TW202334551A

TW202334551A - 低溫泵及低溫泵的運轉方法

Info

Publication number: TW202334551A
Application number: TW112105805A
Authority: TW
Inventors: 中西嵩裕
Original assignee: 日商住友重機械工業股份有限公司
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2023-02-17
Publication date: 2023-09-01
Also published as: WO2023157586A1; JP2023120890A

Abstract

本發明提供一種低溫泵，該低溫泵能夠緩和在交越時可能發生之低溫板溫度的過衝。低溫泵(10)能夠經由閘閥(102)安裝於真空腔室內。低溫泵(10)具備：冷凍機(14)；及控制器(60)，構成為偵測閘閥(102)是否關閉，並控制冷凍機(14)以使閘閥(102)關閉時的冷凍機(14)的冷凍能力比閘閥(102)打開時增加。

Description

低溫泵及低溫泵的運轉方法

本發明有關一種低溫泵及低溫泵的運轉方法。

低溫泵為藉由凝結或吸附將氣體分子捕捉到被冷卻至極低溫之低溫板上並排氣之真空泵。低溫泵通常用於實現半導體電路製造程序等所要求之潔淨的真空環境。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1] 日本特開2012-237293號公報

[發明所欲解決之問題]

為了充分提高真空腔室的真空度作為在真空程序裝置的真空腔室內開始真空程序之準備，首先對真空腔室進行粗抽，其後切換為基於低溫泵之真空排氣。在進行真空腔室的粗抽時，設置於真空腔室與低溫泵之間之閘閥被關閉，為了開始基於低溫泵之真空排氣而將閘閥打開。此時，低溫泵內的到達壓力已經比真空腔室的粗抽壓力低很多。因此，一時之間有大量氣體從真空腔室流入低溫泵中，這成為對冷卻低溫泵之冷凍機的熱負載，可能會導致低溫板溫度過衝。這樣的溫度上升亦稱為交越(crossover)。低溫板的溫度上升在一些情況下可能會對低溫泵的排氣性能造成不良影響。

又，作為真空程序裝置中之獨自的設定，會有預先設定低溫板溫度的容許範圍的情形。若偵測到上述過衝的結果超出了該容許溫度範圍，有可能藉由真空程序裝置執行警報的發出或閘閥的緊急關閉等用於確保安全的動作。直到低溫板溫度回到容許範圍內為止真空程序裝置成為待機中，真空程序的開始會與此相應地延遲。

本發明的一種實施態樣的示例性目的之一為提供一種低溫泵，該低溫泵能夠緩和在交越時可能發生之低溫板溫度的過衝。 [解決問題之技術手段]

依據本發明的一種實施態樣，提供一種能夠經由閘閥安裝於真空腔室內的低溫泵。低溫泵具備：冷凍機；及控制器，構成為偵測閘閥是否關閉，並控制冷凍機以使閘閥關閉時的冷凍機的冷凍能力比閘閥打開時增加。

依據本發明的一種實施態樣，提供一種低溫泵的運轉方法。低溫泵能夠經由閘閥安裝於真空腔室內，並具備冷凍機。方法包括如下步驟：偵測閘閥是否關閉的步驟；及使閘閥關閉時的冷凍機的冷凍能力比閘閥打開時增加的步驟。

依據本發明的一種實施態樣，低溫泵具備：冷凍機；及控制器，偵測低溫泵的再生是否完畢，並控制冷凍機以在再生完畢之後使冷凍機的冷凍能力暫時增加。

依據本發明的一種實施態樣，提供一種低溫泵的運轉方法。低溫泵具備冷凍機。方法包括如下步驟：偵測低溫泵的再生是否完畢的步驟；及在再生完畢之後使冷凍機的冷凍能力暫時增加的步驟。

再者，以上構成要件的任意組合或將本發明的構成要件或表述在方法、裝置、系統等之間彼此置換者亦作為本發明的實施態樣而有效。 [發明之效果]

