DE112009001233T5

DE112009001233T5 - Begasungssysteme und Verfahren zur Herstellung von blasenfreien Lösungen von Gas in Flüssigkeit

Info

Publication number: DE112009001233T5
Application number: DE112009001233T
Authority: DE
Inventors: Yanan Annie Mass. Xia; J. Karl Mass. Niermeyer; Greg T. Wash. Conner; Rosario Mass. Mollica
Original assignee: Entegris Inc
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2011-07-21
Also published as: CN104722239A; JP2011520609A; CN102036742B; CN102036742A; KR20110008319A; US20110180148A1; US8844909B2; TW201004707A; US20140357734A1; WO2009143056A1

Abstract

Begasungssystem, enthaltend: einen Membrankontaktor, der eine Gaskontaktseite mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, eine Flüssigkeitskontaktseite mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass und ein poröses Element hat, wobei ein Speisegas unter einem ersten Druck über den Gaseinlass zu der Gaskontaktseite des Membrankontaktors geleitet wird, wobei eine Speiseflüssigkeit über den Flüssigkeitseinlass zu der Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors geleitet wird; einen Gasdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass des Membrankontaktors steht, um eine Gasdurchflussmenge des Speisegases zu regeln; einen Flüssigkeitsdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors steht, um eine Flüssigkeitsdurchflussmenge der Speiseflüssigkeit zu regeln; und eine Vorrichtung verminderten Drucks, die in Fluidverbindung mit dem Gasauslass des Membrankontaktors steht, um den ersten Druck auf der Gaskontaktseite des Membrankontaktors auf einen zweiten Druck zu vermindern, wobei das poröse Element verhindert, dass die Speiseflüssigkeit in die Gaskontaktseite des Membrankontaktor eintritt, wobei das poröse Element zulässt, dass eine Menge Speisegas durchtritt und...

