DE60123967T2

DE60123967T2 - Vortex reduzierender anschluss

Info

Publication number: DE60123967T2
Application number: DE60123967T
Authority: DE
Inventors: Alexander Jeffrey Mesa WILMER; R. David Chandler KUYAT
Original assignee: Kinetics Chempure Systems Inc Tempe; Kinetics Chempure Systems Inc
Current assignee: Celerity Inc
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: WO2002011871A3; WO2002011871A2; TW506853B; ATE342766T1; AU2001281206A1; US6536468B1; EP1309393A2; DE60123967D1; EP1309393B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Vermischungs- und Haltegefäße und insbesondere auf eine Vorrichtung, die den Strömungsmittelstrom durch einen Austrittsanschluss eines Gefäßes umleitet, um eine Vortexbildung zu verringern oder zu beseitigen, während ein Strömungsmittel aus dem Gefäß abgelassen wird.
Hintergrund der Erfindung
Verschiedene Mittel zum Vermischen von Flüssigkeiten sind in der Technik bekannt. Sowohl eintauchende bzw. intrusive als auch nicht eintauchende bzw. nicht intrusive Mittel wurden verwendet, um Strömungsmittel, einschließlich Kolloidsuspensionen, zu vermischen, um die Separation bzw. Abtrennung homogener Lösungen in ihre konstituierende Bestandteile zu verhindern und/oder um Lösungen, die in ihre konstituierenden Elemente separiert wurden, zu rekonstituieren. Intrusive Vermischungsvorrichtungen, oder solche Objekte und Vorrichtungen, die in ein Strömungsmittel eingeführt werden, um das Strömungsmittel mit der Unterstützung einer externen Leistungsquelle zu bewegen bzw. zu rühren, sind bekannt. Derartige Vorrichtungen umfassen die Verwendung von intrusiven mechanischen Mischern, die durch elektrische oder pneumatische Motoren angetrieben werden. Diese Vorrichtungen liefern ein relativ hohes Drehmoment und/oder Drehung bzw. Rotation des Strömungsmittels und können zu nachteiligen Effekten auf die Strömungsmittel als Folge der Bildung eines signifikanten Vortex oder Wirbel in dem Strömungsmittel führen. Darüber hinaus können typischerweise, wenn ein Strömungsmittel aus einem Haltegefäß durch einen Abfluss in einer vertikalen Richtung abgelassen wird, Taschen von geringer oder keiner Strömungsmittelbewegung beim Boden des Haltegefäßes erzeugt werden.
In einigen chemischen Umgebungen können weitere nachteilige Effekte des intrusiven Verrührens gesehen werden, und zwar in der Form von Schaumbildung oder Gelbildung des Strömungsmittelkörpers, während dieser in einem Vermischungsbehälter oder ähnlichen Haltegefäß gemischt wird. Derartige Schaumbildung oder Gelbildung kann die Parameter der Strömungsmittel verschiedener chemischer Zusammensetzungen verändern und deren Leistung nachteilig beeinflussen. Zusätzlich können intrusive Vermischungsvorrichtungen und -verfahren Luft in die Mischung oder das Strömungsmittel einleiten und können die Oxidation von bestimmten chemischen Mischungen verursachen, wodurch die chemische Reaktivität des Strömungsmittels verändert wird.
Strömungsmittel und insbesondere Kolloidsuspensionen, wie beispielsweise Aufschlämmungen bei der Chemisch-Mechanischen-Planarisation (CMP) von Halbleiterwafern sind am effektivsten, wenn sie an CMP-Werkzeuge in einem homogenen Zustand geliefert werden, und zwar ohne Luft in der Lieferleitung, die Strömungsmittel an diese Werkzeuge liefert.
U.S. Patent Nr. 4,394,966 an Snyder et al. offenbart eine Sprühvorrichtung mit einem Strömungsmittelspeicherbehälter mit einer Rührvorrichtung und Antivortexbehälterfittings bzw. -zubehör. Die Antivortexvorrichtung wird auf einem Strömungsmittelauslassrohr angebracht und verhindert die Bildung eines drehenden Vortex, indem das Strömungsmittel in dem Strömungsmittelspeicherbehälter gezwungen wird, eine 90 Grad Wendung vorzunehmen, während es abgelassen wird. Die Antivortexvorrichtung umfasst eine Kappe bzw. einen Anschluss, welche die Öffnung in dem Strömungsmittelauslassrohr in einer festen Entfernung überlagert.
Die Internationale Patentveröffentlichung Nr. WO 99/15265 offenbart eine Vorrichtung und Verfahren zum homogenen Vermischen einer Lösung. Eine vortexreduzierende Kappe bzw. Anschluss ist bei der Basis des Haltegefäßes über einem Auslassanschluss oder Ablass befestigt. Der vortexreduzierende Anschluss weist einen geformten Körper mit Einlassanschlüssen auf, die sich durch seine Seiten zu dem Kanal der Lösung durch den Körper und in den Auslass oder den Abfluss erstrecken.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung sieht einen vortexreduzierenden Anschluss vor, wobei der Anschluss eine obere massive bzw. solide Oberfläche aufweist, die größer ist als oder gleich der Fläche eines Austrittanschlusses in einem Gefäß ist, eine Basis, die mit einer Außenoberfläche des Gefäßes verbunden ist, und eine Seitenwand, die zwischen der oberen Oberfläche und der Basis positioniert ist. Ein Einlass ist in der Seitenwand positioniert, die eine oder mehrere Zumessöffnungen aufweisen kann.
