冷阱及冷阱的控制方法

摘要

本发明提供一种能够适当地冷却冷板的冷阱及冷阱的控制方法。冷阱(14)具备：冷板；制冷机(24)，冷却冷板；冷却台温度控制部(110)，确定对制冷机(24)的控制输入，以使制冷机(24)的制冷机冷却台冷却至目标温度；热输入推断部(112)，从通过冷却台温度控制部(110)确定的对制冷机(24)的控制输入推断出向冷板的热输入增加；以及目标温度调整部(114)，根据通过热输入推断部(112)推断出的热输入増加来调整目标温度。

说明书

本申请主张基于2014年12月17日申请的日本专利申请第2014-255029号的 优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种冷阱及冷阱的控制方法。

背景技术

冷阱为用于对真空容器进行排气的设备，具有冷板和冷却冷板的制冷机。 水蒸气等高沸点的气体冷凝在冷板表面而从真空容器中排出。冷板被冷却至要 排出的气体的蒸汽压充分降低的温度。其他气体则通过设置在真空容器的涡轮 分子泵等主真空泵进行排气。

专利文献1：日本特开2009－262083号公报

由于冷板的形状、配置或者周围环境的不同，在冷板的某一部位与其他部 位之间会产生不希望的比较大的温度差。例如，在用于将冷板连接于制冷机的 连接结构的导热率较小的情况下，或者从真空容器向冷板的热输入较大的情况 下，远离冷板与制冷机的连接点的冷板末端的温度明显比连接点的温度高。

发明内容

本发明的一种实施方式的示例性目的之一在于提供一种能够适当地冷却冷 板的冷阱及其控制方法。

根据本发明的一种实施方式，提供一种用于对具有主真空泵的真空容器进 行排气的冷阱。冷阱具备：冷板，配置于将所述真空容器连接于所述主真空泵 的排气导管内部，或者配置于所述真空容器内部；单级制冷机，具备结构上与 所述冷板连接且与所述冷板热连接的制冷机冷却台；冷却台温度控制部，确定 对所述单级制冷机的控制输入，以使所述制冷机冷却台冷却至目标温度；热输 入推断部，从通过所述冷却台温度控制部确定的对所述单级制冷机的控制输入 推断出向所述冷板的热输入增加；以及目标温度调整部，根据所述热输入推断 部所推断出的热输入増加，降低所述目标温度。

根据本发明的一种实施方式，提供一种用于对具有主真空泵的真空容器进 行排气的冷阱的控制方法。所述冷阱具备：冷板，配置于将所述真空容器连接 于所述主真空泵的排气导管内部，或者配置于所述真空容器内部；以及单级制 冷机，具备结构上与所述冷板连接从而与所述冷板热连接的制冷机冷却台。所 述方法具备如下步骤：确定对所述单级制冷机的控制输入，以使所述制冷机冷 却台冷却至目标温度；从所确定的对所述单级制冷机的控制输入推断出向所述 冷板的热输入增加；以及根据所推断出的热输入増加，降低所述目标温度。

另外，以上构成要件的任意组合、本发明的构成要件或表现在装置、方 法、系统、计算机程序以及存储计算机程序的记录介质等之间的相互替换也作 为本发明的方式有效。

根据本发明，提供能够适当地冷却冷板的冷阱及其控制方法。

附图说明

图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的真空排气装置的剖视 图。

图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的冷阱的控制装置的结构 的图。

图3是表示本发明的一种实施方式所涉及的冷阱的控制方法的流程图。

图4是表示本发明的一种实施方式所涉及的冷阱的动作的图。

图5是概略地表示本发明的其他实施方式所涉及的真空排气装置的剖视 图。

图6是概略地表示本发明的其他实施方式所涉及的真空排气装置的剖视 图。

图中：12-真空容器，14-冷阱，16-主真空泵，18-排气导管，22-冷板， 24-制冷机，26-制冷机冷却台，28-第1板部分，30-第2板部分，32-传热部 件，38-制冷机马达，42-冷却台温度传感器，48-加热器，100-控制装置， 102-制冷机控制部，104-存储部，110-冷却台温度控制部，112-热输入推断 部，114-目标温度调整部，116-制冷机频率确定部，118-制冷机变频器。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在说明中，对 相同要件标注相同符号，并适当省略重复说明。并且，以下叙述的结构为示 例，并不限定本发明的范围。

图1是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的真空排气装置10的剖 视图。真空排气装置10构成为对真空容器12进行排气。真空容器12为真空 处理装置的真空处理室。真空处理装置构成为在真空处理室中对被处理物(例 如半导体晶圆)的表面进行所希望的处理。

