JPH10209125A

JPH10209125A - 流体温度の制御装置及びその方法

Info

Publication number: JPH10209125A
Application number: JP873997A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kamei; 利之亀井
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1998-08-07
Also published as: WO1998032060A1

Abstract

(57)【要約】【課題】温度制御の精度が高くかつ熱応答性も高い流
体温度制御装置及び方法を提供する。【解決手段】熱交換器２において、容器２１の内側を
温度制御対象の流体が流れ、この流体を容器２１外側を
流れる冷却液で冷却し、容器２１の中心にあるヒーティ
ングランプ２５で流体を加熱する。流体を冷却すると
き、必要冷却量より若干大きい冷却量を発揮する流量で
冷却液を流すと共に、ランプ２５も点灯し、ランプの加
熱量で調節することにより、総合的な冷却量を制御す
る。冷却が必要となる時点以前に、前もって冷却液を流
すと共にその冷却量を相殺する加熱量でランプを点灯し
ておき、冷却が必要になった時点からランプ出力を必要
冷却量分だけ減少させて冷却を開始する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、流体の温度を制御するた
めの装置及びその方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の温度の制御方法の一つとして、特
公昭５９−１９２７６号に記載されたものがある。この
方法は、温度制御対象のプロセス流体とこれを加熱又は
冷却するための媒体流体とを隔壁をへだてて接触させ熱
交換を行うもので、隔壁を二重に設けその隔壁間に液体
を流入させ、この隔壁間の流体の液位を変化させること
により、上記２流体間の交換熱量を調節するようにした
ものである。

【０００３】また、別の方法として、特開昭６１−２９
１８９８号に記載されたものは、温度制御対象流体の流
れる複数本の冷却流路にそれぞれ弁を設け、流体の温度
に応じて弁を開閉して冷却流路の数を変化させることで
冷却能力を変更するようにしたものである。

【０００４】また、特開平７−１５９０８４号に開示さ
れた方法は、多数本の伝熱管内を流れる温度制御対象流
体と伝熱管の外側を流れる別の流体の間で熱交換を行う
方法であって、伝熱管内の流体の温度に応じて伝熱管の
本数をコントロールすることにより流体の温度を一定に
制御しようとするものである。

【０００５】また、広く行われている方法として、温度
制御対象流体を冷却するための冷却液の流路に弁を設
け、対象流体の温度に応じて弁の開閉を行うことによ
り、対象流体の温度を制御する方法もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の流体温
度制御方法は、いずれも高精度の温度制御が要求される
用途や、高速の熱応答性が要求される用途には向いてい
ない。

【０００７】このような用途の典型として、半導体製造
に用いられるプラズマエッチング装置のチャンバの温度
制御がある。チャンバの壁内には流体流管が配設されて
おり、この流体流管はチャンバ外の熱交換器に接続され
ていて、熱交換器からチャンバに至り、チャンバ壁内を
通って熱交換器へと戻る一つの循環流路を構成してい
る。この循環流路には、例えばエチレングリコールやフ
ロリナート（登録商標）のような温度制御に適した熱媒
体（流体）が流される。熱媒体は、熱交換器において加
熱又は冷却されて目標温度にされてから、チャンバに送
られてチャンバ内の温度を目標温度に保つために用いら
れ、そして再び熱交換器へ戻る。

【０００８】プラズマエッチングプロセスでは、チャン
バ内を摂氏９０度位に加熱した後、チャンバ内が一定温
度になったところでウェハをチャンバ内に入れ、そし
て、チャンバ内でプラズマを発生させてウェハをエッチ
ングする。この間、チャンバ内は一定温度に維持する必
要がある。１つ（又は１群）のウェハの処理後、次のウ
ェハを入れ替えて、同じことを繰り返す。また、定期的
に一旦チャンバを冷却して、チャンバ内をクリーニング
する必要がある。クリーニング後、再び、チャンバを摂
氏９０度位に加熱して、エッチングを再開する。

【０００９】チャンバ内の温度を摂氏９０度に立ち上げ
るとき、熱交換器ではヒータにより熱媒体を加熱する
が、その後チャンバ内でプラズマを発生させると、一時
的にチャンバ内の温度が上がるため、その熱を奪うため
に熱交換器では冷却水を流すなどして熱媒体を冷却する
必要がある。また、クリーニング時には、チャンバ内温
度を９０度から室温に下げるために、熱媒体を冷却する
必要がある。

【００１０】クリーニング時の冷却は作業効率の面から
速やかであることが望ましく、そのため熱交換器の冷却
能力は高いことが要求される。これに対し、プラズマ発
生時の冷却は、プラズマによる温度上昇分（数度）を吸
収するだけで良く、かつチャンバ外壁や流体循環路から
の放熱もあるため、熱交換器の冷却能力は低くてよく、
かえって高い冷却能力では過冷却になるため望ましくな
い。さらに、プラズマ発生時の冷却は熱応答性が良好で
ある必要があり、かつ摂氏９０度に一定に保つために制
御精度も良くなければならない。

【００１１】しかし、上述した従来の流体温度制御方法
は、いずれも、冷却液の流量や熱交換面積の変更によっ
て冷却能力を制御しているため、上記用途に適する程に
は応答性が高くなくかつ制御精度も低い。

