JP6632917B2 - 可動テーブル冷却装置及び可動テーブル冷却システム - Google Patents

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Description

本発明は、可動テーブル冷却装置及び可動テーブル冷却システムに関する。
種々の循環冷却システムが知られており、これらは物体を極低温に冷却するために利用されている。こうした冷却システムは典型的に、真空容器内に固定的に設置された機器を冷却するよう構成されている。
特開平１１−６３６９７号公報 特開平１０−３１３１３６号公報
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、真空容器内で物体を保持する可動テーブルを冷却するのに適する冷却装置を提供することにある。
本発明のある態様によると、真空容器内で物体を保持する可動テーブルを冷却する可動テーブル冷却装置であって、圧縮機と、前記真空容器に固定されるコールドヘッドであって、前記真空容器内に配置される冷却部を備えるコールドヘッドと、分岐部を備え、前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ラインと、合流部を備え、前記コールドヘッドから前記圧縮機に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ラインと、前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に結合する熱交換部を備える第１ガス流入ラインと、前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第１可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第１ガス流出ラインと、前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第２可動テーブル流路に接続される第２ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に非結合に配設される第２ガス流入ラインと、前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第２可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第２ガス流出ラインと、を備えることを特徴とする可動テーブル冷却装置が提供される。
本発明のある態様によると、真空容器内で物体を保持する可動テーブルを冷却する可動テーブル冷却装置であって、圧縮機と、前記真空容器に固定されるコールドヘッドであって、前記真空容器内に配置される冷却部を備えるコールドヘッドと、分岐部を備え、前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ラインと、合流部を備え、前記コールドヘッドから前記圧縮機に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ラインと、前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に結合する熱交換部を備える第１ガス流入ラインと、前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第１可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第１ガス流出ラインと、前記冷凍機ガス供給ラインに配置される冷凍機ガス流量調節バルブと、前記第１ガス流入ラインに配置される第１ガス流量調節バルブと、前記可動テーブル、前記圧縮機、及び／または前記コールドヘッドの状態に基づいて、前記冷凍機ガス流量調節バルブおよび前記第１ガス流量調節バルブの少なくとも１つを制御するバルブ制御部と、を備えることを特徴とする可動テーブル冷却装置が提供される。
本発明のある態様によると、圧縮機と、複数の可動テーブル冷却サブシステムであって、各々が、真空容器に固定されるコールドヘッドであって、前記真空容器内に配置される冷却部を備えるコールドヘッドと、分岐部を備え、前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ラインと、合流部を備え、前記コールドヘッドから前記圧縮機に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ラインと、前記圧縮機から前記真空容器内で物体を保持する可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に結合する熱交換部を備える第１ガス流入ラインと、前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第１可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第１ガス流出ラインと、前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第２可動テーブル流路に接続される第２ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に非結合に配設される第２ガス流入ラインと、前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第２可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第２ガス流出ラインと、を備える複数の可動テーブル冷却サブシステムと、を備えることを特徴とする可動テーブル冷却システムが提供される。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、真空容器内で物体を保持する可動テーブルを冷却するのに適する冷却装置を提供することができる。
