KR101031440B1 - 초순수 액체에서 입자 생성을 최소화하는 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초순수 액체를 운반하기 위하여 사용된 용기를 포장하는 과정에서 입자 생성을 줄이는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 상기 용기에서 입자 생성은 충전, 이동 및 액체의 분배 동안 존재하는 공기-액체 계면을 감소시킴으로써 줄일 수 있다.

초순수 액체, 입자 생성, 라이너, 공기-액체 계면

Description

초순수 액체에서 입자 생성을 최소화하는 장치 및 방법{Apparatus And Method For Minimizing The Generation of Particles in Ultrapure Liquids}

본 발명은 초순수 액체에서 입자 생성을 최소화시키는 것에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 충전, 분배 및 용기의 이동 동안, 초순수 액체에서 입자 생성을 최소화시키는 것에 관한 것이다.

수 많은 산업은 초순수 액체중 입자의 수 및 크기가 순도치를 보장하도록 제어되는 것을 필요로 한다. 구체적으로, 초순수 액체가 마이크로 엘렉트로닉스 제조공정(microelectornic manufacturng process)의 많은 부분에서 사용되기 때문에, 반도체 제조사들은 공정 화학 물질(process chemical) 및 화학 물질 취급 설비(chemical-handling equipment)를 위한 엄격하게 확립된 입자 농도 사양을 가지고 있다. 상기 사양은 제조공정이 개선됨에 따라 더욱 엄격해지고 있다. 제작공정동안 사용된 유체가 높은 수준의 입자를 포함하고 있다면, 입자가 고체 표면에 증착될 수도 있기 때문에, 상기 사양이 필요하다. 이는 제품을 의도한 목적에 쓸모없게 하거나 부족하게 할 수 있다.

상기 사양 이면의 보편적 철학은, 유체가 깨끗하고 유체 취급 구성요소도 깨끗하다면, 상기 구성요소를 통하여 지나는 유체도 깨끗하게 유지될 것이라는 것이다. 달리, 유체 용기가 깨끗하고 용기가 깨끗한 유체로 충전된다면, 유체는 충전 공정동안 깨끗하게 유지될 것이다. 깨끗한 용기 속의 깨끗한 유체는 소비자에게 배송되는 동안에도 깨끗할 것이다. 종종, 제조 공정으로부터의 새로운 유체 취급 구성요소는 포장되기 전에 먼저 세정되어야 하고, 이 세정 작업에는, 세정 시스템 자체가 세정 액체를 오염시키지 않는다는 가정이 내재한다. 대조적으로, 펌프와 같은 특정 유체 취급 구성요소는 펌프가 운반하는 유체내로 입자들을 지속적으로 방출할 것임은 일반적으로 인지되고 있다.

그러나, 유체가 상기 구성요소를 통하여 지나가거나 또는 용기로 전달되는 방식에 따라서, 입자는 유체에서 보다 큰 정도 또는 보다 작은 정도까지 나타날 수 있다. 예를 들어, 세정 용기가 부분적으로 깨끗한 물로 충전되고, 마개가 덮히고, 격하게 흔들린다면, 물 속의 입자 농도는 극적으로 증가할 것이다. 새로운 단계는, 물 속의 입자 농도가 충분히 낮아서 엄격한 산업 사양을 충족시킬 수 있다는 것을 확신시켜주기 위하여 필요한 것이다.

따라서, 용기를 충전하고, 충전된 용기를 이동시키고, 용기로부터 액체를 분배하는 동안, 액체에서의 입자 생성을 최소화하는 시스템이 당 분야에서 필요하다.

본 발명은 액체에서 생성된 입자 양을 최소화하는 방식으로 초순수 액체(ultra pure liquid)로 용기를 충전하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

용기내에서의 공기-액체 계면(air-liquid interface)의 존재는 액체에서 관찰되는 입자 농도를 증가시키는 것으로 보여진다. 본 발명은 충전(filling), 이동(transporting), 용기로부터의 액체 분배동안, 공기-액체 계면을 최소화시키는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

초순수 액체에서 입자 생성을 감소시키는 첫 번째 방법은 바닥 충전 방법을 사용하여 용기를 충전하는 것이다. 상기 바닥 충전 방법은 용기로 액체를 도입하는 딥튜브의 팁을 침지시킴으로써 수행될 수 있다. 용기를 충전하는 동안 액체의 표면 아래로 딥튜브의 팁을 침지하면, 스플래싱(splashing), 난류(turbulence) 및 공기의 비말동반(entrainment)이 감소된 채 용기로 액체가 들어갈 수 있도록 한다. 스플래싱, 난류 및 공기의 비말동반을 피하는 것은 공기-액체 계면을 최소화시킴으로써, 액체에서 생성되는 입자를 감소시키는 것을 보장한다.

초순수 액체에서 입자 생성을 감소시키는 두 번째 방법은, 라이너를 붕괴시킨 다음, 붕괴된 라이너(collapsed liner)를 충전함으로써, 라이너 및 경질 오버팩(overpack)을 포함하는 타입의 액체 용기를 충전하는 것이다. 이 방법에 따라 용기를 충전하면, 라이너에서 공기-액체 계면이 제거되어, 헤드 스페이스 공기(headspace air)를 가지지 않은 채 용기가 충전된다.

초순수 액체에서 입자 생성을 감소시키는 다른 방법은, 용기를 충전하기 위해서 또는 세정 제트로서, 노즐을 사용하는 시스템에서 노즐을 침지시킴을 포함한다. 액체의 표면 아래로 노즐을 침지시키는 것은 공기-액체 계면을 감소시켜서 입자 생성이 덜 일어나도록 한다.

또한, 액체가 섬프(sump)로 떨어질 수 있는 웨이어(weir)를 가진 재순환 욕(recirculating bath)에서, 입자 생성은 액체가 섬프로 떨어짐에 따라 발생할 수 있고, 스플래싱, 거품 및 난류를 야기한다. 섬프에서 액체와 웨이어 간의 넘침 거리(overspill distance)를 줄임으로써, 액체는 최소의 스플래싱을 가진 채 섬프로 들어가게 되고, 액체에서의 감소된 입자 농도를 유발한다.

사이포닝 시스템(siphoning system)에서, 스마트 사이폰(smart siphon)을 사용하는 것도 입자 농도를 줄일 수 있다. 스마트 사이폰은, 공기의 비말동반에 의해 사이포닝 활동이 차단되기 전에 사이포닝 활동을 중단시키고, 사이폰에 남아있는 액체가 탱크로 다시 떨어질 수 있도록 하기 위하여 제어되는 것이다.

마지막으로, 선적 전에 용기중 임의의 헤드 스페이스 공기도 제거된 것을 확인하는 것은, 용기속의 액체중 입자 농도를 감소시킨다. 라이너를 사용하는 용기에서, 용기를 가압하고 헤드 스페이스 공기를 밖으로 배기시킴으로써 헤드 스페이스가 라이너에서 제거될 수 있다. 또한, 경질 용기에서 불활성 블래더(inert bladder)가 헤드 스페이스를 제거하기 위하여 삽입될 수 있다.

도 1은 초순수 액체로 용기를 충전하기 위한, 표준 상단 충전 방법(standard top fill arrangement)를 나타낸 것이다.

도 2는 용기를 충전하기 위한, 침지된 튜브 바닥 충전 방법(submerged tube bottom fill method)을 나타낸 것이다.

도 3은 붕괴가능한 라이너를 갖는 용기를 나타낸 것이다.

도 4의 A는 용기를 충전하기 위한 표준 상단 충전 배열을 나타낸 것이다.

도 4의 B는 도 4의 A에 묘사된 대로 충전된 용기의 내용물이 분배되고, 분배된 액체가 광학 입자 계수기 및 로타메터(rotometer)를 통과하여 지나가는 것을 나타낸 것이다.

도 5의 A는 용기를 충전하기 위한 침지된 튜브 바닥 충전 방법을 나타낸 것이다.

도 5의 B는 도 5A에 묘사된 대로 용기의 내용물을 분배하고 분배된 액체가 광학 입자 계수기 및 로타메터를 통과하여 지나가는 것을 나타낸 것이다.

도 6a 내지 6d는 붕괴가능한 라이너를 갖는 용기를 충전하고, 그 다음 용기로부터 액체를 분배하는 방법을 나타낸 것이다.

도 7a 내지 7c는 용기를 충전하고, 첫번째 용기에서 두 번째 용기로 내용물을 분배하고, 광학 입자 계수기 및 로타메터를 통하여 두 번째 용기로부터 내용물을 분배하는 방법을 나타낸 것이다.

도 8의 A는 노즐을 사용하여 용기를 충전하는 표준 방법을 나타낸 것이다.

도 8의 B는 충전 노즐을 침지시킴으로써 용기를 충전하는 방법을 나타낸 것이다.

도 9는 침지된 노즐 및 표면 위의 노즐의 경우 경과시간에 따른 입자 농도를 나타낸 것이다.

도 10a는 웨이어가 과잉 섬프 지역으로 넘친 재순환 욕에서의 액체를 나타낸 것이다.

도 10b는 액체에서 입자 생성을 감소시키는 방식으로, 웨이어를 넘어 과잉 섬프 지역으로 넘친 재순환 욕에서의 액체를 나타낸 것이다.

도 11은 입자 농도를 측정하기 위하여, 수조에서 웨이어를 넘어 재순환 펌프의 섬프로 흘러든 물을 테스트하는 시스템을 나타낸 것이다.

도 12는 재순환 욕 테스트에서 플러쉬업된 필터의 경과시간에 따른 입자 농도를 나타낸 그래프이다.

도 13은 필터-우회(filter bypass)시킨 재순환 욕의 경우 경과시간에 따른 입자수를 나타낸 그래프이다.

도 14는 탱크를 충전하기 위한 사이포닝 시스템을 나타낸 것이다.

도 15는 바닥 충전 스마트 사이폰의 경우 경과시간에 따른 입자수를 나타낸 그래프이다.

도 16은 상단 충전 스마트 사이폰의 경우 경과시간에 따른 입자수를 나타낸 그래프이다.

도 17은 바닥 충전 덤브 사이폰의 경우 경과시간에 따른 입자수를 나타낸 그래프이다.

도 18은 상단 충전 덤브 사이폰의 경우 경과시간에 따른 입자수를 나타낸 그래프이다.

도 19의 A 및 도 19의 B는 용기의 충전 및 충전된 용기에서의 헤드 스페이스 제거방법을 나타낸 것이다.

도 20의 A 및 도 20의 B는 불활성 블래더를 사용한 헤드 스페이스의 제거 및 용기 충전 방법을 나타낸 것이다.

도 1은 용기를 초순수 액체로 충전하기 위한 표준 상단 충전 배열을 도시한 것이다. 도 1은 용기(1), 액체(2), 마개(3), 충전 라인(4), 밸브(5) 및 초순수 액체원(6)을 나타낸 것이다. 밸브(5)는 초순수 액체원(6)과 마개(3) 사이의 충전 라인(4) 상에 위치하고 있다. 밸브(5)가 열리면, 초순수 액체(2)가 마개(3)를 통해 용기 안으로 들어간다. 상기 마개는 용기(1)의 상부에서 입구의 위쪽에 위치하고 있다.

초순수 액체가 상기 마개(3)에 존재할 때, 상기 액체(2)는 대량으로 용기 (1)에 떨어져서 스플래싱, 거품 및 공기의 비말동반을 발생시킨다. 상기 스플래싱, 거품 및 공기의 비말동반은 액체의 표면적을 증가시킴으로써, 용기의 내부에서 액체의 공기-액체 계면을 증가시킨다. 이와 같은 방식으로 용기를 충전하면 용기(1)에 저장된 액체(2)에서 상당한 입자의 생성을 유발시켜, 액체(2)의 입자 농도를 증가시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다.

