JP2008537322A - チャックシステムにおける温度制御のための装置および方法 - Google Patents

チャックシステムにおける温度制御のための装置および方法 Download PDF

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Abstract

サーマルチャックシステムの温度を制御する装置および方法が開示される。本システムは、サーマルチャックにおいて温度変化を制御する温度コントローラを備える。本温度コントローラは、空気源および流体源からそれぞれ空気と流体とを受け取る流入部と、空気と流体とをある比率で交互にサーマルチャックへ搬送する流出部とを備える。時間比例コントローラは、複数の制御領域のそれぞれにおいて比例帯を計算することによってこの比率を生成する。比例帯は、温度コントローラが温度変化におけるアンダーシュートの最小化が実現するようにチャックへの空気と流体との流れを制御するのに使用される。

Description

本出願は、その内容を本願に引用して援用する２００５年３月４日出願の米国仮出願第６０／６５８，４５２および２００５年４月８日出願の米国仮出願第６０／６６９，６８５に基づくものである。
集積回路には、最高品質を確保するために一連の検査および評価工程が施される。これは、特に半導体産業にとっては重要であり、より高価なパッケージング工程が施される前に欠陥のあるウェハをスクリーニングすることが重要となる。重要な試験工程としては、ウェハの温度スクリーニングがある。温度スクリーニング工程では、サーマルチャックが正確な温度制御を提供するために使用される。一般的な構成では、サーマルチャックは、ウェハが所定期間にわたり極度の温度変化を受ける間、ウェハを固定位置または変化のない状態に保持する。例えば、ウェハは高温に晒され、次に、極度の低温に突然晒されるのが望ましい。従って、サーマルチャックは、極力短時間で、高サーマルチャック温度から低サーマルチャック温度（設定温度とも呼ぶ）への温度変化、また逆に、低サーマルチャック温度から高サーマルチャック温度への温度変化に対応するよう構成されることが重要である。
従来の代表的なサーマルチャックシステムでは、このような温度変化は、チャック温度増加用のチャックヒーターまたはチャック温度低下用の冷却液循環システムへ増幅器を介して固定ゲインを加えることで制御される。しかし、この固定ゲイン方式は、非常に高い温度、例えば、２００℃以上の温度から、所望の低温、例えば、２５℃程度へ突然変化する場合には実現できない。従来のサーマルチャックシステムでは、チャック温度を低下させるために冷却液循環システムを備えることができる一方で、特に、高温からの突然の温度低下によって深刻なアンダーシュート、すなわち、設定温度を下回る急降下が起きることがあり、これによって、温度制御の精度が損なわれ、所望の設定温度で定常状態へ達する所要時間が増加する。
米国特許第６,７００,０９９号明細書
上記の限界を解決するために、本発明は、サーマルチャックにおいて温度を制御するための温度制御システムおよび方法を提供するという特徴を有し、この温度制御システムおよび方法は、より高い温度制御精度および改良された効率を提供し、かつ温度冷却動作の際のアンダーシュートを減少させるという特徴を有する。
本発明の一態様によれば、サーマルチャックにおける、高温から低温へまたは低温から高温へのいずれの温度変化も管理することのできる温度コントローラが提供される。また、この温度コントローラは、加熱動作と冷却動作とを同時に行うことができるため、アンダーシュートを最小限に抑えるという所望の結果を達成する。
温度コントローラは、時間比例制御を用いることによって温度変化を管理する。具体的には、温度コントローラは時間比例コントローラを備える。時間比例コントローラは、設定された所定期間にサーマルチャックへ交互に流出される空気と流体との最適比率を決定するためのゲインスケジューラとデューティサイクルスケジューラとを備える。流体（例えば、水）と空気とが、所定期間に、または設定された所定の時間間隔でチャックに提供される時間の比率が、その時間間隔における流体のデューティサイクルとなる。ゲインスケジューラは、温度変化開始時の実際のチャック温度（測定温度とも呼ぶ）と所望の温度（設定温度とも呼ぶ）との差を決定することによって温度変化開始時の比例帯と変化ゲインとを生成する。時間比例コントローラは、この比例帯および変化ゲインから計算されるデューティサイクルに従って、一組の空気バルブと流体バルブとを制御する。
温度変化の際に温度が低下すると、測定温度と所望の温度との間のずれが減少し、ひいては、デューティサイクルも減少する。時間比例コントローラは、各所定期間に、空気と流体とが適切な割合でチャックに提供されるように空気バルブと流体バルブを制御する。測定温度が所定の狭い温度範囲内（不感帯温度範囲と呼ぶ）になると、ゲインスケジューラは、デューティサイクルを計算するのを止め、アンダーシュートを最小化するという所望の効果を達成するべく、異なる組み合わせの計算および二次的制御動作が実行される。
本発明の特徴は、時間比例コントローラが、温度変化の際に適切な割合で空気と流体とを提供することができ、またアンダーシュートを最小化することを確実するために、制御された冷却動作と加熱動作とを行うことができることにある。
本発明の他の特徴は、時間比例コントローラが、チャックの温度範囲（temperature range）から複数の制御領域（control regions）を形成することにある。各制御領域は、それぞれ付随した制御方式を有し、この制御方式では、温度変化開始時にその制御領域に固有の比例帯を計算するゲインスケジューラを備えてよい。このようにして、本発明は、様々な制御領域で起こる固有の温度挙動を解決する。
本発明の一態様によれば、空気源から空気を受け入れる第一の流入口と、流体源から流体を受け入れる第２の流入口と、チャックの表面温度を制御するために空気と流体とをある割合で交互にチャックへ搬送する少なくとも一つの流出口とを備える、チャック用温度制御システムが提供される。
流体は水を含んでもよく、温度制御されることが可能である。
一実施形態において、温度制御システムは、さらに、表面温度の上昇を制御する第１の温度制御システムと、表面温度の低下を制御する第２の温度制御システムとを備える。表面温度の低下は、設定された所定期間、空気と流体とをある割合で交互に切り替えることで制御される。第２の温度制御システムは、低温プロセスと、複数の制御領域間での温度変化とを管理するコントローラプロセスとを含む。
本発明の他の態様によれば、第１の流入口と、第２の流入口と、少なくとも一つの流出口と、第１の温度制御システムと、第２の温度制御システムとを備えるサーマルチャックシステムが提供される。第１の流入口は、空気源から空気を受け入れる。第２の流入口は、流体源から温度制御された流体を受け入れる。少なくとも一つの流出口は、ある割合で空気と流体とを交互にチャックへ搬送する。第１の温度制御システムは、表面温度の上昇を制御する。第２の温度制御システムは、設定された所定期間に、ある割合で空気と流体とを交互に切り替えることで表面温度の低下を制御する。第２の温度制御システムは、低温プロセスと、複数の制御領域間での温度変化とを管理するコントローラプロセスとを含む。流体は水を含んでもよい。
一実施形態において、サーマルチャックは、２００ｍｍチャックである。他の実施形態では、サーマルチャックは、３００ｍｍサーマルチャックである。
一実施形態において、サーマルチャックシステムは、さらにバルブ制御ボックスと、時間比例コントローラとを備える。バルブ制御ボックスは、空気を流出させる空気バルブと、温度制御された流体を流出させる流体バルブとを備える。流体バルブは、少なくとも、高流量ソレノイドバルブおよび低流量ソレノイドバルブのいずれか一つである。空気バルブおよび流体バルブは、コントローラに対応して、交互モードで空気および流体を流出させる。バルブ制御ボックスは、ベース冷却を行うベース空気バルブをさらに含んでもよい。
一実施形態において、時間比例コントローラは、インターフェースと、制御領域演算装置と、コントローラプロセスと、低温プロセスとを備える。インターフェースは、サーマルチャックから測定温度情報を受け取る。制御領域演算装置は、複数の制御領域と複数の低温領域とを定義する。コントローラプロセスは、各制御領域に存在する。低温プロセスは、各低温領域に存在する。
制御領域演算装置は、各制御領域と各低温領域とを温度境界によって定義する。このようにして、第１の温度が、複数の制御領域の第１の制御領域にある場合、第１の制御領域の第１のコントローラプロセスが空気と流体との比率を調整し、この第１の温度が第２の制御領域の第２の温度へ変化した場合、この第２の制御領域の第２のコントローラプロセスが、空気と流体の比率を調整する。第１の制御領域と第２の制御領域とは、同一でもよい。または、第１の制御領域と第２の制御領域とは、複数の制御領域のうち異なる制御領域でもよい。
一実施形態において、第２の制御領域における不感帯領域は、第２の温度の近似温度領域であり、第２のコントローラプロセスは、第１の温度から第２の温度へ変化する際のアンダーシュートを減少させるように不感帯領域を制御する。第２のコントローラプロセスは、第１の空気流入と第２の流体流入とをある割合で交互に行うことにより、アンダーシュートを減少させることができる。あるいは、第２のコントローラプロセスは、第１の空気流入と第２の流体流入とを不可能にすることによりアンダーシュートを減少させることができる。温度センサによって、サーマルチャックシステムにおけるチャック温度測定が可能となる。
一実施の形態において、各コントローラプロセスは、所定期間に比例帯を計算するゲインスケジューラを備える。比例帯は、この所定期間にチャックへ流入する空気と流体との比率を決定する。比例帯は、チャック温度測定結果に応じて計算されることが可能である。
本発明の他の態様によれば、サーマルチャックを制御する時間比例コントローラが提供される。本コントローラは、インターフェースと、制御領域演算装置と、コントローラプロセスと、低温プロセスとを備える。インターフェースは、サーマルチャックから測定チャック表面温度を受け取る。制御領域演算装置は、複数の制御領域と複数の低温領域とを定義する。コントローラプロセスは、各制御領域に存在し、各制御領域と各低温領域との温度間の変化と、各低温領域の低温プロセスとを制御する。
一実施の形態において、各制御領域のコントローラプロセスは、複数の制御領域のそれぞれにおいて比例帯を計算するゲインスケジューラを備える。比例帯は、設定された所定期間にサーマルチャックへ流入する空気と流体との比率を決定する。各制御領域のコントローラプロセスは、さらに、不感帯モードを備える。この不感帯モードは、各制御領域における不感帯温度範囲を決定し、温度変化中に生成されたアンダーシュートを減少させる。各制御領域および低温領域は温度境界によって分離することができる。コントローラは、測定温度が不感帯温度範囲になった場合、設定された所定期間に、空気と流体との流入の割合を無効化することによって、アンダーシュートを最小化することができる。
他の実施形態において、測定温度が所望の温度よりも低い場合には、コントローラは測定温度を所望の温度まで変化させるためにヒーターを制御する。
一実施形態において、測定温度が所望の温度よりも高い場合には、コントローラは測定温度を所望の温度まで変化させるために複数のバルブを制御する。
