JP2005538902A - 超高純度液体中の粒子の生成を最小限にするための装置および方法 - Google Patents

Abstract

超高純度液体を搬送するために使用するパッケージ容器内における粒子の生成を最小限にするシステムおよび方法。容器内における粒子の生成は、液体の充填、搬送および分配時に存在する空気−液体界面を減少させることにより減少する。

Description

本発明は、超高純度液体中の粒子の生成を最小限にすることに関する。より詳細には、本発明は、容器の充填、分散および搬送時における超高純度液体中の粒子の生成を最小限にすることに関する。

発明の背景
多くの業界で、超高純度液体中の粒子の数および粒度を制御して、純度を確保する必要がある。特に、超高純度液体は超小型電子製品製造プロセスの多くの態様で使用されているため、半導体メーカーは、プロセス薬品および化学処理機器に関する厳密な粒子濃度仕様を確立した。これらの仕様は、製造プロセスの改善と共により厳密になり続けている。こうした仕様は必要であり、つまり、製造プロセスで使用される流体が高レベルの粒子を含む場合、これらの粒子は固体表面上に蒸着するからである。その結果、製品が不完全になるか、またはさらに意図した目的に使用できなくなる可能性がある。

こうした仕様の背景にある一般的な理念は、流体が清潔であれば、流体処理構成部品も清潔であり、構成部品を通過する流体が清潔さを保つということである。あるいは、流体の容器が清潔であり、容器に清潔な流体が充填されれば、流体は、充填プロセスで清潔を保つであろう。清潔な容器中の清潔な流体は、顧客に引き渡されてもなお清潔である筈である。製造作業から到着したばかりの流体処理構成部品は、多くの場合パッケージ前に洗浄され、洗浄作業に固有な点は、洗浄システム自体は洗浄液を汚染しないという仮定である。対照的に、特定の流体処理構成部品、たとえば、ポンプは、ポンプが供給する流体中に連続的に粒子を落とすと一般に認識されている。

しかし、粒子は、流体が構成部品を通過するか、または容器に供給される方法に応じて多かれ少なかれ流体中に出現する可能性があることは、一般には認識されていない。たとえば、清潔な容器に清潔な水が部分的に充填されて蓋がされ、激しく揺り動かされると、水中の粒子の濃度は著しく増加する。液体中の粒子濃度を十分に低くして厳密な工業仕様に適合させるには、新しい工程が必要である。

したがって、先行技術では、容器に充填し、充填容器を搬送し、容器から液体を分配する時の液体中における粒子の生成を最小限にするシステムが必要である。

発明の簡単な要約
本発明は、液体中に生成される粒子の量を最小限にするように、容器に超高純度液体を充填するシステムおよび方法に関する。容器中における空気−液体界面の存在は、液体中に観察される粒子濃度を増加させることが分かった。本発明は、液体を充填、搬送および容器から分配する時の空気−液体界面を最小限にするシステムおよび方法に関する。

超高純度液体中における粒子の生成を減少させる第１の方法は、底部充填法を用いて容器に充填することである。底部充填法は、水没先端を有する浸漬管（dip tube）を使用して行なわれ、液体は水没先端から容器に入る。容器に充填する時に浸漬管の先端を液体の表面より下に水没させることにより、液体は、飛散、乱流および空気の混入が少ない状態で容器に入ることが可能である。飛散、乱流および空気の混入を防止すると、空気−液体界面が最小限になり、その結果液体中における粒子の生成が減少する。

超高純度液体中における粒子の生成を減少させる第２の方法は、ライナおよび硬質のオーバーパックを備えるタイプの液体用容器に充填することであり、先ずライナを圧潰し、圧潰したライナに充填する。この方法で容器に充填すると、ライナ中における空気−液体界面を除去し、充填された容器にはヘッドスペースが存在しないことになる。

超高純度液体中における粒子の生成を減少させるその他の方法としては、容器に充填するためにノズルを使用するか、または洗浄ジェットとしてノズルを使用するシステム内でノズルを水没させることが挙げられる。ノズルを液体の表面より下に水没させることにより、空気−液体界面が減少して、粒子の生成が少なくなる。

さらに、堰を有し、この堰の上から液体が水溜め内に落下することが可能な再循環槽の場合、粒子の生成は、液体が水溜め内に落下し、飛散、泡立ちおよび乱流が生じる時に発生する可能性がある。堰と水溜め内の液体との間の溢出距離を短縮して、飛散が最小限の状態で液体が水溜めに入るようにすることで、液体中における粒子濃度を減少させることができる。

サイフォンシステムでは、スマートサイフォンを使用しても、粒子の生成を減少させることができる。スマートサイフォンは、サイフォン作用が空気の混入によって中断され、サイフォン内に残っている液体がタンク内に逆に落下する前に、サイフォン作用を停止させるように制御されるサイフォンである。

最後に、出荷前に、ヘッドスペースのいかなる空気をも容器から除去すると、容器内の液体中における粒子濃度が減少する。ライナを使用する容器の場合、ヘッドスペースは、容器を加圧してヘッドスペースの空気を排出することによりライナから除去することができる。さらに、剛性の容器の場合、不活性空気袋を挿入すると、ヘッドスペースを除去することができる。

詳細な説明
図１は、容器に超高純度液体を充填するための標準上部充填装置の図である。図１には、容器１と、液体２と、スピゴット３と、充填ライン４と、バルブ５と、超高純度液体源６とが示されている。バルブ５は、充填ライン４上の超高純度液体源６とスピゴット３との間に位置する。バルブ５が開くと、超高純度液体２はスピゴット３において容器１に入る。スピゴットは、容器１の上部にある開口部上に位置する。

超高純度液体がスピゴット３から出ると、液体２は、容器１内に自由に落下し、飛散、泡立ちおよび空気の混入を生じる。飛散、泡立ちおよび空気の混入は、液体の表面積を増加し、その結果容器中の液体の空気−液体界面を増加させる。この方法で容器に充填すると、容器１内に保存された液体２中に著しい粒子の生成が生じ、その結果液体２中の粒子濃度が増加する。

底部充填法
図２は、液体２中の粒子濃度を低下させる図１の充填システムの変形を示す。図２には、充填ライン４に接続されたスピゴット３と、バルブ５と、超高純度液体源６とを備え、図１に類似する容器７が示されている。しかし、図１のシステムと違って、図２の充填システムは、スピゴット３に接続された充填管８をさらに備える。充填管８は水没先端９で終端し、容器７の内部容積内に下方に延在し水没先端９は容器７の底部付近に位置する。

容器７が充填されると、水没先端９は、実質的に全体の充填サイクルで液体２の表面下に水没し、先端９からの液体の流れは連続的に液体表面２の下に保たれる。その結果、液体は、容器７中に落下せずに水没先端９から出て行く。むしろ、容器１中への液体２の導入ははるかに円滑であり、飛散、泡立ちまたは乱流がより大幅に少なくなる。

水没先端９を有する充填管８を使って容器に充填すると、液体７中の粒子濃度が低くなることが分かった。特に、図１に示した従来の上部充填法に比べて、図２の底部充填法は液体２中における粒子の生成がはるかに少ない。充填管８の先端９を水没させることにより、空気−液体界面は乱流が少ない状態で維持され、液体全体の表面が減少する。こうして減少した空気−液体界面は、容器５８からの粒子の飛散を遅延させ、液体中で観察される粒子濃度を最小限にする。

圧潰ライナ充填法
図３は、超高純度液体のパッケージに使用される別のタイプの容器を示す。図３の容器１０は、剛性外側容器１２と、圧潰可能なライナ１４と、中間領域１６と、浸漬管１８と、付属部品２０とを備える。容器１０に充填する標準的な方法は、ライナ１４を剛性の外側容器１２内に挿入することである。次に、ライナ１４が外側容器１２を圧迫するまで、ライナ１４を膨張させる。ライナ１４が膨張したら、容器１０に液体を従来の方法で充填する。

図３の容器充填方法は、充填時の粒子の生成を最小限にするように変更することができる。詳細には、図３に示す容器１０は、容器の充填時における空気−液体界面を著しく減少させるように充填することができる。

容器１０には、超高純度液体源２２と、清潔な乾燥空気源２４と、排気口２６と、分配ライン２８と、ライナ空気排出口３０とが接続される。流体充填および分配ライン３２は、液体源２２を浸漬管１８においてライナ１４の内側に接続する。充填および分配ライン３２は、分配ライン２８にも接続する。充填バルブ３４は充填および分配ライン３２上に位置して、流体が液体源２２からライナ１４に流れるのを可能にする。同様に、分配バルブ３６は充填および分配ライン３２上に位置して、流体が容器１０から分配ライン２８に流れるのを可能にする。