Die Erfindung besitzt eine besondere Anwendbarkeit für das Vermischen und Liefern von Kolloidsuspensionen, einschließlich Aufschlämmungen, die bei der CMP von Halbleiterwafern verwendet werden. Derartige Kolloidsuspensionen sind dafür bekannt, dass sie sich aus einer homogenen Verteilung in die konstituierenden chemischen Komponenten separieren. Allgemeiner kann die Erfindung jedoch in zahlreichen anderen Anwendungen verwendet werden, die homogene Strömungsmittel erfordern, und es wird nicht erwogen, dass die Erfindung auf Aufschlämmungen oder CMP-Anwendungen beschränkt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte, nicht beschränkende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden als Beispiel mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 eine isometrische Ansicht, die in Kombination einen Mehrdüsenmischer und den vortexreduzierenden Anschluss zeigt;
2 eine obere Vorderseitenperspektivansicht eines vortexreduzierenden Anschlusses, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine untere Vorderseitenperspektivansicht eines vortexreduzierenden Anschlusses, wie er in 2 gezeigt ist;
4 eine seitliche Querschnittsansicht des vortexreduzierenden Anschlusses, wie er in 2 gezeigt ist;
5 eine seitliche Bodenseitenperspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des vortexreduzierenden Anschlusses, der nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine seitliche Querschnittsansicht des vortexreduzierenden Anschlusses, der in 5 gezeigt ist, und zwar in einem Gefäß installiert;
7 eine obere Draufsicht eines Ausführungsbeispiels des vortexreduzierenden Anschlusses, wobei eine Bodenansicht in gestrichelten Linien gezeigt ist; und
8 eine seitliche Explosionsansicht des vortexreduzierenden Anschlusses, der in 7 gezeigt ist, und zwar installiert in einem Gefäß.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen vortexreduzierenden Anschluss, der eine obere, massive bzw. solide Oberfläche, eine Basis, eine Seitenwand und einen Einlass aufweist, der in der Seitenwand positioniert ist, gemäß Anspruch 1. Der vortexreduzierende Anschluss ist über einem Austrittsanschluss in einem Vermischungs- oder Haltegefäß positioniert, um den Strömungsmittelstrom umzuleiten, während das Strömungsmittel aus dem Gefäß entnommen wird. Wie hierin verwendet, umfasst die Bezeichnung „Strömungsmittel" Flüssigkeiten, Flüssigkeit/Flüssigkeit-Mischungen, chemische Zusammensetzungen, Flüssigkeit/Feststoff-Mischungen, Kolloidsuspensionen und Aufschlämmungen, sowie ähnliche Lösungen. Wenn ein Strömungsmittel aus einem Gefäß abgelassen wird, bildet sich typischerweise ein Vortex in dem Strömungsmittel über und entlang der Mittellinie des Austrittanschlusses. Während der Strömungsmittelpegel abnimmt, neigt der Vortex dazu, Luft in den Austrittsanschluss zu ziehen, was zu einer Oxidation bestimmter chemischer Mischungen führen kann, wodurch die chemische Reaktivität des Strömungsmittels verändert wird. Insbesondere verringert Luft, die in Kolloidsuspensionen eingeschlossen ist, die in der CMP von Halbleiterwafern verwendet werden, die Effizienz der Suspension, wenn diese an CMP-Werkzeuge geliefert wird. Der vortexreduzierende Anschluss erzeugt multiple Vortizes, die dazu neigen, sich gegenseitig aufzuheben und kann einen typischen Vortex verringern oder beseitigen. Durch Umleiten der Strömungsmittelströmung kann der vortexreduzierende Anschluss ebenfalls die Menge an Feststoffverdichtung oder – zusammenbacken reduzieren, der sich entlang der Wände des Gefäßes ablagern kann, wie es während des Ablassens von Kolloidsuspensionen auftreten kann. Der vortexreduzierende Anschluss kann daher beim Liefern von homogenen Kolloidsuspensionen, ebenso wie anderen Strömungsmitteln, zu ihrem Ziel helfen.
Der vortexreduzierende Anschluss kann mit irgendeinem Halte- oder Vermischungsgefäß einschließlich intrusiver und nicht-intrusiver Gefäße verwendet werden. Das Gefäß kann jegliche herkömmliche Querschnittsform besitzen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, einer kreisförmigen, quadratischen oder rechteckigen. In ähnlicher Weise kann die Gefäßbasis jegliche Form besitzen, wie beispielsweise eine flache oder konische. Ferner kann der vortexreduzierende Anschluss ebenfalls in Verbindung mit einem Filter oder anderen Vorrichtung verwendet werden, die innerhalb oder nahe des Gefäßes positioniert sind.
