專利名稱：用于精密泵設備的泵調節器的制作方法
技術領域：
本發明涉及精密泵設備，尤其涉及一種泵調節器，其用于精確控制從精密泵設備中分配出的流體量。
背景技術：
在許多場合，必須精確控制由泵設備分配的流體的流量和/或流率。例如，在半導體加工中，極其精確地控制涂敷到制成半導體器件的半導體晶片上的光致抗蝕劑等光化物質的涂敷量和涂敷速率是很重要的。在加工中，半導體晶片上的涂層通常需要在整個半導體晶片表面上具有一個平整度，其以埃為測量單位。如今的許多半導體加工工藝要求30個埃的數量級或更小。必須控制光致抗蝕劑等加工用化學物質涂敷到晶片上的速度以及由于離心力而旋轉到晶片邊緣的速度，以保證加工用液體被均勻地涂敷。控制光致抗蝕劑化學材料涂敷到晶片上的數量和速度以減少不必要的浪費和消耗也是至關重要的。如今應用到半導體工業上的許多光化物質不僅有毒，而且非常昂貴，通常價格高達每升1,000美元。因此，由于化學材料的費用以及處理有毒材料的難度，必需保證有足夠的光致抗蝕劑被涂敷到晶片上以便滿足加工需要，同時減少過多的消耗和浪費。
對半導體加工的另一個重要的要求是每次可重復地分配一定精確控制數量的加工用化學材料的能力，這是因為化學材料數量的變化對晶片之間的一致性產生不利影響。過去，因為不能重復并且也不能精確控制所分配化學材料的數量，所以為了充分保證加工所需的數量，許多泵不得不分配比所需的液體多50％到100％的液體。這樣就導致浪費和加工費用的增加。
傳統的泵設備能夠準確分配精確數量的普通流體。但是，這些傳統泵設備不能精確分配低粘度、低分配率的流體，同時，傳統的泵設備還會導致低粘度流體的雙重分配或顫動式分配。尤其是，在控制流體分配之前的分配周期的開始階段，少量的低粘度流體，例如幾微升，可能會噴射到晶片的表面，從而導致所分配流體量的不精確。這種低粘度、低分配率流體的雙重分配或顫動式分配問題是由傳統泵設備中存在的各種因素造成的。例如，因為在分配之前阻擋閥的閉合，使得一些流體進入分配室并增加了分配室的壓力，從而泵設備分配室的壓力升高。分配室中多余的流體以及由此產生的額外壓力可能導致在分配周期開始時使少量流體噴射到晶片的表面。另外，傳統泵設備中調節閥運作的定時和分配系統的動力學特性，例如管道長度、管道直徑和噴嘴尺寸，也會導致低粘度、低分配率流體的雙重分配或顫動式分配問題。
發明內容
因此，需要提供一種低流量、低流率的化學材料分配泵設備，其能夠精確并可重復地控制由該泵設備所分配的低粘度化學材料的流量和流率，這就是本發明的目的。
根據本發明，提供了一種低分配率精密分配泵設備及其方法，它能夠精確并可重復地控制低粘度流體的分配率和分配量，同時克服了傳統分配泵設備和方法中的上述缺陷及其他缺陷。通過在分配周期中精確控制泵設備各個部分的操作，從而精確控制低粘度流體的分配量和/或分配率。尤其是，泵調節器可以精確控制調節閥相互之間的定時、分配電機的運動以及調節閥相對于分配電機運動的定時。根據本發明的泵調節器精確地控制泵設備，以避免傳統泵設備中存在的雙重分配或顫動式分配問題。
圖1是一種泵設備的方框圖，其包括根據本發明的泵調節器；圖2是一種兩級泵設備的方框圖；圖3是分配流體的傳統時序的定時圖；圖4是根據本發明的分配流體的時序的定時圖；以及圖5示出了根據本發明控制泵設備以分配低粘度流體的方法的流程圖。
具體實施例方式
本發明尤其適用于一種泵設備，其能精確地分配準確數量的低粘度流體，本發明將描述該內容。但是應當理解，根據本發明的設備和方法具有更廣泛的應用，例如，還可用于精確分配其他非低粘度的流體。