空気供給ライン３８は、清潔な乾燥空気源２４をライナ１４と剛性容器１２との間の中間領域１６に接続する。空気供給ライン３８上には、空気入口バルブ４０と空気排出口バルブ４２とが位置する。空気入口バルブ４０は、空気源２４から中間領域１６に至る空気の流れを制御する。同様に、空気排出口バルブ４２は、中間領域１６内の空気が容器１０から排気口２６に排出されるのを可能にする。

空気排出口ライン４４は、ライナ１４の内側をライナ空気排出口３０に接続する。ライナ排出口バルブ４６は、空気排出口ライン４４上に位置し、ライナ１４内部からの空気が、空気排出口ライン４４を介してライナ空気排出口３０に排出されることを可能にする。

付属部品２０は、剛性容器１２の上部開口部に接続する。圧潰可能ライナ１４は、剛性容器１２内に配置されて、付属部品２０内に延在するように構成される。浸漬管１８は、圧潰可能ライナ１４内に配置されて、内張り容器１０の実質的に底部に突出する。浸漬管１８も、付属部品２０内に延在し、上記のように流体充填ライン３２に露出するように構成される。中間領域１６は、圧潰可能ライナ１４と剛性容器１２との間の領域であり、圧潰可能ライナ１４が膨張するかまたは収縮するかに応じてサイズが変化する。

内張り容器１０、および内張り容器１０がライン３２、３８および４４に接続される方法は、剛性容器に液体が充填される時に一般に存在する空気−液体界面を最小限にするように容器１０に充填することを可能にする。空気−液体界面を最小限にすることにより、液体中における粒子の生成が最小限になる。

容器１０に充填するこの方法は、ライナ１４を圧潰することで開始する。すべてのバルブ３４、３６、４０、４２および４６の閉鎖で開始し、ライナ１４は、空気入口バルブ４０およびライナ排気口バルブ４６を開放することにより圧潰される。空気入口バルブ４０は、開放された後、空気源２４からの清潔な乾燥空気が空気供給ライン３８を介して中間領域１６に流入することを可能にする。清潔な乾燥空気源２４は、適切に構成された任意の源で良く、従来の方法で空気供給ライン３８に接続される。この空気の流れは、中間領域１６における圧力を増加して、圧潰可能ライナ１４を圧縮する。ライナ排気口バルブ４６も開放し、空気は中間領域１６内に圧入されてライナ１４を圧潰し、ライナ１４の内部から押し出される空気は、空気排出口ライン４４を介して容器１０から出て、ライナ空気排出口３０において排出することが可能である。実質的にすべての空気がライナ１４の内部から排出されて、ライナ１４が適切に圧潰されると、空気入口バルブ４０およびライナ排気口バルブ４６が閉鎖する。

ライナ１４が圧潰すると、容器１０には、まだ圧潰したライナ１４の内部に位置している浸漬管１８を使用して充填することができる。容器１４に充填するには、充填バルブ３４および空気排出口４２を開放する。充填バルブ３４を開放すると、液体は液体源２２から充填および分配ライン３２を介して圧潰可能ライナ１４内に流入することができる。内張り容器１０に充填されると、圧潰可能ライナ１４は膨張する。空気排出口バルブ４２が開放すると、中間領域１６内の空気は、ライナ１４に流体が充填されて、ライナ１４が膨張する時に、ライン４６を介して容器１０の排気口２６から出ることができる。

空気の大部分を圧潰ライナ１４から除去する結果として、液体が浸漬管１８を介してライナ１４内に導入されると、空気−液体界面が著しく減少し、それにより容器１０から飛散する粒子が対応して減少する。圧潰ライナ充填法を用いて容器１０に充填すると、液体中における粒子の生成が減少し、工業用のより高純度の液体が得られることが分かった。

内張り容器１０内の液体も、粒子の生成が最小限であるように分配することができる。これは、空気入口バルブ４０を開放して、清潔な乾燥空気が空気供給ライン３８を通って中間領域１６内に流入できるようにして行われる。空気の流れは中間領域１６内の圧力を増加させ、圧潰可能ライナ１４を圧縮するために使用することができる。圧潰可能ライナ１４が圧縮されると、圧潰可能ライナ１４内に収用された液体は、充填および分配ライン３２を介して容器１０から、分配バルブ３６を通って分配ライン２８に押し出される。容器１０の中身をこうして分配すると、ポンプの必要性がなくなる。ポンプは、ポンプが供給する液体中に連続的に粒子を落とす。さらに、こうした分配方法は分配時の空気−液体界面を減少させ、これは、液体中における粒子の生成を減少させることが分かっている。

上記の圧潰ライナ充填法は浸漬管を備え、液体は、底部充填法を用いて前記浸漬管を通って容器内に導入されるが、同じ利点は、浸漬管を備えない上部充填法を用いて達成することができる。圧潰ライナ充填法を使用して達成される結果として得られる粒子濃度は、従来の充填法に比べてはるかに少ない。特に、こうした圧潰ライナ充填法では、直径０．２μｍの粒子の場合、粒子濃度は、一貫して１ｍＬ当たり２粒子未満であることが実証されている。実際、特定の実施態様における圧潰ライナ充填法は、直径０．２μｍの粒子の場合、１ｍＬ当たり１粒子未満という粒子濃度が達成された。現在の業界仕様は、直径０．２μｍの粒子の場合、１ｍＬ当たりの５０粒子未満であることを要求する。

図３は、上記で圧潰可能ライナ１４内に空気を含むように説明したが、本発明は空気に限定することを意図するのではなく、圧潰可能ライナは、その他の気体、たとえば窒素、アルゴンもしくはその他の適切な気体または気体の組合せを含むことができる。図３の容器充填法は、清潔な乾燥空気源２４を使用する場合についても説明した。しかし、本発明は、清潔な乾燥空気に限定することを意図するのではなく、源２４は、その他の適切な気体または気体の組合せ、たとえば窒素、アルゴンなどをシステムに供給することができる。さらに、上記のシステムおよび以下に説明するシステムは、超高純度水を使用するように説明するが、粒子量を厳密に制御することが望ましいその他の流体も本発明の利益を受けられる。

図２および３に示す別の充填法が、液体中における粒子の数を改善する程度は、以下の表１にまとめ、図４Ａ〜６Ｄに関して説明する以下の実験により示される。表１は、４種類の方法により容器に充填し、容器の中身を光学粒子カウンタを通して分配して、液体中における粒子の結果として得られる濃度を測定することを示す。

表１の第１充填法の結果は、容器に上部充填し、容器を逆転させて、結果として得られる粒子数を得る場合に関する。このデータを得るために使用した充填および分配方法は、図４Ａおよび４Ｂに示す。図４Ａは、容器５０と、充填管５２と、充填ライン５４と、バルブ５６と、超高純度水源５８とを示す。バルブ５６が開放すると、超高純度水源５８からの超高純度水は、充填ライン５４を通って容器５０に移動する。超高純度水は、充填管５２において容器５０に入る。充填管５２は容器５０の開口部の上に配置されるので、超高純度水は、容器に入ると、容器の上部から底部に落下して、飛散、泡立ちおよび空気の混入を生じる。

図４Ｂは、容器５０内の超高純度水がその後分配される方法を示す。図４Ｂは、圧力容器６０内に位置する容器５０を示す。圧力容器６０には、清潔な乾燥空気源６２と、調整バルブ６４と、圧力表示器６６とが接続される。容器５０内には、分配プローブ６８が存在する。分配プローブ６８は分配ライン７０に接続され、分配ライン７０に沿って、粒子カウンタ７２と、ロタメータ７４と、バルブ７６とが配置される。容器５０の中身は、分配ライン７０上のバルブ７６を開放し、圧力容器６０に清潔な乾燥空気を供給することにより分配することができる。清潔な乾燥空気は、清潔な乾燥空気源６２と、バルブ６４と、圧力表示器６６とを従来の方法で使用して供給される。

超高純度水は、分配される時、液体の粒子濃度を得るように構成された粒子カウンタ７２を通過する。適切な粒子カウンタの１つは、粒子測定システムＭ−１００光学粒子カウンタである。さらに、ロタメータ７４は、超高純度水が分配される流量を測定するように構成される。

図４Ａおよび４Ｂに示すシステムは、表１の１行目および２行目のデータを得るために使用した。１行目のデータを得るに当たり、図４Ａに示す方法に従って１０個の容器に超高純度水を充填全容量の約９０％まで充填した。各々の容器は、所望の充填レベルに達したら蓋をして、徐々に１回逆転させて混合する。次に、容器上の蓋を分配プローブと置き換えて、図４Ｂに示すように容器を分配用の圧力容器内に配置した。各容器は、毎分３００ｍＬで粒子カウンタを通って分配した。

２行目のデータを、同様にして得た。１０個の容器には、約９０％の容量まで充填した。しかし、容器を１回だけ単に逆転させて混合するのではなく、容器を１８０ｒｐｍの軌道攪拌機上で１０分間揺り動かして、搬送条件をシミュレートした。次に、容器を、図４Ｂに示したように分配した。

