CN102096423B - 恒温装置以及恒温方法 - Google Patents

Abstract

一种恒温装置，本发明提供了一种恒温装置，包括设在所述加热装置之前的加热器温度传感器，其用于测得进入所述加热装置之前的载冷剂的温度；设在所述制冷装置与所述加热装置之间的混合装置，其混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂，并将经混合的载冷剂输送至所述加热装置；控制器，其根据所述进入加热装置之前的载冷剂的温度与所述加热装置的入口温度设定值的差，经由所述混合装置控制流经所述制冷装置的载冷剂的流量。根据进入加热装置的温度设定值与实际载冷剂温度的差，使用电控混流三通阀装置对进入加热装置前的载冷剂进行初级恒温，提高整机恒温精度。

Description

恒温装置以及恒温方法

技术领域

本发明涉及半导体加工设备的温度控制，由其涉及刻蚀机、CVD等半导体加工设备的高精度恒温控制。

背景技术

现有的恒温装置利用热交换原理，保证半导体加工设备在特殊工作区域的温度恒定。以刻蚀机为例，随刻蚀工艺的变化，在上片和预处理阶段，半导体加工设备所产生的负荷差别很大，负荷的波动经常在500～4000W。刻蚀机要求在负荷波动及切换工况下，恒温装置也要能够做到快速响应并达到稳定。目前刻蚀机对温度控制精度要求达到±1℃。现有恒温装置的恒温方式为热交换方式，即载冷剂在恒温装置与刻蚀机之间形成了一个闭环连接，恒温装置的恒温直接对象是闭环管路中的载冷剂，经过精确恒温后，在刻蚀机腔体内进行热交换，从而保证刻蚀机腔体内部温度的恒定。

名称为″恒温液循环装置及该装置的温度控制方法″的第200610141440.0号中国专利公开了一种在恒温液循环装置中减小外部装置热负荷变动引起的循环液温度变化幅度，使外部装置的性能稳定化。利用水泵来输送恒温循环液，在外部装置的连接循环液配管中设置流量传感器、用于检测从该管路来的循环液的送出温度和循环液的返回温度，按照根据这些输出而求出的外部装置的热负荷，利用控制器来控制循环液的流量和温度。该控制在送出和返回温度的差小于设置值的情况下，利用循环液温度控制来适应该热负荷；在该温度差大于设定值的情况下，除了上述温度控制外，还对外部装置的配管增加循环液流量，使其适应上述热负荷。

但是利用进出口的温差和出口流量来计算外部热负荷只能建立在理论基础上，进出口的2个温度传感器本身就存在相对误差，所以无法在大负荷变化的刻蚀工艺中保证精确恒温，由于刻蚀工艺在上片和预处理阶段的频繁切换，半导体加工设备所产生的负荷差别很大在设计之初就考虑到温度控制装置的平衡最大负荷能力为4000Wat 20℃，相应的制冷功率指标也提升为4500W。如果要满足精确恒温条件，满足冷热平衡的条件，需要将温度控制装置中的热平衡加热器功率定为4000W。日本SMC公司所研制的HRZ系列就按照此理念进行设计，定频压缩机的恒定制冷量的输出，将来自刻蚀机的回水温度冷却，由于恒定制冷量输出将经过蒸发器的载冷剂温度降低3～4℃，再通过水箱加热器进行精确恒温，该设计下的加热功率和制冷功率消耗的较大，提升了温度控制装置的整机功耗，故此项专利技术已不能完全适应目前刻蚀工艺的新需求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度恒温装置以及方法，其在变负荷工况下能够对上述载冷剂温度变化有良好的相应性，提高温度的稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种恒温装置，其具有用泵来输送载冷剂的管路，形成所述载冷剂的循环流路，在所述循环流路中，所述载冷剂先经制冷装置进行制冷然后经加热装置进行加热以到达所需的预定温度。所述恒温装置还包括设在所述加热装置之前的加热器温度传感器，其用于测得进入所述加热装置之前的载冷剂的温度；设在所述制冷装置与所述加热装置之间的混合装置，其混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂，并将经混合的载冷剂输送至所述加热装置；控制器，根据所述进入加热装置之前的载冷剂的温度与所述加热装置的入口温度设定值的差，由所述混合装置控制流经所述制冷装置的载冷剂的流量。

较佳地，所述混合装置为三通阀，当所述进入加热装置的载冷剂的温度大于所述加热装置入口温度设定值时，所述控制器使得所述三通阀的开度增大，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量增大，当所述进入加热装置的载冷剂的温度小于所述加热装置入口温度设定值时，所述控制器使得所述三通阀的开度减小，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量减少。