依據本發明，能夠提供一種低溫泵，該低溫泵能夠緩和在交越時可能發生之低溫板溫度的過衝。

以下，參照圖式對用於實施本發明之方式進行詳細說明。在說明及圖式中，對相同或相等的構成要件、構件、處理標註相同的元件符號，並適當省略重複之說明。所圖示之各部的縮尺或形狀是為了便於說明而簡單設定的，除非另有特別說明，則並不做限定性的解釋。實施方式為例示，對本發明的範圍並不做任何限定。實施方式中所記載之所有特徵或其組合並不一定是發明的本質。

圖1係概略地表示實施方式之低溫泵10之圖。圖2係概略地表示實施方式之低溫泵10的控制裝置的結構之方塊圖。

低溫泵10例如能夠經由閘閥102安裝於離子植入裝置、濺鍍裝置、蒸鍍裝置或其他真空程序裝置的真空腔室100內。在圖1中與低溫泵10一起示出真空腔室100及閘閥102的一部分。

低溫泵10經由閘閥102安裝於真空腔室100內，以用於將真空腔室100內部的真空度提高至所期望的真空程序所要求之水準。低溫泵10具有用於從真空腔室100接收應被排氣之氣體的低溫泵吸氣口(以下亦簡稱為「吸氣口」)12。氣體從真空腔室100通過閘閥102及吸氣口12進入低溫泵10的內部空間內。

再者，在以下，為了容易理解地表示低溫泵10的構成要件的位置關係，會有使用「軸向」、「徑向」這樣的用語的情形。低溫泵10的軸向表示通過吸氣口12之方向(亦即，為沿低溫泵10的中心軸之方向，在圖中為上下方向)，徑向表示沿吸氣口12之方向(為與低溫泵10的中心軸垂直的方向，在圖中為左右方向)。為了便於說明，會有將在軸向上相對靠近吸氣口12的位置稱為「上」且將相對遠離吸氣口12的位置稱為「下」的情形。亦即，會有將相對遠離低溫泵10的底部的位置稱為「上」且將相對靠近低溫泵10的底部的位置稱為「下」的情形。關於徑向，會有將靠近吸氣口12的中心的位置稱為「內」且將靠近吸氣口12的周緣的位置稱為「外」的情形。再者，這樣的表述與低溫泵10安裝於真空腔室100內時的配置無關。例如，低溫泵10可以以在鉛直方向上使吸氣口12朝向下方的方式安裝於真空腔室100內。

又，會有將包圍軸向之方向稱為「圓周方向」的情形。圓周方向為沿吸氣口12之第2方向，並且為與徑向正交之切線方向。

低溫泵10具備冷凍機14、低溫泵容器16、第1段低溫板18及低溫板單元20。第1段低溫板18亦能夠稱為高溫低溫板(high-temperature cryopanel)部或100K部等。低溫板單元20為第2段低溫板，亦能夠稱為低溫低溫板部或10K部等。

冷凍機14例如為吉福德-麥克馬洪式冷凍機(所謂的GM冷凍機)等極低溫冷凍機。冷凍機14為二段式冷凍機，並具備第1冷卻台22及第2冷卻台24。冷凍機14構成為將第1冷卻台22冷卻至第1冷卻溫度且將第2冷卻台24冷卻至第2冷卻溫度。第2冷卻溫度比第1冷卻溫度更低溫。例如，第1冷卻台22被冷卻至60K~120K左右、較佳為80K~100K，第2冷卻台24被冷卻至10K~20K左右。第1冷卻台22及第2冷卻台24亦可以分別稱為高溫冷卻台及低溫冷卻台。