【００１２】従って、本発明の目的は、温度制御の精度
が高くかつ熱応答性も高い流体温度制御装置及び方法を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に従う流体温度の
制御装置及び方法は、冷却液を用いて流体を冷却しつつ
同時にヒータを用いて流体を加熱し、そして、ヒータの
出力を調節することにより流体の温度を制御することが
できるように構成されている。

【００１４】冷却液を用いて流体を冷却するとき、冷却
液又は流体の流量を変えたり、冷却液と流体間の熱交換
面積を変えることにより流体温度を制御することはでき
るが、この方法では高い熱応答性や高い温度制御精度を
得ることが難しい。一方、ヒータで流体を加熱すると
き、ヒータ出力を調節することにより流体温度を応答性
良くかつ高精度に制御することは比較的に容易である。
特に、ヒータとして、ヒーティングランプや電熱線ヒー
タのような電力を熱に変換するタイプのヒータを用いる
と、高い応答性と高い制御精度を得ることが特に容易で
ある。本発明によれば、冷却液による冷却とヒータによ
る加熱を同時に行いつつ、ヒータ出力の調節により流体
温度を制御するため、ヒータのもつ高い熱応答性と高い
制御精度を活かして流体を冷却することができる。

【００１５】さらに、冷却液による冷却量をヒータの最
大加熱量以下の範囲に設定しておけば、ヒータ出力の調
節だけで冷却モードから加熱モードへ、また加熱モード
から冷却モードへと円滑に移行することもできる。

【００１６】また、例えば上述したエッチングチャンバ
の温度制御の場合のように、エッチング開始時点から流
体を冷却を開始する必要がある場合、冷却を開始すべき
時点以前から上述の同時的な冷却と加熱による制御を開
始しておくと、ヒータ出力を冷却開始時点までは冷却液
の冷却量と相殺するように調節し、冷却開始時点以降は
必要な冷却量分だけ減少させるというようなヒータ出力
制御が容易に行え、結果として、実質的に応答遅れなく
冷却を開始することができる。

【００１７】本発明に従う同時的な冷却と加熱による温
度制御を実行する動作モードは、ある温度制御システム
において、当該動作モードや、冷却液による冷却だけを
実行するモードや、ヒータによる加熱だけを実行するモ
ードなどの中から、状況に応じて最適なモードが選択さ
れるような態様で、適宜に使用することもできる。本発
明に従う動作モードは、例えば、大きい冷却能力を発揮
できる能力をもった熱交換器を用いて小さい冷却量で精
度良く流体温度を制御したいような場合に利用価値が高
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の流体温度制御装
置の一実施形態の構成を示す。

【００１９】熱交換システム１は、流体である熱媒体を
冷却又は加熱してその温度を設定温度に制御しつつ、そ
の熱媒体を負荷７へ供給するものである。そのため、熱
交換システム１と負荷７との間に、熱媒体を運ぶための
熱媒体流管９、１０が配設されている。熱媒体流管９、
１０は、その中を流れる熱媒体が熱交換システム１から
負荷７に至り、負荷７内を通って再び熱交換システム１
へと戻るような循環流路１１を構成している。熱媒体に
は、例えば水、エチレングリコール、フロリナート（登
録商標）、ガルデン（登録商標）のような負荷７の温度
制御に適した流体を用いることができる。負荷７は、例
えば半導体製造プロセスに用いるプラズマエッチング装
置のチャンバであるが、これに限らず、熱媒体を用いて
温度制御を行うことができる種々の装置であり得ること
は言うまでもない。

【００２０】熱交換システム１は、熱媒体を循環流路１
１内で循環させるために循環流路１１に接続されたポン
プ３と、循環流路１１内を流れる熱媒体を冷却及び加熱
するために循環流路１１に接続された熱交換器２とを有
する。熱交換器２は、後に詳細に説明するように、冷却
水を用いて熱媒体を冷却する機能と、ランプヒータを用
いて熱媒体を加熱する機能とを有する。そのため熱交換
器２には、冷却水供給管１３と冷却水排出管１２とが接
続されており、また、図示しないランプヒータが内蔵さ
れている。冷却水供給管１３の途中部分は、２つの経路
つまり大流量経路１４と微小流量経路１５とに分れてい
る。大流量経路１４は電磁式の開閉バルブ５を有し、こ
の電磁バルブ５が開くと冷却水が比較的大流量で熱交換
器１２に流れる。微小流量経路１５は、電磁式の開閉バ
ルブ６と開度調整可能な絞り弁４とを有し、電磁バルブ
６が開くと絞り弁４によって絞られた比較的に少流量の
冷却水が熱交換器１２に流れる。