本発明の他の態様によれば、チャック温度を制御する方法が提供される。この方法では、空気は空気源から受け取られ、流体は流体源から受け取られる。空気と流体とは、ある割合で交互にチャックへ搬送される。流体の温度は制御可能である。
一実施の形態において、チャックの表面温度の上昇は制御され、表面温度の低下は、設定された所定期間にある割合で空気と流体とを交互に切り替えることによって制御される。複数の制御領域間の温度変化は管理可能である。
本発明の他の実施形態によれば、チャックの温度を制御する方法が提供される。この方法では、空気は空気源から受け取られ、流体は流体源から受け取られる。空気と流体とは、ある割合で交互にチャックへ搬送される。チャック温度の上昇は制御または抑制される。チャック温度の低下は、所定期間ある割合で空気と流体とを交互に切り替えることによって制御または抑制される。複数の制御領域間の温度変化は管理される。空気と流体とは、時間比例コントローラに対応して、交互モードで流出されることが可能である。
測定温度情報は、チャックから受け取ることができる。
複数の制御領域と低温領域とは温度境界によって定義されることができる。
一実施形態において、第１の温度が第１の制御領域にあるとき、複数の制御領域のうち第１の制御領域における空気と流体との比率が調整され、第１の温度が第２の制御領域にある第２の温度へ変化したとき、第２の制御領域における空気と流体との比率が調整される。
第１の制御領域と第２の制御領域は、同一でもよい。または、第１の制御領域と第２の制御領域とは、複数の制御領域のうち異なる制御領域でもよい。
一実施形態において、近似温度領域は、第２の温度の第２の制御領域における不感帯領域として備えられ、不感帯領域は、第１の温度から第２の温度への変化の際にアンダーシュートを減少するように制御される。第１の空気流入と第２の流体流入とをある割合で交互に切り替えることにより、アンダーシュートを減少させることができる。あるいは、第１の空気流入と第２の流体流入とを不可能に、または無効化することによりアンダーシュートを減少させることができる。
比例帯は、設定された所定期間に計算されることが可能である。この比例帯は、所定期間にチャックへ流入する空気と流体との比率を決定する。比例帯は、チャック温度測定結果に応じて計算される。
本発明の他の態様によれば、チャック温度を制御する方法が提供される。この方法において、測定されたチャック表面温度がサーマルチャックから受け取られる。複数の制御領域が定義され、各制御領域はコントローラプロセスを有する。複数の低温領域が定義され、各低温領域は低温プロセスを有する。制御領域と低温領域との温度の間の変化は制御される。各制御領域において、比例帯を計算することによって、この温度間変化を制御することができる。比例帯は、所定期間にサーマルチャックへ流入する空気と流体との比率を決定し、各制御領域における不感帯温度範囲を決定し、温度変化中に生成されたアンダーシュートを減少させる。各制御領域と低温領域とは、温度境界によって分離することができる。コントローラは、測定温度が不感帯温度範囲にあった場合、設定された所定期間の空気と流体との流入を不可能にまたは無効化することによって、アンダーシュートを最小化することができる。
一実施形態において、測定温度が所望の温度よりも低い場合、ヒーターは、測定温度を所望の温度へ変化させるために制御される。
一実施形態において、測定温度が所望の温度よりも高い場合、複数のバルブは、測定温度を所望の温度へ変化させるために制御される。
本発明の上記及び他の目的、特徴、効果については、以下、添付図面を参照して詳細に説明する本発明の好適な実施形態の中で明らかにする。図面において、同様の符号は異なる図面間における同一の要素を示す。図面は、本発明の原理を図示することに重点を置いたものであり、必ずしも正確な縮尺ではない。
図１は、本発明の一実施形態による温度制御方式を使用したサーマルチャックシステム１００の概略ブロック図を含む。サーマルチャックシステム１００は、サーマルチャック１０と、バルブ制御ボックス２０と、温度コントローラ３０と、流体源４０とを備える。流体源４０は、既成の水冷却装置、例えば、水冷却装置Neslab M-75（商標）でもよい。チャック１０は、ウェハプローバマシンであるウェハ検査装置のようなホストマシン上に実装される。ホストマシンは、電気検査信号を、ウェハ上に形成された回路に供給し、これらのテスト刺激信号に対する回路の反応を検出する。チャック１０はウェハの温度を制御するので、この回路プローバテストである回路検査試験をある温度範囲で行って、回路およびウェハの一方または両方のパフォーマンスの温度特性を得る。
本発明は、例えば、テンプトロニック コーポレーション (Temptronic Corporation)に譲渡され、かつ全文を本願に援用して引用する２００４年３月２日に発行の特許文献１（"Wafer Chuck Having Thermal Plate With Interleaved Heating and Cooling Elements, Interchangeable Top Surface Assemblies and Hard Coated Layer Surfaces"）に記載された種類の温度制御型または熱半導体型のウェハチャックに関し、また、これらに適用可能である。サーマルチャック１０は、処理の間、半導体ウェハを所定の位置で保持し、被試験ウェハに制御温度を提供する。サーマルチャック１０は、例えば、３００ｍｍウェハや２００ｍｍウェハのような半導体ウェハを保持するチャックである。
サーマルチャック１０は、サーマルチャック１０へ熱を提供するための一つまたは複数の抵抗加熱素子を備えるヒーター１１を備える。サーマルチャック１０の加熱素子は、温度コントローラ３０のヒーター電源３０１（図３）により電力を得る。温度コントローラ３０のヒーター電源３０１は、温度コントローラ３０とサーマルチャック１０との間の導体１２を介して加熱素子に電力を供給する。
サーマルチャック１０はさらに、水のような温度制御された流体を、バルブ制御ボックス２０から流路２１および２２を介して受け取り、その流体をサーマルチャック１０に循環させる冷却素子１３を備える。以下に説明するように、バルブ制御ボックス２０（図２）の高流量ソレノイドバルブ２０４と低流量ソレノイドバルブ２０５とは、サーマルチャック１０への流体の流れを制御する。流路２１および２２は、サーマルチャック１０をバルブ制御ボックス２０へ接続し、これによって流体は、温度制御動作中に流路２１および２２を介してサーマルチャック１０へ、またはサーマルチャック１０から熱を導くことができる。流体が、チャック１０から熱を取り除くときには、すなわち、冷却するときには、バルブ制御ボックス２０は流路２２上にある加熱された流体を受け取り、その加熱された流体は、流路２３上にある流体源４０へ戻される。
温度制御された流体は、流体源または冷却装置４０から流路２４を介して、バルブ制御ボックス２０によって受け取られる。バルブ制御ボックス２０は、流体路２１を介して、流体を制御流量でチャック１０へ送る。空気／流体路２１は、サーマルチャック１０をバルブ制御ボックス２０へ接続し、これによって、空気と流体とがバルブ制御ボックス２０から、少なくとも一つの空気／流体路２１を介してサーマルチャック１０へ送られる。空気と流体とは交互にサーマルチャック１０へ搬送される。設定された所定期間において、空気は、所定期間の一部の期間に、空気／流体路２１を介してサーマルチャック１０へと流入し、流体は、所定期間の残りの期間に、空気／流体路２１を介してサーマルチャック１０へと流入する。所定期間にチャックに提供される流体の空気に対する割合は、迅速で、誤差のない（または誤差をわずかとする）、正確な制御温度変化を提供するために、本制御方式の一部として計算される。
サーマルチャック１０に配置された温度測定センサ（図示せず）は、サーマルチャック１０の様々な位置で測定温度データを収集し、測温抵抗体測定信号を生成し温度コントローラ３０へ電子信号路１５を介して転送することにより温度フィードバックを提供する。もう一つの信号線１４は、温度コントローラ３０の過熱安全処理装置と接続されている。チャック温度が、サーマルチャック１０の最大許容温度を超えた場合、サーマルチャック１０の過熱温度センサ（図示せず）は、温度コントローラ３０（図３）の過熱安全コントローラ３０３へ信号を送る。過熱安全コントローラ３０３は、温度コントローラ３０のセーフティーリレー３３０へ接続されており、ここでは、温度コントローラ３０のヒーター電源３０１が加熱素子１１へさらに電力を印加するのを防ぐために、過熱電源線のリレーはオープンになっている。この特徴は図３に詳細に図示されている。
図２は、本発明の一実施形態によるバルブ制御ボックス２０の概略ブロック図である。バルブ制御ボックス２０は、例えば、空気源装置（facility air source）（図示せず）のような空気源（図１）から空気を受け取り、流体源４０から温度制御された流体を受け取る流入口を備える。温度制御された流体は、水または冷却流体または水と冷却流体との組み合わせでもよい。この流体の温度は、温度コントローラ３０から受け取られた制御信号に基づいて流体源４０によって調整される。流体はバルブ制御ボックス２０からサーマルチャック１０へ流出されると、サーマルチャック１０内で循環され、これによって循環流体は、流路２１、２２を介して、サーマルチャック１０から熱を取り去る、または、サーマルチャック１０へと熱を伝える。このようにして、サーマルチャック１０のウェハは、例えば、３００ｍｍのウェハを支持するチャックについては３００℃まで、２００ｍｍウェハを支持するチャックについては４００℃までの非常に高い温度に晒されてもよい。また、ウェハは、循環する流体により、非常に低い温度、例えば、５℃に冷却されてもよい。
バルブ制御ボックス２０は、空気源から空気を受け取る圧力調整弁２０１を備える。圧力調整弁２０１は、例えば、１４×１０４Ｐａ（２０ｐｓｉ）の調整弁でもよい。空気は、例えば、３１×１０４Ｐａ（４５ｐｓｉ）で受け取られる。空気は、調整弁２０１によってチェックバルブ２０２に提供され、チェックバルブ２０２は、圧力調整された空気を次々に空気ソレノイドバルブ２０３へ流出する。
バルブ制御ボックス２０は、サーマルチャックシステムを通じて流体と空気とを送るために使用される４つのソレノイドバルブを備える。これらのソレノイドバルブは、空気ソレノイドバルブ２０３と、高流量ソレノイドバルブ２０４と、低流量ソレノイドバルブ２０５と、ベース冷却ソレノイドバルブ２０８とを備える。空気ソレノイドバルブ２０３は、チャック１０に空気を提供し、高流量ソレノイドバルブ２０４と低流量ソレノイドバルブ２０５はチャック１０へ流体を供給する。空気チェックバルブ２０２は、圧力調整弁２０１から空気を受け取り、空気ソレノイドバルブ２０３へ流出する。チェックバルブ２０２は、高流量ソレノイドバルブ２０４または、低流量ソレノイドバルブ２０５からの流体が圧力調整弁２０１へ到達するのを防ぐことによって安全装置の役割をする。空気ソレノイドバルブ２０３は、バルブ２０３の開閉を制御するために制御信号を温度コントローラ３０から受け取る制御入力部を備える。このようにして、空気ソレノイドバルブ２０３からの空気は、バルブ制御ボックス２０の空気／流体路２５を介してチャック１０へ流出される。この空気はサーマルチャックの空気／流体路２１を介してサーマルチャックへ次々に供給される。
