CN1119731A - 带有再循环致冷剂的温度控制设备和方法 - Google Patents

带有再循环致冷剂的温度控制设备和方法 Download PDF

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Abstract

用于把工作站和在工作站的工作介质的温度调节到预定温度的温度控制器和方法。该温度控制器包括一个诸如热交换器的冷却器、一个致冷剂温度检测器和控制器、一个诸如导管的流体致冷剂源、一个再循环泵、一个用于将致冷剂循环到工作站的流动管线——该流动管线包含一个流量调节器和一个加热器、一个用于对该流量调节器和加热器进行旁路的旁路阀以及一个工作站温度检测器和控制器。

Description

带有再循环致冷剂的温度控制设备和方法
本发明涉及一种温度控制设备和方法，该设备带有循环致冷剂并用于将带有工作介质的工作站或工件迅速冷却到设定的温度。
在半导体片上的诸如光刻胶处理的应用，要求对化学品和硅片进行非常精确的温度控制。为实现这种精确的温度控制，采用了使用循环致冷剂的温度控制。
大多数这种类型的温度控制都采用了再循环致冷剂，比如水，以在室温或其附近进行温度控制。大多数这种温度控制要求大的流率，以实现迅速的瞬态响应，这是由于致冷剂被设定在受控材料所要达到的温度，而且在设定点附近的热传导非常慢。大多数这种温度控制还要求多个循环器，以实现对处于不同温度的多个工作站的温度控制。
本发明的一个目的，是提供具有迅速的瞬态响应和最小流率的温度控制。
本发明的第二个目的，是提供这样一种温度控制，它只采用一个循环器来实现对多个工作站的温度控制。
本发明的一个特征，是一种设备，该设备用于在工作站产生足以使该工作站和其中的固态或液态工作介质迅速达到预定温度的冷却作用，即用于实现迅速的瞬态响应，也即将工作站从其初始温度冷却到一个温度的时间非常接近所希望的时间。这种迅速冷却，是通过把处于比预定温度更低的温度的致冷剂引入工作站，并在工作站的温度接近所希望的预定温度时在致冷剂的流动路径中对致冷剂中进行加热而实现的。
本发明的另一个特征，是这样一种设备，该设备用于调节工作站的温度，从而提供将工作站温度设定在低于、等于或高于环境温度的能力。
本发明的再一个特征，是这样一种设备，该设备用于只用一个循环器将致冷剂循环到多个工作站。与使用多个循环器的方法相比，把仅仅一个循环器用于多个工作站，增加了可靠性并降低了成本。
本发明的又一个特征，是这样一种设备，该设备用于调节多个工作站的温度。以此方式，各个工作站都可以具有低于、等于或高于环境温度的一个独立设置的温度。
本发明的又一个特征，是向多个工作站提供温度控制的方法，其中通过将未加温的致冷剂流短暂地引入工作站而实现迅速的瞬态响应，其中只采用了一个循环器，且其中致冷剂温度略微低于工作站的温度，致冷剂在各个工作站得到了精确的加热。
图1是温度控制设备的示意图。
图2是其温度受到控制的一种可能的工作站的透视图。
图3是其温度受到控制的第二种可能的工作站的透视图。
图4是其温度受到控制的第三种可能的工作站的透视图。
图5是其温度受到控制的第四种可能的工作站的透视图。
图6是用于控制工作站的温度的一种可能的时间顺序图。
图7是用于控制工作站的温度的第二种可能的时间顺序图。
本发明的一个实施例在图1中用标号10表示。本发明首先包括一个流体致冷剂源和用于把该流体致冷剂保持在低于预定温度的温度的装置，该预定温度等于或接近室温。本发明将流体致冷剂的温度保持在±0.5℃的容许偏差之内。