又，冷凍機14具備冷凍機結構部21，冷凍機結構部21在結構上將第2冷卻台24由第1冷卻台22支承且在結構上將第1冷卻台22由冷凍機14的室溫部26支承。因此，冷凍機結構部21具備沿徑向同軸延伸之第1缸體23及第2缸體25。第1缸體23將冷凍機14的室溫部26與第1冷卻台22連接。第2缸體25將第1冷卻台22與第2冷卻台24連接。典型地，第1冷卻台22和第2冷卻台24由銅(例如，純銅)等高導熱金屬材料形成，第1缸體23和第2缸體25例如由不鏽鋼等其他金屬材料形成。室溫部26、第1缸體23、第1冷卻台22、第2缸體25及第2冷卻台24依序呈直線狀排列成一列。

在第1缸體23及第2缸體25各自的內部以能夠往返移動的方式配設有第1置換器及第2置換器(未圖示)。在第1置換器及第2置換器上分別組裝有第1蓄冷器及第2蓄冷器(未圖示)。又，室溫部26具有用於使第1置換器及第2置換器往返移動的驅動機構(未圖示)。驅動機構包括後述冷凍機馬達50。又，驅動機構包括流路切換機構，該流路切換機構以週期性地重複向冷凍機14內部的工作氣體(例如，氦氣)的供給和排出的方式切換工作氣體的流路。

冷凍機14與工作氣體的壓縮機(未圖示)連接。冷凍機14使由壓縮機加壓之工作氣體在內部膨脹，藉此冷卻第1冷卻台22及第2冷卻台24。膨脹後之工作氣體被壓縮機回收並再度進行加壓。冷凍機14藉由重複進行熱循環來製冷，該熱循環包含工作氣體的供排和與此同步之第1置換器及第2置換器的往返移動。

圖示之低溫泵10為所謂的臥式低溫泵。臥式低溫泵通常為以冷凍機14與低溫泵10的中心軸交叉(通常為正交)的方式配設之低溫泵。再者，本發明亦能夠同樣地運用於所謂的立式低溫泵中。立式低溫泵為冷凍機沿低溫泵的軸向配設之低溫泵。

低溫泵容器16為收納冷凍機14、第1段低溫板18及低溫板單元20之低溫泵10的殼體，並且構成為保持低溫泵10的內部空間的氣密性。低溫泵容器16具有從其前端遍及全周向徑向外側延伸之吸氣口凸緣16a。藉由吸氣口凸緣16a在其徑向內側劃定吸氣口12。又，低溫泵容器16具有：容器本體16b，從吸氣口凸緣16a向軸向延伸；容器底部16c，在與吸氣口12相反的一側封閉容器本體16b；及冷凍機收納筒16d，在吸氣口凸緣16a與容器底部16c之間向側方延伸。

冷凍機收納筒16d的端部在與容器本體16b相反的一側安裝於冷凍機14的室溫部26上，藉此，冷凍機14的低溫部(亦即，第1缸體23、第1冷卻台22、第2缸體25及第2冷卻台24)在低溫泵容器16內以與低溫泵容器16非接觸的方式配置。第1缸體23配置於冷凍機收納筒16d內，第1冷卻台22、第2缸體25及第2冷卻台24配置於容器本體16b內。第1段低溫板18和低溫板單元20亦配置於容器本體16b內。

第1段低溫板18具備輻射屏蔽件30和入口低溫板32，並包圍低溫板單元20。第1段低溫板18提供用於保護低溫板單元20免受來自低溫泵10的外部或來自低溫泵容器16的輻射熱的影響之極低溫表面。第1段低溫板18與第1冷卻台22熱耦合，並被冷卻至第1冷卻溫度。第1段低溫板18與低溫板單元20之間具有間隙，第1段低溫板18不與低溫板單元20接觸。第1段低溫板18亦不與低溫泵容器16接觸。

輻射屏蔽件30是為了保護低溫板單元20免受低溫泵容器16的輻射熱的影響而設置的。輻射屏蔽件30在低溫泵容器16內從吸氣口12朝向容器底部16c沿軸向呈筒狀(例如，圓筒狀)延伸。輻射屏蔽件30在吸氣口12側開口且在容器底部16c側封閉。輻射屏蔽件30位於低溫泵容器16與低溫板單元20之間，並包圍低溫板單元20。輻射屏蔽件30具有比低溫泵容器16稍小的直徑，並在輻射屏蔽件30與低溫泵容器16之間形成有屏蔽件外側間隙31。因此，輻射屏蔽件30不與低溫泵容器16接觸。