真空排气装置10具备冷阱14和主真空泵16。冷阱14是为了将水蒸气等 高沸点气体从真空容器12中排出而设置于真空容器12上的。冷阱14为配置 在真空容器12与主真空泵16之间的直线型冷阱。主真空泵16是为了从真空 容器12中排出氩气或氮气等其他气体而设置于真空容器12上的。

主真空泵16为用于将真空容器12排气至高真空区域的高真空泵。例如， 主真空泵16为涡轮分子泵。

主真空泵16经由排气导管18连接于真空容器12。排气导管18为使气体 从真空容器12流向主真空泵16的排气流路。排气导管18将真空容器12的排 气口连接于主真空泵16的进气口。

真空排气装置10具备辅助泵20，该辅助泵20将真空容器12排气至主真 空泵16的工作压力。辅助泵20为对真空容器12进行粗抽的粗抽泵。辅助泵 20连接于主真空泵16的排气口。

冷阱14具备配置于真空容器12及排气导管18内部的冷板22、用于冷却 冷板22的制冷机24。冷板22的整体暴露于排气导管18或者真空容器12。

制冷机24为单级制冷机，具备单一的制冷机冷却台26。制冷机冷却台26 配置于制冷机24的低温端。制冷机冷却台26在结构上与冷板22连接从而与 冷板22热连接。制冷机24容纳于制冷机外壳34。

制冷机24构成为随着某一热循环使工作气体的圧力及容积以分别不同的 相位周期性地变动。热循环例如为吉福德-麦克马洪循环。工作气体例如为氦 气。制冷机24连接于向制冷机24供给高圧工作气体的压缩机(未图示)。供 给至制冷机24的工作气体通过绝热膨胀被减压，由此冷却制冷机冷却台26。 低圧工作气体回收至压缩机并进行压缩，再次供给至制冷机24。

制冷机24具备驱动制冷机24的制冷机马达38以及通过制冷机马达38而 被驱动的驱动机构40。制冷机马达38配置在制冷机24的高温端。

如图2所示，驱动机构40具备压力切换部44，所述压力切换部44构成为 切换向制冷机24供给高圧工作气体和从制冷机24排出低圧工作气体。压力切 换部44具备通过制冷机马达38而旋转的回转阀。并且，驱动机构40还具备 置换器驱动部46，所述置换器驱动部46构成为使所述制冷机24的置换器(未 图示)在制冷机24的低温端与高温端之间进行往复移动。通过置换器的移 动，制冷机24的低温端的工作气体膨張室(未图示)的容积随着热循环而变 化。驱动机构40构成为使压力切换部44与置换器驱动部46联动，以使工作 气体膨張室的圧力变化与容积变化具有所给予的相位差。

如图1及图2所示，制冷机24具备测定制冷机冷却台26的温度的冷却台 温度传感器42。冷却台温度传感器42安装在制冷机冷却台26。

冷板22具备第1板部分28和第2板部分30。第1板部分28配置在排气 导管18的内部。第1板部分28经由传热部件32固定在制冷机冷却台26。第 1板部分28也可以直接固定在制冷机冷却台26。第2板部分30从第1板部分 28延伸且配置在真空容器12的内部。第2板部分30经由第1板部分28与制 冷机冷却台26热连接。冷板22以包围排气导管18的中心轴的方式形成为筒 状。

传热部件32为一端安装在制冷机冷却台26而另一端安装在冷板22的第1 板部分28的棒状部材。传热部件32插通并容纳于排气导管18的开口部36。 开口部36为沿着与排气导管18的中心轴垂直的径向而形成于排气导管18的 贯穿孔。排气导管18通过开口部36气密地连接于制冷机外壳34。

冷阱14可以具备安装凸缘部，该安装凸缘部形成排气导管18的至少一部 分且包围冷板22。安装凸缘部可以具备用于将冷阱14安装于真空容器12的第 1真空凸缘和/或用于将冷阱14安装于主真空泵16的第2真空凸缘。安装凸缘 部可以与制冷机外壳34相邻设置。安装凸缘部上可以形成开口部36。

图2是概略地表示本发明的一种实施方式所涉及的冷阱14的控制装置100 的结构的图。这种控制装置通过硬件、软件或这些的组合来得以实现。并且， 图2中概略地表示与控制装置100相关的制冷机24的一部分结构。

控制装置100具备制冷机控制部102、存储部104、输入部106及输出部 108。关于制冷机控制部102的详细内容将在后面叙述，其构成为根据向冷板 22的热输入变化调整制冷机24的制冷能力。