较佳地，所述制冷装置包括蒸发器和压缩机，所述压缩机送出的制冷剂与流经所述蒸发器的载冷剂进行热交换，对所述经过制冷装置的载冷剂进行制冷。

较佳地，所述压缩机为数码涡旋式压缩机。

较佳地，所述循环流路的入口包括入口温度传感器，以将测得的未经所述恒温装置处理的载冷剂的温度反馈给所述控制器，并且当所述未经恒温装置处理的载冷剂的温度大于所述预定温度时，所述控制器将所述压缩机的制冷输出量控制为最小。

较佳地，所述蒸发器的出口还包括蒸发器出口温度传感器以测得所述蒸发器的出口温度，其中根据所述预定温度设置所述压缩机的吸气温度预定值，并且所述控制器根据所述吸气温度预定值与所述蒸发器出口温度的差来控制所述压缩机的制冷输出量。

本发明还提供一种恒温方法，所述方法利用泵来输送载冷剂，形成所述载冷剂的循环流路，在所述循环流路中，所述载冷剂先经制冷装置进行制冷然后经加热装置进行加热以到达所需的预定温度。所述恒温方法包括1)获得进入所述加热装置之前的所述载冷剂的温度，并且设置所述加热装置的入口温度设定值；2)根据进入所述加热装置之前的载冷剂的温度与所述加热装置入口温度设定值的差，通过混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂，来调节进入所述加热装置的载冷剂的温度。

较佳地，所述步骤2)中通过三通阀来混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂从而调节所述进入加热装置之前的载冷剂的温度，其中，当所述进入加热装置之前的载冷剂的温度大于所述加热装置入口温度设定值时，增大所述三通阀的开度，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量增大；当所述进入加热装置之前的载冷剂的温度小于所述加热装置入口温度设定值时，减小所述三通阀开度，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量减少。

较佳地，所述制冷装置包括蒸发器和压缩机，所述压缩机送出的制冷剂与流经所述蒸发器的载冷剂进行热交换，从而对所述经过制冷装置的载冷剂进行制冷。

较佳地，所述压缩机为数码涡旋式压缩机。

较佳地，包括获得位于所述循环流路的入口处的载冷剂的温度，当所述位于所述循环流路的入口处的载冷剂的温度大于所述预定温度时，将所述压缩机的制冷输出量设为最小。

较佳地，包括获得所述蒸发器的出口温度，其中根据所述预定温度设置所述压缩机的吸气温度设定值，根据所述吸气温度设定值与所述蒸发器出口温度的差来控制所述压缩机的制冷量。

根据进入加热装置的温度设定值与实际载冷剂温度的差，使用电控混流三通阀装置对进入加热装置前的载冷剂进行初级恒温，提高整机恒温精度。

附图说明

参考下文较佳实施例的描述以及附图，可最佳地理解本发明及其目的与优点，其中：

图1为根据本发明的恒温装置的结构示意图；

图2为使用所述恒温装置进行恒温控制的控制原理图；

图3为温度控制流程图；

图4为变负荷工况下的恒温精度；

图5为无负荷工况下的恒温精度；

图6为各负荷工况下的压缩机能效比。

具体实施方式

参见本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。

图1为根据本发明的恒温装置100的结构示意图。如图1所示，恒温装置100具有用泵101来输送载冷剂的管路。泵101使得载冷剂由外部装置(未示)从节点N1流入恒温装置100，经恒温处理后再从节点N3流回所述外部装置，从而形成载冷剂的循环流路。载冷剂(第一载冷剂)从节点N1进入所述恒温装置100，并且在节点N2处，所述载冷剂分为两路，其中一路直接流至电控混流三通阀103(下文将详述)，另一路(第二载冷剂)经由蒸发器105降温成为第二载冷剂后流至三通阀103。节点N1与节点N2之间设有温度传感器S1，以将自外部装置的第一载冷剂的温度T1反馈至控制器107。

蒸发器105与压缩机109形成闭环连接，由此压缩机109的制冷剂与蒸发器105中的第一载冷剂发生热交换，从而使得第一载冷剂降温而成为第二载冷剂。此外，蒸发器105与压缩机109之间设有蒸发器出口温度传感器S2，已将测得的所述制冷闭环连接中载冷剂的温度T2，并反馈至控制器107。下文将详述压缩机的结构以及工作方式。蒸发器105和压缩机109为制冷装置的例子。

第一载冷剂与第二载冷剂在三通阀103中混合后形成第三载冷剂。第三载冷剂输送至水箱111，并由其中的加热器113进行加热。水箱111与三通阀103之间设有加热器温度传感器S3，以检测第三载冷剂的温度T3，并将其反馈给控制器107。水箱111和加热器113为加热装置的例子。