Der vortexreduzierende Anschluss kann aus irgendeinem geeigneten, bekannten Material, wie beispielsweise Polymeren, Stahl, Metall und Ähnlichem bestehen. Das Material ist vorzugsweise mit sowohl dem Gefäß als auch dem Strömungsmittel kompatibel. Der vortexreduzierende Anschluss besitzt eine obere massive bzw. solide Oberfläche mit einem Bereich der vorzugsweise größer ist oder gleich zu einem offenen Bereich des Austrittsanschlusses. Wie hierin verwendet, ist die Bezeichnung „massiv bzw. solide" definiert als wenige oder keine Öffnungen besitzend, um den Großteil der Strömungsmittelströmung weg von der Mittellinie des Austrittsanschlusses umzuleiten. Die obere, solide Oberfläche kann jegliche Form besitzen, wie beispielsweise eine quadratische, halbkugelförmige oder pyramidale.
Der vortexreduzierende Anschluss weist eine oder mehrere Seitenwände auf, wobei die Seitenwände jegliche Form besitzen können, einschließlich Seitenwänden, die unregelmäßig oder senkrecht zu der oberen Oberfläche und/oder der Gefäßbasis sind. Die Seitenwand ist zwischen der oberen, soliden Oberfläche und der Anschlussbasis positioniert und kann sich zu jeglicher Höhe über der Gefäßbasis erstrecken und ist vorzugsweise senkrecht zu der horizontalen Ebene des Austrittsanschlusses. Vorzugsweise besitzt die Seitenwand eine ausreichende Höhe, um einen Einlass unterzubringen, der es ermöglicht, dass Strömungsmittel durch den Austrittsanschluss strömt, und zwar ohne eine signifikante Verringerung des Strömungsmittelvolumendurchsatzes. Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck „signifikante Verringerung", dass das Strömungsvolumen durch den Austrittsanschluss um nicht mehr als ungefähr 5% beschränkt wird.
Der Einlass in der Seitenwand kann eine oder mehrere Zumessöffnungen aufweisen, die vorzugsweise bemessen sind, um eine maximale Strömungsmittelströmung durch den Austrittsanschluss zuzulassen. Die eine oder mehreren Zumessöffnungen erstrecken sich von der Seitenwand zu der Mitte des Anschlusses und treten durch die Basis des Anschlusses aus. Die eine oder mehreren Zumessöffnungen können innerhalb des Anschlusses miteinander verbunden sein. Sie können jegliche Form besitzen und können nahe an oder benachbart zu der Anschlussbasis gelegen sein, um eine Strömungsmittelstauung bzw. -stagnation und eine Feststoffverdichtung an der Gefäßbasis zu verhindern. Alternativ können die einen oder mehreren Zumessöffnungen auf der Seitenwand angeordnet sein, so dass sie nahe an oder benachbart zu der Gefäßbasis gelegen sind, wenn sie in dem Gefäß installiert sind. Die vertikale Ebene der einen oder mehreren Zumessöffnungen ist vorzugsweise senkrecht zu einer horizontalen Ebene des Austrittanschlusses positioniert. Die eine oder mehreren Zumessöffnungen sind vorzugsweise positioniert und angeordnet, um eine gleichmäßige Strömung um die Außenbegrenzung des vortexreduzierenden Anschlusses vorzusehen.
Die Anschlussbasis ist mit dem Austrittsanschluss des Gefäßes durch jegliches bekanntes, herkömmliches Mittel verbunden. Beispielsweise kann die Anschlussbasis einen Flansch zum Befestigen des Anschlusses an der Gefäßbasis durch eine Vielzahl von Mitteln, einschließlich z.B. Schrauben, Klebstoffen und Schweißen, aufweisen. Der vortexreduzierende Anschluss kann ferner einen Stutzen aufweisen, die sich von der Basis aus zur Einführung in den Austrittsanschluss erstreckt. Der Stutzen kann konstruiert und angeordnet sein, um in einen Austrittsanschluss ohne Gewinde pressgepasst zu werden oder kann eine mit Gewinde versehene Außenoberfläche aufweisen, um mit einer mit Gegengewinde aufwei senden Oberfläche in dem Austrittsanschluss zusammenzupassen. Alternativ kann sich die Seitenwand in den Austrittsanschluss erstrecken.
In 1 ist der vortexreduzierende Anschluss 62 in einem Gefäß 10 oberhalb eines Austrittsanschlusses oder eines Abflusses 14 positioniert und unterstützt das Steuern der Richtung der Strömungsgeschwindigkeit an dem Austrittsanschluss 14. Der vortexreduzierende Anschluss hilft sowohl beim (1) Unterstützen beim Vorsehen einer gleichförmigen Geschwindigkeitskomponente, und zwar parallel zu der Basis 54 des Haltegefäßes 10, um die Menge an Feststoffverdichtung oder – zusammenbacken entlang der Wände des Haltegefäßes 10 zu verringern, und (2) Verändern des "Corioliseffekts" oder der Bildung eines Vortex oder Wirbels, der sich ausbilden kann, wenn die Flüssigkeit aus dem Haltegefäß 10 bei der Basis 54 abgelassen wird.
Um eine gleichmäßigere Verteilung der Flüssigkeit an der Basis 54 des Haltegefäßes 10 zu erreichen, zieht ein vortexreduzierender Anschluss 62 Flüssigkeit in einer parallelen Ausrichtung zu der Basis 54 des Haltegefäßes 10, wie mit den Stromlinien 120 gezeigt. Der vortexreduzierende Anschluss 62 wirkt, wie in 1 dargestellt, um bei der kontinuierlichen Zirkulation des Strömungsmittels im Bereich nahe der Basis 54 oder des Austrittsanschlusses 14 des Haltegefäßes 10 zu helfen.
