專利名稱：用來混合加工材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明指向用來混合加工材料的方法和裝置，具體地說指向用來混合超高純度的化學(xué)藥品、研磨劑漿料和諸如此類的東西的方法和裝置。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)經(jīng)過混合的加工材料是必不可少的，例如，在醫(yī)藥、化妝品和半導(dǎo)體工業(yè)中。在半導(dǎo)體工業(yè)中，經(jīng)過混合的加工材料通常是使用包括分配子系統(tǒng)和混合子系統(tǒng)的分批生產(chǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)備的。分配子系統(tǒng)將材料從供應(yīng)源轉(zhuǎn)移到混合子系統(tǒng)。供應(yīng)源通常是為安全地儲(chǔ)存加工材料(例如化學(xué)藥品或漿料)而設(shè)計(jì)的容器。其它的供應(yīng)源包括生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備，例如去離子(DI)水的生產(chǎn)設(shè)備或用來供應(yīng)其它大量消耗的加工材料(例如過氧化氫或氫氧化銨)的設(shè)備。生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備可以被直接連接到分配子系統(tǒng)上。單一的分配子系統(tǒng)可以各種各樣的供應(yīng)源連接到多種，從而將加工材料從每個(gè)供應(yīng)源轉(zhuǎn)移到混合子系統(tǒng)。
在混合子系統(tǒng)中，被分配子系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的加工材料被添加到混合容器或混合槽中。通常，各種材料是按特定的工藝所需要的預(yù)定順序添加的。例如，為了產(chǎn)生所需要的混合物，加工工藝可能需要各種加工材料的預(yù)定比例。加工的順序可能是以反應(yīng)性或安全性為基礎(chǔ)的，例如酸性或堿性的溶液通常是在水之后添加的。作為替代，加工順序可以以需要為基礎(chǔ)，以便減少或改正工藝的變異，例如用DI水稀釋濃度過高的晶片拋光漿料。在某些情況下，為了添加第二種加工材料中斷第一種加工材料的添加，然后再重新開始第一種加工材料的添加可能是必要的。
將加工材料添加到混合容器通常是通過測量質(zhì)量或體積的差異進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)節(jié)的。典型的調(diào)節(jié)質(zhì)量差異的添加可以包括使用儲(chǔ)料罐或儲(chǔ)罐上的刻度。在這種類型的系統(tǒng)中，當(dāng)測量儲(chǔ)料罐的質(zhì)量的自動(dòng)控制系統(tǒng)不能辨別同時(shí)添加的兩種加工材料的相對數(shù)量的時(shí)候，每種加工材料是被單獨(dú)添加的。典型的調(diào)節(jié)體積差異的添加可以包括使用流量計(jì)。
一旦各種加工材料在混合容器中被葉輪混合成均勻的溶液，形成一批經(jīng)過混合的加工材料。這批經(jīng)過混合的加工材料就被用于它的傾向性應(yīng)用。
許多傳統(tǒng)的工藝為了生產(chǎn)一批就其傾向性應(yīng)用而言可接受的經(jīng)過混合的加工材料要求精確的添加加工材料。因此，監(jiān)視對混合容器的輸入的測量儀器設(shè)備是非常精確的，以保證一批與一批之間的一致性。在許多應(yīng)用中，甚至較小的工藝變化都可能在那批經(jīng)過混合的加工材料中導(dǎo)致重大的差異，從而就其傾向性應(yīng)用而言可能使它變成無用的。
在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明指向包括眾多材料供應(yīng)線和位于眾多材料供應(yīng)線的下游并且與眾多材料供應(yīng)線流體連接的靜態(tài)混合器的混合系統(tǒng)。該混合系統(tǒng)還包括其中包括控制器、與控制器通信提供代表所需要的加工材料的混合物的輸入信號(hào)的輸入裝置和與眾多材料供應(yīng)線之一和控制器相連接的第一閥門的工藝控制系統(tǒng)。該混合系統(tǒng)進(jìn)一步包括其中包括有入口和出口的儲(chǔ)料罐、與入口和出口流體連接的回流線和與回流線和眾多材料供應(yīng)線之一這樣流體連接以致材料可以有選擇地從回流線轉(zhuǎn)移到材料供應(yīng)線的第二閥門的分配子系統(tǒng)。
在第三個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明指向供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法。該方法包括通過第一材料供應(yīng)線供應(yīng)第一加工材料、通過第二材料供應(yīng)線供應(yīng)第二加工材料和在與第一和第二個(gè)材料供應(yīng)線下游連接的靜態(tài)混合器中使第一和第二加工材料混合。該方法還包括根據(jù)位于靜態(tài)混合器下游的傳感器提供的傳感器信號(hào)用位于第一和第二材料供應(yīng)線之一上的第一閥門調(diào)節(jié)第一和第二加工材料的供應(yīng)。
在第四個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明指向供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法。該方法包括通過眾多材料供應(yīng)線供應(yīng)眾多加工材料和在位于眾多材料供應(yīng)線下游的靜態(tài)混合器中將眾多加工材料混合。該方法還包括用～調(diào)節(jié)眾多加工材料的供應(yīng)包括控制器、輸入裝置和被連接到眾多材料供應(yīng)線之一和控制器上的第一閥門的工藝控制系統(tǒng)。輸入裝置被連接到控制器上，以便提供代表所需要的加工材料的混合物的輸入信號(hào)。該方法進(jìn)一步包括把眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料保存在有入口和出口的儲(chǔ)料罐中，使眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料在與儲(chǔ)料罐的入口和出口連接的回流線中回流，以及用與回流線和眾多材料供應(yīng)線當(dāng)中的一條或多條供應(yīng)線連接的第二閥門把眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料的一部分轉(zhuǎn)移到眾多供應(yīng)線之一中。


圖11是固體百分比對試驗(yàn)序號(hào)的曲線圖；圖12是密度對試驗(yàn)序號(hào)的曲線圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明指向用來混合加工材料的系統(tǒng)。該混合系統(tǒng)適合按照要求給使用點(diǎn)混合和供應(yīng)加工材料或?yàn)橐院笫褂锰峁┘庸げ牧系幕旌衔?。所謂加工材料指的是能夠通過導(dǎo)管傳送的任何流體材料。例如，加工材料可以包括水、各種化學(xué)藥品、溶液、固體的懸浮液、漿料或任何這樣的其它材料。雖然本發(fā)明的混合系統(tǒng)是供任何需要經(jīng)過混合的加工材料的工藝使用的，但是它可能特別適用于超高純度的化學(xué)藥品和研磨劑漿料的混合以及其它需要準(zhǔn)確性和精確性的混合應(yīng)用。例如，本發(fā)明在半導(dǎo)體、化妝品和醫(yī)藥工業(yè)中是特別有用的。
本發(fā)明的混合系統(tǒng)的實(shí)施方案包括眾多材料供應(yīng)線、位于眾多材料供應(yīng)線下游的靜態(tài)混合器和工藝控制系統(tǒng)。如同在此使用的那樣，術(shù)語“靜態(tài)混合器”指的是任何為促進(jìn)加工材料的混合而構(gòu)成裝置。眾多材料供應(yīng)線可以是任何用來運(yùn)送加工材料的導(dǎo)管。例如，材料供應(yīng)線可以是用來引導(dǎo)流體流動(dòng)的管線、溝槽或其它裝置。眾多材料供應(yīng)線可以供應(yīng)來自多種來源的許多不同的加工材料。例如，材料供應(yīng)線可以供應(yīng)來自儲(chǔ)藏容器或來自生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備的加工材料。在一些實(shí)例中，材料供應(yīng)線可以供應(yīng)來自分配子系統(tǒng)的加工材料。
