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在三种泵体系中研磨液颗粒尺寸分布对过滤器使用寿命的影响

作者:Mark R. Litchy CT Associates, Inc.;Reto Schoeb Levitronix GmbH   2007-08-14   点击:319

  传输系统一般用于供应研磨液,这种研磨液用于在生产半导体芯片过程中的平整晶圆的工序。这种系统通过对研磨液加压使之得以传输到使用设备上去,并使研磨液不断循环以使得颗粒保持悬浮状态。有多种方法可以实现对研磨液的加压和循环,包括各种的泵体和压力真空技术。一般来说,在使用研磨液制造晶圆之前,研磨液需要通过传输系统循环大约100次1。

  许多研磨液都容易在传输过程中被泵体机械处理所损坏。这种损坏多是通过改变研磨液中的颗粒尺寸分布来实现的。使用过滤手段来清除那些可以划伤晶圆表面的大颗粒。但是,这些大颗粒容易使过滤器堵塞,从而使过滤流量减少,并使得压力落差增加,以及增加更换过滤器频率。更换过滤器的频率取决于很多因素,包括研磨液种类、过滤器种类、滤网孔径比率等等。通过过滤器的压力落差的增加决定了过滤器的使用寿命。

图1测试系统示意图


  通过实验手段可以确定在无过滤的条件下,使用三种不同种类的泵(风箱式、隔膜式和离心式)来循环研磨液Semi-Sperse(R)2(Cabot微电子公司)对研磨液中颗粒大小分布(PSD)的影响2。在使用这三种不同种类的泵循环研磨液之后,可以观察到颗粒尺寸分布数据中大颗粒余量的明显区

别。

  此外,通过实验手段还可以确定是否所观察到的通过泵后PSD中大颗粒余量的变化与用于过滤研磨液中大颗粒的过滤器的使用寿命有关系。使用10”Mykrolis Plan argardTMCMP3过滤器来实现研磨液的过滤,其压力落差的增长情况根据三类的泵的不同而有所不同。结果符合理论预测:大颗粒的浓度越大,过滤器堵塞越快。

  实验方法

  实验使用的测试体系示意图如图1所示。通过使用过滤器和不使用过滤器的对比,可以进行针对泵造成的大颗粒产生和所有产生的颗粒对过滤器使用寿命的影响的测试。对风箱式、隔膜式和离心式三种泵都进行了评价。制造商所推荐的脉冲减震器已经安装在风箱式和隔膜式泵的下流方向上,用以将震动减至最小。

  每一次的过滤器使用寿命测试均要安装新的10” Mykrolis PlanargardTMCMP3过滤器,安装位置位于泵体或泵/脉冲减震器组合体的下游方向上。采用差动式压力传感器对通过过滤器的压力落差(P)进行监控。在过滤器的上游和下游两个方向上,压力口均绝对垂直于过滤部分。研磨液将不断被循环,直至P的增加至10psi或者体系运转(通过泵体的)超过了3000次。一般认为,当压力落差P增加到10psi时,这些过滤器已经达到其使用极限。

图2泵种类对工作颗粒尺寸分布的影响


  每一种泵均在29.5± 1.0 lpm的流量下,循环大约28.5升的研磨液。可以采用排出锥底的部分物质,或者倒置锥底罐小于1分钟,将放置于椎底罐中的研磨液的沉淀的量减至最小。储存研磨液的罐的回路管线应该的研磨液的液面以下,以防空气混入研磨液中。设置回复管线还可以避免在罐中形成涡流,从而也防止了空气的进入。除了锥底罐的材料是聚乙烯以外,测试系统其他所有部分均由PFA制造。

  不使用能够产生大压力落差(如阀、孔等等)装置,以免在泵体的出口处造成反压力。在无过滤的条件下,使用一段长的PFA管可以逐渐将泵体出口处的压力从30psig减至等同于周围的环境压力。在有过滤的条件下,通过过滤器的P和过滤器下游方向上的管的长度这两种因素综合作用,可以充分有效地使得泵体出口处的压力控制在22~37psig的范围内(具体值取决于通过过滤器的P)。通过调节供应风箱式泵和隔膜式泵的气压,以及离心式泵的转动速度,可以在通过过滤器的压力落差不断增加的情况下,仍可以保持的研磨液流量不变。

  空气中的二氧化碳可以改变研磨液的PH值和化学成分,所以要在研磨液罐中充氮气以免二氧化碳的吸附。氮气通入之前需要进行潮湿化处理,以免研磨液脱水。PH值的改变和研磨液的脱水均能导致研磨液中颗粒的团聚和结块。使用冷却器和不锈钢线圈,可将研磨液在测试过程的温度控制在20±2℃之间。整个测试过程中研磨液罐中的相对湿度保持>90%。

  在所有的测试中,样品要在所定时间内取出以便分析。有2种方法测量PSD值。使用NICOMP 380ZLS(颗粒尺寸测试系统)测量工作颗粒尺寸,其原理是通过动态光散射来测量颗粒尺寸。采用AccuSizer 780光学颗粒计(颗粒尺寸测量系统)测量尺寸分布中的大颗粒余量。

  无过滤时颗粒尺寸分布结果

  图2给出了表观容重和99%粒度百分数时工作PSD值的颗粒直径,后者同时还是研磨液循环运转次数的函数。图上同时还表示出了误差线段,其线段长度代表了± 3的标准偏差。对于任何泵体系1000次的循环运转中都没有观察到工作PSD值的明显变化。3500次运转周期之后,在任何泵体系中也没有观察到有表观直径的增长。但是在离心泵的测试中,2000次运转周期之后,99%粒度百分数的颗粒直径出现了轻微的增加。

图3泵种类对大颗粒密度的影响


   图3所示为在无过

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