【００２１】熱交換器２の熱媒体出口近傍の循環流管１
１の部分に、熱交換器２から出た熱媒体の温度を測定す
るための温度センサ８が設けられている。また、熱交換
システム１の外部に、負荷７の運転状態に応じて熱媒体
の目標温度を設定するメインコントローラ１７が設けら
れている。温度センサ８の検出した温度及びメインコン
トローラ１７の設定した温度はコントローラ１６に入力
される。コントローラ１６は、後に詳述するように、メ
インコントローラ１７からの設定温度と温度センサ８か
らの検出温度とを受け、ポンプ３の駆動、バルブ５、６
の開閉制御、絞り弁４の開度調節及び熱交換器２内のヒ
ーティングランプの出力調節を行うものであり、例え
ば、プログラムされたマイクロコンピュータ（図示せ
ず）と、このコンピュータからの指令を受けてポンプ
３、バルブ５、６、絞り弁４及びヒーティングランプ４
をそれぞれ駆動するドライバ回路（図示せず）とを含
む。

【００２２】図２は、熱交換器２の具体的な構成例を示
した熱交換器２の縦断面図であり、図３は、図２のＡ−
Ａ線での熱交換器２の横断面図である。

【００２３】熱交換器２は、両端面が塞がれ内側に空間
２３ａを有する円筒形の内側容器２１と、やはり円筒形
で塞がれた両端面を有しかつ内側容器２１を囲繞して内
側容器２１の外側に空間２３ｂを形成している外側容器
２とを有する。内側容器２１は、その周壁の一端に近い
箇所に、熱媒体の入口２１ａを有し、かつ、周壁の他端
に近い箇所であって入口２１ａとは中心軸に対して対称
な箇所に、熱媒体の出口２１ｂを有する。熱媒体の出口
２１ｂの近傍に図１に示した温度センサ８が取付けられ
ている。また、外側容器２２は、その周壁の一端に近い
箇所に、冷却液（例えば水）の入口２２ａを有し、か
つ、周壁の他端に近い箇所であって入口２２ａとは中心
軸に対して対称な箇所に、冷却液の出口２２ｂを有す
る。

【００２４】内側容器２１は、熱伝導性、耐食性及び成
形性の良好な材料、例えばアルミニューム、銅、ステン
レススチールなどで作られる。外側容器２２も同様な材
料で作られてよいし、或は、耐食性及び成形性は良好で
あるが熱伝導性の高くない別の材料、例えばプラスチッ
クや塩化ビニルやセラミックスなどで作ることもでき
る。内側容器２１と外側容器２２との接合部は、溶接や
ロウ付けやその他の適当な方法により、液を洩らさない
ようシールされる。

【００２５】内側容器２１の内側空間２３ａ内には、中
心軸に沿って透明筒２４が配置され、この透明筒２４は
内側容器２１の両端の壁２６、２６を貫通している。こ
の透明筒２４内に、ヒーティングランプ２５が挿入され
ている。透明筒２４は、石英ガラスのような光透過性の
極めて高い耐熱性の材料で作られている。ヒーティング
ランプ２５には、赤外線を多く出すものが好ましく、例
えばヒータ用のハロゲンランプが用いられる。このラン
プ２５は、ブッシュ２９によって透明筒２４に接触しな
いように、透明筒２４内の中心軸位置に支持されてい
る。

【００２６】内側容器２１の両端の壁２６、２６は、硬
質ゴムやプラスチックや金属のように適度な弾性と十分
な耐熱性とをもつ材料によって作られている。端壁２
６、２６と内側容器２１及び透明筒２４との間の隙間を
シールするために、端壁２６、２６の外周面と内周面に
はそれぞれＯリングのようなシールリングが填め込まれ
ている。

【００２７】内側容器２１の内周面には、容器２１の中
心軸に平行に伸びた多数本の内側フィン２８ａが固定さ
れており、外周面にも中心軸に平行に伸びた多数本の外
側フィン２８ｂが固定されている。内側フィン２８ａ
は、内側空間２３ａの半径の方向に、つまり、ランプ２
５からの赤外線の放射方向に、真っ直ぐに立っている。
外側フィン２８ｂも同様に、半径の方向に放射状に直立
しているが、必ずしもそうである必要はない。内側フィ
ン２８ａも外側フィン２８ｂも、内側空間２３ａ及び外
側空間２３ｂのほぼ全体領域にわたって分散されて配置
されており、且つその全体領域にわたって実質的に一様
の密度（つまり、概略的に一様の間隔）で配置されてい
る。これらのフィン２８ａ、２８ｂは、熱伝導率が高
く、耐食性及び成形性も良好な、例えばアルミニュー
ム、銅、ステンレススチールのような材料で作られる。
更に、赤外線の吸収率も良い材料であることが望まし
い。

【００２８】内側フィン２８ａの先端と透明筒２４の外
周面との間には僅かな隙間がある。外側フィン２８ｂの
先端と外側容器２２の内周面との間にも僅かな隙間があ
る。

【００２９】このように構成された熱交換器２におい
て、熱媒体は入口２１ａから内側空間２３ａに流入し内
側空間２３ａを通って出口２１ｂから流出する。また、
冷却液は入口２２ａから外側空間２３ｂに流入し外側空
間２３ｂを通って出口２２ｂから流出する。