本発明のある実施形態に係る可動テーブル冷却装置の全体構成を概略的に示す図である。 図１に示す冷却装置の制御構成を例示する。 本発明のある実施形態に係る冷却装置の制御方法を例示するフローチャートである。 図３に示すバルブ開度調整を例示する。 図３に示すバルブ開度調整の他の例を示す。 ある実施形態に係る可動テーブル冷却システムを概略的に示す。 ある実施形態に係るバルブ開度調整を例示する。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一または同等の要素には同一または同等の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
図１は、本発明のある実施形態に係る可動テーブル冷却装置（以下適宜「冷却装置」ともいう）１０の全体構成を概略的に示す図である。冷却装置１０は、真空容器１０２を備える真空装置１００とともに使用される。
真空装置１００は例えばウエハ検査装置または半導体検査装置である。あるいは、真空装置１００は、イオン注入装置、ＰＶＤ装置、またはその他の真空プロセス装置であってもよい。真空装置１００は、真空容器１０２内で物体（例えばウエハ）を保持する可動テーブル１０４を有する。可動テーブル１０４は、真空容器１０２内を移動可能に構成されている。可動テーブル１０４は、冷媒ガスのための第１可動テーブル流路１０６および第２可動テーブル流路１０８を有する。第１可動テーブル流路１０６と第２可動テーブル流路１０８とは相互に隔離されており、第１可動テーブル流路１０６と第２可動テーブル流路１０８との間で冷媒ガスの流れは生じない。
こうした真空装置１００においては物体を極低温（例えば、約８０Ｋから約１５０Ｋまたは約１００Ｋから約１３０Ｋの範囲に含まれる温度）に冷却することが求められる場合がある。そのため、冷却装置１０は、以下に詳述するように、可動テーブル１０４を冷却するよう構成されている。
冷却装置１０は、極低温冷凍機１２と循環冷却装置１４とを備える。極低温冷凍機１２は、圧縮機１６、コールドヘッド１８、および冷凍機ガス循環ライン２０を備える。循環冷却装置１４は、低温ガス循環ライン２２および室温ガス循環ライン２４を備える。循環冷却装置１４は、チラー２６を備えてもよい。
知られているように、第１高圧を有する冷媒ガスが圧縮機１６からコールドヘッド１８に供給される。コールドヘッド１８における断熱膨張により、冷媒ガスは第１高圧からそれより低い第２高圧に減圧される。第２高圧を有する冷媒ガスは、コールドヘッド１８から圧縮機１６に回収される。圧縮機１６は、回収された第２高圧を有する冷媒ガスを圧縮する。こうして冷媒ガスは再び第１高圧に昇圧される。一般に第１高圧及び第２高圧はともに大気圧よりかなり高い。説明の便宜上、第１高圧及び第２高圧はそれぞれ単に高圧及び低圧とも呼ばれる。通例、高圧は例えば２〜３ＭＰａであり、低圧は例えば０．５〜１．５ＭＰａである。高圧と低圧との差圧は例えば１．２〜２ＭＰａ程度である。冷媒ガスは例えばヘリウムガスである。
圧縮機１６は、真空容器１０２外の室温環境に設置されている。圧縮機１６は、冷凍機ガス循環ライン２０に高圧冷媒ガスを送出するための吐出ポート１６ａと、冷凍機ガス循環ライン２０から低圧冷媒ガスを受け入れるための吸入ポート１６ｂと、を備える。
循環冷却装置１４は、圧縮機１６を極低温冷凍機１２と共用している。そのため、圧縮機１６は、循環冷却装置１４から吸入ポート１６ｂを通じて流入する冷媒ガスを加圧し、吐出ポート１６ａを通じて循環冷却装置１４に再び供給するよう構成されている。極低温冷凍機１２と循環冷却装置１４は共通の冷媒ガスで運転される。圧縮機１６の共用により、循環冷却装置１４は専用の冷媒ガス循環ポンプが不要となる。冷却装置１０をコンパクトに構成することができる。
コールドヘッド１８は、例えばギフォード・マクマホン式冷凍機（いわゆるＧＭ冷凍機）やパルス管冷凍機のような蓄冷式極低温冷凍機の膨張機である。コールドヘッド１８は、単段式ＧＭ冷凍機の膨張機であってもよい。コールドヘッド１８は、冷凍機ガス循環ライン２０から高圧冷媒ガスを受け入れるための高圧ポート１８ａと、冷凍機ガス循環ライン２０に低圧冷媒ガスを送出するための低圧ポート１８ｂと、を備える。
また、コールドヘッド１８は、フランジ部１８ｃ、冷却部１８ｄ、シリンダ部１８ｅ、および駆動機構１８ｆを備える。コールドヘッド１８は、フランジ部１８ｃを介して真空容器１０２に固定される。冷却部１８ｄは、真空容器１０２内に配置される。シリンダ部１８ｅは、冷却部１８ｄをフランジ部１８ｃに構造的に連結する。駆動機構１８ｆは、フランジ部１８ｃ上にあり、真空容器１０２外に配置される。
コールドヘッド１８が例えばＧＭ冷凍機である場合、コールドヘッド１８は、駆動機構１８ｆによって軸方向に往復移動するディスプレーサ１８ｇとこれに内蔵された蓄冷器（図示せず）を有する。ディスプレーサ１８ｇは、シリンダ部１８ｅに収容されており、シリンダ部１８ｅによってディスプレーサ１８ｇの往復移動が案内される。シリンダ部１８ｅに対するディスプレーサ１８ｇの相対移動により両者の間に形成される可変容積が、冷媒ガスの膨張室１８ｈとして用いられる。膨張室１８ｈは、冷却部１８ｄの中に形成される。また、駆動機構１８ｆは、圧縮機１６からコールドヘッド１８への高圧冷媒ガス供給とコールドヘッド１８から圧縮機１６への低圧冷媒ガス回収とを交互に切り替えるよう構成されている。膨張室１８ｈの容積変化と圧力変化とを適切に同期させることによって、コールドヘッド１８は冷却部１８ｄに寒冷を発生させることができる。
冷凍機ガス循環ライン２０は、真空容器１０２の外に配置されている。冷凍機ガス循環ライン２０は、圧縮機１６からコールドヘッド１８に冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ライン２０ａと、コールドヘッド１８から圧縮機１６に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ライン２０ｂと、を有する。冷凍機ガス供給ライン２０ａは、吐出ポート１６ａを高圧ポート１８ａに接続する。冷凍機ガス排気ライン２０ｂは、吸入ポート１６ｂを低圧ポート１８ｂに接続する。冷凍機ガス供給ライン２０ａは、剛性管、フレキシブル管、またはこれらの組合せであってもよい。同様に、冷凍機ガス排気ライン２０ｂは、剛性管、フレキシブル管、またはこれらの組合せであってもよい。