表１にまとめた容器に充填する第３の方法を図５Ａおよび５Ｂに示す。図５Ａに示すシステムは、容器８０と、浸漬管８２と、水没先端８４と、充填ライン８６と、バルブ８８と、超高純度水源９０とを備える。浸漬管８２は容器８０内に延在して、水没先端８４で終端する。容器８０が充填される時、超高純度水は水没先端８４を介して容器８０に入る。したがって、水は、水没先端８４を出ると、図４Ａに示す上部充填法比べて、より円滑に飛散、泡立ちおよび乱流が少ない状態で容器内に入る。

図５Ｂは、超高純度水が容器８０から分配される方法を示す。この方法は、図４Ｂに関して上記で説明した方法と同じである。したがって、圧力容器６０を使用して、水の粒子濃度を決定することを可能にする粒子カウンタおよびロタメータを通過させて超高純度水を分配した。表１の３行目は、図５Ａに示す方法に従って１０個の容器に充填し、図５Ｂに示す方法に従ってこれらの容器を分配する結果をまとめるものである。

図６Ａ〜６Ｄは、表１のデータを得るためにテストした第４容器充填方法を示す。図６Ａ〜６Ｄは、図３に関して上記で述べたのと同じ容器および流動回路構成を使用して、圧潰可能なライニングを有する容器に充填および分配するプロセスを示す。しかし、図３に示すシステムと違って、図６Ａ〜６Ｄに示すシステムは、充填および分配ライン３２上に位置する光学粒子カウンタ９０およびロタメータ９２をさらに有する。光学粒子カウンタ９０およびロタメータ９２は、超高純度水を容器１０から分配する時に、超高純度水の粒子濃度を得るために使用される。

容器に充填および分配するために使用する方法は、図６Ａに示すように開始する。図６Ａでは、圧潰可能ライナ１４を圧潰する最初の工程は、他のバルブ３４、３６および４２を閉じた状態で、空気入口バルブ４０およびライナ排気口バルブ４６を開放することにより行なわれる。入口バルブ４０およびライナ排気口バルブ４６を開放すると、清潔な乾燥空気が清潔な乾燥空気源２４から中間領域１６にライン３８を介して入ることを可能にすることによりライナ１４を圧潰する。同時に、中間領域１６が加圧され、ライナ１４内の空気は、ライナ排気口バルブ４６からライナ 空気排出口３０に押し出される。その結果、ライナ１４は浸漬管１８の周囲で圧潰する。

図６Ｂは、ライン３２を貫流する超高純度水中の粒子の基準数を測定する任意の次の工程を示す。基準サンプルを得るため、ライナ排気口バルブ４６を閉鎖して、充填バルブ３４および分配バルブ３６の両方、並びに空気入口バルブ４０を開放する。開放されたバルブ３４および３６は、水が源２２から充填および分配ライン３２を通って直接粒子カウンタ９０およびロタメータ９２に流れ、分配ライン２８から流出することを可能にする。開放された空気入口バルブ４０は、空気が清潔な乾燥空気源２４から空気供給ライン３８に流れ、ライナを圧潰状態に保ち、源２２からの水がライナ１４に入るのを防止する。

水中の基準粒子濃度が得られたら、容器に充填した後、この基準を内張り容器１０内の水の粒子濃度と比較する。この工程は、浸漬管１８に水を充填して、管１８内に存在する混入空気があれば、その空気を除去する利点も提供する。

図６Ｃは、水を圧潰ライナ１４内に導入することにより、容器１０を充填する工程を示す。容器１０の充填を開始するには、他のすべてのバルブ３６、４０、４６を閉じた状態で、充填バルブ３４および空気排出口バルブ４２を開放する。開放した充填バルブ３４は、水源２２からの水が充填および分配ライン３２に入り、浸漬管１８を介してライナ１４の充填を開始することを可能にする。水が圧潰可能ライナ１４に入ると、圧潰可能ライナ１４が膨張して、空気を中間領域１６から押し出す。開放した空気排出口バルブ４２は、中間領域１６内の空気が、圧潰可能ライナ１４が膨張する時に、ライン３８を通って排出するのを可能にする。この充填プロセスは、圧潰可能ライナ１４が所望のレベルまで充填されるまで続く。充填されると、充填バルブ３４が閉鎖する。

図６Ｄは、液体を内張り容器１０から分配する最終工程を示す。水を分配するには、他のバルブ３４、４２、４６を閉じた状態で、分配バルブ３６および空気入口バルブ４０を開放する。空気入口バルブ４０を開放すると、空気は空気源２４から中間領域１６内に流入することを可能にする。空気は圧潰可能ライナ１４上に圧力を形成して、圧潰可能ライナ１４を圧縮し、水を圧潰可能ライナ１４から押し出す。液体は、ライナ１４の浸漬管１８から出て、分配ライン３２を貫流する。水が分配ライン３２を通過する時、光学粒子カウンタ９０により粒子濃度が測定され、ロタメータ９２により流量が測定される。空気は、所望の量（一般に全部）の水が圧潰可能ライナ１４内から除去されるまで中間領域１６内に押し出される。こうして水を分配すると、粒子を飛散させると周知されているポンプの必要性をなくす。

以下の表１に、上記の４回の実験から収集したデータをまとめる。この表は、４回の実験の平均結果を含む。データから分かるとおり、最高粒子濃度は、容器に上部から充填して揺り動かした時に得られる。さらに、底部充填法、特にライナを最初に圧潰し、次に圧潰ライナに充填することを含む充填法（「圧潰ライナ充填法」）は、液体中に著しく低い粒子濃度を生じることが分かる。

表１のデータは、容器内に空気−液体界面が存在することが、液体中における粒子の生成に影響することを示す。特に、表１にまとめた結果は、空気−液体界面が圧潰ライナ充填法などの充填時に存在しない場合、粒子の生成は事実上存在しないことを示す。他の３種類の充填方法と同様、空気−液体界面が存在すると、粒子の生成が見られた。

空気−液体界面に関して説明したが、類似の結果は、真空が液体表面上に存在する容器を含む他の界面についても得られた。したがって、空気−液体界面という用語は、最も広義に使用され、液体表面と接触する空気、その他の気体もしくは気体の組合せ、または真空をも含むどの液体界面も含む。

圧潰ライナ充填法を含むさらに２回の実験を実施した。これらの実験は、容器の中身を分配する方法が、結果として生じる粒子の生成に影響を及ぼすことも示した。以下の表２は、上記の図３に関して説明した方法により容器に圧潰充填して、２種類の方法で中身を分配することにより得られた結果を比較する。

第１の分配方法は、圧潰ライナ充填容器（容器Ａ）の中身を第２容器（容器Ｂ）に注ぐことを含んでいた。上記の表１のデータにより示すように、圧潰ライナ充填法を用いて容器Ａに充填すると、容器Ａ内の水は非常に低い粒子濃度を有していた。次に、容器Ａからの水を同じ容器、容器Ｂ内に注いだ。容器Ｂは、標準の分配プローブで蓋をして、粒子カウンタを通して分配した。以下の表２に示すように、水中の粒子濃度は、容器Ｂ内に注いだ後に著しく増加した。

使用した第２の分配方法を図７Ａ〜７Ｂに示す。第２の方法は、第１容器、容器Ａに圧潰ライナ充填し、次に第２容器、容器Ｂに容器Ａから圧潰ライナ充填することを含んでいた。図７Ａは、このプロセスの第１工程、つまり圧潰ライナ充填法を用いて容器Ａに充填する工程を示す。図３に示す容器および流動回路と同様、図７Ａ〜Ｃは、剛性外側容器１０２および内側ライニング１０４を有する内張り容器１００を示す。内側ライニング１０４は、ライン１０８を介して超高純度水源１０６に接続される。充填バルブ１１０は、液体が源１０６から容器１００に通過するのを制御する。

また、第１容器１００には、窒素源１１２と、窒素入口バルブ１１４と、圧力表示器１１６とが接続されているように示されている。窒素源１１２は、窒素供給ライン１２０を介して中間領域１１８に接続される。窒素供給ライン１２０上には、４個のバルブ１２２〜１２８が配置される。２個の外側バルブ１２２、１２８は、ライン１２０内の窒素が排出されるのを可能にする。２個の内側バルブ１２４、１２６は、窒素が第１容器１００または第２容器１３０に選択的に方向付けることができるように、窒素の流れを制御する。第２容器１３０は、分配ライン１３２により第１容器１００に接続される。分配ラインに沿って、２個のバルブ１３４、１３６が配置される。

第１の内張り容器１００と同様、第２の内張り容器１３２は、剛性容器１３８および圧潰可能ライナ１４０を備える。剛性容器１３８と圧潰可能ライナ１４０との間の中間領域１４２も、ライン１２０により窒素源に接続される。第１容器１００および第２容器１３０はともに、浸漬管１４４がそれぞれの圧潰可能ライナ１０４、１４０内に配置されている。