低流量ソレノイド２０５は、低流量オリフィス２０６から温度制御された流体を受け取り、低流量オリフィス２０６は、高流量オリフィス２０７から温度制御された流体を順に受け取る。一実施形態において、低流量オリフィス２０６は、流体の流量を１５０ｍｌ／ｍｉｎに制御し、高流量オリフィス２０７は、流体の流量を６００ｍｌ／ｍｉｎに制御する。高流量オリフィス２０７は、流体源４０とバルブ制御ボックス２０の高流量オリフィス２０７との間に備えられた流出路２４から温度制御された流体を受け取る。
高流量ソレノイドバルブ２０４は温度制御された流体を高流量オリフィス２０７から受け取る。このようにして、高流量ソレノイドバルブ２０４または低流量ソレノイドバルブ２０５は、温度コントローラ３０からのソレノイド制御信号の状態に応じて、サーマルチャック１０へ高流量の流体または低流量の流体を提供することができる。このソレノイド制御信号の状態は、温度コントローラ３０によって処理された条件に基づき決定される。温度コントローラ３０よる処理の詳細を以下に説明する。
ベース冷却ソレノイドバルブ２０８は、サーマルチャック１０とホストマシン（すなわち、ウェハプローバ）との間にあるベースへの空気冷却接続を使用可能にしたり使用不可能にする。一実施形態では、温度コントローラ３０は、ベース冷却ソレノイドバルブ２０８を使用可能にし、これによって、チャック温度が、例えば６０℃というサーマルチャック温度領域の温度境界を超えた場合、ベース冷却ソレノイドバルブ２０８は、ＯＮ状態になる。ベース冷却ソレノイドバルブ２０８は、サーマルチャック１０の下のベースに空気を加え、チャックとホストマシンとの間の熱の流れが損なわれる可能性を防ぐまたは減少させることができる。
バルブ制御ボックス２０は、さらに流体レベルスイッチ２０９を備える。流体レベルスイッチ２０９は、温度制御流体のレベルを検出し、流体が閾値レベルを下回った場合には流体タンクに流体を加えなければならないことを知らせるために表示を出す。流体レベルスイッチ２０９は、流体なしでシステムが稼動することを防ぐためのインターロックとして、流体がないことを示すこともできる。
バルブ制御ボックス２０は、さらに、空気存在スイッチ(air present switch)２１０を備え、空気存在スイッチ２１０は、安全装置として使用される。例えば、加圧された空気がサーマルチャックに存在する場合、空気存在スイッチ２１０は閉じられている。空気存在スイッチ２１０が開いている場合、システムは、空気ソレノイドバルブ２０３と、高流量ソレノイドバルブ２０４と、低流量ソレノイドバルブ２０５とがオフ状態となる故障モードとなり、これによってバルブ制御ボックス２０が作動するのを防ぐ。例えば、空気源装置が、バルブ制御ボックス２０の空気流入口に接続されていない場合には、空気はなくてよい。
チェックバルブ２１１は、サーマルチャック１０を循環した流体を受け取り、その流体を流体源４０へ戻す。流体は、流路２２を介してサーマルチャック１０からバルブ制御ボックス２０へ流出される。特に、チェックバルブ２１１は、流路２２を介して加熱された流体を受け取り、チャック１０から出てくる流体を、この流体がチャックへ再流入しないように流出させる。
温度コントローラ３０は、例えば、ＲＳ−４８５のようなシリアル通信プロトコルを使って、流体源４０と通信する。バルブコントローラ２０は、温度コントローラ３０からの４線式でのＲＳ−４８５接続２２０を、流体源４０への２線式でのＲＳ４８５接続２２２へ変換するシリアル通信変換器２２１を備える。
図３は、本発明の一実施形態による温度コントローラ３０の概略ブロック図を含む。
温度コントローラ３０は、サーマルチャックシステムの温度動作、特に、サーマルチャックの加熱、冷却動作を制御する。温度コントローラ３０は、ヒーター電源３０１と、制御ロジック部３０２と、過熱安全コントローラ３０３と、ディスプレイ３０４と、キーボード３０５とを備える。
ヒーター電源３０１は、導体１２を介して、チャックヒーター１１を動作させるのに必要な電力信号を生成することによって、サーマルチャック１０のチャックヒーター１１に電力を供給する。ヒーター１１の各チャック加熱素子は、ヒーター電源３０１から受け取った自身の電力信号によって駆動されてもよい。ヒーター電源３０１は、制御ロジック部３０２からヒーター電源３０１と制御ロジック部３０２との間の電気接続３１０を経由して受け取った電源コマンド信号によって制御される。
制御ロジック部３０２は、サーマルチャックシステム１００の動作を制御するのに使用される複数の制御信号を生成する。制御は、遠隔地の操作者によって制御ロジックのＩＥＥＥ−４８８またはＲＳ−２３２インターフェースを介して、またはローカルの（local）操作者によって温度コントローラ３０に取り付けられているディスプレイ３０４とキーボード３０５とを介して開始される。
制御ロジックは、第１の演算装置３４１と、第２の演算装置３４２と、第３の演算装置３４３とを備える。第１の演算装置３４１は、ユーザインターフェース動作に関連した制御機能を実行し、ユーザが、ディスプレイ３０４やキーボード３０５から、または、遠隔からＩＥＥＥ−４８８またはＲＳ−２３２インターフェースなどの遠隔インターフェースを介してサーマルチャックシステムを管理することを可能にする。第２の演算装置３４２は、サーマルチャックシステムのヒーター１１によって行われる加熱動作に関連する制御信号を生成する。第３の演算装置３４３は、熱制御流体を使ってサーマルチャックシステムの熱制御動作に関する制御信号を生成する。以下に、ユーザインターフェース動作と、温度加熱動作と、温度冷却動作とを説明する。３つの動作はすべて別々の演算装置３４１、３４２、３４３で行われてもよいし、一つの演算装置で行われてもよい。
以上説明したように、制御ロジック部３０２の第２の制御演算装置３４２によって実行される動作は、コマンド信号線３１０を介して電源コマンド信号を生成し、この電源コマンド信号は、低温から高温への温度変化、すなわち、チャック加熱動作の際にヒーター電源３０１によって使用される。
図２および図３を参照すると、制御ロジック部３０２は、制御信号線３２１、３２２、３２３、３２６を介して、複数の制御信号を生成する。これらの制御信号はバルブ制御ボックス２０を動作させるのに必要となる。特に、制御ロジック部３０２は、バルブ制御ボックス２０の関連するバルブを制御するために、接続を介していくつかの制御信号をバルブ制御ボックス２０へ提供する。また、制御ロジック部３０２は、バルブ制御ボックスの空気存在スイッチ２１０から制御信号線３２４を介して空気存在信号を受け取る。また、制御ロジック部３０２は、流体レベルが低いことを示す低流体信号３２５を受け取る。また、制御ロジック部３０２は、ＲＳ−４８５インターフェースを介して流体源４０と通信する。低流体条件が発生した場合、空気ソレノイドバルブ２０３と、低流量ソレノイドバルブ２０５と、高流量ソレノイドバルブ２０４とは、制御信号線３２１、３２２、３２３を介してオフ状態になるようにコマンドを受ける。
図２および図３を参照すると、空気バルブ制御信号は、制御ロジック部３０２によって生成され、空気ソレノイドバルブ２０３を制御するように制御信号線３２１を介して空気ソレノイドバルブ２０３へ与えられる。例えば、空気バルブ制御信号は、空気ソレノイドバルブ２０３を使用可能または使用不可能にすることが可能である。高流量バルブ信号は、制御ロジック部３０２によって生成され、高流量ソレノイドバルブ２０４を制御するように制御信号線３２２を介して高流量ソレノイドバルブ２０４へ与えられる。例えば、高流量バルブ制御信号は、高流量ソレノイドバルブ２０４を使用可能または使用不可能にすることが可能である。低流量バルブ信号は、制御ロジック部３０２によって生成され、低流量ソレノイドバルブ２０５を制御するように制御信号線３２３を介して低流量ソレノイドバルブ２０５へ与えられる。例えば、低流量バルブ制御信号３２３は、低流量ソレノイドバルブ２０５を使用可能または使用不可能にすることが可能である。また、ベース冷却バルブ信号は、制御ロジック部３０２によって生成され、ベース冷却ソレノイドバルブ２０６を制御するように制御信号線３２６を介してベース冷却ソレノイドバルブ２０８へ与えられる。
温度コントローラ３０は、信号線１４を介してサーマルチャック１０の過熱センサに接続された過熱安全コントローラ３０３を備える。チャック温度が、サーマルチャック１０の最大許容温度を超えた場合、サーマルチャックのセンサが信号線１４を介して測温抵抗体（ＲＴＤ）安全信号を過熱安全コントローラ３０３へ送る。過熱安全コントローラ３０３は、温度コントローラ３０のヒーター電源３０１が加熱素子１１へさらに電力を印加するのを防ぐ目的で、リレー３３０をオープンにするために温度コントローラ３０のセーフティーリレー３３０に接続されている。
温度コントローラ３０は、制御ロジック部３０２と過熱安全コントローラ３０３とへ電力を供給するロジック電源３０６を備える。
温度コントローラ３０は、さらに、外部または遠隔のユーザから温度パラメータおよびシステムデータを受け取る遠隔インターフェースを備える。この遠隔インターフェースは、例えば、ＲＳ−２３２やＩＥＥＥ−４８８のインターフェースプロトコルなどの国際Ｉ／Ｏ標準に準拠している。遠隔インターフェースは、ユーザがそれによってシステムを制御できるような遠隔端末やパーソナルコンピュータに接続することが可能である。
このように、ローカルの操作者は、サーマルチャックシステムの動作を制御するためにローカルディスプレイ３０４およびキーボード３０５を使用することができ、遠隔の操作者は、遠隔からサーマルチャックシステムの動作を制御することができる。制御ロジック部３０２は、パスワード保護されたメニュー構造を、操作者にサーマルチャックシステムの所要温度パラメータを定義することを可能にする、ディスプレイ３０４と遠隔コンソールとコンピュータとのいずれかに表示する。これらのパラメータは、関連する温度範囲、冷却水温度、固定ゲイン係数、低流体タイマー、チャックパージ時間、ベースパージ温度を含むが、必ずしもこれらに限定されるものではない。ローカルディスプレイ３０４を介してまたはＩＥＥＥ−４８８またはＲＳ−２３２インターフェースに取り付けられる遠隔コンソール（図示せず）から上記の値を設定することができる。
本発明の温度コントローラ３０の動作を以下にさらに詳細に説明する。上述のように、温度コントローラ３０の制御ロジック部３０２は、サーマルチャックシステムの様々なシステム構成要素から電気入力信号を受け取り、温度コントローラ３０の要求される温度制御機能を実行するために、必要に応じて制御信号をこれらのシステム構成要素に送信する。具体的には、制御ロジック部３０２は、制御信号を生成し、本発明に基づいて、温度変化を含む温度制御を行うために、空気と温度制御された流体とが適切な組み合わせで与えられるように、導体１９を介してこの制御信号をバルブ制御ボックス２０へ転送する。流体は、水または他の水性の流体でもよく、低温動作を可能にするように不凍液を含んでもよい。流体の温度は、温度コントローラ３０と連動して流体源４０によって制御される。流体は、バルブ制御ボックス２０の高流量ソレノイドバルブ２０４を介して、高流量でサーマルチャックシステム１００を通過する。または、流体は、バルブ制御ボックス２０の低流量ソレノイドバルブ２０５を介して低流量で流れる。このようにして、制御ロジック部３０２による温度制御動作は、サーマルチャック１０を循環する流体の温度を制御することによって最適化される。
サーマルチャック１０内の温度センサは、サーマルチャック内の様々な位置での測定温度を収集し、温度コントローラ３０の制御ロジック部３０２に対して温度フィードバックを行う。