Das Haltegefäß 10 ist in 1 als ein zylindrisches Gefäß dargestellt. Die Form des Haltegefäßes ist jedoch in der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend und anders geformte Haltegefäße können ebenfalls eingesetzt werden. Zusätzlich, obwohl die Basis des Haltegefäßes 10 in 1 in einer konischen Form dargestellt ist, ist die Form der Basis nicht entscheidend, und andere Formen einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, halbkugelförmige und abgestumpfter Formen, können ebenfalls verwendet werden.
Die Platzierung des vortexreduzierenden Anschlusses 62 ist in 1 dargestellt. Der vortexreduzierende Anschluss 62 ist an der Basis 54 des Haltegefäßes 10 oberhalb des Austrittsanschlusses 14 befestigt. In seiner zweiten Rolle dient der vortexreduzierende Anschluss dazu, die Vortexbildung in dem Strömungsmittelkörper zu verringern. Wenn Strömungsmittel oder Aufschlämmung durch ein Prozesswerkzeug 32 angefordert bzw. nachgefragt wird, sinkt der Strömungsmittelpegel 20. Wenn das Strömungsmittel kontinuierlich zirkuliert wird, ist das Strömungsmittel in einer Abwärtsbewegung und -richtung zu dem Austrittsanschluss 14 ausgerichtet. Dies erzeugt, was als „Corioliseffekt" bekannt ist, in dem sich bewegenden Strömungsmittelkörper, was als ein Vortex oder Wirbel gesehen wird um eine Mittellinie des Abflusses. Ein Vortex, der sich in unteren Strömungsmittelniveaus bildet, neigt dazu, Luft in die Lieferleitung 38 als Folge des Saugens zu ziehen, das durch die Pumpe 30 erzeugt wird. Jegliche Luft, die in die Auslassleitung 52 gezogen wird, wird die Gesamtleistung des Strömungsmittelliefersystems verringern und störend auf die leitungsinternen Instrumente einwirken, die die Leistung des Systems überwachen. Wenn jedoch die Richtung der Strömungsmittelgeschwindigkeit bei dem Abflusspunkt verändert wird, wird der „Corioliseffekt" verändert. Die Gesamtgeschwindigkeitsrichtung, die senkrecht zu der obigen Ausrichtung der Strömungsmittelgeschwindigkeit ist, erzeugt multiple Vortizes, die dazu neigen, sich gegenseitig aufzuheben.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, die sich auf ein Ausführungsbeispiel beziehen das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, kann der vortexreduzierende Anschluss 62 einen geformten Körper 70 aufweisen, der idealer Weise aus einem Material besteht, das homogen mit anderen Komponenten der Vermischungsvorrichtung ist. Der vortexreduzierende Anschluss 62 kann an der Basis 54 des Haltegefäßes 10 durch herkömmliche Mittel befestigt sein, wie beispielsweise Schweißen, Klemmen, Schrauben und chemisches Bonden.
Der vortexreduzierende Anschluss 62 umfasst eine obere solide Oberfläche 60, eine Seitenwand 58 und eine Basis 56. Die obere solide Oberfläche 60 kann jegliche Form, wie beispielsweise eine flache, konvexe, dreieckige oder pyramidenförmige, besitzen. Es wird bevorzugt, dass der Oberflächenbereich der oberen soliden Oberfläche 60 gleich oder größer als der offene Bereich des Austrittsanschlusses 14 ist. Die Seitenwand 58 ist zwischen der oberen Oberfläche 60 und der Basis 56 positioniert und besitzt vorzugsweise eine ausreichende Höhe, um einen Einlass unterzubringen, der es ermöglicht, das Strömungsmittel durch den Auslass 14 strömt, und zwar ohne eine signifikante Verringerung des Strömungsmittelvolumendurchsatzes.
Der Einlass kann einen oder mehrere Zumessöffnungen 72 in der Seitenwand 58 und/oder der Basis 56 aufweisen. Obwohl nicht notwendig, kann die Seitenwand 58 senkrecht zu der Gefäßbasis 54 sein, so dass die einen oder mehreren Zumessöffnungen 72 Mittelebenen besitzen, die senkrecht zu einer Mittelebene des Austrittsanschlusses 14 sind. Die einen oder mehreren Zumessöffnungen 86 erstrecken sich durch die Seitenwand 58, um Strömungsmittel durch den Körper 70 und in den Austrittsanschluss 14 bei der Basis 54 des Haltegefäßes 10 zu kanalisieren, wie in Querschnittsansicht in der 4 gezeigt. In einem Ausführungsbeispiel ist es bevorzugt, dass der Auslass eine maximale Strömung von Strömungsmittel durch den Austrittsanschluss 14 ermöglicht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Summe des Bereichs von den einen oder mehreren Zumessöffnungen größer oder gleich dem offenen Bereich des Austrittsanschlusses 14. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die einen oder mehreren Zumessöffnungen so bemessen und positioniert sind, dass sie zu einer im Wesentlichen gleichen Strömung um den Außenwandumfang des vortexreduzierenden Anschlusses führen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, und das in den 5 und 6 dargestellt ist, kann der vortexreduzierende Anschluss 62 einen Stutzen 74 mit einem Kanal 76 umfassen, der sich von der Basis 56 des geformten Körpers aus erstreckt. Der Stutzen 74 kann verwendet werden, um den vortexreduzierenden Anschluss 62 in dem Ausgang 14 an der Basis des Haltegefäßes 10 zu befestigen. Der Stutzen 74 kann ein Gewinde besitzen, um den vortexreduzierenden Anschluss in einen mit Gewinde versehenen Ablass des Haltegefäßes 10 zu schrauben. Alternativ kann der Stutzen 74 verjüngt oder glatt sein und kann in einen gewindefreien Abfluss des Haltegefäßes pressgepasst sein. Strömungsmittelstromlinien 120 sind zu einer Ebene umgeleitet, die senkrecht zu der Strömungsrichtung durch den Austrittsanschluss 14 ist.
