Brevet FR2867696A1 — publié le 20050923

Procédé pour déterminer la concentration d'une suspension en différents lots La présente invention est relative aux liquides contenant plusieurs additifs chimiques ainsi que des particules abrasives permettant le polissage d'une surface et ci-après dénommés suspension ou suspensions , ou plus généralement une solution ou une dispersion dans l'eau ou dans un solvant, d'un ou plusieurs composés inorganiques et/ou d'un ou plusieurs composés organiques. Elle concerne plus particulièrement un procédé pour déterminer la concentration d'une suspension dans un système de distribution constitué d'un mélange de différents lots transférés successivement depuis un fût d'alimentation dans un fût de mélange puis du fût de mélange dans un fût d'utilisation, une boucle de distribution de suspension en différents points d'utilisation étant prévue permettant de recycler en extrémité de boucle la suspension non utilisée, le transfert du fût d'alimentation vers le fût de mélange d'une part, et du fût de mélange vers le fût d'utilisation, d'autre part, étant indépendant et/ou synchronisé. Les suspensions utilisées dans le procédé de polissage lors de la fabrication de semi-conducteurs nécessitent un mélange d'un ou plusieurs additifs. Tout ou une partie du mélange des additifs est opéré dans le système de distribution à l'intérieur d'un réservoir. Chacun des réactifs a un rôle pour la stabilité de la suspension et pour le procédé de polissage selon le type de surface considérée. Par exemple, des tensioactifs pour la mouillabilité de la suspension, un oxydant pour corroder la surface, des inhibiteurs de corrosion pour la ralentir etc... La présence pour le polissage d'une couche métallique d'un oxydant fort, par exemple, H2O2, engendre souvent la dégradation transverse d'un ou plusieurs autres composants de la suspension, entraînant de fait, une diminution du titre d'H2O2. Le mélange est donc effectué sur site dans le système de distribution mais au cours du temps, les propriétés de la suspension vont donc évoluer. La durée de vie de ladite suspension est donnée par la durée durant laquelle le procédé de polissage est satisfaisant malgré la dégradation de la suspension. Les systèmes de distribution des suspensions doivent donc être conçus en tenant compte de la consommation de suspensions dans le système de polissage afin d'éviter d'avoir de la suspension restant pour une durée qui excède sa durée de vie. Cependant, il peut être difficile de prévoir la consommation en suspension d'une usine de fabrication de circuits intégrés pour un futur moyennement proche. Les paramètres des systèmes doivent donc être optimisés pour garder la suspension dans les limites de ses spécifications. Les paramètres du système de distribution de la suspension doivent donc être déterminés précisément en fonction du vieillissement de celui-ci. Aujourd'hui l'homme de métier est confronté à ce problème de détermination car aucun outil disponible n'existe. Un système de distribution de suspension est schématisé à titre d'exemple sur la figure 1 ci-jointe, sur laquelle le fût d'alimentation 1 est relié par l'intermédiaire d'une canalisation de préférence à sa base 8 vers la base du fût de mélange 2 lui-même relié par la canalisation 9 de préférence également à sa base vers la base du fût d'utilisation 3 qui est connecté à une boucle d'utilisation 4 délivrant la suspension vers différentes stations d'utilisation 5, 6 et 7, la boucle partant de la base 14 du fût d'utilisation pour se reboucler à la base 15 dudit fût d'utilisation. Le fût de mélange 2 comporte un niveau bas 10 et un niveau haut 11 tandis que le fût d'utilisation comporte un niveau bas 12 et un niveau haut 13. Le fonctionnement de ce système est le suivant: Le fût d'alimentation 1 est un fût qui est livré généralement par le fabricant de suspension, rempli de suspension telle que fabriquée par celui-ci (avec une partie des additifs) et qui est relié au reste du système de