CN102918336A - 用于低温冷却的系统及方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一实施例，提供一种用于使一负载冷却的系统。该系统包含一封闭回路主冷冻系统，该封闭回路主冷冻系统包含：一主压缩机，接受在一低压下的一主致冷剂及排出在一高压下的该主致冷剂；一绝缘外壳，包含自该主压缩机接收在该高压下的该主致冷剂的一入口及将在该低压下的该主致冷剂传回至该主压缩机的一出口；该绝缘外壳内的至少一热交换器，接收在该高压下的该主致冷剂且使用来自一次级冷冻系统的一次级致冷剂使该主致冷剂冷却，在该至少一热交换器中，该次级致冷剂与该主致冷剂成热交换关系；该绝缘外壳内的一膨胀单元，接收来自该至少一热交换器的在该高压下的该主致冷剂及排出在该低压下的该主致冷剂；以及将在该低压下的该主致冷剂递送至该负载的一供应管线及将该主致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统的一传回管线。该系统进一步包含该次级冷冻系统，其中该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机。一系统控制单元控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将一可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的主致冷剂的一压力，及该负载的至少一温度。

Description

用于低温冷却的系统及方法

技术领域

本申请案主张2010年7月12日申请的美国临时申请案第61/363,514号的权利，且主张2010年5月12日申请的美国临时申请案第61/333,801号的权利。上述申请案的完整教示以引用的方式并入本文中。

背景技术

随着半导体装置的持续小型化，已存在对超浅接面的增加的需求。举例而言，已付出巨大努力以建立更好启动、更浅且更突然的源极-汲极延伸接面以满足现代半导体装置的需要。已发现，在离子植入期间的极低晶圆温度有利于最小化对硅晶圆的损害。另外，在广泛多种其他半导体制程及其他领域中存在对极低温度冷却的持续需要。

发明内容

根据本发明的一实施例，提供一种用于使一负载冷却的系统。该系统包含一封闭回路主冷冻系统，该封闭回路主冷冻系统包含：一主压缩机，该主压缩机接受在一低压下的一主致冷剂及排出在一高压下的该主致冷剂；一绝缘外壳，该绝缘外壳包含自该主压缩机接收在该高压下的该主致冷剂的一入口及将在该低压下的该主致冷剂传回至该主压缩机的一出口；该绝缘外壳内的至少一热交换器，该至少一热交换器接收在该高压下的该主致冷剂且使用来自一次级冷冻系统的一次级致冷剂使该主致冷剂冷却，在该至少一热交换器中，该次级冷冻系统与该主致冷剂成热交换关系；该绝缘外壳内的一膨胀单元，该膨胀单元接收来自该至少一热交换器的在该高压下的该主致冷剂及排出在该低压下的该主致冷剂；以及将在该低压下的该主致冷剂递送至该负载的一供应管线及将该主致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统的一传回管线。该系统进一步包含该次级冷冻系统，该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机。一系统控制单元控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将一可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的主致冷剂的一压力，及该负载的至少一温度。

在另外的相关实施例中，该负载的该至少一温度可包含自约-80℃至约-250℃的一温度。该次级冷冻系统可包含将冷却递送至该负载的至少一热传递表面的一第一通道及将该次级致冷剂递送至该至少一热交换器的一第二通道。该至少一热传递表面可传递热量以使该负载的至少一部分冷却至在自约-40℃至约-100℃的范围中的一温度。该至少一热传递表面可包含用以收纳待由该负载的一系统处理的一半导体基板的一腔室的至少一部分。该次级冷冻系统可包含一混合气体冷冻系统。该混合气体冷冻系统可包含一个以上热交换器及至少一相分离器。该次级冷冻系统可包含一逆布瑞顿(Brayton)冷冻系统。该负载可包含一预冷却低温接口模块、一预冷却腔室、一冷衬垫低温接口模块、一压板、一静电夹盘及两个单独负载中的至少一者。

在其他相关实施例中，该系统可进一步包含与该负载电子通信的一电接口控制单元。该电接口控制单元可接收指示该负载的至少一温度的一电子信号；及/或指示该负载的至少一设定点温度的一电子信号。该电接口控制单元可输出一电信号以控制该次级冷冻系统的操作以控制该负载的至少一温度。由该电接口控制单元控制的该负载的该至少一温度可包含该负载的至少一热传递表面的一温度。

在另外的相关实施例中，该系统控制单元可包含：用以控制至少基于递送至该负载的该主致冷剂的该压力而将该可变冷冻容量的提供至该负载的一控制单元；用以控制该主压缩机的一排出速率的一控制单元；用以控制该主压缩机的一高压、一低压及一压力差中的至少一者的一控制单元；用以控制一热量来源以供应待递送至该主致冷剂的热量的一控制单元；用以控制一可调整节流阀的操作的一控制单元；用以控制该主致冷剂的流动以绕过该至少一热交换器的至少一部分的一控制单元；用以控制该主致冷剂的流动以绕过该主冷冻系统的至少一部分的一控制单元；用以控制该主致冷剂的流动的一速率的一控制单元；用以控制该次级致冷剂的流动的一速率的一控制单元；用以控制该次级冷冻系统的一设定点温度的一控制单元；用以控制一热量来源以供应待递送至该次级致冷剂的热量的一控制单元；用以控制该次级冷冻系统的一次级压缩机的一速度的一控制单元；用以控制该次级致冷剂的流动以绕过该次级冷冻系统的至少一部分的一控制单元；用以控制该主致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热的一控制单元；及/或用以控制该次级致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热的一控制单元。

在另外的相关实施例中，该绝缘外壳可整合至该次级冷冻系统的至少一部分中。该至少一热交换器可包含一冷凝器。该系统控制单元可包含用以调整该至少一次级低温冷冻机的速度的一控制单元。该系统控制单元可进一步包含用以调整该至少一次级低温冷冻机的至少一次级压缩机的速度的一控制单元。该系统控制单元可包含用以关断该至少一次级低温冷冻机中的至少一者的一控制单元。该系统控制单元可控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以变化以一液相流至该负载的该主致冷剂对以一气相流至该负载的该主致冷剂的一比例。该系统可包含一个以上次级低温冷冻机，且该系统控制单元可包含用以控制该一个以上次级低温冷冻机的操作以在彼此不同的速度下运作，或在彼此相同的速度下运作的一控制单元。该系统控制单元可控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以维持该负载的该至少一温度的一实质恒定温度。该系统控制单元可包含用以将该主致冷剂的至少一部分导引至该系统中的一较热表面以减少施加至该负载的冷冻的一控制单元。该系统控制单元可包含用以准许该主压缩机的可变速度操作及该主压缩机的脉冲操作中的至少一者的一控制单元。

在另外的相关实施例中，该系统控制单元可藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的冷却不足：基于自该负载所传回的该主致冷剂的一所量测压力而判定自该负载所传回的该主致冷剂的一所计算的沸点；比较自该负载所传回的该主致冷剂的一所量测温度与该所计算的沸点；及在该所量测温度比该所计算的沸点高出一预定温度差以上时，控制该次级冷冻系统以增加对该负载的可用冷冻。在另一实施例中，该系统控制单元可藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的冷却不足：在该负载下游的一第一温度传感器处监视自该负载传回的该主致冷剂的一温度；若该第一温度传感器处的该温度已达到一预定假定饱和温度点，控制该第一温度传感器下游的一小加热器而接通；在该小加热器下游的一第二温度传感器处监视该主致冷剂的一温度；及若该接通该小加热器会提升该主致冷剂的该温度，则控制该次级冷冻系统以增加对该负载的可用冷冻。在另一实施例中，该系统控制单元可藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的过度冷却：在该负载下游的一第一温度传感器处监视自该负载传回的该主致冷剂的一温度；若该第一温度传感器处的该温度已达到一预定假定饱和温度点，控制该第一温度传感器下游的一小加热器而接通；在该小加热器下游的一第二温度传感器处监视该主致冷剂的一温度；及若该接通该小加热器会提升该主致冷剂的该温度，则判定由该小加热器所提供的该热量的量值，且基于该量值，判定是否控制该次级冷冻系统以减小对该负载的可用冷冻。该系统控制单元可包含用以调整该至少一次级低温冷冻机上的一可变加热器的一控制单元。该系统控制单元可包含用以控制该至少一次级低温冷冻机的一设定点温度的一控制单元。该系统控制单元可控制一个以上次级低温冷冻机以具有彼此不同的设定点温度。