冷凍機ガス供給ライン２０ａは、吐出ポート１６ａと高圧ポート１８ａとの間に分岐部２８を備える。分岐部２８は、第１分岐点２８ａと第２分岐点２８ｂを有する。分岐部２８は、継手やマニホールドなど公知の管分岐器具で実現されうる。
また、冷凍機ガス供給ライン２０ａは、分岐部２８と高圧ポート１８ａとの間に配置されている冷凍機ガス流量調節バルブＶ０を備える。冷凍機ガス流量調節バルブＶ０は、冷凍機ガス循環ライン２０の冷媒ガス流量を調節するよう構成されている。冷凍機ガス流量調節バルブＶ０は、開度を調整可能であり、それにより冷媒ガス流量を変更することができる。
冷凍機ガス排気ライン２０ｂは、吸入ポート１６ｂと低圧ポート１８ｂとの間に合流部３０を備える。合流部３０は、第１合流点３０ａと第２合流点３０ｂを有する。合流部３０は、継手やマニホールドなど公知の管合流器具で実現されうる。
低温ガス循環ライン２２は、第１ガス流入ライン３２と第１ガス流出ライン３４とを有する。第１ガス流入ライン３２は、圧縮機１６から可動テーブル１０４に冷媒ガスが流入するよう分岐部２８にて冷凍機ガス供給ライン２０ａから分岐し第１可動テーブル流路１０６に接続される。第１ガス流出ライン３４は、可動テーブル１０４から圧縮機１６に冷媒ガスが流出するよう第１可動テーブル流路１０６に接続され合流部３０にて冷凍機ガス排気ライン２０ｂに合流する。
室温ガス循環ライン２４は、第２ガス流入ライン３６と第２ガス流出ライン３８とを有する。第２ガス流入ライン３６は、圧縮機１６から可動テーブル１０４に冷媒ガスが流入するよう分岐部２８にて冷凍機ガス供給ライン２０ａから分岐し第２可動テーブル流路１０８に接続される。第２ガス流出ライン３８は、可動テーブル１０４から圧縮機１６に冷媒ガスが流出するよう第２可動テーブル流路１０８に接続され合流部３０にて冷凍機ガス排気ライン２０ｂに合流する。
循環冷却装置１４の流路構成をより詳しく説明する。
第１ガス流入ライン３２は、第１ガス流入導管３２ａと第１ガス流入フレキシブル管３２ｂを有する。第１ガス流入導管３２ａは、第１分岐点２８ａにて冷凍機ガス供給ライン２０ａから分岐し、第１ガス流入フレキシブル管３２ｂの一端に接続される。第１ガス流入フレキシブル管３２ｂの他端は、真空容器１０２内で可動テーブル１０４が移動可能であるよう第１可動テーブル流路１０６の入口に接続される。第１ガス流入導管３２ａの一部は真空容器１０２外にあり、残りの部分は真空容器１０２内にある。第１ガス流入導管３２ａは、剛性管、フレキシブル管、またはこれらの組合せであってもよい。
第１ガス流入ライン３２は、分岐部２８の下流に配置されている第１ガス流量調節バルブＶ１を備える。第１ガス流量調節バルブＶ１は、第１ガス流入導管３２ａ上にあり、真空容器１０２の外に配置されている。第１ガス流量調節バルブＶ１は、低温ガス循環ライン２２の冷媒ガス流量を調節するよう構成されている。第１ガス流量調節バルブＶ１は、開度を調整可能であり、それにより冷媒ガス流量を変更することができる。
第１ガス流出ライン３４は、第１ガス流出導管３４ａと第１ガス流出フレキシブル管３４ｂを有する。第１ガス流出導管３４ａは、第１ガス流出フレキシブル管３４ｂの一端に接続され第１合流点３０ａにて第２ガス流出ライン３８に合流する。第１ガス流出フレキシブル管３４ｂの他端は、真空容器１０２内で可動テーブル１０４が移動可能であるよう第１可動テーブル流路１０６の出口に接続される。第１ガス流出導管３４ａは、剛性管、フレキシブル管、またはこれらの組合せであってもよい。
図示の例では第１合流点３０ａが真空容器１０２内にあり、第１ガス流出導管３４ａも真空容器１０２内にある。しかし、第１合流点３０ａは真空容器１０２外にあってもよく、その場合、第１ガス流出導管３４ａの一部は真空容器１０２外にあり、残りの部分は真空容器１０２内にあってもよい。
第２ガス流入ライン３６は、第２ガス流入導管３６ａと第２ガス流入フレキシブル管３６ｂを有する。第２ガス流入導管３６ａは、第２分岐点２８ｂにて冷凍機ガス供給ライン２０ａから分岐し、第２ガス流入フレキシブル管３６ｂの一端に接続される。第２ガス流入フレキシブル管３６ｂの他端は、真空容器１０２内で可動テーブル１０４が移動可能であるよう第２可動テーブル流路１０８の入口に接続される。第２ガス流入導管３６ａの一部は真空容器１０２外にあり、残りの部分は真空容器１０２内にある。第２ガス流入導管３６ａは、剛性管、フレキシブル管、またはこれらの組合せであってもよい。
第２ガス流入ライン３６は、分岐部２８の下流に配置されている第２ガス流量調節バルブＶ２を備える。第２ガス流量調節バルブＶ２は、第２ガス流入導管３６ａ上にあり、真空容器１０２の外に配置されている。第２ガス流量調節バルブＶ２は、室温ガス循環ライン２４の冷媒ガス流量を調節するよう構成されている。第２ガス流量調節バルブＶ２は、開度を調整可能であり、それにより冷媒ガス流量を変更することができる。
第２ガス流出ライン３８は、第２ガス流出導管３８ａと第２ガス流出フレキシブル管３８ｂを有する。第２ガス流出導管３８ａは、中途に第１合流点３０ａを有する。第２ガス流出導管３８ａは、第２ガス流出フレキシブル管３８ｂの一端に接続され第２合流点３０ｂにて冷凍機ガス排気ライン２０ｂに合流する。第２ガス流出フレキシブル管３８ｂの他端は、真空容器１０２内で可動テーブル１０４が移動可能であるよう第２可動テーブル流路１０８の出口に接続される。第２ガス流出導管３８ａの一部は真空容器１０２外にあり、残りの部分は真空容器１０２内にある。第２ガス流出導管３８ａは、剛性管、フレキシブル管、またはこれらの組合せであってもよい。