经加热后的第三载冷剂形成为第四载冷剂，并且经由水泵101从节点N3输出恒温装置100。节点N3处设有口温度传感器S4，以检测第四载冷剂的温度T4，即恒温装置最终恒温的温度，并反馈至控制器107。

控制器107中储存有各温度传感器反馈的温度，并且可对控制器107设置恒温装置100要到达的预定温度。此外，三通阀103、压缩机109、及加热器113分别包括PID控制器。由此，控制器107根据各温度传感器反馈的温度与所述预定温度之间的差别，对三通阀103、压缩机109、及加热器113的PID控制器进行PID控制，并最终控制经恒温的载冷剂的温度。

现具体描述电控混流三通阀103。三通阀103带有步进驱动单元，其接收PID控制器发出的控制信号，旋转驱动三通阀开合角的位移，对三通阀103的开度进行控制。三通阀103影响单位时间内的流入蒸发器103的载冷剂(第一载冷剂)的流量，从而决定压缩机109的制冷量的高低。当温度T3高于在控制器107中设定的水箱入口温度设定值时，三通阀103开度增大，流经蒸发器105的第一载冷剂的流量由此增大，从而增加载冷剂与制冷剂之间的换热量。当T3低于所述水箱入口温度设定值时，三通阀103开度减小，流经蒸发器105的第一载冷剂的流量由此减小，降低载冷剂与制冷剂之间的换热量。三通阀103采用的是反馈PID控制器，将控制器107将所述水箱入口温度设定值在三通阀103的PID控制器中设为设定值，通过水箱入温度传感器S3采集第三载冷剂的温度T3(实际值)反馈给控制器107，得到设定值与实际值的偏差作为三通阀103的PID控制器的输入。

现具体描述压缩机109。压缩机，作为制冷量输出执行器，因可靠性高和冷量输出宽而闻名，但其缺点在于不能频繁启停，重启后的温度稳定需要较长时间，不利于控温。本发明中，压缩机109选了数码涡旋压缩机对整机制冷量输出的进行闭环控制。选用数码涡旋压缩机作为制冷执行件，该款压缩机与标准型压缩机最大的区别在于，该压缩机的制冷量可通过外部电磁阀对内部活塞提升组件的控制，当外部电磁阀关闭时，数码涡旋压缩机和标准型压缩机一样工作，制冷量达到100％。当外部电磁阀打开时，两个涡旋盘稍微脱离。此时压缩机无制冷剂被压缩，从而无制冷量的输出。此时压缩机功率降低至总功率的30％，其通电情况下的最小开启为一个10S周期内的10％，故解决压缩机频繁停机引起温度波动的现象发生。

现参考图3描述恒温装置100的操作。

当节点N1处的温度T1小于恒温装置100要到达的预定温度时，例如比所述预定温度低2℃，控制器107控制压缩机109开启最小制冷输出量(例如10％)，保证不影响温控精度下的最小冷量输出。由于节点N1处的温度T1小于恒温装置100要到达的预定温度，由此可将压缩机109的制冷输出量调节为最小，而达到节省功耗的目的。此时加热器113的PID控制开启，将预定温度作为设定值，通过出口温度传感器S4采集第四载冷剂的温度T4反馈给控制器107，得到设定值与实际值的偏差作为加热器PID控制器的输入。该状态下，加热器113控制开启、压缩机109输出最小化。

当节点N1处的温度T1小于恒温装置100要到达的预定温度时，例如比所述预定温度高2℃，控制器107关闭加热器的PID控制器，并且开启压缩机109的PID控制器，并通过当前的所述预定温度对照压缩机109的吸气温度表，将合适吸气温度点作为吸气温度设定值。三通阀103的开度会影响流经蒸发器105的载冷剂的量，进而使得所述制冷闭环回路中的温度T2发生变化。由此，也会影响吸气温度的高低，所以需要根据温度T2选择合适的吸气温度。具体地，通过蒸发器出口温度传感器S2测得的温度T2反馈给控制器107，得到所述吸气温度设定值与实际值的偏差作为压缩机PID控制器的输入从而控制压缩机109的制冷输出量。由此，通过控制压缩机109的制冷量保证压缩机吸气口温度不至于过高，当压缩机实际吸气温度高于压缩机吸气温度设定值时，PID控制器调节压缩机功率输出占空比增大，当实际压缩机吸气温度低于压缩机吸气温度设定值时，PID控制器调节压缩机功率输出占空比减小。该状态下，加热器控制关闭、压缩机控制开启。

当外负荷功率突然增大，可能导致三通阀103、压缩机109的PID控制的跟随性降低。当水箱入口温度T3大于所述水箱入口温度设定值的±0.3℃时，开启加热器的PID控制，保证设备出口温度小于±0.5℃，该状态为大范围切换的极端状态，恒温装置100在此状态下已经作了三段PID同时开启的精确恒温，保证出口端精度。