在一些包括分配子系統(tǒng)的實(shí)施方案中，分配子系統(tǒng)可以由儲(chǔ)料罐、回流線和閥門組成?；亓骶€可以與儲(chǔ)料罐的入口和出口流體連接以便通過回流線提供加工材料的連續(xù)循環(huán)。這種流動(dòng)可以是由諸如泵之類用來誘導(dǎo)流體流動(dòng)的裝置提供的。分配子系統(tǒng)中的閥門可以被這樣連接到回流線和材料供應(yīng)線上，以致加工材料可以從回流線轉(zhuǎn)移到材料供應(yīng)線。
本發(fā)明的混合系統(tǒng)的靜態(tài)混合器可以與眾多材料供應(yīng)線流體連通。例如，靜態(tài)混合器可以包括眾多入口，每個(gè)入口與眾多材料供應(yīng)線之一連接。靜態(tài)混合器還可以包括混合區(qū)和出口?？梢栽陟o態(tài)混合器的入口接收來自材料供應(yīng)線的加工材料，然后傳送給混合區(qū)?；旌蠀^(qū)可以具有引起流經(jīng)它的加工材料的攪動(dòng)和混合的形狀。在混合之后，加工材料可以通過可能與使用點(diǎn)或儲(chǔ)藏容器連接的出口傳送。使用點(diǎn)可以是任何要求供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的位置。例如，使用點(diǎn)可以包括加工機(jī)械或工作站。
在一些實(shí)施方案中，本發(fā)明的混合系統(tǒng)的工藝控制系統(tǒng)可以包括控制器、輸入裝置和閥門。在其它的實(shí)施方案中，工藝控制系統(tǒng)可以包括控制器、傳感器和閥門。人們應(yīng)該理解在此討論的用來控制流動(dòng)的閥門僅僅是為了舉例說明；任何流動(dòng)控制裝置都可以被用來取代本發(fā)明中的任何閥門。所謂流動(dòng)控制裝置指的是任何能夠提供預(yù)期水平的流動(dòng)控制的裝置，例如各種類型的閥門、泵和其它壓力調(diào)節(jié)裝置。
控制器可以是任何能夠接收信息并且根據(jù)一系列協(xié)議(例如邏輯代碼)按該信息動(dòng)作的裝置。例如，控制器可以是以微處理器為基礎(chǔ)的裝置，例如計(jì)算機(jī)。在工藝控制系統(tǒng)包括控制器的場合，輸入裝置可以被連接到控制器上，以便提供代表加工材料所需要的混合的輸入信號(hào)。輸入裝置可以是任何能夠接收信息并且將它轉(zhuǎn)發(fā)給控制器的裝置。例如，輸入裝置可以是電位計(jì)、小鍵盤或監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)獲得(SCADA)節(jié)點(diǎn)。
工藝控制系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)閥門可以被連接到一條或多條材料供應(yīng)線和控制器上。例如，為了控制經(jīng)過或進(jìn)入材料供應(yīng)線的流動(dòng)，閥門可以沿著材料供應(yīng)線定位并且可以受控制器控制。因此，控制器可以按照輸入裝置提供的需要的加工材料的混合用閥門控制經(jīng)過或進(jìn)入材料供應(yīng)線的流動(dòng)。作為替代或補(bǔ)充，控制器可以根據(jù)傳感器提供的信號(hào)控制經(jīng)過或進(jìn)入材料供應(yīng)線的流動(dòng)。
把本發(fā)明的混合系統(tǒng)作為一個(gè)整體看待，它現(xiàn)在將是清楚的混合系統(tǒng)的這些實(shí)施方案能夠根據(jù)使用者指定的輸入供應(yīng)所需要的加工材料的混合物。這種加工材料的混合物可以被不間斷地連續(xù)供應(yīng)。此外，經(jīng)過混合的加工材料可以按需供應(yīng)，從而取消了儲(chǔ)存經(jīng)過混合的加工材料的需要。人們還將承認(rèn)控制器可以接受有助于混合工藝的附加的輸入。例如，控制器可以從適當(dāng)?shù)墓ば騻鞲衅鞯玫疥P(guān)于加工材料或加工條件的信息供應(yīng)。這樣的傳感器可以在混合系統(tǒng)中位于任何地方，例如在分配子系統(tǒng)中、在材料供應(yīng)線上、或者甚至在靜態(tài)混合器的下游。人們還將承認(rèn)控制器也可以控制混合過程的其它方面。例如，控制器可以被連接到用來調(diào)整加工材料的性質(zhì)的裝置或系統(tǒng)上并且可以根據(jù)從傳感器或從操作員或其它外部來源收到的與加工材料的條件有關(guān)的輸入有選擇地操作這些裝置或系統(tǒng)。
本發(fā)明廣泛地適用于在各種各樣的應(yīng)用。本發(fā)明的實(shí)施方案可以依據(jù)應(yīng)用變化。例如，在需要監(jiān)視加工材料的場合，傳感器可以被采用，而且這些傳感器可以因加工材料而改變。類似地，混合系統(tǒng)的構(gòu)造(例如儀器設(shè)備和泵的管道系統(tǒng)、管道以及潤濕表面)可以適應(yīng)于特定的加工材料。例如，在這樣的加工材料可能是磨蝕材料或腐蝕材料(例如在半導(dǎo)體工業(yè)中時(shí)常使用的拋光漿料和化學(xué)藥品)的場合，這些結(jié)構(gòu)可以是由塑料材料(例如含氟聚合物)制成的。
現(xiàn)在參照附圖，具體地說參照圖1，本發(fā)明的說明性的實(shí)施方案被展示出來。在圖1中，分配子系統(tǒng)2被接到混合子系統(tǒng)1上。分配子系統(tǒng)2包括把來自儲(chǔ)料罐3的加工材料連續(xù)地分配給混合子系統(tǒng)1的設(shè)備，例如泵4和回流線14。從握住船3，加工材料可以經(jīng)過回流線14被泵4泵送到混合子系統(tǒng)1。如同在作為混合子系統(tǒng)1的方框圖的圖4中圖解說明的那樣，回流線14穿過混合子系統(tǒng)1。在混合子系統(tǒng)1中，位于回流線14上的閥門20可以把回流線14連結(jié)到材料供應(yīng)線18上。閥門20可以被驅(qū)動(dòng)，將加工材料從回流線14轉(zhuǎn)移到可以依次把加工材料運(yùn)送給靜態(tài)混合器22的材料供應(yīng)線18。未被閥門20轉(zhuǎn)移的加工材料可以保留在回流線14中并且可以返回到儲(chǔ)料罐3中。
儲(chǔ)料罐3可以是任何能夠保存足夠供混合工藝使用的加工材料的儲(chǔ)藏容器。為了方便，優(yōu)選的是儲(chǔ)料罐3是遞送和/或儲(chǔ)存加工材料的容器。例如，儲(chǔ)料罐3可以是儲(chǔ)罐，例如，55加侖的桶或其它常見的儲(chǔ)藏容器。在一些實(shí)施方案中，儲(chǔ)料罐3可以包括諸如噴頭或葉輪之類的攪拌器。攪拌器特別適合于加工材料可能沉降或分離的場合。
泵4可以是任何將在回流線14中提供加工材料的適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)的任何構(gòu)造的裝置。例如，泵4可以是用壓縮空氣或電操作的，而且可以是利用波紋管或膜片構(gòu)造的正排量泵。泵4可以用與被泵送的加工材料相容的材料構(gòu)成。適當(dāng)?shù)谋玫睦影ㄙ徸許aint Gobain Performance Garden Grove，CA的ASTI泵或購自Ingersoll-Rand of Woodcliff Lake，NJ的ARO泵。
如果加工材料是從回流線14轉(zhuǎn)移到材料供應(yīng)線18的，那么在回流線14中可能有壓力損失，不管泵4是否連續(xù)工作。因此，調(diào)整壓力的第二種方式可以被采用。例如，為了維持回流線14中需要的壓力，止回閥100可以被安裝在回流線14中而且被調(diào)節(jié)，不管加工材料是否轉(zhuǎn)移到材料供應(yīng)線18中。
為了把可用的加工材料供應(yīng)給混合子系統(tǒng)1，分配子系統(tǒng)2可以包括用來監(jiān)視和/或調(diào)整混合子系統(tǒng)1中的加工材料的性質(zhì)的系統(tǒng)或裝置。例如，證實(shí)加工材料對混合而言是可接受的這一事件的性質(zhì)可以被監(jiān)測和/或調(diào)整。監(jiān)測或調(diào)整系統(tǒng)可以包括各種儀器設(shè)備?，F(xiàn)在還參照圖2，分配子系統(tǒng)2可以包括監(jiān)測回流線14中的加工材料的儀器設(shè)備，例如儀器設(shè)備5、6、7、8、9。儀器設(shè)備可以根據(jù)供應(yīng)給混合子系統(tǒng)1的加工材料和傾向性應(yīng)用對經(jīng)過混合的加工材料的允差改變。例如，用來監(jiān)視密度、pH值、微粒、氧化還原電位、導(dǎo)電率、折射率或其它工藝條件的儀器設(shè)備可以適應(yīng)給定的應(yīng)用。任何提供所需要的反饋的儀器設(shè)備都可以被采用。例如，密度可以用密度計(jì)5監(jiān)測，而pH值可以用pH值探針6監(jiān)測。