このように、第１可動テーブル流路１０６の出入口および第２可動テーブル流路１０８の出入口には剛性管ではなくフレキシブル管が接続されている。そのため、可動テーブル１０４は、循環冷却装置１４によって冷却されながら真空容器１０２内で移動することができる。可動テーブル１０４の可動方向を例示的に矢印１１０で図示するが、可動方向はこれに限られず他の方向にも可動テーブル１０４は移動可能である。可動テーブル１０４とともに、テーブル上に保持される物体を移動することができる。なお、こうした可動テーブル１０４のフレキシブル管接続は、可動テーブル１０４の真空容器１０２外への移動を許容してもよい。
第１ガス流入フレキシブル管３２ｂ、第１ガス流出フレキシブル管３４ｂ、第２ガス流入フレキシブル管３６ｂ、第２ガス流出フレキシブル管３８ｂはいずれも真空容器１０２内に配置されているが、これに限られない。いずれかのフレキシブル管が真空容器１０２の外まで延びていてもよい。
第１ガス流入ライン３２は、真空容器１０２内に配置される主熱交換部４０および副熱交換部４２を備える。主熱交換部４０は、副熱交換部４２の下流、すなわち副熱交換部４２と第１可動テーブル流路１０６との間にあり、冷媒ガスの本冷却をするよう構成されている。主熱交換部４０において第１ガス流入ライン３２は冷却部１８ｄと熱的に結合している。副熱交換部４２は、第１ガス流量調節バルブＶ１と主熱交換部４０との間にあり、冷媒ガスの予備冷却をするよう構成されている。副熱交換部４２において第１ガス流入ライン３２は第１ガス流出ライン３４と熱的に結合している。第１ガス流入ライン３２が副熱交換部４２の高温側であり、第１ガス流出ライン３４が副熱交換部４２の低温側である。副熱交換部４２の低温側は、第１可動テーブル流路１０６と第１合流点３０ａとの間にある。
副熱交換部４２において第１ガス流入ライン３２は第１ガス流出ライン３４との熱交換によって冷却される（同時に、第１ガス流出ライン３４は第１ガス流入ライン３２によって加熱される）。主熱交換部４０において第１ガス流入ライン３２は冷却部１８ｄによってさらに冷却される。このように、圧縮機１６から低温ガス循環ライン２２に導入される冷媒ガスは、コールドヘッド１８によって冷却され、可動テーブル１０４に供給される。
このように、主熱交換部４０と可動テーブル１０４が同じ真空容器１０２内に収容されているので、主熱交換部４０を可動テーブル１０４に近接して配置することができる。主熱交換部４０から可動テーブル１０４への冷媒ガス経路が短いので、可動テーブル１０４への冷媒輸送中の熱損失（つまり冷媒の昇温）が抑制される。これは、冷却装置１０の省エネルギー性の向上に役立つ。
主熱交換部４０に蓄冷器４１が備えられていてもよい。これにより、蓄冷器４１が十分に冷えているときにはコールドヘッド１８の運転を停止し又は低出力運転（例えばアイドル運転）とすることができる。これも、冷却装置１０の省エネルギー性の向上に役立つ。
第２ガス流入ライン３６は、冷却部１８ｄと熱的に非結合に配設されている。第２ガス流入ライン３６は冷却部１８ｄを経由しないので、第２ガス流入ライン３６の冷媒ガスは冷却されない。よって、圧縮機１６から室温ガス循環ライン２４に導入される冷媒ガスは冷却されずに可動テーブル１０４に供給される。
第２ガス流出ライン３８は、第１合流点３０ａと第２合流点３０ｂとの間でチラー２６と熱的に結合している。こうして、第２ガス流出ライン３８は、チラー２６によって冷却される。
図２は、図１に示す冷却装置１０の制御構成を例示する。こうした制御構成は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組合せによって実現される。また、図２においては、関連する冷却装置１０の一部の構成を概略的に示す。
冷却装置１０は、バルブ制御部４６を含む制御装置４４を備える。バルブ制御部４６は、詳細は後述するが、可動テーブル１０４、圧縮機１６、及び／またはコールドヘッド１８の状態に基づいて、冷凍機ガス流量調節バルブＶ０、第１ガス流量調節バルブＶ１および第２ガス流量調節バルブＶ２の少なくとも１つを制御するよう構成されている。
可動テーブル１０４には、可動テーブル温度センサ４８が設けられている。可動テーブル温度センサ４８は、可動テーブル１０４の表面または内部に取り付けられている。可動テーブル温度センサ４８は、可動テーブル１０４の温度を測定し、可動テーブル１０４の測定温度をバルブ制御部４６に出力するよう構成されている。
圧縮機１６は、圧縮機１６を駆動するための圧縮機モータ５０と、高圧冷媒ガスの圧力を測定するための第１圧力センサ５２と、低圧冷媒ガスの圧力を測定するための第２圧力センサ５４と、圧縮機１６を制御する圧縮機制御部５６と、を備える。圧縮機制御部５６は、制御装置４４に設けられていてもよい。
第１圧力センサ５２および第２圧力センサ５４はそれぞれ測定圧力を制御装置４４のバルブ制御部４６及び／または圧縮機制御部５６に出力するよう構成されている。これら圧力センサは冷凍機ガス循環ライン２０の適切な場所に設けられていてもよい。例えば、第１圧力センサ５２は、冷凍機ガス供給ライン２０ａに設置され、第２圧力センサ５４は、冷凍機ガス排気ライン２０ｂに設置されてもよい。
圧縮機制御部５６は、圧縮機１６の運転周波数（すなわち圧縮機モータ５０の回転数）を変更するための圧縮機インバータ５７を備える。圧縮機制御部５６は、第１圧力センサ５２及び／または第２圧力センサ５４の測定圧力に基づいて圧縮機１６の運転周波数を制御するよう構成されている。運転周波数は、運転速度とも呼ばれる。
圧縮機制御部５６は例えば、圧縮機１６の高圧と低圧との差圧を目標圧に制御する。これを以下では差圧一定制御と呼ぶことがある。圧縮機制御部５６は、差圧一定制御のために圧縮機１６の運転周波数を制御する。なお必要に応じて、差圧の目標値は差圧一定制御の実行中に変更されてもよい。
差圧一定制御において、圧縮機制御部５６は、第１圧力センサ５２の測定圧力と第２圧力センサ５４の測定圧力との差圧を求める。圧縮機制御部５６は、その差圧を目標値ΔＰに追従させるようフィードバック制御により（例えばＰＩＤ制御により）圧縮機１６の運転周波数を決定する。圧縮機制御部５６は、その運転周波数を実現するよう圧縮機インバータ５７を制御する。