存储部104构成为存储与冷阱14的控制有关的信息。输入部106构成为 接受用户或者其他装置的输入。输入部106例如包括用于接受来自用户的输入 的鼠标或键盘等输入构件和/或用于与其他装置通信的通信构件。输出部108 构成为输出与冷阱14的控制有关的信息，包括显示器或打印机等输出构件。 存储部104、输入部106及输出部108连接成可以分别与制冷机控制部102进 行通信。

制冷机控制部102对制冷机24的至少一个运行参数进行监控，并从该运 行参数间接地推断出向冷板22的热输入变化。运行参数是指表示运行中的制 冷机24的状态的参数。运行参数也可以为决定制冷机24的制冷能力的参数。 制冷机控制部102根据推断出的热输入变化来调整该运行参数(即、被监控的 运行参数)，以使冷板22冷却至低于冷板上限温度的温度。

被监控的至少一个运行参数例如包括对制冷机24的控制输入。对制冷机 24的控制输入表示制冷机24的运行频率(也可以称为运行速度)。制冷机24 的运行频率是指制冷机马达38的运行频率或者转速、控制该马达的运行频率 的变频器的运行频率、热循环的频率、或者表示其中任意一个的参数。热循环 的频率是指在制冷机24中进行的热循环在每单位时间内的次数。

冷板上限温度为通过冷阱14进行排气的气体的蒸汽压充分降低的温度。 例如，冷板上限温度预先设定为130K或者更低的温度。这是水蒸气的蒸汽压 成为10^－8Pa以下的温度区域。

制冷机控制部102具备冷却台温度控制部110、热输入推断部112及目标 温度调整部114。冷却台温度控制部110构成为确定对制冷机24的控制输入， 以使制冷机冷却台26冷却至目标温度。热输入推断部112构成为从冷却台温 度控制部110所确定的对制冷机24的控制输入推断出向冷板22的热输入増 加。目标温度调整部114构成为根据由热输入推断部112推断出的热输入増加 降低制冷机冷却台26的目标温度。

冷却台温度传感器42与制冷机控制部102连接，以使表示制冷机冷却台 26的测定温度的信号输出至制冷机控制部102。并且，制冷机控制部102以能 够与制冷机马达38进行通信的方式与制冷机马达38连接。

冷却台温度控制部110具备制冷机频率确定部116和制冷机变频器118。 制冷机频率确定部116构成为(例如通过PID控制)确定作为冷却台温度传感 器42所测定的制冷机冷却台26的温度与目标温度之间的偏差的函数的制冷机 24的运行频率。例如，制冷机频率确定部116在制冷机冷却台26的测定温度 高于目标温度时，使制冷机24的运行频率增加，而在制冷机冷却台26的测定 温度低于目标温度时，使制冷机24的运行频率减少。如此，制冷机冷却台26 被冷却至目标温度。制冷机频率确定部116向制冷机变频器118输出所确定的 制冷机24的运行频率。

制冷机变频器118构成为提供制冷机马达38的可变频率控制。制冷机变 频器118将输入电力转换成具有从制冷机频率确定部116输入的运行频率。由 制冷机电源(未图示)供给制冷机变频器118的输入电力。制冷机变频器118 将已转换的电力输出至制冷机马达38。如此，制冷机马达38以通过制冷机频 率确定部116确定且从制冷机变频器118输出过来的运行频率进行驱动。

存储部104存储从输入部106输入的多个目标冷却台温度。多个目标冷却 台温度预先设定为分别在向冷板22的不同的热输入下使冷板22冷却至低于冷 板上限温度的温度。可以根据实验或者经验适当设定目标冷却台温度。

例如，多个目标冷却台温度包括第1目标冷却台温度和第2目标冷却台温 度。第1目标冷却台温度可以设定为在制冷机控制部102中通常使用的目标温 度。第1目标冷却台温度预先设定为在冷板22接收第1热输入时使冷板22冷 却至第1板温度。同样地，第2目标冷却台温度预先设定为在冷板22接收第2 热输入时使冷板22冷却至第2板温度。第2目标冷却台温度为比第1目标冷 却台温度低的温度。第1目标冷却台温度例如为100K，第2目标冷却台温度例 如为90K。第2热输入大于第1热输入。第1板温度及第2板温度均低于冷板 上限温度。第2板温度可以等于第1板温度，或也可以不同。