Description

BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/054,223 mit dem Titel ”APPARATUS AND METHOD FOR MAKING DILUTE BUBBLE FREE SOLUTIONS OF GAS IN A LIQUID”, eingereicht am 19. Mai 2008, der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/082,535 mit dem Titel ”APPARATUS AND METHOD FOR MAKING DILUTE BUBBLE FREE SOLUTIONS OF GAS IN A LIQUID”, eingereicht am 22. Juli 2008, der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/095,230 mit dem Titel ”APPARATUS AND METHOD FOR MAKING DILUTE BUBBLE FREE SOLUTIONS OF GAS IN A LIQUID”, eingereicht am 8. September 2008, und der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/101,501 mit dem Titel ”SYSTEM AND METHOD FOR MAKING DILUTE BUBBLE FREE SOLUTIONS OF GAS IN A LIQUID”, eingereicht am 30. September 2008, deren gesamter Inhalt hierin ausdrücklich durch Bezugnahme für alle Zwecke eingeschlossen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von integrierten Schaltungen und insbesondere Ausführungsformen von Begasungssystemen und Verfahren, die blasenfreie oder im wesentlichen blasenfreie Lösungen eines Gases in einer Flüssigkeit bereitstellen können, wobei die Lösungen für Herstellungsprozesses von integrierten Schaltungen besonders nützlich sind.
STAND DER TECHNIK
Vor dem Hintergrund kontinuierlich miniaturisierter Merkmalsgrößen und der Verwendung von immer empfindlicheren Materialien bei der Herstellung von integrierten Schaltungen (IC) ist es von wesentlicher Bedeutung, wirksame und schonende Prozesse zu entwickeln, die Merkmale auf Halbleiterwafern sanft behandeln. Das Spülen der Wafer mit entionisiertem kohlensauerem Wasser (DI-CO₂) ist ein Beispiel eines schonenden Prozesses, der eine beschädigungsfreie Reinigung ermöglichen kann. Somit besteht andauerndes Interesse an der Verwendung von gasversetztem DI-Wasser in der Fotolithographie, der Nassätzung und Reinigung und bei chemisch-mechanischen Planarisierungsanwendungen (CMP) bei der Halbleiterherstellung. Ein wesentliches Problem stellt die Herstellung und Bereithaltung von Wasser mit niedrigen Konzentrationen eines gelösten Gases dar, da es schwierig ist, die Dotierung von Wasser mit geringen Mengen des gelösten Gases zu steuern.
Die Membrankontakttechnik wird verwendet, um hohe gelöste Gaskonzentrationen in Flüssigkeiten, wie etwa Wasser, bereitzustellen. Es existieren verschiedene andere übliche Praktiken, die zur Herstellung von gasversetzten Lösungen mit niedriger Konzentration verwendet werden. Ein erstes Verfahren ist das Mischen oder Verdünnen eines gewünschten Gases mit einem Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff (N₂), bevor das Gasgemisch in den Membrankontaktor injiziert wird. Das Inertgas verdünnt die Konzentration des gewünschten Gases innerhalb des Membrankontaktors, was zu einem niedrigen Niveau von gelöstem Gas in einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, führt. Die Zielkonzentration des in der Flüssigkeit gelösten Gases kann aufrechterhalten werden, indem das Durchflussverhältnis des gewünschten Gases und des Inertgases oder Trägergases variiert wird. Dieses Verfahren kann große Mengen von Gas(en) verwenden, um eine geeignete Verdünnung zu erzielen, und kann daher kostenaufwändig und/oder mit hohen Verlusten verbunden sein.
Bei einem zweiten Verfahren wird mit hoher Konzentration gasversetztes Wasser mit nicht mit Gas versetztem DI-Wasser in Verhältnissen gemischt oder verdünnt, dass eine gewünschte niedrige Konzentration von Zielgas in der Flüssigkeit erreicht wird. Zielkonzentrationen von Gas in der Flüssigkeit können aufrechterhalten werden, in dem das Durchflussverhältnis des mit hoher Konzentration gasversetzten Wassers und des nicht mit Gas versetzten DI-Wassers variiert wird. Dieses Verfahren kann große Mengen an Flüssigkeit(en) erfordern und kann ebenfalls kostenaufwändig und/oder mit hohen Verlusten verbunden sein.
Beispiele für diese Verfahren sind in den folgenden Patentdokumenten zu finden. Das US-Patent Nr. 6,328,905 zeigt die Entfernung von Rückständen durch Spülen mit CO₂-Wasser in Zusammenhang mit dem Plasma-Stripping nach der Metallätzung auf. Das US-Patent Nr. 7,264,006 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Durchflussmenge und der Konzentration von ozonisiertem Wasser auf. Das US-Patent Nr. 7,273,549 zeigt eine Membrankontaktorvorrichtung auf, die ein Modul mit Hohlfasermembranen enthält. Die US-Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2008/0257738 A1 zeigt das Mischen von CO₂ und DI-Wasser in einer Kammer eines Kontaktors auf, der mit Säulenpackungspolymeren mit einer großen Oberfläche pro Volumeneinheit gefüllt ist.
Obgleich das erste und das zweite Misch- oder Verdünnungsverfahren eine niedrige gelöste Gaskonzentration erzeugen können, hat jedes Verfahren seine Nachteile. Beispielsweise kann das Mischen eines gewünschten Gases mit einem Inertgas oder Trägergas andere Gase in die Flüssigkeit einführen, welche überflüssige Verunreinigungen in dem Prozess darstellen und den Gesamt-Gasverbrauch für den Prozess erhöhen würden. Darüber hinaus kann das Lösen von zusätzlichem Trägergas in der Flüssigkeit die Gesamt-Gaskonzentration im Wasser erhöhen, was zu unerwünschten und/oder schädlichen Blasen führen kann. Ferner verbraucht das Verdünnen von mit hoher Konzentration gasversetztem Wasser zusätzliches Wasser und führt zu einer Erhöhung der Komplexität bei der Systemkonstruktion und -steuerung, was die Kosten steigert. Abgesehen davon kann die Kondensation von Flüssigkeit an den Kontaktoberflächen bei beiden Verfahren auftreten. Wenn diese Kondensation nicht entfernt wird, kann das Kondensat die Membran blockieren und die wirksame Kontaktfläche reduzieren, was zu einer Reduzierung des Wirkungsgrades und einer Inkonsistenz der Menge des gelösten Gases in der Flüssigkeit führt. Als Resultat werden bei den beiden vorstehend genannten Verfahren gewöhnlich häufige Reinigungszyklen durchgeführt, um das Kondensat zu entfernen, was zu einer weiteren Steigerung der Kosten, der Ausfallzeiten und der Komplexität des Systems führt.
KURZBESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG
Bei der Abgabe von geringen Durchflussmengen eines Gases über einen Kontaktor in eine Flüssigkeit, um eine niedrige Konzentration des gelösten Gases in der Flüssigkeit herzustellen, wurde festgestellt, dass eine lange Zeitdauer erforderlich war, um einen stabilen Zustand für eine Zielgaskonzentration in der Flüssigkeit zu erreichen. Die lange Zeitdauer, die zum Erreichen eines stabilen Zustands der Gaskonzentration in der Flüssigkeit erforderlich war, gemessen vom Beginn des Gasflusses in den Kontaktor, ist für moderne Herstellungsprozesse nicht zufrieden stellend und insbesondere für die Halbleiterbearbeitung nicht befriedigend. Ferner sind niedrige Gasdurchflussmengen schwierig zu regeln, wodurch die Übertragung eines Gases in eine Flüssigkeit nur schwer gesteuert werden kann.
Die Herstellung von Flüssigkeiten mit geringen Konzentrationen eines oder mehrerer Gase in der Flüssigkeit mit einer niedrigen Schwankung der Gaskonzentration in der Flüssigkeit wurde erreicht, indem ein Gas durch ein poröses Element eines Kontaktors bei einem verminderten Druck in eine Flüssigkeit übertragen wurde. Die Verwendung eines verminderten Drucks hat unerwarteter Weise eine raschere oder verkürzte Zeitdauer bis zum Erreichen eines stabilen Konzentrationszustands des Gases in der Flüssigkeit zur Folge, verglichen mit der Verwendung des Kontaktors ohne den verminderten Druck. Auch wurde festgestellt, dass durch Aufrechterhalten eines konstanten verminderten Drucks auf der Gaskontaktseite eines Kontaktors bei niedrigen Niveaus der Gaskonzentration die Schwankung ebenfalls reduziert wurde.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Übertragung eines Gases in einen Flüssigkeitsstrom in einem Kontaktor bei einem verminderten Druck verwendet werden kann, um im wesentlichen blasenfreie Zusammensetzungen niedriger Konzentration des Gases in der Flüssigkeit zu bilden. Ausführungsformen des Systems, des Verfahrens und der Vorrichtung, die hierin aufgezeigt werden, können es ermöglichen, dass eine Speiseflüssigkeit rasch einen stabilen Konzentrationszustand des Gases in der Flüssigkeit erreicht, und eine gasversetzte Lösung erzeugen, die stabil mit geringen Schwankungen ist. Die Flüssigkeitsdurchflussmenge, die Gasdurchflussmenge oder der Druck auf der Gaskontaktseite des Kontaktors können beliebig verwendet werden, um die Menge eines gewünschten Gases in einer Flüssigkeit zu modifizieren.
Einige hierin aufgezeigte Ausführungsformen offenbaren ein Gerät oder eine Vorrichtung, welche ein oder mehrere Gase mit einem niedrigen Partialdruck/verminderten Druck in eine Flüssigkeit übertragen kann. Die Vorrichtung kann einen Kontaktor aufweisen, in welchem Gase und Flüssigkeit durch ein poröses Element, wie zum Beispiel eine Membran (wobei es sich um Hohlfaser oder eine flache Platte handeln kann) oder Fritte, getrennt sind. Das poröse Element kann aus Polymer, Keramik, Metall oder einem Verbund daraus bestehen. Die Vorrichtung kann ferner einen Gasdurchflussregler, eine Quelle verminderten Drucks und einen Flüssigkeitsdurchflussregler enthalten. In einigen Ausführungsformen kann der Gasdurchflussregler mit einem Gaseinlass des Kontaktors verbunden sein, die Quelle verminderten Drucks kann mit dem Gasauslass des Kontaktors verbunden sein und der Flüssigkeitsdurchflussregler kann mit einer Flüssigkeitskontaktseite des Kontaktors verbunden sein. Beispiele eines Gasdurchflussreglers können eine Öffnung, ein Durchflussmengenregler, einen Rotamesser, ein Dosierventil und dergleichen einschließen. Beispiele einer Druckquelle können eine Vakuumpumpe, einen Vakuumgenerator des Venturityps und dergleichen einschließen. Beispiele eines geeigneten Flüssigkeitsdurchflussreglers können einen Flüssigkeitsdurchflussmengenregler, einen Rotamesser, ein Ventil, eine Öffnung oder dergleichen einschließen.
In einigen Ausführungsformen ist der Kontaktor ein Kontaktor mit poröser Membran. Optional kann ein Sensor mit dem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors verbunden sein, der die Konzentration eines in der Flüssigkeit gelösten oder mit der Flüssigkeit umgesetzten Gases bestimmen kann. Ein optionaler Analysator und/oder ein optionaler Durchflussmesser können ebenfalls mit dem Sensor gekoppelt sein.
In einigen Ausführungsformen kann ein hierin aufgezeigtes Begasungssystem manuell ohne einen Systemregler verwendet werden und Einstellungen an dem Flüssigkeitsstrom, dem Gasstrom, dem Systemdruck und dergleichen auf der Grundlage der in der Flüssigkeit gemessenen Gaskonzentration vollziehen. In einigen Ausführungsformen kann das Begasungssystem automatisiert sein und einen geschlossenen Regelkreis verwenden, bei welchem der Ausgang bzw. die Ausgänge einer Überwachungseinrichtung der Konzentration des gelösten Gases (der Konzentration des gelösten oder umgesetzten Gases in der Flüssigkeit), eines Gasdurchflussreglers und eines Flüssigkeitsdurchflussreglers oder mehrerer derartiger Einrichtungen zur Regelung des Flüssigkeitsdurchflusses in den Kontaktor, des Gasdurchflusses in den Kontaktor und des Niveaus des verminderten Drucks oder mehrerer dieser Parameter verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Druck auf der Gaskontaktseite der porösen Membran durch einen Druckmesser an dem Gasauslass des Kontaktors bestimmt werden und entweder manuell oder durch einen Regler eingestellt werden, um den Gesamtgasdruck in dem Kontaktor aufrechtzuerhalten. Optional kann eine Flüssigkeitsfalle zwischen dem Gasauslass des Kontaktors und dem Druck- oder Vakuummesser und/oder der Quelle verminderten Drucks angeordnet werden.
In einigen Ausführungsformen kann ein Begasungssystem oder eine Vorrichtung zur Herstellung von blasenfreien oder im wesentlichen blasenfreien Lösungen eines Gases in einer Flüssigkeit einen Kontaktor aufweisen, der eine Gaskontaktseite mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass und eine Flüssigkeitskontaktseite mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass hat. Der Kontaktor kann ein Gas mit einem porösen Element von einer Flüssigkeit trennen, welches in einem Gehäuse des Kontaktors angebracht sein kann. Ein Gasdurchflussregler kann mit dem Gaseinlass des Kontaktors verbunden sein. Eine Vorrichtung oder eine Vakuumquelle, die in der Lage ist, einen verminderten Druck zu erzeugen oder zu verursachen, kann mit dem Gasauslass des Kontaktors verbunden sein. Die Vorrichtung kann die Flüssigkeitsmenge reduzieren, die auf der Gaskontaktseite des porösen Elements kondensiert. Ein Flüssigkeitsdurchflussregler kann mit der Flüssigkeitskontaktseite des Kontaktors verbunden sein. Die Vorrichtung kann optional einen Sensor enthalten, der mit dem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors verbunden ist, um die Konzentration des in die Flüssigkeit übertragenen Gases zu messen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Begasungssystem zur Herstellung von blasenfreien oder im wesentlichen blasenfreien Lösungen eines Gases in einer Flüssigkeit das Einleiten eines Gases in einen Einlass auf einer Gaskontaktseite eines porösen Elements eines Kontaktors; das Einleiten einer Flüssigkeit in einen Einlass auf einer Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors, wobei die Flüssigkeitskontaktseite von dem Gas durch das poröse Element und ein Kontaktorgehäuse getrennt ist; das Abnehmen des Gases von einem Auslass auf der Gaskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors bei verminderten Druck im Vergleich zu dem Druck des in den Einlass des Kontaktors strömenden Gases; und das Abnehmen einer Flüssigkeit von einem Auslass auf der Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements, die einen Anteil des in die Flüssigkeit übertragenen Gases enthält, umfassen. Einige Ausführungsformen des Verfahrens können verwendet werden, um ein in einer Flüssigkeit gelöstes Gas zu erzeugen, wobei die Stabilität der Konzentration des Gases in der Flüssigkeit ±15% oder weniger, in einigen Fällen ±5% oder weniger und in weiteren Fällen ±2% oder weniger ist.
In einigen Ausführungsformen kann ein Begasungssystem oder eine Vorrichtung zur Herstellung von blasenfreien oder im wesentlichen blasenfreien Lösungen eines Gases in einer Flüssigkeit einen Membrankontaktor enthalten, der verwendet wird, um ein Gas in eine Flüssigkeit zu übertragen oder darin zu lösen. Das Begasungssystem kann ferner einen Durchflussmengenregler und/oder einen Druckregler zur Regelung der in den Kontaktor eintretenden Gasdurchflussmenge und einen Flüssigkeitsdurchflussregler zur Regelung der in den Kontaktor eintretenden Flüssigkeitsdurchflussmenge enthalten. Der Gasauslass des Kontaktors kann in einigen Ausführungsformen mit einer Vakuumquelle oder einer Quelle verminderten Drucks verbunden sein, wo das Gas von der Gaskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors mit verringertem Druck im Vergleich zu dem Druck des in den Einlass des Kontaktors strömenden Gases abgezogen wird. In einigen Ausführungsformen kann stromabwärts des Kontaktors eine zwischengeschaltete Konzentrationsüberwachungseinrichtung eingebaut sein, um die Konzentration des in der Flüssigkeit gelösten Gases zu messen. Wenn sich die Flüssigkeitsdurchflussmenge verändert, können die Gasdurchflussmenge und/oder das Vakuumniveau entweder manuell oder automatisch angepasst werden, um die beabsichtigte Gaskonzentration in der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten. Jegliche Kondensation innerhalb des Membrankontaktors kann durch die Vakuumquelle oder die Quelle verminderten Drucks entfernt werden und in einer Kondensatfalle gesammelt werden. Das Begasungssystem kann ferner auf einem computerlesbaren Medium gespeicherte Systemsoftware aufweisen, welche durch einen Computer ausführbare Anweisungen zur automatischen Regelung und Entleerung der Kondensatfalle ohne Unterbrechung des verminderten Drucks oder des Vakuums des Systems enthält. Diese Implementierung kann den Bedarf an Spülzyklen minimieren und einen ununterbrochenen Prozessablauf erlauben. Das Vakuum oder der verminderte Druck können auch dazu dienen, den Partialdruck des Gases innerhalb des Kontaktors zu senken, was wiederum die in dem Wasser aufgelöste Gasmenge senken kann.
Einige hierin aufgezeigte Ausführungsformen können verwendet werden, um einen oder mehrere Gase in einer Flüssigkeit zu lösen oder in diese zu übertragen, und ermöglichen die direkte Injektion eines gewünschten Gases ohne Mischen mit einem anderen Gas in eine Flüssigkeit. Entionisiertes Wasser (DI) ist ein Beispiel für eine derartige Flüssigkeit. Dies beseitigt vorteilhafterweise die Prozessverunreinigung durch ein unerwünschtes Verdünnungsgas, reduziert die Betriebskosten aufgrund eines geringeren Gasverbrauchs und vereinfacht die Systemkonstruktion und Wartung. Hierin aufgezeigte Ausführungsformen können die Stabilität und Konsistenz des gelösten Gases verbessern, indem die Flüssigkeitskondensation innerhalb des Kontaktors und der Verlust an wirksamer Kontaktfläche reduziert oder beseitigt werden. Da keine periodischen Spülvorgänge erforderlich sind, um das poröse Element frei von Flüssigkeitskondensation zu halten, können hierin aufgezeigte Ausführungsformen die Ausfallzeiten der Geräte und die Wartung minimieren. Ausführungsformen, bei welchen ein mit einem niedrigen Partialdruck zugeführtes Gas eine Flüssigkeit unter verminderten Druck (im Vergleich zu dem niedrigen Partialdruck) durch das poröse Element des Kontaktors kontaktiert, können ferner eine rasche Reaktionszeit bis zu einer Sollkonzentration des Gases in der Flüssigkeit schaffen.
In einigen Ausführungsformen kann ein automatisiertes DI-Wasser-Begasungssystem sehr geringe Mengen CO₂ direkt in Wasser injizieren, um gasversetztes DI-Wasser mit einer Leitfähigkeit von nur 0,5 μS/cm ohne jedes Mischen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Ein Mikrosiemens (μS) ist ein Millionstel eines Siemens. Die Konduktanz von entionisiertem Wasser ist so gering, dass sie in Mikrosiemens/cm (oder Mikroohm/cm) gemessen wird. In einigen Ausführungsformen kann ein automatisiertes DI-Wasser-Begasungssystem gasversetztes DI-Wasser mit einer höheren Konduktanz von 10–40 μS/cm erzeugen und aufrechterhalten. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelnes automatisiertes DI-Wasser-Begasungssystem gasversetztes DI-Wasser mit verschiedenen Leitfähigkeitsniveaus in Abhängigkeit von der Durchflussmenge erzeugen und aufrechterhalten. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelnes automatisiertes DI-Wasser-Begasungssystem Leitfähigkeitsniveaus von etwa 0,5 μS/cm bis etwa 65 μS/cm steuern.
In einigen Ausführungsformen kann das Entfernen von Kondensat von dem porösen Kontaktelement, wie etwa den Hohlfasern, von Umsetzung zu Umsetzung variieren, und zwar in Abhängigkeit von den Systembedingungen einschließlich der Zielleitfähigkeit, Wasserdurchflussmenge, Gasdurchflussmenge und dergleichen. In einigen Ausführungsformen eines DI-Wasser-Begasungssystems kann ein verminderter Druck angelegt werden, um Kondensation innerhalb des membranbasierten Kontaktors zu beseitigen. In einigen Ausführungsformen wird ein Auslass-Vakuum oder eine Vakuumquelle stromabwärts eines membranbasierten Kontaktors angeordnet, mit einer Zielleitfähigkeit von beispielsweise 6 μS/cm. In einigen Ausführungsformen kann das Auslass-Vakuum auch über einen breiten Druckbereich variiert werden, der stets unter dem atmosphärischen Druck oder unter 14,7 Pfund pro Quadratzoll (psi) liegt. In einigen Ausführungsformen kann das Auslass-Vakuum beseitigt werden. Beispielsweise kann ein System hoher Leitfähigkeit gegebenenfalls keine Vakuumquelle erfordern.