コールドヘッド１８は、コールドヘッド１８を駆動するためのコールドヘッドモータ５８と、冷却部１８ｄの温度を測定するためのコールドヘッド温度センサ６０と、コールドヘッド１８を制御するコールドヘッド制御部６２と、を備える。コールドヘッドモータ５８は例えば駆動機構１８ｆに設けられている。コールドヘッド制御部６２は、制御装置４４に設けられていてもよい。
コールドヘッド温度センサ６０は冷却部１８ｄの表面または内部に取り付けられている。コールドヘッド温度センサ６０は測定温度を制御装置４４のバルブ制御部４６及び／またはコールドヘッド制御部６２に出力するよう構成されている。
コールドヘッド制御部６２は、コールドヘッド１８の運転周波数（すなわちコールドヘッドモータ５８の回転数）を変更するためのコールドヘッドインバータ６３を備える。コールドヘッド制御部６２は、コールドヘッド温度センサ６０の測定温度に基づいてコールドヘッド１８の運転周波数を制御するよう構成されている。
コールドヘッド制御部６２は、例えば、冷却部１８ｄの温度を目標温度に制御する。コールドヘッド制御部６２は、測定温度を目標温度に追従させるようフィードバック制御により（例えばＰＩＤ制御により）コールドヘッド１８の運転周波数を決定する。コールドヘッド制御部６２は、その運転周波数を実現するようコールドヘッドインバータ６３を制御する。目標温度は必要に応じて随時変更されうる。
また、制御装置４４は、第１ルックアップテーブル６４および第２ルックアップテーブル６６を備えてもよい。バルブ制御部４６は、いずれかのテーブルを参照して、冷凍機ガス流量調節バルブＶ０、第１ガス流量調節バルブＶ１および第２ガス流量調節バルブＶ２の少なくとも１つの開度を決定するよう構成されていてもよい。制御装置４４は、ルックアップテーブルに代えて、関数その他のバルブ開度演算に必要な情報を備えてもよい。
例えば、第１ルックアップテーブル６４は、圧縮機１６の運転周波数と第１ガス流量調節バルブＶ１の開度との関係を表す。すなわち、第１ルックアップテーブル６４は、圧縮機１６の運転周波数を入力として、それに対応する第１ガス流量調節バルブＶ１の開度を出力することができる。あるいは、第１ルックアップテーブル６４は、圧縮機１６の運転周波数と第２ガス流量調節バルブＶ２との関係を表してもよい。第２ルックアップテーブル６６は、冷却部１８ｄの温度と冷凍機ガス流量調節バルブＶ０の開度との関係を表してもよい。
図３は、本発明のある実施形態に係る冷却装置１０の制御方法を例示するフローチャートである。本方法の実行中、圧縮機１６およびコールドヘッド１８の運転は継続されている。したがって、冷却部１８ｄは所望の冷却温度に冷却されている。
まず、バルブ制御部４６は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが温度しきい値Ｔ０より高いか否かを判定する（Ｓ１０）。可動テーブル１０４の測定温度Ｔは上述のように可動テーブル温度センサ４８から取得される。温度しきい値Ｔ０は予め設定されており、バルブ制御部４６に格納されている。温度しきい値Ｔ０は、室温（例えば約３００Ｋ）に設定されてもよい。
バルブ制御部４６は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが温度しきい値Ｔ０より高い場合、室温冷却運転を選択する（Ｓ１２）。室温冷却運転においては、バルブ制御部４６は、第１ガス流量調節バルブＶ１を閉じ、第２ガス流量調節バルブＶ２を開く。また、コールドヘッド１８の運転継続のために、バルブ制御部４６は、冷凍機ガス流量調節バルブＶ０を所定の開度に開く。この場合、コールドヘッド制御部６２は、コールドヘッド１８の運転を停止し又は低出力運転（例えばアイドル運転）としてもよい。
一方、バルブ制御部４６は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが温度しきい値Ｔ０以下の場合、低温冷却運転を選択する（Ｓ１４）。低温冷却運転においては、バルブ制御部４６は、第１ガス流量調節バルブＶ１を開き、第２ガス流量調節バルブＶ２を閉じる。また、低温冷却運転に必要な冷媒ガス流量を供給するために、バルブ制御部４６は、冷凍機ガス流量調節バルブＶ０を、上記所定の開度より大きい開度に開く。つまり、低温冷却運転において冷凍機ガス流量調節バルブＶ０は、室温冷却運転と比べて冷凍機ガス循環ライン２０の流量を増加させる。
バルブ制御部４６は、バルブ開度調整を実行する（Ｓ１６）。詳細は後述するが、バルブ制御部４６は、冷凍機ガス流量調節バルブＶ０、第１ガス流量調節バルブＶ１、及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を調整する。この処理は任意であり、省略されてもよい。
バルブ制御部４６は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが目標温度Ｔｔを満たすか否かを判定する（Ｓ１８）。バルブ制御部４６は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが目標温度Ｔｔより高い場合（Ｓ１８のＹ）、本方法を終了する。この場合、制御装置４４は、冷却装置１０の運転を停止してもよい。あるいは、制御装置４４は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが目標温度Ｔｔに保持されるよう冷却装置１０の運転を継続してもよい。
一方、バルブ制御部４６は、可動テーブル１０４の測定温度Ｔが目標温度Ｔｔ以下である場合（Ｓ１８のＮ）、本方法を繰り返す。すなわち、バルブ制御部４６は再び、可動テーブル１０４の測定温度Ｔを温度しきい値と比較し、室温冷却運転または低温冷却運転を選択する。
以上の構成による冷却装置１０の動作を説明する。真空装置１００の用途によるが、しばしば可動テーブル１０４には、冷却部１８ｄの温度に比べて相当に高温の物体が搬入される。例えば、約４５０Ｋのウエハが可動テーブル１０４に搬入される。このウエハは例えば約１００Ｋに冷却することが冷却装置１０に求められる。