【００３０】熱媒体を加熱する場合、ランプ２５が点灯
される。ランプ２５から放射された赤外線は透明筒２４
を通過して内側空間２３ａに入射する。もし、熱媒体が
光吸収性の極めて低い物質（例えばフロリナート）であ
れば、赤外線の大部分はフィン２８ａに吸収され、そこ
で生じた放射熱がフィン２８ａから熱媒体へと伝えられ
て、熱媒体が加熱される。もし、熱媒体が光吸収性を適
度にもつ物質（例えば水、エチレングリコールなど）で
あれば、赤外線はフィン８８ａだけでなく熱媒体自体に
も直接吸収され、その放射熱で熱媒体の温度が上昇す
る。いずれにしても、ランプ２５からの放射熱は内側空
間２３ａの全体領域にほぼ一様に行き渡るため、内側空
間２３ａ内の熱媒体はむらなく一様に近い態様で加熱さ
れる。

【００３１】加熱量の制御は、熱媒体出口２１ｂに配置
した温度センサ８（図１参照）からの検出温度に応じて
コントローラ１６（図１参照）が、ランプ２５の点灯時
間のデューティ制御や発光量制御を行うことにより行わ
れる。例えば、熱媒体の検出温度と設定温度との偏差を
ＰＩＤ演算することによりランプ２５への供給電力を調
節する。

【００３２】また、熱媒体を冷却する場合は、冷却液が
流される。熱媒体が保有する熱が内側フィン２８ａ、内
側容器２１及び外側フィン２８ｂを通じて冷却液に伝え
られ、熱媒体が冷却される。必要な冷却能力に応じて、
図１に示したコントローラ１６が、バルブ６、５を選択
的に開くことにより、冷却液の流量を大小に切り替え
る。例えば、大きい冷却能力が必要な時は、バルブ５を
開くことにより、大流量経路１４を通して冷却液を大量
に流す（この冷却モードを以下、「大冷却モード」とい
う）。一方、小さい冷却能力が望ましい時は、バルブ５
を閉じバルブ６を開くことにより、微小流量経路１５を
通して冷却液を少量流す（この冷却モードを以下、「微
小冷却モード」という）。

【００３３】この実施形態において注目すべき点は、微
小冷却モードでは、冷却液を流すのに加えて、ランプ２
５も点灯することである。即ち、実際に必要な冷却量よ
りも若干大きい冷却量が得られるような流量で冷却液を
流すと共に、ランプ２５も点灯し、そして、ランプ２５
の加熱量をＰＩＤ制御することによって、必要な冷却量
が総合的に得られるようにするのである。このように冷
却と加熱を併用することの一つの利点は、冷却水の冷却
量の調節ではなくランプ２５の加熱量の調節によって総
合的な冷却量を制御するため、総合的な冷却量の制御精
度が高くかつ応答性も高いことである。

【００３４】図４は、図１に示したコントローラ１６が
行う制御の流れを示す。

【００３５】ここでは、負荷７がプラズマエッチング装
置のチャンバである場合を想定している。発明が解決し
ようとする課題の欄で既に述べたように、プラズマエッ
チングプロセスでは、まずチャンバ内を摂氏９０度程度
に加熱し、チャンバ内温度が一定になったところで、チ
ャンバ内にウェハを入れプラズマを発生させてエッチン
グを行う。また、定期的に、チャンバを室温まで冷却し
てクリーニングを行う。プラズマ発生時には、プラズマ
発生による温度上昇分（数度）だけ熱媒体を冷却する必
要があるが、このときの冷却能力は小さい方が望まし
い。一方、クリーニングのために冷却する時は、冷却能
力は大きい方が望ましい。図４に示したコントローラ１
６の制御は、このような要求を満たすように熱媒体を加
熱及び冷却することを目的としている。

【００３６】図４に示すように、コントローラ１６はま
ず、微小流量経路１５の絞り弁４の開度を次のように調
整し固定する（Ｓ１）。即ち、予め分っている負荷７
（プラズマエッチングチャンバ）の最大発熱量をＷ１、
微小流量経路１５を通して冷却液を流したときの熱交換
器２での冷却液による冷却量をＷ２、予め分っているヒ
ーティングランプ２５の最大加熱量をＷ３、予め分って
いる熱交換システム及び負荷を含めた系全体で放熱量を
Ｗ４とすると、冷却量Ｗ２がＷ１≦Ｗ２≦（Ｗ３−Ｗ
４）の範囲内の適当値になるように、絞り弁４の開度を
決定する。

【００３７】その後、メインコントローラ１７からコン
トローラ１６に設定温度（熱媒体の目標温度）ＳＶが入
力されると（Ｓ２）、コントローラ１６は、その設定温
度ＳＶと温度センサ８が検出した熱媒体の現在温度ＰＶ
とを比較する（Ｓ３）。比較の結果、設定温度ＳＶが現
在温度ＰＶより５度以上高い場合は、ステップＳ４〜Ｓ
１０の制御へ進む。一方、ステップＳ３の比較の結果、
設定温度ＳＶが現在温度ＰＶより５度以上低い場合は、
ステップＳ１１〜Ｓ１４の制御へ進む。典型的な例を挙
げると、エッチングプロセスの最初の開始時や定期クリ
ーニング後の再開時であって、チャンバ内を室温から摂
氏９０度程度まで加熱するために、摂氏９０度程度の設
定温度が入力された場合には、ステップＳ４〜Ｓ１０の
制御へ進む。また、例えば、定期的なクリーニングを行
うためにチャンバ内を摂氏９０度程度から室温まで冷却
するために、室温の設定温度が入力された場合には、ス
テップＳ１１〜Ｓ１４の制御へ進む。