在另外的相关实施例中，该主致冷剂可包含氮、氩、氙、氪、氦或一混合气体致冷剂中的至少一者。该主致冷剂可包含具有一比用于该次级冷冻系统中的一致冷剂的一沸腾温度高的沸腾温度的至少一致冷剂组份；诸如，该主致冷剂可包含氩、氮、氙及氪中的至少一者，且该次级致冷剂可包含氦及氖中的至少一者。该主致冷剂可包含具有一比用于该次级冷冻系统中的至少一致冷剂的一沸腾温度低的沸腾温度的一致冷剂。该主致冷剂可包含氩、氮、氙、氪及氦中的至少一者，且该次级致冷剂可包含一混合气体致冷剂。该系统可进一步包含一复热式热交换器，该复热式热交换器在该绝缘外壳内，且在自该绝缘外壳的该入口流动的在该高压下的该主致冷剂与自该负载所传回的该主致冷剂之间交换热量，该复热式热交换器将在该高压下的该主致冷剂排出至一冷凝器。该系统可进一步包含一旁路阀，该旁路阀准许绕过该复热式热交换器，以使得自该绝缘外壳的该入口流动的在该高压下的该主致冷剂并不与自该负载所传回的该主致冷剂交换热量。该系统控制单元可藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的冷却不足：监视该复热式热交换器中的一中间点与该复热式热交换器的一末端点中的至少一者中的一温度；及若该所监视的温度下降为低于一预定温度，则控制该次级冷冻系统以减小对该负载的可用冷冻。

在另外的相关实施例中，该负载可包含一静电夹盘，该静电夹盘可为用以制造一半导体装置的一离子植入系统的一部分。该系统可进一步包含一预冷却腔室，该预冷却腔室用以在由该静电夹盘处置该半导体装置之前收纳该半导体装置。该负载可包含以下各者中的至少一者：用于使一半导体晶圆冷却的一系统的至少一部分，一离子植入系统的至少一部分，及一物理气相沈积系统的至少一部分。该至少一次级低温冷冻机可包含一Gifford-McMahon循环冷冻机，该Gifford-McMahon循环冷冻机可包含一氦冷冻机。该至少一次级低温冷冻机可包含一脉管冷冻机。该至少一次级低温冷冻机可包含一逆布瑞顿(Brayton)循环冷冻机、一史特林(Stirling)循环冷冻机及一焦耳汤姆生(Joule-Thomson)循环冷冻机中的至少一者；及可包含一使用一单一致冷剂的冷冻机或一使用一混合气体致冷剂的冷冻机。该至少一次级低温冷冻机可包含一个以上次级低温冷冻机，该等次级低温冷冻机经连接以冷却与该一个以上次级低温冷冻机成热交换关系的该主致冷剂的一并行或串行流中的主致冷剂。

在另外的相关实施例中，该主冷冻系统的该主压缩机可包含一可变速度压缩机。该系统可进一步包含一用以在该绝缘外壳内建立一真空的低温泵表面。该低温泵表面可包含该至少一次级低温冷冻机的一第二冷却级。该系统可进一步包含一旁路阀，该旁路阀准许该主致冷剂绕过将该主致冷剂递送至该负载的该供应管线及使该主致冷剂自该负载传回的该传回管线。该膨胀单元可包含一毛细管、一具有一可变流动面积的阀、一弹簧偏差的阀、一活塞扩张器及一涡轮扩张器中的至少一者。该系统可进一步包含一压力调节器，该压力调节器调节在该主致冷剂的一来源与由该主压缩机所接受的在该低压下的该主致冷剂之间的该主致冷剂的流动；及一压力控制单元，该压力控制单元用以控制该压力调节器以调节至该系统中的该主致冷剂的该流动。该系统可进一步包含一连接至该绝缘外壳上的一压力计的隔离阀，若该绝缘外壳上的该压力计侦测到高于一预定最大安全压力的一压力，则该隔离阀防止该主致冷剂流至该绝缘外壳的该入口中。该系统可进一步包含一热传感器，该热传感器经连接以监视自该绝缘外壳传回至该主压缩机的该主致冷剂的温度；及一安全控制单元，该安全控制单元经连接以在自该绝缘外壳传回的该主致冷剂的该温度小于一预定触摸危险最小温度的情况下中断该次级冷冻系统的操作。该系统可进一步包含一净化器，该净化器在该主致冷剂进入该系统之前从自该主致冷剂的一供应来源而引导的气体移除杂质；及/或一油分离器，该油分离器自该主压缩机内的该主致冷剂移除油。该供应管线及该传回管线中的每一者的至少一部分可在一真空绝缘传递管线内延伸。该至少一热交换器可将该主致冷剂的至少一实质部分转换成一液相；或该至少一热交换器可实质上并不将该主致冷剂转换成一液相。该膨胀单元可将该主致冷剂的至少一实质部分转换成一液相。

在另外的相关实施例中，该供应管线可经由通到该绝缘外壳外的一传递管线将在该低压下的该致冷剂递送至该负载，且该传回管线可经由该传递管线将该致冷剂自该负载传回至该绝缘外壳。该负载可在该绝缘外壳内。该负载可包含以下各者中的至少一者：一半导体基板、一用于低温分离的流体串流、一待液化的气体、一生物样本、一化学制程、材料性质分析设备、一水蒸气闸、一制造程序中的一物品、一成像装置、一亚原子粒子侦测器、一光子侦测器、化学分析设备、一超导缆线，及一超导装置。

在根据本发明的另一实施例中，提供一种用于将一冷却致冷剂提供至一负载的系统。该系统包含：一封闭回路主冷冻系统，该封闭回路主冷冻系统包含一压缩机，该压缩机接受在一低压下的该致冷剂及排出在一高压下的该致冷剂；一膨胀阀，该膨胀阀自该压缩机接收在该高压下的该致冷剂及将在该低压下的该致冷剂排出至一绝缘外壳，该绝缘外壳包含自该膨胀阀接收该致冷剂的一入口及将在该低压下的该致冷剂传回至该压缩机的一出口；该绝缘外壳内的至少一热交换器，该至少一热交换器接收在该低压下的该致冷剂且使用与该致冷剂成热交换关系的一次级冷冻系统使该致冷剂冷却；及一将在该低压下的该致冷剂递送至该负载的供应管线，及一将该致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统的传回管线。该系统进一步包含该次级冷冻系统，该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机。一系统控制单元控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将一可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的主致冷剂的一压力，及该负载的至少一温度。

在根据本发明的另一实施例中，提供一种用于使一负载冷却的方法。该方法包含压缩一封闭回路主冷冻系统的一主压缩机中的一主致冷剂，该主压缩机接受在一低压下的一主致冷剂及排出在一高压下的该主致冷剂；将在该高压下的该主致冷剂自该主压缩机传递至一绝缘外壳的一入口，及将在该低压下的该主致冷剂自该绝缘外壳传回至该主压缩机；将在该高压下的该主致冷剂传递至该绝缘外壳内的至少一热交换器，及使用与来自一次级冷冻系统的一次级致冷剂的热交换而使该至少一热交换器中的该主致冷剂冷却，该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机；使用该绝缘外壳内的一膨胀单元使该主致冷剂膨胀，该膨胀单元接收来自该至少一热交换器的在该高压下的该主致冷剂及排出在该低压下的该主致冷剂；将在该低压下的该主致冷剂递送至该负载及将该主致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统；及控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将一可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的主致冷剂的一压力，及该负载的至少一温度。

在另外的相关实施例中，该方法可进一步包含经由该次级冷冻系统的一第一信道将冷却自该次级冷冻系统递送至该负载的至少一热传递表面，及经由该次级冷冻系统的一第二信道将该次级致冷剂递送至该至少一热交换器。该方法可进一步包含控制至少基于递送至该负载的该主致冷剂的该压力而提供该可变冷冻容量至该负载。该方法可进一步包含；控制该主压缩机的一高压、一低压及一压力差中的至少一者；控制一热量来源以供应待递送至该主致冷剂的热量；控制一可调整节流阀的操作；控制该主致冷剂的流动以绕过该至少一热交换器的至少一部分；控制该主致冷剂的流动以绕过该主冷冻系统的至少一部分；控制该主致冷剂的流动的一速率；控制该次级致冷剂的流动的一速率；控制该次级冷冻系统的一设定点温度；控制一热量来源以供应待递送至该次级致冷剂的热量；控制该次级冷冻系统的一次级压缩机的一速度；控制该次级致冷剂的流动以绕过该次级冷冻系统的至少一部分；控制该主致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热；及/或控制该次级致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热。

在另外的相关实施例中，该方法可包含经由通到该绝缘外壳外的一传递管线将在该低压下的该致冷剂递送至该负载，及经由该传递管线将该致冷剂自该负载传回至该绝缘外壳。该负载可在该绝缘外壳内。该负载可包含以下各者中的至少一者：一半导体基板、一用于低温分离的流体串流、一待液化的气体、一生物样本、一化学制程、材料性质分析设备、一水蒸气闸、一制造程序中的一物品、一成像装置、一亚原子粒子侦测器、一光子侦测器、化学分析设备、一超导缆线，及一超导装置。该方法可进一步包含将待冷却的一对象或流体自该负载的一热传递表面移动至该负载的另一部分。