冷凍機14的第1冷卻台22直接安裝於輻射屏蔽件30的側部外表面上。如此，輻射屏蔽件30與第1冷卻台22熱耦合，因此被冷卻至第1冷卻溫度。再者，輻射屏蔽件30亦可以經由適當的導熱構件安裝於第1冷卻台22上。又，冷凍機14的第2冷卻台24及第2缸體25從輻射屏蔽件30的側部插入到輻射屏蔽件30內。

為了保護低溫板單元20免受來自低溫泵10的外部的熱源(例如，安裝有低溫泵10之真空腔室內的熱源)的輻射熱的影響，入口低溫板32設置於吸氣口12上。入口低溫板32經由輻射屏蔽件30與第1冷卻台22熱耦合，並與輻射屏蔽件30同樣地，被冷卻至第1冷卻溫度。因此，在第1冷卻溫度下凝結之氣體(例如，水分)被其表面捕捉。

低溫板單元20具備複數個低溫板，該等低溫板分別與第2冷卻台24熱耦合並且被冷卻至低於第1冷卻溫度的第2冷卻溫度。如圖所示，該等低溫板可以從吸氣口12朝向容器底部16c沿軸向排列。可以在低溫板的至少一部分的表面上設置吸附材料(例如，活性碳)，以藉由吸附來捕捉不凝性氣體(例如，氫氣)。低溫板單元20以在低溫泵容器16內被輻射屏蔽件30包圍的方式配置於入口低溫板32的下方。低溫板單元20不與輻射屏蔽件30及入口低溫板32接觸。再者，關於低溫板的配置和形狀等低溫板單元20的結構，由於能夠適當採用各種公知的結構，因此在此省略詳細說明。

閘閥102設置於低溫泵10與真空腔室100之間。閘閥102具備閥外殼104和閥板106。閥外殼104形成將真空腔室100的開口部與低溫泵10的吸氣口12連接之連通路。閥外殼104在該連通路的兩側分別具有凸緣部，一側的凸緣部安裝於包圍真空腔室100的開口部之真空腔室100的凸緣部上，相反的一側的凸緣部安裝於吸氣口凸緣16a上。

閘閥102在進行真空腔室100或低溫泵10的維護時等依據需要而被關閉。閥外殼104的吸氣口凸緣16a側的凸緣部亦作為閘閥102的閥座部而發揮作用，使作為閥體的閥板106密合於該閥座部，藉此將閘閥102關閉。此時，從真空腔室100通過吸氣口12向低溫泵10的氣體流動被阻斷。低溫泵10與真空腔室100隔離，低溫泵10的內部空間保持氣密。

閘閥102被打開以藉由低溫泵10進行真空腔室100的真空排氣。在閥外殼104上設置有閥板收納部108，如在圖1中由一點鏈線所示，在閥板106離開閥外殼104的閥座部並收納於閥板收納部108內時，閘閥102打開。氣體能夠通過閘閥102及吸氣口12從真空腔室100進入低溫泵10的內部空間內。如此，為了在真空腔室100內進行所期望的真空程序，能夠藉由低溫泵10對真空腔室100進行真空排氣。

如圖2所示，低溫泵10可以具備：第1溫度感測器40，用於測定第1冷卻台22的溫度；及第2溫度感測器42，用於測定第2冷卻台24的溫度。第1溫度感測器40安裝於第1冷卻台22或第1段低溫板18上，第2溫度感測器42安裝於第2冷卻台24或低溫板單元20上。因此，第1溫度感測器40能夠測定第1段低溫板18的溫度，並輸出表示第1段低溫板18的測定溫度之第1測定溫度訊號T1。第2溫度感測器42能夠測定低溫板單元20的溫度，並輸出表示低溫板單元20的測定溫度之第2測定溫度訊號T2。