用于将流体致冷剂保持在预定温度以下的装置包括一个冷却器和相关的控制器。一个冷却器12，诸如一个热交换器，将液态致冷剂冷却到低于工作站和工作介质或工件所要达到的温度。一个主致冷剂温度检测器14检测流体致冷剂的温度。一旦检测到流体致冷剂的温度，温度检测器14通过检测器引线18，诸如导线或其他传送装置，把该温度的一种表示提供给一个主致冷剂温度控制器16。根据操作者提供的设定点信息，主致冷剂温度控制器16，通过可以是导线或其他传送介质的控制引线20，向冷却器12发出信号，以从流体致冷剂中除去足够多的热量，从而将流体致冷剂的温度建立并保持在所希望的温度，该所希望的温度低于的工作站和工作介质或工件的希望温度。主致冷剂温度控制器16可以处于一个编程温度控制计算机22中。
来自冷却器12的致冷剂进入一个流体致冷剂源，诸如一根管道或导管24。在本发明的这个实施例中，上述温度检测器14处于导管24中或与之相连，从而检测导管24处的流体致冷剂的温度。
包括流动管线26、返回管线32和再循环泵30的致冷剂循环装置，使来自冷却器12和导管24的致冷剂循环到并通过工作站28。
来自导管24的流体致冷剂25进入流动管线26。流动管线26最好包含一个流量调节器34；该流量调节器34将通过流动管线26的液体致冷剂的流率保持在所希望的值。这种流量调节器的一个具体例子是一个固定的孔。流动管线26还包括一个加热器36，比如一个电阻加热器，用于调节流至工作站28的流体致冷剂的温度，并在需要时将热量连续加到持续流动的流体致冷剂中。
流体致冷剂从流动管线26进入工作站28、通过工作站28、并从工作站28流出到流动管线26中。致冷剂随后经过返回管线32返回至再循环泵30和冷却器12。来自导管24的致冷剂还通过返回管线32直接返回到再循环泵30和冷却器12。
当流体致冷剂通过工作站28时，该流体致冷剂通过热交换将工作站28的温度调节到流体致冷剂的温度。虽然流动管线26中致冷剂一般比工作站28冷，但流动管线26中的致冷剂也可处于比工作站28的温度更高的温度。工作站28与其温度将受到控制的工作介质或工件38紧密联系，该工作介质或工件的温度因而接近于工作站的温度。
工作站28与一个工作站温度检测器40相连，由此，温度检测器40检测工作站28的温度。一旦检测到工作站28的温度，温度检测器40借助诸如导线或其他输送装置的检测器引线44，把该温度的表示提供给一个控制装置，即工作站温度控制器42。要在工作站28中保持的设定温度，由操作者提供给工作站温度控制器42。工作站温度控制器42可以处于一个编程温度控制计算机中，从而在工作站的温度调节方面提供很大的灵活性和精确性。工作站温度控制器42将来自工作站温度检测器40的温度表示与所希望的温度相比较，并采取适当的措施以把工作站温度调节到所希望的温度。
为了将工作站温度调节到所希望的温度，工作站温度控制器42通过控制引线46向加热器36提供信号，使之提供更多或更少的热量；控制引线46可以是导线或其他输送装置。加热器仅对在流动管线26中流向工作站28的那一部分致冷剂进行加热，而不是对整个致冷剂源进行加热。这提供了工作站温度的精确而迅速的控制。
该流动管线还包括诸如阀48的装置，用于对流量调节器34和加热器36进行旁路。当旁路阀48打开时，可以看到未加温的致冷剂将以更大的流率被提供给工作站28，从而迅速冷却工作站28。阀48由工作站温度控制器42通过控制引线50进行控制；后者可以是导线或其他输送装置。
本领域的技术人员应理解，旁路阀48和加热器36的操作顺序将取决于所要求的瞬态响应的速度以及工作站28的温度和所希望的温度之间的初始温度差。在一种极端情况下，诸如5℃的大的初始温度差会使工作站温度控制器42在开始时就将旁路阀48打开。在另一个极端，诸如0.5℃到1.0℃的小的初始温度差，会使温度控制器42将旁路阀48关闭。由于温度控制器42可被包括到一个温度控制计算机中，所以可以把大量不同的操作序列编程到该计算机中，并根据出现的具体情况选择适当的序列。