附图说明

前述内容将根据本发明的如在随附图式中所说明的实例实施例的以下更特定描述而为显而易见的，在随附图式中，贯穿不同视图相同参考字符指代相同部件。图式未必按比例，实情为着重点在于说明本发明的实施例。

图1为根据本发明的一实施例的冷却系统的示意图。

图2为根据本发明的一实施例的氮的热循环的图。

图3为根据本发明的一实施例的将第二级低温冷冻机用作低温泵的冷却系统的示意图。

图4为根据本发明的一实施例的高输贯量冷却系统的示意图。

图5为根据本发明的一实施例的高输贯量冷却系统（其中绝缘外壳整合至混合气体冷冻系统中）的示意图。

具体实施方式

下文描述本发明的实例实施例。

根据本发明的一实施例，提供一种封闭循环低温冷却来源以提供供用于单晶圆高输贯量离子植入器中的低温离子植入的解决方案。另外，根据本发明的一实施例可用以在广泛多种其他可能的应用中提供冷却，诸如用以冷却流体串流以用于低温分离、用以使气体液化，用以提供生物冷冻器的冷却，控制化学制程的反应速率、用以提供物质性质分析设备的冷却、用以捕集水蒸气以在真空制程中产生低蒸气压力，用以在制造程序（诸如，半导体晶圆处理及检验）中冷却物品，用以冷却成像装置及其他检测仪表、亚原子粒子及光子侦测器，用以冷却化学分析设备，及用以冷却超导缆线及装置。应了解，可在其他冷却应用中使用该系统。

图1为根据本发明的一实施例的冷却系统100的示意图。在图1的实施例中，系统100使用低温冷冻机101/102/103以冷却再循环致冷剂（诸如，氮串流104）。参看图2的热力图，在图2中对图1的组件使用并行编号，在复热式热交换器105（其可替代地实施为两个单独热交换器）的第一部分105a及第二部分105b中使氮预冷却（205a/b），使用低温冷冻机101/102/103使氮冷凝（206），使用膨胀单元107使氮膨胀（207）（可藉由低温冷冻机101/102/103及/或藉由膨胀单元107使冷冻剂的至少一部分自气态改变至液态），且将氮提供（208）至负载108，在负载108处氮沸腾，提取热量而使负载108冷却，且氮以气体形式传回至系统。所传回的氮透过经由复热式热交换器105a/b传回（205a/b）而变热，同时藉由复热式热交换器105a/b内的传回串流与传入串流之间的热交换而使传入串流预冷却（205a/b）。氮接着传回而在压缩机封装109中被再压缩（209）。系统100可用于将冷却提供至用于半导体制造程序期间的离子植入中的晶圆夹盘，以及用于上文所提及的其他应用。

在图1的实施例中，系统包括一低温冷冻系统101/102/103、一氮压缩机109、一绝缘外壳110（其中发生自冷冻机101/102/103至再循环氮串流104的热传递）、阀门组、流量控制、压力控制、安全控制、系统控制及纯化（全部皆在下文中被进一步论述）。该系统可使用氩、氙、氪、另一纯致冷剂、混合致冷剂，或包含在比用于冷冻机101/102/103中的致冷剂的沸点高的温度下沸腾的致冷剂组份的任何致冷剂（诸如，氮及/或氩）的串流，而非使用再循环氮串流104。应了解，如本文中所使用的「致冷剂（refrigerant）」可为气相与液相的混合物，且气体对液体的比可在冷冻循环期间改变。低温冷冻系统101/102/103将氦用作穿过执行Gifford-McMahon（GM）冷冻循环的一或多个冷冻机101/102/103的致冷剂。或者，可使用具有单一或混合致冷剂的逆布瑞顿(Brayton)循环、史特林(Stirling)循环或焦耳汤姆生(Joule-Thomson)膨胀循环来提供冷冻101/102/103。低温冷冻系统101/102/103可使用包含另一冷沸致冷剂组份（诸如，氖）的致冷剂而非氦。一实施例使用可为串行或并行的多个冷冻机101/102/103，但单一冷冻机亦为可能的。

在图1的实施例中，氮压缩机109使用经修改用于压缩干燥气体的气密型转叶泵；然而，亦可使用涡卷式泵或任何其他类型的泵。该泵可在可变速度下操作。或者，可使用恒定速度泵。为了管理压缩的热量，可在藉由压缩机109压缩之前或在藉由压缩机109压缩期间将油注入至氮串流中。接着经由由玻璃纤维的致密封装及具有活化炭的室温吸附器组成的油分离器135自氮串流移除此油。

在图1的实施例中，经由在将低于室温的组件周围建立低压或真空封闭区而达成绝缘外壳110。可藉由涡轮分子泵111并辅之以隔膜低真空泵112来提供绝缘真空，但亦可经由低温泵而建立绝缘真空。举例而言，第二级低温冷冻机313（见图3）或另一低温冷冻机可用作低温泵以在外壳110内建立真空。亦藉由使用对绝缘外壳110的真空空间开放的硬质传递管线、真空夹层卡口式配件，或藉由沿着传递管线114的单独密封真空空间（其经主动泵汲或最初达到低压且经密封）而沿着将液态氮载运至待冷却的负载108的热隔离传递管线114使用绝缘真空。亦可经由其他绝缘系统（诸如，冷组件周围的发泡体）达成绝缘。

在图1的实施例中，经由自冷冻机101/102/103至铜块（管状热交换器卷绕在铜块周围）的直接热传导达成自氮至低温冷冻机101/102/103中的热传递。该铜块可为冷冻机的部分，或可以允许实现热传导的方式接合至冷冻机。铜块可具有螺旋状扇形槽以支撑管，管被硬焊在适当位置以使热传递最大化。或者，可使用一侧上为平面的D形管。管具有平滑内径，但可将内部鳍状物、槽或粗糙饰面用以增加内部表面积且改良热传递。

在图1的实施例中，阀门组包含两个隔离阀115/116，一隔离阀115在将液态氮供应至负载的管在线及一隔离阀116在使沸腾的氮传回的管在线；及一旁路阀117，旁路阀117允许在不将液态氮发送至负载108的情况下使液态氮循环。阀门组115/116/117允许在将冷冻施加至负载108之前可使系统预冷却至操作温度且在负载108处不需要冷冻的时间周期期间可使系统维持于低温的操作模式。该等阀可具有使自该等阀至外部环境的热泄漏最小化的热隔离致动装置，该等热隔离致动装置为手动的、气动的或电动的。在存在或不存在断流器的情况下经由薄壁管达成热隔离，断流器可进一步减少阀体与致动装置之间的横截面积。亦可经由使用具有低导热性的材料来达成热隔离。

在图1的实施例中，可经由使用毛细管107达成流量控制，将毛细管107针对系统的温度、压力、液态饱和的百分比及所要流量而明确地设定大小。将毛细管107置于冷冻机101/102/103与将液态氮供应至负载的管线114之间，但在系统中的位置可变化。流量控制的替代方法包括在压缩机109与热的热交换器105之间的孔口中切换的热节流阀或其他膨胀阀、具有可变流动面积的阀、弹簧偏差的阀，或藉由变化压缩机109的速度而进行。

在图1的实施例中，可使正制造的半导体装置预冷却以减少在静电夹盘处的所需冷却致冷剂。举例而言，流动管线（图中未示）可将氮自氮回路104中的位置分流至预冷却腔室（图中未示）。

在图1的实施例中，藉由氮来源与氮压缩机的传回侧之间的压力调节器118、高侧压力控制阀119、旁路调节器120及压缩机109的速度来提供压力控制。压力调节器118允许提取来自氮来源的气体，以补偿气态氮与液态氮之间的体积差且在氮被冷凝时维持压力，且因此控制氮压缩机的传回侧的最小压力。氮来源可来自高压缸（半导体制造工厂中的氮来源设施）或本地氮产生器。将压力调节器118设定至恒定值，但亦可藉由压力控制单元136主动控制压力调节器118以修改流至系统中的气体，此将允许在将冷冻施加至负载108时的温度动态地变化。当系统中的氮沸腾时（在增加负载的条件下或在系统正被关闭时），高侧压力控制阀119限制供应侧压力。旁路调节器120置于氮压缩机109的高压侧与低压侧之间，且控制压缩机109所需的电力，且与高侧压力控制阀119协同控制压缩机109的传回侧的最大压力。压缩机速度及压力调节器设置界定压缩机109的供应侧的最小压力。压缩机109的速度可为变化的。或者，压缩机109的速度可为恒定的。