In einem Ausführungsbeispiel, welches einen Teil der vorliegenden Erfindung bildet, und das in 7 und 8 dargestellt ist, weist der vortexreduzierende Anschluss eine entfernbare Kappe bzw. entfernbaren Anschluss 80 auf. Der entfernbare Anschluss 80 besitzt eine obere, solide Oberfläche, eine Seitenwand 84 und eine Basis 112. Eine oder mehrere Zumessöffnungen 86, die bemessen sind, um es zu ermöglichen, dass das Strömungsmittel durch die einen oder mehreren Zumessöffnungen strömt, und zwar ohne signifikante Verringerung der Strömung durch den Austrittsanschluss 14, sind auf der Seitenwand 84 positioniert. Der Flansch 88 besitzt Gewindelöcher 90 zum Befestigen des entfernbaren Anschlusses 80 an Prozessrohrleitungen 92, die ebenfalls Gewindelöcher 94 aufweisen. Der entfernbare Anschluss 80 ist in einer Dichtung 96 positioniert, die benachbart zu einem Gefäßeinsatz 102 positioniert ist. Der Gefäßeinsatz 102 weist Gewindelöcher 106 auf, die die Schrauben 108 aufnehmen, sowie eine Öffnung 104, die bemessen ist, um den entfernbaren Anschluss 80 aufzunehmen. Eine Abdichtung, wie beispielsweise ein O-Ring 98, ist in der Nut 100 positioniert, um eine strömungsmittelartige Abdichtung zwischen dem Anschluss 80 und dem Gefäßeinsatz 102 vorzusehen. Die Schrauben 108 befestigen entfernbar die Prozessrohrleitungen 92, die Dichtungen 96 und den entfernbaren Anschluss 80 an dem Gefäßeinsatz 102. Wenn sie installiert sind, können die Zumessöffnungen 86 nahe an oder benachbart zu der oberen Oberfläche 110 des Gefäßeinsatzes 102 positioniert werden, um die Teilchensedimentierung zu verringern oder zu verhindern.
Der vortexreduzierende Anschluss 80 kann von unterhalb des Haltegefäßes 10 installiert werden. Ein derartiges Verfahren umfasst das Installieren des Einsatzes 102 einschließlich einer Öffnung in dem Gefäß und das Einsetzen eines entfernbaren Anschlusses in die Öffnung. Alternativ kann der Einsatz als eine integrale Struktur des Gefäßes gebildet sein. Ein Prozessrohr 92 kann dann an dem vortexreduzierenden Anschluss und dem Einsatz befestigt werden. Dichtungen 98 können zwischen dem vortexreduzierenden Anschluss und dem Einsatz ebenso wie zwischen dem vortexreduzierenden Anschluss und dem Prozessrohr positioniert sein. Obwohl dieses Ausführungsbeispiel einen Flansch aufweist, der durch Schrauben befestigt ist, würde ein gewöhnlicher Fachmann andere Mittel zum Anbringen des vortexreduzierenden Anschlusses erkennen, wie beispielsweise eine Sperre bzw. Verriegelung, einen Schnellverbinder, eine Presspassung und verschiedene Modifikationen im Verfahren und der Struktur, die einem Fachmann offensichtlich sind.
Der vortexreduzierende Anschluss kann in Verbindung mit irgendeinem Strömungsmittelgefäß, wie beispielsweise einem Gefäß das intrusive und nicht-intrusive Mischer enthält, verwendet werden. Ein derartiges Gefäß ist in der Veröffentlichung WO 99/15265 beschrieben. Wie in 1 dargestellt, wird das Strömungsmittel durch die Lieferleitung 22 eingeleitet und bewegt sich durch das Bogenstück 25 (hier als ein 90° Bogenstück gezeigt) zu dem Vermischungsverteiler 24 und wird durch die Rohrleitung 26 zu jeder Düse 28 abgezweigt.
Das Strömungsmittel tritt aus dem Düsenauslass 29 aus, der eine Innenoberfläche des Haltegefäßes 10 tangiert. Beim Austreten aus den Düsenauslässen 29 bewegt sich das Strömungsmittel kaskadenartig eine Innenumfangswand 16 des Haltegefäßes 10 herab. Die Oberflächenhaftung zwischen dem Strömungsmittel und den Umfangswänden 16 des Haltegefäßes hält das sich kaskadenartig herabbewegende Strömungsmittel an einer Umfangswand 16 bis es mit dem Strömungsmittelkörper zusammentrifft, der bereits in dem Haltegefäß 10 bei dem Strömungsmittelpegel 20 vorhanden ist. Während sich das Strömungsmittel unter der Schwerkraft kaskadenartig die Umfangswände 16 herab bewegt, wird die Dicke des Strömungsmittelstroms zu einer dünnen Schicht verringert bis es mit dem Strömungsmittelkörper in dem Haltegefäß zusammentrifft und verhindert einen Impuls, der das Drehen des gesamten Strömungsmittelkörpers in dem Haltegefäß 10 in einem spiralförmigen Muster zu der Basis 54 des Haltegefäßes 10 hin, wie in 1 dargestellt, beginnen würde. Das Zusammentreffen der dünnen Strömungsmittelschicht mit dem Gesamtströmungsmittelkörper verringert das Falten und Spritzen und erzeugt ebenfalls eine spiralförmige Strömung, die eine homogene Vermischung über das Gefäß hinweg verursacht.