このような状況においては、冷却対象が当初かなり高温である。そのため、冷却装置１０は、低温ガス循環ライン２２を遮断し室温ガス循環ライン２４を開通して、室温冷却運転を行う。室温ガス循環ライン２４の冷媒ガスは冷却対象の高温に比べて相対的に低いから、室温冷却運転で冷却が可能である。対象が室温まで冷却されてから、低温冷却運転に切り替えられ、対象は所望の冷却温度まで冷却される。
室温冷却運転中の低温ガス循環ライン２２の遮断により、圧縮機１６の冷媒ガス吐出量を減らすことができる。室温冷却運転中は、コールドヘッド１８を運転せずに（または低出力運転で）対象を冷却することができる。また、低温冷却運転中の室温ガス循環ライン２４の遮断によっても、圧縮機１６の冷媒ガス吐出量を減らすことができる。圧縮機１６の消費電力が抑制されるので、冷却装置１０の省エネルギー性が向上される。
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
図４は、図３に示すバルブ開度調整（Ｓ１６）を例示する。まず、バルブ制御部４６は、圧縮機１６の運転周波数を取得する（Ｓ２０）。圧縮機１６の運転周波数は、圧縮機制御部５６から取得される。
バルブ制御部４６は、圧縮機１６の運転周波数に応じて第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を決定する（Ｓ２２）。ある実施形態においては、バルブ制御部４６は、第１ルックアップテーブル６４を参照し、圧縮機１６の運転周波数に対応する第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を取得する。バルブ制御部４６は、決定されたバルブ開度に従って、第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２を制御する。
第１ルックアップテーブル６４は、圧縮機１６の運転周波数が比較的大きい場合、第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を比較的小さくするよう定められていてもよい。言い換えれば、第１ルックアップテーブル６４は、圧縮機１６の運転周波数が比較的小さい場合、第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を比較的大きくするよう定められていてもよい。このようにすれば、圧縮機１６への負荷が大きければバルブ開度が小さくなる。循環冷却装置１４の冷媒ガス流量が減るので、圧縮機１６への負荷を緩和することができる。したがって、冷却装置１０の省エネルギー性を向上することができる。
あるいは、第１ルックアップテーブル６４は、圧縮機１６の運転周波数が十分に小さい場合、第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２を最大開度とするよう定められていてもよい。このように、圧縮機１６に余力があるときには、上記の省エネルギー用の標準バルブ開度よりも大きい開度に変更されてもよい。この場合、物体を急速に冷却することができる。
図５は、図３に示すバルブ開度調整（Ｓ１６）の他の例を示す。バルブ制御部４６は、コールドヘッド１８の冷却部１８ｄの温度を取得する（Ｓ２４）。冷却部１８ｄの温度は、コールドヘッド温度センサ６０から取得される。
バルブ制御部４６は、冷却部１８ｄの測定温度に応じて冷凍機ガス流量調節バルブＶ０を制御する（Ｓ２６）。ある実施形態においては、バルブ制御部４６は、第２ルックアップテーブル６６を参照し、冷却部１８ｄの温度に対応する冷凍機ガス流量調節バルブＶ０の開度を取得する。バルブ制御部４６は、そのバルブ開度に従って冷凍機ガス流量調節バルブＶ０を制御する。
第２ルックアップテーブル６６は、冷却部１８ｄの測定温度が比較的低い場合に冷凍機ガス流量調節バルブＶ０の開度を比較的小さくし、冷却部１８ｄの測定温度が比較的高い場合に冷凍機ガス流量調節バルブＶ０の開度を比較的大きくするよう定められていてもよい。このようにすれば、コールドヘッド１８への熱負荷に応じて冷凍機ガス循環ライン２０のガス流量を調整することができる。
このような冷凍機ガス流量調節バルブＶ０の開度調整は、一定の運転周波数で運転されるコールドヘッド１８に適用されてもよい。コールドヘッド１８は、コールドヘッドインバータ６３を備えなくてもよい。
図６は、ある実施形態に係る可動テーブル冷却システム７０を概略的に示す。可動テーブル冷却システム７０は、圧縮機１６と、複数の可動テーブル冷却サブシステム７２と、を備えてもよい。圧縮機１６が複数のサブシステムに共用されている。複数の可動テーブル冷却サブシステム７２は各々が、図１に示す冷却装置１０と同様に、循環冷却装置１４およびコールドヘッド１８を備え、これらは圧縮機１６に接続されている。また、各サブシステムは、冷凍機ガス流量調節バルブＶ０、第１ガス流量調節バルブＶ１、および第２ガス流量調節バルブＶ２を備える。
図３および図４に例示される冷却方法が可動テーブル冷却システム７０に適用される場合、制御装置４４のバルブ制御部４６は、圧縮機１６の運転周波数に応じて各可動テーブル冷却サブシステム７２の第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を共通に決定し、及び／または、圧縮機１６の運転周波数に応じて各可動テーブル冷却サブシステム７２の第１ガス流量調節バルブＶ１の開度を共通に決定してもよい。このようにしても、圧縮機１６への負荷を緩和し、可動テーブル冷却システム７０の省エネルギー性を向上することができる。
図７は、ある実施形態に係るバルブ開度調整（Ｓ１６）を例示する。バルブ制御部４６は、複数の可動テーブル冷却サブシステム７２から一の可動テーブル冷却サブシステム７２を選択する（Ｓ３０）。バルブ制御部４６は、例えば、可動テーブル冷却サブシステム７２の稼働率に基づいて可動テーブル冷却サブシステム７２を選択してもよい。例えば、稼働率の高い可動テーブル冷却サブシステム７２が選択されてもよい。