In einigen Ausführungsformen kann ein verminderter Druck ausreichend sein, um das Kondensat von dem porösen Element zu entfernen. Einige Ausführungsformen eines automatisierten DI-Wasser-Begasungssystems können die CO₂-Abzugsrate steuern, bei einer hohen Zielleitfähigkeit von beispielsweise 40 μS/cm. In einigen Ausführungsformen kann ein einzelnes automatisiertes DI-Wasser-Begasungssystem mit einem Auslassvakuum niedrige (weniger als 10 μS/cm) und hohe (gleich oder mehr als 10 μS/cm) Zielleitfähigkeitsniveaus durch Softwaresteuerung, wann das Vakuum und wann der CO₂-Abzug eingesetzt werden, erreichen. In einigen Ausführungsformen kann ein Vakuum für eine Zielleitfähigkeit angelegt werden, die unter 10 μS/cm liegt. In einigen Ausführungsformen wird das Vakuumniveau für unterschiedliche Leitfähigkeitsniveaus eingestellt. Beispielsweise kann das Vakuumniveau erhöht werden, um 1 μS/cm zu erreichen, und vermindert, um 10 μS/cm zu erreichen. In einigen Ausführungsformen kann das System für eine Zielleitfähigkeit, die über 20 μS/cm liegt, kein Vakuum verwenden. In diesen Fällen kann nur der CO₂-Abzug verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann für eine Zielleitfähigkeit, die zwischen 10 μS/cm und 20 μS/cm liegt, in Abhängigkeit von der Wasserdurchflussmenge ein Vakuum verwendet werden.
Einige Ausführungsformen eines automatisierten DI-Wasser-Begasungssystems können einen periodischen Wartungszyklus nutzen, bei welchem das Kohlendioxid abgeschaltet wird und ein Stickstoffstoß (ein kurzer plötzlicher Ausstoß von N₂) ausgelöst wird, um jegliches Kondensat zu entfernen. Her wird N₂ nicht zum Mischen oder Verdünnen verwendet. Für einige Anwendungen mit hoher Leitfähigkeit kann der CO₂-Durchfluss hoch genug sein, um das poröse Element trocken zu halten, und erforderlichenfalls kann das CO₂ abgeschaltet werden und der N₂-Stoß kann verwendet werden. In einigen Fällen wird die Zeitdauer des N₂-Stoßes gesteuert, jedoch nicht die Menge des in dem N₂-Stoß verwendeten N₂.
Ausführungsformen von hierin offenbarten Begasungssystemen und Verfahren erfordern keine Art der Mischung von Gas oder Flüssigkeit, können das Erfordernis der Verdünnung von Gas beseitigen, können den gesamten Gasverbrauch senken und können für eine Vielzahl von Halbleiter-Reinigungsprozessen nützlich sein. Diese und weitere Aspekte sind im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen betrachtet besser verständlich und erkennbar. Obgleich die folgende Beschreibung verschiedene Ausführungsformen und zahlreiche spezifische Details derselben angibt, dient sie nur zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung. Innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung können zahlreiche Substitutionen, Modifikationen, Hinzufügungen oder Neuanordnungen durchgeführt werden, und die Offenbarung schließt alle derartigen Substitutionen, Modifikationen, Hinzufügungen oder Neuanordnungen ein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen dieser Offenbarung sind unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen genommen am besten verständlich.
1 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines automatisierten Begasungssystems dar;
2 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Begasungssystems mit manueller Regelung dar;
3 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Begasungssystems dar, welches einen Membrankontaktor, eine Quelle verminderten Drucks, einen Gasdurchflussmengenregler für niedrigen Durchfluss und eine optionale Kondensatfalle enthält;
4 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Begasungssystems dar, welches einen Membrankontaktor, eine Quelle verminderten Drucks, ein Gasdurchflussmengen-Rotameter für niedrigen Durchfluss und einen optionalen Leitfähigkeitssensor enthält;
5A und 5B sind Diagramme, die als Beispiele die Zeit bis zu einem stabilen Konzentrationszustand eines Gases in einer Flüssigkeit ohne Vakuum oder verminderten Druck (5A) und mit Vakuum oder vermindertem Druck (5B) veranschaulichen;
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Begasungssystems, welches einen Membrankontaktor, einen Druckregler, einen Durchflussmengenregler, ein Programm-Logik-Controller-Modul (PLC) und einen Leitfähigkeitssensor enthält;
7A, 7B und 7C sind Diagramme, die als Beispiele die Beziehungen zwischen der Flüssigkeitsdurchflussmenge, Zeit und Leitfähigkeit einer gasversetzten Flüssigkeit zeigen (mit einer automatischen Regelschleife);
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Membrankontaktors;
9 zeigt ein Diagramm, das beispielhafte Beziehungen zwischen dem Gasverbrauch und der Flüssigkeitsdurchflussmenge bei der Aufrechterhaltung verschiedener Leitfähigkeits-Sollwerte zeigt; und
10 bis 12B zeigen Diagramme, die beispielhafte Beziehungen zwischen der Leitfähigkeit und Zeit mit veränderter Durchflussmenge zeigen, während ein Leitfähigkeit-Sollwert beibehalten wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung und die verschiedenen Merkmale und vorteilhaften Details derselben werden unter Bezugnahme auf die nicht einschränkenden Ausführungsformen umfangreicher erläutert, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind und in der folgenden Beschreibung im Detail dargestellt sind. Auf die Beschreibung von bekannten IC-Herstellungsprozessen und Materialien, Halbleiter-Herstellungstechniken und -geräten, Computerhardware- und -softwarekomponenten einschließlich Programmiersprachen und Programmiertechniken wird verzichtet, um die detaillierte Offenbarung nicht unnotwendigerweise zu verschleiern. Für den Durchschnittsfachmann sollte jedoch offensichtlich sein, dass die detaillierte Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen offenbaren, jedoch nur zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung angegeben sind. Verschiedene Substitutionen, Modifikationen, Hinzufügungen oder Neuanordnungen innerhalb des Schutzumfangs des zu Grunde liegenden erfinderischen Konzepts bzw. der Konzepte sind für den Durchschnittsfachmann nach dem Studium dieser Offenbarung deutlich.
Software, die hierin aufgezeigte Ausführungsformen umsetzt, kann in geeigneten, von einem Computer ausführbaren Befehlen umgesetzt sein, die auf einem oder mehreren computerlesbaren Speichermedien abgelegt sein können. Innerhalb dieser Offenbarung umfasst der Begriff ”computerlesbare Speichermedien” alle Arten eines Datenspeichermediums, die von einem Prozessor gelesen werden können. Zu Beispielen von computerlesbaren Speichermedien können Direktzugriffsspeicher, Nurlesespeicher, Festplatten, Datenkassetten, Magnetbänder, Disketten, Flash-Speicherlaufwerke, optische Datenspeichereinrichtungen, Compact-Disk-Nurlesespeicher und andere geeignete Computerspeicher und Datenspeichereinrichtungen zählen.
In ihrer Verwendung hierin sollen die Begriffe ”enthält”, ”enthaltend”, ”umfassend”, ”hat”, ”habend” oder jede andere Variation davon eine nichtausschließliche Einschließung abdecken. Beispielsweise ist ein Prozess, ein Produkt, ein Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen enthält, nicht notwendigerweise auf nur diese Elemente beschränkt, sondern kann andere Elemente aufweisen, die einem derartigen Prozess, Artikel oder einer derartigen Vorrichtung nicht ausdrücklich inhärent oder für diese nicht ausdrücklich gelistet sind. Ferner bezieht sich ”oder”, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, auf ein einschließliches Oder und nicht auf ein ausschließliches Oder. Beispielsweise wird eine Bedingung A oder B durch eine beliebige der folgenden Aussagen erfüllt: A ist wahr (oder vorhanden) und B ist falsch (oder nicht vorhanden), A ist falsch (oder nicht vorhanden) und B ist wahr (oder vorhanden) und sowohl A als auch B sind wahr (oder vorhanden).
Zusätzlich sind jegliche hierin gegebenen Beispiele oder Erläuterungen in keiner Weise als Einschränkungen, Begrenzungen oder ausdrückliche Definitionen von jeglichem Begriff oder Begriffen, mit welchen sie verwendet werden, zu betrachten. Anstelle dessen sind diese Beispiele oder Erläuterungen so zu betrachten, dass sie in Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform und nur als Veranschaulichung beschrieben werden. Für den Durchschnittsfachmann ist offensichtlich, dass jeder Begriff oder jegliche Begriffe, mit welchen diese Beispiele oder Erläuterungen verwendet werden, andere Ausführungsformen sowie Umsetzungen und Adaptionen derselben umfassen, die mit diesen oder an einer anderen Stelle in der Beschreibung angegeben sein können oder nicht angegeben sein können, und alle derartigen Ausführungsformen sollen im Umfang dieses Begriffes oder dieser Begriffe eingeschlossen sein. Zu den sprachlichen Begriffen, die derartige nicht einschränkende Beispiele und Erläuterungen bezeichnen, zählen ohne Beschränkung: ”zum Beispiel”, ”beispielsweise”, ”z. B.”, ”in einer Ausführungsform” und dergleichen.
Sofern nicht anderweitig definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselbe Bedeutung, wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird. Verfahren und Materialien, die den hierin beschriebenen ähnlich oder äquivalent sind, können in der praktischen Umsetzung oder der Prüfung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Alle hierin genannten Veröffentlichungen sind in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hierin eingeschlossen.
Keine Aussage hierin ist als Eingeständnis auszulegen, dass die Erfindung dank der vorzeitigen Erfindung nicht zur Datierung vor einer derartigen Offenbarung berechtigt wäre. ”Optional” oder ”optional” bedeutet, dass das nachfolgend beschriebene Ereignis oder der nachfolgend beschriebene Umstand eintreten oder nicht eintreten können und dass die Beschreibung Fälle einschließt, in welchen das Ereignis eintritt, sowie Fälle, in welchen es nicht eintritt. Alle Zahlenwerte hierin können durch den Begriff ”etwa” modifiziert werden, ob ausdrücklich angegeben oder nicht. Der Begriff ”etwa” bezieht sich allgemein auf einen Zahlenbereich, den der Durchschnittsfachmann als dem genannten Wert äquivalent betrachten würde (d. h. dieselbe Funktion oder dasselbe Ergebnis zeigend). In einigen Ausführungsformen bezieht sich der Begriff ”etwa” auf ±10% des genannten Wertes, in anderen Ausführungsformen bezieht sich der Begriff ”etwa” auf ±2% des genannten Wertes. Während die Zusammensetzungen und Verfahren mit dem Begriff verschiedene Komponenten oder Schritte ”enthaltend” beschrieben werden (in der Bedeutung ”ohne Einschränkung darauf enthaltend” auszulegen), können die Zusammensetzungen und Verfahren auch ”im wesentlichen bestehen aus” oder ”bestehen aus” den verschiedenen Komponenten und Schritten, wobei diese Terminologie so auszulegen ist, dass sie im wesentlichen Gruppen mit geschlossener Mitgliederzahl definiert.
Nachfolgend wird im Detail auf die beispielhaften Ausführungsformen Bezug genommen, deren Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind. Soweit möglich werden die gleichen Bezugszeichen in allen Zeichnungen verwendet, um die gleichen oder entsprechende Teile (Elemente) zu bezeichnen.
Ausführungsformen von Begasungssystemen und -verfahren, die hierin aufgezeigt werden, können blasenfreie oder im Wesentlichen blasenfreie Lösungen eines Gases in einer Flüssigkeit erzeugen. Eine auf diese Weise hergestellte gasversetzte Flüssigkeit kann eine niedrige Konzentration des Gases in der Flüssigkeit haben. In einigen Ausführungsformen wird ein Speisegas in eine Speiseflüssigkeit eingeführt. In einigen Ausführungsformen ist das Speisegas Kohlendioxid (CO₂) und die Speiseflüssigkeit ist entionisiertes (DI) Wasser (H₂O). Obgleich DI-Wasser hierin als Beispiel einer Speiseflüssigkeit beschrieben ist, ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass die Speiseflüssigkeit nicht auf DI-Wasser beschränkt ist und dass hierin aufgezeigte Ausführungsformen für andere Arten einer Speiseflüssigkeit angepasst oder anderweitig eingerichtet sein können. Obgleich in ähnlicher Weise CO₂ hierin als beispielhaftes Speisegas beschrieben ist, ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass das Speisegas nicht auf CO₂ beschränkt ist und dass hierin aufgezeigte Ausführungsformen für andere Arten von Speisegas angepasst oder anderweitig eingerichtet sein können. In einigen Ausführungsformen wird CO₂ in DI-Wasser in einem Begasungssystem durch direkte Injektion eingeführt. Dieses direkte Injektionsverfahren erfordert kein Mischen von CO₂ mit H₂O und/oder einem Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff (N₂).
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines automatischen Begasungssystems mit einer Regelschleife. Das System 100 enthält eine Gasquelle 110, eine Flüssigkeitsquelle 120, einen Systemregler 130, einen Kontaktor 160, einen Durchflussmengenregler (MFC) oder Druckregler 140 und eine Vakuumquelle 180. Der Systemregler 130 ist dafür ausgelegt, ein Ausgangssignal zu empfangen (unter Verwendung von beispielsweise drahtgebundener oder drahtloser Technik und dergleichen, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein), welches dem Durchfluss von Gas in den Kontaktor proportional ist (Reglermesssignal 142 von MFC 140), ein Ausgangssignal, das der Gasmenge in der Flüssigkeit am Flüssigkeitsauslass des Kontaktors proportional ist (Konzentrationsmesssignal 172 von der Konzentrationsmesseinrichtung 170), oder ein Ausgangssignal, das dem Durchfluss von Flüssigkeit in den Kontaktor proportional ist (FIW Durchflussmengenmesssignal 152 von dem Flüssigkeitsdurchflussmengenmesser 150). Diese Signale können über Draht, drahtlos, Lichtwellenleiter, Kombinationen daraus und dergleichen übertragen werden.
Der Kontaktor 160 kann eine Gaskontaktseite und eine Flüssigkeitskontaktseite aufweisen. Die Gaskontaktseite kann einen Gaseinlass und einen Gasauslass haben. Die Flüssigkeitskontaktseite kann einen Flüssigkeitseinlass und einen Flüssigkeitsauslass haben. Der Flüssigkeitseinlass kann für eine Speiseflüssigkeit ausgelegt sein, die entgast werden kann. Der Flüssigkeitsauslass kann für eine Flüssigkeitszusammensetzung ausgelegt sein, die mehr Gesamtgas in der Flüssigkeit als die Speiseflüssigkeit enthält. In diesem Beispiel ist DI-Wasser die Speiseflüssigkeit und CO₂ ist das Speisegas, was eine Flüssigkeitszusammensetzung erzeugt, die DI-Wasser mit gelöstem CO₂-Gas oder gasversetztes DI-Wasser enthält.
In einigen Ausführungsformen kann der Kontaktor 160 ein poröses Element enthalten. Das poröse Element kann in einem Gehäuse des Kontaktors montiert sein. In einigen Ausführungsformen kann das poröse Element des Kontaktors eine Flüssigkeitskontaktseite und eine Gaskontaktseite enthalten. In einigen Ausführungsformen ist die Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors von dem Gas durch das poröse Element und das Kontaktorgehäuse getrennt. In einigen Ausführungsformen ist der Kontaktor ein Kontaktor auf Perfluoralkoxy-(PFA)-Hohlfasermembranbasis. In einigen Ausführungsformen kann das poröse Element eine poröse Membran sein. In einigen Ausführungsformen kann die poröse Membran einen Blasenpunkt von mehr als etwa 35 psi haben, in einigen Ausführungsformen einen Blasenpunkt von mehr als 80 psi und in weiteren Ausführungsformen einen Blasenpunkt von mehr als 100 psi. Der Blasenpunkt wird verwendet, um ein relatives Maß der Größe der einzelnen größten Pore in einem Filterelement auf der Grundlage der Tatsache zu erhalten, dass für ein gegebenes Fluid und eine gegebene Porengröße bei konstanter Benetzung der Druck, der erforderlich ist, um eine Luftblase durch die Pore zu drücken, umgekehrt proportional zur Größe des Porendurchmessers ist. Das heißt, dass der Punkt, an dem der erste Blasenstrom austritt, die größte Pore ist. Der Standard-Blasenpunkt-Testvorgang verwendet Isopropylalkohol (IPA) als Testfluid und somit wird der Blasenpunkt manchmal als IPA-Blasenpunkt bezeichnet.
Der MFC 104 ist ein Beispiel eines Gasdurchflussreglers. Zusätzliche Beispiele eines geeigneten Gasdurchflussreglers können ohne Einschränkung ein Rotameter, einen Druckregler, eine Öffnung, eine Kombination von Ventilen und Öffnungen, einen verstellbares Ventil und dergleichen einschließen. Der Gasdurchflussregler steht in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass des Kontaktors.
Der Flüssigkeitsdurchflussmengenmesser 150 ist ein Beispiel eines Flüssigkeitsdurchflussreglers. Zusätzliche Beispiele eines geeigneten Flüssigkeitsdurchflussreglers können ohne Einschränkung ein Rotameter, einen Druckregler, eine Öffnung, eine Kombination von Ventilen und Öffnungen, ein verstellbares Ventil und dergleichen einschließen. Der Flüssigkeitsdurchflussregler steht in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitskontaktseite des Kontaktors.
Die Vakuumquelle 180 kann einen verminderten Druck an den Gaskontaktoberflächen des Kontaktors erzeugen und kann in Fluidverbindung mit dem Gasauslass des Kontaktors stehen. Beispiele einer geeigneten Vakuumquelle 180 können ohne Einschränkung einen Druckregler, wie zum Beispiel eine Vakuumpumpe, ein Ventil und eine Vakuumpumpe, eine Venturieinrichtung, einen Druckmesser und Regler und dergleichen einschließen. In einigen Ausführungsformen ist die Vakuumquelle 180 in der Lage, flüssiges Kondensat auf der Gaskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors zu entfernen oder zu verdampfen.
Der Systemregler 130 kann den Fluss von Gas 112 von der Gasquelle 110 in den Kontaktor 160, die Konzentration oder Menge des Gases 112 in der Flüssigkeit 126 von dem Kontaktor 160, den Flüssigkeitsfluss in den Kontaktor 160 oder eine Kombination daraus mit entsprechenden Sollwerten derselben vergleichen, um eine Sollkonzentration von Gas 112 in der gasversetzten Flüssigkeit 126 zu erzeugen. Der Systemregler 130 kann ein Ausgangssignal 132 erzeugen, das verwendet werden kann, um den Gasfluss in den Kontaktor 160 zu verändern, den Druck des Gases am Auslass des Kontaktors 160 zu verändern, den Flüssigkeitsfluss 122 in den Kontaktor 160 zu verändern, oder eine Kombination daraus, um die Konzentration von Gas in der Flüssigkeit 126 (Flüssigkeitszusammensetzung) innerhalb von 15%, in einigen Fällen innerhalb von 10%, in anderen Fällen innerhalb von 5% und in noch anderen Fällen innerhalb von 3% der Sollkonzentration zu halten. Je kleiner die Schwankung der Sollkonzentration ist, desto größer ist die Stabilität und Wiederholbarkeit eines Herstellungsprozesses, der die Flüssigkeitszusammensetzung verwendet.
Ein Drucksensor (siehe 3–4 und 6) kann am Gasauslass des Kontaktors zwischen dem Kontaktor und der Vakuumquelle positioniert sein. Der Drucksensor kann ein Teil der Vakuumquelle sein. Die Vakuumquelle kann eine Eingabe an den Systemregler abgeben und kann eine Ausgabe von dem Systemregler empfangen, dass sie den verminderten Druck verändert, Abgas und Kondensat 162 abzieht, oder eine Kombination daraus. Wie 1 zeigt, kann die Menge des in Wasser gelösten CO₂ durch Einstellen des Partialdrucks von CO₂ geregelt werden. Optional kann ein Sensor mit dem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors verbunden werden, um die Konzentration des in die Flüssigkeit übertragenen Gases zu messen. Die elektrische Leitfähigkeit des Wassers ist direkt proportional zur Konzentration von CO₂ im Wasser und kann als ein Maß der CO₂-Konzentration im Wasser verwendet werden.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Begasungssystems mit manueller Regelung. Das System 200 enthält eine Gasquelle 210, eine Flüssigkeitsquelle 220, einen Durchflussmengenregler (MFC) oder Druckregler 240, einen Flüssigkeitsdurchflussmengenmesser 250, einen Kontaktor 260, eine Konzentrationsmesseinrichtung 270 und eine Vakuumquelle 280. Gas 212 von der Gasquelle 210 kann über den MFC 240 geregelt werden. Die Flüssigkeitsdurchflussmenge 222 von der Flüssigkeitsquelle 220 kann an dem Flüssigkeitsdurchflussmengenmesser 250 gemessen werden, der ein Durchflussmengenmesssignal 252 erzeugt. Die Vakuumquelle 280 wird verwendet, um Abgas und Kondensat 262 von dem Kontaktor 260 zu entfernen. Die Konzentration der aus dem Kontaktor 260 austretenden gasversetzten Flüssigkeit 226 kann durch die Konzentrationsmesseinrichtung 270 überwacht werden. Die nachfolgende Tabelle 1 ist ein Beispiel von typischen Betriebsergebnissen für eine niedrige Konzentration von CO₂, das unter Verwendung einer Ausführungsform des Systems 200 in DI-Wasser gelöst wurde. Tabelle 1