바닥 충전 방법

도 2는 도 1의 충전 시스템의 변형을 도시한 것으로, 상기 변형은 액체(2)에서의 입자 농도를 줄인다. 도 1과 유사하게, 도 2는 충전 라인(4)에 연결된 마개(3)를 가진 용기(7), 밸브(5) 및 초순수 액체원(6)을 나타낸 것이다. 그러나, 도 1과 달리, 도 2의 충전 시스템은 마개(3)에 연결된 충전 튜브(8)를 추가로 포함하고 있다. 상기 충전 튜브(8)는 침지된 팁(submerged tip)(9)에서 끝나되 용기(7)의 내부 용적에서 아래 방향으로 뻗어 있고, 상기 침지된 팁(9)은 용기(7)의 바닥 근처에 위치하고 있다.

용기(7)가 충전되면, 침지된 팁(9)은 실질적으로 전체 충전 사이클이 진행되는 동안 액체(2)의 표면 아래로 잠기게 됨으로써, 팁(9)으로부터의 액체의 유동은 액체 표면(2) 아래로 지속적으로 유지된다. 그 결과, 상기 액체는 용기(7)로 떨어지지 않은 채, 침지된 팁(9)에서 나오게 된다. 오히려, 용기(1)로의 액체(2)의 유입이 매우 부드러워져서, 스플래싱, 거품 또는 난류가 덜 유발된다.

침지된 팁(9)을 가진 충전 튜브(8)를 사용하여 용기를 충전하는 것은 액체(7)에서의 입자 농도를 저하시키는 것으로 확인되었다. 특히, 도 1에 나타낸 기존의 상단 충전 방법과 비교했을 때, 도 2의 바닥 충전 방법은 상기 액체(2)에서 매우 적은 입자를 발생시킨다. 상기 충전 튜브(8)의 팁(9)을 침지시킴으로써, 공기-액체 계면이 덜 요동쳐서, 액체의 전체 표면적이 감소한다. 감소된 공기-액체 계면은 용기(58)로부터의 입자 발산(particle shedding)을 지연시키고, 액체에서 관찰되는 입자 농도를 최소화한다.

붕괴 라이너 충전 방법(collapse liner fill method)

도 3은 초순수 액체를 충전하는데 사용되는 용기의 대안을 나타낸 것이다. 도 3의 용기(10)는 경질 외부 용기(12), 붕괴가능한 라이너(collapsible liner)(14), 중간 영역(intermediate area)(16), 딥튜브(18) 및 부속품(20)을 포함하고 있다. 용기(10)를 충전하는 표준 방법은 라이너(14)를 경질 외부 용기(12)로 삽입하는 것이다. 그 다음, 라이너(14)가 외부 용기(12)를 누를 때까지 라이너(14)를 팽창시킨다. 라이너(14)가 한 번 팽창되면, 통상적인 방식에 따라 용기(10)를 액체로 충전될 수 있다.

도 3에서와 같이 용기를 충전하는 방법은 충전하는 동안 입자 생성을 최소화하기 위하여 변형될 수 있다. 더욱 구체적으로, 용기를 충전하는 동안, 도 3의 용기(10)는 공기-액체 계면을 급격히 감소시키는 방법으로 충전될 수 있다.

용기(10)에 연결된 것은 초순수 액체원(22), 깨끗하고 건조한 공기 공급원(24), 배출구(26), 분배 라인(28) 및 라이너 공기 배출구(30)이다. 충전 및 분배 라인(fill and dispense line)(32)은 액체원(22)을 딥튜브(18)를 통해 라이너(14)의 내부까지 연결하고 있다. 상기 충전 및 분배 라인(32)은 분배 라인(28)에도 연결되어 있다. 충전 밸브(34)는 액체원(22)에서 라이너(14)로 유체가 흐를 수 있도록 하기 위하여 충전 및 분배 라인(32) 상에 위치하고 있다. 유사하게, 분배 밸브(dispense valve)(36)는 용기(10) 밖에서 분배 라인(28)까지 유체가 흐를 수 있도록 충전 및 분배 라인(32) 상에 위치하고 있다.

공기 공급관(38)은 라이너(14)와 경질 용기(12) 사이의 중간 영역(16)까지 깨끗하고 건조한 공기 공급원(24)을 연결하고 있다. 상기 공기 공급관(38)상에 위치한 것은 공기 흡입구 밸브(40) 및 공기 배출구 밸브(42)이다. 상기 공기 흡입구 밸브(40)는 공기 공급원(24)에서 중간 영역(16)으로의 공기 유동을 제어한다. 유사하게, 상기 공기 배출구 밸브(42)는 중간 영역(16)의 공기가 용기(10)에서 배출구(26)로 배출될 수 있도록 한다.

공기 배출구 라인(44)은 라이너 공기 배출구(30)까지 라이너(14)의 내부를 연결시킨다. 라이너 배출구 밸브(46)는 상기 공기 배출구 라인(44) 상에 위치하고 있으며, 공기가 라이너(14) 내부에서 공기 배출구 라인(44)를 통해서 라이너 공기 배출구(30)로 배출될 수 있도록 한다.

부속품(20)은 경질 용기(12)의 상단 입구에 연결되어 있다. 붕괴가능한 라이너(14)는 경질 용기(12) 내부에 위치하도록 배열되어 있고, 부속품(20)까지 확장되어 있다. 딥튜브(18)는 붕괴가능한 라이너(14)의 내부에 배열되어 있고, 실질적으로는 라이닝된 용기(lined container; 10)의 바닥까지 뻗어있다. 딥튜브(18)는 부속품(20)까지 확장되도록 배열될 수도 있으며, 상기 언급한 바와 같이, 유체 충전 라인(32)에 노출되어 있다. 중간 영역(16)은 붕괴가능한 라이너(14)와 경질 용기(12) 사이의 공간이고, 붕괴가능한 라이너(14)가 확장되거나 압축됨에 따라 크기가 변한다.

라이닝된 용기(10) 및 이것이 라인(32, 38 및 44)에 연결된 방식은, 경질 용기가 액체로 충전될 때 일반적으로 존재하는 공기-액체 계면을 최소화하도록 용기(10)를 충전시키는 것을 가능하게 한다. 공기-액체 계면의 최소화는 액체에서 임의의 입자 생성을 최소화하는 결과를 가져온다.

용기(10)를 충전하는 공정은 라이너(14)를 붕괴시키는 것으로 시작한다. 모든 밸브(34, 36, 40, 42 및 46)를 닫는 것으로 시작해서, 공기 흡입구 밸브(40) 및 라이너 배출구 밸브(46)을 열게 되면 라이너(14)는 붕괴되게 된다. 일단 열리면, 공기 흡입구 밸브(40)는 깨끗하고 건조한 공기가 공기 공급원(24)으로부터 공기 공급관(38)을 통하여 중간 영역(16)으로 흐를 수 있도록 한다. 깨끗하고 건조한 공기의 공급원(24)은 적절하게 배열된 어떠한 공급원일 수 있고, 통상적인 방식으로는 공기 공급관(38)에 연결되어 있다. 이러한 공기의 유동은 중간 영역(16)에서 압력을 증가시켜, 붕괴가능한 라이너(14)를 압축한다. 라이너 배출구 밸브(46)가 열리면, 공기가 중간 영역(16)으로 가압되어 라이너(14)를 붕괴시킴에 따라, 라이너의 내부에서 외부로 밀려난 공기는 공기 배출구 라인(44)을 통해서 용기(10)로부터 방출되어, 라이너 공기 배출구(30)로 배출될 수도 있다. 실질적으로 모든 공기가 라이너(14) 내부로부터 배출되어 적절하게 붕괴되면, 공기 흡입구 밸브(40) 및 라이너 배출구 밸브(46)를 닫는다.

라이너(14)가 붕괴된 다음, 용기(10)는 붕괴된 라이너(14) 내부에 위치하고 있는 딥튜브(18)을 사용하여 충전될 수 있다. 용기(14)를 충전하기 위하여, 공기 배출구 밸브(42) 뿐만 아니라 충전 밸브(34)도 연다. 충전 밸브(34)가 열리면, 액체는 액체원(22)에서 충전 및 분배 라인(32)을 통하여 붕괴가능한 라이너(14)로 흐른다. 라이닝된 용기(10)가 충전되면, 붕괴가능한 라이너(14)가 확장된다. 공기 배출구 밸브(42)가 열리면, 라이너(14)가 유체로 충전되고 팽창됨에 따라, 중간 영역(16)의 공기가 배출구(26)를 통해 용기(10)로부터 방출된다.

붕괴된 라이너(14)에서 대부분의 공기를 제거한 결과, 액체가 딥튜브(18)를 통해서 라이너(14)로 유입되면, 공기-액체 계면이 급격히 감소하게 되어, 용기(10)에서의 입자 발산이 감소된다. 산업용으로 보다 순수한 액체를 제공함에서 있어서, 붕괴 라이너 충전 방법을 통하여 용기(10)를 충전하는 것은 액체에서의 입자 생성을 감소시키는 것으로 나타났다.

라이닝된 용기(10)의 액체는 입자 생성을 최소화시키는 방식으로 분배될 수도 있다. 이것은 깨끗하고 건조한 공기(8)가 공기 공급 라인(38)을 통해 중간 영역(16)까지 흐를 수 있도록 공기 흡입구 밸브(40)를 열어줌으로써 수행될 수 있다. 공기 유동은 중간 영역(16)에서의 압력을 증가시키고, 붕괴가능한 라이너(14)를 가압하는데 사용될 수 있다. 붕괴가능한 라이너(14)가 압력을 받게 됨에 따라, 붕괴가능한 라이너(14) 내부에 보관된 액체는 분배 밸브(36)을 거쳐 충전 및 분배 라인(32)을 통하여 용기(10) 밖으로 나가 분배 라인(28)에 도달한다. 이러한 방식으로 용기(10)의 내용물을 분배하면, 배급하는 액체에서 입자를 지속적으로 발산시키는 펌프를 필요로 하지 않는다. 또한, 이러한 분배 방식은 분배가 진행되는 동안 공기-액체 계면을 감소시키고, 액체에서 입자 생성을 감소시키는 것으로 나타났다.

상기 언급된 붕괴된 라이너 충전 방법이 바닥 충전 방법을 사용하여 액체를 용기 내부로 유입시키는 딥튜브를 포함하고 있다 할지라도, 이와 같은 장점은 딥튜브를 포함하지 않는 바닥 충전 방식을 사용해도 얻어질 수 있다. 붕괴된 라이너 충전 방법에 의해 생성된 입자 농도는 기존의 충전 방법보다 매우 낮다. 구체적으로, 직경 0.2㎛의 입자의 경우, 약 2개 입자/㎖ 보다 작은 입자 농도가 붕괴된 라이너 충전 방법에 의해 일관되게 실현된다는 것이 입증되었다. 사실, 일 구현예에서 상기 붕괴된 라이너 충전 방법은 직경 0.2㎛의 입자의 경우, 약 1개 입자/㎖보다 작은 입자 농도를 성취할 수 있다. 현행의 산업 사양은 직경 0.2㎛의 입자의 경우 약 50개 입자/㎖ 이하를 요구하고 있다.

도 3이 붕괴가능한 라이너(14) 내부에 공기가 포함되어 있는 것으로 묘사되어 있지만 본 발명은 공기로 국한되는 것은 아니며, 붕괴가능한 라이너는 다른 가스, 예를 들어 질소, 아르곤 또는 다른 적절한 가스 혹은 가스의 배합물을 포함할 수 있다. 도 3의 용기 충전 방법은 깨끗하고 건조한 공기 공급원(24)을 사용하는 것으로도 묘사되고 있다. 그러나, 본 발명은 깨끗하고 건조한 공기에 국한되는 것은 아니며, 공급원(24)은 임의의 다른 적절한 가스 또는 가스의 배합물(예를 들어 질소, 아르곤, 등)을 시스템에 공급할 수 있다. 더욱이, 상기 언급된 시스템 및 하기 언급될 시스템은 초순수 물(ultra pure water)을 사용하는 것으로 논의되고 있지만, 입자 함량이 엄격하게 제어되는 것이 바람직한 다른 유체도 본 발명으로부터 이익을 얻을 것이다.