図７Ｃでは、粒子カウンタ１５０およびロタメータ１５２は、バルブ１３４、１３６間の分配ライン１３２に沿って配置される。粒子カウンタ１５０およびロタメータ１５２をバルブ１３４、１３６間に配置すると、第２容器１３０の中身は、粒子カウンタ１５０およびロタメータ１５２を通過して分配され、粒子濃度に関するデータを収集することができる。

図７Ａは、図３に関して上記で説明した方法により、第１容器１００のライナを圧潰して、容器に充填する第１の工程を示す。次に、図７Ｂに示すように、第２容器１３０のライナ１４０を圧潰した。第２容器１３０のライナ１４０を圧潰すると、第１容器１００の中身は第２容器１３０内に分配された。したがって、第２容器１３０にも、圧潰ライナ充填法を用いて充填した。しかし、水源から水を充填するのではなく、第２容器１３０には、第１容器１００からの水を充填した。この方法は、空気−液体界面を最小限にする方法で第２容器１３０に充填することを可能にした。

第２容器１３０を充填した後、図７Ｃに示すように、液体を第２容器から分配ライン１２０を介して分配した。分配ライン１２０を貫流する水は粒子カウンタ１５０を通って流れるため、水中の粒子濃度を決定することができる。水は、水の流量を決定するためにロタメータ１５２を通って流れる。

以下の表２は、上記の２つの分配方法を実施した超高純度水中に生じる粒子濃度を示す。このデータが示すように、かなり高い粒子の生成は、単に水を１個の容器から別の容器に注入することから生じる可能性がある。

類似の実験では、標準のＨＤＰＥ試薬瓶を用いて、同じ２つの分配方法を再現した。これらの実験では、第１容器１００は、ＨＤＰＥ瓶と置き換えた。この実験の結果を以下の表３にまとめる。

表３では、第１行は、図２に関して上記で述べた方法により、水没した浸漬管を介して充填されたＨＤＰＥ試薬瓶の粒子濃度を表す。水没浸漬管充填および分配法は、他の２つの充填および分配方法を比較できる基準データを得るために使用した。表３の第２行は、ＨＤＰＥ試薬瓶の中身を第２容器（容器Ｂ）内に単に注いだ結果を示す。表３の最後の行は、水没浸漬管を使用してＨＤＰＥ試薬瓶に充填した充填および分配手順によるデータを含み、第２容器（容器Ｂ）は、図７Ｂに関して上記で述べた方法に類似する方法を使用して、ＨＤＰＥ試薬瓶から圧潰充填した。

表３に示すように、水没浸漬管を使ってＨＤＰＥ瓶に充填すると、著しい数の粒子が生成された。さらに、表３の第１行および第３行を比較すると分かるように、その後、圧潰充填法を用いてＨＤＰＥ瓶から圧潰ライナ容器に分配した時に、実際上粒子は生成されなかった。やはり、空気−液体界面が存在する一般的な様式の容器から別の容器に液体を注ぐ場合、著しい粒子の生成が観察された。液体の移動が、空気−液体界面が減少する方法で行なわれる場合、粒子の生成は同様に減少する。

容器から液体を分配する様々な方法の効果を決定するために、さらにもう１つの実験を行い、結果として得られた液体の粒子濃度を以下の表４にまとめる。表４のデータを得るため、図２に関連して上記で説明した方法に類似する水没浸漬管を使用して、標準の４Ｌ剛性ＨＤＰＥ試薬瓶に３Ｌの超高純度水を充填した。第１テストでは、瓶を加圧して、瓶内の水は浸漬管から直接光学粒子カウンタに分配した。第２テストでは、瓶を１分間揺動させてから、水を光学粒子カウンタに分配した。瓶を出る水の粒子濃度を表４に示す。

表４のデータは、空気−液体界面が粒子の飛散に与える影響が、一般にポリマー容器に共通であることを示す。容器の揺動と液体中の粒子濃度の測定との間の時間の長さは、測定に影響しないようだった。

水没排出ノズル
図８Ａおよび８Ｂは、ノズル１７０を使用して超高純度液体を分配する２つの方法を比較する図である。図８Ａには、液体を容器１７２内に排出するノズル１７０が示されている。ノズル１７０は充填ライン１７４に接続され、充填ライン１７４は超高純度液体源１７６に接続され、バルブ１７８により調整される。排出ノズル１７０は容器１７２上に位置するため、液体がノズル１７０から排出される時、液体は容器１７２内の開放槽上に噴霧される。その結果、空気が混入して、容器１７２に液体を充填する時に空気−液体界面領域が増加する。

図８Ｂは、ノズルを使用して容器に充填する別の方法で、液体中における粒子の生成を減少させる方法を示す。図８Ｂには、容器１８２に充填するためのノズル１８０が示されている。このノズルは、超高純度液体源１８６に接続されている充填ライン１８４に接続される。充填ライン１８４を通る液体の流れは、バルブ１８８により制御される。ノズル１８０は、容器１８２内の液体の表面１９０より下に位置する。ノズル１８０が水没する結果として、容器内に流れる流体の乱流は少なくなり、飛散及び空気の混入が減少する。

図９は、水没ノズルが槽内の液体の粒子濃度の低下に与える影響を強調する。図９は、水没ノズルを有するシステム、および液体表面上に位置するノズルを有するシステムに関して経過時間で得た粒子濃度の測定値を示すグラフである。図９のデータを得るため、超高純度水をノズルからステンレス鋼容器内の開放槽内に噴霧した。噴霧水は、槽内の水面に方向付けられ、どの固体表面にも衝突しなかった。槽からの水は、噴霧の結果である粒子の精製を測定するために、光学粒子カウンタに方向付けた。２種類のタイプのノズル、つまり高圧ステンレス鋼ノズルおよびカイナーノズルを使用した。この２種類のタイプのノズルは、最初に槽の液体表面から３インチ上に保持し、次に水没させた。

図９のｙ軸は、粒度が０．０６５μｍ未満の粒子に関して、１ｍＬ当たりの粒子の数として示される粒子濃度を表す。ｘ軸は、経過時間を分で表す。ノズルを液体の表面より上に保持した時に、ステンレス鋼ノズルにより生じる粒子濃度は第１の集団２００であり、ノズルを液体の表面より上に保持した時に、カイナーノズルにより生じる粒子濃度は集団２０２により示される。ノズルを水没させた後に生じる粒子濃度は、集団２０４および２０６で示す。

図９の結果は、ノズルを水面上に保持した場合の粒子の生成が著しく増加することを示す。比較上、ノズルを水面下に水没させた場合、粒子濃度ははるかに少なかった。これらの結果は、液体表面上に位置するノズルによって生じるなど、空気−液体界面の増加は、ノズル作動時の強度の粒子生成に関連することを示す。

上記の図面に様々に図示した水没ノズルシステムは、液体を供給するか、または洗浄またはその他の目的の液体ジェットを生成するために使用することができる。上記の実験結果が示すように、ノズルの目的、つまり洗浄または充填に関係なく、粒子の生成を最小限にするために、ノズルを水没させることができるようにノズルシステムを構成するべきである。

堰からの溢出距離の減少
本発明のもう１つの態様は、堰から溢出領域へ溢出した液体中における粒子の生成を最小限にすることに関する。これは、堰と溢出領域における水位との間の距離を最小限にすることにより達成される。図１０Ａおよび１０Ｂは、堰の溢出距離の減少という概念を示す。図１０Ａには、堰２１２を有し、液体が堰の上から溢出トラフまたは水溜め２１４内に溢出する再循環槽２１０が示されている。溢出トラフ２１４は、液体を槽システム内で再循環させるための再循環ポンプ２１８に接続する。再循環ポンプ２１８は、液体をフィルタ２２０から逆に再循環槽２１０内に楊送する。

図１０Ａでは、溢出トラフ２１４内の液体水位２２２は十分に低く、液体は、堰２１２から溢出するとトラフ内に落下して、飛散、泡立ち、乱流および空気の混入を生じる。図１０Ｂのシステムは、溢流堰２１２の上縁に比べて高さが非常に高い溢出トラフ２１４内の液体２２４の水位を示す。したがって、液体が堰２１２から溢出する時に落下しなければならない液体の距離は、大幅に減少する。これは、液体が、飛散、泡立ち、乱流および空気の混入を減少させるように、溢出トラフ２１４に入ることを可能にする。