Durchflussmenge DI-Wasser (LMP)	Durchflussmenge CO₂ (sccm)	Leitfähigkeit (μS/cm)	Stabilität der Leitfähigkeit	Wasser-Temperatur	DI-Wasserdruck (psi)
2	1,8	1	<±15%	22,1 C	50
4	2,4	1	<±15%	22,1 C	50
6	3,5	1	<±15%	22,1 C	35
8	5	1	<±15%	22,1 C	25

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Begasungssystem 300, welches eine Gasquelle 310, eine Flüssigkeitsquelle 320, einen Gasmengendurchflussregler 340 mit niedrigem Durchfluss, einen Membrankontaktor 360, einen Leitfähigkeitssensor 372, eine Vakuumquelle 380 und optional eine Kondensatfalle 364 enthält. Das System 300 kann ferner optional eine Regelschleife enthalten, um eine stabile Wasserleitfähigkeit aufrechtzuerhalten. Die Vakuumquelle 380 ist in der Lage, eine konstante Vakuumbeaufschlagung bei einem verminderten Druck (das heißt geringer als der atmosphärische Druck) bereitzustellen, um die Kondensation innerhalb des Kontaktors 360 zu beseitigen und einen niedrigen Partialdruck für die Übertragung von Gas 312 in die Flüssigkeit 322 bereitzustellen. In Fällen, in welchen Gas 312 dem Kontaktor 360 mit einem ersten Druck zugeliefert wird, kann die Vakuumquelle 380 einen zweiten Druck am Kontaktor 360 bereitstellen, der niedriger ist als der erste Druck, so dass die Übertragung von Gas 312 in die Flüssigkeit 322 über den Kontaktor 360 bei einem verminderten Druck veranlasst wird. In einigen Ausführungsformen ist der Kontaktor 360 ein pHasor^® Kontaktor, der von Entegris, Inc. in Chaska, MN erhältlich ist. Weitere Beispiele von Membrankontaktoren sind in dem US Patent Nr. 6,805,731 aufgezeigt, welches hierin durch Bezugnahme eingeschlossen ist. In einigen Ausführungsformen kann der Kontaktor 360 ein poröses Element enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das poröse Element eine gasdurchlässige Hohlfasermembran aufweisen.
Die in 3 gezeigte optionale Kondensatfalle 364 enthält verschiedene Ventile 304, 306, 308 mit einer optionalen automatischen Entleerungsfunktion, um Abgas und Kondensat 362 abzuziehen, ohne dass das Vakuum oder der verminderte Druck unterbrochen werden, die von der Vakuumquelle 380 erzeugt werden. Beispielsweise können die Ventile 304, 306 Vakuumisolierventile sein, und das Ventil 308 kann ein Ablassventil sein, um Abgas und Kondensat 362 aus der Kondensationsfalle 364 abzulassen. 3 stellt ferner zum Zweck der Veranschaulichung optionale Komponenten dar, einschließlich einer Vakuum-Messeinrichtung 396, eines Flüssigkeitsdruckmessers 394 und eines Leitfähigkeitssensors 372. Der Leitfähigkeitssensor 372 kann mit dem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors 360 verbunden sein, um die Konzentration von Gas 312 in der gasversetzten Flüssigkeit 326 zu messen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Ausgang von dem Leitfähigkeitssensor 372 für den Vergleich der Konzentration von Gas 312 in der gasversetzten Flüssigkeit 126 mit einer Soll- oder Zielkonzentration verwendet werden. Beispielsweise kann ein Systemregler dafür ausgelegt sein, ein der Menge von Gas 312 in der gasversetzten Flüssigkeit 326 proportionales Ausgangssignal entsprechend der Messung durch den Leitfähigkeitssensor 372 (drahtgebunden, drahtlos, optisch oder dergleichen) zu empfangen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Regler den Sensorausgang mit einer Sollkonzentration vergleichen und ein Ausgangssignal erzeugen, um den Gasdurchfluss in dem Kontaktor zu verändern, ein Ausgangssignal, um den Flüssigkeitsdurchfluss in dem Kontaktor zu verändern, ein Ausgangssignal, um den Druck am Gasauslass des Kontaktors zu verändern, oder eine Kombination daraus, um die Konzentration von Gas 312 in der gasversetzten Flüssigkeit 326 auf dem Zielniveau zu halten. In einigen Ausführungsformen kann das Zielniveau die Sollkonzentration sein oder nahe an der Sollkonzentration sein. In einigen Ausführungsformen kann das Zielniveau innerhalb eines Bereichs der Sollkonzentration liegen. Beispiel eines derartigen Bereichs können ohne Einschränkung 15%, 10%, 5% und 3% einschließen.
In hierin aufgezeigten Ausführungsformen kann ein Gasdurchflussregler in Abstimmung mit einer Gasquelle arbeiten, um ein Speisegas einem Membrankontaktor mit einem niedrigen Partialdruck zuzuführen. In Abhängigkeit von der Anwendung und in verschiedenen Ausführungsformen kann der verminderte Druck 40 kPa, 12 kPa, 6 kPa oder weniger sein. In einigen Ausführungsformen ist das Verhältnis des Durchflussmengenbereichs des Gasdurchflussreglers in Standard-Kubikzentimetern (sccm) Gas im Vergleich zu dem Durchflussmengenbereich des Flüssigkeitsdurchflussreglers in Standard-Kubikzentimetern für Flüssigkeit 0,02 oder weniger, in einigen Fällen 0,002 oder weniger, in anderen Fällen 0,0005 oder weniger, und in noch weiteren Fällen 0,00025 oder weniger. Kleine Gasdurchflussmengenbereiche für den Gasdurchflussregler in Kombination mit der Quelle verminderten Drucks können niedrigere Gas-Partialdrücke zu der Flüssigkeit bereitstellen, und niedrigere Verhältnisse von Gas- zu Flüssigkeitsdurchfluss tragen ebenfalls dazu bei, niedrigere Konzentrationen von Gas in der Flüssigkeit bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zur Herstellung von blasenfreien oder im wesentlichen blasenfreien Lösungen eines Gases in einer Flüssigkeit das Einleiten von Gas in einen Einlass auf einer Gaskontaktseite eines porösen Elements eines Membrankontaktors mit einem niedrigen Partialdruck und das Einleiten einer Speiseflüssigkeit, die entgast sein kann, in einen Einlass auf einer Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements des Membrankontaktors enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Abziehen von Abgas von einem Gasauslass des Membrankontaktors mit vermindertem Druck, Übertragen eines Teils des Gases unter dem verminderten Druck in die Speiseflüssigkeit und das Abziehen einer Flüssigkeitszusammensetzung von einem Flüssigkeitsauslass des Membrankontaktors, die blasenfrei ist oder im wesentlichen blasenfrei ist und die mehr Gas als die Speiseflüssigkeit enthält, enthalten.
Einige Ausführungsformen eines hierin aufgezeigten Begasungssystem können so charakterisiert werden, dass sie in der Lage sind, einen stabilen Konzentrationszustand von Kohlendioxid in entionisiertem Wasser in weniger als 120 s herzustellen, wobei das DI-Wasser bei 23°C durch einen Membrankontaktor mit 2 l pro Minute fließt, wenn der Gasdurchfluss von 0 Standard-Kubikzentimetern pro Minute auf 1 Standard-Kubikzentimeter pro Minute geändert wird und der am Gasauslass des Kontaktors gemessene verminderte Druck 6 kPa (–28 Zoll Hg) beträgt. In diesem Fall ist CO₂ ein Beispiel eines Speisegases und DI-Wasser ist ein Beispiel einer Speiseflüssigkeit. Im stabilen Zustand kann das System eine blasenfreie oder im Wesentlichen blasenfreie Lösung oder Flüssigkeitszusammensetzung mit weniger als ±5% Schwankung der Konzentration von Kohlendioxid in Wasser produzieren.
In einigen Ausführungsformen kann das System einen Systemregler enthalten, der dafür ausgelegt ist, Signale zu empfangen, einschließlich eines zum Gasdurchfluss in den Kontaktor proportionalen Ausgangssignals, eines zu dem Druck an dem Gasauslass proportionalen Ausgangssignals und eines zu dem Durchfluss von Flüssigkeit in den Kontaktor proportionalen Ausgangssignals. Der Regler kann Sollwerte für die entsprechenden Signale speichern und/oder Zugriff auf diese haben. Der Regler kann den Durchfluss von Speisegas in den Kontaktor, den Durchfluss von Speiseflüssigkeit in den Kontaktor, den Druck am Gasauslass des Kontaktors oder eine Kombination dieser Signale mit ihren entsprechenden Sollwerten vergleichen und eine Soll-Konzentration von Gas in der gasversetzten Flüssigkeit erzeugen. Zusätzlich kann der Regler ein Ausgangssignal, um den Durchfluss von Speisegas in den Kontaktor zu verändern, ein Ausgangssignal, um den Durchfluss von Speiseflüssigkeit in den Kontaktor zu verändern, ein Ausgangssignal, um den Druck an dem Gasauslass des Kontaktors zu verändern, oder eine Kombination daraus erzeugen, um die Konzentration von Gas in der gasversetzten Flüssigkeit auf einem Zielniveau zu halten. In einigen Ausführungsformen kann das Zielniveau die Sollkonzentration oder nahe der Sollkonzentration sein. In einigen Ausführungsformen kann das Zielniveau innerhalb von 15% der Sollkonzentration, in einigen Fällen innerhalb von 5% oder weniger der Sollkonzentration und den anderen Fällen innerhalb von 3% oder weniger der Sollkonzentration liegen
Das System kann ferner einen Sensor enthalten, der mit dem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors verbunden ist. Der Sensor kann in der Lage sein, ein Signal zu erzeugen, das proportional zur Gasmenge in der Flüssigkeit ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Systemregler dafür ausgelegt sein, Signale von dem Sensor zu empfangen. Der Systemregler kann einen Sensorausgang mit einer Sollkonzentration von Gas in der Flüssigkeit vergleichen und ein Ausgangssignal zur Veränderung des Durchflusses von Speisegas in den Kontaktor, ein Ausgangssignal zur Veränderung des Durchflusses von Speiseflüssigkeit in den Kontaktor, ein Ausgangssignal zur Veränderung des Drucks am Gasauslass des Kontaktors oder eine Kombination daraus erzeugen, um die Konzentration von Gas in der gasversetzten Flüssigkeit auf einem Zielniveau zu halten, welches die Sollkonzentration sein kann oder innerhalb eines Bereichs der Sollkonzentration liegen kann. Wie vorstehend erörtert kann es für frühere Begasungssysteme schwierig sein, Wasser mit niedrigen Konzentrationen eines gelösten Gases zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, da es schwierig ist, die Dotierung von Wasser mit geringen Mengen des gelösten Gases zu regeln. Die Verwendung der gasversetzten Flüssigkeitszusammensetzung mit geringeren Schwankungen des in die Flüssigkeit übertragenen Gases kann eine größere Stabilität und geringere Schwankungen für Herstellungsprozesse bewirken, wodurch Schwierigkeiten überwunden werden, die bei Begasungssystemen nach dem Stand der Technik oftmals auftreten.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer nicht einschränkenden Ausführungsform eines Begasungssystems. Das System 400 kann einen Kontaktor 460, eine Gasquelle 410 zur Zufuhr von Speisegas 412 zum Kontaktor 460, eine Flüssigkeitsquelle 24 zur Zufuhr von Speiseflüssigkeit 423 zum Kontaktor 460 und eine Vakuumquelle 480 zur Bereitstellung eines Vakuums oder eines verminderten Drucks am Kontaktor 460 aufweisen. Der Kontaktor 460 kann ein Kontaktor auf Membranbasis sein, wie vorstehend erörtert. Ein Druckmesser 492 und ein Gasdurchflussmengen-Rotameter 440 für niedrigen Durchfluss können zwischen der Gasquelle 410 und dem Membrankontaktor 460 zur Überwachung und Regelung des Speisegases 412 positioniert sein. In einer Ausführungsform kann das Rotameter 440 einen Betriebsbereich von 0–11 Standard-Kubikfuß pro Stunde (SCFH) haben. In einer Ausführungsform kann die Gasquelle 410 CO₂ mit etwa 1 psi zuführen. Ein Druckmesser 494 und ein Ventil 402 können zwischen der Flüssigkeitsquelle 420 und dem Membrankontaktor 460 zur Überwachung und Regelung der Speiseflüssigkeit 422 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann die Flüssigkeitsquelle 420 DI-Wasser mit etwa 0,5–3 gpm zuführen. In einer Ausführungsform ist die DI-Wassertemperatur am Einlass des Membrankontaktors 460 etwa 23,5–24,5°C. Ein Druckmesser 496 kann zwischen der Quelle verminderten Drucks 480 und dem Membrankontaktor 460 positioniert sein, um den von der Quelle 480 erzeugten verminderten Druck beim Abziehen von Abgas und Kondensat 462 von dem Membrankontaktor 460 zu überwachen.
Das System 400 kann ferner optional einen Leitfähigkeitssensor 472 enthalten, der mit einem optionalen Analysator 476 zur Analyse der Gaskonzentration 412 in einer gasversetzten Flüssigkeit von dem Flüssigkeitsauslass des Membrankontaktor 460 verbunden sein kann. In einer Ausführungsform kann der Leitfähigkeitssensor 472 eine Honeywell 3905 Leitfähigkeitszelle sein und der Analysator 476 kann ein Honeywell UDA-Analysator sein. In dem in 4 gezeigten Beispiel wird die gasversetzte Flüssigkeit zu einem Ablauf geleitet. Ein Rotameter kann zwischen dem Leitfähigkeitssensor 472 und dem Ablauf angeordnet sein, um den Durchfluss der gasversetzten Flüssigkeit zu messen. In anderen Ausführungsformen kann die gasversetzte Flüssigkeit zu einer Abgabestelle oder einem System stromabwärts des Begasungssystem 400 geleitet werden.
In einer Ausführungsform kann die Quelle verminderten Drucks 480 einen niedrigen Gesamtdruck des CO₂-Gases in dem porösen Element des Membrankontaktors 460 anlegen. In einer Ausführungsform kann die Quelle verminderten Drucks 480 ein Vakuumniveau von –28 Zoll Hg bereitstellen. In einer Ausführungsform kann die Quelle verminderten Drucks 480 eine konstante Vakuumbeaufschlagung von 6 kPa bereitstellen, um Kondensation innerhalb des Kontaktors zu beseitigen. In einer Ausführungsform kann die Quelle verminderten Drucks 480 ein Vakuumgenerator des Venturityps sein, der von Entegris, Inc. in Chaska, MN erhältlich ist. Wie nachstehend beschrieben wird, kann durch Vermindern des Drucks in der Vorrichtung auf der Gaskontaktseite des porösen Elements die Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge reduziert werden.
Es wurde auch festgestellt, dass die Verminderung des Drucks in der Vorrichtung auf der Gaskontaktseite des porösen Elements ebenfalls die Zeit bis zum Erreichen eines stabilen Zustands für die Menge des in eine durch den Kontaktor fließende Flüssigkeit übertragenen Gases reduziert. Innerhalb dieser Offenbarung bezieht sich eine kurze Zeit zum Erreichen des stabilen Zustands auf Zeiten von weniger als 10 Minuten, in einigen Fällen weniger als 2 Minuten und in weiteren Fällen weniger als 1 Minute, wobei eine Steigerung der Gasdurchflussmenge von 0 auf 1 Standard-Kubikzentimeter pro Minute (sccm) oder mehr zu einem stabilen Konzentrationszustand des Gases in der Flüssigkeit führt. In einigen Ausführungsformen kann in Abhängigkeit von dem Flüssigkeits-Dampfdruck der stromabwärts des Gasauslasses des Kontaktors gemessene Druck 40 kPa (etwa –18 Zoll Hg) oder weniger, in einigen Fällen von 40 kPa bis 5 kPa (etwa –28 Zoll Hg), und in weiteren Fällen von 15 kPa bis 5 kPa betragen. Die kurze Zeit zum Erreichen des stabilen Zustands schließt eine Konzentrationsschwankung ein, die ±15% oder weniger, in einigen Fällen ±5% oder weniger und in weiteren Fällen ±3% oder weniger beträgt. Die Fähigkeit, den stabilen Konzentrationszustand von Gas in der Flüssigkeit zu erreichen, ist vorteilhaft, da sie Prozesstaktzeiten vom Anlauf reduzieren kann und es einem Benutzer auch ermöglicht, Gas zu sparen, indem das Gas abgeschaltet wird, wenn es nicht genutzt wird.
5A und 5B sind Diagramme, die als Beispiele die Zeit bis zu einem stabilen Konzentrationszustand eines Gases in einer Flüssigkeit ohne Vakuum oder verminderten Druck (5A) und mit Vakuum oder vermindertem Druck (5B) darstellen. Genauer ausgedrückt zeigt 5A die Zeit bis zu einem stabilen Konzentrationszustand von Gas in einer Flüssigkeit ohne Vakuum oder verminderten Druck am Gasauslass des Kontaktors für eine Veränderung des Kohlendioxidflusses in Schritten von 0 sccm bis 1 sccm; einen Flüssigkeitsdurchfluss von 2 lpm Wasser bei 22,2°C, wobei der Kohlendioxid-Gasfluss bei etwa 8,5 Sekunden beginnt (während der Zeit 0–8,5 s besteht ein Durchflussmengenversatz, aber der Durchfluss ist 0); einen stabilen Gasdurchfluss bei einem 1 sccm Sollwert bei etwa 81 s; eine Konzentration von CO₂ in Wasser, die bei etwa 413 Sekunden bei 2,88 MOhm-cm stabil ist. Die Schwankung des spezifischen Widerstands beträgt von etwa 2,61 bis etwa 2,88 MOhm-cm (von niedrig zu hoch) nach etwa 413 s (stabiler Zustand). Die Zeit bis zum Erreichen des stabilen Zustands vom Einschalten des Gases (8,5 s bis 413 s ist etwa 405 s oder 6,75 min); die Zeit zum Erreichen des stabilen Zustands vom stabilen Gasdurchfluss von 1 sccm nach dem Einschalten ist von 81 s bis 413 s oder 332 s, was etwa 5,5 min ist. Die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeit ist etwa 5,1% (von einem geschätzten mittleren spezifischen Widerstand der Kurve von etwa 2,74 MOhm-cm; 2,88 (hoch) –2,74 (geschätztes Mittel) ist gleich 0,14 MOhm; (0,14/2,74)·100 = 5,1%.
5B veranschaulicht die rasche Ansprechzeit bis zum stabilen Konzentrationszustand von Gas in der Flüssigkeit mit einem Vakuum oder einem verminderten Druck an dem Gasauslass des Kontaktors für eine Veränderung des Kohlendioxidflusses in Schritten von 0 sccm bis 1 sccm; einen Flüssigkeitsdurchfluss von 2 lpm Wasser bei 22,2°C, wobei der Kohlendioxid-Gasfluss bei etwa 40 Sekunden beginnt (von 0–40 s besteht ein Durchflussmengenversatz, aber der Durchfluss ist 0); einen stabilen Gasdurchfluss bei einem 1 sccm Sollwert bei etwa 67 s; eine Konzentration von CO₂ in Wasser, die bei etwa 144 s bei 1,76 MOhm-cm stabil ist. Die Schwankung des spezifischen Widerstands beträgt von etwa 1,66 bis etwa 1,76 MOhm-cm (niedrig zu hoch) nach etwa 144 s (stabiler Zustand), was geringer ist als bei dem Beispiel ohne Vakuum in 5A. Die Zeit bis zum Erreichen des stabilen Zustands vom Einschalten des Gases (40–144s beträgt etwa 104 s, was weniger ist als 120 s); die Zeit zum Erreichen des stabilen Zustands vom stabilen Gasdurchfluss von 1 sccm beträgt 67 s bis 164 s oder 77 s, was weniger ist als 1,5 min. Die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeit ist etwa 3% oder weniger (von einem geschätzten mittleren spezifischen Widerstand der Kurve von etwa 1,71 MOhm-cm; 1,76(hoch)–1,71 (geschätztes Mittel) = 0,05 MOhm; (0,05/1,71)·100= 2,9%. Wie 5A und 5B zeigen, kann das Bereitstellen eines verminderten Gasdrucks am Kontaktor die Anlaufzeit verkürzen, die Konzentrationsschwankung reduzieren und eine kurze Zeit bis zum Erreichen des stabilen Zustands erzielen.
In einigen Ausführungsformen wird ein verminderter Gasdruck an dem Kontaktor durch einen Gaseinlass bereitgestellt. Genauer ausgedrückt können einige Ausführungsformen eines Kontaktors eine Gaskontaktseite mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass und eine Flüssigkeitskontaktseite mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass enthalten. Der Kontaktor trennt eine Gaszusammensetzung von einer Flüssigkeitszusammensetzung durch ein poröses Element oder Elemente, die in einem Gehäuse montiert sind. In einigen Ausführungsformen ist ein Gasdurchflussregler an den Gaseinlass des Kontaktors angeschlossen und eine Vorrichtung, die in der Lage ist, einen verminderten Druck anzulegen, oder eine Quelle verminderten Drucks ist mit dem Gasauslass des Kontaktors verbunden und stellt einen verminderten Druck an der Gaskontaktseite des Kontaktors zur Verfügung. Die Vorrichtung oder Quelle verminderten Drucks vermindert oder reduziert die Flüssigkeitsmenge, die auf der Gaskontaktseite des porösen Elements kondensiert. Ein Flüssigkeitsdurchflussregler ist mit dem Flüssigkeitseinlass oder Auslass des Kontaktors verbunden. Optional kann ein Sensor mit dem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors verbunden sein, um die Konzentration oder die Menge des Gases zu messen, das in die Flüssigkeit zum Bilden der Flüssigkeitszusammensetzung übertragen wurde. Einige hierin aufgezeigte Ausführungsformen können verwendet werden, um ein in einer Flüssigkeit gelöstes Gas zu erzeugen, wobei die Stabilität der Konzentration des Gases in der Flüssigkeit ±15% oder weniger, in einigen Fällen ±5% oder weniger und in anderen Fällen ±2% oder weniger eines Sollwerts ist.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines DI-Wasser-Begasungssystems 600, das eine Gasquelle 610, eine Flüssigkeitsquelle 620, ein Programm-Logik-Controller-Modul (PLC) 630, einen Durchflussmengenregler 640 und einen Membrankontaktor 660 enthält. Der Druck in dem System 600 kann über Druckregler 694, 696 und ein Ventil 602 geregelt werden. Der Druckregler 696 kann mit einer Vakuumquelle oder einer Einrichtung verbunden sein, die in der Lage ist, einen verminderten Druck bereitzustellen. Der Kontaktor 660 kann ein Kontaktor auf Membranbasis sein, wie vorstehend erörtert. Als spezifisches Beispiel kann die Gasquelle 610 Kohlendioxid liefern und die Flüssigkeitsquelle 620 kann Wasser liefern. In diesem Beispiel werden Wasser und Kohlendioxid in dem Membrankontaktor 660 kombiniert, der in einer Ausführungsform einen Hohlfaser-Kontaktor ist, wie etwa der pHasor^® II Membrankontaktor, der von Entegris, Inc. erhältlich ist. In einigen Ausführungsformen ist das PLC-Modul 630 mit einem Leitfähigkeitssensor 673 und einem Durchflussmengenregler 640 verbunden. In dem Beispiel aus 6 kann der Durchflussmengenregler 640 ein Gas, wie etwa Kohlendioxid, einem Einlass eines Membrankontaktors 660 zuführen. Der Auslass auf der Gasseite des Membrankontaktors 660 hat einen Anschluss zur Verbindung mit einem Druckregler und/oder einer Quelle verminderten Drucks 696. Wie 6 zeigt, ist die Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors 660 am Einlass mit der Flüssigkeitsquelle 620 verbunden. Ein Beispiel einer Flüssigkeit ist entionisiertes Hauswasser. In einigen Ausführungsformen kann der Durchflussregler 674 mit einem Leitfähigkeitssensor 672 verbunden sein, um die durch den Membrankontaktor 660 fließende Flüssigkeit zu regeln. In einigen Ausführungsformen kann der Durchflussregler 674 mit einem Ablauf oder einem stromabwärts gelegenen System, wie zum Beispiel einem Abgabesystem verbunden sein.
In einigen Ausführungsformen können ein Programm-Logik-Controller-Modul oder ein oder mehrere andere geeignete Regler das Ausgangssignal von einem Leitfähigkeitssensor empfangen und ein Ausgangssignal an den Gasdurchflussmengenregler (MFC) anlegen, um eine Sollmenge von Gas an die Flüssigkeit abzugeben. In einigen Ausführungsformen können dann, wenn eine große Veränderung der Durchflussmenge erfasst wird, oder zu einer Zeit vor der Veränderung des Flüssigkeitsdurchflusses (Vorwärtskopplung oder aktive Regelung), ein Programm-Logik-Controller-Modul oder ein oder mehrere andere geeignete Regler ein oder mehrere Signale an eine oder mehrere Einrichtungen senden, die den Gas-Partialdruck regeln, um den Partialdruck des Gases in dem Membrankontaktor zu verändern und die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeit auf weniger als ±20% des Sollwertes zu halten. In 6 stellen unterbrochene Linien ein Beispiel eines Regelkreises dar. Beispielsweise kann der Leitfähigkeitssensor 672 die Menge von Gas in der Flüssigkeit messen und ein entsprechendes Signal an das PLC-Modul 630 senden. Das PLC-Modul 630 kann das Sensorsignal von dem Leitfähigkeitssensor 672 analysieren und feststellen, dass ein geeignetes Ausmaß der Anpassung erforderlich sein kann, um ein bestimmtes Leitfähigkeitsniveau aufrechtzuerhalten. Das PLC-Modul 630 kann ein oder mehrere Einstellsignale erzeugen und an den Durchflussmengenregler 640, den Druckregler 696 oder dergleichen senden, um den Partialdruck und/oder den Durchfluss von Kohlendioxidgas in dem Kontaktor einzustellen.
Große Veränderungen der Flüssigkeitsdurchflussmenge sind solche, bei welchen die Veränderungen der Flüssigkeitsdurchflussmenge eine anfängliche Schwankung von mehr als etwa 15% oder mehr, in einigen Fällen 50% oder mehr der Sollmenge von Gas in der Flüssigkeit erzeugt; in einigen Fällen sind große Veränderungen der Flüssigkeitsdurchflussmenge größer als 10% der Durchflussmenge im stabilen Zustand. Ein Beispiel einer großen Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge und ihre entsprechenden Effekte auf die Leitfähigkeit sind in 7A dargestellt. Wie 7A zeigt, ist die Stabilität der Gasmenge in der Flüssigkeit, von dem Sensor für die Flüssigkeitszusammensetzung gemessen, etwa ±2% oder weniger (0–75 s), wobei die nicht einschränkende Sollkonzentration von Gas, welches in dem flüssigen Wasser gelöst oder in dieses übertragen wurde, 6,2 Mikrosiemens beträgt. In diesem Beispiel kann eine große Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge, die durch Verdoppeln der anfänglichen Flüssigkeitsdurchflussmenge von 10 lpm auf 20 lpm erreicht wird – ohne die Kombination der geschlossenen PID-Regelung und ein Signal zur Veränderung des Gas-Partialdrucks in dem Kontaktor – zu einer Schwankung von annähernd 50% von der Sollmenge von Gas in der Flüssigkeit führen. Das in 7A gezeigte Beispiel ist nachfolgend weiter beschrieben.
In hierin aufgezeigten Ausführungsformen kann eine niedrige Schwankung der Konzentration von in der Flüssigkeit gelöstem Gas sich in einigen Ausführungsformen auf etwa ±15% oder weniger, in einigen Ausführungsformen auf etwa ±5% oder weniger und in einigen Ausführungsformen auf etwa ±3% oder weniger beziehen. In einigen Ausführungsformen kann die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeit reduziert werden, indem ein verminderter Gasdruck am Gasauslass des Kontaktors bereitgestellt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Gasmenge in der Flüssigkeit in einem gewünschten Bereich oder Toleranzbereich innerhalb des Sollwertes für große Veränderungen der Flüssigkeitsdurchflussmenge gehalten werden, und zwar unter Nutzung einer PID-Regelschleife und/oder eines Signals zur Veränderung des Gas-Partialdrucks in dem Kontaktor vor der Veränderung einer Flüssigkeitsdurchflussmenge oder wenn eine große Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge erfasst wird (Vorwärtskopplung oder aktive Regelung). Als spezifisches Beispiel zeigt 7B eine große Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge von 10 lpm auf 20 lpm. Ansprechend auf diese große Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge kann von einem Programm-Logik-Controller-Modul oder einem oder mehreren anderen geeigneten Reglern ein Signal, das den Gas-Partialdruck in dem Kontaktor verändert, an eine oder mehrere Einrichtungen gesendet werden, die den Gas-Partialdruck regeln. In diesem Beispiel kann die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeit auf weniger als ±20% des Sollwertes gehalten werden. Das in 7B gezeigte Beispiel wird nachstehend weiter erläutert.