冷凍機14具備驅動冷凍機14之冷凍機馬達50和控制冷凍機14的運轉頻率之冷凍機變頻器52。冷凍機14的運轉頻率(亦稱為運轉速度)表示冷凍機馬達50的運轉頻率或轉速、冷凍機變頻器52的運轉頻率、熱循環的頻率或者該等中的任一個。熱循環的頻率為在冷凍機14中進行之熱循環的每單位時間的次數。

又，低溫泵10具備控制低溫泵10之控制器60。控制器60可以與低溫泵10一體地設置，亦可以構成為與低溫泵10不同個體的控制裝置。

控制器60可以與第1溫度感測器40連接以接收來自第1溫度感測器40的第1測定溫度訊號T1，且與第2溫度感測器42連接以接收來自第2溫度感測器42的第2測定溫度訊號T2。上述冷凍機變頻器52可以設置於控制器60。

控制器60可以構成為在低溫泵10的真空排氣運轉時，依據第1段低溫板18的冷卻溫度或依據低溫板單元20的冷卻溫度來控制冷凍機14。例如，控制器60可以藉由回饋控制來控制冷凍機14的運轉頻率，以使第1冷卻台22的目標溫度與第1溫度感測器40的測定溫度的偏差最小化。

第1冷卻台22的目標溫度通常設定為恆定值。關於第1冷卻台22的目標溫度，例如依據在安裝有低溫泵10之真空腔室100內進行之程序來決定其規格。在低溫泵10運轉時，目標溫度可以依據需要進行變更。

控制器60可以依據測定溫度與目標溫度的偏差的函數(例如，藉由PID控制)決定冷凍機馬達50的運轉頻率F。冷凍機馬達50的運轉頻率F被決定在預先設定之運轉頻率範圍內。運轉頻率範圍由預先設定之運轉頻率的上限及下限定義。控制器60將所決定之運轉頻率F輸出至冷凍機變頻器52。

冷凍機變頻器52構成為提供冷凍機馬達50的可變頻率控制。冷凍機變頻器52將輸入電力轉換為具有從控制器60輸入之運轉頻率F。對冷凍機變頻器52的輸入電力從冷凍機電源(未圖示)供給。冷凍機電源可以為商用電源。冷凍機變頻器52將所轉換之電力輸出至冷凍機馬達50。如此，冷凍機馬達50被以由控制器60決定並從冷凍機變頻器52輸出之運轉頻率F驅動。

在對低溫泵10的熱負載增加時，第1冷卻台22的溫度可能會升高。在第1溫度感測器40的測定溫度比目標溫度更高溫之情況下，控制器60使冷凍機14的運轉頻率增加。其結果，冷凍機14中之熱循環的頻率亦增加，第1段低溫板18及第1冷卻台22被冷卻至目標溫度。反之，在第1溫度感測器40的測定溫度比目標溫度更低溫之情況下，冷凍機14的運轉頻率減少而使第1冷卻台22被升溫至目標溫度。如此，能夠將第1段低溫板18的溫度保持在目標溫度附近的溫度範圍內。由於能夠依據熱負載適當調整冷凍機14的運轉頻率，因此這樣的控制有助於降低低溫泵10的耗電量。

在以下，會有將冷凍機14控制成使第1冷卻台22的溫度按照目標溫度之情況稱為「1段溫度控制」的情形。在1段溫度控制中，不直接控制2段冷卻溫度。亦即，作為1段溫度控制的結果，第2冷卻台24及低溫板單元20被冷卻至由冷凍機14的2段冷凍能力和從外部對第2冷卻台24的熱負載決定之溫度。