在图1的实施例中，经由氮管线及绝缘外壳110上的释压阀119/121/122/123/124及压缩机109上的释压阀、氮串流上的隔离阀125/126及热传感器137提供安全控制。氮管在线的释压阀119/121/122/124安装于可经由该等阀的操作或自压缩机109载运氮至绝缘外壳110的管线的断开而潜在地被隔离的任何体积上。设定真空空间110上的释压阀123的大小以防止在外壳110内的氮管线断裂及氮后续沸腾的情况下对外壳110的过度加压。氮串流上的隔离阀125由绝缘外壳110上的压力计127控制。若量计127感测到高压（诸如，超出1微米），则量计127上的替续器脱扣，从而切断至通常为关闭组态的隔离阀125的电力且隔离阀125因此关闭。此防止在氮管线断裂或真空泄漏（其将导致氮管线中的液态氮蒸发）的状况下来自供应来源的氮继续进入外壳110中。热传感器137监视离开绝缘外壳110以传回至压缩机109的氮的温度，且将在温度低到足以产生触摸危险时停止冷冻机101/102/103的操作（或减少由冷冻机101/102/103提供的冷冻）。

在图1的实施例中，系统控制单元139包括一或多个控制单元，该一或多个控制单元经组态以调整可用以避免使系统过度冷却或冷却不足的冷冻电力的量，从而允许该系统将适当量的冷冻提供至负载108，而不产生危险情形。下文中论述由系统控制单元139所实施的控制单元的另外操作。应了解，系统控制单元139电连接至本文中所论述的各种传感器及装置，包括传感器130、131、133、137、小加热器132、压缩机109及128，及控制如本文中所描述的系统的操作所必需的其他传感器及装置。系统控制单元139包括适当电子硬件，包括用以实施本文中所描述的控制技术的特殊程序化的微处理器或其他特殊程序化的电子设备。另外，应了解，在本文中论述「控制单元（control unit）」之处，可（诸如）藉由系统控制单元139的微处理器或其他电子硬件的次例程或子组件将控制单元实施为系统控制单元139的子单元。为了防止过度冷却或冷却不足，系统控制单元139调整低温冷冻机101/102/103及/或氦压缩机128的速度，及/或关断冷冻机单元101/102/103中的一或多者。此导致至负载108的呈液相而非气相的流的百分比的改变。在正常操作中（亦即，并不过度冷却或冷却不足），允许冷冻机101/102/103在不同速度下运作，但亦可约束冷冻机101/102/103皆在同一速度下运作以平衡跨越所有冷冻机的冷冻负载。亦应了解，低温冷冻机101/102/103中的一或多者可具有不同大小或不同冷冻类型，或所有低温冷冻机可具有相同大小及冷冻类型。另外，控制单元可提供低温冷冻机101/102/103的控制参数（诸如，最大或最小冷冻机速度）（低温冷冻机必须按照该等控制参数运作），同时允许低温冷冻机在最大及最小参数的范围内执行区域控制（使用一或多个板上本地处理器）。另外，控制单元可直接控制冷冻机101/102/103的设定点温度，而非直接控制该等冷冻机的速度。可将冷冻机101/102/103控制成具有不同的设定点温度。

在图1的实施例中，存在调整可用冷冻的其他选项。举例而言，可变加热器140可用以减少由在恒定或可变速度下运作的低温冷冻机101/102/103施加的冷冻量。另一方法将为使用阀以将氮流导引在传回侧热交换器105b周围，从而防止或允许在氮到达低温冷冻机101/102/103之前对传入的氮的预冷却。亦可将流的一部分导引至系统中的较热表面以减少施加至负载108的冷冻。亦可藉由使用可变速度压缩机109改变氮串流中的流或藉由接通及关断恒定速度压缩机而使流脉冲化来调整可用冷冻。

在图1的实施例中，为了使系统控制为有效的，系统可能能够侦测冷冻不足及过度冷冻两个条件。可藉由使用压力传感器130量测氮回路的传回管在线的压力而进行冷冻不足的侦测（压力传感器130判定液态氮的沸点），接着计算液态氮的沸点。接着比较来自传回管在线的温度传感器131的数据与所计算的值。若所量测的温度比所计算的温度高出默认温度差以上，则其为系统并不自负载108传回液态氮或近液氮且可利用更多冷冻的指示。接着命令冷冻机101/102/103经由（诸如）增加其速度的手段而增加其可用冷冻。亦可经由其他手段达成冷冻不足条件的侦测，其他手段诸如，热动力系统的完整模型及比较系统参数（诸如，入口及出口温度、入口及出口压力，及流量）。另一方法为使用温度传感器131监视传回温度，且在传回温度达到假定饱和温度点时，接通温度传感器131下游的小加热器132。接着监视小加热器132下游的第二温度传感器133来查看少量的热的添加是否会提升氮的温度。若会，则氮串流超过设定的过热位准，且需要更多冷冻。

在图1的实施例中，出于安全及潜在能量效率原因，对过度冷冻的侦测为重要的。可藉由查看经由复热式热交换器105a/b的中间点处的温度或者在任一末端处的温度来监视过度冷冻。若此温度下降为低于默认位准，则系统调整以减少可用冷冻。次级控制热传感器137监视离开热交换器105a/b且传回至压缩机109的氮的温度。若此值下降为低于被视为触摸危险的温度，则所有冷冻机101/102/103由安全控制单元138停用，且系统操作被封锁。另一方法为使用温度传感器131监视传回温度，且在传回温度达到假定饱和温度点时，接通温度传感器131所在的点116下游的小加热器132。接着监视小加热器132下游的第二温度传感器133来查看少量热的添加是否会提升氮的温度。提升温度所需的热的量的量值为是否存在过度冷冻的指示符。另外，在特定位置处（诸如，在负载处）的温度可用于增加或减小对负载的冷冻的回馈控制。可藉由减少由冷冻机101/102/103所产生的冷冻及/或藉由经由旁路阀117将来自负载的流分流而实现减小对负载的冷冻。

另外，在根据本发明的存在致冷剂的二相流（亦即，致冷剂包括液相及气相）的一实施例中，系统控制单元139可使用关于进入负载的致冷剂的压力（亦即，至负载的致冷剂入口压力）的信息调节负载的温度，且无需接收温度回馈。此由于二相混合物的压力/温度关系而为可能的。在一实施例中，负载的入口压力及下游温度两者可用以准许系统控制单元139调节负载的温度；在另一实施例中，仅可使用入口压力。在本文中将控制技术描述为系基于一或多个温度的情况下，因此亦可使用基于压力及温度或仅基于压力的类似技术。

在图1的实施例中，可经由几种方法确保系统中的再循环氮的纯度。首先，使来自系统外部的氮供应的来源的气体通过使用加热或未加热的集气材料以移除杂质的净化器134。在氮压缩机109内，经由由玻璃纤维的致密封装及具有活化炭的室温吸附器所组成的油分离器135移除引入至氮串流中的油，油分离器135亦移除水及其他气体污染物。最后，使氮串流通过绝缘外壳110内的冷吸附器129。在使用系统时亦注意减少污染物的引入。隔离阀126可允许将室温或加热的氮引入至系统中以使负载变热，且压力调节器118可用以确保在氮串流内总是维持正压。

图4为根据本发明的一实施例的高输贯量冷却系统400的示意图。在图4的实施例中，系统400使用双信道混合气体致冷剂系统441以准许除了冷却再循环致冷剂（诸如，氮串流404）以外亦准许待冷却的基板的预冷却。冷却系统400包括混合气体致冷剂系统441、氮再循环压缩机409、绝缘外壳410，及电接口控制箱442。电接口控制箱442可与用于控制混合气体冷冻系统441的电子设备分离或与用于控制混合气体冷冻系统441的电子设备成一体。在绝缘外壳410中，发生自混合气体冷冻系统441至再循环氮串流404的热传递。图4的实施例中的绝缘外壳410含有发泡体绝缘，但可改为使用如在图1的实施例中的真空绝缘。绝缘外壳410可包括下文所论述的为绝缘的冷组件，而氮压缩机409位于绝缘外壳410外部且处于较热温度（诸如，室温）下。

在图4的实施例中，混合气体冷冻系统441的第一信道443使混合气体致冷剂循环至预冷却设备，（例如）以使被制造的半导体装置预冷却以便减少静电夹盘处的所需冷却致冷剂。在图4中，第一通道443包括用以将混合气体致冷剂载运至预冷却设备的第一通道混合气体致冷剂供应管线444，及用以使来自预冷却设备的混合气体致冷剂传回的第一通道混合气体致冷剂传回管线445。预冷却设备可（例如）包括预冷却低温接口模块446，预冷却低温接口模块446使一或多个预冷却腔室447、448中的热传递表面冷却；或混合气体致冷剂可直接循环至预冷却腔室447、448中的热传递表面。另外，混合气体致冷剂可循环至负载中的任何热传递表面，该负载可能为或可能不为预冷却设备且与是否使用预冷却设备无关。另外，根据本发明的一实施例可用以在两个不同温度下使两个不同负载冷却（包括在负载中的一者并非另一负载的预冷却腔室的情况下）。除了诸如本文中所论述的半导体基板的负载以外，可藉由根据本发明的实施例使任何其他负载冷却。举例而言，负载可包括用于低温分离的流体串流、待液化的气体、生物冷冻器或其他生物样本、化学程序、材料性质分析设备、针对真空制程的水蒸气闸、制造程序中的物品、成像装置或其他检测仪表、亚原子粒子或光子侦测器、化学分析设备，或超导缆线或装置。可使其他负载冷却。