distribution et notamment le fût de mélange 2 qui est dédié au mélange de la suspension venant du fût d'alimentation avec un ou plusieurs additifs 16 spécifiques du fabricant de semi-conducteurs et qui doivent être mélangés sur place avec la suspension pour des questions de durée de vie comme explicité ciavant. Une fois que le mélange est réalisé, la suspension est transféré dans le fût d'utilisation. Le volume effectif de suspension dans le fût de mélange est donné par le volume haut 11 et ce fût est rempli quand son volume descend au-dessous du volume bas 10. Un fût d'utilisation qui est le réservoir tampon de la boucle 4 contenant la suspension qui est utilisée par le procédé du fabricant de semiconducteurs. Le volume effectif dans ce fût d'utilisation est donné par le niveau haut 13 et un nouveau transfert est déclenché à partir du fût de mélange 2 quand le volume de suspensions dans le fût d'utilisation descend au-dessous du niveau bas 12. Si dans le fût de mélange le niveau bas 10 est atteint un nouveau mélange va être réalisé dans ce fût de mélange à partir du fût d'alimentation 1 et des additifs nécessaires comme expliqué ci-dessous (voir figure 2). Dans toute la suite de la présente description, on appellera lot , chaque quantité transférée à partir du fût d'alimentation vers le fût de mélange de manière à créer une nouvelle quantité de suspension par addition des additifs souhaités, et mélangé avec la quantité de suspension restant dans ce fût de mélange qui correspond au niveau situé en-dessous du niveau 10 dans ce fût de mélange. Concernant la consommation de slurries, un fût d'alimentation tel que fourni par le fabricant de suspension correspond souvent à plusieurs lots tels que définis ci-avant. Lorsqu'il s'agit de déterminer l'évolution de la concentration de la suspension en ces différents lots successifs qui la constituent, du fait du problème de vieillissement de la suspension qui commence au moment du mélange avec les additifs, il est important de considérer qu'un premier lot va vieillir avant le suivant venant du même fût d'alimentation qui va être transféré dans le fût de mélange pour être mélangé avec les additifs. On doit donc considérer ces lots séparément. Si l'on peut déterminer la concentration d'un lot à l'intérieur de la suspension utilisée pour le procédé de polissage défini ci-avant, il devient alors plus aisé d'optimiser les paramètres du système de distribution de suspension de manière à diminuer la quantité de suspension ayant été fabriquée à un instant distant du temps présent, la durée les séparant étant supérieure à la durée de vie de ladite suspension. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que l'on transfère un volume Veff.M.T. constituant le lot n = i depuis le fût d'alimentation dans le fût de mélange d'un volume total VHL.M.T.., puis on détermine la concentration CB.M.. = VeffM.T../ VHLMT. du lot i considéré dans le fût de mélange, puis on détermine la concentration Cs du même lot i considéré dans le fût et la boucle d'utilisation à l'aide de la formule suivante: 2867696 4 Cs. = CBM. X VBM. + CD.T. X (y tot.L VBM. s. V ot.L. CB.M. étant la valeur déterminée ci-avant, VB.M. étant le volume transféré depuis le fût de mélange pour remplir le fût d'utilisation après le transfert de VeffM.T. depuis le fût d'alimentation vers le fût de mélange et avant un nouveau transfert depuis ce fût d'alimentation vers le fût de mélange, CD.T._ étant la concentration du même lot i de suspension dans la boucle et le fût d'utilisation, déterminée avant de réaliser un nouveau transfert de VB.M. dans le fût d'utilisation, Vtot.L. étant le volume de suspension dans la boucle d'alimentation et le fût d'utilisation, la détermination d'un niveau bas dans le fût de mélange déclenchant le transfert d'un nouveau volume Vef.M.T.. depuis le fût d'alimentation dans le fût de mélange, de manière à atteindre le niveau haut de suspension dans le fût de mélange et préparer un lot i+ 1 de suspension. Le lot