バルブ制御部４６は、選択された可動テーブル冷却サブシステムについて、圧縮機１６の運転周波数に応じて第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の少なくとも１つを制御する（Ｓ３２）。バルブ制御部４６は、図４に示すバルブ開度調整と同様に、圧縮機１６の運転周波数を取得し、運転周波数に応じて第１ガス流量調節バルブＶ１及び／または第２ガス流量調節バルブＶ２の開度を決定してもよい。このようにしても、圧縮機１６への負荷を緩和し、可動テーブル冷却システム７０の省エネルギー性を向上することができる。
ある実施形態においては、物体を急速に冷却するために、バルブ制御部４６は、可動テーブル温度センサ４８の測定温度に関わらず、低温冷却運転を実行してもよい。バルブ制御部４６は、室温冷却運転を実行せずに低温冷却運転を開始してもよいし、室温冷却運転中に必要に応じて低温冷却運転を選択してもよい。
Ｖ０ 冷凍機ガス流量調節バルブ、 Ｖ１ 第１ガス流量調節バルブ、 Ｖ２ 第２ガス流量調節バルブ、 １０ 冷却装置、 １６ 圧縮機、 １８ コールドヘッド、 １８ｄ 冷却部、 ２０ａ 冷凍機ガス供給ライン、 ２０ｂ 冷凍機ガス排気ライン、 ２８ 分岐部、 ３０ 合流部、 ３２ 第１ガス流入ライン、 ３２ｂ 第１ガス流入フレキシブル管、 ３４ 第１ガス流出ライン、 ３４ｂ 第１ガス流出フレキシブル管、 ３６ 第２ガス流入ライン、 ３６ｂ 第２ガス流入フレキシブル管、 ３８ 第２ガス流出ライン、 ３８ｂ 第２ガス流出フレキシブル管、 ４６ バルブ制御部、 ４８ 可動テーブル温度センサ、 ５０ 圧縮機モータ、 ５６ 圧縮機制御部、 ６０ コールドヘッド温度センサ、 ７０ 可動テーブル冷却システム、 ７２ 可動テーブル冷却サブシステム、 １０２ 真空容器、 １０４ 可動テーブル、 １０６ 第１可動テーブル流路、 １０８ 第２可動テーブル流路。

Claims (12)

  1. 真空容器内で物体を保持する可動テーブルを冷却する可動テーブル冷却装置であって、
    圧縮機と、
    前記真空容器に固定されるコールドヘッドであって、前記真空容器内に配置される冷却部を備えるコールドヘッドと、
    分岐部を備え、前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ラインと、
    合流部を備え、前記コールドヘッドから前記圧縮機に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ラインと、
    前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に結合する熱交換部を備える第１ガス流入ラインと、
    前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第１可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第１ガス流出ラインと、
    前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第２可動テーブル流路に接続される第２ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に非結合に配設される第２ガス流入ラインと、
    前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第２可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第２ガス流出ラインと、を備えることを特徴とする可動テーブル冷却装置。
  2. 前記第１ガス流入ラインは、前記真空容器内で前記可動テーブルが移動可能であるよう前記第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入フレキシブル管を備え、
    前記第１ガス流出ラインは、前記真空容器内で前記可動テーブルが移動可能であるよう前記第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流出フレキシブル管を備え、
    前記第２ガス流入ラインは、前記真空容器内で前記可動テーブルが移動可能であるよう前記第２可動テーブル流路に接続される第２ガス流入フレキシブル管を備え、
    前記第２ガス流出ラインは、前記真空容器内で前記可動テーブルが移動可能であるよう前記第２可動テーブル流路に接続される第２ガス流出フレキシブル管を備えることを特徴とする請求項１に記載の可動テーブル冷却装置。
  3. 前記冷凍機ガス供給ラインは、冷凍機ガス流量調節バルブを備え、
    前記第１ガス流入ラインは、第１ガス流量調節バルブを備え、
    前記第２ガス流入ラインは、第２ガス流量調節バルブを備え、
    前記可動テーブル、前記圧縮機、及び／または前記コールドヘッドの状態に基づいて、前記冷凍機ガス流量調節バルブ、前記第１ガス流量調節バルブおよび前記第２ガス流量調節バルブの少なくとも１つを制御するバルブ制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の可動テーブル冷却装置。
  4. 前記可動テーブルの測定温度を前記バルブ制御部に出力する可動テーブル温度センサをさらに備え、
    前記バルブ制御部は、
    前記可動テーブルの測定温度が温度しきい値より高い場合に、前記第１ガス流量調節バルブを閉じ前記第２ガス流量調節バルブを開き、
    前記可動テーブルの測定温度が前記温度しきい値より低い場合に、前記第１ガス流量調節バルブを開き前記第２ガス流量調節バルブを閉じることを特徴とする請求項３に記載の可動テーブル冷却装置。
  5. 前記バルブ制御部は、
    前記可動テーブルの測定温度が前記温度しきい値より高い場合に、前記冷凍機ガス流量調節バルブを所定の開度に開き、