根据本发明的一实施例，预冷却腔室447、448可（例如）用以使半导体基板冷却至在自约-40℃至约-100℃的范围中的温度，在此的后，可将基板传递至静电夹盘449，于是对基板执行离子植入或其他制程。根据本发明的一实施例，自绝缘外壳（诸如，110及410）所引导的氮可（例如）用以达成自约-80℃至约-250℃的目标温度（诸如，自约-150℃至约-190℃），目标温度可能为在冷衬垫低温接口模块465、压板466、静电夹盘449或负载处的另一位置处的温度。藉由对预冷却腔室447、448中的半导体基板的预冷却，根据本发明的一实施例准许半导体制造设备的较高输贯速率，此系因为当已在预冷却腔室447、448中预冷却基板时，在静电夹盘449处半导体基板需要较少的时间而冷却至所要低温。

在图4的实施例中，混合气体冷冻系统441的第二信道450经由绝缘外壳410内所含有的热交换器而使混合气体致冷剂循环，以便自单独氮回路404移除通过相同热交换器的单独通道的热量。在图4的实施例中，氮回路404可基本上使贯穿封闭回路404的处于气态的所有氮循环，但可使液体与气体的混合物循环（如上文针对图1的实施例所描述）。在氮回路404中，藉由氮压缩机409压缩氮，且经由氮供应管线451将氮递送至第一热交换器452的一侧，氮自第一热交换器452的该侧流至第二热交换器453的一侧。在第一热交换器452及第二热交换器453中，藉由自负载传回的氮使氮冷却。在第二热交换器453的后，氮流经可选加热器454至第三热交换器455的一侧，氮自第三热交换器455的该侧流至第四热交换器456的一侧。在第三热交换器455及第四热交换器456中，藉由流经第三热交换器455的另一侧及第四热交换器456的另一侧的混合气体致冷剂（来自混合气体冷冻系统441）使氮冷却。氮离开第四热交换器456，流经吸附器457以移除杂质，且经由膨胀单元（诸如，毛细管458或节流阀）而膨胀。膨胀单元用以调节氮的流动以及用以提供经由气体膨胀效应的额外冷却。在膨胀的后，氮经由氮管线459离开绝缘外壳410以使负载冷却，且经由传回管线460自负载传回至绝缘外壳410。将传回氮提供至第二热交换器453的另一侧，且自第二热交换器453的该另一侧将氮提供至第一热交换器452的另一侧，以便使氮变热且使第一热交换器452及第二热交换器453中的传入的氮串流冷却。自第一热交换器452，氮经由传回管线461传回至压缩机409而被压缩。

以此方式，在图4的实施例中，前两个热交换器452、453用于来自负载的冷氮气传回460与自氮压缩机409进入绝缘外壳410的供应气体451之间的复热式热交换。第三热交换器455及第四热交换器456用以在混合气体致冷剂（来自混合气体致冷剂系统441的第二信道450）与已离开前两个热交换器的氮气之间传递热。藉由混合气体冷冻系统441的第二信道450的混合气体供应管线462将混合气体致冷剂供应至第四热交换器456，使混合气体致冷剂流经第四热交换器456及第三热交换器455中的每一者的一侧，且混合气体致冷剂藉由第二通道450的混合气体传回管线463自第四热交换器456及第三热交换器455中的每一者的一侧传回至混合气体冷冻系统441。加热器454可用以防止混合气体致冷剂在热交换器455、456中冻结。

在图4的实施例中，可控制氮压缩机409的供应侧与传回侧之间的压力差（例如，氮供应管线451与氮传回管线461之间的压力差）以便在氮通过毛细管458时达成所要氮流动速率及膨胀位准。另外，电子反相器464可用以减少压缩机409的速度，以便减少离开压缩机409的氮流动速率。

在图4的实施例中，阀415/416/417可以与上文针对图1的阀115/116/117所描述的方式类似的方式使用。详言的，阀门组可包含两个阀415/416，一阀415在将氮供应至负载的管在线及一阀416在使氮自负载传回的管在线；及一旁路阀417，旁路阀417允许在不将氮发送至负载的情况下使氮循环。阀门组415/416/417允许在将冷却施加至负载之前可使系统预冷却至操作温度且在负载处不需要冷却的时间周期期间可使系统维持处于低温的操作模式。阀门415/416/417在绝缘外壳410未经真空绝缘时无需为真空阀，但在使用真空绝缘时，阀门415/416/417可能为真空阀。

针对半导体制造或其他应用，图4的实施例400可用以与由最终使用者所操作的设备介接。举例而言，客户设备可包括冷衬垫低温接口模块465、压板466、静电夹盘449、预冷却低温接口模块446及一或多个预冷却腔室447、448中的一者或全部。离开绝缘外壳410的氮管线459及传回至绝缘外壳410的氮管线460可与此客户设备连接，混合气体致冷剂供应管线444及混合气体致冷剂传回管线445亦可如此。客户设备可（例如）包括图4的部分467中所展示的设备。

在图4的实施例中，电接口控制箱442在客户设备467、混合气体冷冻系统441与绝缘外壳410内的系统之间提供电接口。电接口控制箱442可（例如）使以下各者中的一或多者或关于此等组件的状态的其他电信号作为输入或输出：指示远程位置（诸如，预冷却腔室447、448）处的温度的输入电子信号；指示远程位置（诸如，静电夹盘449或压板466）的温度控制设定点的输入电子信号；指示冷却剂是否将自混合气体冷冻系统441的第一信道443流动的输入电子信号；指示是否冷却剂将自混合气体冷冻系统441的第二信道450流动的输入电子信号；指示在混合气体冷冻系统441的第一信道443处准备好冷却的输出电子信号；指示在混合气体冷冻系统441的第二信道450处准备好冷却的输出电子信号；指示管线459中的供应氮及管线460中的传回氮的温度的输出电信号；指示混合气体致冷剂供应管线462及混合气体致冷剂传回管线463的温度的输出电信号；指示混合气体冷冻系统441的回馈的输出电信号；指示氮回路404中的一或多者或混合气体冷冻系统441的任一信道的疵点的输出电信号；指示冷源通电的输出电信号。电接口控制箱442可用以提供一或多个系统或子系统的电控制，（例如）以控制混合气体冷冻系统441的第一信道443的操作，以使得在远程点（诸如，在预冷却腔室447及448中的一或多者处）维持指定温度。举例而言，电接口控制箱442可启动及休止混合气体冷冻系统441的第一信道443的操作以便控制此远程位置处的温度。除了电接口控制箱442以外，图4的实施例亦包括另一系统控制单元439，系统控制单元439可为与电接口控制箱442连接的单独单元或可与电接口控制箱442整合。系统控制单元439包括一或多个控制单元，该一或多个控制单元经组态以调整可用以避免使系统过度冷却或冷却不足的冷冻电力的量，从而允许系统将适当的冷冻量提供至负载（包括（例如）预冷却设备446/447/448及冷衬垫低温接口模块465两者），而不产生危险情形。下文中论述由系统控制单元439所实施的控制单元的另外操作。应了解，系统控制单元439电连接至本文中所论述的各种传感器及装置，包括加热器454、压缩机409、阀415/416/417，及控制如本文中所描述的系统的操作所必需的其他传感器及装置。系统控制单元439包括适当电子硬件，包括用以实施本文中所描述的控制技术的特殊程序化的微处理器或其他特殊程序化的电子设备。另外，应了解，在本文中论述「控制单元（controlunit）」的情况下，可（诸如）藉由系统控制单元439的微处理器或其他电子硬件的次例程或子组件将控制单元实施为系统控制单元439的子单元。

在图4的实施例中，系统控制单元439控制至负载的递送温度，负载包括（例如）预冷却设备446/447/448、冷衬垫低温接口模块465、压板466及静电夹盘449中的任一者或全部。为了控制氮回路404的操作以控制此等递送温度，可单独或组合地使用几种不同的可能技术。在每一状况下，系统控制单元439可藉由自一或多个温度传感器（图中未示）接收电子信号而接收负载中的远程位置处的一或多个温度的读数，且作为响应，可经由自为达成此等目的而使用的一或多个控制单元至一或多个装置的电子信号而控制该等装置的操作。因此，系统控制单元439可实施回馈回路以控制至负载的递送温度。控制可为连续的且为封闭回路，或者，控制可为开放回路且无需为连续的。另外，在根据本发明的存在致冷剂的二相流（亦即，致冷剂包括液相及气相）的实施例中，系统控制单元439可使用关于进入负载的致冷剂的压力（亦即，至负载的致冷剂入口压力）的信息调节负载的温度，且无需接收温度回馈。此由于二相混合物的压力/温度关系而为可能的。在一实施例中，负载的入口压力及下游温度两者可用以准许系统控制单元139调节负载的温度；在另一实施例中，仅可使用入口压力。在本文中将控制技术描述为系基于一或多个温度的情况下，因此亦可使用基于压力及温度或仅基于压力的类似技术。