7C zeigt, dass durch Bereitstellen eines verminderten Gasdrucks am Gasauslass des Kontaktors, wie vorstehend beschrieben, die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeit auf etwa ±12% des Sollwertes für Veränderungen der Flüssigkeitsdurchflussmenge von etwa 1 lpm oder etwa 10% der Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung im stabilen Zustand reduziert werden kann. Das in 7B gezeigte Beispiel ist nachfolgend weiter beschrieben. Die Ergebnisse in 7B und 7C zeigen, dass unter Verwendung der PID-Regelung und optional eines Signals zur Regelung des Gas-Partialdrucks einige hierin aufgezeigte Ausführungsformen die Veränderungen der Flüssigkeitsdurchflussmenge anpassen können und die Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge in etwa 30 s oder weniger auf weniger als 20% halten können. Eine geringere Schwankung kann eine größere Stabilität bewirken, was bei bestimmten Herstellungsprozessen besonders nützlich sein kann. Beispiele für Herstellungsprozesse, für die eine niedrige Schwankung der Konzentration des gelösten Gases in der Flüssigkeit vorteilhaft ist, können ohne Einschränkung die Reinigung von Halbleiter-Wafern einschließen.
Hierin aufgezeigte Ausführungsformen können niedrige Gas-Partialdrücke bei vermindertem Druck erzeugen und diese Gaszusammensetzung in eine Flüssigkeit übertragen. Dies unterscheidet sich von der Entgasungsbehandlung einer Flüssigkeit durch eine Kombination von Gas-Stripping und Vakuum-Entgasung, da in den hierin aufgezeigten Ausführungsformen die Menge von Gas in der Flüssigkeit nicht vermindert wird. Vielmehr wird in einigen Ausführungsformen die Menge oder Gesamtmenge von Gas in der Flüssigkeit erhöht. Hierin aufgezeigte Ausführungsformen stellen einen niedrigen Gas-Partialdruck an der Gaskontaktseite eines porösen Elements eines Membrankontaktors bei einem verminderten Druck bereit. Die mit einem Membrankontaktor behandelte Flüssigkeit, die eine hierin aufgezeigte Ausführungsform umsetzt, hat im Vergleich zu der Gasmenge, die ursprünglich in der in den Membrankontaktor geleiteten Speiseflüssigkeit war, mehr Gas in der Flüssigkeit. In einer herkömmlichen Gas-Kontaktvorrichtung kommen hohe Partialdrücke von Gas mit der Flüssigkeit in Kontakt. Beispiele von hohen Partialdrücken schließen 101 kPa oder mehr ein. In hierin aufgezeigten Ausführungsformen kommen niedrige Partialdrücke von Gas in Kontakt mit der Flüssigkeit. Beispiele von niedrigen Partialdrücken schließen 40 kPa oder weniger ein.
In hierin aufgezeigten Ausführungsformen beziehen sich niedrige Niveaus von Gas in der Flüssigkeit oder verdünnte Lösungen von Gas in der Flüssigkeit auf die Menge von Gas, die durch einen Kontaktor in eine Flüssigkeit übertragen wurde. Die Gasmenge in der Flüssigkeit kann von Umsetzung zu Umsetzung variieren. In einigen Ausführungsformen kann die Gasmenge in der Flüssigkeit 5000 Teile pro Million (ppm) oder weniger sein. In einigen Ausführungsformen kann die Gasmenge in der Flüssigkeit 500 ppm oder weniger sein. In einigen Ausführungsformen kann die Gasmenge in der Flüssigkeit 50 ppm oder weniger sein. In einigen Ausführungsformen kann die Gasmenge in der Flüssigkeit 5 ppm oder weniger sein.
In einigen Ausführungsformen kann die Gasmenge in der Flüssigkeit anhand der Leitfähigkeit der Flüssigkeit gemessen werden. In einigen Ausführungsformen kann die Leitfähigkeit der Lösung (Flüssigkeit und gelöstes oder umgesetzte Gas) 5 Mikrosiemens (μS) oder weniger sein. In einigen Ausführungsformen kann die Leitfähigkeit der Lösung 2 μS oder weniger sein. Wie für den Durchschnittsfachmann offenbar ist, kann es schwierig sein, niedrigere Gasniveaus in der Flüssigkeit mit Konzentrationsschwankungen von weniger als 15% bei Flüssigkeitsdurchflussmengen zwischen 2 l pro Minute und 20 l pro Minute herzustellen.
In hierin aufgezeigten Ausführungsformen ist das Gas, das von dem Kontaktor mit vermindertem Druck an der Gaskontaktfläche des Kontaktors in die Flüssigkeit übertragen wurde, frei oder im wesentlichen frei von Blasen oder Mikrobläschen. In einigen Ausführungsformen können eventuelle Blasen oder Mikrobläschen, die von dem Kontaktor in der Flüssigkeit gebildet werden können, durch ein optionales Filter stromabwärts des Flüssigkeitsauslasses des Kontaktors entfernt werden. Blasen oder Mikrobläschen können unter Verwendung eines optischen Partikelzählers erfasst werden, wie in der internationalen Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer WO 2005/072487 und WO 2006/007376 beschrieben, welche hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind. Wenn beispielsweise nur Partikel in der Flüssigkeit vorhanden sind, können kumulative Partikelzähldaten eine lineare Kurve mit einer Steigung von –2 bis –3,5, aufgetragen auf log-log-Achsen, bilden. Partikelzähldaten, die ein Knie und/oder eine niedrigere Steigung, weniger als –2, zeigen, zeigen die Anwesenheit von Mikrobläschen an.
In hierin aufgezeigten Ausführungsformen bezieht sich die Konzentration von Gas in der Flüssigkeit auf jedes Gas, das durch Auflösung, Umsetzung oder eine Kombination daraus mit dem Speiseflüssigkeitsfluss in dem Kontaktor in die Speiseflüssigkeit übertragen wird. Beispielsweise reagieren Gase, wie etwa CO₂ und HCl, mit einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, durch Bildung von Ionen, wohingegen Gase, wie etwa N₂, mit einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, nicht reagieren. Die Konzentration der durch die Reaktion zwischen dem Gas und der Flüssigkeit gebildeten Reaktionsprodukte kann bestimmt werden und als ein Maß der Konzentration des in der Flüssigkeit gelösten Gases verwendet werden. Zu nicht einschränkenden Beispielen können der spezifische Widerstand oder der pH für CO₂- oder NH₃- und HCl-Gas und dergleichen zählen. Für Gase, die mit der Flüssigkeit nicht reagieren, kann die Konzentration von in der Flüssigkeit gelöstem Gas unter Verwendung von verschiedenen Techniken bestimmt werden. Zu Beispielen für geeignete Techniken zählen ohne Einschränkungen spektroskopische, elektrotechnische und chemographische Techniken. Beispiele für Gase, die nicht mit der Flüssigkeit reagieren, können ohne Einschränkung O₃, O₂, N₂ und dergleichen einschließen. Es sei angemerkt, dass hierin aufgezeigte Ausführungsformen nicht durch die Art des verwendeten Gases eingeschränkt sind. Nützliche Gase schließen die in der Halbleiterverarbeitung verwendeten ein, wie zum Beispiel ohne Einschränkung HF, CO₂, O₃, O₂, N₂, Ar und dergleichen, sowie Gase, die aus Dämpfen von Flüssigkeiten und Feststoffquellen erhalten werden, wie zum Beispiel Essigsäure, NH₃, HCl und dergleichen. Kombinationen eines oder mehrerer dieser Gase und anderer Gase können verwendet werden, um Gaszusammensetzungen herzustellen, die in einer Flüssigkeit oder Flüssigkeitszusammensetzung gelöst werden können. Jedes dieser Gase kann alleine verwendet werden.
In einigen Ausführungsformen kann zu dem Gaseinlass des Kontaktors geleitetes oder an diesem bereitgestelltes Gas unter einem Druck stehen, der geringer ist als der Druck der Flüssigkeit in dem Kontaktor. Als Resultat dieser Druckdifferenz kann das Gas ohne die Bildung von Blasen in der Flüssigkeit in die Flüssigkeit übertragen werden. Der Einlassdruck von Gas kann so gewählt werden, dass er eine Zielkonzentration von Gas in der Flüssigkeit für jede gewählte Flüssigkeitsdurchflussmenge herstellt. Das an dem Einlass des mit dem Kontaktor verbundenen Gasdurchflussreglers bereitgestellte Gas kann in einigen Ausführungsformen 40 psi oder weniger, in einigen Ausführungsformen 15 psi oder weniger und in einigen Ausführungsformen 2 psi oder weniger haben. Ein niedrigerer Gasdruck am Einlass zu dem Kontaktor kann Spitzen im Gasfluss minimieren und zur Vorbereitung eines Speisegases mit niedrigem Partialdruck beitragen. Die Durchflussmenge von Gas kann Null sein, wenn eine Gasübertragung in die Flüssigkeit nicht erwünscht ist, und der Gasfluss kann für das kontaktierende Gas größer als Null sein und auf der Basis einer Vielzahl von Faktoren gewählt werden, einschließlich der Größe des Kontaktors beziehungsweise der Kontaktoren, des Gases, der Löslichkeit des Gases in der Flüssigkeit, der Temperatur der Flüssigkeit, der gewünschten Gasmenge, die in Flüssigkeit übertragen wird, des verminderten Drucks des Gases, das zu dem Gaseinlass des Kontaktors geleitet oder an diesem bereitgestellt wird, oder einer Kombination daraus. Der mit einem Gasdurchflussmengenmesser oder Regler gemessene Gasfluss kann in einigen Ausführungsformen weniger als 1000 sccm sein. Der Gasdurchfluss kann in einem Bereich von mehr als 0 sccm bis 100 sccm (Standard-Kubikzentimeter) oder weniger in einigen Ausführungsformen liegen und in einigen Ausführungsformen von mehr als 0 sccm bis 10 sccm.
Gas und Flüssigkeit können in dem Kontaktor im Gegenstrom fließen. Bei Kontaktoren, die eine poröse Membran verwenden, kann das Gas auf jeder beliebigen Seite der Membran sein; bei Kontaktoren mit poröser Hohlfasermembran kann der Gasfluss in einigen Ausführungsformen auf der Schalenseite der Membran sein.
Das Gesamtgas in Flüssigkeitszusammensetzungen, die durch hierin aufgezeigte Ausführungsformen hergestellt werden, sowie die verwendeten Speiseflüssigkeiten können auf viele Weisen bestimmt werden. Ein Beispiel ist Gaschromatographie unter Verwendung der von M. Meyer, Pflügers Archive European Journal of Physiology, Seiten 161–165, Bd. 375, Juli 1978 beschriebenen Verfahren. Gefrier-Pump-Auftau-Zyklen können auch mit einem geeigneten Trocknungsmittel oder Dampfabsorptionsmittel verwendet werden, um die Gaskonzentration zu bestimmen.
In einigen Anwendungen kann es vorteilhaft sein, das Gas in der Flüssigkeitszusammensetzung mit einem Sollwert oder einer konstanten Gasmenge in der Flüssigkeit bei variierenden Durchflussmengen in Abhängigkeit vom Bedarf herzustellen. Beispielsweise kann eine Vorrichtung, die eine hierin aufgezeigte Ausführungsform umsetzt, einen oder mehrere einzelne Wafer-Reinigungswerkzeuge mit derselben Reinigungszusammensetzung versorgen, die eine in Wasser gelöste Gasmenge enthält. In Abhängigkeit vom Bedarf von jedem Reinigungswerkzeug für diese Reinigungsflüssigkeitszusammensetzung kann das Erfordernis der Durchflussmenge oder der Bedarf von der Vorrichtung variieren. In einigen Fällen, in welchen die Veränderung der Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung aufgrund eines gesteigerten oder verringerten Bedarfs klein ist, beispielsweise etwa 10% oder weniger des stabilen Durchflusszustands der Vorrichtung, kann die Gasmenge in der Flüssigkeit (Flüssigkeitszusammensetzung) für diese geringen Veränderungen der Durchflussmenge alleine mit PID- oder Fuzzy Logic-Regelung innerhalb von ±20% oder weniger und in einigen Fällen ±12% oder weniger einer Sollmenge von Gas in der Flüssigkeit gehalten werden. In einigen Fällen, in welchen die Veränderung der Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung aufgrund des gesteigerten oder erhöhten Bedarfs von der Vorrichtung groß ist, da der Durchfluss beispielsweise durch den Betrieb der Vorrichtung in einem stabilen Zustand halbiert oder verdoppelt wird, können eine Kombination von PID oder Fuzzy Logic und einem Signal, welches den Partialdruck des Gases in dem Kontaktor verändert, verwendet werden, um die Gasmenge in der Flüssigkeit innerhalb von ±20% oder weniger einer Sollmenge von Gas in der Flüssigkeit zu halten. Dieses Signal kann ohne Einschränkung die Veränderung des Partialdrucks des Gases in dem Kontaktor, indem die Durchflussmenge des Gases in dem Kontaktor erhöht wird, die Veränderung des Systemdrucks, indem ein Druckregler oder eine Vakuumquelle, die mit dem Kontaktor verbunden sind, eingestellt wird, die Veränderung der Menge eines Verdünnungsgases, welches zu dem Kontaktor zugegeben oder von diesem entfernt wird, die Veränderung einer Kombination, die einen oder mehrere dieser Faktoren einschließt, zur Folge haben. Das Signal, das den Partialdruck des Gases in dem Kontaktor ändert, kann beispielsweise durch einen Regler in der Vorrichtung basierend auf einem Schwellenwert der Durchflussmengenveränderung erzeugt werden, der von dem Regler erfasst wird, der die Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung überwacht. In einigen Fällen wird das Signal, das den Partialdruck des Gases in dem Kontaktor verändert, durch einen Eingang von einem oder mehreren Werkzeugen, die mit der Vorrichtung verbunden sind, erzeugt; dies kann eine aktive Regelung, eine Steuerkette oder eine Regelung mit Vorwärtskopplung einschließen. Das Signal, das den Partialdruck des Gases in dem Kontaktor verändert, kann in einigen Fällen in einem Zeitintervall vor einer zu erwartenden Veränderung der Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung durch aktive Regelung oder Regelung mit Vorwärtskopplung ausgelöst werden, die von Werkzeugen oder Einrichtungen, die mit der Vorrichtung verbunden sind, eingegeben wird. Ein derartiges Zeitintervall kann vom Aufnahmevolumen des Systems und der Kontaktor-Zeitkonstanten, der Verweilzeit des Systems und dergleichen abhängig sein.
Der Gas-Partialdruck kann auf der Grundlage einer Berechnung, einer Rezeptur oder einer Nachschlagtabelle modifiziert werden, um die Sollkonzentration zu produzieren und die Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge zu minimieren. Beispiele von Gasdrücken können ohne Einschränkung den Gas-Systemdruck, den Partialdruck eines Verdünnungsgases, die Gasdurchflussmenge oder eine Kombination daraus einschließen. Einige Ausführungsformen der Vorrichtung können die Gasmenge in der Flüssigkeit für die Flüssigkeitszusammensetzung auf ±20% oder weniger eines Sollwertes für schrittweise Veränderungen der Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung aufrechterhalten, die alle 60 s oder weniger auftreten. Einige Ausführungsformen der Vorrichtung können die Gasmenge in der Flüssigkeit für die Flüssigkeitszusammensetzung auf ±20% oder weniger eines Sollwertes für schrittweise Veränderungen des Durchflusses der Flüssigkeitszusammensetzung aufrechterhalten, die alle 30 s oder weniger auftreten.
Innerhalb dieser Offenbarung sind die Komponenten so gewählt, dass der Druck oder verminderte Druck auf der Gaskontaktseite des porösen Elements des Membrankontaktors in einigen Ausführungsformen 40 kPa (–18 Zoll Hg) oder weniger ist, in einigen Ausführungsformen 12 kPa (–26 Zoll Hg) oder weniger ist und in einigen Ausführungsformen 6 kPa (–28 Zoll Hg) oder weniger ist. Der Druck auf der Gaskontaktseite des porösen Elements kann mit einem Druckmesser an dem Gasauslass des Kontaktors oder in einigen Fällen innerhalb des Gehäuses gemessen werden. Der Druck auf der Gaskontaktseite des Kontaktors kann entweder manuell oder automatisch durch einen Regler verstellt werden, um den Gesamtgasdruck in dem Kontaktor aufrechtzuerhalten. In einigen Ausführungsformen kann der an dem Gasauslass des Kontaktors gemessene Druck in dem Kontaktor mit einem Druckregler geregelt werden. Optional kann in einigen Ausführungsformen eine belüftbare Kondensatfalle in Fluidverbindung zwischen dem Kontaktor-Gasauslass und der Quelle oder Vorrichtung verminderten Drucks angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen ist die Leitfähigkeit des Fluidweges zwischen dem Gasauslass des Kontaktors und der Quelle verminderten Drucks so gewählt, dass Kondensat von dem Kontaktor entfernt wird. In einigen Ausführungsformen kann die Quelle verminderten Drucks eine ausreichende Pumpendrehzahl haben, um flüssiges Kondensat von dem Kontaktor zu entfernen.
Innerhalb dieser Offenbarung bezieht sich eine Quelle verminderten Drucks auf eine Vorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem porösen Element des Kontaktors steht und die den Druck in dem Kontaktor vermindern kann. Geeignete Quellen verminderten Drucks können ohne Einschränkung eine Vakuumpumpe, ein Venturi, eine Vakuumquelle oder Quelle verminderten Drucks, wie zum Beispiel ein Haus-Vakuum und dergleichen einschließen. Die Vorrichtung oder Quelle verminderten Drucks kann an jedem beliebigen Punkt in Fluidverbindung mit dem Kontaktor stehen, beispielsweise ohne Einschränkung mit dem Gasauslass des Kontaktors, mit Leitungen, die mit dem Gasauslass verbunden sind, und dergleichen. Die Vorrichtung oder Quelle verminderten Drucks stellt einen verminderten oder niedrigen Druck an dem porösen Element des Kontaktors als Resultat des Betriebs der Vorrichtung oder der Verbindung mit der Quelle verminderten Drucks bereit. Der Druck an dem porösen Element des Kontaktors, der mit der Vorrichtung oder Quelle verminderten Drucks verbunden ist, ist im Betrieb der Vorrichtung geringer als der Gasdruck an dem Gaseinlass des Kontaktors und ist geringer als der Druck an dem Gasauslass des Kontaktors, alleine aufgrund des Druckverlustes von dem Gasdurchfluss durch den Kontaktor. Der verminderte Druck in der Vorrichtung stellt für das poröse Element eine Gaszusammensetzung mit einem niedrigeren Partialdruck und einem niedrigen absoluten Druck bereit. Der verminderte Druck an dem porösen Element während des Betriebs des Kontaktors ist im wesentlichen die Summe des Drucks des Gaseinlasses in den Kontaktor und des Drucks bedingt durch die Verdampfung von Flüssigkeit von dem Kontaktor. Die Vorrichtung kann so ausgelegt oder konfiguriert sein, dass sie eine Vakuumpumpe oder Vakuumquelle (Venturi) mit einer ausreichenden Pumpendrehzahl hat, um einen niedrigen Gas-Partialdruck in dem Kontaktor für eine gegebene Kontaktoberfläche des porösen Elements bei vorhandener Flüssigkeit zu erzielen.
Im Rahmen dieser Offenbarung bezieht sich eine Flüssigkeit auf eine oder mehrere Flüssigkeiten (eine Mischung oder Lösung), in welche ein oder mehrere Gase über das poröse Element des Kontaktors übertragen werden. Die Flüssigkeit kann im wesentlichen rein sein, beispielsweise ultrareines Wasser (UPW), entionisiertes Wasser (DIW), oder die Flüssigkeit kann eine Mischung aus einer oder mehreren Flüssigkeiten oder eine Flüssigkeitszusammensetzung sein. Ein nicht einschränkendes Beispiel einer Flüssigkeitszusammensetzung kann Wasser und Isopropylalkohol enthalten. In einigen Fallen kann die Flüssigkeit oder Flüssigkeitszusammensetzung eine Suspension eines Feststoff- oder Gelmaterials in einer Flüssigkeit wie Wasser enthalten. Ein nicht einschränkendes Beispiel eines derartigen Materials kann eine CMP-Schlämme sein. Die Flüssigkeit kann entgast sein und vor dem Kontakt mit Gas weniger als 1 Teil pro Million gelöstes Gesamtgas haben.
In Abhängigkeit von der Größe des Kontaktors und/oder der Anzahl von Kontaktoren kann die Flüssigkeitsdurchflussmenge durch den Kontaktor zum Erzielen der Konzentration des in die Flüssigkeit übertragenen Gases (gelöst oder umgesetzt) für eine bestimmte Anwendung variieren und/oder skaliert werden. Für einen pHasor^® Kontaktor, erhältlich von Entegris, Inc., Chaska, MN, können Durchflussmengen von bis zu etwa 20 l pro Minute verwendet werden. Einige Ausführungsformen können höhere Flüssigkeitsdurchflussmengen aufnehmen, wobei einer oder mehrere dieser oder ähnlicher Kontaktoren parallel oder in Reihe verwendet werden.
In den hierin aufgezeigten Ausführungsformen kann ein geeigneter Kontaktor ein poröses Element oder eine poröse Membran enthalten, welche die Flüssigkeit von dem Gas trennt und welche die Übertragung oder das Kontaktieren des Gases in die Flüssigkeit durch eine oder mehrere Poren in dem Element ermöglicht. Das poröse Element kann in einem Gehäuse untergebracht sein und den Gasfluss und den Flüssigkeitsfluss trennen. In einigen Ausführungsformen kann das poröse Element eine dünne poröse Membran mit einer Dicke von etwa 5–1000 μm enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das poröse Element gesinterte Partikel enthalten und eine Dicke von 0,5 cm oder weniger haben. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Kontaktoren verwendet werden, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination davon angeordnet sind. Zu den geeigneten Kontaktoren können pHasor^® II von Entegris, Inc., Chaska, MN und Liqui-Cell^® von Membrana, Charlotte, North Carolina zählen.
In hierin aufgezeigten Ausführungsformen ist die Temperatur der Flüssigkeit in dem Kontaktor nicht eingeschränkt, vorausgesetzt, dass die Flüssigkeitskondensation von den Membranoberflächen des Kontaktors durch die Quelle verminderten Drucks entfernt werden kann und die mechanische und chemische Stabilität des Kontaktors nicht beeinträchtigt ist. Optional kann die Temperatur des Flüssigkeitseinlasses oder Auslasses von dem Kontaktor durch Wärmetauscher erhöht oder gesenkt werden. Zu geeigneten Wärmetauschern können ohne Einschränkung Polymer-Wärmetauscher zählen, die von Entegris, Inc., Chaska, MN erhältlich sind. In einigen Ausführungsformen kann ein Regler dafür ausgelegt sein, ansprechend auf ein Eingangssignal eines Temperatursensors ein Steuersignal an einen Wärmetauscher zu senden, um die Temperatur des Flüssigkeitseinlasses oder Auslasses von dem Kontaktor zu erhöhen oder zu senken.
In einigen Ausführungsformen kann ein Systemregler dafür ausgelegt sein, eines oder mehrere Eingangssignale von den verschiedenen Komponenten in dem System zu empfangen. Diese Signale können auf verschiedenen Wegen an den Systemregler gesendet werden, einschließlich drahtgebunden, drahtlos, Lichtwellenleiter, Kombinationen daraus und dergleichen. Das eine Eingangssignal oder die Vielzahl der Eingangssignale können ohne Einschränkung ein zu dem Durchfluss von Gas in den Kontaktor proportionales Signal, ein zu dem Druck an dem Gasauslass oder dem porösen Element proportionales Signal, ein Signal von einem Sensor, das proportional zu der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge (Konzentration) ist, oder ein zu einem Durchfluss einer Flüssigkeit in den Kontaktor proportionales Signal einschließen. Der Regler kann den Gasdurchfluss in den Kontaktor, den Druck an dem Gasauslass des Kontaktors, die Konzentration des Gases in der Flüssigkeit, den Flüssigkeitsdurchfluss in den Kontaktor oder jede Kombination dieser Werte mit einem jeweiligen Sollwert vergleichen. Der Wert für jeden dieser Eingänge kann verwendet werden, um die Differenz von einem gewünschten Zollwert zu berechnen oder aus einer Nachschlagtabelle zu bestimmen, und der Regler kann ein Ausgangssignal, um den Gasdurchfluss in dem Kontaktor zu verändern, ein Ausgangssignal, um den Druck am Auslass des Kontaktors zu verändern, ein Ausgangssignal, um den Flüssigkeitsdurchfluss in den Kontaktor zu verändern, oder jede beliebige Kombination daraus erzeugen, um die Konzentration oder die Menge von Gas, die in die Flüssigkeit übertragen wird, innerhalb eines Zielbereichs oder Toleranzbereichs der Sollkonzentration aufrechtzuerhalten. Ein derartiges Ausgangssignal kann digital, eine Spannung, ein Strom und dergleichen sein. Der Zielbereich kann in einigen Ausführungsformen 15% der Sollkonzentration, in einigen Ausführungsformen 5% oder weniger der Sollkonzentration und in einigen Ausführungsformen 3% oder weniger der Sollkonzentration betragen. Um die Konzentration von Gas in der Flüssigkeit innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Sollkonzentration zu halten, kann der Regler PID, Fuzzy oder jede geeignete Regelungslogik verwenden. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Regler verwendet werden. Einige Ausführungsformen können kaskadierte Regler enthalten.
In einigen Ausführungsformen wird kein Konzentrationssensor verwendet. In diesen Ausführungsformen kann die Konzentration des in die Flüssigkeit übertragenen Gases basierend auf der Durchflussmenge der Flüssigkeit, des Gases, der Kontaktorgröße und dem Wirkungsgrad sowie dem Systemdruck und Temperaturen bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Regler die Rückkopplungsregelung (oder den geschlossenen Regelkreis) eines PID- oder Fuzzy-Logic-Reglers mit der Vorwärtskopplungssteuerung (oder offener Regelkreis) kombinieren. Externe Werkzeugeingaben, Kenntnis eines Prozessrezepts oder Kenntnis eines Produktionszyklus für die gewünschte Gasmenge in der Flüssigkeit oder für eine gewünschte Durchflussmenge der Flüssigkeitszusammensetzung können von dem Regler vorwärts gekoppelt werden und mit dem PID-Ausgang kombiniert werden, um die Schwankungen der Flüssigkeitszusammensetzung innerhalb von ±20% eines Sollwertes zu halten. In einigen Fällen stellt das vorwärts gekoppelte Signal von dem Regler oder Werkzeug, das zu einer Veränderung des Gas-Partialdrucks in dem Kontakter führt, den Hauptteil der Reglerausgabe dar, und PID, Fuzzy oder andere Regler können dann verwendet werden, um auf den gegebenenfalls verbleibenden Fehler bzw. die Differenz zwischen der Sollmenge von Gas in der Flüssigkeit und dem tatsächlichen Wert der Gasmenge in der Flüssigkeit, wie er durch einen Sensor bestimmt wird, zu reagieren.
Optional kann eine Kondensationsfalle verwendet werden, und der Regler kann optional ein Falleneingangssignal empfangen und verwenden, um Ventile zu schließen, um die Falle für die Belüftung der Kondensationsfalle ohne Unterbrechung der Gaskontaktierung zu umgehen oder zu isolieren. Das Falleneingangssignal kann ohne Einschränkung von einem Pegelsensor, einem Zeitgeber, einem Durchflussmesser und dergleichen stammen. Eine beispielhafte Ausführungsform mit einer optionalen Kondensationsfalle ist in 3 gezeigt. Vorteilhafterweise können die hierin aufgezeigten Ausführungsformen kontinuierlich und ohne Spülzyklen zur Entfernung von flüssigem Kondensat von der porösen Membran arbeiten.
BEISPIEL 1
Dieses Beispiel vergleicht die Zeiten, die erforderlich sind, um einen stabilen Konzentrationszustand von in DI-Wasser gelöstem Kohlendioxid mit und ohne einer mit dem Gasauslass eines Kontaktors verbundenen Quelle verminderten Drucks zu erreichen. In 5A und 5B war der Druck am Gasauslass des Kontaktors etwa –28 Zoll Hg (etwa 6 kPa). Die Zeit zum Erreichen eines stabilen Zustands, wenn der Gasdurchfluss von 0 sccm auf 1 sccm in einen Durchfluss von DI-Wasser von 2 LPM bei 32°C zunimmt, betrug etwa 6,75 min ohne verminderten Druck (5A) und weniger als 2 min mit vermindertem Druck (5B). Die Resultate zeigen, dass das Bereitstellen eines verminderten Drucks am Gasauslass des Kontaktors eine kürzere Zeit (schneller) bis zum Erreichen eines stabilen Konzentrationszustands von gelöstem Gas in einer Flüssigkeit als ohne verminderten Druck ergibt. Dieses Beispiel zeigt auch, dass durch Verminderung des Drucks auf der Gaskontaktseite eines Kontaktors die Schwankung der Gasmenge in der Flüssigkeitszusammensetzung vermindert werden kann. Beispielsweise ist die geschätzte Schwankung der Kohlendioxidmenge in der Flüssigkeit ohne verminderten Druck 5,9% und mit vermindertem Druck 2,9%.
BEISPIEL 2