并且，存储部104存储从输入部106输入的控制输入阈值。控制输入阈值 为与冷板上限温度相对应的控制输入値。根据通过目标温度调整部114选择了 某一目标温度的情况下冷板22接收某一热输入时产生的控制输入和冷板22的 温度之间的相互关联来预先设定控制输入阈值。例如，根据通过目标温度调整 部114选择了第1目标冷却台温度的情况下冷板22接收第2热输入时产生的 控制输入和冷板22的温度之间的相互关联来预先设定控制输入阈值。

在冷板22从外部(例如真空容器12)接收热输入P[W]时，利用制冷机冷 却台26的温度Ts[K]并通过下述数学式来表示冷板22的温度Tp[K]。

Tp＝Ts+P/G

在此，导热率G[W/K]为取决于将冷板22连接于制冷机冷却台26的传热路 径的设计的常数。导热率G与传热部件32的导热率及截面积成正比，与传热 部件32的长度成反比。传热部件32的长度为从冷板22到制冷机冷却台26的 热流方向的长度，传热部件32的截面积为与该热流方向垂直的截面的面积。 因此，在传热部件32为细长的棒状部件时，导热率G较小。

在制冷机冷却台26的温度Ts通过冷却台温度控制部110的控制而维持第 1目标冷却台温度的情况下，若热输入P与第1热输入(即，与第1目标冷却 台温度相对应的设计上的热输入)相等，则冷板22的温度Tp被冷却至第1板 温度。若热输入P增加，则由于制冷机冷却台26的温度Ts通过冷却台温度控 制部110的控制而维持恒定，因此冷板22的温度Tp从第1板温度上升。导热 率G越小温度Tp的増加量越大。并且，通过冷却台温度控制部110确定的对 制冷机24的控制输入以能够抵抗热输入P而将制冷机冷却台26的温度Ts维 持恒定的方式变化。

因此，在制冷机冷却台26被冷却至某一目标温度的情况下，若冷板22接 收到与对应于该目标温度的设计上的热输入不同的热输入，则制冷机24的控 制输入会与冷板22的温度相互关联地发生变化。由此，可以根据该相互关 联，并通过实验或者经验适当确定与冷板上限温度相对应的控制输入阈值。

热输入推断部112对制冷机24的控制输入进行监控在通过目标温度调整 部114选择了某一目标温度的情况下，若控制输入与控制输入阈值的大小关系 反转，则热输入推断部112推断出向冷板22的热输入増加。目标温度调整部 114在被推断出向冷板22的热输入増加时调整目标温度。

例如，在选择了第1目标冷却台温度的情况下，若控制输入与控制输入阈 值的大小关系反转，则热输入推断部112推断出冷板22的热输入增加即从第1 热输入增加到第2热输入。目标温度调整部114在被推断出向冷板22的热输 入増加时，选择第2目标冷却台温度。即，目标温度调整部114将制冷机冷却 台26的目标温度从第1目标冷却台温度切换到第2目标冷却台温度。

图3是表示本发明的一种实施方式所涉及的冷阱14的控制方法的流程 图。制冷机控制部102在冷阱14的排气运行中执行如下处理。

冷却台温度控制部110确定制冷机24的运行频率，以使制冷机冷却台26 冷却至第1目标冷却台温度(S10)。热输入推断部112判定所确定的运行频 率是否大于运行频率阈值(S12)。如上所述，根据在选择了第1目标冷却台 温度的情况下冷板22接收第2热输入时产生的制冷机24的运行频率和冷板22 的温度之间的相互关联来预先设定运行频率阈值。

当所确定的运行频率小于运行频率阈值时(S12的否)，目标温度调整部 114将目标温度维持在当前值。目标温度调整部114也可以将目标温度输出至 输出部108。如此，在目标温度不变时，制冷机控制部102周期性地重复本处 理。

另一方面，当所确定的运行频率大于运行频率阈值时(S12的是)，目标 温度调整部114选择第2目标冷却台温度(S14)。如此，根据热输入増加， 降低制冷机冷却台26的目标温度，从而结束本处理。目标温度调整部114也 可以将目标温度输出至输出部108。之后，制冷机控制部102控制制冷机24， 以使制冷机冷却台26冷却至第2目标冷却台温度。

下面，对上述结构的冷阱14的动作进行说明。在制冷机24中，制冷机马 达38及驱动机构40以冷却台温度控制部110所确定的运行频率进行驱动。以 与该运行频率相对应的频率重复进行热循环，制冷机冷却台26被冷却至第1 目标冷却台温度。并且，冷板22被冷却至第1板温度。由此，水蒸气捕捉于 冷板22的表面。