在由系统控制单元439进行控制的一实例中，在图4的实施例中，可由系统控制单元439响应于负载中的一或多个远程位置处的一或多个温度而控制来自氮压缩机409的排出速率。氮压缩机409的速度可为变化的，或氮压缩机409可由系统控制单元439接通及关断。系统控制单元439可控制氮压缩机409的高压（供应压力），例如，氮供应管线451处的压力。另外，系统控制单元439可控制氮压缩机409的低压（传回压力），例如，氮传回管线461处的压力。另外，系统控制单元439可控制氮压缩机409的高压与低压之间的压力差；或可控制氮压缩机409的压力差、高压及低压中的两者或两者以上。系统控制单元439可（例如）使用至加热器454、另一加热器或另一热源的电子信号控制供应至流动氮回路404的热量。系统控制单元439可使用电子信号以控制将代替毛细管458而使用的可调整节流阀。系统控制单元439可使用电子信号以经由氮回路404中的热气旁路（图中未示）而切换流（例如，藉由将电子信号提供至一或多个阀），（例如）以引导氮的流绕过热交换器452、453、455、456中的一或多者的一些部分（或全部），从而导致氮的冷却回路短路。系统控制单元439可使用电子信号以经由来自氮回路404中的任何位置（例如，来自压缩机409、来自室温部分或来自氮回路404的另一热部分）的旁路（图中未示）而切换流（例如，藉由将电子信号提供至一或多个阀），以将热气提供至负载中的位置（诸如，压板466及/或静电夹盘449），以便使此位置迅速变热以供维护。系统控制单元439可使用电子信号以经由氮回路404中的任何地方的旁路（图中未示）而切换流（例如，藉由将电子信号提供至一或多个阀），此使得来自氮回路404的较热区段（例如，氮回路404的室温部分）的热气与氮回路404的下游较冷区段混合。在流绕过的状况下，系统控制单元439可使用电子信号以控制阀（图中未示）以进行接通/关断操作、成比例的操作、或节流操作。

在图4的实施例中，由系统控制单元439所实施的控制技术的部分或全部可为执行对产生至负载的所要递送温度所需的旁路混合或接通/关断时间的计算，而非（或额外地）基于所要温度的读数的连续回馈而执行该温度的连续调节。另外，系统控制单元439可基于压力及阀位置执行关于需要多少混合或接通/关断时间的计算，而非（或额外地）执行其他类型的控制。

在图4的实施例中，为了控制氮回路404的操作及/或为了控制混合气体冷冻系统441的操作以便控制至负载（诸如，预冷却设备446/447/448、冷衬垫低温接口模块465、压板466及/或静电夹盘449）的递送温度，可单独或组合地使用几种另外不同的可能技术。系统控制单元439可藉由将电子信号提供至一或多个阀（该等阀可能为成比例阀或接通/关断阀）而控制混合气体冷冻系统441或氮回路404中的任一者或两者的致冷剂流动速率。举例而言，此等阀可位于混合气体冷冻系统441的第一信道443及第二信道450中的任一者或两者的供应输出444、462处或氮供应管线451或459处。系统控制单元439可改变混合气体冷冻系统441的设定点温度。系统控制单元439可控制一或多个加热器以加热混合气体致冷剂或氮回路中的一或多者。系统控制单元439可调节混合气体冷冻系统441的压缩机的速度。系统控制单元439可控制（例如，使用一或多个阀）经由自混合气体冷冻系统441的较热区段（诸如，级联系统中的较热热交换器，或诸如，混合气体冷冻系统441的室温部分）至系统400的较冷部分的旁路管线的流动。系统控制单元439可使用电子信号以切换（例如，藉由将电子信号提供至一或多个阀）经由来自混合气体冷冻系统441中的位置（诸如，系统441的除霜回路（图中未示））的旁路（图中未示）的流，以将热气提供至负载中的位置（诸如，预冷却设备446/447/448），以便使此位置迅速变热以供维护。

在与图4的实施例类似的另一实施例中，混合气体冷冻系统441的第一信道443与氮供应管线459及氮传回管线460两者可用以改良冷衬垫低温接口模块465、压板466及/或静电夹盘449的冷却时间。可藉由具有自第一通道443的混合气体致冷剂供应管线444及混合气体致冷剂传回管线445至冷衬垫低温接口模块465的单独旁路管线（图中未示）而进行此。

图4的实施例可包括用于以与上文针对图1所描述的方式类似的方式侦测冷冻不足及过度冷冻的装置。系统可使用氩、氙、氪、氦、另一纯致冷剂或混合致冷剂的串流，而非再循环氮串流404。可使用与上文针对图1所论述的类似类型的压缩机。可使用与上文针对图1所描述的彼等技术类似的热传导技术执行自混合气体致冷剂管线462/463至热交换器455、456的热传递。可使用如上文针对图1所论述的流动控制的类似方法。可使用与上文针对图1的氮压缩机109所论述者类似的压力控制方法。可使用与上文针对图1所论述者类似的安全控制，但在不使用绝缘外壳410的真空绝缘时，一些安全控制可能为不必要的。可使用与上文针对图1所论述者类似的致冷剂纯度控制技术。根据本发明的一实施例，诸如逆布瑞顿(Brayton)的替代冷冻可用以将冷却致冷剂提供至系统的两个信道。另外，所需的热交换器的数目可视冷却要求及热交换器设计而变化。

图5为根据本发明的一实施例的高输贯量冷却系统500的示意图，该实施例与图4的实施例类似，除了绝缘外壳510整合至混合气体冷冻系统541中的外。热交换器552、553、555及556、毛细管558、加热器554、吸附器557、阀515/516/517皆位于混合气体冷冻系统541中的外壳510内。氮供应管线551及氮传回管线561馈入至混合气体冷冻系统541内的外壳510中；且至负载的氮管线559及来自负载的氮管线560自混合气体冷冻系统541馈入至负载。在562处供应混合气体以使来自混合气体供应管线的氮回路在混合气体冷冻系统541内冷却，且在563处混合气体在已使氮回路冷却后传回。第一信道543以与图4的操作方式类似的方式操作，第一信道543使用混合气体管线544及545以将混合气体致冷剂供应至客户预冷却设备546及/或547/548及使混合气体致冷剂自客户预冷却设备546及/或547/548传回。在混合气体冷冻系统541中不需要离开混合气体冷冻系统541的第二信道（如图4的第二通道450），此系因为混合气体管线562及563被引导至混合气体冷冻系统541内的氮回路。电控制箱542、氮压缩机509及反相器564可位于混合气体冷冻系统541外部。客户设备567可包括预冷却低温接口模块546、冷衬垫低温接口模块565、一或多个预冷却腔室547及548、静电夹盘549，及压板566。在其他方面，操作可与图4的实施例的操作类似。

根据本发明的一实施例，混合气体冷冻系统可（例如）为自动冷冻级联系统，且可包括混合气体冷冻程序中的多个热交换器及一或多个相分离器。另外，混合气体冷冻系统可包括：分支供应管线，分支供应管线将混合致冷剂供应递送至混合致冷剂供应管线444及462（见图4）中的每一者；及分支传回管线，分支传回管线自混合致冷剂传回管线445及463（见图4）中的每一者接收传回混合致冷剂。另外，在图4及图5的实施例中，可使用其他类型的冷冻系统来代替混合气体冷冻系统。举例而言，可使用逆布瑞顿(Brayton)循环或其他冷冻系统；且逆布瑞顿循环或其他冷冻系统可能包括以与图4的供应管线444、462及传回管线445、463类似的方式起作用的分支的供应管线及传回管线。另外，可改为由两个单独混合气体冷冻系统或两个单独的其他类型的冷冻系统实施混合气体冷冻系统441的两个信道443及450。

根据本发明的一实施例，在本文中论述热交换器之处，可视所需的系统效率而使用不同数目个此等热交换器。

根据本发明的一实施例的冷却系统可在各种模式下操作。举例而言，操作模式可包括稳态操作；待用（或旁路）操作；起动（自室温初始冷却）；及关闭（出于维护或其他原因，自操作温度加温至室温的时间）。举例而言，可由系统控制单元139或439控制此等操作模式。

根据本发明的一实施例，系统可用以使绝缘外壳（诸如，绝缘外壳410）内部的负载冷却，而非使用传递管线将致冷剂传递到绝缘外壳外部。举例而言，此实施例在生物样本被冷却或冻结时可为有用的，但此实施例亦可与其他负载一起使用。另外，根据本发明的一实施例可包含将待冷却的基板或其他对象或流体自负载的预冷却腔室或其他热传递表面移动至负载的另一部分（诸如，处理腔室）。

