控各桶內研磨液的狀態，並配合補正模組即時調整。
(3)透過適當管路配置，可使混料供應桶單桶供應或同時供應，以配合實際需求。
100:研磨液混料供應系統
101:入料模組
102a、102a1~102a3:混料供應桶
103:供應模組
104:控制單元
105:輸出
106:混合模組
200:第一比較例的三桶式配置
202b1、202b2、302b1、302b2、402b1、402b2:混料桶
202c1、302c1、402c1、402c2:供應桶
300:第二比較例的三桶式配置
400:第三比較例的四桶式配置
S:預定空間
第1圖係為依據本發明實施例的研磨液混料供應系統之方塊圖。
第2圖係為依據本發明實施例的研磨液混料供應系統在預定空間中的配置圖。
第3圖係為依據本發明實施例的研磨液混料供應系統的供應時序圖。
第4圖係為本發明的第一比較例的在預定空間中的配置圖。
第5圖係為本發明的第一比較例的供應時序圖。
第6圖係為本發明的第二比較例的在預定空間中的配置圖。
第7圖係為本發明的第二比較例的供應時序圖。
第8圖係為本發明的第三比較例的在預定空間中的配置圖。
第9圖係為本發明的第三比較例的供應時序圖。
為利瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合附圖，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的權利範圍。
以下將參照相關圖式，說明本案所提供之研磨液混料供應系統，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。
請參照第1圖及第2圖，第1圖係為依據本發明實施例的研磨液混料供應系統之方塊圖。第2圖係為依據本發明實施例的研磨液混料供應系統在預定空間中的配置圖。
本發明提供的研磨液混料供應系統100包含入料模組101、混料供應桶102a1~102a3、供應模組103、控制單元104。入料模組101供應配置成研磨液所需的各種原料，諸如二氧化矽、二氧化鋁、氧化鈰等具有高硬度的奈米級微粒的研磨材料，以及包含氫氧化鉀、過氧化氫、硝酸鐵、碘酸鉀、氨水等適用的添加物；原料及液體的組成並非用以限制本發明。
在本發明的研磨液混料供應系統100中包含與入料模組101、混料供應桶102a1~102a3、供應模組103電性連接的控制單元104。控制單元104透過訊號控制入料模組101的入料量，混料供應桶102a1~102a3的攪拌時間，並控制供應模組103將混合好的研磨液提供至輸出105。
依據本發明實施例的入料模組101可以包含一個或多個控制閥，對應不同的原料也可以有不同數量的控制閥，控制閥可以具有不同尺寸，以大尺寸的控制閥減少入料時間，小尺寸的控制閥可以進行入料量的細微調整。
依據本發明之實施例，係在預定空間S中以最高空間利用率配置三個混料供應桶102a1~102a3，此三個混料供應桶102a1~102a3的結構功能均相同，均能夠達成混料、供應、暫存等功能。因此，混料供應桶102a1~102a3之間的功能可以互相取代。也因為本案之混料供應桶兼具混料及供應功能，因此無須耗費將混合好的研磨液傳輸至供應桶所需的傳輸時間。混料供應桶102a1~102a3的底部採錐形設計，角度在60度至120度之間，使研磨液不易沉積在底部，供應時不會發生殘留。混料供應桶102a1~102a3包含穩壓暨脈波吸收模組及輸送泵組，穩定研磨液供應的流量及壓力。
各混料供應桶102a1~102a3之間可以透過管線配置適當的熱交換模組，以個別控制桶內液體的溫度。各混料供應桶102a1~102a3還可以各自配置清洗模組，清洗模組具有360度旋轉式噴頭能在桶內的研磨液供應完畢後徹底清洗桶內，避免管路堵塞或是殘餘的研磨液影響到下一次的混料。
為了監控各混料供應桶102a1~102a3內研磨液的狀態，可以配置分析模組，利用粒徑分析儀、黏度計SG、酸鹼度計PH、導電度計C.T.、粒徑分析儀Particle Counter、Zeta Potential Meter等分析儀器測量桶中研磨液的狀態，並且 透過補正模組調整研磨液中的微量成分，或是傳送訊號至控制單元104，使入料模組101補充原料。