Nachstehende Tabelle 2 zeigt die großen Mengen von CO₂-Gas und N₂-Verdünnungsgas, die gemischt werden müssen, um ein gasversetztes Wasser mit einer Leitfähigkeit von etwa 1 μS/cm bei einer Wassertemperatur von 24,5°C unter Verwendung eines einzelnen pHasor^® II Kontaktors ohne Vakuum herzustellen.

Wasser-Durchflussmenge (LPM)	CO₂-Durchfluss(SCCM)	N₂-Durchfluss(LPM)	Wasserdruck (psi) stromaufwärts pHasor	Wasserdruck (psi) stromabwärts pHasor	spez. Widerstand stromabwärts (μS/cm)
1	16	33	38	38	0,99
1,5	17	33	38	38	0,98
2	18	33	32	32	0,99
3	20	33	32	32	1,00
4	22	33	32	32	1,00

BEISPIEL 3

In einigen Ausführungsformen kann Wasser mit niedrigem spezifischem Widerstand mit niedrigen Durchflussmengen von Kohlendioxidgas und vermindertem Druck am Gasauslass des Kontaktors erzeugt werden. Die nachstehende Tabelle 3 zeigt, dass eine Ausführungsform des Systems 400 eine Stabilität von 5% oder weniger Schwankung in der Leitfähigkeit einer gasversetzten Flüssigkeit mit vermindertem Druck unter Verwendung eines Rotameters zur Regelung des CO₂-Durchflusses aufrechterhalten kann. Genauer ausgedrückt kann eine Ausführungsform des Systems 400 unter Verwendung eines CO₂/Vakuum von –28 Zoll mmHg (6 kPa) eine stabile Leitfähigkeit von 1 μS/cm mit einer Schwankung von 5% oder weniger, tatsächlich 3% Schwankung oder weniger für einen Wasserdurchflussbereich von 2–12 l pro Minute (lpm) erzielen. Tabelle 3

Wasserdurchflussmenge (LMP)	Wasser-Temperaur(°C)	Wasserdruck (kPa)	CO₂-Druck (psi)	Leitfähigkeit (μS/cm)	CO₂-Durchfluss	Vakuumniveau (mmHg)
2	24,5	440	1	1,05 +/– 0,03	Rotameter leicht geöffnet	–28
10	23,5	120	1	0,995 +/– 0,02	Rotameter leicht geöffnet	–28
12	23,2	140	1	1 +/– 0,02	Rotameter leicht geöffnet	–28

BEISPIEL 4
Dieses Beispiel zeigt die niedrigen Durchflussmengen von Gas, die mit dem Durchflussmengenregler an den Kontaktor abgegeben werden. Der niedrige Gasdurchfluss kann in einigen Ausführungsformen mit variierenden Flüssigkeitsdurchflussmengen verwendet werden, um Gas in eine Flüssigkeit übertragen und eine niedrige Gaskonzentration in der Flüssigkeit mit einer geringen Schwankung der Gaskonzentration in der Flüssigkeit, gemessen anhand der Leitfähigkeit, zu bilden. Dieses Beispiel zeigt ferner, dass einige Ausführungsformen bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können. Die Gasdurchflussmengen von Kohlendioxid wurden von 0,8 sccm bis 12,1 sccm variiert. Bei diesen Temperaturen kann die Stabilität der Konzentration von im Wasser gelöstem Kohlendioxid, die anhand der Leitfähigkeit des Wassers gemessen wird, um 2% oder weniger variieren. In diesem Beispiel liegt der Wasserdurchfluss im Bereich von 1,89 l pro Minute (lpm) bis 9,4 l pro Minute und Leitfähigkeit des hergestellten Wassers liegt im Bereich von 1,01 μS/cm bis 1,11 μS/cm. Die in diesem Beispiel verwendete Menge von Kohlendioxidgas, um eine Leitfähigkeit von 1 μS/cm bei einem Durchfluss von 1,89 lpm zu erzielen, ist etwa 0,8 sccm, was um beinahe einen Faktor 10 niedriger ist als die annähernd 18 sccm Kohlendioxid und 33 lpm Stickstoff, die im Vergleichsbeispiel 2 verwendet wurden, um Wasser mit einem spezifischen Widerstand von annähernd 1 μS/cm bei einem Wasserdurchfluss von 2 lpm zu erzielen.

Die nachstehenden Tabellen 4 und 5 zeigen eine Ausführungsform eines Begasungssystems, das einen pHasor^® II Membrankontaktor, einen Typlan Durchflussmengenregler (FC-2902m-4V) und eine Honeywell Leitfähigkeitssonde der Baureihe 4905, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeitet, enthält. Tabelle 4

Wasserdurchflussmenge (LPM)	Wasser-Durchfluss (°C)	CO₂-Anzeige (sccm)	CO₂-Sollwert (sccm)	Leitfähigkeit (μS/cm)	Wasser-Temperatur (°C)	Vakuumniveau (mmHg)
1,8925	0,5	0,8	0,7	1,11 +/– 0,02	22,2	–28
3,785	1	2,2	2,2	1,01 +/– 0,02	22,2	–28
5,6775	1,5	4,6	4,5	1,01 +/– 0,02	22,2	–28
7,57	2	7,6	7,5	1,0 +/– 0,01	22,2	–28
9,4625	2,5	12,1	12	1,01 +/– 0,01	22,2	–28

Tabelle 5

Wasserdurchflussmenge (LPM)	Wasser-Durchfluss (°C)	CO₂-Anzeige (sccm)	CO₂-Sollwert (sccm)	Leitfähigkeit (μS/cm)	Wasser-Temperatur (°C)	Vakuumniveau (mmHg)
1,8925	0,5	0,8	0,8	1,2 +/– 0,02	25,4	–28
3,785	1	1,6	1,6	1,03 +/– 0,02	25	–28
5,6775	1,5	3,2	3,2	1,01 +/– 0,02	25	–28
7,57	2	5,6	5,6	1,0 +/– 0,02	24,8	–28