图4、5为两种负荷下的控温精度，图6为两种负荷下的能耗情况，在非极端负荷下的功耗维持在整机功率的40％。由图4～6可见，根据本发明的恒温装置可在在保证精度的同时，大幅度降低电耗输出。

本发明具有如下优点。

(1)根据进入加热装置的温度设定值与实际载冷剂温度的差，使用电控混流三通阀装置对进入加热装置前的载冷剂进行初级恒温，提高整机恒温精度。

(2)由于载冷剂入在进入加热装置之前进行了初级恒温，使得载冷剂温度与设定温度之间差距减小，可降低加热装置的电功率，从而较节能。

(3)通过三通阀可对蒸发器热交换的载冷剂流量进行控制，并根据流经蒸发器的载冷剂的流量来控制数码涡旋式压缩机的制冷量输出，从而使压缩机系统的性能得到显著改善，并在低负荷下节省大量能耗。

(4)根据载冷剂的温度，对压缩机进行安全控制。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。

Claims (12)

1.一种恒温装置，其具有用泵来输送载冷剂的管路，形成所述载冷剂的循环流路，在所述循环流路中，所述载冷剂先经制冷装置进行制冷然后经加热装置进行加热以到达所需的预定温度，其特征在于，还包括：

设在所述加热装置之前的加热器温度传感器，其用于测得进入所述加热装置之前的载冷剂的温度；

设在所述制冷装置与所述加热装置之间的混合装置，其混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂，并将经混合的载冷剂输送至所述加热装置；

控制器，根据所述进入加热装置之前的载冷剂的温度与所述加热装置的入口温度设定值的差，由所述混合装置控制流经所述制冷装置的载冷剂的流量。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合装置为三通阀，当所述进入加热装置的载冷剂的温度大于所述加热装置入口温度设定值时，所述控制器使得所述三通阀的开度增大，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量增大，当所述进入加热装置的载冷剂的温度小于所述加热装置入口温度设定值时，所述控制器使得所述三通阀的开度减小，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量减少。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述制冷装置包括蒸发器和压缩机，所述压缩机送出的制冷剂与流经所述蒸发器的载冷剂进行热交换，对所述经过制冷装置的载冷剂进行制冷。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述压缩机为数码涡旋式压缩机。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述循环流路的入口包括入口温度传感器，以将测得的未经所述恒温装置处理的载冷剂的温度反馈给所述控制器，并且当所述未经恒温装置处理的载冷剂的温度大于所述预定温度时，所述控制器将所述压缩机的制冷输出量控制为最小。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述蒸发器的出口还包括蒸发器出口温度传感器以测得所述蒸发器的出口温度，其中根据所述预定温度设置所述压缩机的吸气温度预定值，并且所述控制器根据所述吸气温度预定值与所述蒸发器出口温度的差来控制所述压缩机的制冷输出量。

7.一种恒温方法，所述方法利用泵来输送载冷剂，形成所述载冷剂的循环流路，在所述循环流路中，所述载冷剂先经制冷装置进行制冷然后经加热装置进行加热以到达所需的预定温度，其特征在于，

1)获得进入所述加热装置之前的所述载冷剂的温度，并且设置所述加热装置的入口温度设定值；

2)根据进入所述加热装置之前的载冷剂的温度与所述加热装置入口温度设定值的差，通过混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂，来调节进入所述加热装置的载冷剂的温度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中通过三通阀来混合未经所述制冷装置的载冷剂与经过所述制冷装置的载冷剂从而调节所述进入加热装置之前的载冷剂的温度，其中，当所述进入加热装置之前的载冷剂的温度大于所述加热装置入口温度设定值时，增大所述三通阀的开度，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量增大；当所述进入加热装置之前的载冷剂的温度小于所述加热装置入口温度设定值时，减小所述三通阀开度，由此流经所述制冷装置的载冷剂的流量减少。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述制冷装置包括蒸发器和压缩机，所述压缩机送出的制冷剂与流经所述蒸发器的载冷剂进行热交换，从而对所述经过制冷装置的载冷剂进行制冷。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压缩机为数码涡旋式压缩机。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括获得位于所述循环流路的入口处的载冷剂的温度，当所述位于所述循环流路的入口处的载冷剂的温度大于所述预定温度时，将所述压缩机的制冷输出量设为最小。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，包括获得所述蒸发器的出口温度，其中根据所述预定温度设置所述压缩机的吸气温度设定值，根据所述吸气温度设定值与所述蒸发器出口温度的差来控制所述压缩机的制冷量。

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