作為例子，半導(dǎo)體工藝中的漿料將被描述。在半導(dǎo)體工藝中，漿料被當(dāng)作在制造半導(dǎo)體晶片時(shí)使用的拋光媒體。漿料還被用來拋光透鏡和其它與盤片相關(guān)的零件。漿料的拋光效果起因于懸浮在液體中的細(xì)小的、惰性的磨蝕粒子。在半導(dǎo)體工業(yè)中使用的漿料中典型的研磨劑是硅石、礬土和鈰土。用于漿料的研磨劑被制造出來并且被分到不同的粒度范圍之內(nèi)。典型的漿料包括直徑在0.05微米到0.30微米范圍內(nèi)的粒子而且每立方厘米包含1012以上個(gè)粒子。
為了在半導(dǎo)體工藝中監(jiān)視漿料，用來連續(xù)地測定質(zhì)量密度(除非另有明確的說明，在本文中后面所有的密度都是指質(zhì)量密度)的儀器設(shè)備(例如密度計(jì)5)可能是優(yōu)選的。測量密度是跟蹤濃度的方式。例如，在漿料中，密度與單位體積中非揮發(fā)性的惰性固體的數(shù)量有關(guān)。因此，通過測量單位時(shí)間的體積流速(例如用流量計(jì))和密度，交付給加工材料的混合物的惰性固體的數(shù)量可以被監(jiān)測。監(jiān)視密度對于半導(dǎo)體工藝中的漿料可能也是優(yōu)選的，因?yàn)槊芏葴y量儀器與提供類似反饋的其它儀器相比可能產(chǎn)生比較少的集聚，因?yàn)樗鼈兛赡懿辉跐{料中引起同樣的剪切應(yīng)力。不產(chǎn)生無法接受的集聚的足夠準(zhǔn)確的質(zhì)量流量計(jì)或固體百分比傳感器也可以被用于這個(gè)目的。
在漿料加工中，測量pH值的儀器設(shè)備(例如pH值傳感器)也可以被使用。如果漿料的pH值比可接受的數(shù)值高，漿料的侵蝕性可能太強(qiáng)，而且可能從晶片上除去無意除去的材料。反之，如果pH值太低，有意除去的材料可能未被除去。
作為另一個(gè)例子，在半導(dǎo)體工藝中使用的化學(xué)藥品將被描述。在半導(dǎo)體工藝中，各種不同的化學(xué)藥品是作為用于晶片拋光的反應(yīng)物和氧化劑使用的，而且被用在擦洗溶液、后期清洗溶液和顯影劑溶液中。這些化學(xué)藥品通常是以原始的濃縮形式運(yùn)輸?shù)摹９伖馐褂玫牡湫偷幕瘜W(xué)藥品包括過氧化氫、氫氧化鉀和氫氧化銨。過氧化氫是作為氧化劑被用于晶片上的金屬層。在加工材料的混合物中控制過氧化氫的數(shù)量將控制從晶片表面除去的材料的比率。通常，過氧化氫被混合從30wt％(重量百分比)的溶液到百分之幾(例如2wt％到4wt％)的溶液。氫氧化鉀在中間層電介質(zhì)拋光步驟中被用來控制加工材料的混合物的pH值，以便提供符合需要的硅石二氧化物層的拋光。過氧化氫和氫氧化銨的混合物通常是作為清洗和擦洗溶液使用的。如果這些混合物保持不用，過氧化氫和氫氧化銨將分解成水和氨。因此，依照本發(fā)明在使用它們時(shí)生產(chǎn)這些混合物是優(yōu)選的。
就半導(dǎo)體工業(yè)中使用的大多數(shù)化學(xué)藥品的分布而言，優(yōu)選的是儀器設(shè)備5、7、8、9監(jiān)視回流線14中的流動(dòng)，以便保證可接受的材料正在被傳輸。優(yōu)選的用來監(jiān)視化學(xué)加工材料的可接受性的儀器設(shè)備之一是連續(xù)測量加工材料的密度的儀器，例如密度計(jì)5。監(jiān)視化學(xué)加工材料的密度，如同監(jiān)視漿料的密度那樣，可以使在將加工材料分配給混合子系統(tǒng)1之前精確計(jì)量它的濃度成為可能。作為替代，在密度與溫度密切相關(guān)的場合，熱電偶或其它測溫探頭可以代替密度計(jì)。
其它對于測量和監(jiān)視化學(xué)加工材料可能有用的并且作為在半導(dǎo)體工業(yè)中用于這樣的工藝優(yōu)選的儀器設(shè)備分別是用來確定濃度和反應(yīng)性的儀器設(shè)備，例如導(dǎo)電率傳感器9和氧化還原電位(ORP)傳感器8。導(dǎo)電率可以被用于通過相關(guān)關(guān)系測量化學(xué)藥品的濃度。對于許多通常的加工材料，存在導(dǎo)電率與濃度相關(guān)聯(lián)的表格。因此，通過監(jiān)視加工材料的導(dǎo)電率，監(jiān)測它的濃度或許是可能的。監(jiān)視加工材料的ORP可以為檢測化學(xué)反應(yīng)性方面的突然變化創(chuàng)造條件。ORP傳感器8的操作類似于pH值探針6，然而，ORP傳感器8可以測量諸如氫氟酸之類可能損壞典型的pH值探針的液體的性質(zhì)。在材料的折射指數(shù)可以也與濃度相關(guān)時(shí)，折射指數(shù)傳感器在確定濃度方面也可能是有用的。
其它在諸如半導(dǎo)體工業(yè)之類的高純度應(yīng)用中特別重要的加工材料的性質(zhì)是粒子的水平。例如，制造晶片需要超高純度的加工材料。在儲(chǔ)料罐3或加工材料的制造過程中產(chǎn)生的粒子可能污染加工材料和產(chǎn)品。用于粒子尺寸和特定尺寸的粒子的數(shù)量的嚴(yán)格的指標(biāo)對于經(jīng)濟(jì)可行的半導(dǎo)體工藝可能是必要的。因此，對于對粒子敏感的工藝，用來測量加工材料中的粒子的水平的儀器設(shè)備(例如聯(lián)機(jī)的或在線的粒子計(jì)數(shù)器7)可以被使用。粒子計(jì)數(shù)器7在分配子系統(tǒng)2之內(nèi)和在分配子系統(tǒng)2與混合子系統(tǒng)1之間都可以找到用武之地，在那里它們可以驗(yàn)證來自分配子系統(tǒng)1的加工材料具有可接受的低粒子水平。粒子計(jì)數(shù)器7還可以用來驗(yàn)證來自靜態(tài)混合器的加工材料的混合物具有可欣然接受的低粒子水平。
在線的粒子計(jì)數(shù)器7通常包括直接安裝在諸如回流線14之類的工藝管道中的流動(dòng)室。在線的粒子計(jì)數(shù)器7監(jiān)視通過流動(dòng)室的粒子。在線的粒子計(jì)數(shù)器7通常測量單位體積中的粒子，而且如果體積流速改變，所報(bào)告的粒子計(jì)數(shù)也可能改變。因此，為了獲得正確的粒子計(jì)數(shù)，可以調(diào)節(jié)材料經(jīng)過粒子計(jì)數(shù)器7的速率。例如，為了準(zhǔn)確地在線粒子計(jì)數(shù)，測量室可以被接到工藝管道的接頭上。接頭可以經(jīng)過測量室轉(zhuǎn)移流體流并且允許經(jīng)過計(jì)數(shù)器7的流速被調(diào)整到需要的水平。通常，經(jīng)過計(jì)數(shù)器7的流速被調(diào)整到大約每分鐘100毫升(ml/min)。
因?yàn)樵诰€粒子計(jì)數(shù)器7通常被直接安裝在工藝管道中，所以它通常能僅僅監(jiān)測在那條工藝管道中的粒子水平。作為替代，在線的粒子計(jì)數(shù)器7可以借助切換機(jī)構(gòu)接到多條工藝管道上，于是來自這些管道中任何一條管道的加工材料都可以改道通過用于監(jiān)視的粒子計(jì)數(shù)器7。然而，如果來自多條工藝管道的流速是不一致的，那么對于每條工藝管道來自粒子計(jì)數(shù)器7的讀數(shù)將不在同一體積刻度中。
在聯(lián)機(jī)的粒子計(jì)數(shù)器7中，粒子計(jì)數(shù)器7不需要在工藝管道上。而是，來自各種不同的工藝管道的樣品可以通過諸如歧管之類用來操縱多條液流的系統(tǒng)選擇路由到達(dá)計(jì)數(shù)器7。樣品可以被抽到樣品收集器(例如小的閉環(huán))之內(nèi)，以保證每個(gè)樣品的體積是相同的。因?yàn)槊總€(gè)樣品的體積是相同的，所以對于每條工藝管道的粒子讀數(shù)可以在同一體積刻度中而且是可以比較的。因此，聯(lián)機(jī)粒子計(jì)數(shù)器7允許對多條工藝管道或一條工藝管道中的多點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測和比較。