例如，图6是工作站温度与时间曲线图。工作站从比如22℃的初始温度T1被冷却到比流体致冷剂温度T3比如19℃略微高一些的所希望的温度T2，比如20℃。在此例中，工作站温度控制器42在开始时可以关闭旁路阀48，并关掉加热器36。当工作站温度下降到一个预定温度T4时，工作站温度控制器42象操作者所设定的那样向加热器36发出信号，以开始向流动管线26提供热量。此时工作站28的温度的下降速度变得较慢，如曲线段L1所示，直到工作站28的温度达到所希望的温度T2，如点P1所示。工作站温度控制器42随后精确地调节加热器36，以把工作站28的温度保持在所希望的温度T2。
图7显示了第二个例子。这里工作站在开始时处于较高的温度T1也许是25℃。工作站温度控制器42打开旁路阀48，以提供工作站28的迅速冷却，如曲线L1所示。当工作站温度接近所希望的温度T2(也许为20℃，略微高于例如为19℃的流体致冷剂温度T3)时，工作站温度控制器42关闭旁路阀48，从而切断未加热的致冷剂的大流率流动。随后工作站温度控制器42对加热器36进行精确调节，以将工作站28的温度保持在温度T2。
通过流动管线26、26.1、26.2、加热器36、36.1、36.2、流量调节器34、34.1、34.2、旁路阀48、48.1、48.2、工作站温度检测器40、40.1、40.2和工作站温度控制器42、42.1、42.2，本发明可对多个工作站28、28.1、28.2进行调节。用一个温度控制器调节多个工作站，可以节省成本。同时，以同样方式进行的工作站温度和流量控制，使得在必要时能将各个工作站独立地控制到独立的预定温度。
图2中显示了工作站的第一实施例，其中工作站28包括一个冷凝板，流体致冷剂从流动管线26通过该板进行循环。该冷凝板具有一个上表面29.1，工件38就装在该表面上。在此实施例中，工件可以是其温度需要受到控制的半导体片。
图3显示了工作站的第二实施例，其中工作站28包括一个具有内部筒形通道29.2的套筒，工作介质38.1即通过该通道延伸。在此实施例中，工作介质38.1可以是电马达52的轴39。流体致冷剂从流动管线26循环进入和流出工作站28。工作站28从而对轴39的温度进行调节，从而阻止来自马达52的热量到达工件54；后者可以是支撑在轴39的端部上的转动卡盘56上的片。
图4显示了工作站的第三实施例，其中工作站28包括一个液—液热交换器，它带有一个内管29.3，所要冷却的液态工作介质38.2就通过该内管流动。从流动管线26循环而来的流体致冷剂流入并流出工作站28，从而对液态工作介质38.2的温度进行调节。
图5显示了工作站的第五实施例，其中工作站28包括一个模件，该模件带有由冷却板29.6分隔开的上室29.4和下室29.5。从流动管线26循环而来的流体致冷剂流入和流出冷却板29.6，从而阻止上室29.4和下室29.5中的过程之间的热相互作用。
以上描述了具有再循环致冷剂和迅速的瞬态响应的温度控制。另外还描述了把工作介质精确冷却到预定温度的过程。
在不脱离本发明特性或精神情况下，可以以其他的具体形式实施本发明；因此，所显示的实施例完全应被看作是说明性的，而不是限定性的，而本发明的范围应由所附的权利要求来确定，而不是由前面的描述来确定。

Claims (26)

1.用于把工作站和工作站处的工作介质的温度调节到预定温度的温度控制器，包括：
工作站温度检测装置，用于确定工作站的温度；
一个流体致冷剂源和用于把该流体致冷剂保持在低于所述预定温度的装置；