【００３８】エッチングプロセスを開始するためにステ
ップＳ４へ進んだ場合、まずバルブ５、６を閉じて冷却
水の流れを止める。同時に、ランプ２５を点灯し、熱媒
体を設定温度ＳＶまで加熱するように、現在温度ＰＶと
設定温度ＳＶに基づいてランプ２５の出力をＰＩＤ制御
する（Ｓ５）。即ち、温度センサ８からの現在温度ＰＶ
の絶対値とその時間的な変化とを計測し、それら計測値
に基づいて現在温度ＰＶと設定温度ＳＶとの偏差の比例
演算値、微分演算値及び積分演算値を求め、それら演算
値を統合した値に従ってランプ２５への供給電力を調節
する。

【００３９】このようにして熱媒体を加熱しつつ、現在
温度ＰＶと設定温度ＳＶとを比較し、両者の温度差が１
度以内になったか否かチェックする（Ｓ６）。温度差が
１度以内になると、微小冷却モードに入るための準備を
開始する。即ち、バルブ６を開いて、微小冷却経路１５
を通して小流量での冷却液の供給を開始する（Ｓ７）。
冷却液の流量は、ステップＳ１で固定した絞り弁４の開
度に応じた一定値である。それによる冷却量Ｗ２は、既
に述べたようにＷ１≦Ｗ２≦（Ｗ３−Ｗ４）の条件を満
している。この冷却液の供給開始と同時に、それによる
冷却量Ｗ２を打ち消して総合的な冷却量がゼロになるよ
うにランプ２５の出力を調節する（Ｓ８）。即ち、冷却
液の供給が開始されると、温度センサ８からの現在温度
ＰＶが低下するが、コントローラ１６はステップＳ５か
ら継続して現在温度ＰＶを設定温度ＳＶに一致させるよ
うランプ出力をフィードバック制御しているから、現在
温度ＰＶが低下するとこれを阻止するようランプ出力を
増加させることになる。一般に、ランプ出力制御は応答
性が高く、冷却量変化による温度変動に追従できるた
め、結果として、冷却液の供給が開始されても、熱媒体
の温度は大きく低下すること無く、実質的には設定温度
ＳＶ（摂氏９０度程度）で一定に保たれることになる。

【００４０】微小冷却モードの準備ができた後、負荷
（チャンバ）７ではプラズマエッチングが開始される。
すると、微小冷却モードが次のように実行される。即
ち、チャンバ内ではプラズマによる熱が発生し、この熱
を熱媒体が吸収するため、コントローラ１６は温度セン
サ８からの現在温度ＰＶの上昇を検知することになる
（Ｓ９）。すると、コントローラ１６は、既に継続して
ランプ出力のフィードバック制御を行っているから、現
在温度ＰＶの上昇を阻止するようランプ出力を若干減少
させる（つまり、総合的な冷却量を増加させる）ことに
なる（Ｓ１０）。ランプ制御の応答性は高いから、結果
として、熱媒体の温度は実質的にはあまり上昇せずに設
定温度ＳＶ（摂氏９０度程度）で一定に保たれることに
なる。以後、エッチングが行われている間、微小冷却モ
ードによって熱媒体の温度は実質的に設定温度ＳＶで一
定に保たれる。微小冷却モードでは、チャンバ内で発生
する熱量の変動などに対してランプ出力制御による冷却
量調節で対応するため、応答性が良く高い精度の制御が
実現できる。また、ランプ出力の調節だけで、冷却液流
量を一定にしたままで、冷却から加熱及び加熱から冷却
への移行が無段階的に円滑に行え、このことも高精度な
温度制御を容易にする。

【００４１】さて、エッチングプロセスを一旦止めて定
期クリーニングを行う場合には、前述したようにステッ
プＳ２で室温の設定温度が入力されるため、制御はステ
ップＳ１１以下へ進んで大冷却モードを開始する。ま
ず、ステップＳ１１でバルブ５を開いて、大流量経路１
４を通し大流量で冷却液を熱交換器２へ供給する。これ
により、大きい冷却能力での冷却が開始される。この大
冷却モードの実行中、現在温度ＰＶと設定温度ＳＶを比
較し、両温度の差が１度以下になるまで冷却を続ける
（Ｓ１２）。両温度の差が１度以下になると、バルブ
５、６を閉じて、大冷却モードを終了する（Ｓ１３）。
同時に、ランプ２５を点灯し、現在温度ＰＶが設定温度
ＳＶ（室温）に一致するようにランプ出力をＰＩＤフィ
ードバック制御する（Ｓ１４）。結果として、チャンバ
はエッチングプロセス実行時の摂氏９０度程度から、高
速に室温まで冷却されることになる。

【００４２】図５は、本発明の第２の実施形態の構成を
示す。尚、既に説明した第１の実施形態と同一機能を有
する要素には同一の参照番号を付して重複した説明は省
略する（後に説明する実施形態についても同様）。