用來控制分配子系統(tǒng)2和/或混合子系統(tǒng)1的工藝控制系統(tǒng)可以根據(jù)工藝和加工材料的性質(zhì)進(jìn)行操作。例如，從各種儀器設(shè)備收集的信息可以被饋送到與接到閥門20上的工藝控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的控制器和/或被提交給可以識(shí)別和解決問題的操作員。提交給操作員可以以任何在需要時(shí)能夠引起操作員注意的方式(例如，例如輸出監(jiān)視器或警報(bào))發(fā)生。在控制器被接到閥門20上的場合，從回流線14轉(zhuǎn)移給材料供應(yīng)線18的加工材料的數(shù)量可以由控制器根據(jù)用于給定的加工材料的混合的工藝進(jìn)行選擇。因此，控制器或許能夠通過改變通過閥門20的流速調(diào)整加工材料的混合，或者能夠改正從回流線14轉(zhuǎn)移的加工材料的偏差。例如，如果pH值傳感器6檢測到用來使加工材料的混合物酸化的加工材料的pH值已升高(偏差)，那么控制器可以接受提醒它注意這一事實(shí)的信號(hào)而且可以使從回流線14到材料供應(yīng)線18追加的加工材料這樣改道，以致經(jīng)過混合的加工材料的pH值保持恒定不變。作為替代，如果改變流率將不改正檢測到的偏差，工藝可以被停止，而材料被保存在分配子系統(tǒng)2之內(nèi)直到可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)母恼秊橹埂?br> 在調(diào)整從回流線14到材料供應(yīng)線18的加工材料的流速不足以改正偏差的場合，優(yōu)選的是回流線14具有一個(gè)或多個(gè)用來改正偏差的系統(tǒng)或裝置。這些系統(tǒng)或裝置可以包括處理裝置。例如，在回流線14中檢測到無法接受的粒子水平的場合，優(yōu)選的是一個(gè)或多個(gè)粒子分離器10、11是沿著回流線14定位的。粒子分離器10、11可以是，例如，初濾器或終端過濾器。
在用圖2圖解說明的實(shí)施方案中，來自聯(lián)機(jī)或在線粒子計(jì)數(shù)器7的連續(xù)的反饋可以為用來監(jiān)視回流線14中粒子水平的控制器提供信息。在啟動(dòng)或每逢粒子水平已被發(fā)現(xiàn)超過預(yù)定的門限值的時(shí)候，閥門12可以被控制器或操作員啟動(dòng)，為回流線14設(shè)置旁路和使加工材料改道通過旁路管道13。隨著加工材料在旁路管道13中循環(huán)，過濾器(例如初濾器10)可以減少加工材料中的粒子水平。當(dāng)粒子水平落在預(yù)定的門限值范圍內(nèi)的時(shí)候，控制器可以啟動(dòng)閥門12或提醒可以啟動(dòng)它們的操作員，關(guān)閉旁路并允許加工材料通過可以將它們轉(zhuǎn)移到材料供應(yīng)線18的回流線14。在需要非常低的粒子水平的應(yīng)用中，優(yōu)選的是終端過濾器11也是沿著回流線14定位的。在回流線14上有初濾器10和終端過濾器11的旁路管道13的使用對于在上述的半導(dǎo)體工業(yè)中使用的大多數(shù)化學(xué)藥品的分配是優(yōu)選的。如同在圖1中圖解說明的那樣，過濾器10、11也可以在沒有旁路管道13的情況下被用來恒定不變地從回流線14中清除粒子。此外，旁路管道可以被用在為調(diào)整除粒子水平之外的其它性質(zhì)而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。
現(xiàn)在參照圖3，在使用許多加工材料(例如在半導(dǎo)體處理設(shè)備中的多種漿料和化學(xué)藥品)的大型生產(chǎn)設(shè)備中，許多分配子系統(tǒng)2可以被連接到管網(wǎng)16上。在管網(wǎng)16中，每種加工材料度可以被裝在回流線14中。在一些實(shí)施方案中，每條回流線14都可以被包含在支線結(jié)構(gòu)中，以便在加工材料可能有危險(xiǎn)的場合避免泄露和保證安全。
在諸如半導(dǎo)體工業(yè)之類需要高純度的工業(yè)中，分配子系統(tǒng)2優(yōu)選被安裝在半潔凈室、sub-fab、或特定類別的潔凈室中。回流線14優(yōu)選從分配子系統(tǒng)2鋪設(shè)到安裝混合子系統(tǒng)1和加工設(shè)備60的潔凈室。處理設(shè)備60可以用輸出管道17連接到混合子系統(tǒng)1上。
現(xiàn)在參照圖4，如同先前描述的那樣，每條回流線14都可以有通過混合子系統(tǒng)1的路線。每條回流線14都可以經(jīng)由閥門20接到材料供應(yīng)線18上。如同先前描述的那樣，閥門20可以允許流體在不使材料供應(yīng)線18中所有的加工材料改道的情況下從回流線14流到材料供應(yīng)線18，然后流到靜態(tài)混合器22。多重閥門20可以用來允許對單一材料供應(yīng)線18的多重連接，從而導(dǎo)致加工材料在材料供應(yīng)線18中有限的混合。閥門20優(yōu)選是滑流閥而且可以以任何方式操作，例如憑借來自氣源的氣壓或憑借螺線管通過電子驅(qū)動(dòng)裝置操作。在諸如半導(dǎo)體加工之類加工材料有可能易燃的加工中，為了安全和避免著火的危險(xiǎn)，閥門20優(yōu)選由壓縮空氣源驅(qū)動(dòng)。
在混合子系統(tǒng)1中，材料供應(yīng)線18可以運(yùn)送直接來自生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70的加工材料。加工材料從生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70進(jìn)入混合子系統(tǒng)1的流動(dòng)可以受閥門19的控制。其它的閥門20可以沿著材料供應(yīng)線18放置而且被連接到回流線14上，以允許將第二加工材料添加到來自生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70的加工材料中。然后，組合后的加工材料可以被饋送到靜態(tài)混合器22。例如，水可能是來自生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70在材料供應(yīng)線18中遞送的。然后，來自回流線14的加工材料可以在閥門20處被添加到材料供應(yīng)線18中，從而導(dǎo)致在材料供應(yīng)線18中稀釋的加工材料。稀釋的加工材料可以傳送給靜態(tài)混合器22。在一些實(shí)施方案中，為了抑制諸如固體和細(xì)菌之類的污染物的形成，保持材料供應(yīng)線18處在不變的流動(dòng)條件下可能是優(yōu)選的。在這樣的實(shí)施方案中，DI水或另一種相對惰性的材料可以通過目前不供應(yīng)加工材料的管線流淌，而不是使更昂貴或危險(xiǎn)的加工材料通過材料供應(yīng)線18連續(xù)地流動(dòng)。有連接到DI水源的材料供應(yīng)線18還可以有助于清洗和維護(hù)材料供應(yīng)線18。
加工材料從材料供應(yīng)線18到靜態(tài)混合器22的流動(dòng)可以用閥門21進(jìn)行調(diào)節(jié)。在加工材料被添加到裝有另一種材料的材料供應(yīng)線18中時(shí)，為了保證加工材料以預(yù)期的速率按預(yù)期的方向流動(dòng)，各種管線中的流速和相關(guān)的壓力優(yōu)選受到控制。
分配子系統(tǒng)2和混合子系統(tǒng)1可以是用手或電子設(shè)備控制的。優(yōu)選的是，分配子系統(tǒng)2和混合子系統(tǒng)1被連接到包括控制器(最典型的是帶存儲(chǔ)器的中央處理器(CPU)，例如可編程的邏輯控制器(PLC))的工藝控制系統(tǒng)。輸入裝置可以為用戶指定的預(yù)期的加工材料的混合創(chuàng)造條件。例如，小鍵盤或計(jì)算機(jī)終端可以用來為控制器指定預(yù)期的加工材料的混合。控制器可以接收來自處理設(shè)備的信號(hào)，以便連續(xù)地監(jiān)測諸如輸入的加工材料、處理?xiàng)l件和人員的安全?？刂破骺梢灾袛鄟碜暂斎胙b置的輸入和來自處理設(shè)備的信號(hào)，以便控制分配子系統(tǒng)2和混合子系統(tǒng)1，生產(chǎn)指定的加工材料的混合物。例如，SupervisionControl And Data Acquisition(SCADA)系統(tǒng)可以被用來控制分配子系統(tǒng)2和混合子系統(tǒng)1。這樣的控制器可以儲(chǔ)存質(zhì)量控制數(shù)據(jù)、關(guān)于系統(tǒng)使用的信息、警報(bào)信息或其它的處理信息。此外，控制器可以通過維持可以與確定趨勢和斑點(diǎn)問題的處理輸出相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)來促進(jìn)統(tǒng)計(jì)加工控制。工藝控制系統(tǒng)可以是這樣設(shè)計(jì)的，以致操作員實(shí)際上可以離開處理設(shè)備，特別是在加工或加工材料可能有危險(xiǎn)的場合。