圖1為泵設備10的方框圖，其包括根據本發明的泵調節器。泵設備10包括二級泵12、儲液箱14和計算機16，它們共同運作以將精確計量的流體分配至一個晶片18上。為說明起見，一種粘度低于5厘泊(cPs)的低粘度流體可以每秒種大約0.5毫升的低流率被分配，但是本發明并不僅僅局限于分配低粘度流體或低流率流體。泵12是一種二級泵，因為流體的分配包括第一進給過濾級，然后是獨立的第二分配級，如下所述，從而分配性能在過濾期間不會改變。泵12不同部分的運作可由軟件應用程序20控制，軟件應用程序20即一種計算機程序，它包括各種可儲存在計算機16的存儲器內并可由計算機中的一個處理器(未示出)執行的軟件編碼。泵的運作也可由被位于泵內的處理器執行的一種軟件應用程序或軟件代碼集控制。執行指令以控制泵的運作的處理器的位置對于本發明并不重要。
軟件應用程序20可以控制，例如泵內各種調節閥的啟閉以及用來驅動泵的電機或致動器的運動，以便將準確數量的流體精確分配至晶片18上。根據本發明，由軟件應用程序所執行的用來控制泵12分配低粘度、低流率的流體的方法將在下面參考圖5進行描述。
為了給自身供給流體，泵12可將流體從儲液箱14中抽吸到一個進給室，該進給室將如下所述。然后流體被一過濾器過濾，并進入一個如下所述的分配室。從該分配室中，流體可通過一個過濾器22從而即便是低粘度和低流率的流體也會以精確的數量被分配到晶片18上。泵12的實際周期將在下面參照圖3和圖4進行描述。現在，將詳細描述二級泵12，以便能夠更好地理解本發明。
圖2是更詳細地示出了應用本發明的二級泵12的方框圖。尤其是，二級泵12包括一個進給過濾級30以及分配級32。進給過濾級30可包括一進給室34，當需要更多的流體時，其可通過一開啟的進口閥36而從一個流體供應箱中抽吸流體。在分配級期間，進口閥36是關閉的。為了控制流體進出該進給室，進給閥38控制著是否將真空或正進給壓力或大氣壓力施加到進給室中的一個進給隔板40上。為了將流體抽入進給室，使真空作用在隔板40上，這樣隔板就被拉向并抵靠著進給室的壁，同時使流體進入進給室。為了使流體流出進給室，則對隔板施加進給壓力。為了去除不需要的氣泡，可在需要的時候開啟一個通風閥42。
一旦進給室34充滿流體，則進口閥36關閉，而隔離閥44和阻擋閥50開啟，從而使得流體通過過濾器46而流入分配級32。一旦流體進入分配級32，同時使進給過濾級與分配級隔離開，則隔離閥44和阻擋閥50可以被關閉。為了將不需要的空氣從系統中排出或釋放多余的壓力，過濾器46可包括通風閥48。當流體通過過濾器46時，不需要的雜質和類似物從流體中被過濾掉。流體然后通過阻擋閥50而進入泵的第二級或分配級中的分配室52，于是泵就開始了以下將要描述的分配循環。
在分配循環中，一旦分配室中充滿流體，同時阻擋閥50關閉，則清洗閥54開啟，分配室52中的流體被分配隔板56推動以去除分配室52中流體內的氣泡。為了推或拉分配隔板56，該分配隔板可設在分配室和裝滿液壓流體的液壓流體室58之間。液壓流體可由一分配泵60進行增壓或減壓，分配泵60可包括活塞62、導螺桿64和步進電機66。為了給分配室52中的流體施加壓力，步進電機與導螺桿接合并且對液壓流體增壓。液壓流體進而將分配隔板推至分配室52，從而使分配室52中流體增壓或者如果清洗閥54或排泄閥68開啟時則推動流體流出分配室52。如果排泄閥68是開啟的，那么精確數量的流體被分配至晶片。現在，將描述分配流體的一般過程。
圖3示出了控制如圖2所示類型的二級泵以分配流體的傳統時序的定時圖。如圖上部所示，分配過程包括一系列級，即例如準備級70、分配級72、反吸級74、填充級76、過濾級78、通風級80、清洗級82和靜態清洗級84等步驟。現在將結合每一級發生后的結果而描述在以上這些不同的級中對電機和閥的一般控制。例如，在準備級中，阻擋閥和隔離閥開啟而排泄閥關閉，從而使系統和進給室處于平衡壓力狀態以分配流體。當分配級開始時，隔離閥和阻擋閥關閉而排泄閥開啟，分配泵中的電機開動。因為被分配的流體的相對的不可壓縮性以及泵的“剛性”，阻擋閥的關閉使得流體流出該閥，這是因為阻擋閥的關閉使分配室中的流體增壓，并因排泄閥開啟而導致如上所述的通常的雙重分配或顫動式分配問題。阻擋閥的關閉使得分配室中的壓力增加一預定的數量，其大約為2-3帕斯卡。但是，實際壓力的增加依賴于所使用的阻擋閥的特性。另外，因為電機在排泄閥開啟的同時開動，因此可能產生不均勻的流體分配(或顫動式的分配)，這是由于排泄閥開啟所需的時間要比電機開動所需的時間長，從而使電機首先推動流體通過尚未完全開啟的排泄閥。這將導致少量流體的初始的“濺射”。在分配級，流體被分配至晶片上。