温度コントローラ３０は、温度冷却制御機能を実行するために、時間比例制御を使う。具体的には、制御ロジック部３０２は、時間比例コントローラ（図示せず）を使って温度変化の各期間中にサーマルチャック１０への空気と流体との最適比率を決定し、また、この比率に従って、サーマルチャック１０への空気と流体との流れを、空気ソレノイドバルブ２０３と、高流量ソレノイドバルブ２０４と、低流量ソレノイドバルブ２０５とを使用可能または使用不可能にして制御する。
時間比例コントローラは、温度変化開始時に、測定チャック温度から比例帯を計算するゲインスケジューラを備える。この比例帯は、固定ゲイン値、初期測定温度、チャック温度範囲によって決定される。固定ゲイン値は、初期測定温度の温度範囲で流体がチャックにおいて示すある挙動に基づいている。例えば、水が水蒸気に変わる沸点を超える温度では、沸点未満の温度よりも、大量の熱が水の沸騰のために奪われるため、より高いレベルの熱が任意の時点でチャックから奪われる。従って、各場合の固定ゲイン定数は異なる。
ゲインスケジューラは、温度変化の各期間または間隔でのデューティサイクルを計算するために使用された比例帯から、固定変化ゲイン定数を計算する。
デューティサイクルは、変調流体（すなわち水）、パルス幅、または制御作業量（control effort）とも呼ばれ、デューティサイクルスケジューラによって計算される。デューティサイクルスケジューラは、温度変化中に各設定された所定期間において測定されたチャック温度と所望の温度、または、設定温度との差を判断する。この差は、誤差係数と呼ばれる。デューティサイクルは、各所定期間の誤差係数と変化ゲインとを掛け合わせることによって決定する。
温度変化が開始されると、ゲインスケジューラは、比例帯と時間比例コントローラの変化ゲインとを計算する。比例帯と変化ゲインとは、温度変化を通じて一定に保たれる。
温度変化の最初の期間において計算される誤差係数は、最大ずれを有する。しかし、測定温度が、温度コントローラの制御動作に応じて低下してくると、後の各所定期間において温度は低下し、その結果、誤差係数は低下する。新しいデューティサイクルは、後の各期間における誤差係数から計算される。デューティサイクルは、各期間においてチャック１０に与えられる空気と流体との適切な比率を決定する目的で、温度コントローラ３０によって使用される。デューティサイクルに応じて、時間比例コントローラは、適切な割合の空気と流体とが交互にサーマルチャック１０へ供給されるようにソレノイドバルブ２０３、２０４、２０５を制御する。
上述のように、新しいデューティサイクルは、温度変化の各所定期間について計算される。一実施形態において、この期間または間隔は、一般的に４秒に設定されている。各４秒の間隔の間に、その間隔において流体がバルブ制御ボックス２０からチャック１０へ導入される時間部分を決定するためにデューティサイクルは計算される。空気は、４秒の間隔の残りの部分においてチャック１０へ与えられる。従って、通常、流体および空気は、本発明の制御方式によって計算されたデューティサイクルで、空気／流体路２１、２２を介してチャック１０へ交互に供給される。従って、デューティサイクルは、時間比例コントローラが４秒毎の温度制御間隔における水の空気に対する時間割合を制御するのに使用される。従って、本発明は、チャックに供給される流体および空気の量を制御するパルス幅変調方式を提供する。
割合またはデューティサイクルが、実際のチャック温度と所望の温度との差に基づいて計算されたとしても、計算後の流体デューティサイクルまたは割合を１００％としてもよく、その結果、流体が連続的に中断なくチャックへ流れ込むことに留意されたい。デューティサイクルが１００％の場合、この例においては、空気ソレノイドバルブ２０３は、空気がチャック１０へ流出されないように閉じられたままであり、高流量バルブ２０４は、その期間にチャック１０への１００％の流量を提供するために開いたままとなる。具体的には、この制御動作において、高流量ソレノイドバルブ２０４は、所定期間の１００％においてオン状態となる。同期間において、空気ソレノイドバルブ２０３はオフ状態となる。従って、測定温度は低下する。
また、デューティサイクルを１００％以上に計算することが可能であることに留意されたい。デューティサイクルが１００％以上に計算された場合、デューティサイクルスケジューラは、１００％の結果を生成し、これによりもたらされる制御動作は、高流量ソレノイドバルブ２０４を所定期間の１００％においてオン状態となるよう使用可能にし、空気ソレノイドバルブ２０３はオフ状態となる。
その後、次の期間において、流体が流出される時間割合が少なくなるようにデューティサイクルを減少させてもよい。この場合、高流量ソレノイドバルブ２０４は、４秒の間隔全体よりもやや短い間開いており、空気ソレノイドバルブ２０３は、その間隔中、空気がチャック１０に流入するようにいくらかの間開いている。
通常、デューティサイクルは、所定期間ごとにデューティサイクルスケジューラによって計算されている。したがって、測定温度が所望の温度へ近づくにつれて、デューティサイクルは徐々に減少する。温度コントローラ３０は、従って、測定温度が所望の温度へ近づくと、水の空気に対する比率を減らし続けるように空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを制御する。
図４は、本発明による、連続する所定期間または時間間隔において空気と流体との交互切り替えを含めた一連の制御動作を行っている温度コントローラ３０を示したグラフである。図４において、デューティサイクル計算は、その温度の４秒ごとの期間で行われる。図４は、特に、図示されたデューティサイクルに関しては、正確な縮尺ではない。代わりに、本発明の原理を図示することに重点を置いたものであり、図に表される流体時間比率は説明のみを目的としている。
図４は、高温から低温への温度変化を示す。測定温度が、所望の温度よりもずっと高温の場合、流体比率は比較的高くなる。例えば、図４では、最初の４秒期間において高流量ソレノイドバルブ２０４が、この期間の８０％において水を流出することを示している。これを８０％のデューティサイクル、負荷割合、または制御操作量（control effort）と呼ぶ。図４の例の温度変化の間に、高流量ソレノイドバルブ２０４が期間の５０％において流体を流出するようになるまで各期間においてデューティサイクルは減少する。各期間において、空気は、空気ソレノイドバルブ２０３によって流出される。例えば、図４の最初の期間では、空気ソレノイドバルブ２０３は、その期間の２０％において空気をチャックへ流出する。
デューティサイクルスケジューラは、測定温度が不感帯温度範囲に入るまでデューティサイクルを計算する。この測定温度が不感帯温度範囲に入った時点で、時間比例コントローラは、異なる計算（不感帯モードと呼ぶ）と、特にバルブ流出の組み合わせに関する二次的動作とを行う。この加えられる二次的動作は温度領域によって決定される。以下に説明する。
ゲインスケジューリング、デューティサイクルスケジューリング、不感帯モード機能によって、制御された温度変化がもたらされるが、一方で、所望の設定温度以下まで測定温度が低下するアンダーシュートは依然として発生する。本発明の主たる特徴は、アンダーシュートが起きた場合に、温度コントローラ３０が、安定状態になるまで素早く測定温度を安定化させることができることである。これは、冷却動作と加熱動作とを、いずれも温度コントローラ３０の制御下で同時に行うことによって達成される。
このように、本発明の冷却動作は、測定温度を不感帯温度範囲になるまで低下させるように時間比例コントローラによって制御されている。この測定温度が不感帯温度範囲になった時点で、時間比例コントローラは、不感帯モードに入り、これによって、バルブ流出の組み合わせに関して異なる制御動作が発生する。さらに、最小のアンダーシュートという所望の効果を達成するために、加熱動作が同時に加えられてもよい。同時行われる加熱動作については以下に詳細に説明する。
本発明の他の重要な特徴は、時間比例コントローラが、サーマルチャックの温度領域を複数の制御領域に分割することである。サーマルチャック温度領域は、例えば、０℃から３００℃に及ぶ。各制御領域は、上方温度境界と下方温度境界とによって定義される。また、制御領域が所望の設定温度を含む場合には、各制御領域は不感帯温度範囲を備える。上述のように、不感帯温度範囲は、所望の設定温度の上方と下方とに形成され、これによって、所望の設定温度の周囲に不感帯を形成する。
また、各制御領域は、ゲインスケジューラを有する。各制御領域のゲインスケジューラは、その制御領域によって示された温度特性に関して比例帯を計算する。例えば、２５℃〜６０℃の温度領域を有する制御領域は、１５０℃以上の温度領域を有する他の制御領域とは、例えば、サーマルチャックの流体が異なる温度で蒸気を生成する点など、異なる温度特性を示すことがある。特に、１１０℃超の温度を有する制御領域のゲインスケジューラは、１１０℃未満の温度領域を有する制御領域とは異なる計算を使って比例帯を計算する。以下に、様々な制御領域においてゲインスケジューラによって行われる計算を説明する。
また、所望の温度が高温領域を有する制御領域にあった場合、高温制御領域よりも小さいアンダーシュートを有する低温領域を有する制御領域と比較して、大きい（high）アンダーシュートが発生する可能性がある。しかし、時間比例コントローラは、高温制御領域に固有の制御動作を行い、これによってアンダーシュートを最小化することができる。
図５は、本発明の時間比例コントローラがない場合の、様々な温度でのアンダーシュートと、６つの異なる比例帯（すなわち、ＰＢ１０、ＰＢ２０、ＰＢ２５、ＰＢ４０、ＰＢ２００、ＰＢ１００）とを示すグラフである。図５に示されるように、より低い温度でのアンダーシュートと比較した場合、高温でのアンダーシュートは非常に大きくなることがある。例えば、２００℃かつ固定ゲイン（ＰＢ２５）では、従来の温度制御でゲインスケジューリングなしの場合、アンダーシュートは２８℃である。１５０℃では、同様の固定ゲイン（ＰＢ２５）でのアンダーシュートは８℃である。図５は、異なる固定ゲイン下でのアンダーシュートを示しており、これらの固定ゲインは、サーマルチャックの様々なパラメータによって決定される。
図６は、本発明のサーマルチャックシステムのゲインスケジューラ、デューティサイクルスケジューラ、不感帯モードがある場合のアンダーシュートの結果を示すグラフである。本発明の温度コントローラ３０を導入することによって、アンダーシュートは改善される。
図７Ａは、従来のサーマルチャックによる複数の温度変化の結果もたらされるアンダーシュートのグラフである。図７Ｂは、本発明による複数の温度変化の結果もたらされるアンダーシュートのグラフである。
従って、図５から図７Ａ、図７Ｂは、本発明の時間比例コントローラを導入することによって、測定温度と所望の温度との温度幅に係らず、従来のサーマルチャックシステムよりもアンダーシュートが改善されることを示している。以上のように、温度コントローラ３０の時間比例コントローラは、チャックの温度範囲を複数の制御領域と低温領域とに分割することによって、サーマルチャックによって維持される温度範囲の全体にわたって測定されるチャック温度を制御することによりアンダーシュートを最小化することができる。本発明のこの特徴は、以下の例で説明される。