如本文中所使用，术语「低温（cryogenic）」指代在233K与23K（-40℃与-250℃）之间的温度范围。

本文中所引用的全部专利、公开申请案及参考文献的教示的全部内容以引用的方式并入本文中。

虽然已参考本发明的实例实施例而特别展示并描述本发明，但熟习此项技术者应理解，可在不脱离由附加申请专利范围所涵盖的本发明的范畴的情况下在本文中进行形式及细节的各种改变。

Claims (105)

1.一种用于使负载冷却的系统，该系统包含：

封闭回路主冷冻系统，包含

主压缩机，该主压缩机接受在低压下的主致冷剂及排出在高压下的该主致冷剂；

绝缘外壳，包含自该主压缩机接收在该高压下的该主致冷剂的入口及将在该低压下的该主致冷剂传回至该主压缩机的出口；

该绝缘外壳内的至少一热交换器，接收在该高压下的该主致冷剂且使用来自一次级冷冻系统的一次级致冷剂使该主致冷剂冷却，在该至少一热交换器中，该次级致冷剂与该主致冷剂成热交换关系；

该绝缘外壳内的膨胀单元，接收来自该至少一热交换器的在该高压下的该主致冷剂及排出在该低压下的该主致冷剂；

将在该低压下的该主致冷剂递送至该负载的供应管线及将该主致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统的传回管线；

该次级冷冻系统，其中该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机；及

系统控制单元，控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的该主致冷剂的压力，及该负载的至少一温度。

2.如权利要求1的系统，其中该负载的该至少一温度包含自约-80℃至约-250℃的温度。

3.如权利要求1的系统，其中该次级冷冻系统包含将冷却递送至该负载的至少一热传递表面的第一通道及将该次级致冷剂递送至该至少一热交换器的第二通道。

4.如权利要求3的系统，其中该至少一热传递表面传递热量以使该负载的至少一部分冷却至在自约-40℃至约-100℃的范围中的温度。

5.如权利要求3的系统，其中该至少一热传递表面包含用以收纳待由该负载的系统处理的半导体基板的腔室的至少一部分。

6.如权利要求3的系统，其中该次级冷冻系统包含混合气体冷冻系统。

7.如权利要求6的系统，其中该混合气体冷冻系统包含一个以上热交换器及至少一相分离器。

8.如权利要求1的系统，其中该次级冷冻系统包含逆布瑞顿(Brayton)冷冻系统。

9.如权利要求1的系统，其中该负载包含预冷却低温接口模块、预冷却腔室、冷衬垫低温接口模块、压板、静电夹盘及两个单独负载中的至少一者。

10.如权利要求1的系统，其进一步包含与该负载电子通信的电接口控制单元。

11.如权利要求10的系统，其中该电接口控制单元接收指示该负载的至少一温度的电子信号。

12.如权利要求10的系统，其中该电接口控制单元接收指示该负载的至少一设定点温度的电子信号。

13.如权利要求10的系统，其中该电接口控制单元输出电信号以控制该次级冷冻系统的操作以控制该负载的至少一温度。

14.如权利要求13的系统，其中由该电接口控制单元所控制的该负载的该至少一温度包含该负载的至少一热传递表面的温度。

15.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制至少基于递送至该负载的该主致冷剂的该压力而提供该可变冷冻容量至该负载的控制单元。

16.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该主压缩机的排出速率的控制单元。

17.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该主压缩机的高压、低压及压力差中的至少一者的控制单元。

18.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制热量来源以供应待递送至该主致冷剂的热量的控制单元。

19.如权利要求1的系统，其中该膨胀单元包含可调整节流阀，且其中该系统控制单元包含用以控制该可调整节流阀的操作的控制单元。

20.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该主致冷剂的流动以绕过该至少一热交换器的至少一部分的控制单元。

21.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该主致冷剂的流动以绕过该主冷冻系统的至少一部分的控制单元。

22.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该主致冷剂的流动的速率的控制单元。

23.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该次级致冷剂的流动的速率的控制单元。

24.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该次级冷冻系统的设定点温度的控制单元。

25.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制热量来源以供应待递送至该次级致冷剂的热量的控制单元。

26.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该次级冷冻系统的一次级压缩机的速度的控制单元。

27.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该次级致冷剂的流动以绕过该次级冷冻系统的至少一部分的控制单元。

28.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该主致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热的一控制单元。

29.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该次级致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热的一控制单元。

30.如权利要求1的系统，其中该绝缘外壳整合至该次级冷冻系统的至少一部分中。

31.如权利要求1的系统，其中该至少一热交换器包含冷凝器。

32.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以调整该至少一次级低温冷冻机的该速度的控制单元。

33.如权利要求32的系统，其中该系统控制单元进一步包含用以调整该至少一次级低温冷冻机的至少一次级压缩机的该速度的控制单元。

34.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以关断该至少一次级低温冷冻机中的至少一者的控制单元。

35.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以变化以液相流至该负载的该主致冷剂对以气相流至该负载的该主致冷剂的比例。

36.如权利要求1的系统，该系统包含一个以上次级低温冷冻机，且其中该系统控制单元包含用以控制该一个以上次级低温冷冻机的操作以在彼此不同的速度下运作的控制单元。

37.如权利要求1的系统，该系统包含一个以上次级低温冷冻机，且其中该系统控制单元包含用以控制该一个以上次级低温冷冻机的操作以在彼此相同的速度下运作的控制单元。

38.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以维持该负载的该至少一温度的实质恒定温度。

39.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以将该主致冷剂的至少一部分导引至该系统中的一较热表面以减少施加至该负载的冷冻的控制单元。

40.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以准许该主压缩机的可变速度操作及该主压缩机的脉冲操作中的至少一者的控制单元。

41.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的冷却不足：

基于自该负载所传回的该主致冷剂的所量测压力而判定自该负载所传回的该主致冷剂的所计算的沸点；

比较自该负载所传回的该主致冷剂的所量测温度与该所计算的沸点；及

在该所量测温度比该所计算的沸点高出预定温度差以上时，控制该次级冷冻系统以增加对该负载的可用冷冻。

42.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的冷却不足：

在该负载下游的第一温度传感器处监视自该负载传回的该主致冷剂的温度；

若该第一温度传感器处的该温度已达到预定假定饱和温度点，则控制在该第一温度传感器下游的小加热器以接通；

在该小加热器下游的第二温度传感器处监视该主致冷剂的温度；及

若该接通该小加热器会提升该主致冷剂的该温度，则控制该次级冷冻系统以增加对该负载的可用冷冻。

43.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的过度冷却：

在该负载下游的第一温度传感器处监视自该负载传回的该主致冷剂的温度；

若该第一温度传感器处的该温度已达到预定假定饱和温度点，则控制该第一温度传感器下游的小加热器以接通；

在该小加热器下游的第二温度传感器处监视该主致冷剂的温度；及

若该接通该小加热器会提升该主致冷剂的该温度，则判定由该小加热器所提供的该热量的量值，且基于该量值，判定是否控制该次级冷冻系统以减小对该负载的可用冷冻。

44.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以调整该至少一次级低温冷冻机上的可变加热器的控制单元。

45.如权利要求1的系统，其中该系统控制单元包含用以控制该至少一次级低温冷冻机的设定点温度的控制单元。

46.如权利要求45的系统，其中该系统控制单元控制一个以上次级低温冷冻机以具有彼此不同的设定点温度。

47.如权利要求1的系统，其中该主致冷剂包含氮串流。

48.如权利要求1的系统，其中该主致冷剂包含氩、氙、氪、氦及一混合气体致冷剂中的至少一者。

49.如权利要求1的系统，其中该主致冷剂包含具有比用于该次级冷冻系统中的致冷剂的沸腾温度高的沸腾温度的至少一致冷剂组份。

50.如权利要求49的系统，其中该主致冷剂包含氩、氮、氙及氪中的至少一者，且其中该次级致冷剂包含氦及氖中的至少一者。

51.如权利要求1的系统，其中该主致冷剂包含具有比用于该次级冷冻系统中的至少一致冷剂的沸腾温度低的沸腾温度的致冷剂。

52.如权利要求51的系统，其中该主致冷剂包含氩、氮、氙、氪及氦中的至少一者，且其中该次级致冷剂包含混合气体致冷剂。

53.如权利要求1的系统，其进一步包含复热式热交换器在该绝缘外壳内，且在自该绝缘外壳的该入口流动的在该高压下的该主致冷剂与自该负载所传回的该主致冷剂之间交换热量，该复热式热交换器将在该高压下的该主致冷剂排出至一冷凝器。

54.如权利要求53的系统，其进一步包含旁路阀准许绕过该复热式热交换器，以使得自该绝缘外壳的该入口流动的在该高压下的该主致冷剂并不与自该负载所传回的该主致冷剂交换热量。