BEISPIEL 5
Dieses Beispiel veranschaulicht die Beziehungen zwischen der Wasserdurchflussmenge, Zeit und Leitfähigkeit des gasversetzten DI-Wassers unter Bezug auf 6 und 7A–C. Wie vorstehend erörtert kann dann, wenn eine Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge auftritt, eine Schwankung der Konzentration oder der in eine Flüssigkeit übertragenen Gasmenge auftreten. Diese Schwankung kann als ein Unterschreitungs-Spitzenwert oder Überschreitungs-Spitzenwert der Gasmenge in der Flüssigkeit charakterisiert werden. Wie vorstehend beschrieben können hierin offenbarte Ausführungsformen derartige Spitzenwerte über eine PID-Regelung oder eine Kombination von PID und Voranpassungssignal minimieren. Eine schematische Darstellung dieser Ausführungsform ist in 6 gezeigt. In diesem Beispiel ist die Durchflussmenge von Kohlendioxid zwischen 0,1 und 0,5 Standard-Litern pro Minute (slpm), der Druck am Auslass des Kontaktors ist etwa -15 Zoll Quecksilber, die Wasserdurchflussmenge wird zwischen 10 slpm und 20 slpm in Änderungsschritten von entweder 1 slpm oder 10 slpm variiert. Das Einlasswasser hatte 17,5 Megaohm-Zentimeter bei einer Temperatur von 23,4°C und einem Druck von 250–360 kPa.
7A zeigt einen stabilen Leitfähigkeitszustand von Wasser (0 s bis 75 s) und eine Wasserdurchflussmenge über die Zeit für eine in das Wasser übertragene Kohlendioxidmenge, um einen Sollwert von annähernd 6,2 μS/cm (±2%) einer anfänglichen Flüssigkeitsdurchflussmenge von 10 lpm mit einer PID-Regelung des Kohlendioxid-Durchflussmengenreglers unter Verwendung einer Ausführungsform des in 6 gezeigten System 600 aufrechtzuerhalten. Wenn die Durchflussmenge von Wasser bei einer festgelegten CO₂-Gas-Durchflussmenge von 10 lpm auf 20 lpm geändert wird, fällt die Leitfähigkeit des Wassers ab. Sie bildet einen Spitzenwert oder eine Unterschreitung auf etwa 3,2 μS/cm. Die PID-Regelung des CO₂-Durchflusses führt das Wassergemisch allmählich auf den Sollwert von 6,2 μS/cm zurück. Wenn der Durchfluss auf 10 lpm geändert wird, zeigt die Leitfähigkeit des Wassers einen Spitzenwert beziehungsweise eine Überschreitung auf etwa 9,2 μS/cm. Die PID-Regelung des CO₂-Durchflusses führt das Wasser-CO₂-Gemisch allmählich zurück auf den Sollwert von annähernd 6,2 μS/cm. Mit der PID-Regelung alleine war der Spitzenwert der Leitfähigkeit von einem Sollwert in Überschreitung oder Unterschreitung ±3 μS oder annähernd ±50% des Sollwertes.
7B zeigt, wie eine Veränderung der Gasdurchflussmenge oder einer anderen Variablen, die mit dem Partialdruck des Gases in Beziehung steht, das die Flüssigkeit in dem Kontaktor kontaktiert, vor einer vorhersehbaren Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge in Kombination mit der PID-Regelung verwendet werden kann, um die Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge auf etwa ±1 μS oder weniger oder ±20% des Sollwertes zu minimieren. Dies ist in 7B für eine in Wasser übertragene CO₂-Menge veranschaulicht, die zu einem angenäherten ursprünglichen Sollwert von 6,2 μS führt. In einem Zeitintervall vor der vorhersehbaren Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge, der von dem Systemaufnahmevolumen und einer Kontaktorzeitkonstanten abhängig sein kann, wird der Gas-Partialdruck modifiziert, so dass der Sollwert erzeugt wird und die Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge minimiert wird. In einigen Ausführungsformen wird der Gas-Partialdruck basierend auf einer Berechnung oder Nachschlagtabelle modifiziert. Beispiele des Gas-Partialdrucks können ohne Einschränkung den Gas-Systemdruck, den Verdünnungsgas-Partialdruck, die Gas-Durchflussmenge oder eine Kombination daraus einschließen.
Als ein Beispiel einer Regelung mit Vorwärtskopplung oder offenem Regelkreis kann in einem Zeitintervall von etwa 2 s, bevor sich die Flüssigkeitsdurchflussmenge von 10 slpm auf 20 slpm ändert, die CO₂-Menge erhöht werden, um die Unterschreitung zu minimieren, gefolgt von der PID-Regelung, um einen Sollwert von annähernd 6,2 μS zu erreichen. Wenn in einem spezifischen Szenario die Flüssigkeitsdurchflussmenge von 20 slpm auf 10 slpm reduziert wird, kann zusätzlich zu der PID-Regelung N₂-Gas mit niedrigem Druck zur selben Zeit oder annähernd zur selben Zeit mit der Veränderung der Durchflussmenge injiziert werden, um die Überschreitung zu minimieren und den Sollwert von annähernd 6,2 μS zu erreichen. Ein zusätzlicher Vorteil der Verwendung eines derartigen N₂-Stoßes (eines kurzen plötzlichen Ausstoßes von N₂) während der Kompensation einer Überschreitung liegt darin, dass N₂ nicht nur eine überschüssige CO₂-Menge ausspült, sondern auch einen Teil der Kondensation innerhalb des Membrankontaktors entfernt.
Wie 6 zeigt, kann eine Ausführungsform, die dieses spezifische Beispiel umsetzt, ein N₂-Gas-Regelventil 616 enthalten, das zwischen dem Membrankontaktor 660 und der Stickstoffquelle 680 angeordnet ist. Die N₂-Gasquelle 680 führt dem Membrankontaktor 660 über das N₂-Gas-Regelventil 616 N₂-Gas zu. Das Regelventil 616 wird durch das PLC-Modul 630 geregelt. In einigen Ausführungsformen ist das CO₂-Gas-Regelventil 614 geschlossen, wenn das N₂-Gas-Regelventil 616 geöffnet ist, so dass sich das CO₂- und das N₂-Gas zu keiner Zeit mischen. In einigen Ausführungsformen kann die auf dem System 600 laufende Software während der Wartung und der Kompensation von Überschreitungen das CO₂-Gas-Regelventil 614 schließen und das N₂-Gas-Regelventil 616 öffnen. Beispielsweise können einige Ausführungsformen einen periodischen Wartungszyklus nutzen, bei welchem das CO₂-Gas abgeschaltet wird und ein N₂-Stoß ausgelöst wird, um eventuelles Kondensat zu entfernen. Bei einigen Anwendungen mit hoher Leitfähigkeit kann der Durchfluss von CO₂ ausreichend hoch sein, um das poröse Element trocken zu halten, und erforderlichenfalls kann das CO₂ abgeschaltet werden und der N₂-Stoß kann verwendet werden. In einigen Fällen werden die Zeitdauer und/oder der Druck des N₂-Stoßes geregelt, aber nicht unbedingt die exakte N₂-Menge, die während des N₂-Stoßes verwendet wird. Beispielsweise kann sich das N₂-Regelventil 616 etwa 2 s lang bei 11 psi für einen Wartungszyklus und etwa 0,2 s lang bei 20 psi zur Kompensation einer Überschreitung öffnen. In diesem Beispiel kann die CO₂-Durchflussmenge zwischen etwa 0,01–1 lpm bei 20 psi bei einer Wassertemperatur von 25°C und einer Veränderung der Wasserdurchflussmenge von etwa 2 bis 20 lpm variieren.
Der N₂-Stoß kann in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen verminderten Druck zur effizienten Entfernung von Kondensation und/oder zur Kompensation von Überschreitungen verwendet werden. Der N₂-Stoß kann mit oder ohne einer Kondensationsfalle verwendet werden. Auf diese Weise können verschiedene Ausführungsformen der Systeme 100, 200, 300 und 400 angepasst werden, um den in 6 beispielhaft dargestellten N₂-Stoß-Mechanismus umzusetzen. Zusätzlich können verschiedene Ausführungsformen des Systems 600 so angepasst werden, dass sie wie vorstehend unter Bezug auf 3 beschrieben eine Kondensationsfalle enthalten.
Für die schrittweise Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge von 10 slmp auf 20 slmp während der Zeit von etwa 200 s bis 350 s kann die Kombination der Veränderung eines Gas-Partialdrucks mit einem Signal an den Gas-Durchflussmengenregler vor der vorhergesehenen Veränderung des Flüssigkeitsdurchflusses mit PID-Regelung zu einer minimierten Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge bei etwa 17% des Sollwertes oder weniger führen, was etwa ±1 μS oder weniger basierend auf einer Unterschreitung von 5,2 μS und einer Überschreitung von etwa 7,2 μS bei einem stabilen Zustand von 6,2 μS entspricht. Als weiteres Beispiel der Regelung mit Vorwärtskopplung kann das Signal bei etwa 2 s vor der vorhergesehenen Veränderung des Flüssigkeitsflusses gesendet werden. In einem spezifischen Szenario, wenn die Flüssigkeitsdurchflussmenge zwischen 250 s und 300 s von 20 slmp auf 10 slmp geändert wird, kann N₂-Gas mit niedrigem Druck zur gleichen Zeit oder etwa zur gleichen Zeit mit der Veränderung der Durchflussmenge injiziert werden, um die Überschreitung zu minimieren und den Sollwert von annähernd 6,2 μS zu erreichen. Erneut wird hier N₂ verwendet, um im Voraus dem erwarteten Effekt bzw. den Effekten eines Spitzenwerts in der Leitfähigkeit bedingt durch eine Veränderung der Flüssigkeitsdurchflussmenge entgegenzuwirken oder diese zu kompensieren. Die Fähigkeit, die Konzentration oder die Gasmenge in einer Flüssigkeit rasch und mit minimalen Schwankungen zu verändern, kann bei Reinigungsprozessen von einzelnen Wafern oder in der Stapelverarbeitung von Wafern verwendet werden.
7C zeigt beispielhaft, wie die PID Regelung alleine verwendet werden kann, um die Schwankung der in die Flüssigkeit übertragenen Gasmenge auf etwa ±1 μS oder weniger oder ±20% oder weniger des Sollwertes zu minimieren. Dies ist in 7C für die in Wasser übertragene Menge von CO₂ dargestellt, die zu einem anfänglichen Sollwert von annähernd 6 μS führt. In diesem Fall wird die Wasserdurchflussmenge alle 30 s schrittweise um 1 slpm geändert. Wie 7C zeigt, kann für die Veränderung der Wasserdurchflussmenge von 10 slpm auf 11 slpm auf 12 slpm und dann schrittweise zurück auf 10 slmp während der Zeit von etwa 75 s bis 175 s, die PID-Regelung so arbeiten, dass sie die Gasdurchflussmenge auf der Grundlage des Ausgangs von der Leitfähigkeitszelle verändert, was zu einer minimierten Schwankung des in die Flüssigkeit übertragenen Gases von etwa 12% des Sollwertes oder weniger führt, was etwa ±0,7 μS oder weniger basierend auf einer Unterschreitung von 5,5 μS und einer Überschreitung von 6,7 μS bei einem stabilen Zustand von 6 μS entspricht.
Einige hierin aufgezeigte Ausführungsformen können für Herstellungsprozesse von integrierten Schaltungen oder Halbleitern besonders nützlich sein. Beispielsweise kann bei Back-end of line (BEOL) Reinigungs- oder Polierprozessen eine Korrosion von Metallleitungen aufgrund der Anwesenheit einer überschüssigen Menge von Hydroxylionen auftreten. Die Verwendung einer mit CO₂-Gas versetzten DI-Wasserlösung mit niedrigem pH kann die überschüssigen Hydroxylionen durch eine einfache Säure-Base-Neutralisierungsreaktion beseitigen. Weitere Reinigungsprozesse können ohne Einschränkung Post-CMP-Reinigung, Maskenreinigung und die Entfernung von Fotoresist einschließen.
Wie für den Durchschnittsfachmann deutlich ist, ist das Lösen von CO₂ in Wasser mehr als ein physikalischer Prozess. Wenn CO₂ in Wasser gelöst wird, erhöht es die Azidität des Wassers durch die Bildung von Kohlensäure (H₂CO₃). Folglich erzeugt die Dissoziation der Säure mehr frei bewegliche Ionen in der Lösung, was das Wasser leitfähiger macht. Diese Beziehung ist nachfolgend in Gleichung 1 dargestellt. CO₂ + H₂O ↔ H₂CO₃ ↔ HCO₃ ^– + H⁺ ↔ CO₃ ^2– + 2H⁺ [Gl. 1]
Eine wesentliche Herausforderung bei der Begasung von DI-Wasser ist, DI-Wasser mit kleinen Mengen CO₂ in geregelter und konsistenter Weise zu infundieren. Die allgemeinen Praktiken zum Erzielen niedriger Konzentrationen von gelöstem CO₂ umfassen entweder das Verdünnen von CO₂ mit einem Inertgas vor der Injektion der Gasmischung in den Membrankontaktor oder das Verdünnen von stark gasversetztem DI-Wasser mit nicht gasversetztem Wasser. Beide Verfahren haben jedoch beträchtliche Nachteile. Das Mischen von CO₂ mit einem Inertgas führt eine unerwünschte Gasart in den Prozess ein. Das Verdünnen von mit hoher Konzentration gasversetztem Wasser machte die Konstruktion und Regelung des Systems komplizierter und eine ordnungsgemäße Durchmischung kann möglicherweise vor dem Abgeben nicht eintreten. Ferner sind beide Verfahren mit einem hohen Verbrauch von entweder Gas oder Wasser verbunden.
Verschiedene Ausführungsformen der Systeme 100, 200, 300, 400 und 600 können so adaptiert werden, dass ein automatisiertes In-Line-CO₂-Begasungssystem umgesetzt wird, das in der Lage ist, DI-Wasser mit kleinen Mengen CO₂ in geregelter und konsistenter Weise zu infundieren. In einigen Ausführungsformen kann das CO₂-DI-Wasser-Begasungssystem Kontaktoren auf der Basis einer Perfluoralkoxy-Hohlfasermembran (PFA) enthalten und ein neues Verfahren der direkten Injektion von CO₂ in DI-Wasser ohne Verdünnung verwenden, um eine äußerst niedrige Leitfähigkeit zu erzielen und aufrechtzuerhalten. Ausführungsformen eines derartigen CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems können die folgenden Merkmale/Vorteile aufweisen:

– automatische Leitfähigkeitsregelung
– optimierter Regelkreis mit raschem Ansprechverhalten und gleichmäßiger Regelung
– direkte CO₂-Injektion unter Verwendung von Inertgas oder Fluidmischung
– breiter Leitfähigkeitsbereich
– minimaler Gas-/Fluidverbrauch und Systemwartung bei geringen Betriebskosten
– kompakte und effiziente Konstruktion für geringen Raumbedarf und Zuverlässigkeit

Das CO₂-DI-Wasser-Begasungssystem kann Software- und Hardwarekomponenten enthalten, die so arbeiten, dass sie einen rasch reagierenden und nahtlosen Prozess mit minimalen Systemausfallzeiten ermöglichen. Kapazitäts- und Regeldaten, die die Vielseitigkeit und Robustheit der spezifischen Ausführungsformen eines CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems zeigen, werden nachfolgend unter Bezug auf die 8–12B beschrieben.
Verschiedene Ausführungsformen eines hierin aufgezeigten Begasungssystems können einen Perfluoralkoxy-Hohlfasermembran-(PFA)-Kontaktor enthalten. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines PFA-Membrankontaktors. Die PFA-Membranen sind in einer PFA-Schale mit PFA-Endkappen untergebracht. Die ganz aus PFA bestehende Konstruktion bietet eine überlegene chemische Einsetzbarzeit, so dass die Vorrichtung mit einer großen Bandbreite von Fluiden und Gasen für verschiedene Anwendungen verwendet werden kann. Die Hohlfasereinrichtungen ermöglichen raschere Gasübertragungsraten als herkömmliche Kontaktoren, da das hohe Membranoberflächen-Volumen-Verhältnis derartiger Einrichtungen hohe Massenübertragungsraten bietet. Ferner besteht bei der Hohlfaser-Modulkonstruktion eine geringere Gefahr der Kanalbildung, die die Leistungsfähigkeit von herkömmlichen Geräten verschlechtern kann.
Wie 8 zeigt, erlaubt die hydrophobe Membran die freie Diffusion von Gas in die Flüssigkeit und verhindert, dass die Flüssigkeit durch die Membran in das Gas eintritt. Als spezifisches Beispiel fließt in einer Gegenstromkonfiguration CO₂ innerhalb der Hohlfaser (Lumen-Seite des Kontaktors) und DI-Wasser fließt außerhalb der Hohlfaser (Schalen-Seite des Kontaktors). Die hydrophobe Membran erlaubt die freie Diffusion von CO₂ in das Wasser, verhindert jedoch, dass Wasser durch die Membran in die Gasseite übertritt, wodurch blasenfreies gasversetztes DI-Wasser erzeugt wird. Die Menge des im Wasser gelösten CO₂ kann durch Einstellen des CO₂-Partialdrucks geregelt werden. Die elektrische Leitfähigkeit des Wassers ist direkt proportional zur Konzentration von CO₂ im Wasser. Somit kann bei den meisten Anwendungen die Leitfähigkeit des Wassers als ein Maß der CO₂-Konzentration im Wasser verwendet werden.
Das Haupt-Arbeitsprinzip eines Membrankontaktors unterliegt dem Henryschen Gesetz. Das Henrysche Gesetz gibt an, dass bei einer gegebenen Temperatur die Löslichkeit eines Gases in Wasser am Gleichgewicht proportional zu seinem Partialdruck in der Dampfphase in Kontakt mit dem Wasser ist [Gl. 2]. P = Hx [Gl. 2] P = Gas-Partialdruck
H = Koeffizient des Henryschen Gesetzes, eine Funktion der Temperatur
x = Konzentration des gelösten Gases in Wasser am Gleichgewicht
Um somit in dem CO₂-DI-Wasser-Begasungsprozess die in Wasser gelöste Menge von CO₂ zu ändern und aufrechtzuerhalten, muss das System den CO₂-Druck innerhalb des Membrankontaktors einstellen und regeln. Da bestimmte Spülanwendungen eine äußerst niedrige Leitfähigkeit von 10 μS/cm oder weniger erfordern, sollte das System in der Lage sein, einen niedrigen CO₂-Druck zu regeln und verdünnte CO₂-DI-Wasser-Mischungen zu bilden. Wie vorstehend erörtert wird bei herkömmlichen Verfahren CO₂ mit einem neutralen Gas, wie zum Beispiel N₂ verdünnt. Das Neutralgas wird nicht nur als ein Verdünnungsmittel, sondern auch als ein Trägergas genutzt, um geringe Mengen von CO₂ rasch in DI-Wasser zu verteilen. In Abhängigkeit davon, wie niedrig die Leitfähigkeit ist, kann eine substantiell große Menge von Verdünnungsgas erforderlich sein, wie in der nachstehenden Tabelle 6 beispielhaft dargestellt. Bei einem herkömmlichen Verfahren der Verdünnung von CO₂ mit N₂ muss ein CO₂:N₂ Durchflussverhältniss von 1:1600 aufrechterhalten werden, um eine Leitfähigkeit von 1 μS/cm zu erreichen. Tabelle 6

CO₂-Verbrauch (slm) N₂-Verbrauch (slm) Zielleitfähigkeit (μS/cm) Wasserdurchflussmenge (LPM)

Direkte Injektion 0,001 0 1 1

Verdünnung von CO₂ mit N₂ 0,02 32 1 1
Die Nachteile der Verwendung eines derartigen Verdünnungsverfahrens sind ein hoher Gesamtgasverbrauch und das Einführen einer unerwünschten Gasart in den Prozess. Zusätzlich bringt das Verfahren eine höhere Gefahr mit sich, dass Ausgasung und Blasenbildung auftreten. Im Vergleich dazu erfordert ein neues Verfahren zur Herstellung von extrem verdünnten CO₂-DI-Wasser-Mischungen durch direkte Injektion keine Art von Gas oder Fluid-Mischung. In Kombination mit der hohen Kontakteffizienz der Vorrichtung kann dieses direkte Injektionsverfahren das Erfordernis für ein Verdünnungsgas beseitigen und senkt den Gesamtgasverbrauch.
9 zeigt ein Diagramm, das beispielhafte Beziehungen zwischen einem Gasverbrauch und der Wasserdurchflussmenge bei Aufrechterhaltung von verschiedenen Leitfähigkeits-Sollwerten gemäß einer Ausführungsform eines direkten Injektionsverfahrens darstellt. Genauer ausgedrückt zeigt 9 den CO₂-Verbrauch gegen die DI-Wasserdurchflussmenge bei Raumtemperatur oder 25°C für Leitfähigkeits-Sollwerte von 6 μS/cm, 20 μS/cm und 40 μS/cm unter Verwendung eines Voll-PFA-Membrankontaktors von Entegris. Zusätzlich ist das direkte Injektionsverfahren in der Lage, geringe Mengen von CO₂ rasch und gleichförmig innerhalb des Kontaktors zu verteilen, was zu einer raschen Ansprechzeit führt.
Das verschiedene Prozesse verschiedene CO₂-Konzentrationen in Wasser erfordern können, sollten verschiedene Ausführungsformen eines CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems in der Lage sein, einen breiten Leitfähigkeitsbereich für verschiedene Wasserdurchflussmengen bereitzustellen. Die nachstehende Tabelle 7 zeigt die minimale und maximale Leitfähigkeit, die eine Ausführungsform eines CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems, das einen einzelnen Membrankontaktor enthält, bei Wasserdurchflussmengen von 1 LPM und 20 LPM bei 25°C unter einem CO₂-Druck bis zu 40 psi erzielen kann. Tabelle 7

DI-Wasserdurchflussmenge (LPM) minimale Leitfähigkeit (μS/cm) maximale Leitfähigkeit (μS/cm)