この例では、サーマルチャックの温度範囲は、時間比例コントローラによって５つの異なる制御領域に分割される。各制御領域はゲインスケジューラを有する。また、この例では、各制御領域は不感帯温度範囲を含む。低温領域（この例では「第１制御領域」と呼ぶ）は、約１０℃の低温境界から約２５℃の高温境界によって区分された（marked）温度領域を有する。所望の温度に到達するまで測定チャック温度を低下させる温度変化中に、測定チャック温度が第１制御領域にある場合、所定期間、流体１００％と空気０％とがサーマルチャック１０へ供給されるよう要求する制御動作が実行される。ここで、温度コントローラは、高流量ソレノイドバルブ２０４をオン状態にし、空気ソレノイドバルブ２０３をオフ状態にしてバルブ制御ボックス２０を制御する。また、低流量ソレノイドバルブ２０５はオフ状態となる。ここで、高流量ソレノイドバルブ２０４は連続して開となり、測定温度に係らず、温度制御された流体をサーマルチャックに循環させ続ける。
第１制御領域において、所望の温度に達するまで、流体１００％と空気０％とが加えられる。測定チャック温度が所望のチャック温度に達するまで低下すると、流体の温度は、所望のチャック温度下の固定温度、例えば、所望のチャック温度の１０℃下などに維持される。
第１制御領域での冷却動作中に、測定温度が所望の温度未満まで低下し、好ましくないアンダーシュートが生じたときには、加熱動作が行われてもよい。加熱動作中には、流体温度は、所望のチャック温度が達成されるまで上昇し、定常状態に達する。加熱動作を行うために、ヒーター１１は、閉ループ温度制御下におかれる。このようにして、時間比例コントローラは、測定温度と所望の温度との差を計算する。その結果は、比例積分微分（ＰＩＤ）トポロジーを使ってフィルタリングされる。ＰＩＤは、温度コントローラが、所望の温度まで測定温度を上昇させる熱力レベルを指示するのに使用される。
従って、アンダーシュートを減少させるべく加熱動作と冷却動作とが一緒に行われるように冷却動作中に加熱動作を加えることによって所望の温度が達成されてもよい。また、定常状態を維持するために、冷却動作が行われた後に加熱動作を加えることが必要となることがある。
第１制御領域内で温度変化が起きてもよい。ここで、測定温度と所望の温度とは、両者とも第１制御領域内の温度領域（例えば１０℃〜２５℃）における温度を有する。または、温度変化は、第１制御領域より高い温度の領域を有する制御領域から開始されてもよい。ここで、第１制御領域内での温度変化動作も同様にして行われる。すなわち、温度コントローラは、測定温度が第１制御領域にある期間中に、高流量ソレノイドバルブ２０４をオン状態に設定し、空気ソレノイドバルブ２０３をオフ状態に設定することで、バルブ制御ボックス２０を制御する。第１制御領域では、低流量ソレノイドバルブ２０５はオフ状態に設定され、高流量ソレノイドバルブ２０４は連続的に開、またはオン状態になり、温度制御された流体は、こうしてサーマルチャックを絶えず循環する。
第２の制御領域（この例では「第２制御領域」と呼ぶ）は温度領域、例えば、約２５℃の低温境界から約６０℃の高温境界によって区分された温度領域によって定義される。
測定チャック温度を減少させる温度変化、すなわち、温度冷却動作中に、測定チャック温度が第２制御領域の温度範囲内にある場合、時間比例コントローラは、空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを状態に応じて使用可能にすることによって、所定期間、サーマルチャックへの空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う制御動作を行う。
空気と流体との比率は、第２制御領域のゲインスケジューラとデューティサイクルスケジューラとによって決定される。第２制御領域において、ゲインスケジューラは、以下の式に基づいて、比例帯（ＰＢ）と変化ゲイン（ＴＧ）とを生成し、デューティサイクルスケジューラは、各所定期間におけるデューティサイクル（ＤＣ）を生成する。
比例帯 (PB)=(K/10)×Tchuck, 0/Trange
変化ゲイン (TG)=100/（PB）
デューティサイクル (DC)=（−E）×（TG）
（但し、ＥはE=Tsetpoint−Tchuckによって定義される温度誤差）
定数Ｋは、固定ゲイン値であり、例えば、初期値２７０などの初期値を有する。Ｋは、温度変化の際アンダーシュートの実績に基づいて経験的に決定された定数である。固定定数Ｋは、第２制御領域の温度範囲において水の沸点未満で起こる固有の温度挙動をさらに補償するために、第２制御領域において１０分の１にされることに留意されたい。具体的には、液状の流体は気体の流体（すなわち水蒸気）ほど素早く熱を放出しないため、Ｋは、第２制御領域において１０で除算される。チャック温度(Tchuck, 0)は、温度変化開始時の初期測定チャック温度である。Trangeは、最高チャック温度（例えば３００℃）と、最低水温（例えば０℃）（最低チャック温度ともみなすことも可能）との差として定義される。この例においてTrange=３００℃である。Tsetpointは所望の温度である。誤差係数Ｅは、所望の温度と測定温度との差である。チャック温度Tchuckは、変化中、瞬時に測定された一回のチャック温度である。
例えば、２７０℃から４０℃への温度変化は、Tchuck, 0＝２７０であるから、２４．３の比例帯（ＰＢ）となる。変化ゲイン（ＴＧ）は、４．１１５となる。
上記例において、温度変化の最初の期間、すなわち、チャック温度Tchuckが２７０℃のとき、計算されるデューティサイクル（ＤＣ）は、ＤＣ＝４．１１５×（４０−２７０）＝９４６．４５％である。上述のように、最大デューティサイクルは、１００％である。従って、最初の期間では、１００％のデューティサイクルが使用される。他の例においては、測定温度が６０℃の場合、デューティサイクルは８２．３％であり、これは、高流量ソレノイドバルブ２０４が、その期間の８２．３％において流体をチャックへ流出し、空気ソレノイドバルブ２０３が、その期間の残りの１７．７％において開いていることを示す。デューティサイクルの最低値は、不感帯温度範囲に入るに先立って、通常、８０％に設定される。つまり、高流量ソレノイドバルブ２０４は、所定期間の少なくとも８０％においてオン状態となる。
デューティサイクルスケジューラは、不感帯に到達するまで８０％の最低デューティサイクルを維持する。到達した時点で、最小５０％のデューティサイクル、すなわち、所定期間の要求比率流体５０％空気５０％、が使用される。第２制御領域の不感帯温度範囲では、デューティサイクルを５０％未満にすることはできない。例えば、所望の温度が４０℃でかつ測定温度が４５℃であった場合、デューティサイクルは２０．５７％と計算される。しかし、これは要求されるデューティサイクル５０％に満たないので、５０％の流体と５０％の空気とが生成されるように最小デューティサイクル５０％は維持されなければならない。
不感帯モードでは、時間比例コントローラは、設定された期間（例えば５分）の間に５０％のデューティサイクルが達成されるように空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを制御する。また、測定温度を安定させるために、必要に応じて熱が加えられる。設定された時間が終了（expire）すると、第２制御領域は、低流量ソレノイドバルブ２０５をオン状態にし、このときサーマルチャックに低流量の流体が流入される。このようにして、チャック温度が第２制御領域の不感帯に入るようにチャック温度が低下されると、流出ポートと流路２２（図１）とを介してサーマルチャック１０から熱を運ぶ流体を放出し、流体流入ポートと流路２１（図１）とを介してチャック１０へ低流量の流体を流入させることによって、低流量の流体がコントローラから熱を取り除くことが可能となる。
測定温度は、第２制御領域における冷却動作中に冷却動作によって所望の温度未満まで低下し、よって好ましくないアンダーシュートを生じる。加熱動作は、第１制御領域の加熱動作と同じように行われる。すなわち、加熱動作の際、流体温度は、所望のチャック温度が得られるまで上昇する。
サーマルチャックシステムが、定常状態にあり、これによって測定チャック温度と所望のチャック温度との差の大きさが最小の所定のずれを有する場合、低流量ソレノイドバルブ２０５は引き続きオン状態となり流体がサーマルチャック１０を循環し続けるようにして、これによってサーマルチャックシステムが定常状態に留まるようにする。流体の温度は、所望のチャック温度を下回る設定温度、例えば、所望のチャック温度の１０℃下、または、４５℃超の所望のチャック温度に対して３５℃に維持される。
温度冷却動作中に所望の温度が得られ、これによってサーマルチャックシステムが定常状態となっても、定常状態を維持するために加熱動作行う必要がある場合もあり、これにより上記の加熱動作が行われる。
第３の制御領域（この例では「第３制御領域」と呼ぶ）は温度領域、例えば、約６０℃の低温境界から約１１０℃の高温境界によって区分された温度領域によって定義される。
冷却動作中に、測定チャック温度が第３制御領域の温度範囲内になると、制御範囲３のコントローラプロセスは、空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを状態に応じて使用可能にすることによって、所定期間、サーマルチャックへの空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う制御動作を行う。
空気と流体との比率は、第３制御領域のゲインスケジューラによって決定される。第３制御領域において、ゲインスケジューラは、以下の式に基づいて、比例帯（ＰＢ）と変化ゲイン（ＴＧ）を生成し、デューティサイクルスケジューラは、温度変化の各所定期間におけるデューティサイクル（ＤＣ）を生成する。
比例帯 (PB)=(K/10)×Tchuck, 0/Trange
変化ゲイン (TG)=100/（PB）
デューティサイクル (DC)=（−E）×（TG）
（但し、ＥはE=Tsetpoint−Tchuckによって定義される温度誤差）
定数Ｋは、固定ゲイン値であり、例えば、初期値２７０などの初期値を有する。Ｋは、温度変化の際アンダーシュートの実績に基づいて経験的に決定された定数である。固定定数Ｋは、第２制御領域と同様の理由により、第３制御領域の温度範囲において起こる固有の温度挙動をさらに補償するために、第３制御領域において１０の因数によって減じられることに留意されたい。チャック温度(Tchuck, 0)は、温度変化開始時の初期測定チャック温度である。Trangeは、最高チャック温度（例えば３００℃）と、最低水温（例えば０℃）（最低チャック温度とみなすことも可能）との差として定義される。この例において、Trange=３００℃である。Tsetpointは所望の設定温度である。誤差係数Ｅは、所望の温度と測定温度との差である。チャック温度Tchuckは、変化中、瞬時に測定された一回のチャック温度である。
例えば、２５０℃から１００℃への温度変化は、２２．５の比例帯（ＰＢ）となる。この比例帯での変化ゲイン（TG）は、４．４４である。温度変化中の測定温度が２５０℃の場合、デューティサイクルスケジューラは、デューティサイクル（ＤＣ）を、（１００−２５０）×４．４４＝６６６％と計算する。上述のように、最大デューティサイクル１００％が許容される。従って、高流量ソレノイドバルブ２０４は、この期間の１００％においてチャックへ流体を流出する。温度変化中１１５℃では、デューティサイクルは６６．６％と計算される。１１０℃では、デューティサイクルは４４．４％と計算される。