图4是表示本发明的一种实施方式所涉及的冷阱14的动作的图。图4中 示出向冷板22的热输入、制冷机冷却台26的目标温度、冷却台温度传感器42 的测定温度以及制冷机变频器118的运行频率的经时变化。并且，与冷却台温 度传感器42的测定温度一同示出冷板22的温度。

如图4所示，制冷机冷却台26被冷却至第1目标冷却台温度T1(期间 a)。冷板22接收第1热输入P1。向冷板22的热输入也可以小于第1热输入 P1。

向冷板22的热输入因真空容器12中的真空处理而增加(期间b)。其结 果，冷板22接收第2热输入。向冷板22的热输入也可以大于第1热输入P1 且小于第2热输入P2。通过向冷板22的热输入的増加，冷板的温度Tp增加。 并且，制冷机变频器118的运行频率也增加，以便在向冷板22的热输入増加 的情况下将制冷机冷却台26维持在第1目标冷却台温度T1。如此，运行频率 达到运行频率阈值f。此时，冷板的温度Tp也达到冷板上限温度Tmax的附 近。

因此，制冷机冷却台26的目标温度降低至第2目标冷却台温度T2(期间 c)。随着目标温度的降低，制冷机变频器118的运行频率增加至最大频率。 制冷机冷却台26的温度Ts及冷板的温度Tp下降。若制冷机冷却台26的温度 Ts下降至第2目标冷却台温度T2，则制冷机变频器118的运行频率降低(期 间d)。

如此，冷阱14能够从制冷机24的运行频率间接地推断出向冷板22的热 输入増加，并根据热输入増加调整制冷机冷却台26的目标温度。这样，冷阱 14能够持续将冷板22冷却至比冷板上限温度Tmax低的温度。

以上，根据实施例对本发明进行了说明。本领域技术人员应理解，本发明 并不限定于上述实施方式，可以存在多种设计变更和各种变形例，并且这些变 形例也属于本发明的范围。

如图1所示，制冷机24可以具备安装在制冷机冷却台26的可变输出的加 热器48。冷却台温度控制部110可以具备加热器输出确定部，所述加热器输出 确定部确定作为冷却台温度传感器42所测定的制冷机冷却台26的温度与目标 温度之间的偏差的函数的加热器48的输出。控制输入阈值可以是根据在选择 了第1目标冷却台温度的情况下冷板22接收第2热输入时产生的加热器48的 输出与冷板的温度之间的相互关联来预先设定的加热器输出阈值。热输入推断 部112可以判定加热器48的输出是否小于加热器输出阈值。在加热器48的输 出小于加热器输出阈值时，目标温度调整部114选择第2目标冷却台温度。

对加热器48进行控制的情况下，冷却台温度控制部110上可以不设置制 冷机频率确定部116及制冷机变频器118。该情况下，制冷机马达38以恒定频 率运行。或者，冷却台温度控制部110可以控制制冷机马达38及加热器48双 方。

如图5所示，冷板22可以配置于将真空容器12连接于主真空泵16的排 气导管18的内部。冷板22可以为百叶窗。冷板22可以完全容纳于排气导管 18。

如图6所示，冷板22也可以配置于真空容器12内部，而非排气导管18 的内部。冷板22可以沿真空容器12的壁部配置。

并且，在一种实施方式中，目标温度调整部114也可以将制冷机冷却台26 的目标温度从与热输入増加相对应的目标温度恢复至通常的目标温度。目标温 度调整部114可以在从第1目标冷却台温度切换至第2目标冷却台温度之后经 过规定时间时，将制冷机冷却台26的目标温度从第2目标冷却台温度再次变 更为第1目标冷却台温度。

或者，在选择了第2目标冷却台温度的情况下，若对制冷机24的控制输 入与第2控制输入阈值的大小关系逆转，则热输入推断部112可以推断为向冷 板22的热输入从第2热输入减少到第1热输入。该第2控制输入阈值可以与 上述第1控制输入阈值相同，或也可以不同。目标温度调整部114可以构成为 根据由热输入推断部112推断出的热输入減少提高制冷机冷却台26的目标温 度。目标温度调整部114在被推断出热输入减少的情况下，可以再次选择第1 目标冷却台温度。

并且，在一种实施方式中，目标温度调整部114可以从预先设定的3个以 上的目标温度中选择由冷却台温度控制部110使用的目标温度。

制冷机24并不限于GM制冷机。在一种实施方式中，制冷机24也可以为 脉冲管制冷机、斯特林制冷机等其他超低温制冷机。