堰の上から水溜め内に溢流する水中における粒子の生成レベルを決定するために、調査を実施した。図１１は、この調査を実施するに当たって使用したテストシステムの図である。図１１には、再循環エッチング槽２３０と、水溜め２３２と、循環ポンプ２３４と、フィルタ２３６とが示されている。槽２３０と水溜め２３２との間には槽２３１が位置し、堰２３１の上では、水が槽２３０から水溜め２３２内に溢出することができる。さらに、このシステムは、超高純度水源２３８と、フィルタバイパスバルブ２４０と、排水管２４２と、遮断バルブ２４４および２４４Ａとを備える。やはり、槽２３０には、サンプルポンプ２４６と、粒子カウンタ２４８と、流量計２５０とが接続される。

図１１のシステムは、２つの流動ループを備える。主流動ループ２５２は、水溜め２３２を循環ポンプ２３４およびフィルタ２３６に接続する。テストに使用するのに適する１つのフィルタ２３６は、０．２μｍ定格のＵＰＥフィルタである。テスト時、主流動ループ２５２は、槽２３０と、水溜め２３２と、循環ポンプ２３４と、フィルタ２３６とにより、毎分５０Ｌで動作させた。槽２３０はＰＶＤＦから構成される６０Ｌ槽であり、ポンプ２３４内のその他の湿潤材料、たとえば管類およびフィルタ筐体はテフロンＰＦＡだった。流動回路構成およびバルブ２４０、２４４、２４４Ａは、テストによってはフィルタ２３６をバイパスできるように構成した。

２次流動ループ２５４は、サンプルポンプ２４６、粒子カウンタ２４８および流量計２５０を通る２次流動経路を備える。２次流動ループ２５４は、毎分５０ｍＬの流量で動作し、水中の粒子濃度を決定するために使用した。図１１に示すテストシステムは、粒子サンプルが一般に槽２３０から得られることを示す。しかし、サンプルは、水溜め２３２から得ても良い。さらに、液体源２３８は超高純度水を供給するように記載されているが、槽はＨＦ、ＨＣｌ、または粒子濃度が厳密に制御されるその他の流体を使って作動させることもできる。

図１２は、新しいフィルタ２３６を取り付けてから一晩の後に、槽２３０を作動させた結果を示すグラフである。図１２のグラフを生成するために使用したデータを得るため、粒子の測定を槽２３０内で行い、フィルタ２３６は新品だった。最初、水溜め２３２内の水位は槽２３０内の水位より１インチ下に達し、槽２３０からの水が水溜め２３２内に溢出する時に、飛散または泡立ちの兆候はなかった。図１２から分かるように、粒子データの最初の数時間で、新しいフィルタ２３６の標準の「激増」（ｆｌｕｓｈ−ｕｐ）曲線２６０が存在した。

結局、蒸発によって、水溜め２３２内の水位は時間の経過と共に低下し、堰２３１上の溢出距離が増加した。この距離が増加すると、堰２３１の上から溢出する水による水溜め２３２内の乱流も増加した。約２００分後、槽２３０内の粒子濃度も徐々に増加した。これは、フィルタ２３６の保持力の損失に起因したのではなく、水溜め２３２内における粒子の生成により、フィルタ２３６の入口における問題の粒子濃度の増加に起因した。

１８時間の作動後、蒸発によって、水溜め２３２の水位が著しく低下し、水溜め２３２から溢出する水は著しい飛散および泡立ちを生じた。水源２３８を使用して、システムに水を追加した。十分な水を槽２３０に追加して、飛散および泡立ち活動が消滅する位置まで水溜め２３２内の水位を上昇させると、槽２３０内の粒子レベルは、粒子カウンタの最小サイズの２本のチャネル内で著しく減少した。この効果は、図１２の激減（ｄｒｏｐ ｏｆｆ）曲線２６２により示す。

図１２のデータを得るために使用したシステムでは、粒子の測定は、槽２３０内におけるフィルタ２３６の下流で行なった。粒子の生成源は、フィルタ２３６の上流に位置する水溜め２３２内にあると結論された。したがって、生成された粒子の少なくともいくつか、特に、フィルタの細孔サイズ定格より著しく小さい粒子はフィルタ２３６を通過した。この結果は、フィルタが保護され、再循環が一定でも、流体中における粒子の多量の生成が、フィルタ２３６の下流でも観察されたことを示した。フィルタ２３６の使用、およびデータに見られるサイズの相違は、粒子カウンタ２４８により測定された現象が、単純にカウンタ２４８のフローセルに入る「泡」ではなかったという証拠である。

こうした事象のシーケンス、つまり新しいフィルタ２３６から粒子が激増し、液体が蒸発して、堰２３１上の溢出高さの増加に応じて、生成される粒子の数が増加することを含むシーケンスは、再循環槽システム内に配置した多数の異なるタイプのフィルタ２３６について記録した。これは、希釈濃度のＨＦおよびＨＣｌを槽システム内で使用した場合にも見られた。

フィルタ２３６の効果を強調するため、第２のテストは、図１１に示すシステムを使用して実施した。第２のテストでは、主流動ループ２５２は、システムが清潔になるまで作動させた。次に、バルブ２４４および２４４Ａは、システムが「フィルタバイパスモード」になるように構成した。フィルタバイパスモードでは、システムは水を再循環させるが、水はフィルタ２３６を通過しなかった。その結果、フィルタ２３６によるシステム内の粒子の除去は行なわれなかった。

図１３は、フィルタバイパスモードテストの結果を示すグラフである。図１３には、２本の曲線がある。第１の曲線２６４は、水が堰２３１から溢出した時に飛散が生じた場合にテストした水の粒子数を示す。第２の曲線２６６は、水が堰２３１から溢出した時に飛散が生じなかった時にテストした水の粒子数を示す。第１の曲線２６４から分かるように、槽２３０内の水位と、水溜め２３２内の水位との距離が大きい場合、堰２３１から溢出して水溜め２３２内で飛散する液体により、著しい粒子の生成が生じた。粒子の数は槽２３０内で、直径０．０６５μｍ以上の粒子の場合１０，０００／ｍＬを超える濃度まで急速に増加する。

同じフィルタバイパス法、同じ流量および同じポンプを使用する制御テストでは、粒子濃度は、直径０．０６５μｍ以上の粒子の場合、３０分間のテストで約１００〜２００／ｍＬに留まった。この制御テストが唯一異なった点は、槽２３０内の水位と水溜め２３２内の水位との間の距離が小さく、水が堰２３１から溢出する時に水溜め２３２内で飛散が観察されなかったことである。やはり、多くの形式でテストを繰り返し、結果が一定していることを実証した。このシステムに使用したポンプは、制御データで分かるとおり非常に清潔に動作し、システム内の粒子の飛散に対する影響は非常に少なかった。

スマートサイフォン
図１４は、サイフォンの一般的な方法の図である。図１４には、充填管２７２を備えるタンク２７０が示されている。充填管２７２には、超高純度水源２７６からタンク内に入る流れを調節して、水を水源２７６から水再利用領域２７８に迂回させる３方バルブ２７４が接続される。タンク２７０には、サイフォン管２８０および粒子サンプル管２８２も接続される。最後に、容量センサ２８４をタンク２７０上に配置する。

実験は、図１４に示すサイフォンシステムで実施し、サイフォンシステムが粒子の生成に与える影響を決定した。実験を行なうに当たり、１５ＬのＥＣＴＦＥフッ素ポリマータンク２７０を使用した。タンク２７０内の水位は、充填管２７２およびサイフォン管２８０を使用して周期的に上下させた。粒子のサンプリングは、重力供給法を用いて、タンク２７０から粒子サンプル管２８２を介して連続的に実施した。粒子データを得るために、１個のサンプル当たり平均３０秒を選択した。

水源２７６からの充填流量は、毎分１Ｌに設定した。容量レベルセンサ２８４を使用して、タンク２７０上の高レベルを検出した。高レベルを検出した後、センサ２８４はＰＬＣ（図１４に示さない）を起動して、タイミング制御信号を４分間オンにする。このタイミング信号は、バルブを開放するなどにより、サイフォン管２８０に接続されたサイフォンを起動し、サイフォンで水をタンクから毎分２．５Ｌ抽出するために使用した。サイフォンをサイフォン管２８０に接続するほか、場合によりポンプを交換した。

制御信号は、３方バルブ２７４も起動し、タンク２７０の排水過程で超高純度水の供給をテストタンク２７０から水再利用領域２７８に迂回させた。４分間経過後、テストタンク２７０に水を１０分間、毎分１Ｌで補充し、新しいサイクルシーケンスを開始した。こうして、タンク２７０内の水位を周期的に、円滑に規則正しく上下させた。

何回かのテストでは、高レベルセンサ２８４および制御信号を停止させて、サイフォン管２８０のバルブを連続的に開放状態に保持し、高水位に達すると、システムはサイフォンを生成する。十分な水をサイフォンで移すと、タンク２７０内の水位が低下し、サイフォンは混入空気により遮断されて、サイフォン管２８０内の水はタンク２７０内に落下して戻る。これらのテストでは、３方バルブ２７４を無効にして、毎分１Ｌの給水２７６がタンク２７０に常時絶え間なく送水するようにした。