致冷剂循环装置，它包括一个流动管线，该流动管线把来自所述源的致冷剂提供给该工作站并使该致冷剂通过该工作站，以调节该工作站和其中的工作介质的温度；
在该流动管线中的致冷剂加热器，它用于把向工作站提供的致冷剂加热到与所述预定温度几乎相等的一个温度，以将该工作站和工作介质保持在所述预定温度；以及
用于控制该加热器并调节其加热的控制装置，所述控制装置当在工作站温度和所述预定温度之间存在有大的差别时减少所述加热器的加热，且所述控制装置在所述温度差别减小以及工作站温度接近达到所述预定温度时增加所述加热器的加热。
2.根据权利要求1的温度控制器，进一步包括用于调节流动管线中的致冷剂的流量的装置。
3.根据权利要求2的温度控制器，进一步包括用于对所述流量调节装置和所述加热器进行旁路的装置，且其中所述控制装置控制所述旁路装置。
4.根据权利要求3的温度控制器，其中所述控制装置是一个温度控制计算机，且该计算机的程序控制着所述加热器和所述旁路装置。
5.根据权利要求1的温度控制器，其中所述温度控制器控制着多个工作站和其中的工作介质的温度。
6.用于把工作站和在工作站的工作介质的温度调节到预定温度的温度控制器，包括：
一个工作站；
工作站温度检测装置，用于确定该工作站的温度；
一个流体致冷剂源和用于把该流体致冷剂保持在低于所述预定温度的装置；
致冷剂循环装置，它包括一个流动管线，该流动管线把来自所述源的致冷剂提供给该工作站并使该致冷剂通过该工作站，以对该工作站和其中的工作介质进行冷却；
在该流动管线中的致冷剂加热器，它用于把向工作站提供的致冷剂加热到与所述预定温度几乎相等，以将该工作站和工作介质保持在所述预定温度；以及
用于控制该加热器并调节其加热的控制装置，所述控制装置当在工作站温度和所述预定温度之间存在有大的差别时减少所述加热器的加热，且所述控制装置在所述温度差别减小以及工作站温度接近达到所述预定温度时增加所述加热器的加热。
7.根据权利要求6的温度控制器，进一步包括用于调节流动管线中的致冷剂的流量的装置。
8.根据权利要求7的温度控制器，进一步包括用于对所述流量调节装置和所述加热器进行旁路的装置，且其中所述控制装置控制所述旁路装置。
9.根据权利要求8的温度控制器，其中所述控制装置是一个温度控制计算机，且该计算机的程序控制着所述加热器和所述旁路装置。
10.根据权利要求6的温度控制器，其中所述工作站包括一个冷却板，该冷却板用于支撑其温度要进行调节的片。
11.根据权利要求6的温度控制器，其中所述工作站包括一个围绕所要冷却的轴的套筒，所述轴的一端与一个电动马达相连接，且所述轴在远离所述马达的一端带有一个卡盘，所述卡盘支撑一个其温度要进行调节的片。
12.根据权利要求6的温度控制器，其中所述工作站包括一个液—液热交换器，该液—液热交换器用于调节通过所述热交换器的流体的温度。
13.根据权利要求6的温度控制器，其中所述工作站包括一个模件，该模件具有一个上室、一个下室和一个分隔所述上室和所述下室的冷却板，所述模件调节处于所述上室和所述下室中的材料的温度。
14.根据权利要求6的温度控制器，其中所述温度控制器控制多个工作站和其中的工作介质的温度。
15.用于把工作站和工作站处的工作介质的温度调节到预定温度的温度控制器，包括：
一个流体致冷剂源；
一个冷却器、主致冷剂温度检测器和主致冷剂温度控制器，用于检测该流体致冷剂的温度并将该温度保持在低于所述预定温度；
一条流动管线、一条返回管线、以及一个再循环泵，用于接收来自所述流体致冷剂源的流体致冷剂并将流体致冷剂提供给工作站，以及对该工作站和其中的工作介质进行冷却；
一个工作站温度检测器和工作站温度控制器，用于检测并调节该工作站的温度；