suivant (i+1) s'accompagne d'une dilution du lot précédent (i) dans le fût de mélange. On détermine donc la nouvelle valeur de CB.M. de ce dernier qui est égale à la valeur de C.B.M. déterminée précédemment multipliée par le rapport VLL' des volumes de suspension VLLM_T. dans le fût de mélange M.T. lorsque le niveau bas a été déterminé et VHLM.T. dans le fût de mélange lorsque le remplissage jusqu'au niveau haut a été déterminé. L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation suivants, donnés à titre non limitatif, conjointement avec les figures qui représentent: - la figure 1, une vue succincte du système de distribution de suspension utilisée, - la figure 2, un organigramme résumant le procédé de l'invention, - les figures 3 et 4 représentent un premier exemple de l'évolution de la concentration d'une suspension d'un lot n = i en fonction du temps de la boucle de distribution, - les figures 5 et 6, un deuxième exemple d'évolution de la concentration d'une suspension en fonction du temps, 2867696 5 - les figures 7 et 8, un troisième exemple d'évolution de la concentration d'une suspension en fonction du temps, et - les figures 9 et 10, un quatrième exemple d'évolution de la concentration d'une suspension en fonction du temps. Selon l'invention, on utilise un procédé schématisé sur l'organigramme de la figure 2 sur lequel la première étape du procédé consiste à déterminer les paramètres d'entrée du système de distribution de manière à optimiser ceux-ci pour diminuer la consommation de la suspension âgée dans le procédé c'est-à-dire de la suspension ayant été fabriquée à un instant t distant de l'instant présent d'une durée supérieure à la durée de vie de ladite suspension (en général, quatre jours, mais cela dépend des suspensions). La deuxième étape du procédé consiste à mélanger un additif à la suspension (éventuellement en plusieurs fois si plusieurs additifs sont ajoutés), chaque fois que le niveau bas du fût de mélange est atteint (pour cela, on réalise préalablement un transfert d'un nouveau lot, du fût d'alimentation dans le fût de mélange, avant l'ajout des additifs). La troisième étape du procédé correspond au transfert du fût de mélange dans le fût d'utilisation par quantités successives de volume VB.M., correspondant au volume à remplir dans le fût d'utilisation entre les niveaux VLLMT (12) et VHLMT (13). Ce transfert successif de volumes VB.M. s'effectue jusqu'à ce que le niveau bas du fût de mélange soit atteint. La quatrième étape correspond à l'étape dans laquelle le niveau bas est atteint dans le fût d'utilisation. A partir de cette condition, un nouveau volume VB.M. de la suspension existant déjà mélangé avec les produits additionnels est transféré du fût de mélange au fût d'utilisation. La quantité de suspension du lot n = i dans la boucle de distribution et le fût d'utilisation est donc plus importante et la concentration de suspension de lot n = i augmente donc dans la boucle, jusqu'à ce que l'on passe au lot i + 1. La cinquième étape correspond à une étape dans laquelle le niveau bas 10 est atteint dans le fût de mélange 2. A cet instant, un nouveau lot i + 1 de suspension est préparé dans le fût de mélange, qui va donc comporter un volume restant de suspension de lot n = i auquel on ajoute un volume VB.M. de suspension i + 1 (le mélange n = i comportant lui-même un volume restant du lot i 1, etc...). Dans la première étape, les paramètres essentiels du système de distribution de suspension doivent être identifiés par l'utilisateur, ces paramètres identifiés étant: - le volume total du fût d'alimentation, - le volume effectif du fût de mélange VHLM.T., - le volume effectif du fût d'alimentation VHLD.T., - le volume effectif de la boucle Vue, avec VtotL = VHLD.T. + W.