    前記可動テーブルの測定温度が前記温度しきい値より低い場合に、前記冷凍機ガス流量調節バルブを前記所定の開度より大きい開度に開くことを特徴とする請求項４に記載の可動テーブル冷却装置。
  6. 前記圧縮機は、圧縮機モータと、前記圧縮機モータの運転周波数を制御するとともに前記運転周波数を前記バルブ制御部に出力する圧縮機制御部と、を備え、
    前記バルブ制御部は、前記運転周波数に応じて前記第１ガス流量調節バルブ及び／または前記第２ガス流量調節バルブの開度を決定することを特徴とする請求項４または５に記載の可動テーブル冷却装置。
  7. 前記冷却部の測定温度を前記バルブ制御部に出力するコールドヘッド温度センサをさらに備え、
    前記バルブ制御部は、前記冷却部の測定温度に応じて前記冷凍機ガス流量調節バルブを制御することを特徴とする請求項３から６のいずれかに記載の可動テーブル冷却装置。
  8. 真空容器内で物体を保持する可動テーブルを冷却する可動テーブル冷却装置であって、
    圧縮機と、
    前記真空容器に固定されるコールドヘッドであって、高圧ポートと、低圧ポートと、前記真空容器内に配置される冷却部とを備え、前記冷却部の中に冷媒ガスの膨張室が形成されるコールドヘッドと、
    分岐部を備え、前記高圧ポートに接続され、前記圧縮機から前記コールドヘッドの前記高圧ポートを通じて前記膨張室に冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ラインと、
    合流部を備え、前記低圧ポートに接続され、前記コールドヘッドの前記低圧ポートを通じて前記膨張室から前記圧縮機に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ラインと、
    前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に結合する熱交換部を備える第１ガス流入ラインと、
    前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第１可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第１ガス流出ラインと、
    前記冷凍機ガス供給ラインに配置される冷凍機ガス流量調節バルブと、
    前記第１ガス流入ラインに配置される第１ガス流量調節バルブと、
    前記可動テーブル、前記圧縮機、及び／または前記コールドヘッドの状態に基づいて、前記冷凍機ガス流量調節バルブおよび前記第１ガス流量調節バルブの少なくとも１つを制御するバルブ制御部と、を備えることを特徴とする可動テーブル冷却装置。
  9. 圧縮機と、
    複数の可動テーブル冷却サブシステムであって、各々が、
    真空容器に固定されるコールドヘッドであって、前記真空容器内に配置される冷却部を備えるコールドヘッドと、
    分岐部を備え、前記圧縮機から前記コールドヘッドに冷媒ガスを供給する冷凍機ガス供給ラインと、
    合流部を備え、前記コールドヘッドから前記圧縮機に冷媒ガスを排気する冷凍機ガス排気ラインと、
    前記圧縮機から前記真空容器内で物体を保持する可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第１可動テーブル流路に接続される第１ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に結合する熱交換部を備える第１ガス流入ラインと、
    前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第１可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第１ガス流出ラインと、
    前記圧縮機から前記可動テーブルに冷媒ガスが流入するよう前記分岐部にて前記冷凍機ガス供給ラインから分岐し第２可動テーブル流路に接続される第２ガス流入ラインであって、前記冷却部と熱的に非結合に配設される第２ガス流入ラインと、
    前記可動テーブルから前記圧縮機に冷媒ガスが流出するよう前記第２可動テーブル流路に接続され前記合流部にて前記冷凍機ガス排気ラインに合流する第２ガス流出ラインと、を備える複数の可動テーブル冷却サブシステムと、を備えることを特徴とする可動テーブル冷却システム。
  10. 前記複数の可動テーブル冷却サブシステムの各々が、前記第１ガス流入ラインに第１ガス流量調節バルブを備え、前記第２ガス流入ラインに第２ガス流量調節バルブを備え、
    前記可動テーブル、前記圧縮機、及び／または前記コールドヘッドの状態に基づいて、前記第１ガス流量調節バルブおよび前記第２ガス流量調節バルブの少なくとも１つを制御するバルブ制御部をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の可動テーブル冷却システム。
  11. 前記圧縮機は、圧縮機モータと、前記圧縮機モータの運転周波数を制御するとともに前記運転周波数を前記バルブ制御部に出力する圧縮機制御部と、を備え、
    前記バルブ制御部は、前記運転周波数に応じて各可動テーブル冷却サブシステムの第２ガス流量調節バルブの開度を共通に決定し、及び／または、前記運転周波数に応じて各可動テーブル冷却サブシステムの第１ガス流量調節バルブの開度を共通に決定することを特徴とする請求項１０に記載の可動テーブル冷却システム。
  12. 前記圧縮機は、圧縮機モータと、前記圧縮機モータの運転周波数を制御するとともに前記運転周波数を前記バルブ制御部に出力する圧縮機制御部と、を備え、
    前記バルブ制御部は、前記複数の可動テーブル冷却サブシステムから一の可動テーブル冷却サブシステムを選択し、選択された可動テーブル冷却サブシステムについて、前記運転周波数に応じて前記第１ガス流量調節バルブおよび前記第２ガス流量調節バルブの少なくとも１つを制御することを特徴とする請求項１０に記載の可動テーブル冷却システム。
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