55.如权利要求53的系统，其中该系统控制单元藉由以下操作控制该次级冷冻系统的操作以避免对该负载的冷却不足：

监视该复热式热交换器中的一中间点与该复热式热交换器的末端点中的至少一者中的温度；及

若该所监视的温度下降为低于预定温度，则控制该次级冷冻系统以减小对该负载的可用冷冻。

56.如权利要求1的系统，其中该负载包含静电夹盘。

57.如权利要求56的系统，其中该静电夹盘为用以制造半导体装置的离子植入系统的部分。

58.如权利要求57的系统，其进一步包含预冷却腔室，该预冷却腔室用以在由该静电夹盘处置该半导体装置之前收纳该半导体装置。

59.如权利要求1的系统，其中该负载包含以下各者中的至少一者：用于使半导体晶圆冷却的系统的至少一部分、离子植入系统的至少一部分，及物理气相沈积系统的至少一部分。

60.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含一Gifford-McMahon循环冷冻机。

61.如权利要求60的系统，其中该Gifford-McMahon循环冷冻机包含氦冷冻机。

62.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含一脉管冷冻机。

63.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含一逆布瑞顿(Brayton)循环冷冻机、史特林(Stirling)循环冷冻机及焦耳汤姆生(Joule-Thomson)循环冷冻机中的至少一者。

64.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含使用单一致冷剂的冷冻机。

65.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含使用混合气体致冷剂的冷冻机。

66.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含一个以上次级低温冷冻机，经连接以使与该一个以上次级低温冷冻机成热交换关系的该主致冷剂的一并行流中的该主致冷剂冷却。

67.如权利要求1的系统，其中该至少一次级低温冷冻机包含一个以上次级低温冷冻机，经连接以使与该一个以上次级低温冷冻机成热交换关系的该主致冷剂的串行流中的该主致冷剂冷却。

68.如权利要求1的系统，其中该主冷冻系统的该主压缩机包含可变速度压缩机。

69.如权利要求1的系统，其进一步包含用以在该绝缘外壳内建立真空的低温泵表面。

70.如权利要求69的系统，其中该低温泵表面包含该至少一次级低温冷冻机的第二冷却级。

71.如权利要求1的系统，其进一步包含旁路阀，准许该主致冷剂绕过将该主致冷剂递送至该负载的该供应管线及使该主致冷剂自该负载传回的该传回管线。

72.如权利要求1的系统，其中该膨胀单元包含毛细管、具有可变流动面积的阀、弹簧偏差的阀、活塞扩张器及涡轮扩张器中的至少一者。

73.如权利要求1的系统，其进一步包含：

压力调节器，调节在该主致冷剂的来源与由该主压缩机所接受的在该低压下的该主致冷剂之间的该主致冷剂的流动；及

压力控制单元，用以控制该压力调节器以调节至该系统中的该主致冷剂的该流动。

74.如权利要求1的系统，其进一步包含连接至该绝缘外壳上的压力计的隔离阀，若该绝缘外壳上的该压力计侦测到超出预定最大安全压力的压力，则该隔离阀防止该主致冷剂流动至该绝缘外壳的该入口中。

75.如权利要求1的系统，其进一步包含：

热传感器，经连接以监视自该绝缘外壳传回至该主压缩机的该主致冷剂的该温度；及

安全控制单元，经连接以在自该绝缘外壳传回的该主致冷剂的该温度小于预定触摸危险最小温度的情况下中断该次级冷冻系统的操作。

76.如权利要求1的系统，其进一步包含净化器，该净化器在该主致冷剂进入该系统之前从自该主致冷剂的供应来源引导的气体移除杂质。

77.如权利要求1的系统，其进一步包含油分离器，该油分离器自该主压缩机内的该主致冷剂移除油。

78.如权利要求1的系统，其中该供应管线及该传回管线中的每一者的至少一部分在真空绝缘传递管线内延伸。

79.如权利要求1的系统，其中该至少一热交换器将该主致冷剂的至少一实质部分转换成液相。

80.如权利要求1的系统，其中该至少一热交换器实质上并不将该主致冷剂转换成液相。

81.如权利要求80的系统，其中该膨胀单元将该主致冷剂的至少一实质部分转换成液相。

82.如权利要求1的系统，其中该供应管线经由通到该绝缘外壳外的传递管线将在该低压下的该致冷剂递送至该负载，且其中该传回管线经由该传递管线将该致冷剂自该负载传回至该绝缘外壳。

83.如权利要求1的系统，其中该负载在该绝缘外壳内。

84.如权利要求1的系统，其中该负载包含以下各者中的至少一者：半导体基板、用于低温分离的流体串流、待液化的气体、生物样本、化学制程、材料性质分析设备、水蒸气闸、制造程序中的物品、成像装置、亚原子粒子侦测器、光子侦测器、化学分析设备、超导缆线，及超导装置。

85.一种用于将一冷却致冷剂提供至负载的系统，该系统包含：

封闭回路主冷冻系统，包含

压缩机，接受在低压下的该致冷剂及排出在高压下的该致冷剂；

膨胀阀，自该压缩机接收在该高压下的该致冷剂及将在该低压下的该致冷剂排出至绝缘外壳，

该绝缘外壳包含自该膨胀阀接收该致冷剂的入口及将在该低压下的该致冷剂传回至该压缩机的出口；

该绝缘外壳内的至少一热交换器，接收在该低压下的该致冷剂且使用与该致冷剂成热交换关系的一次级冷冻系统使该致冷剂冷却；

将在该低压下的该致冷剂递送至该负载的供应管线及将该致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统的传回管线；

该次级冷冻系统，其中该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机；及

系统控制单元，控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的主致冷剂的压力，及该负载的至少一温度。

86.一种用于使负载冷却的方法，该方法包含：

压缩封闭回路主冷冻系统的主压缩机中的主致冷剂，该主压缩机接受在低压下的主致冷剂及排出在高压下的该主致冷剂；

将在该高压下的该主致冷剂自该主压缩机传递至一绝缘外壳的入口，及将在该低压下的该主致冷剂自该绝缘外壳传回至该主压缩机；

将在该高压下的该主致冷剂传递至该绝缘外壳内的至少一热交换器，及使用与来自一次级冷冻系统的一次级致冷剂的热交换而使该至少一热交换器中的该主致冷剂冷却，该次级冷冻系统包含至少一次级低温冷冻机；

使用该绝缘外壳内的膨胀单元使该主致冷剂膨胀，该膨胀单元接收来自该至少一热交换器的在该高压下的该主致冷剂及排出在该低压下的该主致冷剂；

将在该低压下的该主致冷剂递送至该负载及将该主致冷剂自该负载传回至该主冷冻系统；及

控制该主冷冻系统与该次级冷冻系统中的至少一者的操作，以基于以下各者中的至少一者将可变冷冻容量提供至该负载：递送至该负载的主致冷剂的压力，及该负载的至少一温度。

87.如权利要求86的方法，其进一步包含经由该次级冷冻系统的第一信道将冷却自该次级冷冻系统递送至该负载的至少热传递表面，及经由该次级冷冻系统的第二信道将该次级致冷剂递送至该至少一热交换器。

88.如权利要求86的方法，其进一步包含控制至少基于递送至该负载的该主致冷剂的该压力而提供该可变冷冻容量至该负载。

89.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该主压缩机的高压、低压及压力差中的至少一者。

90.如权利要求86的方法，其进一步包含控制热量来源以供应待递送至该主致冷剂的热量。

91.如权利要求86的方法，其中该膨胀单元包含可调整节流阀，该方法进一步包含控制该可调整节流阀的操作。

92.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该主致冷剂的流动以绕过该至少一热交换器的至少一部分。

93.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该主致冷剂的流动以绕过该主冷冻系统的至少一部分。

94.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该主致冷剂的流动的速率。

95.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该次级致冷剂的流动的速率。

96.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该次级冷冻系统的设定点温度。

97.如权利要求86的方法，其进一步包含控制热量来源以供应待递送至该次级致冷剂的热量。

98.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该次级冷冻系统的一次级压缩机的速度。

99.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该次级致冷剂的流动以绕过该次级冷冻系统的至少一部分。

100.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该主致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热。

101.如权利要求86的方法，其进一步包含控制该次级致冷剂的至少一部分的流动以使该负载的至少一部分变热。

102.如权利要求86的方法，其包含经由通到该绝缘外壳外的传递管线将在该低压下的该致冷剂递送至该负载，及经由该传递管线将该致冷剂自该负载传回至该绝缘外壳。

103.如权利要求86的方法，其中该负载在该绝缘外壳内。

104.如权利要求86的方法，其中该负载包含以下各者中的至少一者：半导体基板、用于低温分离的流体串流、待液化的气体、生物样本、化学制程、材料性质分析设备、水蒸气闸、制造程序中的物品、成像装置、亚原子粒子侦测器、光子侦测器、化学分析设备、超导缆线，及超导装置。

105.如权利要求86的方法，其进一步包含将待冷却的对象或流体自该负载的热传递表面移动至该负载的另一部分。

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