Eine Auslassverbindung 14 an der Basis 54 des Haltegefäßes 10 führt zu einer Lieferleitung 38 und zu einer Zirkulationspumpe 30, durch welche Strömungsmittel entweder zu den Werkzeugen 32 zirkuliert wird, die das Strömungsmittel verwen den werden, beispielsweise in CMP-Anwendungen wo das Strömungsmittel eine Kolloidsuspension, wie beispielsweise eine Aufschlämmung, ist, oder zurück zu dem Haltegefäß 10 durch die Lieferleitung 38 zu der Hauptlieferleitung 22 rezirkuliert und zurück durch die Mehrdüsenvermischungsanordnung, wo der Vermischungsprozess von neuem beginnt.
Die Stromlinien 120, die durch die variierte Ausrichtung erzeugt werden, sind parallel zu der Basis 54 des Haltegefäßes 10 gelegen. Diese Stromlinien neigen dazu, Strömungsmittel zu dem Austrittsanschluss zu kanalisieren, und sie helfen, einen niedrigeren Feststoffgehalt an der Basis vorzusehen als ohne jegliche Vorrichtung. Der vortexreduzierende Anschluss 62 verringert den Effekt des Lufteinschlusses durch Verändern der Richtung des Strömungsmittels, welches in das System durch den Austrittsanschluss eingezogen wird. Diese Verringerung der Vortexbildung hilft, den Betrag des verwendbaren Aufschlämmungsvolumens innerhalb des Haltegefäßes zu assistieren. Da die Richtung der abgehenden Aufschlämmung parallel zu der Basis des Haltegefäßes ist, wird ein besserer Verrührungszustand zu dem Boden des Haltegefäßes 10 hin entwickelt. Die Aufschlämmung an der Basis des Haltegefäßes 10 wird in den Austrittsanschluss hineingezogen, während obere Schichten diesen Hohlraum wiederauffüllen, was zu einer verringerten Wahrscheinlichkeit des Absetzens über die Zeit hinweg durch den kontinuierlichen Zirkulationsprozess führt.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Diese Erfindung ist nicht durch die unten aufgeführten Beispiele begrenzt. Offensichtlich sind zahlreiche Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche möglich.
Beispiel 1
Vierdüsenmischer ohne Strömungsmittelumleitvorrichtungen und vortexreduzierendem Anschluss
Ein Haltegefäß wurde ohne einen vortexreduzierenden Anschluss vorbereitet. Ein Strömungsmittel wurde durch vier Düsen, die die Innenoberfläche des Haltegefäßes tangierten, rezirkuliert. Das Strömungsmittel bewegte sich kaskadenartig die Innenoberfläche des Gefäßes herab, traf auf die Strömungsmitteloberfläche auf und gab eine schraubenförmige Bewegung an den Strömungsmittelkörper weiter. Die Strömungsmitteloberfläche wurde hinsichtlich ihrer Homogenität während der Rezirkulation beobachtet. Beim Ablassen des Strömungsmittels wurde das Gefäß hinsichtlich Absetzen bzw. Ablagern und Zusammenbacken überprüft.
a) Verwendete Materialien

MEGAflow^TM 111B Armatur mit Globalschleifensimulator (Global Loop Simulator)
Vierdüsenmischer, Prototypeinheit
Atomisierungsarmatur
Aufschlämmung, RODEL QCTT-1011
Probenahmeapparatur

b) Ablauf
Eine Vierdüsenmischanordnung wurde aus verfügbaren, vorhandenen Teilen hergestellt. Ein 3/-Zoll-Innengewinde war bei der Mitte der Kreuzung geschnitten, senkrecht zu den Ausrichtungen der Öffnungen. Jede der vier Öffnungen wurde verjüngt bzw. reduziert, um 3/8 Flaretek – 1/2''NPT FPA Anschlussstücke aufzunehmen, und zwar durch Ankleben geeigneter Reduzierstücke. Ungefähr 5,1'' der aufgeweiteten 3/8'' PFA-Rohrleitung wurden mit jeder der PFA-Vorrichtungen verbunden. Jedes der PFA-Rohre wurde mit 3/8'' 90° Rohrbögen verbunden. Die gesamte Anordnung (in der Form eines Kreuzes) wurde so angebracht, dass die Mitte des Kreuzes kollinear mit der Mittellinie des Haltegefäßes war. Die Ausrichtung der Auslässe der Rohrbögen (Düsen) wurde so angeordnet, dass der abgehende Strom des Strömungsmittels die Innenoberfläche des Haltegefäßes tangierte und koplanar zu dem Strömungsmittelpegel war. Der Gesamtbereich des abgehenden Strömungsmittels war 1,56 Mal kleiner als der Standardbereich der ¾'' PFA-Rohrleitung. Die Ausrichtung der Gesamtströmungsmittelrotation bestand in einer Bewegung entgegen den Uhrzeigersinn.