調節したもう１つの変数は、タンク２７０内の充填管２７２の高さだった。何回かのテストは、上部充填法を用いて実施し、充填管２７２はタンク２７０内に配置し、水はタンク２７０の上部から充填した。テストによっては、底部充填法を使用し、充填管２７２はタンク２７０の底部付近に配置し、充填管２７２は、常にタンク２７０内の水位より下に水没させた。

図１５は、サイフォンを使用してタンクに充填する最善のシナリオを示すグラフである。図１５のグラフのデータを得るため、「スマート」サイフォンのほかに、底部充填の充填管を使用した。スマートサイフォンとは、高レベルセンサ２８４を使用して、流体水位がサイフォン管２８０の底部に達する前、ひいてはサイフォンがサイフォン作用を遮断することを可能にする前に、サイフォンを停止することを可能にするタイミング信号を生成するサイフォンシステムを意味する。

タンク２７０内の水位、ひいては空気−液体界面が周期的に上下する場合も、結果として生じる粒子レベルは比較的少ない。平均粒子レベルは、直径が０．１０μｍ以下の粒度を有する粒子の場合、１ｍＬ当たり約１．２個の粒子だった。これは、入って来る給水量を測定した時に見られた粒子レベル、つまり直径が０．１０μｍ以下の粒度を有する粒子の場合、１ｍＬ当たり約０．０３個という平均粒子レベルに比べて良好ではない。

図１５に示すように、粒子のバーストは数時間ごとに発生する。しかし、達成された最大粒子濃度は、直径が０．１０μｍ以下の粒度を有する粒子の場合、１ｍＬ当たりの粒子数はわずか約２０個だった。図１５のグラフに示したテストの時間スケールは、約１５時間だった。

図１６は、上部充填およびスマートサイフォンを使用したテストシステムから収集したデータを示すグラフである。図１６に関して得たデータの場合、充填管２７２はタンク２７０内の水面の上に位置するため、水はタンク２７０内に落下し、飛散および泡立ちが生じる。スマートサイフォンは、やはり、このデータの収集時にインプリメントされていた。図１５のグラフと図１６のグラフとを比較すると分かるように、上部充填時の粒子レベルは、底部充填時に比べて約１００倍高かった。さらに、タンクの循環頻度は粒子データで見られる。

図１７および１８は、ダム（ｄｕｍ）サイフォンを使用して収集したデータを示す。ダムサイフォンとは、空気の混入によりサイフォン作用が遮断されるサイフォンを意味する。図１７は、ダムサイフォンを有する底部充填を使用するシステムを示し、図１８は、ダムサイフォンによる上部充填を使用するシステムを示す。

図１７および１８から分かるように、サイフォンが遮断された後に、粒子レベルが瞬時に増加し、粒子レベルの低い水をタンク２７０に追加すると、粒子レベルの低下が生じる。このサイクルは自動的に繰り返され、粒子は、サイフォン作用が遮断するごとに瞬時に増加し、粒子レベルの低い水をタンク２７０に追加するごとに低下する。やはり、１５時間にわたってデータを収集した。データの長期にわたるクリーンアップ傾向は殆どないか、またはまったく見られず、タンク循環シーケンスの頻度は粒子データで明確に見られる。図１７および１８のタンク充填および分配サイクルの頻度は、一定に維持されなかった点に注意を要する。むしろ、あるサイクルでは比較的迅速であり、他のサイクルでは比較的遅かった。

以下の表５は、図１５〜１８に示した実験の結果を数値的にまとめたものである。これらのデータは、上部から充填する場合も、または空気の混入により、サイフォン作用が遮断される場合も、タンク内の粒子濃度が増加することを示す。

ヘッドスペースの除去
部分的に充填された容器を揺動すると、液体中に高い粒子濃度が生じる。この同じ現象は、容器を搬送する時に見られることが多い。何種類かの液体をパッケージする場合、容器内の液体が膨張することができるように、容器内にある量のヘッドスペースを残すことが必要であるか、または望ましい。このヘッドスペースを設けるため、容器には細大容量まで充填するのではなく、ある量の空気が液体の上部と容器の上部との間に存在するレベルまで充填する。容器を搬送する時、容器内の液体は、このヘッドスペースにより容器内で飛散して揺動する。粒子の生成を減少させるもう１つの方法は、充填後にヘッドスペースの空気を容器から除去し、容器内の空気−液体界面を減少させるか、または排除し、その結果として、容器の搬送またはその他の移動時における粒子の生成を最小限にすることである。

図１９Ａおよび１９Ｂは、ヘッドスペースの空気が除去される開放充填法を示す。図１９Ａおよび１９Ｂには、図３に関して上記で説明した容器に類似する内張り容器３００が示されている。内張り容器３００は剛性外側容器３０２を備え、ライナ３０４が剛性外側容器３０２の内部に位置する。ライナ３０４内には、浸漬管３０６が配置される。浸漬管３０６は、容器に液体を供給するために充填ライン３０８に接続される。ライナ３０４は、充填前に圧潰されない。

図１９Ａは、内張り容器３００に液体を充填する工程を示す。液体は、充填ライン３０８から浸漬管３０６を通り、ライナ３０４に流入する。内張り容器３００が所望のレベルまで充填されると、ヘッドスペース３１０が、ライナ３０４の液体の水位と、ライナ３０４の上部との間に存在する。

図１９Ｂは、容器３００からヘッドスペース３１０を除去する工程を示す。図１９Ｂには、ヘッドスペースの空気を排出するためのライナ空気排出口３１４のほかに、空気入口３１２が示されている。空気入口３１２は、剛性外側容器３０２と内側ライナ３０４との間に位置する中間領域３１６に接続する。ヘッドスペース３１０を除去するため、空気は、空気入口３１２を介して中間領域３１６に供給される。同時に、内側ライナ３０４の内部は、ライナ空気排出口３１４に露出している。空気入口３１２からの空気による剛性容器３０２とライナ３０４との間の増加した圧力は、ライナ３０４を圧縮する。ライナ３０４が圧縮すると、ヘッドスペースの空気は、ライナ空気排出口３１４を使用してライナ３０４の内部から排出される。ライナ３０４は、ヘッドスペースの実質的にすべての空気がライナ３０４から除去されるまで圧縮される。容器３００は蓋をされ、ライナ３０４は空気が再度入って来るのを防止するために封止される。

ヘッドスペースを占める空気のみを排出するほか、容器内に保持される液体の所望の量を超える量をライナに充填することが可能である。ライナに過剰に充填した後、ライナは、容器内に保持することが望ましい最終的な量を生じる量だけパージすることができる。こうして、ヘッドスペースの空気の存在は、同様に防止される。

図２０Ａおよび２０Ｂは、超高純度液体を搬送するために使用される容器中のヘッドスペースを除去するもう１つの方法を示す。図２０Ａは、浸漬管３２２を使用する底部充填法により充填される容器３２０を示す。ヘッドスペース３２４により形成される空気−液体界面を除去するため、図２０Ｂは、ライナ内の残留ヘッドスペース内に不活性空気袋３２６を挿入する様子を示す。あるいは、ヘッドスペースの空気は、ライナと剛性容器との間の領域を加圧して、ヘッドスペースの空気を排出することにより減少させることができる。

不活性空気袋はヘッドスペースの領域を占め、その結果、空気を液体から隔離する。ヘッドスペース３２４の除去は空気−液体界面をなくし、その結果、搬送によって生じる水中における粒子の生成を最小限にする。

図１９Ａ〜Ｂおよび図２０Ａ〜Ｂに関して上記で説明した方法を使用するほか、図３に関して上記でより詳細に説明した圧潰ライナ充填法を使用して容器に充填することにより、ヘッドスペースがゼロのライナを得ることができる。圧潰ライナ充填法は、空気−液体界面がない状態で充填および分配することを可能にするほか、ヘッドスペースが残存しない容器に充填する方法も提供する。

開放充填法と比較したゼロヘッドスペース充填法の利点は、以下の表６に記載のデータから明らかである。表６に記載のデータを得るため、容器に充填する２種類の方法をテストした。テストした第１の方法は、膨張したライナに粒子のない水を充填する標準の開放充填法だった。表６から分かるように、後に水の粒子をテストすると、水の粒子濃度は必ず増加した。正確な粒子濃度は、同一タイプのライナのテストごとに多少変化した。さらに、粒子濃度は、たとえばＰＴＦＥライナとＰＥＰＥライナなど、ライナのタイプによっても著しく変化する可能性がある。