도 2 및 도 3에 묘사된 선택적인 충전 방식이 액체에서의 입자 갯수를 개선시키는 정도는 표 1에 요약한 하기의 실험에 의해 설명되고, 도 4의 A 내지 도 6d에 묘사되어 있다. 표 1은 4개의 다른 방법에 따라 용기를 충전시킨 다음, 액체 내의 생성된 입자 농도를 측정하기 위하여 광학 입자 계수기를 통하여 용기의 내용물을 분배시킨 결과를 나타낸 것이다.

표 1에서 첫 번째 충전 방식의 결과는, 용기 상단에서 충전하는 단계; 상기 용기를 뒤집는 단계; 및 생성된 입자를 계수하는 단계에 관한 것이다. 이러한 데이타를 얻기 위해 사용된 충전 및 분배 방식은 도 4의 A 및 도 4의 B에 묘사되어 있다. 도 4의 A는 용기(50), 충전 튜브(52), 충전 라인(54), 밸브(56) 및 초순수 물 공급원(58)을 나타낸 것이다. 밸브(56)가 열렸을 때, 초순수 물 공급원(58)에서 초순수 물이 나와 충전 라인(54)을 통해 용기(50)로 흘러간다. 상기 초순수 물은 충전 튜브(52)에서 용기(50)로 들어간다. 충전 튜브(52)는 용기(50)에서 입구의 상단에 위치하고 있기 때문에, 초순수 물이 용기로 유입됨에 따라 용기의 상단에서 바닥으로 떨어져서 스플래싱, 거품 및 공기의 비말동반을 유발한다.

도 4의 B는 그 후에 용기(50) 내부의 초순수 물이 분배되는 방식을 나타낸 것이다. 도 4의 B는 압력 베슬(pressure vessel)(60)에 위치한 용기(50)를 나타낸 것이다. 압력 베슬(60)에 연결된 것은 깨끗하고 건조한 공기 공급원(62), 제어기 밸브(64) 및 압력계(66)이다. 용기(50) 내부에는 분배 프로브(dispense probe)(68)가 있다. 상기 분배 프로브(68)는, 입자 계수기(72), 로타메터(74) 및 밸브(76)를 따라 설치된 분배 라인(70)에 연결되어 있다. 용기(50)의 내용물은 분배 라인(70) 상의 밸브(76)를 열거나, 압력 베슬(60)에 깨끗하고 건조한 공기를 공급함으로써 분배할 수 있다. 기존의 방식에서, 깨끗하고 건조한 공기는 깨끗하고 건조한 공기 공급원(62), 밸브(64) 및 압력계(66)을 사용하여 공급될 수 있다.

초순수 물이 분배됨에 따라, 초순수 물은 액체의 입자 농도를 측정하기 위하여 배열된 입자 계수기(72) 옆을 지나간다. 임의의 적절한 입자 계수기는 입자 측정 시스템 M-100 광학 입자 계수기이다. 또한, 로타메타(74)는 초순수 물이 분배되는 유속을 측정하기 위하여 배열되어 있다.

도 4의 A 및 도 4의 B에서 묘사된 시스템은 표 1의 열 1 및 열 2의 데이타를 얻기 위하여 사용되었다. 열 1의 데이타를 얻는데 있어서, 도 4의 A에 묘사된 방식에 따라 10개의 용기는 초순수 물로 약 90%의 충전 용량까지 충전되었다. 각 용기에 대하여 바람직한 충전 수준까지 도달했을 때, 각 용기를 마개로 덮고, 혼합하기 위하여 천천히 한 번 뒤집었다. 그런 다음, 용기 위의 마개를 분배 프로브로 교체하고, 도 4의 B에 묘사된 바와 같이 분배하기 위하여 압력 베슬내에 놓는다. 각 용기는 입자 계수기를 통해서 300㎖/분으로 분배되었다.

열 2의 데이타는 이와 비슷한 방식으로 얻었다. 10개의 용기는 약 90% 용량까지 충전되었다. 그러나, 혼합하기 위하여, 용기를 간단하게 한번 뒤집는 대신에, 수송 조건을 모의하기 위하여 용기를 오비탈 쉐이커(orbital shaker)에 놓고 180rpm으로 10분간 흔들어 주었다. 그 다음, 용기는 도 4의 B에서 묘사된 바와 같이 분배되었다.

표 1에 요약된 용기를 충전하는 세 번째 방식은 도 5의 A 및 도 5의 B에 묘사되어 있다. 도 5의 A에 나타난 시스템은 용기(80), 딥튜브(82), 침지된 팁(84), 충전 라인(86), 밸브(88) 및 초순수 물 공급원(90)을 포함하고 있다. 딥튜브(82)는 용기(80)안으로 뻗어 있고, 침지된 팁(84)에서 끝난다. 용기(80)가 충전됨에 따라, 초순수 물은 침지된 팁(84)을 통해서 용기(80)로 들어간다. 그 결과, 물이 침지된 팁(84)에서 배출될 때, 물은 도 4의 A에 묘사된 상단 충전 방식보다 적은 스플래싱, 거품 및 난류를 일으키며, 더욱 부드럽게 용기(80)로 들어간다.

도 5B는 용기(80)에서 초순수 물이 즉시 분배되는 방식을 나타낸 것이다. 상기 방식은 도 4의 B에 관하여 상기 언급된 방식과 동일하다. 그래서, 압력 베슬(60)은 물의 입자 농도를 결정하는 입자 계수기 및 로타메터를 통과한 초순수 물을 분배하는데 사용하였다. 표 1의 열 3은 도 5의 A에 묘사된 방법에 따라 10개의 용기를 충전시킨 결과 및 도 5B에 묘사된 방법에 따른 이들의 분배를 요약하고 있다.

도 6a 내지 6d는 표 1의 데이타를 얻기 위하여 테스트한 네 번째 용기 충전 방식을 묘사하고 있다. 도 6a 내지 6d는, 도 3을 참고하여 상기 언급한 것과 동일한 용기 및 유동 회로(flow circuitry)를 사용하여 붕괴가능한 라이닝을 갖는 충전 및 분배 용기의 공정을 묘사하고 있다. 그러나, 도 3에서 묘사한 시스템과 달리, 도 6a 내지 6d에서 보여주는 시스템은 충전 및 분배 라인(32) 상에 위치한 로타메터(92) 및 광학 입자 계수기(90)를 추가적으로 가지고 있다. 로타메터(92) 및 광학 입자 계수기(90)는 초순수 물이 용기(10)에서 분배됨에 따라, 초순수 물의 입자 농도를 얻기 위하여 사용하고 있다.

용기를 충전하고 분배하기 위하여 사용한 방법은 도 6a에서 나타낸 대로 시작하였다. 도 6a에서, 붕괴가능한 라이너(14)를 붕괴시키는 시작 단계는, 다른 밸브(34, 36 및 42)가 닫혀있는 동안, 공기 흡입구 밸브(40) 및 라이너 배출구 밸브(46)를 여는 것에 의한 것이다. 흡입구 밸브(40) 및 라이너 배출구 밸브(46)가 개방되면, 깨끗하고 건조한 공기가 라인(38)을 통해서 깨끗하고 건조한 공기 공급원(24)에서 중간 영역(16)으로 흘러들어가 라이너(14)를 붕괴시킨다. 중간 영역(16)이 압력을 받는 것과 동시에, 라이너(14) 내부의 공기는 라이너 배출구 밸브(46)을 통해서 라이너 공기 배출구(30)로 이동하게 된다. 이로 인해 라이너(14)는 딥튜브(18) 주위에서 붕괴되게 된다.

도 6b는 라인(32)을 통하여 흐르는 초순수 물 중 바탕선(baseline number)을 측정하는 선택적인 다음 단계를 묘사하고 있다. 바탕선 샘플(baseline sample)을 얻기 위하여, 라이너 배출구 밸브(46)를 닫고, 공기 흡입구 밸브(40) 뿐만 아니라, 충전 밸브(34) 및 분배 밸브(36)를 모두 연다. 열린 밸브(34 및 36)는 물이 충전 및 분배 라인(32)를 통하여 공급원(22)에서 입자 계수기(90) 및 로타메터(92)로 바로 흐를 수 있도록 하고, 분배 라인(28)을 통하여 밖으로 흐를 수 있게 한다. 열린 공기 흡입구 밸브(40)는 공기가 깨끗하고 건조한 공기 공급원(24)에서 공기 공급 라인(38)으로 흐르게 하고, 라이너(14)의 붕괴된 상태를 유지하며, 공급원(22)에서 나온 어떤 물이라도 라이너(14)로 유입되는 것을 방지한다.

물중 바탕선 입자 농도가 획득되면, 상기 바탕선은, 용기가 충전된 다음 라이닝된 용기(10) 속의 물의 입자 농도와 비교할 수 있다. 이 단계는 또한 물로 딥튜브(18)을 충전하여, 튜브(18)에 존재할 수 있는 비말동반된 공기를 제거할 수 있다는 장점을 제공한다.

도 6c는 붕괴된 라이너(14)로 물을 유입시킴으로써 용기(10)를 충전하는 단계를 묘사하고 있다. 용기(10) 충전을 시작하기 위하여, 충전 밸브(34) 및 공기 배출구 밸브(42)를 열고, 다른 모든 밸브(36, 40 및 46)를 닫는다. 열린 충전 밸브(34)는 물이 물 공급원에서 충전 및 분배 라인(32)으로 유입될 수 있도록 하여, 딥튜브(18)를 통해서 라이너를 충전하기 시작한다. 물이 붕괴가능한 라이너(14)로 유입됨에 따라, 붕괴가능한 라이너(14)가 팽창되고, 공기는 중간 영역(16) 밖으로 가압된다. 붕괴가능한 라이너(14)가 팽창됨에 따라, 열린 공기 배출구 밸브(42)는 중간 영역(16) 중 공기를 라인(38)을 통해서 배기시킨다. 상기 충전 공정은 붕괴가능한 라이너(14)가 바람직한 수준으로 충전될 때까지 계속된다. 일단 완전히 충전되면, 충전 밸브(34)를 닫는다.

도 6d는 라이닝된 용기(10)로부터 액체를 분배하는 마지막 단계를 묘사하고 있다. 물을 분배하기 위하여, 분배 밸브(36) 및 공기 흡입구 밸브(40)가 열리고, 다른 밸브(34, 42 및 46)는 닫힌다. 공기 흡입구 밸브(40)가 열리면, 공기는 공기 공급원(24)에서 중간 영역(16)으로 흐르게 된다. 상기 공기는 붕괴가능한 라이너(14)에 대한 압력을 야기시켜, 붕괴가능한 라이너(14)를 압축하고, 붕괴가능한 라이너(14) 밖으로 물을 가압한다. 액체는 딥튜브(18)에서 라이너(14)로부터 배출되고, 분배 라인(32)을 통해서 흐른다. 상기 물이 분배 라인(32)을 통하여 유동함에 따라, 입자 농도는 광학 입자 계수기(90)에 의해 측정되고, 유속은 로타메터(92)에 의해 측정된다. 목적하는 양(전형적으로 모두)의 물이 붕괴가능한 라이너(14)의 내부로부터 제거될 때까지, 공기는 중간 영역(16)으로 이동하게 된다. 이러한 방식으로 물을 분배하면, 입자를 발산하는 것으로 알려진 펌프의 필요성이 배제되게 한다.

하기 표 1은 상기 언급된 4개의 실험으로부터 얻어진 데이타를 요약한 것이다. 표는 4개 실험의 평균 결과를 포함하고 있다. 데이타에서 나타난 바와 같이, 입자의 가장 높은 농도는, 용기 상단 충전 방법 및 흔드는 방법에서 얻어진다. 또한, 바닥 충전 방법 및 더욱 구체적으로, 우선 라이너의 붕괴 및 그 이후 붕괴된 라이너의 충전을 포함하는 충전 방식("붕괴 라이너 충전 방법")은 액체의 입자 농도를 현저히 저하시킴이 발견되었다.