典型的工藝控制系統(tǒng)包括眾多的泵、閥門、儀器設(shè)備和監(jiān)視開關(guān)。這些組成部分在系統(tǒng)的操作中可以扮演多種角色。例如，為了確定過濾器是否需要清理或更換，可以監(jiān)測過濾器兩端的流體壓降。監(jiān)測過濾器兩端的壓降的同樣的壓力測量裝置也可以提供關(guān)于處理管線中絕對壓力的數(shù)據(jù)。
工藝控制系統(tǒng)可以在監(jiān)視器上圖解式地顯示處理過程，從而允許觀察處理的主要特征。這個(gè)圖解式的顯示可以允許操作員在觀察屏上看到所有的子系統(tǒng)和處理過程。一般地說，每臺(tái)處理設(shè)備都可以在顯示所有的連接、端點(diǎn)和子系統(tǒng)的總圖中用圖形描述。從觀察屏，每個(gè)子系統(tǒng)可以被選定，而且顯示那個(gè)子系統(tǒng)的特征的獨(dú)立的屏顯也可以被打開。
為了維護(hù)或安全，工藝控制系統(tǒng)還可以把諸如警報(bào)之類的反饋提供給操作員。在上述的監(jiān)視過濾器兩端的壓差的例子中，如果壓差超過某個(gè)設(shè)定點(diǎn)，警報(bào)可以通知操作員(例如在圖形顯示上)清理或更換過濾器。如果引起警報(bào)的條件在設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)沒有得到緩解，緊急警報(bào)可能被激發(fā)，這將導(dǎo)致再次通知警報(bào)條件或?qū)に嚳刂葡到y(tǒng)的某個(gè)部分自動(dòng)采取行動(dòng)，例如停止處理。
因?yàn)樵诨亓骶€14中加工材料的流速、壓力和諸如濃度或密度之類的其它性質(zhì)可能影響加工材料通過閥門20進(jìn)入材料供應(yīng)線18的流動(dòng)和必需的加工材料的數(shù)量，所以這批數(shù)據(jù)可以提供給控制器。控制器可以調(diào)節(jié)泵4的速度和分配子系統(tǒng)2中的其它裝置，以保證適當(dāng)數(shù)量的加工材料傳送到材料供應(yīng)線18中。作為替代，閥門20可以根據(jù)這批數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便控制加工材料進(jìn)入材料供應(yīng)線18的流動(dòng)。
加工材料進(jìn)入材料供應(yīng)線18的流速也可能取決于任何在材料供應(yīng)線18中已經(jīng)存在的加工材料(例如，水)的流速和壓力。因此，優(yōu)選的是將這批數(shù)據(jù)也提供給控制器。控制器可以調(diào)整閥門19、20和/或21，以及用泵4調(diào)整回流線14中的流速，以便在材料供應(yīng)線18中獲得所需要的流速和組成。因?yàn)榭梢蕴峁┙o控制器的數(shù)據(jù)的數(shù)量和可以根據(jù)這批數(shù)據(jù)受控的變量的數(shù)目，優(yōu)選的是控制器包括一個(gè)或多個(gè)能夠解釋數(shù)據(jù)并且為生產(chǎn)需要的加工材料的混合物設(shè)定的協(xié)議對它起作用的微處理器。然而，這個(gè)功能也可能是通過操作員或通過模擬控制完成的。
混合子系統(tǒng)1可以依照質(zhì)量或體積流速或通過它們的組合受到控制，取決于所涉及的材料。因?yàn)橘|(zhì)量流速通常更精確，所以它是優(yōu)選的。用于工藝閥門12、19、20、21的流動(dòng)控制可以將與由比例積分微分(PID)系統(tǒng)或類似的控制反饋環(huán)操作的流量計(jì)連接的流動(dòng)控制閥或可調(diào)截面阻尼閥合并。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，來自分配子系統(tǒng)2的一些組成部分，例如，包括漿料、化學(xué)藥品和/或來自生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70的DI水，可以進(jìn)入給定的加工材料的混合物?；旌衔锏慕M成部分可以通過可以作為SCADA節(jié)點(diǎn)的用戶界面予以指定。典型的工藝要求將磨蝕漿料用DI水稀釋用于中間層的電介質(zhì)拋光步驟。其它的典型工藝需要用于金屬層拋光的磨蝕漿料、氧化劑和DI水。這些工藝可能需要各種各樣的研磨劑、氧化劑、稀釋劑，而且它們的數(shù)量取決于工藝并且可能時(shí)常改變。
在這樣的半導(dǎo)體處理系統(tǒng)中，材料供應(yīng)線18可以運(yùn)送來自生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70用來稀釋加工材料和必要時(shí)用來沖洗材料供應(yīng)線18和靜態(tài)混合器22的DI水。每條材料供應(yīng)線18都可以通過閥門19、21把DI水送到靜態(tài)混合器22。如同先前描述的那樣，DI水的輸入優(yōu)選保持每條材料供應(yīng)線18處在恒定的流動(dòng)條件之下，避免粒子和細(xì)菌的形成。當(dāng)某種工藝包括漿狀加工材料的時(shí)候，閥門20可能被啟動(dòng)，以使促使材料供應(yīng)線18中的水暴露在來自回流線14的漿狀加工材料之中。閥門19優(yōu)選調(diào)節(jié)DI水的流動(dòng)，以保證在閥門20處來自回流線14的水流將流到閥門21。閥門21調(diào)節(jié)流到靜態(tài)混合器22的漿料流速。該流速可能取決于所需漿料的數(shù)量和漿料的密度。類似地，在某種工藝要求來自回流線14的化學(xué)加工材料的場合，閥門20可以被啟動(dòng)，以使材料供應(yīng)線18中的水暴露在化學(xué)加工材料之中。流速可能取決于所需化學(xué)加工材料的數(shù)量和化學(xué)加工材料的密度、濃度或其它性質(zhì)。
來自材料供應(yīng)線18的加工材料可以連續(xù)地輸送到用來混合的靜態(tài)混合器22中。加工材料可以通過任何允許某種工藝所需要的全部加工材料被同時(shí)饋送的裝置進(jìn)入靜態(tài)混合器22。參照圖5、6和7，靜態(tài)混合器22可以包括被連接到材料供應(yīng)線18上的多重入口30。入口30可以被連接到直接從生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備70引出的材料供應(yīng)線18、從回流線14引出的材料供應(yīng)線18或接受來自兩個(gè)來源的輸入的材料供應(yīng)線18上。在半導(dǎo)體工業(yè)中，材料供應(yīng)線18通常把漿狀加工材料、化學(xué)加工材料和DI水運(yùn)送到靜態(tài)混合器22。
靜態(tài)混合器22可以以任何導(dǎo)致加工材料充份混合的方式構(gòu)成。優(yōu)選的是，這種混合是這樣完成的，即通過構(gòu)造靜態(tài)混合器22使加工材料經(jīng)受湍流流動(dòng)條件。例如，靜態(tài)混合器22可以包括一個(gè)或多個(gè)擋板或其它流動(dòng)中斷要素。對于使用漿料或其它對剪切敏感的材料的工藝，靜態(tài)混合器22可以是這樣構(gòu)造的，以致混合既足夠平緩，不至于損害被混合的材料，又足夠有力，足以完全混合。例如，在半導(dǎo)體工業(yè)用于拋光的漿料中，高剪切速率的引入可能引起粒子生長而且可能引起顯著的微擦痕。因此，對于這些漿料，靜態(tài)混合器22優(yōu)選以將導(dǎo)致比較平緩的混合的方式構(gòu)成。典型的靜態(tài)混合器，例如包括螺旋狀的流動(dòng)中斷要素的靜態(tài)混合器，在一些實(shí)施方案中可能是可接受的。