在分配級末期及反吸級初期，電機停止并反轉或者可以開啟一個外部止動/反吸閥(未示出)以將任何殘留在噴嘴里的流體抽吸回分配室，從而保證在流體分配末期沒有滴漏發生。當流體被抽吸回到分配室中后，排泄閥關閉，電機停止。接著在填充級期間，進口閥打開，進給隔板處于真空，從而將流體從儲液箱抽吸至進給室。在過濾級開始時，進口閥關閉，隔離閥開啟，進給電機施加正壓力給進給室中的流體，阻擋閥開啟，分配電機反轉以將流體從過濾器推至分配室。一旦流體從進給室中排出，隔離閥可以被關閉。
在通風級初始階段，隔離閥開啟，阻擋閥關閉，通風閥開啟，分配電機停止，對進給隔板施加壓力以將氣泡排出過濾器。在清洗級開始時，隔離閥關閉，進給泵不向進給室施加壓力或者真空，通風閥關閉，清洗閥開啟，分配泵向前移動以將氣泡從分配室中去除。在靜態清洗級開始時，分配電機停止，但是清洗閥仍然開啟以繼續將氣泡從分配室中去除。在準備級開始時，隔離閥和阻擋閥開啟，清洗閥關閉，從而進給泵和系統達到環境壓力，泵開始分配流體。
綜上所述，這種傳統的分配過程遭受雙重分配或顫動式分配的問題。尤其是，分配之前關閉阻擋閥會推動著流體在該閥關閉時流出該閥，從而使得分配室中的流體壓力升高。因為排泄閥開啟，這將導致少量不需要的流體被分配至晶片上。另外，因為電機在排泄閥開啟的同時被開動，因此由于排泄閥開啟的時間要比電機開動所需的好時間要長，所以電機在開始時將推動流體通過尚未完全開啟的排泄閥，從而發生流體分配的不均勻性(或分配的顫動性)。下面將描述根據本發明的解決這些問題的分配方法。
圖4示出了根據本發明的流體分配方法的定時圖。和上面所描述的傳統的分配過程相同，圖4所示的分配過程有同樣的級，即步驟70-84。另外，多數對閥和電機的控制與以上所述的傳統方法類似，這里僅描述根據本發明的在控制閥和電機方面的改變。尤其是，為了防止不需要的雙重分配或顫動式分配，該方法改變了控制閥和電機的方式。
尤其是，根據本發明，阻擋閥在分配級開始時不同于傳統過程那樣被關閉。而是在通風級的開始被關閉，并且在分配級期間保持關閉。這就避免了分配室中壓力的突然升高，因此，流體不會因壓力的突然升高而泄露出排泄閥。因為阻擋閥不會在分配級開始之前開啟和關閉，而是在通風級開始時關閉，所以分配室中的壓力在通風和清洗級之后升高，該多余的壓力必需被釋放掉。為了釋放上述壓力，在靜態清洗級84中，分配電機反轉以使活塞62倒退一預定的距離，從而補償由于阻擋閥的關閉而導致的壓力增加。作為例子，步進電機的每一步將使壓力降低大約0.1帕斯卡。如果阻擋閥的關閉使得壓力提高2帕斯卡，則電機將反轉20步以將分配室中的壓力降低2帕斯卡，從而補償阻擋閥的關閉。然而，實際的壓力下降依賴于所應用的步進電機、導螺桿和活塞的特性。由電機的每一步所導致的壓力下降由位于分配室中的壓力傳感器所確定。根據本發明，因為在通風級期間，當多余的壓力加入分配室時排泄閥沒有開啟，所以沒有流體“濺射”到晶片上。
電機繼續反轉預定的距離，以使電機在分配之前向前移動，從而將分配壓力調節至零，以避免在流體分配前當電機向后移動時通常發生的后沖。尤其是，包括活塞、導螺桿和步進電機的分配泵，在分配操作之前的最后一個動作通常是向前的以避免這樣一個事實，即當活塞改變方向時，發生一些反沖。這樣，就避免了因阻擋閥的關閉而導致的多余壓力問題。