	입자 농도(#/㎖)
평균 입자 크기	0.10㎛	0.15㎛	0.20㎛	0.30㎛
상단 충전/뒤집기(Top Fill/Invert)	124	44	12	1.2
상단 충전/흔듦(Top Fill/Shake)	10151	4820	2066	181
바닥 충전(Bottom Fill)	29	11	4.0	.085
붕괴 라이너 충전(Collapse Liner Fill)	5.2	2.5	1.3	0.52

표 1의 데이타는 용기의 공기-액체 계면의 존재가 액체에서의 입자 생성에 영향을 준다는 것을 보여주고 있다. 특히, 표 1에 요약된 결과는, 붕괴된 라이너 충전 방법과 같이 충전 과정동안 공기-액체 계면이 존재하지 않는다면, 입자 생성은 실질적으로 존재하지 않음을 보여주고 있다. 다른 세가지 충전 방법에서와 같이 공기-액체 계면이 존재할 때는, 입자 생성이 관찰되었다.

공기-액체 계면 측면에서 논의되고 있지만, 용기 중 진공 상태가 액체 표면상에 존재하는 다른 계면에 대하여도 유사한 결과를 얻을 수 있다. 그래서, 공기-액체 계면이란 개념은, 액체 표면적과 접촉하는, 공기, 다른 가스 혹은 가스의 배합물, 또는 심지어 진공까지 포함하는 임의의 액체 계면을 커버하기 위한 광범위한 의미로 사용된다.

붕괴 라이너 충전 방법을 수반하는 두 개의 또 다른 실험을 수행하였다. 이 실험들도 용기의 내용물을 분배하는 방법이 입자 생성 결과에 영향을 준다는 것을 보여주고 있었다. 하기 표 2는, 상기 도 3에 관하여 묘사한 방법에 따라 용기를 붕괴시키는 방식으로 충전하고, 그 다음에 두 가지 다른 방식으로 내용물을 분배하여 얻어진 결과를 비교한 것이다.

첫 번째 분배 방식은 붕괴된 라이너 충전된 용기(용기 A)의 내용물을 두 번째 용기(용기 B)에 붓는 것을 포함하였다. 상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 붕괴된 라이너 충전 방식을 사용하여 용기 A를 충전하는 것은 용기 A의 물이 매우 낮은 입자 농도를 가지게 하였다. 그 다음, 용기 A의 물은 동일한 용기, 용기 B로 부어졌다. 용기 B는 표준 분배 프로브로 덮여졌고, 입자 계수기를 통하여 분배되었다. 하기 표 2에서 나타난 바와 같이, 물에서의 입자 농도는 용기 B로 부어진 다음부터 극적으로 증가하였다.

사용된 두 번째 분배 방법은 도 7a 및 7b에서 묘사되고 있다. 두 번째 방법은 첫 번째 용기, 용기 A의 붕괴된 라이너 충전 및 용기 A로부터 두 번째 용기, 용기 B로의 붕괴된 라이너 충전을 포함하고 있다. 도 7a는 붕괴된 라이너 충전 방법을 사용하여 용기 A를 충전하는 공정의 첫 단계를 보여주고 있다. 도 3에서 묘사한 용기 및 유동 회로와 유사하게, 도 7a 내지 7c는 경질 외부 용기(102) 및 내부 라이닝(104)을 가지고 있으며, 라이닝된 용기(100)를 보여주고 있다. 내부 라이닝(104)은 라인(108)을 통하여 초순수 물 공급원(106)까지 연결되어 있다. 충전 밸브(110)는 공급원(106)에서 용기(100)까지 액체의 수송을 제어한다.

첫 번째 용기(100)까지 연결된 것으로 보이는 것은 질소 공급원(112), 질소 흡입구 밸브(14) 및 압력계(116)이다. 상기 질소 공급원(112)은 질소 공급 라인(120)을 통하여 중간 영역(118)까지 연결되어 있다. 질소 공급원(112) 상에 위치한 것은 4개의 밸브(122 내지 128)이다. 두개의 외부 밸브(122 및 128)는 배출구까지 라인(120)내 질소 가스를 유도한다. 두개의 내부 밸브(124 및 126)는 질소의 유동을 제어함으로써, 질소가 첫 번째 용기(100) 또는 두 번째 용기(130)로 선택적으로 지향할 수 있도록 한다. 두 번째 용기(130)는 분배 라인(132)을 지나 첫 번째 용기(100)까지 연결되어 있다. 분배 라인을 따라 위치한 것은 두개의 밸브(134 및 136)이다.

라이닝된 첫 번째 용기(100)와 유사하게, 라이닝된 두 번째 용기(132)는 경질 용기(138) 및 붕괴가능한 라이너(140)를 포함한다. 경질 용기(138) 및 붕괴가능한 라이너(140) 사이의 중간 영역(142)은 라인(120)을 따라 질소 공급원으로도 연결되어 있다. 첫 번째 용기(100) 및 두 번째 용기(130)는 둘다 이들이 붕괴가능한 라이너(104 및 140) 내부에 배열된 딥튜브(144)를 가지고 있다.

도 7c에서, 입자 계수기(150) 및 로타메터(152)는 밸브(134 및 136) 사이의 분배 라인(132)를 따라 위치하고 있다. 밸브(134 및 136) 사이에 입자 계수기(150) 및 로타메터(152)가 위치하고 있는 것은 두 번째 용기의 내용물이 입자 계수기(150) 및 로타메터(152)를 지나서 분배될 수 있도록 함으로써, 입자 농도에 관한 데이타를 수집할 수 있도록 한다.

도 7a는 첫 번째 용기(100)의 라이너를 붕괴시키고, 도 3을 참고하여 상기 언급된 방법에 따라 용기를 충전하는, 첫 번째 단계를 묘사하고 있다. 다음으로, 도 7b에 나타난 바와 같이, 두 번째 용기(130)의 라이너(140)가 붕괴되게 된다. 일단 두 번째 용기(130)의 라이너(140)가 붕괴되면, 첫 번째 용기(100)의 내용물이 두 번째 용기(130)로 분배된다. 그래서, 두 번째 용기(130)는 붕괴된 라이너 충전 방식을 통해서 충전될 수도 있다. 그러나, 물 공급원에서 유입된 물로 충전하는 대신에, 두 번째 용기(130)는 첫 번째 용기(100)에서 유입된 물로 충전된다. 이러한 방법은 공기-액체 계면을 최소화시킨 방식으로 두 번째 용기(130)를 충전될 수 있게 한다.

두 번째 용기(130)가 충전된 다음, 도 7c에 나타난 바와 같이, 액체는 두 번째 용기(130)에서 분배 라인(120)을 통하여 분배된다. 분배 라인(120)을 통해 흐르는 물은 광학 입자 계수기(150)을 통하게 하여, 물 속의 입자 농도를 측정하게 한다. 물의 유속을 결정하기 위하여, 물은 로타메터(152)를 통해 흐를 수도 있다.

하기 표 2는 상기 언급한 두가지 분배 방식에 따라 초순수 물에서 생성된 입자 농도를 나타낸 것이다. 데이타가 나타내고 있는 바와 같이, 보다 높은 입자 농도는 단순히 하나의 용기에서 다른 용기로 물을 붓는 경우의 결과이다.

	입자 농도(#/㎖)
평균 입자 크기	0.10㎛	0.15㎛	0.20㎛	0.30㎛
A를 붕괴-충전시키고, A를 B에 붓고, B를 분배함	1070	433	127	50
A를 붕괴-충전시키고, A로부터 B를 붕괴-충전시키고, B를 분배함	25.1	9.94	3.02	1.85

유사한 실험에서, 동일한 두 분배 방법은 기존의 HDPE 시약병을 사용하여 반복되었다. 이러한 실험에서, 첫 번째 용기(100)는 HDPE병으로 교체되었다. 이 실험에 대한 결과는 하기 표 3에 요약되어 있다.

표 3에서, 첫 번째 열은 도 2에 관하여 상기 언급한 방법에 따라, 침지된 딥튜브를 통해 충전된 HDPE 시약병에 대한 입자 농도를 나타낸 것이다. 침지된 딥튜브 충전 및 분배 방식은 나머지 두개의 충전 및 분배 방식과 비교할 수 있는 바탕선 데이타를 얻기 위하여 사용되었다. 표 3의 두 번째 열은 HDPE 시약병의 내용물을 두 번째 용기(용기 B)로 단순히 부은 결과를 나타낸 것이다. 표 3의 마지막 열은, 침지된 딥튜브를 사용하여 HDPE 시약병을 충전하고, 도 7b에 관하여 상기 언급한 것과 유사한 방법을 사용하여 HDPE 시약병으로부터 두 번째 용기(용기 B)를 붕괴시키는 방식으로 충전하는, 충전 및 분배 순서에서 얻은 결과를 포함하고 있다.

	입자 농도(#/㎖)
평균 입자 크기	0.10㎛	0.15㎛	0.20㎛	0.30㎛
HDPE병, 침지된 답 튜브를 통해 충전, 분배 (바탕선 데이타)	290	138	64.6	27.6
HDPE에서 B로 부움, B 분배	4700	1930	797	178
HDPE로부터 B를 붕괴 충전, B 분배	305	145	75.7	30.6

표 3에 나타난 바와 같이, 상당한 갯수의 입자가 HDPE 병을 침지된 딥튜브로 충전하는 도중에 발생하였다. 표 3의 첫 번째 열과 세 번째 열을 비교한 것에서 알 수 있듯이, 아직은, 붕괴 충전 방법(collapse fill method)을 사용하면 HDPE 병에서 붕괴된 라이너 용기로 분배하는 과정에서 실질적으로 어떤 입자도 계속해서 발생하지 않았다. 공기-액체 계면이 존재하는 전형적인 방식으로, 하나의 용기에서 다른 용기로 액체를 부을 때, 상당한 입자 생성이 관찰되었다. 공기-액체 계면이 감소되는 방식으로 액체 수송이 이루어질 때, 입자 생성은 유사하게 감소된다.

용기로부터 액체를 분배하는 다양한 방법의 영향을 결정하기 위하여 다른 실험을 수행하고, 그 결과 생성된 액체의 입자 농도를 하기 표 4에 정리하였다. 표 4에 대한 데이타를 얻기 위하여, 도 2에 관하여 상기 언급한 방법과 유사하게, 침지된 딥튜브 방법을 사용하여 표준 4-리터의 경질 HDPE 시약병을 3L의 초순수 물로 충전하였다. 첫 번째 테스트에서, 병을 가압하여, 병 속의 물을, 딥튜브를 통해 광학 입자 계수기로 직접 분배하였다. 두 번째 테스트에서, 광학 입자 계수기를 통해서 물을 분배하기 전에, 상기 병을 1분 동안 흔들어 주었다. 병에 존재하는 물의 입자 농도는 표 4에 나타난 바와 같다.

	입자 농도(#/㎖)
평균 입자 크기	0.10㎛	0.15㎛	0.20㎛	0.30㎛
충전 및 분배	290	138	64.6	27.6
충전, 흔듦 및 분배	15900	7370	3180	739

표 4의 데이타는, 일반적으로 입자 발산에 대한 공기-액체 계면의 영향이 중합체의 용기에 대하여 보편적임을 나타낸 것이다. 용기를 흔드는 것과 액체의 입자 농도를 측정하는 것 사이의 시간은 측정에 영향을 미치는 것으로 나타나지는 않았다.