各混料供應桶102a1~102a3可以連接濕氮氣裝置，濕氮氣裝置可以提供含有霧化純水的氮氣，潮濕的氮氣可以減少研磨液本身因為氧化反應而造成的變質，同時還能透過水氣保持桶內高濕度，避免原料或混料完畢的研磨液因為乾燥而出現結晶、結塊等降低研磨液品質的現象。在各混料供應桶102a1~102a3中還可設置排氣模組，排除廢氣以維持該等混料供應桶內的酸鹼度。排氣模組可包含過濾模組，透過高效濾網(HEPA)控制排出的廢氣的性質，以減少環境汙染。
此外，在本發明的研磨液混料供應系統100中的管線各處可以包含穩壓及脈波吸收模組，減緩液體脈波維持管線內的液體流量以及壓力穩定。在預定空間S中，還可以藉由包含阻風門阻擋混料供應桶與外界接觸。
運作時序說明
在下面的實施例與比較例中，假設將各式系統安裝在預定空間S中，以t為單位時間(30分鐘)。此處設定預定空間S為能容納共計300公升的桶容積的空間。以1/12S的容量而言，入料需1t，混料需0.5t，桶間傳輸需1t，供應則須4t。
本發明所提供之研磨液混料供應系統的供應時序
由於本發明的研磨液混料供應系統100所採用的混料供應桶102a1~102a3兼具混料及供應功能，因此不需要將混合好的研磨液從混料桶傳輸至供應桶的時間。本發明實施例中的混料供應桶的容量為100L(1/3 S)，因此混料 桶入料需時為4t，混料需時2t，供應需時16t，清洗或維修所需的時間為24t，以提供5桶成品為例，可以得到如第3圖所繪示的時序圖。
在第3圖的(A)部分中，可以看到混料供應桶102a1從時序第0t為起點，經過4t的入料時間，以第4t為起點經過2t的混料時間，接著以第6t為起點，進行16t的供應時間，並在第22t結束時停止供應。為維持研磨液的供給不中斷，從混料供應桶102a1的結束時間第22t向前回推4t的入料時間及2t的混料時間，即回推6t的時間，也就是從第16t為起點，開始混料供應桶102a2的入料。請參考第3圖的(A)~(C)部分，假設混料供應桶102a2在第38t時開始進行長度為24t的清洗維修作業，並持續到第3圖的(C)部分的第62t，由於本案所提供的混料供應系統100具有三個能交替使用的混料供應桶，因此當混料供應桶102a2進行清洗維修作業時，混料供應桶102a1、102a3仍然能夠持續供應研磨液，不會造成斷料。因此，在三個混料供應桶其中之一進行清洗維修作業時，可與另外兩個混料供應桶配合持續供應研磨液。
此時，假定各混料供應桶機組的合計運轉次數為k，則可得到達成預定供應量所需的總和時間T的計算公式如下：T=16kt+6t， 供應預定空間S(300L)時所需的機組運轉次數為3(k=3)，可得出總時間為16*3t+6t=54t。
第一比較例，二混一供的三桶式配置
接著參考第4圖，第4圖係為本發明的第一比較例的三桶式配置200的在預定空間S中的配置圖。在第一比較例中採用了兩個混料桶202b1、202b2與一個供應桶202c1的配置方式，混料桶202b1、202b2一次所能混料的量相當於 供應桶202c1的一半，即代表混料桶202b1、202b2的容量為75L(1/4 S)，供應桶202c1的容量為150L(1/2 S)。與本發明的實施例相似，第一比較例假設混料桶入料所需的入料時間為3t，混料所需的混料時間為1.5t，供應整桶供應桶202c1內的研磨液所需的供應時間為24t，清洗或維修所需的時間為24t，而將混料桶中混合好的研磨液傳輸需要3t，此時第一比較例的時序圖將如第5圖所示。
第一比較例可以在第5圖(A)部分中看到混料桶202b1共耗費7.5t完成入料、混料及傳輸，並在第7.5t開始由供應桶202c1開始供應。在入料模組完成對混料桶202b1的入料後，隨即在第3t開始對混料桶202b2的入料，同樣經過7.5t後混料桶202b2將混好的研磨液傳輸至供應桶202c1，此時假設202b2從第10.5t開始進入清洗與維修狀態，混料桶202b1則在第一次完整供應結束的第31.5t前回推7.5t開始入料。此次傳輸的量應足以供應至第55.5t(半桶供應桶202c1的量，供應12t)，由於入料、混料及傳輸所需的總時間小於供應的時間，因此在第一比較例中即便混料桶中有一個發生故障或是需要清洗，仍可以靠另一個混料桶完成供應。到了第5圖的(B)部分清洗或維修狀態排除之後，則可以恢復正常運轉。但是，一旦供應桶202c1發生故障或需要清洗，則研磨液的供應將會中斷至供應桶202c1排除狀況。這是我們所不希望發生的。