【００４３】この第２の実施形態では、熱交換システム
３１は、循環流路１１内に、熱交換器３２をバイパスす
るためのバイパス流路３２を有し、このバイパス流路３
２には電磁式の開閉バルブ３６が設けられている。温度
センサ８は、熱交換器２から出てきた熱媒体とバイパス
流路３２からの熱媒体との合流点の近傍かつ下流に設け
られている。熱媒体を熱交換器２に供給するための熱媒
体流路は、熱交換器２の入口手前で、２つの流路つまり
主流路３５と微小流路３７とに分れており、主流路３５
には電磁式の開閉バルブ３５が、微小流路３７には絞り
弁３４が設けられている。冷却液の供給管１３は単純な
１本の管であり、そこに電磁式の開閉バルブ３９が設け
られている。コントローラ３８は、温度センサ８からの
現在温度ＰＶとメインコントローラ１７からの設定温度
ＳＶとを受けて、ポンプ３、電磁バルブ３５、３６、３
９、絞り弁３４及び熱交換器２内のヒーティングランプ
２５（図２、３参照）を駆動及び制御する。

【００４４】この熱交換システム３１では、第１の実施
形態で行っていた冷却液流量の大小の切り替えに代え
て、熱交換器２へ供給する熱媒体の流量を大小に切り替
えることにより、冷却液による冷却量を大小に切り替え
る。即ち、主流路３３のバルブ３５を開きバイパス流路
３２のバルブ３６を閉じると、熱媒体は全て熱交換器２
を通るため、大冷却モードが行える。逆に、主流路３３
のバルブ３５を閉じバイパス流路３２のバルブ３６を開
けると、微小流路３４のみを通じて少量の熱媒体のみが
熱交換器２に入るため、微小冷却モードが行える。この
微小冷却モードでは、第１の実施形態と同様、ランプ出
力のフィードバック制御により総合的な冷却量が調節さ
れる。

【００４５】図６は、コントローラ３８が行う制御の流
れを示す。ここでも、負荷７がプラズマエッチング装置
のチャンバである場合を想定している（以下の実施形態
も同様である）。

【００４６】コントローラ３８はまず、微小流路３７の
絞り弁３４の開度を調整し固定する（Ｓ２１）。この場
合も、第１の実施形態の場合と同様、負荷７（プラズマ
エッチングチャンバ）の最大発熱量をＷ１、微小冷却モ
ードでの冷却液による冷却量をＷ２、ランプ２５の最大
加熱量をＷ３とすると、冷却量Ｗ２がＷ１≦Ｗ２≦（Ｗ
３−Ｗ４）の範囲内の適当値になるように、絞り弁３４
の開度を決定する。

【００４７】その後、メインコントローラ１７からコン
トローラ３８に設定温度（熱媒体の目標温度）ＳＶが入
力される（Ｓ２２）。それ以降の制御は、図４に示した
第１の実施形態でのそれと基本的に同様である。但し、
加熱モードでは、冷却液のバルブ３９を閉じるだけでな
く、熱媒体のバイパス流路３２のバルブ３６も閉じる
（Ｓ２４、Ｓ３３）。また、微小冷却モード（その準備
も含めて）では、既に説明したように、バルブ３９を開
いて冷却液を一定流量で流し、かつ、バルブ３５を閉じ
バルブ３６を開くことにより、熱媒体を小流量で熱交換
器２に送り、残りの熱媒体は熱交換器２をバイパスさせ
る（Ｓ２７）。大冷却モードでは、既に説明したよう
に、バルブ３９を開いて冷却液を一定流量で流し、か
つ、バルブ３５を開きバルブ３６を閉じることにより、
全ての熱媒体を熱交換器２に送る（Ｓ３１）。

【００４８】この実施形態でも、微小冷却モード及びそ
の準備段階では、総合的な冷却量をランプ出力のフィー
ドバック制御により調節しているので、良好な熱応答性
と高い温度制御精度が得られる。

【００４９】図７は、本発明の第３の実施形態の構成を
示す。

【００５０】この実施形態では、熱交換システム４１
は、多数（Ｎ個）の冷却液出口を有した熱交換器４２を
有する。この熱交換器４２は、基本的には、図２、３に
示した熱交換器２と同様の構造（つまり、共に円筒形の
外側及び内側容器間に形成された冷却液の流れる空間２
３ｂと、内側容器内に形成された熱媒体の流れる空間２
３ａと、その内側容器内に挿入された円柱形のヒーティ
ングランプ２５とを備えた構造）をもつ。しかし、その
外側容器にはその軸方向に沿って、図示のようにＮ個の
冷却液出口が並んでおり、それらＮ個の冷却液出口にＮ
本の冷却液排出管４４-1〜４４-Nが接続されている。そ
れらＮ本の冷却液排出管４４-1〜４４-Nは、それぞれ電
磁式の開閉バルブ４３-1〜４３-Nを有し、先方で１本の
共通の冷却液排出管１２に接続している。この共通の冷
却液排出管１２には絞り弁４６が設けられている。冷却
水供給管１３は単純な１本の管であり、電磁式の開閉バ
ルブ３９を有する。コントローラ３７は、現在温度ＰＶ
と設定温度ＳＶとを入力し、ポンプ３、バルブ３９、４
３-1〜４３-N、絞り弁４６、ランプ２５を駆動及び制御
する。