침지된 방출 노즐(submerged discharge nozzle)

도 8의 A 및 도 8의 B는 노즐(170)을 사용하여 초순수 액체를 방출하는 두가지 방법을 비교하는 예시이다. 도 8의 A는 액체를 용기(172)로 방출할 때 통과하는 노즐(170)을 나타낸 것이다. 노즐(170)은, 초순수 액체원(176)에 연결되어 있고 밸브(178)에 의해 제어되는, 충전 라인(174)에 연결되어 있다. 방출 노즐(170)은 용기(172) 보다 위에 위치하고 있어서, 액체가 노즐(170)로부터 방출되면, 상기 액체는 용기(172) 내부의 개방된 욕(open bath)으로 분무된다. 이는 공기의 비말동반을 유발하고, 용기(172)를 충전하는 액체 중 공기-액체 계면의 면적을 증가시킨다.

도 8의 B는 액체중 입자 생성을 감소시키면서 용기를 충전하는 노즐을 사용하는 선택적인 방법을 예시하고 있다. 도 8의 B는 용기(182)를 충전하기 위한 노즐(180)을 나타낸 것이다. 상기 노즐은 초순수 액체원(186)에 연결된 액체 충전 라인(184)에 연결되어 있다. 충전 라인(184)을 통한 액체의 유동은 밸브(188)에 의해 제어된다. 노즐(180)은 용기(182)중 액체의 표면(190) 아래에 위치하고 있다. 노즐(180)을 침지시킨 결과, 용기로의 유체 유동은 덜 거칠고, 스플래싱 및 공기 비말동반이 감소되게 된다.

도 9는 욕내 액체의 입자 농도의 감소에 대한 침지된 노즐의 영향을 강조하고 있다. 도 9는 침지된 노즐을 갖는 시스템과 액체 표면 위에 위치한 노즐을 갖는 시스템 둘다에 대해 경과 시간이 흐른 후 입자 농도의 측정치를 도시한 그래프이다. 도 9의 데이타를 얻기 위하여, 초순수 물은 노즐을 통하여 스테인레스 강 용기내의 개방된 욕으로 분무되었다. 분무된 물은 욕내의 물 표면으로 향하지만, 다른 고체 표면에는 닿지 않았다. 상기 욕으로부터의 물은 분무에 의해 생성된 입자 농도를 측정하기 위하여 광학 입자 계수기를 통해 이동되었다. 사용된 노즐의 두 가지 타입은 고압 스테인레스 강 노즐 및 카이너 노즐(Kynar nozzle)이다. 두 타입의 노즐은 둘다, 처음에는 수조의 액체 표면으로부터 3인치되는 곳에 위치하고 있지만, 곧 침지되었다.

도 9의 y축은, 0.065㎛ 미만의 크기를 갖는 입자의 ㎖ 당 입자수로 표시한 입자 농도를 나타낸다. x축은 경과시간(분)을 나타낸다. 카이너 노즐이 액체의 표면보다 위에 위치했을 때, 상기 노즐에 의해 유발된 입자 농도는 클러스터 202에서 나타나 있고, 스테인레스 강 노즐이 액체의 표면 보다 위에 위치했을 때, 상기 노즐에 의해 유발된 입자 농도는 첫 번째 클러스터 200 안에 있다. 노즐이 침지된 다음 생성된 입자 농도는 클러스터 204 및 206에 나타나 있다.

도 9의 결과는 노즐이 물의 표면보다 위에 있을 때, 입자 생성이 극적으로 증가한다는 것을 보여주고 있다. 대조적으로, 노즐이 상기 표면 아래로 침지되었을 때, 입자 농도는 매우 낮았다. 이러한 결과는, 액체 표면 보다 위에 위치하는 노즐에서 유발되는 것과 같은 증가하는 공기-액체 계면 면적의 존재가 노즐 작동시의 격렬한 입자 생성과 연관이 있음을 보여주는 것이다.

상기 언급된 도면에서 다양하게 예시된 것과 같은 침지된 노즐 시스템은 세정 또는 다른 목적을 위하여, 액체를 수송하거나 액체 제트를 만드는데 사용될 수 있다. 상기 실험의 결과와 같이 노즐의 목적(예를 들어, 세정 또는 충전)에 상관없이, 입자 생성의 최소화를 위해서 노즐 시스템은 노즐이 침지될 수 있도록 배열되어야 한다.

웨이어의 넘침 거리의 감소

본 발명의 다른 양태는, 웨이어를 넘어 넘침 지역(overspill area)에 도달한 액체에서의 입자 생성을 감소시키는 것에 관한 것이다. 이는 넘침 지역에서 수위와 웨이어 사이의 거리를 최소화함으로써 달성될 수 있다. 도 10의 A 및 도 10의 B는 웨이어 넘침 거리의 감소라는 개념을 예시하고 있다. 도 10의 A는 웨이어(212)를 넘어 넘침 트라우(overspill trough) 또는 섬프(214) 내부로 액체가 넘치는 재순환 욕(210)를 보여주고 있다. 넘침 트라우(214)는 욕 시스템 내에서 액체를 재순환시키기 위한 재순환 펌프(218)에 연결되어 있다. 재순환 펌프(218)는 필터(220)을 통해 액체를 펌핑하여 재순환 욕(210)으로 돌려보낸다.

도 10의 A에서, 넘침 트라우(214)에서 액체의 수위(222)는 충분히 낮기 때문에, 액체가 웨이어(212)를 넘을 때, 액체는 스플래싱, 거품, 난류 및 공기의 비말동반을 유발하면서 트라우로 떨어진다. 도 10의 B의 시스템은 넘쳐 흐르는 웨이어의 상단 에 비하여 보다 높은 곳에 있는 넘침 트라우(214)내 액체의 수위(224)를 보여주고 있다. 그 결과, 액체가 웨이어(212)를 넘게 될 때, 액체가 떨어져야 하는 거리가 크게 감소된다. 이는 액체가 스플래싱, 거품, 난류 및 공기의 비말동반을 감소시키는 방식으로 넘침 트라우(214)로 들어가도록 한다.

욕에서 웨이어를 넘어 섬프로 넘쳐 흐르는 물 중 입자 생성의 수준을 측정하기 위한 연구가 수행되었다. 도 11은 상기 연구를 수행하기 위하여 사용된 테스트 시스템을 예시한다. 도 11은 재순환 에칭욕(recirculating etch bath)(230), 섬프(232), 순환 펌프(234) 및 필터(236)를 나타낸 것이다. 욕(230)과 섬프(232) 사이에 위치한 것이, 욕(230)에서 섬프(232)로 물을 넘쳐흐를 수 있게 하는 웨이어(231)이다. 또한, 상기 시스템은 초순수 물 공급원(238), 필터 우회 밸브(filter by-pass valve)(240), 배수관(242) 및 셧오프 밸브(shut-off valve)(244 및 244A)를 포함하고 있다. 욕(230)에는 샘플 펌프(246), 입자 계수기(248) 및 유속 측정기(250)가 연결되어 있다.

도 11은 두 가지 유동 루프를 포함하고 있다. 주된 유동 루프(main flow loop)는 섬프(232)를 순환 펌프(234) 및 필터(236)와 연결하고 있다. 테스트 동안 사용된 하나의 적절한 필터(236)는 0.2㎛ 규격의 UPE 필터이다. 테스트동안, 주된 유동 루프(252)는 욕(230), 섬프(232), 순환 펌프(234) 및 필터(236)을 통해 50ℓ/분으로 작동된다. 욕(230)은 PVDF로 제작된 60ℓ들이의 욕이고, 배관 및 필터 하우징(filter housing)과 같이, 펌프(234)의 젖은 물질(wetted material)의 나머지는 테플론 PFA이다. 유동 회로(flow circuitry) 및 밸브(240, 244 및 244A)는, 일부 테스트 동안 필터(236)를 우회하도록 배열되어 있다.

두 번째 유동 루프(254)는 샘플 펌프(246)를 지나는 2차 유동 경로(secondary flow pass), 입자 계수기(248) 및 유속 측정기(250)를 포함하고 있다. 2차 유동 루프(254)는 50㎖/분의 유속으로 작동되고, 물에서의 입자 농도를 측정하는데 사용된다. 도 11에 예시된 테스트 시스템은 입자 샘플이 일반적으로 욕(230)에서 얻어진 것임을 나타낸다. 그러나, 상기 샘플은 섬프(232)에서도 얻을 수 있다. 또한, 액체원(238)이 공급되는 초순수 물로 기술되었지만, 상기 욕은 HF, HCl, 또는 입자 농도가 엄격하게 제어되어야 하는 임의의 다른 유체로 가동시킬 수 있다.

도 12는 새 필터(236)을 설치한 다음, 욕(230)을 밤새 가동시킨 결과를 나타내는 그래프이다. 도 12의 그래프의 데이타를 얻기 위하여, 입자 측정은 욕(230)에서 수행하였고, 필터(236)은 새 제품이었다. 초기에, 섬프(232)내의 수위는 욕(230)내의 수위보다 약 1인치 아래까지로 도달하고 있었지만, 물이 욕(230)에서 섬프(232)로 넘쳐도 스플래싱 또는 거품이 생긴다는 증거는 관찰되지 않았다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 입자 데이타의 초기 몇 시간 동안은 새 필터(236)에 대한 일반적인 "플러쉬-업(flush-up)" 곡선이 나타나 있다.

결국, 시간 경과에 따라 증발이 섬프(232)내 수위를 낮춰 웨이어(231)를 넘는 넘침 거리를 증가시켰다. 이 거리가 증가함에 따라, 웨이어(231)를 넘쳐 흐르는 물로 인한 섬프(232)내 난류도 증가하였다. 약 200분 후부터, 욕(230) 내의 입자 농도도 점진적으로 증가하였다. 이는 필터(236) 보유량의 손실에 기여하기 보다는 오히려, 섬프(232)내 입자 생성으로 인하여 필터(236) 흡입구에서 입자 농도가 증가하는 것에 기인한 것이다.

18시간의 작동 이후, 증발은 섬프(232)의 수위를 현저히 감소시키고, 섬프(232)로의 물 넘침은 현저하게 스플래싱 및 거품을 발생시켰다. 물 공급원(238)을 사용하여 시스템으로 물을 첨가하였다. 스플래싱 및 거품 활성이 사라지는 지점까지 섬프(232)내 수위를 올리기 위하여, 충분한 물이 욕(230)에 공급되자, 욕(230)의 입자 수준은 입자 계수기의 가장 작은 두개의 채널에서 급격하게 감소하였다. 도 12에서 감소하는 곡선(262)는 이러한 효과를 보여주고 있다.

도 12의 데이타를 얻기 위하여 사용된 시스템에서, 입자 측정은 필터(236) 의 다운스트림에 있는 욕(230)에서 수행되었다. 입자 생성원(particle generation source)은 필터(236)의 업스트림에 위치하고 있는 섬프(232)내에 있는 것으로 추정된다. 그래서, 생성된 입자의 적어도 일부, 특히, 필터의 기공 크기 등급보다 상당히 작은 입자가 필터(236)를 통해 지나간다. 이러한 결과는 필터를 보호하고 재순환을 일정하게 한다 할지라도, 유체중 입자의 대량 생성이 필터(236)의 다운 스트림에서조차 관찰될 수 있음을 보여준다. 데이타에서 보여지는 크기 식별 및 필터(236)의 사용은, 입자 계수기(248)에 의해 측정되고 있는 현상이 계수기(248)의 유동 셀(flow cell)로 들어가는 "기포"가 아님을 보여주는 증거이다.

이러한 연속적인 사건들, 즉 새 필터(236)로부터 입자가 방출되고, 액체가 증발하고, 웨이어(231)를 넘치는 넘침 높이가 증가함에 따라, 입자 생성이 증가하는 사건들은 재순환 욕 시스템에 위치한 다양하고 다른 타입의 필터의 경우에도 기록된다. 이는 욕 시스템에서 HF 및 HCl을 희석한 농도로 사용한 상황에도 관찰된다.

필터(236)의 효과를 강조하기 위하여, 두 번째 테스트는 도 11에서 묘사한 시스템을 사용하여 수행하였다. 두 번째 테스트동안, 주된 유동 루프(252)는 시스템이 깨끗해질 때까지 가동되었다. 그 다음, 밸브(244 및 244A)는, 시스템이 "필터 우회 모드(filter bypass mode)"에 놓이도록 배열하였다. 필터 우회 모드에서, 상기 시스템은 물을 재순환하지만, 상기 물은 필터(236)를 통해 지나가지 않았다. 그 결과, 시스템의 어떤 입자도 필터(236)에 의해 제거되지 않았다.