在第一比較例中，假設混料桶的運轉次數為i，供應桶的運轉次數為j，可得出達成預定供應量所需的總和時間T的計算公式如下：T=24jt+7.5t，且2j=i， 供應預定空間S(300L)時所需的供應桶機組運轉次數為2(j=2)，而混料桶機組運轉次數為4(i=4)，得出混料桶與供應桶機組合計次數為j+i=6，並可得出總時間為24*2t+7.5t=55.5t。
第二比較例，二混一供的三桶式配置
接著參考第6圖，係為本案第二比較例的二混一供的三桶式配置300配置在預定空間S中的配置示意圖。在第二比較例中，包含兩個混料桶302b1、302b2以及一個供應桶302c1。其中兩個混料桶302b1、302b2與一個供應桶302c1的容量相等，即代表混料桶302b1、302b2及供應桶302c1的容量皆為100L(1/3 S)。在這種配置中，混料桶入料需時4t、混料需時2t、傳輸需時4t、供應完整一桶供應桶所需的時間為16t，清洗或維修所需的時間為24t。此時第二比較例的時序圖將如第7圖所示。
在第二比較例中，採用了在研磨液從混料桶傳輸一半至供應桶時即開始供應研磨液，這種做法可以將系統起步的時間提前，也可以更加密集的使用機組提升效率。從第7圖(A)部分可看到混料桶302b1在第6t完成混料後開始傳輸至供應桶302c1，在第8t時供應桶302c1的容量達到一半並開始供應，混料桶302b2則在第16t時開始入料，並在第26t時完成傳輸。從第7圖(B)部分第26t開始，混料桶302c2進入清洗與維修狀態，由於入料、混料、傳輸所需的時間短於供應時間，因此第二比較例同樣能夠在其中一個混料桶進入清洗與維修狀態時維持研磨液供應。但與第一比較例相同，當供應桶302c1需要清洗或維修時，研磨液的提供將會中斷。
在第二比較例中，假設混料桶的運轉次數為i，供應桶的運轉次數為j，可得出達成預定供應量所需的總和時間T的計算公式如下：T=16jt+8t，且j=i， 供應預定空間S(300L)時所需的供應桶機組運轉次數為3(j=3)，而混料桶機組運轉次數為3(i=3)，得出混料桶與供應桶機組合計次數為j+i=6，並可得出總時間為16*3t+8t=56t。
第三比較例，二混二供的四桶式配置
接著參考第8圖，係為本案第三比較例的二混二供的四桶式配置400配置在預定空間S中的配置示意圖。在第三比較例中，包含兩個混料桶402b1、402b2以及兩個供應桶402c1、402c2。在這種配置中混料桶與供應桶的容量相同均為75L(1/4 S)，混料桶入料需時3t、混料需時1.5t、傳輸需時3t、供應完整一桶供應桶所需的時間為12t，清洗或維修所需的時間為24t。此時第二比較例的時序圖將如第7圖所示。
在第三比較例中，假設混料桶的運轉次數為i，供應桶的運轉次數為j，可得出達成預定供應量所需的總和時間T的計算公式如下：T=12jt+6t，且j=i， 供應預定空間S(300L)時所需的供應桶機組運轉次數為4(j=4)，而混料桶機組運轉次數為4(i=4)，得出混料桶與供應桶機組合計運轉次數為j+i=8，並可得出總時間為12*4t+6t=54t。
二混二供的四桶式配置方式同樣採用了在研磨液從混料桶傳輸一半至供應桶時即開始供應研磨液。在第9圖(A)部分中可看到混料桶402b1在第7.5t時完成將研磨液傳輸到供應桶402c1的作業，供應桶402c1在第6t時提前開始供應研磨液。混料桶402b2則在第12t時開始入料，並在第19.5t時完成將研磨液傳輸到供應桶402c2的作業，供應桶402c2則在第18t時開始供應研磨液。此時假設混料桶402b2從第19.5t進入清洗與維修狀態，在這24t的時間內則均由混料桶 402b1進行混料，並可傳輸至供應桶402c1、402c2中。若是供應桶402c1、402c2中的一個進入清洗與維修狀態，則會由混料桶輪流不間斷的傳輸研磨液至正常使用的供應桶。
二混二供的四桶式配置雖然相對穩定，即便混料桶跟供應桶各有一個進入清洗與維修狀態仍能維持研磨液供應，但是由於各桶所具有的容量較小，將會提高各機組的運作次數。下表1顯示了供應相同需求量時，不同配置方式機組運轉的次數，其中i為混料桶的運轉次數，j為供應桶的運轉次數，k為本案的混料供應桶的運轉次數。
Figure 108105988-A0305-02-0014-1
由表1可知，在供應同樣需求量的研磨液時，本案的機組運轉次數最低，第一、第二比較例的三桶式配置的機組運轉次數為本案的2倍，而第三比較例的四桶式配置的機組運轉次數則為本案的2.67倍。