在用圖5、6、7圖解說明的實(shí)施方案中，靜態(tài)混合器22有單一的出口39并且在入口30之后的靜態(tài)混合器的長度范圍內(nèi)是軸對稱的。在這個(gè)實(shí)施方案中，加工材料通過入口30送入混合區(qū)32。當(dāng)流體在加壓條件下混合和移動(dòng)時(shí)，它們經(jīng)過可能呈螺旋形的擋板33。擋板33產(chǎn)生壓力差，而且由于湍流引起漩渦的形成。這些旋渦與對于把加工材料混合成均質(zhì)溶液可能是必不可少的非常高的雷諾數(shù)相關(guān)聯(lián)。通過擋板33之后，加工材料優(yōu)選在流動(dòng)中斷要素34的周圍經(jīng)過。流動(dòng)中斷要素34可能是圓筒形的而且可能位于靜態(tài)混合器22的中心線上。流動(dòng)中斷要素34提供第二階段的擾動(dòng)。流動(dòng)中斷要素34可能產(chǎn)生通過旋渦的生成附加到湍流上的卡曼渦。接在流動(dòng)中斷要素34后面的優(yōu)選是流動(dòng)頸縮區(qū)35。流動(dòng)頸縮區(qū)35在加工材料流向出口39時(shí)壓縮它們。流動(dòng)頸縮區(qū)域35優(yōu)選是逐漸變小的錐形表面，因?yàn)檫@可以減少當(dāng)該區(qū)域直徑以階梯方式減少時(shí)可能以其它方式出現(xiàn)的反壓力。
參照圖8，通過靜態(tài)混合器22的出口39的加工材料可以進(jìn)入二次靜態(tài)混合器23。二次靜態(tài)混合器23優(yōu)選是在線的靜態(tài)混合器。二次靜態(tài)混合器23可以包含螺線形的特征38。螺線形特征38可以是，例如，由扭曲的塑料片制成的。二次靜態(tài)混合器23優(yōu)選提供不變的加工材料湍流。對于半導(dǎo)體工業(yè)中的漿狀加工材料，二次靜態(tài)混合器23優(yōu)選在足夠低的流速下操作，以致二次靜態(tài)混合器23的螺旋狀路徑將不引起可能引起粒子生長和顯著的微擦痕的有害的剪切速率。雖然它非常依賴于加工材料和二次靜態(tài)混合器23的尺寸和幾何形狀，但是大約100-250毫升/分鐘的流速對于一些情況是適當(dāng)?shù)摹?yīng)該理解作為二次靜態(tài)混合器23描述的那種類型的混合器可以作為靜態(tài)混合器22而且不需要有任何二級(jí)靜態(tài)混合器23。
依據(jù)基本的流體流動(dòng)規(guī)律產(chǎn)生的在圖6、7、8中用流線37圖解說明的流體流線圖表明遍及靜態(tài)混合器22和二次靜態(tài)混合器23的湍流足以保證加工材料的完全混合。
在一個(gè)實(shí)施方案中，經(jīng)過混合的加工材料可以從靜態(tài)混合器22或二次靜態(tài)混合器23經(jīng)過出口管線17輸送到使用點(diǎn)，例如處理設(shè)備60。使用點(diǎn)可以是任何需要經(jīng)過混合的加工材料的物料流的機(jī)器、設(shè)備、工位或其它位置。出口管線17可以直接饋送到處理設(shè)備60或供操作員使用的出口。對于在通過出口管線17傳送期間耗費(fèi)有限的壽命或者可能以其它方式失去價(jià)值的加工材料，靜態(tài)混合器22或二次靜態(tài)混合器23可以位于靠近使用點(diǎn)的地方，以便將這個(gè)損失減少到最小。
在替代實(shí)施方案中，例如，如同用圖9和10圖解說明的那樣，出口管線17可以饋送到儲(chǔ)料罐3中，而經(jīng)過混合的加工材料可以在需要時(shí)從儲(chǔ)料罐3輸送到使用點(diǎn)。在儲(chǔ)料罐3中儲(chǔ)存經(jīng)過混合的加工材料可以允許在被送往使用點(diǎn)之前測試經(jīng)過混合的加工材料的可接受性。與前面描述過的那些類似的用于分析化學(xué)和漿狀加工材料的儀器設(shè)備也可以被用來證實(shí)經(jīng)過混合的加工材料是可接受的?；旌衔镏械母鞣N加工材料的濃度也可以獨(dú)立地用適當(dāng)?shù)难b置進(jìn)行測試。例如，各種成份的濃度可以用色譜法(例如氣相色譜法)進(jìn)行測試。把經(jīng)過混合的加工材料儲(chǔ)存在儲(chǔ)料罐3中還可以如同下面描述的那樣允許簡化混合系統(tǒng)。
圖9圖解說明可以用來混合兩種材料(例如漿料和DI水)的本發(fā)明的混合系統(tǒng)的比較簡單的實(shí)施方案。在這個(gè)實(shí)施方案中，待混合的加工材料最初被儲(chǔ)存在儲(chǔ)料罐3中。如果需要，儲(chǔ)料罐3可以被分配子系統(tǒng)代替并且用來圖解說明包括回流線的分配子系統(tǒng)在某些實(shí)施方案中可能是不需要的。加工材料可以從儲(chǔ)料罐3用泵90泵送通過材料供應(yīng)線18到靜態(tài)混合器22。閥門21可以用來調(diào)節(jié)每種加工材料的流量。為了簡化混合系統(tǒng)，加工材料之一可以是以恒定的體積流速供應(yīng)的。例如，一個(gè)閥門21可以被留在單一的位置中，或者幾何形狀固定的孔口可以用來提供加工材料之一的恒定不變的體積流速。然后，為了提供所需要的加工材料的混合物，可以調(diào)整另一種加工材料的流速。
在加工材料之一保持在恒定不變的體積流速的情況下，提供允許將體積流速轉(zhuǎn)換成質(zhì)量流速的數(shù)據(jù)的傳感器92可以被安裝在材料供應(yīng)線18上。傳感器92可以測量密度或諸如溫度之類可以與密度相關(guān)的性質(zhì)。例如，控制器91可以接收來自傳感器92的代表加工材料的密度的信號(hào)并且可以根據(jù)這個(gè)信號(hào)和已知的體積流量計(jì)算加工材料的質(zhì)量流速。
控制器91也可以接收來自與經(jīng)過它體積流速發(fā)生變化的材料供應(yīng)線相關(guān)聯(lián)的傳感器93的信號(hào)。如同采用傳感器92那樣，傳感器93可以提供代表允許根據(jù)體積流速計(jì)算材料供應(yīng)線中的質(zhì)量流速的性質(zhì)的信號(hào)。當(dāng)加工材料的體積流速可能改變時(shí)，控制器91也可以接收來自體積流量計(jì)94的信號(hào)，從而為計(jì)算質(zhì)量流速創(chuàng)造條件。根據(jù)材料供應(yīng)線中的質(zhì)量流速，控制器91可以控制閥門21提供與其它材料供應(yīng)線中的加工材料的質(zhì)量流速一起提供所需要的加工材料的混合物的質(zhì)量流速。
在替代實(shí)施方案中，例如，在圖10中圖解說明的，傳感器93和體積流量計(jì)94可以通過在靜態(tài)混合器22的下游提供能夠證實(shí)經(jīng)過混合的加工材料符合要求的傳感器96而被取消。例如，在漿料和DI水混合的情況下，密度計(jì)、固體百分比傳感器或類似的東西可以被用來查證經(jīng)過混合的加工材料是否可接受。傳感器96可以把代表經(jīng)過混合的加工材料的條件的信號(hào)提供給控制器91。如果有必要，控制器91可以用閥門21調(diào)整加工材料之一的流速，直到代表設(shè)定點(diǎn)的信號(hào)從傳感器96上獲得。例如，在加工材料是漿料和DI水的情況下，所需要的漿料/DI水的混合物的密度可以是設(shè)定點(diǎn)。如果發(fā)現(xiàn)這個(gè)密度太低，可以添加更多的漿料，如果發(fā)現(xiàn)它太高，則可以減少添加的漿料數(shù)量。在一些實(shí)施方案中，幾種不同或相似類型的傳感器96可以將代表經(jīng)過混合的加工材料的情況的信號(hào)提供給控制器。
在任何以恒定不變的流速饋送一種加工材料并且通過調(diào)整其它加工材料的流速生產(chǎn)預(yù)期的混合物的實(shí)施方案中，總流速通常是不可選擇的。因此，這樣的實(shí)施方案可以把經(jīng)過混合的加工材料提供給儲(chǔ)料罐3。儲(chǔ)料罐3可以包含防止經(jīng)過混合的加工材料沉降或分離的裝置或系統(tǒng)，例如攪拌器。在另一個(gè)實(shí)施方案中，過量的經(jīng)過混合的加工材料可以被生產(chǎn)出來，而且需要的是一經(jīng)要求就可以用被丟棄的剩余物保證供應(yīng)。作為替代，其它加工材料的流速也可以被調(diào)整，以致經(jīng)過混合的加工材料的總流速可以如同先前描述的那樣與要求相相配。
在啟動(dòng)期間或在任何不可能接受或不需要加工材料的混合物的其它時(shí)間，該混合物可以從使用點(diǎn)或儲(chǔ)料罐離開。例如，無法接受的或不需要的加工材料的混合物可以被送到排水溝95中或者以其它方式處置。排水溝或其它清除系統(tǒng)可以被用在本發(fā)明的任何實(shí)施方案中，在那里加工材料的混合物在某些環(huán)境下可能是無法接受的或不需要的。