さらに、第３制御領域は、所望のチャック温度が、例えば、６０℃〜１１０℃の第３制御領域の温度範囲内にある場合に、不感帯温度範囲を備える。測定チャック温度が、第３制御領域の不感帯温度範囲に入ると、サーマルチャックシステムは、固定期間（fixed duration）中、比例空気／低流量流体状態に入る。固定期間は調整可能であるが、通常、１０分に設定される。比例空気／低流量流体状態では、第３制御領域の時間比例コントローラは、固定期間中、空気ソレノイドバルブ２０３と低流量ソレノイドバルブ２０５とを使用可能にすることによって、チャックへの空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う。チャックへの空気と低流量流体との割合をこのように交互に切り替えることによって、温度変化中に生じるアンダーシュートを減少させる。時間が終了（expire）すると、空気ソレノイドバルブは、チャック１０からすべての流体をパージする（purge）ために、３０秒間にわたって使用可能になる。ここでコントローラプロセスは、高流量ソレノイドバルブ２０４と低流量ソレノイドバルブ２０５とをオフ状態にし、空気ソレノイドバルブ２０３を使用可能、すなわち、オン状態にする。
冷却動作中に、測定温度が所望の温度未満となり、その結果好ましくないアンダーシュートが生じると、測定温度を安定化させる、つまり、アンダーシュートを最小化させるために加熱動作が行われる。
前述の冷却動作が発生した後、サーマルチャックシステムは、定常状態に落ち着く。システムが定常状態になると、バルブ２０３、２０４、２０５は使用不可能となるか、または、オフ状態となる。この時点で、空気、流体のいずれもチャックを流れない。しかしながら、第１および第２制御領域のように、定常状態を維持するために加熱動作を行う必要がある場合もある。加熱動作は、低温領域に関して上記の加熱動作と同じように行われてよい。
測定チャック温度が第３制御領域の不感帯領域に達した場合、サーマルチャックシステムは、固定期間中、比例空気制御状態に入る。固定期間は、ユーザによって設定可能であるが、通常、１０分に設定される。ここで、高流量ソレノイドバルブ２０４と低流量ソレノイドバルブ２０５とは、使用不可能、すなわち、オフ状態となる。デューティサイクルスケジューラによって計算されたデューティサイクルに従って、制御された割合で空気がチャックへ導入されるように、空気ソレノイドバルブ２０３は使用可能および使用不可能を交互に切り替える。測定温度は、これによって所望のチャック温度が得られるまで増加する。
上記の冷却および加熱動作が行われた後、サーマルチャックシステムは定常状態に落ち着く。サーマルチャックシステムが定常状態になると、本システムのバルブ２０３、２０４、２０５は使用不可能、すなわち、オフ状態となる。このようにして、空気、流体のいずれもチャックを流れない。
第４の制御領域（この例では「第４制御領域」と呼ぶ）は、第３の制御領域以上の第４の温度範囲によって定義される。第４制御領域の温度範囲は、例えば、１１０℃の低温境界から１５０℃の高温境界によって区分される。
冷却動作中に、測定チャック温度が第４制御領域の温度範囲内になると、第４制御領域のコントローラプロセスは、空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを状態に応じて使用可能にすることによって、所定期間、サーマルチャックへの空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う制御動作を行う。
空気と流体との比率は、第４制御領域のコントローラプロセスのゲインスケジューラによって決定される。第４制御領域において、ゲインスケジューラは、以下の式に基づいて、比例帯（ＰＢ）と変化ゲイン（ＴＧ）を生成し、デューティサイクルスケジューラは、温度変化の各所定期間におけるデューティサイクル（ＤＣ）を生成する。
比例帯 (PB)=K×Tchuck, 0/Trange
変化ゲイン (TG)=100/（PB）
デューティサイクル (DC)=（−E）×（TG）
（但し、ＥはE=Tsetpoint−Tchuckによって定義される温度誤差）
定数Ｋは、固定ゲイン値であり、例えば、初期値２７０をなどの初期値を有する。チャック温度(Tchuck, 0)は、温度変化開始時の初期測定チャック温度である。Trangeは、最高チャック温度（例えば３００℃）と、最低水温（例えば０℃）（最低チャック温度とみなすことも可能）との差として定義される。この例において、Trange=３００℃である。Tsetpointは所望の設定温度である。誤差係数Ｅは、所望の温度と測定温度との差である。チャック温度Tchuckは、変化中、瞬時に測定された一回のチャック温度である。
さらに、第４制御領域は、所望のチャック温度が第４制御領域の温度範囲内にある場合に、不感帯温度範囲を備える。冷却温度変化中に、測定チャック温度が第４制御領域の不感帯温度範囲に入ると、サーマルチャックシステムは、固定期間（例えば１０分）中、比例空気／低流量流体状態に入る。比例空気／低流量流体状態において、第４制御領域の時間比例コントローラプロセスは、この固定期間にわたって、空気ソレノイドバルブ２０３と低流量ソレノイドバルブ２０５とを使用可能にすることによって、サーマルチャックへの空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う。チャックへの空気と低流量流体との割合をこのように交互に切り替えることによって、温度変化中に生じるアンダーシュートをさらに減少させる。第３制御領域のように、固定期間が終了してチャック１０からすべての流体をパージするとき、空気ソレノイドバルブは使用可能になる。ここでコントローラプロセスは、高流量ソレノイドバルブ２０４と低流量ソレノイドバルブ２０５とをオフ状態にし、空気ソレノイドバルブ２０３をオン状態にする。
冷却動作中に、測定温度が所望の温度未満となり、好ましくないアンダーシュートが生じると、第３制御領域と同じように、測定温度を安定化させる、つまり、アンダーシュートを最小化させるために冷却動作と並行して加熱動作が行われる。
上記の冷却および加熱動作が行われた後、サーマルチャックシステムは定常状態に落ち着く。サーマルチャックシステムが定常状態になると、本システムのバルブ２０３、２０４、２０５は使用不可能、すなわち、オフ状態となる。この時、空気、流体のいずれもチャックを流れない。
第５の制御領域（この例では「第５制御領域」と呼ぶ）は、第５の温度範囲、例えば、１５０℃の低温境界から３００℃の高温境界によって区分された温度領域によって定義される。
冷却動作中に、測定チャック温度が第５制御領域の温度領域内になると、第５制御領域のコントローラプロセスは、空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを状態に応じて使用可能にすることによって、所定期間、サーマルチャックへの空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う制御動作を行う。
空気と流体との比率は、第５制御領域のコントローラプロセスのデューティサイクルスケジューラによって決定される。第５制御領域において、ゲインスケジューラは、以下の式に基づいて、比例帯（ＰＢ）と変化ゲイン（ＴＧ）を生成し、デューティサイクルスケジューラは、温度変化の各所定期間におけるデューティサイクル（ＤＣ）を生成する。
比例帯 (PB)=K×Tchuck, 0/Trange
変化ゲイン (TG)=100/（PB）
デューティサイクル (DC)=（−E）×（TG）
（但し、ＥはE=Tsetpoint-Tchuckによって定義される温度誤差）
定数Ｋは、固定ゲイン値であり、例えば、初期値２７０をなどの初期値を有する。初期チャック温度(Tchuck, 0)は、温度変化開始時の初期測定チャック温度である。Trangeは、最高チャック温度（例えば、３００℃）と、最低水温および最低チャック温度（例えば０℃）との差として定義される。この例において、Trange=３００℃である。誤差係数Ｅは、所望の温度と測定温度との差である。チャック温度Tchuckは、変化中、瞬時に測定された一回のチャック温度である。
第５制御領域は、所望のチャック温度が第５制御領域の温度範囲内にある場合に、不感帯温度範囲を備える。冷却温度変化中に、測定チャック温度が第５制御領域の不感帯温度範囲に入ると、第５制御領域の時間比例コントローラは、空気ソレノイドバルブ２０３を使用可能にし、これによって空気ソレノイドバルブ２０３はオン状態となり、チャックから流体を放出（expel）する。この時、高流量ソレノイドバルブ２０４および低流量ソレノイドバルブ２０５はオフ状態になる。第５制御領域の温度範囲において水蒸気が生じ、それによってチャック１０の動作が不安定になりうるというリスクがあるため、第５制御領域の温度範囲においてサーマルチャック１０から流体を放出することは重要である。このように、第１、第２、第３、第４制御領域は異なり、測定温度が第５制御領域の不感帯温度範囲内にある場合には、流体はチャックに存在しない。
流体がチャックからパージされた後、サーマルチャックシステムは、固定期間にわたって、比例空気制御状態へ入る。固定期間は調整可能であるが、通常、１０分に設定される。ここで、高流量ソレノイドバルブ２０４と低流量ソレノイドバルブ２０５とは、使用不可能、すなわち、オフ状態となる。冷たい空気が、例えば、２℃の比例帯などの計算された空気比例帯に従って、制御された割合でサーマルチャックへ供給されるように、空気ソレノイドバルブ２０３は、交互に使用可能と使用不可能とを切り替えられる。空気ソレノイドバルブ２０３は、潜熱に対してチャック温度を安定化させるために、固定期間にわたってオン状態のままとなる。空気ソレノイドバルブ２０３は、固定期間のある割合だけオン状態となり、高流量ソレノイドバルブ２０４および低流量ソレノイドバルブ２０５は、オフ状態のままとなる。この期間が終了すると、空気ソレノイドバルブ２０３は使用不可能、すなわち、オフ状態となる。
冷却動作中に、測定温度が所望の温度未満となり、好ましくないアンダーシュートが生じると、測定温度を安定化させる、つまり、アンダーシュートを最小化させるために冷却動作に加えて加熱動作が行われる。
上記の冷却動作の後、サーマルチャックシステムは定常状態に落ち着く。サーマルチャックシステムが定常状態になると、ソレノイドバルブ２０３、２０４、２０５は使用不可能、すなわち、オフ状態となる。このようにして、空気、流体のいずれもチャックを流れない。
図８は、本発明による複数の制御領域で起こる温度変化の結果を説明する状態図である。前の例で使用された第１制御領域から第５制御領域は、この説明図に適用可能である。
状態１において、温度コントローラ３０は、アイドル状態にある。アクティブな温度動作はない。温度コントローラ３０は、流体源４０に対して、流体温度を５℃に維持するように指示を生成する。バルブ２０３、２０４、２０５はオフである。ヒーター１１はオフである。
状態２において、温度コントローラ３０は、温度変化指示を受け取る。バルブ２０３、２０４、２０５およびヒーター１１は、オフである。指示が、加熱動作を含む温度変化を行うとの指示であれば、温度コントローラ３０は、状態３から始まる加熱動作を行う。指示が、冷却動作を含む温度変化を行うとの指示であれば、温度コントローラ３０は、状態４から始まる冷却動作を行う。
状態３において、温度コントローラ３０は、加熱動作を行うための温度変化指示を受け取る。チャック１０が流体を含んでいるかどうかに関して制御決定がなされる。含む（Ｙｅｓ）の場合、温度コントローラは状態５へ入る。含まない（Ｎｏ）の場合、温度コントローラは状態６へ入る。バルブ２０３、２０４、２０５およびヒーター１１はオフである。