도 13은 필터 우회 모드 테스트의 결과를 예시하는 그래프이다. 도 13에는 두 개의 곡선이 있다. 첫 번째 곡선(264)은, 물이 웨이어(231)를 넘쳐 유동에 따라 스플래싱이 생겼을 때, 시험한 물에 대하여 측정한 입자를 나타낸 것이다. 두 번째 곡선(266)은 물이 웨이어(231)를 넘쳐 유동함에 따라 어떠한 스플래싱도 생기지 않았을 때, 물에 대하여 측정한 입자를 나타낸 것이다. 첫 번째 곡선(264)에서 볼 수 있듯이, 욕(230)의 수위와 섬프(232)간의 거리가 커졌을 때, 웨이어(231)를 넘치는 액체에 의해 야기되는 입자 생성 및 섬프(232)내의 스플래싱은 현저하였다. 욕(230)의 입자수는, 직경이 0.065㎛ 이상인 입자인 경우 10,000개/㎖ 이상의 농도까지 빠르게 증가하였다.

동일한 필터 우회 방법, 동일한 유속 및 동일한 펌프를 사용하는 제어 테스트 동안, 입자 농도는, 30분의 테스트 동안 직경 0.065㎛ 이상의 입자의 경우 ㎖당 100-200개 근처로 유지되었다. 제어 테스트를 상이하게 하는 유일한 방법은, 욕(230)의 수위와 섬프(232)간의 거리를 작게 하고, 물이 웨이어(231)를 넘쳐 흐를 때 섬프(232)에서 어떠한 스플래싱도 관찰되지 않아야 한다는 것이다. 이 결과가 일정하다는 것을 확인하기 위하여, 상기 테스트는 여러 형태로 반복되었다. 상기 시스템에서 사용한 펌프는, 제어 데이타로서 나타낸 바와 같이, 비교적 깨끗하게 사용하였고, 시스템 내 입자 발산에 대한 영향도 매우 작았다.

스마트 사이포닝(smart siphoning)

도 14는 일반적인 사이폰 방법을 도시한 것이다. 도 14에서 나타낸 것은 충전 튜브(272)를 갖는 탱크(270)이다. 충전 튜브(272)와 접촉되는 것은 초순수 물 공급부(276)로부터 탱크로의 유동을 제어하고 물 공급부(276)로부터 물 재생지역(278)으로 물을 전환하는 3-웨이 밸브(274)이다. 또한 탱크(270)와 연결되는 것은 사이폰 튜브(280) 및 입자 샘플 튜브(282)이다. 최종적으로, 용량(capacitive) 센서(284)는 탱크(270)에 위치되어 있다.

입자 생성에 대한 사이포닝 시스템의 효과를 결정하기 위하여 도 14에서 도시되는 사이폰 시스템에서 실험들이 수행되어졌다. 실험을 수행할 때에는, 15리터 ECTFE 플루오로폴리머 탱크(270)가 사용되었다. 탱크(270)에서의 수위는 충전 튜브(272) 및 사이폰 튜브(280)를 사용하여 오르내리며 순환되었다. 입자 샘플링은 중력 공급 방법(gravity feed method)을 이용한 입자 샘플 튜브(282)를 통하여 탱크(270)로부터 연속적으로 수행되었다. 평균 30초/샘플 간격이, 입자 데이터를 얻기 위해서, 선택되었다.

물 공급부(276)로부터 충전 유동 속도는 1분당 1리터로 설정되었다. 용량 레벨 센서(capacitive level sensor)(284)는 탱크(270)의 고 수위를 감지하기 위하여 사용되었다. 고 수위가 감지되면, 센서(284)는 타이밍 제어 시그널을 4분간 작동시키기 위하여 PLC(도 14에는 도시되지 않음)를 활성화하였다. 타이밍 시그널은 밸브 개방과 같이, 사이폰 튜브(280)와 연결된 사이폰을 활성화하기 위하여 사용되었고, 물은 사이폰에 의해서 분당 2.5리터씩 탱크 밖으로 배출된다. 사이폰이 사이폰 튜브(280)에 연결되는 것 이외에, 종종 펌프로 대체된다.

제어 시그널은 또한 3-웨이 밸브(274)를 활성화시켜, 탱크(270) 배수 공정동안에 초순수 물 공급을 테스트 탱크(270)로부터 물 재생 지역(278)으로 전환시켰다. 상기 4분이 지난 후, 테스트 탱크(270)는 분당 1리터의 속도로 10분 동안 물로 다시 충전되고, 새로운 사이클 시퀀스가 시작된다. 이와 같이, 탱크(270)에서의 수위는 규칙적으로 원활하게 오르내리며 순환되었다.

몇몇의 테스트에서, 고수위 센서(284) 및 제어 시그널은 비활성화되었고, 사이폰 튜브(280)의 밸브는 계속적으로 열려있어서, 일단 고수위에 도달하면, 상기 시스템은 사이폰을 생성하게 되었다. 충분한 물이 사이폰되면, 탱크(270)의 수위는 너무 낮아져 비말동반된 공기에 의해 사이폰이 중단되고, 사이폰 튜브(280)의 모든 물은 탱크(270) 안으로 다시 떨어지게 된다. 상기 테스트에서, 3-웨이 밸브(274)는 중단되어(overridden), 분당 1리터의 속도로 물 공급부(276)가 끊임없이 물을 탱크(270)로 보냈다.

조정된 다른 변수는, 탱크(270)내의 충전 튜브(272)의 높이였다. 몇몇 테스트가 상단 충전 방식을 통하여 수행되었고 여기서 물이 탱크(270)의 상단으로부터 충전되도록 충전 튜브(272)는 탱크(270)내에 위치하였다. 다르게는 바닥 충전 방식이 사용되었으며, 상기 충전 튜브(272)가 탱크(270)의 바닥 근처에 위치하여, 충전 튜브(272)가 항상 탱크(270)내의 수위 아래에 침지되도록 유지하였다.

도 15는 사이폰을 사용한 탱크 충전의 최상 경우의 시나리오를 나타낸 그래프이다. 도 15의 그래프에 대한 데이터를 얻기 위해서, "스마트(smart)"사이폰 이외에 바닥 충전 충전 튜브(bottom filling fill tube)가 사용되었다. 스마트 사이폰은, 그 유체 수위가 사이폰 튜브(280)의 바닥에 도달하기 전에, 즉, 사이폰이 사이폰 작용을 멈추게 하기 전에, 사이폰을 멈추게 할 수 있는 타이밍 시그널을 형성하는 고 레벨 센서(284)를 사용하는 사이폰 시스템을 말한다.

탱크(270)의 수위, 즉 공기-액체 계면이 오르내리며 순환될지라도, 결과적인 입자 수준은 비교적 낮아진다. 평균 입자 수준은 0.1㎛ 직경 이하의 크기를 갖는 입자의 경우 약 1.2개 입자였다. 이것은, 공급시 유입되는 물을 측정하는 때의, 0.10㎛ 직경 이하의 크기를 갖는 입자의 경우 거의 0.03개/ml의 평균 입자 수준만큼 좋은 수치는 아니다.

도 15에서 도시된 바와 같이, 입자 파열이 매 수 시간마다 일어난다. 그러나, 도달되는 최대 입자 농도는, 0.10㎛ 이하의 직경의 크기를 갖는 입자의 경우 단지 약 20개 입자/ml였다. 도 15에서 그래프로 표시된 테스팅 시간 스케일은 약 15시간이었다.

도 16은 상단 충전과 스마트 사이폰을 사용하는 테스트 시스템으로부터 수집된 데이터를 나타낸 그래프이다. 도 16에서 얻어진 데이터의 경우, 충전 튜브(272)는 탱크의 수면위에 위치되어서, 물이 탱크(270) 속으로 떨어져, 스플래싱 및 거품을 일으킨다. 스마트 사이폰은 이 데이터 수집 동안에 여전히 실행되었다. 도 16의 그래프와 도 15의 그래프를 비교하면, 입자 수준은 바닥 충전 동안 보다 상단 충전이 약 100배 더 높다. 게다가, 탱크 순환의 빈도가 입자 데이터에 가시적이다.

도 17 및 18은 덤브(dumb) 사이폰을 사용하여 수집된 데이터를 도시하였다. 덤브 사이폰은 공기 비말동반에 의해 사이폰 작용이 멈출 수 있는 사이폰을 말한다. 도 17은 덤브 사이폰을 갖는 바닥 충전을 사용하는 시스템을 나타내고, 반면에 도 18은 덤브 사이폰을 갖는 상단 충전을 사용한 시스템을 나타낸다.

도 17 및 18에서 알 수 있는 바와 같이, 사이폰이 중단된 후 입자 수준이 급등한 후, 입자 수준에서 낮은 입자 수준의 물이 탱크(270)로 유입됨에 따라, 입자 수준이 감소되었다. 사이포닝 활동이 중단될 때마다 입자 급등이 나타나고, 낮은 입자 수준의 물이 탱크(270)로 유입될 때마다 감소하면서, 사이클 자체가 반복한다. 다시, 데이타는 15시간 동안 수집되었다. 데이타에서 명백한 장기간의 정화(long-term clean-up) 경향은 거의 없거나 아예 없고, 입자 데이터에서 탱크의 순환 시퀀스의 빈도(frequency)가 명료하게 보인다. 도 17 및 18에서 탱크 충전 및 분배 사이클의 빈도가 일정하지 않았다는 것도 명심해야 한다. 오히려, 다른 사이클은 느린 반면, 몇몇 사이클은 더욱 빠르게 진행되었다.

하기의 표 5는 도 15-18에서 보여지는 실험 결과의 수치 요약이다. 데이터는 상단 충전 또는 비말동반된 공기에 의한 사이포닝 작용의 중지 둘다가 탱크 내 높은 입자 농도를 초래한다는 것을 보여준다.

		평균 입자 농도(#/㎖)
방법	평균입자 크기	0.10㎛	0.15㎛	0.20㎛	0.30㎛	0.50㎛
바닥 충전, 스마트 사이폰		1.2	0.51	0.26	0.086	0.019
상단 충전, 스마트 사이폰		190	81	35	6.9	0.64
바닥 충전, 덤브 사이폰		470	150	56	11	1.5
상단 충전, 덤브 사이폰		590	220	82	13	1.3

헤드 스페이스의 제거

부분적으로 충전된 용기를 흔들 때, 액체에서 고 입자 농도가 생성된다. 용기가 선적중일 때도 이와 동일한 현상이 종종 관찰되어진다. 일부 액체를 포장한 경우, 용기중 액체가 팽창되는 것을 허용하도록 용기중에 일정량의 헤드 스페이스를 남기는 것이 필수적이거나 바람직할 것이다. 헤드 스페이스를 형성하기 위해서, 용기는 최대용량까지 충전되지 않고, 액체의 상단과 용기의 상단 사이에 일정량의 공기가 남을 수 있는 수준으로 충전된다. 용기가 선적중일 때, 그 용기 안의 액체는 이 헤드 스페이스 때문에 용기 중에서 스플래쉬 및 슬로쉬(slosh)된다. 입자 생성 감소의 또 다른 방법은, 용기중 임의의 기체-액체 접촉 영역이 감소되거나 제거되도록, 용기를 채운 후, 용기로부터 임의의 헤드 스페이스 공기를 제거하는 것이고, 이로써 용기의 선적 및 기타 움직임 동안에 입자 생성은 최소화되어진다.