本發(fā)明將通過下面的實(shí)施例得到進(jìn)一步的說明，這些實(shí)施例實(shí)質(zhì)上傾向于舉例說明，而且不被看作是對本發(fā)明的范圍的限制。
典型的拋光工藝需要漿料對DI水質(zhì)量比為1∶1或體積比為大約1∶1.17從而導(dǎo)致最終密度為大約每毫升1.074克(1.074克/毫升)的混合物。漿料中的變化可能起因于制造基礎(chǔ)材料時(shí)的變化。此外，雖然流體是不可壓縮的，但是當(dāng)與漿料混合的DI水的密度變化時(shí)，制造原始漿料時(shí)使用的水的密度也改變。DI水的密度值是已知的而且很容易從技術(shù)參考出版物中得到。一種這樣的出版物，來自CRC Press，Inc.的物理化學(xué)手冊指出對于在50o到86oF(10o到30oC)的溫度范圍內(nèi)的水而言密度范圍從0.99970到0.99565克/毫升。由生產(chǎn)資料的生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)的DI水的溫度典型地分布在大約65o到75oF(18o到24oC)范圍內(nèi)。因此，就這個(gè)實(shí)施例的目的而言，DI水的密度將被假定為0.99821克/毫升(在68oF(20Co)下它的數(shù)表密度)，然而，在實(shí)踐中，為了提供準(zhǔn)確的密度，可以監(jiān)測溫度。
由于兩個(gè)組成部分的密度可以改變，在混合物中按體積混合產(chǎn)生錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)比按質(zhì)量混合高。因此，就按重量計(jì)1∶1的配方而言，添加的每種組分的質(zhì)量相等，從而導(dǎo)致大約1.00毫升的漿料濃縮物和大約1.168毫升的DI水。
在配方混合的動(dòng)態(tài)情形下，材料必須是以其總和等于200毫升/分鐘或3.33毫升/秒的速率移動(dòng)的。使用上述的1.074克/毫升的名義密度和200毫升/分鐘或3.3毫升/秒的預(yù)期的混合物流速，大約1.789克/秒的質(zhì)量速率是所需的最終產(chǎn)品。
由于這個(gè)簡單的應(yīng)用涉及兩種組成部分相等的質(zhì)量，個(gè)別調(diào)整漿料和水兩者的供應(yīng)流的流速可以控制最終設(shè)計(jì)的流體流。理想的是，濃縮漿料和去離子水的兩個(gè)質(zhì)量速率彼此相等，而且對于每種材料每個(gè)質(zhì)量速率與各自的密度的比提供所需要的體積流速。這對于25％固體的濃縮漿料將產(chǎn)生大約92.064毫升/分鐘(1.534毫升/秒)的體積流速，而對于去離子水將產(chǎn)生大約107.928毫升/分鐘(1.799毫升/秒)的體積流速。請注意這個(gè)應(yīng)用僅僅對于密度恒定在上述的1.166克/毫升的漿料是好的。當(dāng)材料的實(shí)際密度可能波動(dòng)時(shí)，這個(gè)數(shù)值從分配子系統(tǒng)到控制器的通信可以相應(yīng)地調(diào)整流動(dòng)控制器。例如，如果密度的數(shù)值增加到1.180克/毫升，那么控制器可以通過把閥門關(guān)閉到適當(dāng)?shù)某潭葋碚{(diào)節(jié)流速。這將依次減少本身將通過增加去離子水的流速得到調(diào)整的絕對輸出流速。在這些調(diào)整期間規(guī)定的終點(diǎn)流速和密度實(shí)質(zhì)上是不變的。
實(shí)施例2為了示范本發(fā)明的混合系統(tǒng)能生產(chǎn)可接受的加工材料的混合物，實(shí)施例1中描述的漿料和DI水的假想混合物是使用圖9圖解說明的混合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。DI水是由儲(chǔ)料罐以恒定不變的已知的體積流速供應(yīng)的，而它的溫度被監(jiān)測并且提供給對控制器以計(jì)算DI水的質(zhì)量流速。在實(shí)施例1中描述的漿料是由第二儲(chǔ)料罐供應(yīng)的。這種漿料經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)它具有25.8wt％的固體百分比和1.151克/毫升的密度。漿料的密度和它的體積流速被監(jiān)測并且提供給控制器以便計(jì)算漿料的質(zhì)量流速。漿料質(zhì)量流速是通過控制器用閥門調(diào)整的，以便獲得大約1∶1的漿料對DI水的質(zhì)量比。
根據(jù)用于半導(dǎo)體工業(yè)的典型的允差，可接受的固體百分比和密度的范圍是如同在圖11和12中用上限和下限圖解說明那樣定義的。這些附圖還分別報(bào)告了5次試驗(yàn)中每次試驗(yàn)的固體百分比和密度。在所有的試驗(yàn)中，固體百分比都是可接受的，而在所有的試驗(yàn)中密度除了一個(gè)之外也都是可接受的。這表明本發(fā)明的混合系統(tǒng)能夠重復(fù)生產(chǎn)可接受的加工材料的混合物。
應(yīng)該理解在本文中描述的每個(gè)要素都可以被修正(或兩個(gè)或更多要素一起被修正)或者還可以在不同于前面描述的那些應(yīng)用的其它應(yīng)用中找到用武之地。盡管本發(fā)明的特定的實(shí)施方案已被圖解說明和描述，但是不傾向于僅僅局限于所展示的細(xì)節(jié)，因?yàn)楦鞣N不同的修改方案和替代方案在不以任何方式脫離權(quán)利要求書所定義的本發(fā)明的精神的情況下可以完成。
權(quán)利要求
1.一種混合系統(tǒng)，其中包括第一材料供應(yīng)線；第二材料供應(yīng)線；與第一和第二材料供應(yīng)線下游流體連接的靜態(tài)混合器；以及包括至少被置于第一和第二材料供應(yīng)線之一上的第一流動(dòng)控制裝置、被置于靜態(tài)混合器下游的第一傳感器和包括根據(jù)第一傳感器提供的傳感器信號(hào)為第一流動(dòng)控制裝置提供控制信號(hào)的邏輯代碼的控制器的程序控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器選自密度傳感器、固體百分比傳感器、粒子計(jì)數(shù)器、pH傳感器、導(dǎo)電率傳感器、氧化還原電位傳感器、折射指數(shù)傳感器和它們的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器是密度傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器是固體百分比傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器是粒子計(jì)數(shù)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器是pH傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器是氧化還原電位傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的混合系統(tǒng)，其中第一傳感器是折射指數(shù)傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的混合系統(tǒng)，其中程序控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括接到控制器上提供代表所需要的加工材料的混合物的輸入信號(hào)的輸入裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的混合系統(tǒng)，其中控制器包括根據(jù)傳感器信號(hào)和輸入信號(hào)為第一流動(dòng)控制裝置提供控制信號(hào)的邏輯代碼。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括包括入口和出口的儲(chǔ)料罐；與入口和出口流體連接的回流線；以及與回流線和第一或第二材料供應(yīng)線流體連接的第二流動(dòng)控制裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的混合系統(tǒng)，其中第二流動(dòng)控制裝置是與第一流動(dòng)控制裝置相同的流動(dòng)控制裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的混合系統(tǒng)，其中進(jìn)一步包括被連接到回流線的流動(dòng)控制裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括接在回流線上選自密度傳感器、固體百分比傳感器、粒子計(jì)數(shù)器、pH傳感器、導(dǎo)電率傳感器、氧化還原電位傳感器、折射指數(shù)傳感器和它們的組合的第二傳感器體。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與靜態(tài)混合器下游流體連接的半導(dǎo)體制造工具。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被置于第一材料供應(yīng)線、第二個(gè)材料供應(yīng)線和回流線之一上的粒子分離器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括與靜態(tài)混合器下游流體連接的儲(chǔ)料罐。