Die Ebene die durch die Mittellinien der vier individuellen Düsen des Mischerkörpers erzeugt wurde, saß 4'' tiefer als die Mittellinie der PFA-Wand bei der Oberseite des Haltegefäßes. Dies verringerte das Gesamtausgangsvolumen des Aufschlämmungskörpers von 23 Gallonen auf 19 Gallonen.
Eine Globalschleife lief für 18 Stunden bei 30 psi. Um das Gesamtgefäßablassen zu beschleunigen und irgendwelche Fehler an den Daten durch Absetzen während eines statischen Ablassens des Haltegefäßes zu verringern, wurde das Gefäß in 2'' Intervalle segmentiert, um die Verteilung gemäß dem Strömungsmittelpegel darzustellen. Die Pumpe wurde abgeschaltet und sämtliche Ventile, die zu dem System führen, wurden geschlossen. Das Haltegefäß wurde unter statischen Bedingungen während der Probensammlung abgelassen. Zwei Proben der Aufschlämmung wurden bei jedem Strömungsmittelpegel genommen. Eine Gesamtzahl von 14 Datenpaaren wurde gesammelt. Die Gesamtzeit des Ablassens während der Probenahme betrug etwa 15 min.
Beobachtungen der Strömungsmitteloberfläche vor dem Ablassen offenbarten eine dünne Schicht von abgesetztem Material an der Mitte der Strömungsmitteloberfläche. Der Durchmesser des abgesetzten Bereichs betrug ungefähr 4–5 Zoll und seine maximale Tiefe wurde auf ungefähr 0,4 cm geschätzt. Dies wurde der schraubenförmigen Bewegung des Strömungsmittels in dem Gefäß zugeschrieben. Die Geschwindigkeit des Strömungsmittels erschien etwas geringer bei der Mitte als bei den Kanten, wo Strömungsmittel von den Düsen den Strömungsmittelkörper rührt.
Das Gefäß wurde bei Vollendung des Ablassens der Aufschlämmung untersucht, um irgendwelche Anzeichen von Zusammenbacken auf der Innenwand oder Schlammablagerungen an der Basis des Gefäßes festzustellen. Die Zusammenbackensdicke auf der Innenumfangswand variierte. Wo der Strömungsmittelströmungspfad auf die Innenoberfläche traf und unter dem Einfluss der Schwerkraft abfiel, traten keine Anzeichen von Zusammenbacken auf. Der Bereich, in dem sich Zusammenbackenen entwickelten, variierte von 0,5 bis 1,0 mm Dicke. Das Volumen der sich ergebenden Zusammenbacken wurde mit 100 ml berechnet. Die Basis des Gefäßes zeigt leichte Anzeichen eines Schlammaufbaus. Das sich ergebende Volumen wurde mit 200 ml berechnet.
Beispiel 2
Vierdüsenmischer mit Strömungsmittelumleitvorrichtungen und vortexreduzierendem Anschluss
Das Haltegefäß des Beispiels 1 wurde mit einem vortexreduzierenden Anschluss und Strömungsumleitvorrichtungen ausgestattet. Wiederum wurde die Strömungsmitteloberfläche hinsichtlich der Homogenität während der Rezirkulation und beim Ablassen beobachtet, das Gefäß wurde auf Ablagerung und Zusammenbacken kontrolliert.
a) Verwendete Materialien

MEGAf1ow^TM 111B Armatur mit Globalschleifensimulator (Global Loop Simulator)
Vierdüsenmischer, Prototypeinheit
Vortexreduzierender Anschluss, Prototypeinheit
PLC Datenarmatur
Atomisierungsarmatur
Aufschlämmung, RODEL QCTT-1011
Probenahmeapparatur

b) Ablauf
Ein vortexreduzierender Anschluss wurde aus einem 2'' PVC-Endanschluss hergestellt. Die laterale Seite des Anschlusses besaß vier ungefähr 1/2'' breite und 5/8'' hoch geschnittene Schlitze an vier gleichen Stellen.
Bei den vorangehenden Beobachtungen zeigte die bei dem Strömungsmittelpegel gelegene Mitte des Strömungsmittelkörpers etwas Zusammenbacken. Um die Homogenität der Mitte zu erhöhen, wurden zwei Strömungsmittelumleitvorrichtungen aus ½'' dicken natürlichen Polypropylenflächenelementen gebaut. Die Umleitvorrichtungen betrugen 1,5'' × 21''. Zwei Sätze von ½'' Löchern wurden 5/8'' auseinander gebohrt und jeder Satz besaß 14 Löcher 1,5'' Zoll voneinander beabstandet.
Ein Fluoroware-T-Stück war zwischen der Innenwand des Haltegefäßes und den vier Düsenmischern verbunden. Der T-Stück wurde zu einer Rohrleitung von 3/8'' Durchmesser verjüngt und ein Parker PTFE Nadelventil wurde an dem Ende angebracht. Während des Systembetriebs bei 40 psi wurde es ermöglicht, dass das Nadelventil Material mit ungefähr 30 ml/min ableitet. Diese Strömung repräsentierte die Nachfrage eines Werkzeugs nach Aufschlämmung. Diese wurde zur Probennahme des Strömungsmittels verwendet, das aus der Basis des Haltegefäßes während der empirischen Analyse gezogen wurde.