同樣地，控制器60亦能夠執行將冷凍機14控制成使第2冷卻台24的溫度按照目標溫度之所謂的「2段溫度控制」。此時，控制器60可以藉由回饋控制來控制冷凍機14的運轉頻率，以使第2冷卻台24的目標溫度與第2溫度感測器42的測定溫度的偏差最小化。藉此，能夠使低溫板單元20的溫度跟隨目標溫度。在2段溫度控制中，不直接控制1段冷卻溫度。在2段溫度控制中，1段冷卻溫度藉由冷凍機14的1段冷凍能力和從外部對第1冷卻台22的熱負載來決定。

控制器60可以構成為不僅控制低溫泵10，而且還控制閘閥102。控制器60可以生成打開和關閉閘閥102之指令訊號，並將其發送至閘閥102。閘閥102可以接收該指令訊號，並依據指令訊號來打開或關閉。閘閥102可以生成表示打開和關閉狀態之閘閥訊號S，並將其發送至控制器60。控制器60可以從閘閥102接收閘閥訊號S，並依據閘閥訊號S來偵測閘閥102是否關閉。

再者，閘閥102亦可以藉由與控制器60不同的控制器(例如，比控制真空程序裝置之控制器60更上位的控制器)來控制。此時，控制器60可以從控制閘閥102之控制器接收閘閥訊號S。

關於控制器60的內部結構，作為硬體結構，由以電腦的CPU或記憶體為代表之元件或電路來實現，而作為軟體結構，由電腦程式等來實現，但是在圖中適當繪製為藉由它們的協作實現之功能方塊。本領域技術人員應理解，該等功能方塊能夠藉由硬體、軟體的組合以各種形式來實現。

例如，控制器60能夠以CPU(Central Processing Unit：中央處理單元)、微電腦等處理器(硬體)和由處理器(硬體)執行之軟體程式的組合來實現。軟體程式可以為用於使控制器60執行低溫泵10的運轉方法的電腦程式。

以下說明上述結構的低溫泵10的動作。在低溫泵10工作時，首先在其工作之前，用其他適當的粗抽泵將真空腔室100粗抽至既定壓力(例如，100Pa左右或10Pa左右)。在進行真空腔室100的粗抽時，閘閥102被關閉。其後(或與真空腔室100的粗抽並行)使低溫泵10工作。藉由驅動冷凍機14，第1冷卻台22及第2冷卻台24分別被冷卻至第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。因此，與該等熱耦合之第1低溫板單元及第2低溫板單元亦分別被冷卻至第1冷卻溫度及第2冷卻溫度。閘閥102被打開，開始基於低溫泵10之真空腔室100的真空排氣。

入口低溫板32冷卻從真空腔室朝向低溫泵10飛來之氣體。在第1冷卻溫度下蒸氣壓充分低的(例如，10 ^- ⁸Pa以下的)氣體凝結在入口低溫板32的表面上。該氣體可以稱為第1種氣體。第1種氣體例如為水蒸氣。如此，入口低溫板32能夠排出第1種氣體。在第1冷卻溫度下蒸氣壓不夠低的氣體的一部分從吸氣口12進入低溫泵10內。或者，氣體的另一部分被入口低溫板32反射並返回至真空腔室100而不進入低溫泵10內。

進入低溫泵10內之氣體被低溫板單元20冷卻。在第2冷卻溫度下蒸氣壓充分低的(例如，10 ^-8Pa以下的)氣體凝結在低溫板單元20的表面上。該氣體可以稱為第2種氣體。第2種氣體例如為氬氣。如此，低溫板單元20能夠排出第2種氣體。

在第2冷卻溫度下蒸氣壓不夠低的氣體吸附於低溫板單元20的吸附材料上。該氣體可以稱為第3種氣體。第3種氣體例如為氫氣。如此，低溫板單元20能夠排出第3種氣體。因此，低溫泵10能夠藉由凝結或吸附來排出各種氣體，以使真空腔室的真空度達到所期望的水準。