18.一種混合系統(tǒng)，其中包括眾多材料供應(yīng)線；被置于眾多材料供應(yīng)線的下游并且與眾多材料供應(yīng)線流體連接的靜態(tài)混合器；包括控制器、與控制器通信提供代表所需要的加工材料的混合物的輸入信號(hào)的輸入裝置以及與眾多材料供應(yīng)線之一和控制器連接的第一閥門的程序控制系統(tǒng)；以及分配子系統(tǒng)，其中包括有入口和出口的儲(chǔ)料罐、與入口和出口流體連接的回流線和與回流線和眾多材料供應(yīng)線之一流體連接以使來自回流線的材料可以有選擇地轉(zhuǎn)移到材料供應(yīng)線的第二閥門。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的混合系統(tǒng)，其中第二個(gè)閥門是與第一閥門相同的閥門。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括接在回流線上的泵。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括接在回流線上選自密度傳感器、pH傳感器、導(dǎo)電率傳感器、氧化還原電位傳感器、粒子計(jì)數(shù)器、折射指數(shù)傳感器、固體百分比傳感器和它們的組合的傳感器。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的混合系統(tǒng)，進(jìn)一步包括被置于第一材料供應(yīng)線、第二個(gè)材料供應(yīng)線和回流線之一上的粒子分離器。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的混合系統(tǒng)，其中第一閥門包括眾多閥門，每個(gè)都被連接到眾多材料供應(yīng)線之一和控制器上。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的混合系統(tǒng)，其中傳感器選自密度傳感器、pH傳感器、導(dǎo)電率傳感器、氧化還原電位傳感器、粒子計(jì)數(shù)器、折射指數(shù)傳感器、固體百分比傳感器和它們的組合，并且被連接到回流線上。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的混合系統(tǒng)，其中控制器包括根據(jù)傳感器提供的信號(hào)給第一閥門提供信號(hào)的邏輯編碼。
27.一種供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法，包括通過第一材料供應(yīng)線供應(yīng)第一加工材料；通過第二材料供應(yīng)線供應(yīng)第二加工材料；在與第一和第二個(gè)材料供應(yīng)線下游流體連接的靜態(tài)混合器中將第一和第二加工材料混合；以及根據(jù)位于靜態(tài)混合器下游的傳感器提供的傳感器信號(hào)用位于第一和第二材料供應(yīng)線之一上的第一閥門調(diào)節(jié)第一和第二加工材料之一的供應(yīng)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法，其中傳感器提供與選自密度、固體百分比、粒子計(jì)數(shù)、pH、導(dǎo)電率、氧化還原電位、混合后加工材料的折射指數(shù)和它們的組合的性質(zhì)相對應(yīng)的傳感器信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法，進(jìn)一步包括接收來自與控制器相連接的輸入裝置的代表所需要的加工材料的混合物的輸入信號(hào)。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法，進(jìn)一步包括將第一和第二加工材料之一保存在有入口和出口的儲(chǔ)料罐中；使第一和第二加工材料之一在與有入口和出口的儲(chǔ)料罐連接的回流線中回流；以及用與回流線和第一和第二材料供應(yīng)線之一連接的第二閥門把至少一部分第一和第二加工材料之一轉(zhuǎn)移到第一和第二條材料供應(yīng)線之一中。
31.一種供應(yīng)經(jīng)過混合的加工材料的方法，其中包括通過眾多材料供應(yīng)線供應(yīng)眾多加工材料；使眾多加工材料在位于眾多材料供應(yīng)線下游的靜態(tài)混合器中混合；用包括控制器、與控制器相連接提供代表所需要的加工材料的混合物的輸入信號(hào)的輸入裝置和與眾多材料供應(yīng)線之一和控制器相連接的第一閥門的程序控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)眾多加工材料的供應(yīng)；把眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料保存在有入口和出口的儲(chǔ)料罐中；使眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料在與儲(chǔ)料罐的入口和出口連接的回流線中回流；以及用與回流線和眾多材料供應(yīng)線當(dāng)中的一條或多條連接的第二閥門把眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料的一部分轉(zhuǎn)移到眾多材料供應(yīng)線之一中。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中第一閥門與第二閥門是相同的。
33.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中回流包括抽送加工材料。
34.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料的回流進(jìn)一步包括測量眾多加工材料當(dāng)中的一種或多種材料的選自密度、pH、導(dǎo)電率、氧化還原電位、一種固體百分比、許多的粒子、折射率和它們的組合的性質(zhì)。
35.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，進(jìn)一步包括把粒子與回流線分開。
36.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中用程序控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)眾多加工材料的饋送進(jìn)一步包括根據(jù)靜態(tài)混合器下游的傳感器提供的傳感器信號(hào)控制第一閥門。
全文摘要
一種用來混合和供應(yīng)加工材料方法和裝置。這種方法和裝置特別適用于超高純度的化學(xué)藥品的混合、磨料淤漿與用于半導(dǎo)體晶片拋光的其它化學(xué)藥品的混合以及化學(xué)藥品的高精度混合。該裝置可以包括把加工材料供應(yīng)給用靜態(tài)混合器實(shí)施混合的混合子系統(tǒng)的分配子系統(tǒng)。該方法可以包括用分配子系統(tǒng)供應(yīng)加工材料和在靜態(tài)混合器中混合加工材料。
文檔編號(hào)B01F5/00GK1446117SQ01813790
公開日2003年10月1日 申請日期2001年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月31日
發(fā)明者杰弗里·亞歷山大·威爾默, 丹尼爾·凱西·麥肯齊, 約翰·邁克爾·盧爾, 埃里克·A·澤戴 申請人:動(dòng)力化學(xué)凈化系統(tǒng)有限公司