表６のデータを得るためにテストした第２の方法は、ゼロヘッドスペース充填法だった。圧潰ライナ充填法に類似するゼロヘッドスペース充填法では、先ずライナを剛性外側容器内に配置した。次に、浸漬管を挿入するのに十分な程度まで、ライナを膨張させる。浸漬管組立体には、プローブが取り付けられる。好ましくは、プローブは再循環プローブのように構成されて、ライナに至る２個のポート、つまり充填ポートおよび排気口ポートとを有していた。ライナと剛性外側容器との間の空間は、ライナ中の空気を排気口ポートから排出することにより、ライナを完全に圧潰するために加圧した。次に、ライナに、浸漬管に取り付けられた充填ポートを使用して充填する。容器を、同様に浸漬管を使用して分配した。

この充填法は、ライナに充填すると、実質的に空気−液体界面をなくす。その結果、充填時における粒子の飛散は著しく減少した。結局、搬送時でも、ヘッドスペースの除去により、分配流体中の粒子のレベルが減少することになる。

本発明について、好ましい実施態様に関して説明したが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱せずに形態および詳細に変更を加えることができることを認識するであろう。特に、容器中における粒子の生成は、容器のタイプ、ライナのタイプおよび容器中に導入される流体のタイプに応じて異なる可能性があることは理解されよう。しかし、低粒子レベルに依存する製品性能基準を有する液体は、上記の充填およびパッケージ方法によって利益を得る。こうした液体としては、半導体処理に使用される超高純度酸および塩基、半導体処理に使用される有機溶剤、写真平版化学薬品、ＣＭＰスラリおよびＬＣＤ市販化学薬品が挙げられる。

本発明の特徴および利点は、以下の実施例に関してさらに詳細に示す。以下の実施例は、本発明の性質および範囲に関して制限的に構成されるのではなく、本発明の広範な実践に有用な特定の好ましい態様を単に具体的に示すことを意図している。

実施例１
同一ロットの酸化物スラリＯＳ−７０ＫＬ材料（コネチカット州、ダンベリー（Ｄａｎｂｕｒｙ，ＣＴ）のＡＴＭＩマテリアルズライフサイクルソリューションズ（ＡＴＭＩ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ））から、ＯＳ−７０ＫＬ材料を含む数種類のサンプルガラス瓶を構成し、本明細書および同時係属米国特許出願［ＡＴＭＩ代理人名簿番号５２２ＣＩＰ］および［ＡＴＭＩ代理人名簿番号５６５］に一般に図示および説明されているタイプのドラム容器内の袋中における液体の挙動をシミュレートした。これらの特許出願は、ライナの内部容積におけるヘッドスペースを変更して、引用することにより本明細書に全体を援用する。

サンプルガラス瓶は、異なるヘッドスペースレベル、０％、２％、５％および１０％で構成した。サンプルガラス瓶の各々は、手で１分間だけ激しく揺動してから、ガラス瓶内の液体をＡｃｃｕｓｉｚｅｒ７８０単一粒子光学整粒器内で分析した。この整粒器は、Ｓｃｉ−テックインク（Ｓｃｉ−Ｔｅｃ Ｉｎｃ．）（カリフォルニア州、サンタバーバラ（Ｓａｎｔａ Ｂａｒｂａｒａ，ＣＡ））から市販されている粒度範囲粒子カウンタであり、粒度範囲別に粒子の数を求めた後、これらの粒度範囲を広範な粒子分布状に「瓶に入れる（ｂｉｎｎｅｄ）」ことができる。

この実験で得られたデータを以下の表１に示す。粒子数は、０％、２％、５％および１０％のヘッドスペース容積という様々なヘッドスペースの割合値（ヘッドスペースの空隙量を構成する液体上の空気量が占める合計内部容積の割合として表現される）における０．５７μｍ、０．９８μｍ、１．９８μｍおよび９．９９μｍの粒度の各々に関して示す。

粒度分析器は、粒度が大きい粒子の数に関するデータを、μｍ単位の特定の粒度を超える粒子の場合、１ｍＬ当たりの粒子数という単位で提示した。粒子数データは、こうした粒子濃度を含む試薬を使用して、半導体ウェハ上に超小型電子デバイスを製造する場合の粒子数の大きさとウェハの欠点との間の直接的な相関関係を提供するために決定した。

揺動実験直後に得られたデータは、ヘッドスペースの値が増加するにつれて、粒度が大きい粒子、特に０．９８μｍ以上の粒子場合、粒子数が増える傾向があることを示す。２４時間後に得られたデータは、粒子分布が増加するという同じ傾向を示す。

このデータは、ガラス瓶内のヘッドスペースが増加すると、粒度が大きい粒子の凝集が増加することを示し、これは、半導体製造用途に有害であり、集積回路を破壊する可能性があり、またはデバイスが、意図する目的に対して肉眼的に欠点のあるウェハ上に形成される可能性がある。

本明細書、並びに２００２年５月３日に出願された同時係属米国出願第１０／１３９ １０４号および２００２年５月３日に出願された同時係属米国出願第１０／１３９ １８６号に図示および説明されているタイプのドラム容器内にある袋に適用されるように、この実施例の結果は、好ましいゼロヘッドスペース構成の値を示す。高純度液体を保持する容器内の有意なヘッドスペースは、容器の搬送から生じる容器の運動と結合して、対応する運動、たとえば収用された液体の跳ね飛びを生じ、望ましくない粒子濃度を生じる。したがって、収用された液体に粒子が形成されるのを最小限にするため、ヘッドスペースは、ゼロヘッドスペース条件にできる限り近くなるように相応に最小限にするべきである。

本発明について詳細に説明して来たが、以下で請求する本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に様々な変更、置換ならびに修正を加えることが可能であることが理解されよう。

図面の簡単な説明
容器に超高純度液体を充填するための標準上部充填装置の図である。 容器に充填するための水没管底部充填方法の図である。 圧潰可能なライナを有する容器の図である。 容器に充填するための標準上部充填装置の図である。 分配される液体が光学粒子カウンタおよびロタメータを通過するように、図４Ａのように充填された容器の中身を分配する図である。 容器に充填するための水没管底部充填方法の図である。 分配される液体が光学粒子カウンタおよびロタメータを通過するように、図５Ａに示すように充填された容器の中身を分配する図である。 圧潰可能ライナを有する容器に充填し、次に液体を容器から分配する方法の図である。 圧潰可能ライナを有する容器に充填し、次に液体を容器から分配する方法の図である。 圧潰可能ライナを有する容器に充填し、次に液体を容器から分配する方法の図である。 圧潰可能ライナを有する容器に充填し、次に液体を容器から分配する方法の図である。 第１容器に充填し、第１容器の中身を第２容器に分配し、中身を第２容器から光学粒子カウンタおよびロタメータを通して分配する方法の図である。 第１容器に充填し、第１容器の中身を第２容器に分配し、中身を第２容器から光学粒子カウンタおよびロタメータを通して分配する方法の図である。 第１容器に充填し、第１容器の中身を第２容器に分配し、中身を第２容器から光学粒子カウンタおよびロタメータを通して分配する方法の図である。 ノズルを使用して容器に充填する標準的な方法の図である。 充填ノズルを水没させて容器に充填する方法の図である。 水没ノズルおよび表面上のノズルの両方に関する経過時間における粒子濃度を示すグラフである。 堰から溢流水溜め領域内に溢出する再循環槽内における液体の図である。 液体中における粒子の形成を減少させるように、堰から溢流水溜め領域内に溢出する再循環槽内における液体の図である。 槽の堰上から水溜め内に溢出する水が、粒子濃度をテストされるシステムの図である。 再循環槽テストにおけるフィルタのフラッシュアップ経過時間における粒子濃度を示すグラフである。 フィルタバイパスを有する再循環槽の場合の経過時間における粒子数を示すグラフである。 タンクに充填するためのサイフォンシステムの図である。 底部充填スマートサイフォンの場合の経過時間における粒子数を示すグラフである。 上部充填スマートサイフォンの場合の経過時間における粒子数を示すグラフである。 底部充填ダムサイフォンの場合の経過時間における粒子数を示すグラフである。 上部充填ダムサイフォンの場合の経過時間における粒子数を示すグラフである。 〜 容器を充填する方法ならびに充填容器内のヘッドスペースを除去する方法を示す。 〜 容器に充填する方法ならびに不活性空気袋を使用してヘッドスペースを除去する方法を示す。

Claims (45)