= volume total du fût d'utilisation + volume total boucle, - la durée de vie de la suspension, c'est-à-dire le nombre de jours considérés au-delà duquel on estime que la suspension est moins performante (de l'ordre de quatre jours par exemple), - la consommation de l'utilisateur, - le volume VB.M. transféré du fût de mélange au fût d'utilisation. Dans la deuxième étape, la concentration d'un lot i est calculée en fonction des paramètres cités ci-dessus (selon la procédure habituelle pour les systèmes de distribution de suspensions). La valeur de cette concentration CB.M. de suspension est la suivante: CB.M. = Veff.M.T. I VHLM.T. formule dans laquelle: CB.M. est la concentration du lot considéré (lot i) dans le fût de mélange, Veff.M.T. est le volume effectif transféré du fût d'alimentation dans le fût de mélange, Au cours de la troisième étape, la concentration CD.T_ dans le fût et la boucle de distribution et le fût d'utilisation du lot i qui vient d'être préparé et dont un premier volume VB.M. vient d'être transféré dans le fût d'utilisation, est calculée en fonction des paramètres donnés précédemment. La valeur de cette concentration CD.T. est la suivante: CD.T. CBM. x VBM. Iot.L. CD.T. étant la concentration du lot i de suspension dans le fût d'utilisation (qui vient d'être fabriqué et dont un volume VB.M, vient d'être transféré dans la 10 15 boucle d'alimentation Vtot.L étant le volume total de suspension dans la boucle d'alimentation et le fût d'utilisation issu de différents lots. Au cours de la quatrième étape, on considère la consommation estimée dans le système, le niveau dans le fût d'utilisation étant vérifié régulièrement. Lorsque l'on atteint le niveau bas VLLDT, le volume restant de la suspension i préparée dans le fût de mélange est mesuré. Sous réserve de la condition décrite à l'étape 5, le transfert du fût de mélange vers le fût d'utilisation est réalisé. La concentration du lot i considéré (dans la suspension distribuée à l'utilisateur POU;) a donc la loi suivante: C CBM x VBM + CDT x (VtotL VBM.) (2) S L. La cinquième étape concerne la condition qui impose le moment où l'on transfère un nouveau lot i + 1 du fût d'alimentation dans le fût de mélange. En l'absence de transfert d'un nouveau lot (du fût d'alimentation dans le fût de mélange), la concentration Cs de suspension issue d'un même lot dans la boucle de distribution est égale à la valeur déterminée par la formule (2) ci-dessus dans laquelle la valeur de CD.T. est remplacée par la valeur de Cs obtenue après le précédent transfert du fût de mélange vers le fût d'utilisation. Dans le cas où l'on transfère un volume VB.M d'un nouveau lot i + 1, la suspension distribuée dans la boucle va contenir une concentration de ce lot i + 1 qui augmente pendant un certain temps (voir courbes ci-après) avant d'atteindre un maximum, puis diminuer. La nouvelle valeur de CB.M. est égale à la valeur précédente de CB.M. multipliée par le rapport HL MT des volumes de suspensions VLLM.T. dans le fût MT. de mélange lorsque le niveau bas a été déterminé et VHLM.T. dans le fût de mélange lorsque le remplissage jusqu'au niveau haut a été déterminé. A partir des différentes valeurs calculées ou mesurées ci-dessus, on peut établir des courbes montrant la contribution de chaque lot à la concentration de suspension dans la boucle à quelque instant que ce soit. Ces informations peuvent être également, de manière connue en soi, entrées dans la mémoire d'un ordinateur et la concentration de chaque lot automatiquement calculée. 2867696 8 Exemple 1: Ce premier exemple de réalisation de l'invention est décrit en relation avec les figures 3 et 4. Cette simulation prend en compte un fût de mélange et un fût d'utilisation de même volume ayant ici un volume de 400 litres. L'évolution de la concentration est représentée sur la figure 3, laquelle permet d'évaluer la composition de la suspension à chaque instant par sommation de la contribution de chaque lot à chaque instant. La figure 4 donne l'évolution de la concentration Cs des lots i (i = -5 à i = 4) au cours du temps. Le décalage en temps entre deux courbes correspondant à un temps nécessaire pour atteindre le niveau bas dans le fût de mélange, nécessitant la