【００５１】この熱交換システム４１では、Ｎ本の冷却
液排出管４４-1〜４４-Nの電磁バルブ４３-1〜４３-Nを
選択的に開くことにより、冷却液と熱媒体との間の実質
的な熱交換面積を変化させて、冷却液による冷却量を加
減することができる。例えば、冷却液入口に最も近い冷
却液出口に接続された冷却液排出管４４-1のバルブ４３
-1を開くと、実質的な熱交換面積は最も小さくなるか
ら、冷却液による冷却量は最小となる。また、冷却液入
口からより遠い冷却液出口のバルブを開く程、実質的な
熱交換面積はより大きくなり、冷却液による冷却量はよ
り大きくなる。よって、最も遠い出口のバルブ４３-Nを
開くと、実質的な熱交換面積は最大となり、冷却液によ
る冷却量は最大となる。本実施形態では、説明を簡単に
するため、大冷却モードでは最も遠い出口のバルブ４３
-Nを開き、微小冷却モードでは最も近い出口のバルブ４
３-1を開き、残りのバルブ４３-2〜４３-N-1は閉じたま
まとする。しかし、実際は、大冷却モード及び微小冷却
モードでどの程度の冷却量を必要とするかに応じて、各
モードでどのバルブを開くかが決められることになる。

【００５２】図８は、コントローラ４７が行う制御の流
れを示す。

【００５３】コントローラ４７はまず、微小冷却モード
での冷却液による冷却量Ｗ２がＷ１≦Ｗ２≦（Ｗ３−Ｗ
４）になるように、微小冷却モードで開くべき冷却液排
出用のバルブ（この実施形態ではバルブ４３-1）を選
び、かつ絞り弁４６の開度を調整し固定する（Ｓ４
１）。さらに、大冷却モードで必要な冷却量に応じて、
大冷却モードで開くべき冷却液排出用のバルブ（この実
施形態ではバルブ４３-N）を選ぶ（Ｓ４２）。

【００５４】その後、メインコントローラ１７から設定
温度ＳＶが入力されると、コントローラ４７は、図４に
示した第１の実施形態でのそれと基本的に同様の制御を
実行する。但し、加熱モードでは、冷却液供給用のバル
ブ３９を閉じて冷却液を止め（Ｓ４４、Ｓ５３）、微小
冷却モード（その準備も含めて）では、バルブ３９とバ
ルブ４３-1のみを開くことにより冷却液を小流量で熱交
換器２に送り（Ｓ４７）、また、大冷却モードでは、バ
ルブ３９とバルブ４３-Nのみを開くことにより、冷却液
を大流量で熱交換器２に送る（Ｓ５１）。

【００５５】この実施形態でも、微小冷却モード及びそ
の準備段階では、総合的な冷却量をランプ出力のフィー
ドバック制御により調節しているので、良好な熱応答性
と高い温度制御精度が得られる。

【００５６】図９は、本発明の第４の実施形態の構成を
示す。

【００５７】この実施形態の熱交換システム５１では、
第１の実施形態の場合と同様の冷却と加熱の両機能をも
つ熱交換器２の他に、冷却機能だけをもつ第２の熱交換
器５３が、第１の熱交換器２の上流側に設けられてい
る。第２の熱交換器５３は、図２、３に示した構造から
ランプ２５を除去したような構造をもつ。第２の熱交換
器５３は、その冷却量Ｗ２がＷ１≦Ｗ２≦（Ｗ３−Ｗ
４）の条件を満たすよう、比較的に小さい熱交換面積を
もった構成に設計されており、これに対し第１の熱交換
器２は、第２の熱交換器５３よりかなり大きい冷却量が
発揮できるよう、比較的に大きい熱交換面積をもった構
造に設計されている。第２の熱交換器５３には、冷却液
供給管５７と冷却液排出管５６が接続されており、冷却
液供給管５７には電磁式の開閉バルブ５５が設けられて
いる。コントローラ５８は、現在温度ＰＶと設定温度Ｓ
Ｖとを入力し、ポンプ３、バルブ３９、５５、第１の熱
交換器２内のランプ２５を駆動及び制御する。

【００５８】この熱交換システム５１では、第１の熱交
換器２と第２の熱交換器５３に選択的に冷却水を供給す
ることにより、冷却液による冷却量を大小に切り替える
ことができる。即ち、第１の熱交換器２に冷却液を流す
と、比較的大面積で熱交換が行われるため、大冷却モー
ドを実行することができる。第２の熱交換器５３に冷却
液を流すときは、比較的小面積で熱交換が行われるの
で、微小冷却モードを実行することができる。微小冷却
モードでは、第１の熱交換器のランプ出力を制御するこ
とにより、総合的な冷却量を応答性良くかつ高精度に制
御できる。

【００５９】図１０は、コントローラ５８が行う制御の
流れを示す。

【００６０】メインコントローラ１７から設定温度ＳＶ
が入力されると、コントローラ５８は、図４に示した第
１の実施形態でのそれと基本的に同様の制御を実行す
る。但し、加熱モードでは、バルブ３９、５５を閉じて
両方の熱交換器２、５３への冷却液供給を止め（Ｓ６
４、Ｓ７３）、微小冷却モード（その準備も含めて）で
は、バルブ３９を閉じバルブ５５を開くことにより冷却
液を小流量で第２の熱交換器５３へ送り（Ｓ６７）、ま
た、大冷却モードでは、バルブ３９を開きバルブ５５を
閉じることにより、冷却液を大流量で第１の熱交換器２
に送る（Ｓ７１）。