도 19의 A와 도 19의 B는 헤드 스페이스 공기를 제거하는 개방 충전 방법을 도시한 것이다. 도 19의 A와 도 19의 B는 상기 언급한 도 3에 기술된 것과 유사한 라이닝 용기(300)이다. 라이닝 용기(300)는 경질 외부 용기(302) 및 그 안에 위치한 라이너(304)를 포함한다. 라이너(304)에는 딥 튜브(306)가 배치되어 있다. 딥 튜브(306)는 용기에 액체를 공급하기 위한 충전 라인(308)과 연결되어 있다. 라이너(304)는 충전 전에는 붕괴되어 있지 않다.
도 19의 A는 라이닝 용기(300)를 액체로 충전하는 단계를 도시한 것이다. 액체는 충전 라인(308)으로부터 딥 튜브(306)을 통하여, 라이너(304)속으로 흐른다. 라이닝 용기(300)가 바람직한 수준까지 충전될 때, 헤드 스페이스(310)는 라이너(304)의 액체 수위와 라이너(304)의 상부 사이에 존재한다.

도 19의 B는 용기(300)로부터 헤드 스페이스(310)를 제거하는 단계를 도시한 것이다. 19의 B에서, 헤드 스페이스 공기 배기를 위한 라이너 공기 배출구(314) 이외에 공기 흡입구(312)가 도시되어 있다. 공기 흡입구(312)는 경질 외부 용기(302)와 안쪽의 라이너(304) 사이에 존재하는 중간 영역(316)과 연결되어 있다. 헤드 스페이스(310)를 제거하기 위해서, 공기는 공기 흡입구(312)를 경유하여 중간 영역(316)으로 공급된다. 동시에, 안쪽 라이너(304)의 내부는 라이너 공기 배출구(314)에 노출되어 있다. 공기 흡입구(312)로부터의 공기에 의해 야기된 경질 용기(302)와 라이너(304) 사이의 증가된 압력이 라이너(304)를 압축한다. 라이너(304)를 압축함에 따라, 헤드 스페이스 공기는 라이너 공기 배출구(314)를 사용하여 라이너(304) 안쪽으로부터 배기된다. 라이너(304)는, 실질적으로 모든 헤드 스페이스 공기가 라이너(304)로부터 제거될 때까지, 압축된다. 용기(300)를 덮개로 덮고, 라이너(304)는 공기 재유입을 막기 위하여 밀폐될 수 있다.

헤드 스페이스를 차지하고 있는 공기만을 배기하는 것 외에, 용기에 담기에 바람직한 양 이상의 액체를 라이너에 충전하는 것 또한 가능하다. 라이너를 과잉으로 충전시킨 후에, 라이너는 바람직한 최종 부피가 용기에 유지됨에 따라 여분은 제거되게 된다. 상기 방식으로, 헤드 스페이스 공기의 존재는 이와 같은 방법으로 막을 수 있다.

도 20의 A와 도 20의 B는 초순수 액체를 이송하기 위하여 사용된 용기에서 헤드 스페이스를 제거하는 또 다른 방법을 도시한 것이다. 도 20의 A는 딥 튜브(322)를 사용하는 바닥 충전 방법을 따라 충전되어 있는 용기(320)를 도시한 것이다. 헤드 스페이스(324)에 의해 형성된 공기 액체 접촉 영역을 제거하기 위하여, 도 20의 B는 라이너 내 잔류 헤드 스페이스의 불활성 블래더(inert bladder)(326)의 삽입을 도시한 것이다. 선택적으로, 헤드 스페이스 공기는 라이너와 경질 용기 사이의 지역을 가압함으로써 헤드 스페이스 공기가 배기되어 헤드 스페이스 공기가 감소된다.

불활성 블래더는 헤드 스페이스 지역을 점유하여, 액체로부터의 공기를 단리시키는 작용을 한다. 헤드 스페이스(324)의 제거는 공기-액체 계면을 제거하여, 선적에 의해 야기되는 입자 생성을 최소화한다.

도 19의 A 및 도 19의 B, 및 도 20의 A 및 B에 관하여 상기 언급된 방법 사용 외에도, 도 3에 관하여 앞에서 더욱 자세히 설명한 붕괴된 라이너 충전 방법을 사용하여 용기를 충전하여 제로 헤드 스페이스를 갖는 라이너를 수득할 수 있다. 공기-액체 계면없이 용기의 충전 및 분배를 가능하게 하는 것 외에도, 붕괴된 라이너 충전 방법은 잔류 헤드 스페이스 없이 용기를 충전하는 방법도 제공한다.

개방 충전 방법에 비해 제로-헤드 스페이스 충전 방법의 장점은 하기 표 6에 나타낸 데이터로부터 명백히 알 수 있다. 표 6에 나타난 데이터를 얻기 위해서, 두 가지의 용기 충전 방법이 테스트되었다. 첫번째 테스트 방법은, 팽창된 라이너가 입자가 없는 물로 충전되는 표준적인 개방 충전 방법이었다. 표 6에서 알 수 있는바와 같이, 물이 후속적으로 입자에 대해 테스트될 때, 물의 입자 농도는 변함없이 증가한다. 정확한 입자 농도는, 같은 유형의 라이너에 대한 여러 테스트 마다 다소 변한다. 또한, 입자 농도는 예를 들어, PTFE 라이너 대 PEPE 라이너와 같은 한 타입의 라이너로부터 또다른 타입의 라이너로 변할 때 상당히 변할 것이다.

표 6의 데이터를 얻기 위한 두 번째 테스트 방법은 제로 헤드 스페이스 충전 방법이다. 붕괴된 라이너 충전 방법과 유사한 제로-헤드 스페이스 충전 방법은 우선 경질 외부 용기에서 라이너를 위치시킴을 포함한다. 그다음, 딥 튜브를 삽입하여 라이너를 충분히 팽창시킨다. 딥 튜브에 부착된 어셈블리는 프로브(probe)이다. 바람직하게, 프로브는 재순환 프로브와 같이 형성되어, 프로브는 라이너 속으로 연장되는 두개의 포트(port), 즉 충전 포트 및 배기 포트를 가진다. 라이너와 경질 외부 용기 사이의 공간은, 라이너 내 공기가 배기 포트 밖으로 배기됨에 따라 완전히 라이너가 분리되어 가압된다. 그 다음, 딥 튜브에 부착된 충전 포트를 사용하여 라이너가 충전된다. 용기는 딥 튜브를 사용하는 것과 마찬가지로 분배되었다.

이 충전 방법은 사실상 라이너를 충전함에 따라서 공기 액체 계면이 제거된다. 그 결과, 충전되는 동안에 입자 발산이 상당히 줄어든 것이 관찰되었다. 선적 동안에도, 헤드 스페이스의 제거는 궁극적으로 분배된 유체 중 입자 수준을 감소하는 결과를 유발한다.

평균 입자 크기	입자 농도(#/㎖)
	0.10㎛	0.15㎛	0.20㎛	0.30㎛
개방 충전 방법	56	23	7.6	1.3
제로-헤드 스페이스 충전	4.2	1.5	0.77	0.13

본 발명은 바람직한 실시양태에 대해 서술되어 있지만, 당업계의 숙련자라면 본 발명의 진의 및 범주에서 벗어나지 않은 채 형태 및 세부사항을 변화시킬 수 있음을 알 것이다. 특히, 용기내 입자 농도는 용기의 유형, 라이너의 유형, 용기로 유입되는 유체의 유형에 기초하여 변할 수 있다는 것을 인식해야 한다. 그러나, 낮은 입자 수준에 의존적인 제품 성능 기준을 갖는 임의의 액체는, 전술한 충전 및 패키징 방법으로부터 이득을 얻을 것이다. 이러한 액체로는 반도체공정에서 사용되는, 초순수 산 및 염기, 반도체공정에서 사용되는 유기 용매, 포토리쏘그래피 화학물질, CMP 슬러리, LCD 마켓 화학물질을 들 수 있다.

본 발명의 특징 및 장점은 하기 실시예에서 더욱 자세히 설명될 것이고, 이로 인하여 본 발명의 특성 및 범위에 관해서 제한적으로 해석되지는 않지만, 본 발명의 다양한 응용에 있어 유용한 바람직한 실시양태를 묘사하고자 한다.

실시예 1

본 발명에서 그 전체를 참고로서 인용하는, 동시-계류중인 미국 특허원 [ATMI 서류(Docket) 522 CIP] 및 [ATMI 서류 565] 및 본 발명에서 기술되고 보여진 바와 같은 유형의 드럼 용기(drum container) 내의 백(bag)에서의 액체의 거동을 모의하기 위해서, 동일한 로트(lot)의 옥사이드 슬러리 OS-70KL 물질(ATMI Materials Lifecycle Solutions, Danbury, CT)을 사용하여, 라이너의 내부 용적내 헤드 스페이스가 상이하되, OS-70KL 재료를 갖는, 몇 가지의 상이한 샘플 바이얼을 제조하였다.

샘플 바이얼은 헤드 스페이스 수준을, 0%, 2%, 5% 및 10%로 다양하게 함으로써 제작되었다. 각각의 샘플 바이얼은 1분동안 손으로 강하게 흔든 다음, 바이얼의 액체 분석을 위하여, 사이-텍 인코포레이티드(Sci-Tec Inc., Santa Barbara, CA)에서 시판중인 크기 범위 입자 계수기(size range particle counter)이자, 입자 크기 범위에서 입자 수를 측정하여 광범위한 입자 분포로 연산적으로 저장("binned")하는 아큐사이저 780 단일 입자 광학 측정기(Accusizer 780 Single Particle Optical Sizer)에 적용하였다.

이 실험에서 얻어진 데이터는 하기 표 7에 나타냈다. 0%, 2%, 5%, 10% 헤드 스페이스 용적의 다양한 헤드 스페이스 비율(헤드 스페이스 빈 용적을 구성하는 것으로서, 액체 위의 공기 용적에 의해 점유된 전체 내부 용적을 퍼센트로 표시한 것)에서, 각각의 입자 크기 0.57㎛, 0.98㎛, 1.98㎛ 및 9.99㎛에 대한 입자 수를 나타냈다.

샘플 바이얼내 다양한 헤드 스페이스 용적에 대한 크기 범위 입자 계수

1분동안 바이얼을 흔든 직후 크기 범위 입자 수
범위에 따른 평균 입자 크기	흔들기 전 초기 입자 수	입자 수-0% 헤드 스페이스	입자 수-2% 헤드 스페이스	입자 수-5% 헤드 스페이스	입자 수-10% 헤드 스페이스
0.57㎛	170,617	609,991	134,582	144,703	159,082
0.98㎛	13,726	14,836	22,096	20,294	26,429
1.98㎛	2,704	2,900	5,298	4,397	6,293
9.98㎛	296	321	469	453	529
1분동안 바이얼을 흔든 다음 24시간 후의 크기 범위 입자 수
범위에 따른 평균 입자 크기	흔들기전 초기 입자 수	입자 수-0% 헤드 스페이스	입자 수-2% 헤드 스페이스	입자 수-5% 헤드 스페이스	입자 수-10% 헤드 스페이스
0.57㎛	110,771	1,198,296	191,188	186,847	182,217
0.98㎛	11,720	18,137	21,349	20,296	24,472
1.98㎛	2,701	2,383	4,658	4,272	5,704
9.98㎛	138	273	544	736	571

입자 크기 분석기는, 특정 입자 크기(단위: ㎛)보다 큰 입자의 갯수/㎖의 단위로 큰 크기의 입자수(large-size particle count)를 표현한 데이타를 나타내었다. 입자 수 데이터는, 상기 입자 농도를 포함하는 시약이 반도체 웨이퍼에서 마이크로엘렉트로닉 장치의 제조에서 사용될 때, 입자 수의 크기와 웨이퍼 결함 사이의 직접적인 상호 관계를 제공함에 기초하여 측정하였다.

흔드는 실험 후 즉시 얻어진 데이터는, 특히 0.98㎛ 이상의 입자의 경우 헤드 스페이스 수치가 증가함에 따라 큰 입자 수가 증가하는 약간의 경향을 보여주고 있다. 24시간 후 얻어진 데이터는 보다 높은 입자 분포에 대해 같은 경향을 보여주고 있다.