préparation d'un nouveau lot. Le volume transféré successivement du fût de mélange au fût d'utilisation est ici de quarante litres. On peut, par exemple, ainsi mesurer (figure 4) au point A, la concentration en lot i = -5 dans la boucle, au point B pour i = -3, au point C pour i = 0, au point D pour i = 3 (lot en cours) pour le 4ème jour après celui correspondant au 1ef transfert du lot considéré (lot 0). Exemple 2 Sur la figure 5, est donnée une deuxième configuration de réalisation de l'invention avec, là encore, un volume identique pour le fût de mélange et le fût d'utilisation mais plus petit que dans l'exemple 1, à savoir 200 litres. Le volume transféré du fût de mélange au fût d'utilisation lors du remplissage de ce dernier est égal à vingt litres. On constate que par sommation des contributions de chaque lot illustrées sur la courbe 6, on peut évaluer à 9 % la part de suspension plus âgée que les quatre jours de durées de vie généralement annoncées par le fabricant de suspension (lot -4 à lot 0). Exemple 3 Les figures 7 et 8 résultent d'une troisième configuration de réalisation de l'invention pour laquelle le fût de mélange et le fût d'utilisation ont des volumes différents: - le volume du fût de mélange est égal à 200 litres, - le volume du fût d'utilisation est égal à 400 litres, 2867696 9 c'est-à- dire que l'on est dans une situation pour laquelle la capacité du fût d'utilisation est supérieure et même nettement supérieure à la capacité du fût de mélange. Exemple 4 Les figures 9 et 10 représentent un autre exemple de réalisation de l'invention avec ces volumes de mélange et d'utilisation qui sont différents. Dans cet exemple le fût de mélange et le fût de utilisation ont des volumes avec un rapport inverse à celui de l'exemple 3: - le volume du fût de mélange est égal à 400 litres, - le volume du fût d'utilisation est égal à 200 litres, c'est-à-dire un volume du fût de mélange supérieur ou très supérieur au volume du fût d'utilisation. L'homme de métier peut facilement d'après ces exemples déterminer le vieillissement de la suspension en fonction des rapports de volumes entre fût de mélange et fût d'utilisation pour un volume de transfert identique dans tous les cas bien entendu et ainsi choisir des volumes de fût adaptés à son utilisation et à la durée de vie de la suspension. Lorsque les volumes des fûts de mélange et d'utilisation sont les mêmes et égaux à 400 litres (exemple 1), on constate en analysant les figures 4 et 5 que c'est un cas défavorable à la limitation de la quantité de slurries encore présente après quatre jours dans le réservoir d'utilisation, cette durée de quatre jours étant l'ordre de grandeur de la durée de vie d'une suspension. En effet, dans ce cas, 22 % environ (calculé par sommation des concentrations des lots précédents) du bain de suspension plus vieux que la durée de vie (donnée à 4 jours ici) restent encore dans la boucle de distribution (pour un transfert d'un volume de 40 litres à chacun de ceux-ci). Lorsque les volumes des réservoirs de mélange et d'utilisation sont les mêmes mais plus petits et égaux à 200 litres, on constate d'après les figures 6 et 7 de l'exemple 2, que cette situation est au contraire une situation préférentielle à la limitation de la quantité de suspension âgée encore présente après quatre jours dans le réservoir d'utilisation. En effet, dans ce cas, seulement 9 % environ 10 2867696 10 du bain de suspension plus vieux que la durée de vie reste encore dans la boucle de distribution. Lorsque les volumes des réservoirs de mélange et d'utilisation sont différents, dans le cas où le volume de mélange est très inférieur au volume d'utilisation (200 litres à comparer à 400 litres), on se trouve de nouveau dans un cas défavorable à la limitation de la quantité de suspensions encore présente après quatre jours de durée de vie de la suspension. Plus d'un cinquième de la suspension utilisée pour le polissage sera dégradé, affectant la qualité de cette dernière. Lorsque