【００６１】この実施形態でも、微小冷却モード及びそ
の準備段階では、総合的な冷却量をランプ出力のフィー
ドバック制御により調節しているので、良好な熱応答性
と高い温度制御精度が得られる。

【００６２】以上、本発明の幾つかの実施形態を例示し
たが、本発明はそれ以外の種々の形態でも実施できるこ
とは言うまでもない。例えば、負荷はエッチングチャン
バである必要はない。熱交換器は、図２、３に示したよ
うな構造である必要はなく、ヒータもランプに限らす電
熱線ヒータであってもよい。大冷却モードと微小冷却モ
ードの２種類の冷却モードを持つ必要もなく、加熱モー
ドも持つ必要もない。要するに、冷却液による冷却とヒ
ータによる加熱とを同時に行い、加熱量調節により総合
的な熱交換量を制御するような動作モードがあればよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の構成を示す回路図。

【図２】熱交換器の構造を示す縦断面図。

【図３】図２のＡ−Ａ線での横断面図。

【図４】第１の実施形態での制御の流れを示すフローチ
ャート。

【図５】本発明の第２の実施形態の構成を示す回路図。

【図６】第２の実施形態での制御の流れを示すフローチ
ャート。

【図７】本発明の第３の実施形態の構成を示す回路図。

【図８】第３の実施形態での制御の流れを示すフローチ
ャート。

【図９】本発明の第４の実施形態の構成を示す回路図。

【図１０】第４の実施形態での制御の流れを示すフロー
チャート。

【符号の説明】

２、５３熱交換器４、３４、４６、５９絞り弁５、６、３５、３６、３９、４４、５５電磁バルブ８温度センサ１１熱媒体の循環流路１２冷却液排出管１３冷却液供給管１６、３８、４７、５８コントローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】冷却液を用いて流体を冷却するための冷
却手段と、前記流体を加熱するためのヒータと、前記冷却手段と前記ヒータを同時に駆動しつつ前記ヒー
タの出力を調節することにより前記流体の温度を制御す
るための同時駆動手段とを備えた流体温度の制御装置。
【請求項２】前記ヒータがヒーティングランプ又は電
熱線ヒータである請求項１記載の流体温度の制御装置。
【請求項３】前記同時駆動手段が、前記流体の温度制
御に必要な冷却量以上の冷却量を発揮するよう前記冷却
手段を駆動する請求項１記載の流体温度の制御装置。
【請求項４】前記同時駆動制御手段が、前記ヒータの
もつ最大の加熱量以下の冷却量を発揮するよう前記冷却
手段を駆動する請求項１及び３のいずれか一項記載の流
体温度の制御装置。
【請求項５】前記同時駆動手段が、前記流体を冷却す
る必要の生じる時点の以前に作動を開始して、前記時点
以降も作動を継続する請求項１記載の流体温度の制御装
置。
【請求項６】前記冷却手段のみを駆動する冷却駆動手
段と、前記ヒータのみを駆動する加熱駆動手段と、前記同時駆動手段、前記冷却駆動手段及び前記加熱駆動
手段を選択的に作動させるモード選択手段とをさらに備
えた請求項１記載の流体温度の制御装置。
【請求項７】流体が通る流体通路と、前記流体通路内
の流体を冷却するために冷却液が通る冷却液通路と、前
記流体通路内の流体を加熱するためのヒータとを有した
熱交換器と、前記熱交換器に前記流体を供給しかつ排出させるための
流体系統と、前記熱交換器に前記冷却液を供給しかつ排出させるため
の冷却液系統と、前記流体系統、前記冷却液系統及び前記ヒータを駆動し
制御するためのコントローラとを備え、前記コントローラが、前記流体系統、前記冷却液系統及
び前記ヒータを同時に駆動しつつ前記ヒータの出力を調
節することにより前記流体の温度を制御するための同時
駆動手段を有する流体温度の制御装置。
【請求項８】前記流体系統及び前記冷却液系統の少な
くとも一方が、比較的に大きい冷却量が発揮されるよう
な態様で前記流体又は冷却液を前記熱交換器に流すため
の大冷却系統と、比較的に小さい冷却量が発揮されるよ
うな態様で前記流体又は冷却液を前記熱交換器に流すた
めの微小冷却系統とを有し、前記コントローラの同時駆動手段が、前記流体系統、前
記冷却液系統及び前記ヒータを同時に駆動するときに前
記微小冷却系統を選択的に駆動するための微小冷却駆動
手段を有する請求項７記載の流体温度の制御装置。
【請求項９】冷却液を用いて流体を冷却しつつ同時に
ヒータを用いて前記流体を加熱する同時駆動過程と、前記同時駆動過程において、前記ヒータの出力を調節す
ることにより前記流体の温度を制御する制御過程とを有
した流体温度の制御方法。