1. 超高純度液体の処理時における粒子の生成を最小限にする方法であって、
   液体を容器内に導入する工程と、
   前記液体中で生成される粒子の量を最小限にするように、空気-液体界面を制御する工程と、を含む方法。
2. 前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、前記空気−液体界面を制御して、約０．２μｍの粒度を有する粒子の場合、１ｍＬ当たり約２粒子未満の粒子濃度を達成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、
   ライナを剛性容器内部に設ける工程と、
   前記ライナ中のいかなる空気をも除去するように、前記ライナを圧潰する工程と、
   前記圧潰ライナに、前記超高純度液体を充填する工程と、
   を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記ライナを圧潰する工程は、
   前記ライナを圧潰するように、前記ライナと前記剛性容器との間の中間領域を加圧する工程と、
   前記ライナが圧潰する時に、前記ライナ内部の空気が出て行くことを可能にするように前記ライナを排気する工程と、
   を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記ライナを圧潰した後、前記ライナを封止する工程をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記圧潰ライナに充填する工程は、
   前記ライナに液体を供給する工程と、
   前記ライナに液体が充填される時に、前記中間領域を排気する工程と、
   を含む、請求項４に記載の方法。
7. 前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、
   ライナを剛性容器内部に設ける工程と、
   残留ヘッドスペースが前記ライナ内に存在するように、最大容量未満まで前記ライナに液体を充填する工程と、
   前記ライナと前記剛性容器との間の領域を加圧して、前記ヘッドスペースの空気を排出して、前記ヘッドスペースを減らす工程と、
   を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、
   残留ヘッドスペースが前記ライナ内に存在するように、最大容量未満まで前記ライナに液体を充填する工程と、
   不活性空気袋を前記ヘッドスペース内に挿入して、前記ヘッドスペースを減少させる工程と、
   を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記液体を前記容器内に導入する工程は、前記液体を堰から水溜めに溢出させる工程を含み、前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、前記堰と前記水溜め内の水位との間の溢出距離を減少させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、
    前記液体を前記容器内に導入するように、浸漬管を使用するする工程と、
    前記液体を前記容器内に導入する時に、前記浸漬管の先端を前記液体中に水没させる工程と、
    を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、
    液体を前記容器内に導入するように、ノズルを使用する工程と、
    前記液体を前記容器内に導入する時に、前記ノズルを前記液体中に水没させる工程と、
    を含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記容器は第１容器であり、液体を前記容器内に導入する工程は、前記液体を第２容器から前記第１容器内にサイフォンで移す工程を含み、前記液体中に生成される粒子の数を最小限にするように、空気−液体界面を制御する工程は、サイフォン作用が中断しないように前記サイフォンを制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記超高純度液体は、酸、塩基、有機溶剤、フォトリソグラフィー薬品、ＣＭＰスラリおよびＬＣＤ市販化学薬品からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
14. 超高純度液体の処理時に、前記液体中の粒子の生成を最小限にする方法であって、
    初期粒子濃度を有する液体を第１の位置から第２の位置に搬送する工程と、
    前記液体が前記第２位置にある時の前記液体の最終粒子濃度が、前記初期粒子濃度を実質的に超えないように、搬送時の空気−液体界面を制御する工程と、
    を含む方法。
15. 前記液体を第１位置から第２位置に搬送する工程は、浸漬管を使用して液体源から容器に充填する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記容器の充填時に前記空気−液体界面を制御する工程は、前記浸漬管の先端を前記容器内の液体中に水没させる工程を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記液体を第１位置から第２位置に搬送する工程は、ノズルを介して液体を容器内に導入する工程を含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記空気−液体界面を制御する工程は、前記容器内の液体に前記ノズルを水没させる工程を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記液体を第１位置から第２位置に搬送する工程は、液体が堰から溢出して槽から水溜め内に入ることを可能にする工程を含む、請求項１４に記載の方法。
20. 搬送時の前記空気−液体界面を制御する工程は、前記堰と、前記水溜め内に位置する液体の表面との間の溢出距離を最小限にする工程を含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記液体を第１位置から第２位置に搬送する工程は、液体を第１位置から第２位置にサイフォンで移す工程を含む、請求項１４に記載の方法。
22. 搬送時の前記空気−液体界面を制御する工程は、サイフォン作用が中断しないように前記サイフォンを制御する工程を含む、請求項２１に記載の方法。
23. 前記サイフォンを制御する工程は、前記サイフォンがサイフォン作用を中断しないように、前記第１容器内の液体の水位を制御する工程を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 前記液体を第１位置から第２位置に搬送する工程は、第１容器を液体源から充填する工程を含み、前記第１容器は、剛性容器内に配置されたライナを含む、請求項１４に記載の方法。
25. 液体を充填した後の前記第１容器内の液体は、粒度が０．２μｍの粒子の場合、１ｍＬ当たり約２粒子未満の粒子濃度を有する、請求項２４に記載の方法。
26. 前記空気−液体界面を制御する工程は、
    前記ライナ内の空気を除去するように、前記ライナを圧潰する工程と、
    前記ライナに前記液体源から液体を供給することによって、前記圧潰ライナに液体を充填し、前記ライナに液体が充填される時に、前記ライナと前記剛性容器との間に位置する中間領域を排気する工程と、
    を含む、請求項２５に記載の方法。
27. 前記液体を前記ライナから分配するように、前記中間領域を加圧して、前記第１容器から前記液体を分配する工程をさらに含む、請求項２６に記載の方法。
28. 前記液体を前記第１容器から分配する工程は、前記液体を前記第１容器から第２容器に搬送する工程を含み、前記第２容器は、剛性容器内に配置されたライナを含む、請求項２７に記載の方法。
29. 前記第１容器のライナを前記第２容器のライナに接続する工程と、
    前記ライナ内の空気を除去するように、前記第２容器内のライナを圧潰する工程と、
    前記液体を前記第１容器のライナから前記第２容器のライナに移動させるように、前記第１容器の中間領域を加圧する工程と、
    前記第２容器のライナに前記第１容器のライナから液体が充填される時に、前記第２容器内の前記ライナと前記剛性容器との間に位置する中間領域を排気する工程と、
    をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記空気−液体界面を制御する工程は、
    残留ヘッドスペースが前記ライナ内に存在するように、最大容量未満まで前記ライナに液体を充填する工程と、
    前記ヘッドスペースの空気を排出するように、前記ライナと前記剛性容器との間の領域を加圧して、前記ヘッドスペースを減らす工程と、
    を含む、請求項２４に記載の方法。
31. 前記空気−液体界面を制御する工程は、
    残留ヘッドスペースが前記容器内に存在するように、最大容量未満まで前記容器に液体を充填する工程と、
    不活性空気袋を前記ヘッドスペース内に挿入することにより、前記ヘッドスペースを減少させる工程と、
    を含む、請求項１４に記載の方法。
32. 超高純度液体中における粒子の生成を減少させる、超高純度液体を処理するためのシステムであって、
    初期粒子濃度を有する液体を第１位置から第２位置に搬送するための手段と、
    前記液体の最終粒子濃度が前記初期粒子濃度を実質的に超えないように、前記液体の搬送時の空気−液体界面を制御する手段と、
    を含むシステム。
33. 前記空気−液体界面を制御する手段は、水没先端を有する浸漬管を備える、請求項３１に記載のシステム。
34. 前記空気−液体界面を制御する手段は、水没ノズルを備える、請求項３１に記載のシステム。
35. 前記液体を搬送する手段は、堰によって水溜めから分離される再循環槽を備える、請求項３１に記載のシステム。
36. 前記空気−液体界面を制御する手段は、前記堰と、前記水溜め内の液体の水位との間の距離を減少させる手段を備える、請求項３５に記載のシステム。
37. 前記空気−液体界面を制御する手段は、混入空気によりサイフォン作用を中断しないように前記サイフォンを制御するスマートサイフォンシステムを備える、請求項３１に記載のシステム。
38. 前記最終粒子濃度は、粒度が０．２μｍの粒子の場合、１ｍＬ当たり約２粒子未満である、請求項３１に記載のシステム。
39. 前記空気−液体界面を制御する手段は、
    剛性外側容器および圧潰可能ライナを有する容器と、
    前記ライナ内のいかなる空気をも除去するように、前記ライナを圧潰する手段と、
    前記圧潰ライナを充填するために前記ライナに接続された液体源と、
    前記ライナに液体が充填される時に、前記ライナと前記剛性外側容器との間に位置する中間領域を排気するための手段と、を備える、請求項３８に記載のシステム。
40. 前記ライナを圧潰する手段は、
    前記中間領域を加圧するために前記容器に接続された空気源と、
    前記ライナが圧潰される時に、前記ライナ内の空気が出て行くことを可能にする、前記ライナを排気する排気口と、を備える、請求項３９に記載のシステム。
41. 前記ライナと前記剛性外側容器との間の前記中間領域を加圧することにより、前記液体を前記容器から分配する手段を、さらに備える、請求項３９に記載のシステム。
42. 前記空気−液体界面を制御する手段は、前記容器に液体が充填された後に、前記容器内のヘッドスペースを減少させる手段を備える、請求項３１に記載のシステム。
43. ヘッドスペースを減少させる前記手段は、不活性空気袋を備える、請求項４２に記載のシステム。
44. 前記不活性空気袋は、前記ヘッドスペース内に位置する、請求項４３に記載の方法。
45. 前記不活性空気袋は、前記ライナと前記剛性容器との間に位置する、請求項４３に記載の方法。