데이터는, 바이얼중 헤드 스페이스가 증가하면 크기가 큰 입자 응집(aggregation)을 증가시키는데, 이는 반도체 제작 용도에서 해롭고, 집적 회로를 사용하지 못하게 하거나, 웨이퍼상에 형성된 장치를 이들의 의도된 목적에 전반적으로 부합되지 못하게 한다.

본 발명에서 그 전체가 참고로서 인용되는 동시-계류중인 미국 특허원 10/139,104(2002년 5월 3일) 및 10/139,186(2002년 5월 3일)과 본 발명에서 기술되고 도시된 바와 같은 유형의 드럼 용기내의 백에 적용된 바와 같이, 본 실시예의 결과는 바람직한 제로 헤드 스페이스 배열의 가치를 나타낸다. 고 순도 액체를 보유하는 용기에 임의의 상당한 헤드 스페이스가 있으면, 수송에 부수적인 용기의 움직임이 결부되어 보유된 액체의 상응하는 움직임(예를 들어, 슬로싱)이 유발되어, 바람직하지 않은 입자 농도를 생성할 것이다. 그러므로, 보유된 액체내에서 입자 생성을 최소화하기 위하여, 헤드 스페이스는 가능한 한 제로 헤드 스페이스 상태에 가깝게 최소화되어야 한다.

본 발명이 상세하게 설명되고 있지만, 하기 청구의 범위에서의 본 발명의 진의 및 범주에서 벗어나지 않은 채 다양한 변종, 치환 및 변형이 가능할 수 있다.

Claims (45)

1. 붕괴가능한(collapsible) 라이너가 내부에 배치된 경질(rigid) 용기를 이용하여 초순수 물질 함유 액체를 취급하는 동안 고체 입자 생성을 최소화하는 방법으로서,

   상기 라이너의 내부 용적으로부터 가스를 제거하기 위하여 상기 라이너를 붕괴시키는(collapsing) 단계;

   상기 라이너의 내부 용적에 초순수 물질 함유 액체를 공급하는 단계;

   상기 라이너를 압축하기 위하여 상기 라이너와 상기 경질 용기 사이의 중간 영역을 가압하는 단계; 및

   상기 라이너를 배기시켜, 라이너가 압축됨에 따라 라이너 내부 용적에 남아있는 가스를 배출시키는 단계

   를 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 라이너가 압축된 후 라이너를 밀폐(sealing)하는 단계를 추가로 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 라이너의 내부 용적에 초순수 물질 함유 액체가 공급되어 충전됨에 따라, 상기 중간 영역을 배기하는 단계를 추가로 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 초순수 물질 함유 액체를 공급하는 단계가, 초순수 물질이 라이너의 내부 용적에 도입됨에 따라, 초순수 물질 중에 딥튜브(dip tube)의 팁(tip)을 침지시키는 것을 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 초순수 물질 함유 액체를 공급하는 단계가, 초순수 물질이 라이너의 내부 용적에 도입됨에 따라, 초순수 물질 중에 노즐을 침지시키는 것을 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 용기가 첫번째 용기이고, 상기 라이너에 초순수 물질을 공급하는 단계가 상기 초순수 물질을 두번째 용기로부터 상기 라이너로 사이포닝(siphoning)하는 것을 포함하며, 상기 사이포닝이 사이폰 작용이 멈추는 것을 방지하도록 제어되는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 용기가 첫번째 용기이고, 상기 라이너에 초순수 물질을 공급하는 단계가, 초기 고체 입자 농도를 갖는 상기 초순수 물질을 두번째 용기로부터 상기 라이너로 이동시키는 것을 포함하며, 상기 이동 동안, 초순수 물질이 상기 라이너에 있을 때의 초순수 물질 함유 액체의 최종 고체 입자 농도가 상기 초기 고체 입자 농도보다 크지 않도록 가스-액체 계면을 제어하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 두번째 용기가 상기 경질 용기 내에 배치된 라이너를 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 라이너로 상기 초순수 물질을 공급한 후의 라이너 내 초순수 물질이 0.2 ㎛ 크기의 고체 입자를 2개/ml 보다 작은 입자 농도로 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 라이너로부터 초순수 물질을 분배하기 위하여 중간 영역을 가압함으로써 라이너로부터 초순수 물질을 분배하는 단계를 추가로 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 용기가 첫번째 용기이고, 상기 라이너가 첫번째 라이너이며, 상기 첫번째 라이너로부터 초순수 물질을 분배하는 단계가 초순수 물질을 상기 첫번째 라이너에서 두번째 경질 용기에 배치된 두번째 라이너로 이동시키는 것을 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 첫번째 라이너와 상기 두번째 라이너 사이의 유체 연결을 성립시키는 단계;

    상기 두번째 용기 내 상기 두번째 라이너를 붕괴시켜 상기 두번째 라이너의 가스를 제거하는 단계;

    상기 첫번째 라이너로부터 상기 두번째 라이너로 초순수 물질을 이동시키기 위하여 상기 첫번째 용기의 상기 중간 영역을 가압하는 단계; 및

    상기 두번째 라이너가 상기 첫번째 라이너로부터의 초순수 물질로 충전됨에 따라, 상기 두번째 라이너와 상기 두번째 경질 용기에 위치한 중간 영역을 배기시키는 단계

    를 추가로 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
13. 초순수 물질 함유 액체가 두번째 용기로부터 내부에 배치된 라이너를 갖는 첫번째 경질 용기로 이동하는 동안 고체 입자 생성을 최소화하는 방법으로서,

    상기 두번째 용기로부터 상기 첫번째 용기의 라이너로 상기 초순수 물질을 사이포닝하는 단계; 및

    사이폰 작용이 멈추는 것을 방지하도록 상기 사이포닝 단계를 제어함으로써, 상기 초순수 물질에서 생성되는 입자의 양이 최소화되도록 가스-액체 계면을 제어하는 단계

    를 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
14. 초순수 물질을 취급하는 동안 초순수 물질 함유 액체에서 고체 입자 생성을 최소화하는 방법으로서,

    첫 번째 용기로부터 두번째 용기로 상기 초순수 물질을 사이포닝하고, 상기 초순수 물질이 상기 첫번째 용기에 존재시 초기 입자 농도를 갖는 단계; 및

    상기 두번째 용기에 존재하는 초순수 물질의 최종 입자 농도가 상기 초기 입자 농도보다 크지 않게 하기 위하여 사이폰 작용이 멈추는 것을 방지하도록 상기 사이포닝을 제어함으로써 가스-액체 계면을 제어하는 단계

    를 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
15. 초순수 물질을 취급하는 동안 초순수 물질 중 고체 입자 생성을 최소화하는 방법으로서,

    초기 입자 농도를 갖는 초순수 물질 함유 액체를 스마트 사이폰 시스템에 의해 사이포닝함으로써 초순수 물질원으로부터 용기로 이동시키되, 가스를 포함하는 헤드 스페이스가 용기에 남도록 최대 용량보다 적게 초순수 물질을 용기에 충전하는 단계;

    비말동반된(entrained) 가스로 인하여 사이폰 작용이 멈추는 것을 방지하도록 상기 사이포닝을 제어하는 단계; 및

    상기 헤드 스페이스에 불활성 블래더(inert bladder)를 삽입함으로써 헤드 스페이스 가스를 감소시키는 단계

    를 포함하고,

    이로써, 상기 용기에 배치된 초순수 물질의 최종 입자 농도가 상기 초기 입자 농도보다 크지 않게 되는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 초순수 물질이 산, 염기, 유기용매, 포토리소그래피용 화학물질, CMP 슬러리 및 LCD 마켓 화학물질로 구성된 군에서 선택되는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
17. 제16항에 있어서,

    상기 초순수 물질을 마이크로엘렉트로닉 제조 공정으로 수송(delivering)하는 단계를 추가로 포함하는, 고체 입자 생성을 최소화하는 방법.
18. 경질 용기;

    상기 경질 용기에 설치되도록 개조되고 초순수 물질 함유 액체를 보유할 수 있는 내부 용적을 갖는 라이너; 및

    충전 및 분배 통로, 및 압축된 가스원과 결합된 가스 공급 통로를 포함하는 어셈블리(assembly)

    를 포함하되,

    상기 어셈블리가 상기 경질 용기와 결합되어 상기 충전 및 분배 통로가 상기 라이너의 내부 용적과 연결되고, 상기 가스 공급 통로가 상기 경질 용기와 상기 라이너 사이의 중간 영역과 연결되고, 상기 초순수 물질이 상기 라이너의 내부 용적에 있을 때, 상기 어셈블리가 상기 초순수 물질 상부의 가스-액체 계면을 최소화하는,

    초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
19. 제18항에 있어서,

    상기 라이너가, 붕괴된 상태로 상기 경질 용기 내부에 설치되고, 이러한 붕괴된 상태에서 상기 초순수 물질을 상기 충전 및 분배 통로를 통하여 충전하는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
20. 제18항에 있어서,

    상기 어셈블리가, 상기 경질 용기와 상기 라이너 사이의 상기 중간 영역에 배치된 팽창성(inflatable) 블래더를 포함하는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
21. 제18항에 있어서,

    상기 라이너 내부에 배치된 딥튜브를 추가로 포함하고, 상기 딥튜브가 상기 라이너에 대한 상기 초순수 물질의 유입(ingress) 및 배출(egress) 모두를 허용하는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
22. 제18항에 있어서,

    상기 초순수 물질이 산, 염기, 유기용매, 포토리소그래피용 화학물질, CMP 슬러리 및 LCD 마켓 화학물질로 구성된 군에서 선택되는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
23. 제18항에 있어서,

    상기 초순수 물질이 0.2㎛ 직경의 입자를 2개/ml보다 작은 입자 농도로 갖는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
24. 제18항에 있어서,

    상기 초순수 물질 함유 액체를 마이크로엘렉트로닉 제조공정에 공급하도록 작동 결합되는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
25. 제18항에 있어서,

    상기 가스 공급 통로가 상기 중간 영역의 선택적인 가압(pressurization)이 가능하도록 압축된 가스원에 작동 결합되는, 초순수 물질 함유 액체 중 입자 생성을 최소화시키는 장치.
26. 경질 용기;

    상기 경질 용기 내부에 위치하고 초순수 물질 함유 액체로 충전된 붕괴가능한 라이너(collapsible liner);

    상기 붕괴가능한 라이너로부터 상기 초순수 물질을 수용하도록 배열된 유체 분배 라인; 및

    상기 경질 용기와 붕괴가능한 라이너 사이의 중간 영역에 압축된 가스를 공급하도록 배열된 가스 공급 라인

    을 포함하고, 상기 붕괴가능한 라이너가 제로 헤드 스페이스 배열되어 있는, 압력 분배 장치.
27. 제 26 항에 있어서,

    상기 초순수 물질이 산, 염기, 유기용매, 포토리소그래피용 화학물질, CMP 슬러리 및 LCD 마켓 화학물질로 구성된 군에서 선택되는, 압력 분배 장치.
28. 제 26 항에 있어서,

    상기 라이너 내부에 배치된 프로브를 추가로 포함하고, 상기 프로브가 상기 라이너에 대한 상기 초순수 물질의 유입 및 배출 모두를 허용하는, 압력 분배 장치.
29. 제 28 항에 있어서,

    상기 프로브가 딥튜브를 포함하는, 압력 분배 장치.
30. 제 28 항에 있어서,

    상기 프로브가 상기 라이너 내부에 배열되어 있는 복수개의 포트를 포함하는, 압력 분배 장치.
31. 제 26 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 초순수 물질 함유 액체를 마이크로엘렉트로닉 제조공정에 공급하도록 작동 결합되는, 압력 분배 장치.
32. 삭제
33. 삭제
34. 삭제
35. 삭제
36. 삭제
37. 삭제
38. 삭제
39. 삭제
40. 삭제
41. 삭제
42. 삭제
43. 삭제
44. 삭제
45. 삭제

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