les volumes des réservoirs de mélange et d'utilisation sont différents avec un volume d'utilisation très inférieur au volume de mélange (200 litres à comparer à 400 litres), la concentration d'un lot de suspension va nécessiter environ une journée avant d'atteindre son maximum de 10 % dans la boucle (sommation des courbes de la figure 9). Cette configuration est un peu moins satisfaisante que celle de l'exemple 2 du point de vue de la quantité de suspension âgée de plus que la durée de vie annoncée. Toutefois, ce cas de figure nécessite moins de préparations de mélanges donc moins d'erreurs de titrage des additifs ce qui est préférable dans le cas de certaines suspensions, de préparation délicate. Selon le choix qu'il désire imposer à sa ligne de fabrication, l'homme de métier peut ainsi aisément déduire des résultats des exemples précédents de choix des volumes des réservoirs d'utilisation et de mélange et optimiser ainsi le procédé de réalisation de l'étape de polissage chimicomécanique avec une qualité optimale de ta suspension au point d'utilisation. Bien entendu, comme expliqué plus haut, il convient d'avoir dans la suspension utilisée un minimum de lots de suspension ayant dépassé leur durée de vie et un maximum de lots n'ayant pas encore atteint la durée de vie maximale. De la même manière, on pourrait faire varier les points de consigne volume haut ( ou volume bas , bien sûr) de manière à faire varier la quantité transférée (dans le fût de mélange et/ou dans le fût d'utilisation). On peut également faire varier le volume de la boucle de distribution (diamètre de la canalisation, etc...). Il On peut aussi adapter les volumes utiles (transférés du fût de mélange au fût d'utilisation, par exemple) selon la consommation journalière de l'utilisateur, de façon à garder constante la qualité de suspension. L'invention permet de montrer que, contrairement aux connaissances actuelles de l'homme de métier, on n'améliore pas nécessairement la qualité de suspension en ayant un fût de mélange de petit volume et un fût d'utilisation de plus gros volume. 12 REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer la concentration d'un lot i dans une suspension constituée d'un mélange de différents lots de suspension transférés successivement depuis un fût d'alimentation dans un fût de mélange puis du fût de mélange dans un fût d'utilisation, une boucle de suspension en différents points d'utilisation étant prévue permettant de recycler en extrémité de boucle la suspension non distribuée, le transfert du fût d'alimentation vers le fût de mélange, d'une part et du fût de mélange vers le fût d'utilisation d'autre part étant indépendant et/ou synchronisé, caractérisé en ce que l'on transfère un volume V.M.T. constituant le lot n = i depuis le fût d'alimentation dans le fût de mélange d'un volume total VHLM.T.., puis on détermine la concentration CB. M.. = VeffM.T../ VHLMT_ du lot i considéré dans le fût de mélange, puis on détermine la concentration Cs du même lot i considéré dans le fût et la boucle d'utilisation à l'aide de la formule suivante cs =. CBM X VBM. + CDT X (T ( tL -1BM V ot.L. CB.M. étant la valeur déterminée ci-avant, VB.M. étant le volume transféré depuis le fût de mélange pour remplir le fût d'utilisation après le transfert de VeffM.T. depuis le fût d'alimentation vers le fût de mélange et avant un nouveau transfert depuis ce fût d'alimentation vers le fût de mélange, Ca.T.. étant la concentration du même lot i de suspension dans la boucle et le fût d'utilisation, déterminée avant de réaliser un nouveau transfert de VB_M_ dans le 25 fût d'utilisation, Vtot. L. étant le volume de suspension dans la boucle d'alimentation et le fût d'utilisation, la détermination d'un niveau bas dans le fût de mélange déclenchant le transfert d'un nouveau volume Veff.M.T.. depuis le fût d'alimentation dans le fût de mélange, de manière à atteindre le niveau haut de suspension dans le fût de mélange et préparer un lot i+ 1 de suspension.