表2則是比較各種配置供應所需時間與供應量的關係，可以看出由於設定的供給速率固定，因此隨著需求量升高，各種配置所需供應時間之差異越不顯著。
表2
Figure 108105988-A0305-02-0015-2
藉由上述實施例所提供的混料供應系統，可以在有限空間之中取得最佳的配置，在各組機組需要清洗或維修時彼此互補，使研磨液的供應不會中斷，並且整體性的減少機組的運轉次數，具有延長機組壽命的效果。藉此，可以整體減少機組的運作成本。
應當理解，上面描述的實施例是作為舉例，並且所附申請專利範圍不限於上文已經具體示出和描述的內容。相反，本發明的範圍包含上文描述的各種特徵的組合和子組合，以及本領域技術人員在閱讀前述描述時將會想到的變化和修改，而這些變化和修改未在現有技術中揭露。在本專利申請中透過引用併入的文件被認為是本申請的組成部分，而在這些併入的文件中以與在本說明書中明確或隱含地作出的定義相衝突的方式來定義任何術語的範圍時，只應考慮本說明書中的定義。
100:研磨液混料供應系統
101:入料模組
102a1~102a3:混料供應桶
103:供應模組
104:控制單元
105:輸出

Claims (10)

  1. 一種研磨液混料供應系統，其包含：一入料模組，係控制一研磨液原料之入料量；一供應模組，係將一研磨液供應至外部機台；至少三個混料供應桶，以並聯方式連接於該入料模組與該供應模組之間，各該混料供應桶分別包含一混合模組，以攪拌混合該研磨液原料而得到該研磨液；以及一控制單元，電性連接至該入料模組、該等混料供應桶及該供應模組，該控制單元用於決定各該混料供應桶的一入料時間、一混料時間、一供應時間及一維護時間，以控制該入料模組、該等混料供應桶以及該供應模組的作動時序；其中該供應時間大於該入料時間與該混料時間之和；其中該至少三個混料供應桶中的一個的該供應時間結束的時間點向前回推該入料時間與該混料時間之和，得到該至少三個混料供應桶中的閒置混料供應桶的該入料時間的起始時間點；其中該研磨液混料供應系統所要達成的一預定供應量決定該至少三個混料供應桶的一合計運轉次數，以及該至少三個混料供應桶的該合計運轉次數決定達成該預定供應量的一總和時間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，其中該等混料供應桶包含一清洗模組，以在該供應時間後清洗該等混料供應桶。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，其中該等混料供應桶的底部為錐形，角度在60度至120度之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，其中該入料模組 包含對應該等混料供應桶數量之複數控制閥，各該控制閥包含複數個閥體，以控制不同之該研磨液原料之入料量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，進一步包含連接至該等混料供應桶的一濕氮氣裝置，提供帶有霧化水的氮氣提高該等混料供應桶中的溼度，以避免該研磨液乾燥硬化。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，進一步包含：一分析模組，以分析該研磨液之性質；以及一補正模組，依據該分析模組之分析結果補正該研磨液的組成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，該等混料供應桶包含一穩壓暨脈波吸收模組，搭配輸送泵組，以穩定研磨液供應的流量及壓力。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，各該混料供應桶進一步包含一排氣模組，隔離排除廢氣以維持該等混料供應桶內的氣密及酸鹼度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之研磨液混料供應系統，其中該排氣模組包含一過濾模組，控制排出之廢氣的性質。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之研磨液混料供應系統，其進一步包含：一阻風門，阻擋該等混料供應桶與外界接觸；以及一氮氣供應裝置，提供氮氣以維持該等混料供應桶的環境。
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