Das Hinzufügen des vortexreduzierenden Anschlusses und der Stromumleitvorrichtungen zu der Vierdüsenanordnung unterstützte eine verbesserte Homogenität der Kolloidsuspension durch Verringern der statistischen Gesamtabweichung von ±0,11% herunter auf ±0,09% nicht-flüchtiger Feststoffe. Der Zustand des Haltegefäßes nach dem Ablassen offenbarte insgesamt 0,15 l abgesetzter Feststoffe. Letztendliche Verbesserungen im Laufe des Tests zeigten eine Größenordnung einer (10fachen) Verringerung der abgesetzten Feststoffe, welche vierfach durch die statistische Verringerung in der Gesamtprobenahme komplementiert wurde.
Beispiel III
Vortexreduzierender Anschluss
Der ursprüngliche Gebrauch und das Testen des vortexreduzierenden Anschlusses wurde während eines Einzeldüsentests mit deionisiertem Wasser ausprobiert, um die Vortexbildung zu unterdrücken. Während des Tests der Vierdüsenanordnung, als das System mit den Umleitungsvorrichtungen und dem vortexreduzierenden Anschluss nachgerüstet wurde, wurde eine Gesamtverbesserung sowohl in den empirisch als auch visuell gesammelten Daten beobachtet.
Die Gesamtverbesserungen wurden während der Nachtestinspektion des abgelassenen Haltegefäßes beobachtet, wobei der vortextreduzierende Anschluss an dem Abfluss befestigt war. Die Gesamtrichtung des Ablasses wurde von einer tatsächlich vertikalen Richtung zu einer nahezu planaren Ausrichtung zu der Basis des Gefäßes verändert. Die Flüssigkeit, die durch die Pumpe in den Ablass gezogen wird, interagiert mehr mit der Oberfläche des Haltegefäßes und induziert dadurch eine Bewegung bzw. ein Rühren in diesem Bereich. An den Bereichen auf der Oberfläche des Gefäßes nahe des Auslasses wurde eine signifikante Verringerung des Schlamms beobachtet.

Claims

Ein vortexreduzierender Anschluss bzw. Kappe zur Positionierung in einem Gefäß oberhalb eines Austrittsanschlusses (14) eines Gefäßes (10), welches eine Außenoberfläche aufweist, wobei der Anschluss bzw. die Kappe Folgendes aufweist: eine obere massive bzw. solide Oberfläche (82), die größer ist als oder gleich der Fläche des Austrittsanschlusses (14) in dem Gefäß; eine mit der Außenoberfläche des Gefäßes (10) zu verbindende Basis (112); eine Seitenwand (84), positioniert zwischen der oberen Oberfläche (82) und der Basis (112); ein Einlass, positioniert in der Seitenwand (84); und ein unterhalb des Austrittsanschlusses (14) des Gefäßes (10) zu positionierender Auslass.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 1, wobei der Anschluss konstruiert und angeordnet ist zum Einsetzen in den Austrittsanschluss (14) des Gefäßes (10) derart, dass die Basis (112) an der Außenoberfläche des Gefäßes (10) und einem Prozessrohr (92) befestigt ist.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 1, wobei die Basis (112) ferner Mittel aufweist zur Befestigung der Basis (112) an der Außenoberfläche des Gefäßes (10).
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 1, wobei der Einlass eine oder mehrere Zumessöffnungen (86) an der Seitenwand aufweist.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 4, wobei die Summe der Flächen der einen oder mehreren Zumessöffnungen (86) gleich oder größer ist als die Fläche des Austrittsanschlusses (14).
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 1, wobei ferner ein Filter vorgesehen ist.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 1, wobei die Seitenwand (84) senkrecht zur Gefäßbasis verläuft.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 4, wobei eine oder mehrere der Zumessöffnungen (86) eine Mittelebene aufweisen, und zwar senkrecht zu einer Mittelebene des Strömungsmittel-Austrittsanschlusses (14) im Gefäß (10).
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 4, wobei eine oder mehrere der Zumessöffnungen (86) derart bemessen ist bzw. sind, dass die Summe der Fläche der einen oder mehreren Zumessöffnungen größer ist als oder gleich einer Öffnungsfläche des Austrittsanschlusses (14).
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 4, wobei eine oder mehrere der Zumessöffnungen (86) positioniert sind, um eine ausgeglichene Strömung des Strömungsmittels durch die Seitenwand zu gestatten.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 3, wobei die Mittel zur Befestigung der Basis (112) an der Außenoberfläche des Gefäßes einen Flansch aufweisen.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 3, wobei die Mittel zur Befestigung der Basis (112) an der Außenoberfläche des Gefäßes entfernbar sind.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 2, wobei die Basis (112) ferner einen Flansch aufweist.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 2, wobei der Anschluss ferner eine Dichtung aufweist.
Vortexreduzierender Anschluss nach Anspruch 2, wobei der Anschluss derart konstruiert und angeordnet ist, dass er entfernbar an sowohl der Außenoberfläche des Gefäßes als auch des Prozessrohres (92) befestigt ist.