接著在分配級72初期，改變排泄閥的定時和電機的開動，以避免顫動式分配問題。尤其是，閥是一種需要有限時間開啟的機械器件。在另一方面，電機比排泄閥開啟的要快。因此，同時開啟電機和排泄閥將導致分配流體壓力的升高，其隨后又導致顫動式分配。為了避免這一問題，排泄閥被開啟，然后間隔預定時間T后，再開動分配電機，從而當電機啟動時，排泄閥已完全打開，這樣就實現良好的分配。預定量的時間依賴于所應用的排泄閥和分配電機的特性，但是，如果排泄閥需要大約50毫秒打開，則預定時間可以是，例如在50毫秒和75毫秒之間，優選為75毫秒。該預定時間也可視為延遲時間。因此，根據本發明，分配電機不再推動流體通過一個部分開啟的排泄閥，從而使得到精確控制的一定量流體被分配至晶片上。因此，根據本發明，由阻擋閥的關閉以及同時開啟排泄閥和分配電機所導致的問題將被避免，以提供更加精確的流體，例如低粘度流體的分配。
綜上所述，泵設備中的閥和電機由一軟件應用程序控制，因此上述分配過程的改變適用于任何二級泵設備，因為硬件不許要任何改變。因此，例如管道、管道長度、噴嘴高度或噴嘴直徑改變時，根據本閥民的過程能很容易適應。現在，將描述根據本發明的控制分配過程的方法。
圖5示出了根據本發明的控制泵設備中低粘質度流體的分配方法100的流程圖。在步驟102中，阻擋閥在過濾級末期關閉，從而增加了分配室中的壓力。在步驟104中，在靜態清洗級期間，分配馬達反轉一定的距離，以補償由于阻擋閥的關閉而導致的壓力升高。接著，在步驟106中，電機反轉額外的距離，從而在步驟108中，當電機向前移動以去除反沖時，分配室中的壓力仍然為零。在步驟108中，泵準備好以待分配。在步驟110中，排泄閥打開。接著在步驟112中，分配電機延遲預定時間后開動，流體在步驟114中被分配。這樣方法被完成了。
根據前述結合最佳實施例所進行的描述，本技術領域的普通人員應當理解，在不背離本發明的原理和精神的前提下，對本實施例可作各種改變。
權利要求
1.一種控制多級泵以分配流體的方法，該多級泵具有進給室、分配室和位于這兩室之間的過濾器，所述過程包括一準備級，其使進給室處于平衡壓力狀態，其中當開啟一個位于進給室中的隔離閥、關閉一位于分配室中的排泄閥并開啟一位于進給室中的阻擋閥時，進給室處于平衡壓力狀態；一分配級，其用于將流體分配至目標，其中當關閉隔離閥并開啟排泄閥時，位于分配室中的分配泵被驅動以將流體分配至目標上，從而分配泵在排泄閥被開啟之后被驅動，因此消除了流體的顫動式分配；以及一反吸級，其用于消除流出分配室之外的多余流體，其中分配泵反轉以將多余的流體抽吸回分配室，并且在多余的流體被抽吸回分配室內后，排泄閥被關閉。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括一將流體抽吸進進給室的填充級，其特征在于，當開啟進口閥，并使對進給室內的進給隔板施加真空作用時，流體被抽吸進入進給室。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，進給室中多余流體的濺射被消除。
4.一種控制多級泵中若干閥的開啟和關閉以及多級泵中若干電機的驅動和停止的方法，所述多級泵包括一進給室、一分配室和位于這兩室之間的一過濾器，所述方法包括如下步驟關閉進給室中的一阻擋閥，從而增加分配室中的壓力；反轉分配室中的分配電機，從而補償分配室中的壓力升高；進一步反轉分配電機，從而當分配電機被向前驅動以補償反沖時，分配室中的壓力保持為零；打開分配室中的排泄閥；以及在排泄閥開啟之后驅動分配電機，從而使流體從分配室中被分配。
全文摘要
本發明提供了一種分配精確數量的低粘度流體的泵調節器和泵調節方法，從而避免了雙重分配和顫動式分配。尤其是，泵設備中閥和電機的定時被調節以消除以上問題。
文檔編號F04B7/00GK1590761SQ20041007919
公開日2005年3月9日 申請日期1999年11月23日 優先權日1998年11月23日
發明者雷蒙德·A·扎加爾, 羅伯特·F·麥克洛克林 申請人:米利波爾公司