在所述流动管线中的一个致冷剂加热器，它响应于所述工作站温度控制器，用于把向该工作站提供的致冷剂加热到几乎等于所述预定温度，以将该工作站和工作介质保持在所述预定温度；
所述工作站温度控制器，在工作站温度和所述预定温度之间存在有大的差别时减少所述加热器的加热，且所述工作站温度控制器在所述温度差别减小以及工作站温度接近达到所述预定温度时增加所述加热器的加热；
在所述流动管线中的一个流量调节器，用于把流过所述流动管线的致冷剂流率保持在所希望的值；以及
一个旁路阀，用于对所述加热器和所述流量调节器进行旁路，从而以增大的流率向工作站提供未加温的致冷剂流，所述旁路阀响应于所述工作站温度控制器。
16.根据权利要求15的温度控制器，其中所述主致冷剂温度控制器和所述工作站温度控制器是一台温度控制计算机。
17.根据权利要求15的温度控制器，其中所述温度控制器控制多个工作站和其中的工作介质的温度。
18.用于把工作站和工作站处的工作介质的温度调节到预定温度的温度控制器，包括：
一个工作站；
一个流体致冷剂源；
一个冷却器、主致冷剂温度检测器和主致冷剂温度控制器，用于检测该流体致冷剂的温度并将该温度保持在低于所述预定温度；
一条流动管线、一条返回管线以及一个再循环泵，用于接收来自所述流体致冷剂源的流体致冷剂，并将流体致冷剂提供给该工作站以及对该工作站和其中的工作介质进行冷却；
一个工作站温度检测器和工作站温度控制器，用于检测并调节该工作站的温度；
在所述流动管线中的一个致冷剂加热器，它响应于所述工作站温度控制器，用于把向该工作站提供的致冷剂加热到几乎等于所述预定温度，以将该工作站和工作介质保持在所述预定温度；
所述工作站温度控制器，在工作站温度和所述预定温度之间存在有大的差别时减少低所述加热器的加热，且所述工作站温度控制器在所述温度差别减小以及工作站温度接近达到所述预定温度时增加所述加热器的加热；
在所述流动管线中的一个流量调节器，用于把流过所述流动管线的致冷剂流率保持在所希望的值；以及
一个旁路阀，用于对所述加热器和所述流量调节器进行旁路从而以增大的流率向工作站提供未加温的致冷剂流，所述旁路阀响应于所述工作站温度控制器。
19.根据权利要求18的温度控制器，其中所述工作站包括一个冷却板，它用于支撑其温度要进行调节的片。
20.根据权利要求18的温度控制器，其中所述工作站包括一个围绕一根要得到冷却的轴的套筒，所述轴的一端与一个电动马达相连接，且所述轴在远离所述马达的一端带有一个卡盘，所述卡盘支撑其温度要进行调节的片。
21.根据权利要求18的温度控制器，其中所述工作站包括一个液—液热交换器，该液—液热交换器用于调节通过所述热交换器的流体的温度。
22.根据权利要求18的温度控制器，其中所述工作站包括一个模件，该模件具有一个上室、一个下室和一个分隔所述上室和所述下室的冷却板，所述模件调节所述上室和所述下室中的材料的温度。
23.根据权利要求18的温度控制器，其中所述主致冷剂温度控制器和所述工作站温度控制器是一台温度控制计算机。
24.根据权利要求18的温度控制器，其中所述温度控制器控制多个工作站和其中的工作介质的温度。
25.用于把工作站和工作站处的工作介质精确冷却到预定温度的方法，包括以下步骤：
借助其温度低于该预定温度的流体致冷剂迅速降低该工作站的温度，直到该工作站的温度接近该预定温度；以及
将热量引入流向该工作站的致冷剂中，从而降低冷却的速度，直到达到预定温度。
26.根据权利要求25的方法，其中多个工作站的温度得到了控制。
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