1 0,5 65

20 0,5 30
Durch Verwendung des vorstehend beschriebenen einzigartigen Direkteinjektionsverfahrens kann eine kleine Menge von CO₂ direkt in das Wasser injiziert werden, um eine Leitfähigkeit von nur 0,5 μS/cm ohne jegliches Mischen aufrechtzuerhalten. Für Anwendungen, die hohe CO₂-Konzentrationen erfordern, ist das System in der Lage, eine Wasserleitfähigkeit von bis zu 65 μS/cm für einen Wasserdurchfluss von 1 LPM und 30 μS/cm für einen Wasserdurchfluss von 20 LPM zu erzeugen. Die maximal erreichbare Leitfähigkeit nimmt bei einem gegebenen CO₂-Druck ab, wenn die Wasserdurchflussmenge ansteigt, bedingt durch die Kontakteffizienz, die durch die Verweilzeit beschränkt wird. Eine höhere Leitfähigkeit kann in Anwendungen mit hohem DI-Wasserdurchfluss durch Verwendung von mehreren Membrankontaktoren erzielt werden, wodurch die Verweilzeit effektiv gesteigert wird.
Mit dem Trend in der Industrie zur Einzel-Wafer-Verarbeitung und Mehrkammer-Cluster-Werkzeugkonfigurationen werden Ausgabezyklen verkürzt, um den Durchsatz aufrechtzuerhalten, und Abläufe werden komplizierter, um der zunehmenden Komplexität und den Funktionen der Werkzeuggestaltung gerecht zu werden. Als Resultat erfordern fortschrittliche Reinigungsschritte einen breiten Bereich von Wasserdurchfluss und rasche Veränderungen der Durchflussmengen. Ferner müssen die Konzentrationen von kohlensaurem Wasser (Leitfähigkeit) geregelt werden und aufrechterhalten werden, um einen unterbrechungsfreien und stabilen Prozess zu gewährleisten. Die Komplexität des Prozesses in Kombination mit stringenter Prozessregelung bedeutet für die Regelung der Systemleitfähigkeit eine Reihe von Herausforderungen. Somit können verschiedene Ausführungsformen eines CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems eine optimierte Regelschleife umsetzen, die nicht nur den Prozess während gradueller Veränderungen stabilisieren kann, sondern auch Abweichungen minimieren kann und eine rasche Rückstellung bei drastischen Schwankungen der Durchflussmenge bieten kann. In einigen Ausführungsformen kann ein CO₂-DI-Wasser-Begasungssystem eine Leitfähigkeits-Regelschleife auf PID-Basis enthalten, die in der Lage ist, mit verschiedenen Veränderungsschemata der Durchflussmenge umzugehen, einschließlich gradueller und drastischer Veränderungen der Wasserdurchflussmenge, wie beispielhaft in 10–12B dargestellt.
Graduelle Veränderungen der Wasserdurchflussmenge
Wie 10 zeigt, können Ausführungsformen eines CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems, welches das direkte Injektionsverfahren umsetzt, die Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit innerhalb von +/–5% der Zielleitfähigkeit von 6 μS/cm erreichen, während sich die Wasserdurchflussmenge alle 30 s um 1 LPM zwischen 8–12 LPM bei 25°C Wassertemperatur ändert.
11 veranschaulicht zwei Back-to-Back-Waferdurchläufe mit einer Wafer-Übertragungszeit von 15 s zwischen jedem Durchlauf. Jeder Durchlauf umfasst eine 2 LPM Veränderung der Wasserdurchflussmenge alle 30 s zwischen 2 LPM und 16 LPM mit einem Leitfähigkeits-Sollwert von 40 μS/cm bei 24°C Wassertemperatur. Während einer 15-Sekunden-Wafer-Übertragung wird der Wasserdurchfluss unterbrochen und der CO₂-Durchfluss abgeschaltet. Während jedes Durchlaufs ist die Regelschleife in der Lage, die Leitfähigkeit innerhalb von 5% des Sollwertes zu halten. Mit Beginn des nächsten Durchlaufs wird das Leitfähigkeitsniveau innerhalb von Sekunden auf den Sollwert rückgestellt. Im Verlauf der beiden Durchläufe einschließlich der Leerlaufzeit während der Wafer-Übertragung übersteigt das Leitfähigkeitsniveau niemals +/– 10% des Sollwertes.
Drastische Veränderungen der Wasserdurchflussmenge
Drastische Veränderungen der Wasserdurchflussmenge sind in Mehrkammerprozessen nicht ungewöhnlich. In Abhängigkeit von der Größe der Veränderungen der Wasserdurchflussmenge kann manchmal ein herkömmlicher PID-Regelungsalgorithmus nicht ausreichend sein, um eine akzeptable Reaktion und Stabilität zu erhalten. Beispielsweise dauert es für den stromabwärts gelegenen Sensor bei abnehmender Wasserdurchflussmenge länger, Veränderungen der Leitfähigkeit des Wassers zu erfassen. Einfache PID-Regler sind nicht dafür konstruiert, momentane Verzögerungen zu berücksichtigen. Demgemäß können verschiedene Ausführungsformen eines hierin aufgezeigten CO₂-DI-Wasser-Begasungssystems eine zusätzliche Regelungsoptimierung umsetzen, um die Überschreitung der Leitfähigkeit zu minimieren, wenn die Wasserdurchflussmenge rasch abfällt. Im einzelnen kann ein Merkmal zur Kompensation einer Leitfähigkeitsüberschreitung umgesetzt werden, um die Abweichung der Leitfähigkeit während größerer Verminderungen des Wasserdurchflusses zu minimieren. Ein derartiges Merkmal ist für den Unterschreitungsversatz nicht erforderlich, da die Unterschreitung auftreten kann, wenn die Wasserdurchflussmenge zunimmt, in welchem Fall die Erfassungsverzögerung kein Problem darstellt. 12A und 12B vergleichen das Ausmaß der Überschreitung mit und ohne Kompensation. Wenn keine Überschreitungskompensation verwendet wird, wird eine Abweichung von 20% bei der Überschreitung von dem Sollwert der Leitfähigkeit beobachtet, wenn der Wasserdurchfluss von 16 LPM auf 2 LPM abnimmt (12A). Wenn eine Überschreitungskompensation verwendet wird (12B), wird bei demselben Abfall der Wasserdurchflussmenge nur eine Abweichung von 10% bei der Überschreitung beobachtet.
In der vorstehenden Beschreibung wurde die Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen beschrieben. Für den Durchschnittsfachmann ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und Schutzumfang der hierin aufgezeigten spezifischen Ausführungsformen zu verlassen. Demgemäß sind die hierin aufgezeigte Beschreibung und Figuren einschließlich der beiliegenden Anhänge vielmehr in erläuterndem als in einschränkendem Sinn zu betrachten, und alle derartigen Modifikationen sollen in dem Schutzumfang der Offenbarung eingeschlossen sein.
Zusammenfassung
Hierin aufgezeigte Ausführungsformen können geringe Mengen von Gas mit einer raschen Ansprechzeit und einer geringen Konzentrationsschwankung in eine Flüssigkeit einführen. In einer Ausführungsform wird ein Gas in einen Einlass auf einer Gaskontaktseite eines porösen Elements eines Kontaktors geleitet und eine Flüssigkeit wird in einen Einlass auf einer Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors geleitet. Die Flüssigkeitskontaktseite und die Gaskontaktseite sind durch das poröse Element und ein Gehäuse getrennt. Das Gas wird von einem Auslass auf der Gaskontaktseite des porösen Elements mit einem verminderten Druck im Vergleich zum Druck des in den Einlass des Kontaktors strömenden Gases abgezogen. Eine Flüssigkeit, die einen Anteil des in die Flüssigkeit übertragenen Gases enthält, wird von einem Auslass der Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements abgezogen, womit eine verdünnte blasenfreie Lösung erzeugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6328905 [0006]
US 7264006 [0006]
US 7273549 [0006]
US 6805731 [0052]
WO 2005/072487 [0075]
WO 2006/007376 [0075]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Meyer, Pflügers Archive European Journal of Physiology, Seiten 161–165, Bd. 375, Juli 1978 [0079]

Claims

Begasungssystem, enthaltend: einen Membrankontaktor, der eine Gaskontaktseite mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, eine Flüssigkeitskontaktseite mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass und ein poröses Element hat, wobei ein Speisegas unter einem ersten Druck über den Gaseinlass zu der Gaskontaktseite des Membrankontaktors geleitet wird, wobei eine Speiseflüssigkeit über den Flüssigkeitseinlass zu der Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors geleitet wird; einen Gasdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass des Membrankontaktors steht, um eine Gasdurchflussmenge des Speisegases zu regeln; einen Flüssigkeitsdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors steht, um eine Flüssigkeitsdurchflussmenge der Speiseflüssigkeit zu regeln; und eine Vorrichtung verminderten Drucks, die in Fluidverbindung mit dem Gasauslass des Membrankontaktors steht, um den ersten Druck auf der Gaskontaktseite des Membrankontaktors auf einen zweiten Druck zu vermindern, wobei das poröse Element verhindert, dass die Speiseflüssigkeit in die Gaskontaktseite des Membrankontaktor eintritt, wobei das poröse Element zulässt, dass eine Menge Speisegas durchtritt und sich in der Speiseflüssigkeit löst, um eine gasversetzte Flüssigkeit zu erzeugen.
Begasungssystem nach Anspruch 1, ferner enthaltend einen Leitfähigkeitssensor oder eine Konzentrationsüberwachungseinrichtung, die mit dem Flüssigkeitsauslass des Membrankontaktors verbunden ist.
Begasungssystem nach Anspruch 2, ferner enthaltend einen Drucksensor, der mit dem Gasauslass des Membrankontaktors verbunden ist.
Begasungssystem nach Anspruch 3, ferner enthaltend einen oder mehrere Regler, die in der Lage sind: ein oder mehrere Eingangssignale von dem Gasdurchflussregler, dem Flüssigkeitsdurchflussregler, der Vorrichtung verminderten Drucks, dem Leitfähigkeitssensor oder der Konzentrationsüberwachungseinrichtung, dem Drucksensor oder einer Kombination daraus zu empfangen; das eine oder mehrere Eingangssignale mit entsprechenden Sollwerten zu vergleichen; eine Sollkonzentration für die gasversetzte Flüssigkeit zu bestimmen; und ein oder mehrere Ausgangssignale zu erzeugen, um den ersten Druck, die Gasdurchflussmenge des Speisegases, die Flüssigkeitsdurchflussmenge der Speiseflüssigkeit oder eine Kombination daraus zu verändern, um ein Niveau der Gaskonzentration in der gasversetzten Flüssigkeit innerhalb eines Bereichs der Sollkonzentration zu halten.
Begasungssystem nach Anspruch 4, bei welchem der Bereich innerhalb von etwa 15%, 10%, 5% oder 3% der Sollkonzentration liegt.
Begasungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der zweite Druck etwa 40 kPa oder weniger ist.
Begasungssystem nach Anspruch 1, ferner enthaltend eine Kondensationsfalle mit Vakuumisolierventilen, die zwischen der Vorrichtung verminderten Drucks und dem Membrankontaktor angeordnet sind.
Begasungssystem nach Anspruch 1, bei welchem das Speisegas Kohlendioxid enthält, ferner enthaltend eine Gasquelle, die in Fluidverbindung mit dem Durchflussmengenregler steht, um das Kohlendioxid durch den Durchflussmengenregler an den Membrankontaktor abzugeben, ein Kohlendioxid-Regelventil, das zwischen der Gasquelle und dem Durchflussmengenregler angeordnet ist, mindestens einen mit dem Durchflussmengenregler gekoppelten Regler, ein zwischen dem mindestens einen Regler und dem Membrankontaktor positioniertes Stickstoff-Regelventil und eine Stickstoffquelle in Fluidverbindung mit dem Membrankontaktor, wobei das Kohlendioxid-Regelventil geschlossen ist, wenn das Stickstoff-Regelventil offen ist.
Begasungsverfahren, enthaltend: Einleiten eines Gases in einen Gaseinlass auf einer Gaskontaktseite eines porösen Elements eines Kontaktors; Einleiten einer Flüssigkeit in einen Flüssigkeitseinlasses auf einer Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors, wobei die Flüssigkeit von dem Gas durch das poröse Element und ein Kontaktorgehäuse getrennt ist; Anlegen eines verminderten Drucks an die Gaskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors; Abziehen des Gases von einem Gasauslass des Kontaktors unter dem verminderten Druck; Zulassen, dass eine Menge des Gases durch das poröse Element tritt und sich in der Flüssigkeit auf der Flüssigkeitskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors löst; und Abziehen einer gasversetzten Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsauslass des Kontaktors, welche eine Leitfähigkeit hat, die höher ist als diejenige der Flüssigkeit, und die blasenfrei oder im wesentlichen blasenfrei ist.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner enthaltend: Einstellen des verminderten Drucks, einer Gasdurchflussmenge, einer Flüssigkeitsdurchflussmenge oder einer Kombination daraus, um die Leitfähigkeit der gasversetzten Flüssigkeit innerhalb eines Zielbereichs zu halten, Entfernen von Kondensat von dem Kontaktor, oder eine Kombination daraus.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner enthaltend: Sammeln des von dem Kontaktor entfernten Kondensats.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner enthaltend: Schließen eines ersten Ventils, um den Durchfluss von Gas in den Gaseinlass auf der Gaskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors zu unterbrechen; und Öffnen eines zweiten Ventils, um ein neutrales Gas in die Gaskontaktseite des porösen Elements des Kontaktors eintreten zu lassen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem das Öffnen des zweiten Ventils ferner das Öffnen des zweiten Ventils zur gleichen Zeit oder etwa zur gleichen Zeit mit der Änderung einer Durchflussmenge enthält.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Menge von Gas in der gasversetzten Flüssigkeit etwa 5000 Teile pro Million (ppm) oder weniger, etwa 500 ppm oder weniger, etwa 50 ppm oder weniger oder etwa 5 ppm oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem die Leitfähigkeit etwa 10 Mikrosiemens oder weniger oder etwa 5 Mikrosiemens oder weniger beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der verminderte Druck etwa 40 psi oder weniger, etwa 15 psi oder weniger oder etwa 2 psi oder weniger beträgt.
Begasungssystem, enthaltend: einen Kontaktor, der eine Gaskontaktseite, eine Flüssigkeitskontaktseite und ein poröses Element hat; eine Gasquelle, die in Fluidverbindung mit dem Kontaktor steht, um dem Kontaktor ein Speisegas zuzuführen; eine Flüssigkeitsquelle, die in Fluidverbindung mit dem Kontaktor steht, um dem Kontaktor eine Speiseflüssigkeit zuzuführen; einen Gasdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit der Gasquelle und dem Kontaktor steht, um eine Gasdurchflussmenge des Speisegases zu regeln; einen Flüssigkeitsdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitsquelle und dem Kontaktor steht, um eine Flüssigkeitsdurchflussmenge der Speiseflüssigkeit zu regeln; und eine Vakuumquelle, die mit der Gaskontaktseite des Kontaktors in Fluidverbindung steht, um eine Geschwindigkeit zu steigern, mit welcher eine Menge des Speisegases durch das poröse Element des Kontaktors tritt und sich in der Speiseflüssigkeit auf der Flüssigkeitskontaktseite löst, um eine blasenfreie oder im wesentlichen blasenfreie gasversetzte Flüssigkeit zu bilden, die eine Leitfähigkeit hat, die höher als diejenige der Speiseflüssigkeit ist.
Begasungssystem nach Anspruch 17, ferner enthaltend mindestens einen Logik-Regler, der in Kommunikationsverbindung mit dem Gasdurchflussregler, dem Flüssigkeitsdurchflussregler und der Vakuumquelle steht, um die Gasmenge in der gasversetzten Flüssigkeit auf etwa ±20% oder weniger eines Sollwertes zu halten.
Begasungssystem nach Anspruch 18, bei welchem der mindestens eine Logik-Regler eine Rückkopplungsregelung mit einer Regelung mit Vorwärtskopplung kombiniert.
Begasungssystem nach Anspruch 17, bei welchem die Vakuumquelle in der Lage ist, Abgas und flüssiges Kondensat von dem Kontaktor zu entfernen.
Begasungssystem, enthaltend: einen Membrankontaktor, der eine Gaskontaktseite mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, eine Flüssigkeitskontaktseite mit einem Flüssigkeitseinlass und einem Flüssigkeitsauslass und ein poröses Element hat, wobei ein Speisegas unter einem ersten Druck über den Gaseinlass zu der Gaskontaktseite des Membrankontaktors geleitet wird, wobei eine Speiseflüssigkeit über den Flüssigkeitseinlass zu der Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors geleitet wird; eine Vorrichtung verminderten Drucks, die in Fluidverbindung mit dem Gasauslass des Membrankontaktors steht, um den ersten Druck auf der Gaskontaktseite des Membrankontaktors auf einen zweiten Druck zu vermindern, wobei das poröse Element verhindert, dass die Speiseflüssigkeit in die Gaskontaktseite des Membrankontaktors eintritt, wobei das poröse Element zulässt, dass eine Menge Speisegas durchtritt und sich in der Speiseflüssigkeit löst, um eine gasversetzte Flüssigkeit zu erzeugen; und einen oder mehrere Regler, die in der Lage sind: ein oder mehrere Eingangssignale von einem Gasdurchflussregler, einem Flüssigkeitsdurchflussregler, einer Vorrichtung verminderten Drucks, einem Leitfähigkeitssensor oder einer Konzentrationsüberwachungseinrichtung, einem Drucksensor oder einer Kombination daraus zu empfangen; das eine oder mehrere Eingangssignale mit entsprechenden Sollwerten zu vergleichen; eine Sollkonzentration für die gasversetzte Flüssigkeit zu bestimmen; und ein oder mehrere Ausgangssignale zu erzeugen, um den ersten Druck, die Gasdurchflussmenge des Speisegases, die Flüssigkeitsdurchflussmenge der Speiseflüssigkeit oder eine Kombination daraus zu verändern, um ein Niveau der Gaskonzentration in der gasversetzten Flüssigkeit innerhalb eines Bereichs der Sollkonzentration zu halten.
Begasungssystem nach Anspruch 21, ferner enthaltend einen Gasdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit dem Gaseinlass des Membrankontaktors steht, um eine Gasdurchflussmenge des Speisegases zu regeln.
Begasungssystem nach Anspruch 21, ferner enthaltend einen Flüssigkeitsdurchflussregler, der in Fluidverbindung mit der Flüssigkeitskontaktseite des Membrankontaktors steht, um eine Flüssigkeitsdurchflussmenge der Speiseflüssigkeit zu regeln.