状態５において、温度コントローラ３０は、チャックから流体を３０秒間パージする。空気ソレノイドバルブ２０３はオン状態である。高流量ソレノイドバルブ２０４および低流量ソレノイドバルブ２０５はオフ状態である。ヒーター電源は使用可能となり、ヒーター１１は、上述のように、閉ループ温度制御される。
状態６において、ヒーター１１は、チャックを所望の温度まで加熱する。所望の温度、または、設定温度に達した場合、バルブ２０３、２０４、２０５はオフ状態となり、ヒーター１１は閉ループ温度制御下となる。温度コントローラ３０は、流体源４０に対して、５℃〜３５℃の温度範囲内で、流体の温度を所望のチャック温度よりも１０℃下に維持するように指示を生成する。所望のチャック温度が、第３、第４、第５制御領域にある場合、温度コントローラは、流体源４０に対して、流体温度を５℃に維持するように指示を生成する。
状態７において、制御動作は、所望の温度に基づき、温度コントローラによって行われる。所望の温度が第１制御領域にある場合、制御動作は状態８において行われる。所望の温度が第２制御領域にある場合、制御動作は状態９において行われる。所望の温度が第３制御領域、または第４制御領域、または第５制御領域にある場合、制御動作は状態１０において行われる。
状態８において、測定温度と所望の温度とはいずれも、第１制御領域（例えば１０℃〜２５℃）にある。高流量ソレノイドバルブ２０４はオン状態になる。バルブ２０３、２０５はオフ状態である。チャック温度は、所望の温度に達するまで上昇する。第１制御領域では流体が連続的にチャック１０を流れているため、測定温度と所望の温度とのずれが約０℃となるように正確な所望の温度を維持するように、ヒーター１１によって、熱が加えられる。
状態９において、測定温度と所望の温度とはいずれも、第２制御領域（例えば２５℃〜６０℃）にある。この状態において、低流量ソレノイドバルブ２０５はオン状態になる。バルブ２０３、２０4はオフ状態である。チャック温度は、所望の温度に達するまで上昇する。流体が連続的に第１制御領域のチャック１０を流れているため、測定温度と所望の温度との温度差が約０℃となるように所望の温度を正確に維持するように、ヒーター１１によって、熱が加えられる。
状態１０において、測定温度と所望の温度とは、第３、第４、第５制御領域（例えば、６０℃以上）にある。温度コントローラ３０は、測定温度が所望の温度よりも低い場合は、上述のように、比例帯計算を行う。加熱動作の間、例えば、定常状態を維持するために、低温領域に関して上記された加熱動作と同じように加熱動作を行ってもよい。このようにして、測定温度は、所望のチャック温度が得られるまで上昇する。温度コントローラは、所望の温度を正確に維持するために必要に応じて加熱動作を行う。
状態１１において、状態８、９、１０の温度変化は完了する。この状態において、測定温度は定常状態となる。温度コントローラ３０は、新しい温度変化指示を受け取られるまで状態１１に留まり、そして状態２へ進む。
状態４において、温度コントローラ３０は、冷却動作を行うための温度変化指示を受け取る。流体源４０は、５℃の温度を維持するように指示を受ける。ヒーター１１はオフである。ゲインスケジューラは、時間比例コントローラによって温度変化の時間に使用される比例帯と変化ゲインとを計算する。さらに、デューティサイクルスケジューラは、バルブ２０３、２０４、２０５を状態に応じて制御するために、温度変化の各期間のデューティサイクルを計算する。
状態１２において、空気ソレノイドバルブ２０３および高流量ソレノイドバルブ２０４は、上述のように、計算された時間比率に従って使用可能と使用不可能とになる。ヒーター１１はオフである。温度コントローラ３０は、所望の温度と所定の不感帯とから不感帯温度領域を決定する。例えば、不感帯が、＋／−５℃であれば、不感帯温度領域は、所望の設定温度＋／−５℃である。不感帯温度範囲に達すると、上述のように、二次的制御動作、特に、不感帯モード制御動作が実行される。ヒーター１１はオフである。
状態１３において、二次的制御動作は、所望の温度に基づいて温度コントローラ３０によって行われる。所望の温度が第１制御領域にある場合、二次的制御動作は、状態１４で行われる。所望の温度が第２制御領域にある場合、二次的制御動作は、状態１５で行われる。所望の温度が第３制御領域にある場合、二次的制御動作は、状態１６で行われる。所望の温度が第４制御領域にある場合、二次的制御動作は、状態１７で行われる。所望の温度が第５制御領域にある場合、二次的制御動作は、状態１８で行われる。
状態１４では、上記の第１制御領域における制御動作が行われる。具体的には、測定温度が所望の温度に達した場合、高流量ソレノイドバルブ２０４が使用可能となり、ヒーター１１が使用可能となる。さらに、流体源４０は、所望の設定温度の１０℃下（５℃を低温境界とする）の流体温度を維持するように指示を受ける。温度コントローラは、ヒーター１１を制御して、測定温度と所望の温度との温度差が約０℃となるように熱を加えることにより、流体温度をオフセットし、所望の温度を正確に維持する。
状態１５において、上記のような第２制御領域における制御動作が行われる。具体的には、測定温度が第２制御領域の不感帯温度範囲に達した場合、時間比例コントローラは、上述のように５０％のデューティサイクルに基づき、制御動作を行う。流体源４０は、所望の設定温度の１０℃下（５℃を低温境界とする）の流体温度を維持するように指示を受ける。温度コントローラは、ヒーター１１を制御して、測定温度と所望の温度との温度差が約０℃となるように熱を加えることにより、流体温度をオフセットし、所望の温度を正確に維持する。
状態１６において、上記のような第３制御領域における制御動作が行われる。具体的には、デューティサイクルスケジューラは、各期間のデューティサイクルについて、冷却動作においては測定温度が所望の温度よりも高いと計算する。測定温度が、第３制御領域の不感帯温度領域において所望の温度に達した場合は、時間比例コントローラは、上記のように、低流量ソレノイドバルブ２０５と空気ソレノイドバルブ２０３とを適用することによって制御動作を行う。さらに、流体源４０は、測定温度が定常状態へ達するまでは、５℃の温度を維持するように指示を受ける。時間（duration）として上述の１０分の時間（timer）が終了した後、チャックから全ての流体を取り除く目的で、３０秒間にわたって、低流量ソレノイドバルブ２０５はオフ状態となり、空気ソレノイドバルブ２０３は使用可能、つまりオン状態となる。温度コントローラは、ヒーター１１を制御して、測定温度と所望の温度との温度差が約０℃となるように熱を加えることにより、流体温度をオフセットし、所望の温度を正確に維持する。
状態１７において、上述のように、第４制御領域において制御動作が行われる。具体的には、デューティサイクルスケジューラが、デューティサイクルスケジューラは、各期間のデューティサイクルについて、冷却動作において測定温度が所望の温度よりも高いと計算する。測定温度が、第４制御領域にある場合には、時間比例コントローラは、上記のように、空気ソレノイドバルブ２０３と高流量ソレノイドバルブ２０４とを状態に応じて使用可能にすることによって、サーマルチャックへの空気と流体の流入を制御された割合で交互に行う。さらに、第４制御領域の不感帯領域において測定温度が所望の温度へ到達した場合、コントローラプロセスは、空気ソレノイドバルブ２０３と低流量ソレノイドバルブ２０５とを固定期間、例えば１０分間利用可能にすることによって、空気と流体との流入を制御された割合で交互に行う。第３制御領域と同じように、空気ソレノイドバルブ２０３は、時間が終了し、全ての流体がパージされるときに、使用可能となる。ここで、高流量ソレノイドバルブ２０４および低流量ソレノイドバルブ２０５はオフ状態となり、空気ソレノイドバルブはオン状態となる。
状態１８において、上記のような第５制御領域における制御動作が行われる。具体的には、ゲインスケジューラは、測定温度が所望の温度よりも高い場合には、比例帯計算を行う。測定温度が所望の温度に達したときに、ヒーター１１は使用可能になる。バルブ２０３、２０４、２０５はオフ状態となる。また、流体源４０は、測定温度が定常状態へ達するまでは、５℃の温度を維持するように指示を受ける。温度コントローラは、ヒーター１１を制御して、測定温度と所望の温度との温度差が約０℃となるように熱を加えることにより、流体温度をオフセットし、所望の温度を正確に維持する。
本発明を、本発明の実施形態を参照しながら、具体的に示し、説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義されるように、本発明の真意および範囲を逸脱することなく、本明細書の中の形態および詳細の種々の変更が可能であることは当業者によって理解されるであろう。
本発明の一実施形態に係るサーマルチャックシステムの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る図１に示すバルブ制御ボックスの概略ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る図１に示す温度コントローラの概略ブロック図である。 本発明に係る図３に示す温度コントローラによって行われる、所定期間に空気と流体とを交互に切り替えることを含む一連の制御動作を示すグラフである。 本発明のゲインスケジューリングのないサーマルチャックにおける様々な温度でのアンダーシュートを示すグラフである。 本発明に係るゲインスケジューラと、デューティサイクルスケジューラと、不感帯モードとに反応する温度アンダーシュートを示すグラフである。 本発明に係る温度制御方式のないサーマルチャックにおいて、冷却動作中に複数の温度変化によってもたらされるアンダーシュートを示すグラフである。 本発明に係る温度制御方式を使用する冷却動作中に複数の温度変化によってもたらされるアンダーシュートを示すグラフである。 本発明に係る複数の制御領域において発生する温度変化結果を示す状態図である。

Claims (49)

  1. チャック用温度制御システムであって、
    空気源から空気を受け取る第１の流入口と、
    流体源から流体を受け取る第２の流入口と、
    前記チャックの表面温度を制御するために空気と流体とをある割合で交互にチャックへ搬送する少なくとも一つの流出口と、
    を備える温度制御システム。
  2. 前記流体が温度制御されていることを特徴とする、
    請求項１に記載の温度制御システム。
  3. 前記流体は水を含むことを特徴とする、
    請求項１に記載の温度制御システム。
  4. 前記表面温度の上昇を制御する第１の温度制御システムと、
    設定された所定の期間中に空気と流体とを前記ある割合で交互に切り替えることによって前記表面温度の低下を制御する第２の温度制御システムであって、低温プロセスと、複数の制御領域間の温度変化を管理するコントローラプロセスとを備える第２の温度制御システムと、をさらに備える、
    請求項１に記載の温度制御システム。
  5. サーマルチャックシステムであって、
    空気源から空気を受け取る第１の流入口と、
    流体源から温度制御された流体を受け取る第２の流入口と、
    空気と流体とをある割合で交互にサーマルチャックへ搬送する少なくとも一つの流出口と、
    表面温度の上昇を制御する第１の温度制御システムと、
    設定された所定の期間中に空気と流体とを前記ある割合で交互に切り替えることによって前記表面温度の低下を制御する第２温度制御システムであって、低温プロセスと、複数の制御領域間の温度変化を管理するコントローラプロセスとを備える第２の温度制御システムと、
    を備えるサーマルチャックシステム。
  6. 前記流体は水を含むことを特徴とする、
    請求項５に記載のサーマルチャックシステム。
  7. 前記サーマルチャックは、２００ｍｍサーマルチャックおよび３００ｍｍサーマルチャックのいずれか一つであることを特徴とする、
    請求項５に記載のサーマルチャックシステム。
  8. バルブ制御ボックスと、時間比例コントローラとをさらに備える、
    請求項５に記載のサーマルチャックシステム。
  9. 前記バルブ制御ボックスは、空気を流出させる空気バルブと、前記温度制御された流体を流出させる流体バルブとを備えることを特徴とする、
    請求項８に記載のサーマルチャックシステム。
  10. 前記流体バルブは、高流量ソレノイドバルブおよび低流量ソレノイドバルブのいずれか一つであることを特徴とする、
    請求項９に記載のサーマルチャックシステム。
  11. 前記空気バルブと前記流体バルブとが、前記コントローラに対応して、空気と流体とを交互モードで流出させることを特徴とする、
    請求項９に記載のサーマルチャックシステム。
  12. 前記バルブ制御ボックスは、ベース冷却を行うベース空気バルブをさらに備えることを特徴とする、
    請求項８に記載のサーマルチャックシステム。
  13. 請求項８に記載のサーマルチャックシステムであって、
    前記時間比例コントローラは、
    前記サーマルチャックから測定温度情報を受け取るインターフェースと、
    前記複数の制御領域と、複数の低温領域とを定義する制御領域演算装置と、
    各制御領域におけるコントローラプロセスと、
    各低温領域における低温プロセスと、
    を備えることを特徴とするサーマルチャックシステム。
  14. 前記制御領域演算装置は、温度境界によって各制御領域と各低温領域とを定義することを特徴とする、
    請求項１３に記載のサーマルチャックシステム。
  15. 請求項５に記載のサーマルチャックシステムであって、
    第１の温度が前記複数の制御領域のうち第１の制御領域にある場合には、前記第１の制御領域の第１のコントローラプロセスが、空気と流体との割合を調整し、前記第１の温度が第２の制御領域の第２の温度へ変化した場合には、前記第２の制御領域の第２のコントローラプロセスが空気と流体との割合調整することを特徴とするサーマルチャックシステム。
  16. 前記第１の制御領域と前記第２の制御領域とが同じであることを特徴とする、
    請求項１５に記載のサーマルチャックシステム。
  17. 前記第１の制御領域と前記第２の制御領域とが、前記複数の制御領域のうち異なる制御領域であることを特徴とする、
    請求項１５に記載のサーマルチャックシステム。
  18. 前記第２の制御領域における不感帯領域は、前記第２の温度に対して近似温度領域を備え、前記第２のコントローラプロセスは、前記第１の温度から前記第２の温度への変化中にアンダーシュートを減少させるように前記不感帯領域を制御することを特徴とする、
    請求項１５に記載のサーマルチャックシステム。
  19. 前記第２のコントローラプロセスは、前記第１の空気流入と、前記第２の流体流入とをある割合で交互に切り替えることによって前記アンダーシュートを減少させることを特徴とする、
    請求項１８に記載のサーマルチャックシステム。
  20. 前記第２のコントローラプロセスは、前記第１の空気流入と、前記第２の流体流入とを不可能にすることによって前記アンダーシュートを減少させることを特徴とする、
    請求項１８に記載のサーマルチャックシステム。
  21. 前記サーマルチャックシステムにチャック温度測定を提供する温度センサをさらに備える、
    請求項５に記載のサーマルチャックシステム。
  22. 各コントローラプロセスは、前記所定期間の比例帯を計算するゲインスケジューラを備え、前記比例帯は、前記所定期間の前記チャックへの空気流入と流体流入との割合を決定し、前記比例帯は、前記チャック温度測定に応じて計算されることを特徴とする、
    請求項５に記載のサーマルチャックシステム。
  23. サーマルチャックを制御する時間比例コントローラであって、
    前記サーマルチャックから測定チャック表面温度を受け取るインターフェースと、
    複数の制御領域と低温領域とを定義する制御領域演算装置と、
    各制御領域におけるコントローラプロセスであって、前記制御領域と前記低温領域との間の温度変化を制御するコントローラプロセスと、
    各低温領域における低温プロセスと、
    を備える時間比例コントローラ。
  24. 請求項２３に記載のコントローラであって、
    各制御領域の前記コントローラプロセスは、
    設定された所定期間の前記サーマルチャックへの空気流入と流体流入との割合を決定する比例帯を、前記複数の制御領域のそれぞれにおいて計算するゲインスケジューラと、
    各制御領域における不感帯温度範囲を定義し、前記温度変化中に生成されたアンダーシュートを減少させる不感帯モードと、
    を備えることを特徴とするコントローラ。
  25. 各制御領域および低温領域は、温度境界によって分離されていることを特徴とする、
    請求項２３に記載のコントローラ。
  26. 前記コントローラは、測定温度が不感帯温度範囲になったとき、前記所定期間の空気流入と流体流入との前記割合を無効にすることによってアンダーシュートを最小化することを特徴とする、
    請求項２４に記載のコントローラ。
  27. 前記測定温度が所望の温度よりも低い場合には、前記測定温度を前記所望の温度へ変化させるためにヒーターをさらに制御する、
    請求項２４に記載のコントローラ。
  28. 前記測定温度が前記所望の温度よりも高い場合には、前記測定温度を前記所望の温度へ変化させるために複数のバルブをさらに制御する、
    請求項２７に記載のコントローラ。
  29. チャック温度を制御する方法であって、
    空気源から空気を受け取るステップと、
    流体源から流体を受け取るステップと、
    空気と流体とをある割合で交互に前記チャックへ搬送するステップと、
    を備えるチャック温度制御方法。
  30. 前記流体の温度を制御するステップをさらに備える、
    請求項２９に記載の方法。
  31. 前記チャックの表面温度の上昇を制御するステップと、
    設定された所定期間に、空気と流体とを前記ある割合で交互に切り替えることによって、前記表面温度の低下を制御するステップと、をさらに備える
    請求項２９に記載の方法。
  32. 複数の制御領域間での温度変化を管理するステップをさらに備える、
    請求項３１に記載の方法。
  33. チャックの温度を制御する方法であって、
    空気源から空気を受け取るステップと、
    流体源から温度制御された流体を受け取るステップと、
    空気と流体とをある割合で交互に前記チャックへ搬送するステップと、
    前記チャック温度の上昇を制御または抑制するステップと、
    設定された所定期間に、空気と流体とを前記ある割合で交互に切り替えることによって、チャックの表面温度の低下を制御または抑制するステップと、
    複数の制御領域と低温領域との間の温度変化を管理するステップと、
    を備える方法。
  34. 時間比例コントローラに対応して、空気と流体とが交互モードで流出されることを特徴とする、
    請求項３３に記載の方法。
  35. 前記チャックから測定温度情報を受け取るステップをさらに備える、
    請求項３４に記載の方法。
  36. 各制御領域と低温領域とが温度境界によって定義されることを特徴とする、
    請求項３３に記載の方法。
  37. 第１の温度が第１の制御領域にある場合には、前記複数の制御領域のうち第１の制御領域において空気と流体との割合を調整するステップと、前記第１の温度が第２の制御領域の第２の温度へ変化した場合には、前記第２の領域において空気と流体との割合を調整するステップと、をさらに備える
    請求項３３に記載の方法。
  38. 前記第１の制御領域と前記第２の制御領域とが同じであることを特徴とする、
    請求項３７に記載の方法。
  39. 前記第１の制御領域と前記第２の制御領域とが、前記複数の制御領域のうち異なる制御領域であることを特徴とする、
    請求項３７に記載の方法。
  40. 近似温度領域を前記第２の制御領域における不感帯領域として、前記第２の温度に対して備えるステップと、前記第１の温度から前記第２の温度への変化中にアンダーシュートを減少させるように前記不感帯領域を制御するステップとをさらに備える、
    請求項３７に記載の方法。
  41. 空気と流体とをある割合で交互に切り替えることによって前記アンダーシュートを減少させるステップをさらに備える、
    請求項４０に記載の方法。
  42. 空気の流入と流体の流入とを無効にすることによって前記アンダーシュートを減少させるステップをさらに備える、
    請求項４０に記載の方法。
  43. 前記所定期間の比例帯を計算するステップをさらに備え、
    前記比例帯は、前記所定期間の前記チャックへの空気流入と流体流入との割合を決定し、前記比例帯は、前記チャック温度測定に応じて計算されることを特徴とする、
    請求項３３に記載の方法。
  44. チャック温度を制御する方法であって、
    サーマルチャックから測定チャック表面温度を受け取るステップと、
    複数の制御領域であって各制御領域がコントローラプロセスを有する前記複数の制御領域と、複数の低温領域であって各低温領域が低温プロセスを有する前記複数の低温領域とを定義するステップと、
    前記制御領域と前記低温領域との温度の間の変化を制御するステップと、
    を備えるチャック温度を制御する方法。
  45. 各制御領域および低温領域は、温度境界によって分離されていることを特徴とする、
    請求項４４に記載の方法。
  46. 前記制御領域と低温領域との間の温度変化を制御するステップは、
    設定された所定期間の前記サーマルチャックへの空気流入と流体流入との割合を決定する比例帯を、各制御領域において計算するステップと、
    各制御領域において不感帯温度範囲を決定し、前記温度変化中に生成されたアンダーシュートを減少させるステップと、をさらに備えることを特徴とする、
    請求項４４に記載の方法。
  47. 測定温度が前記不感帯温度範囲になったとき、前記所定期間の空気流入と流体流入との前記割合を無効にすることによってアンダーシュートを最小化するステップをさらに備える、
    請求項４６に記載の方法。
  48. 前記測定温度が所望の温度よりも低い場合には、前記測定温度を前記所望の温度へ変化させるためにヒーターを制御するステップをさらに備える、
    請求項４６に記載の方法。
  49. 前記測定温度が前記所望の温度よりも高い場合には、前記測定温度を前記所望の温度へ変化させるために複数のバルブを制御するステップをさらに備える、
    請求項４８に記載の方法。
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