藉由持續進行低溫泵10的真空排氣運轉，在低溫泵10內蓄積氣體。為了將所蓄積之氣體向外部排出，進行低溫泵10的再生。低溫泵10的再生通常包括升溫工序、排出工序及冷卻工序。在升溫工序中，低溫泵10從用於真空排氣運轉的極低溫加熱至再生溫度(例如，室溫)。被捕捉到低溫泵10內之氣體被氣化。第2種氣體及第3種氣體在升溫工序中能夠容易地從低溫泵10排出。在排出工序中，主要排出第1種氣體。若排出工序結束，則冷卻工序開始。在冷卻工序中，低溫泵10被再冷卻至用於真空排氣運轉的極低溫。如此，若再生完畢，則低溫泵10能夠再度開始真空排氣運轉。

在低溫泵10的再生中，閘閥102被關閉。再生完畢之後，閘閥102再度被打開。但閘閥102亦可以在再生完畢之時點(亦即，冷卻工序的結束時點)不立即打開。再生完畢之後的低溫泵10亦能夠採取在閘閥102關閉之狀態下被冷卻至極低溫之待機狀態。藉由打開閘閥102，待機狀態的低溫泵10能夠立即開始真空腔室100的真空排氣。

如上所述，藉由打開閘閥102，一時之間有大量氣體從真空腔室100流入低溫泵10中，這成為對冷凍機14的熱負載，可能會導致低溫板溫度過衝。由於各種原因，有與第1段低溫板相比第2段低溫板上更容易出現溫度過衝的情形。這純粹是因為第2段的溫度為低溫，與流入的室溫的氣體的溫差大。又，在大多數情況下，與第1段相比，第2段的熱容量小(在第1段上安裝有輻射屏蔽件30等大型的零件，因此質量進而熱容量大的情況居多)。作為流入的主要氣體之例如氮氣等第2種氣體雖不凝結在第1段上但會凝結在第2段上。隨著氣體的相變化而產生之潛熱可能會使第2段的溫度上升。低溫板的溫度上升在一些情況下可能會對低溫泵的排氣性能造成不良影響。

在現有的低溫泵控制中，在降低從真空腔室100對低溫泵10的熱負載之閘閥102關閉時，經常進行為了節能而抑制冷凍機14的冷凍能力。在這樣的控制下，比較高地維持第2段溫度是有效的。其結果，在交越的發生時點的第2段溫度往往會變高，有可能容易發生溫度過衝之憂慮。

又，作為真空程序裝置中之獨自的設定，會有預先設定低溫板溫度的容許範圍的情形。若偵測到上述過衝的結果超出了該容許溫度範圍，有可能藉由真空程序裝置執行警報的發出或閘閥102的緊急關閉等用於確保安全的動作。直到低溫板溫度回到容許範圍內為止真空程序裝置成為待機中，真空程序的開始會與此相應地延遲。

因此，在本實施方式中，為了緩和在交越時可能發生之低溫板溫度的過衝，控制器60構成為偵測閘閥102是否關閉，並控制冷凍機14以使閘閥102關閉時的冷凍機14的冷凍能力比閘閥102打開時增加。

圖3係表示實施方式之低溫泵10的運轉方法的一例之流程圖。控制器60可以在低溫泵10運轉時週期性地執行本處理。

如圖3所示，在開始本處理時，首先判定閘閥102是否關閉(S10)。作為一例，控制器60可以構成為接收表示閘閥102的打開和關閉狀態之閘閥訊號S，並依據閘閥訊號S來偵測閘閥102是否關閉。如上所述，控制器60能夠從閘閥102或從其他控制器接收閘閥訊號S。

作為另一種方法，控制器60可以構成為取得對冷凍機14的熱負載，並依據所取得之熱負載來偵測閘閥102是否關閉。對冷凍機14的熱負載主要從真空腔室100通過閘閥102進入冷凍機14內。因此，期待閘閥102關閉時對冷凍機14的熱負載與閘閥102打開時對冷凍機14的熱負載相比變小。於是，在對冷凍機14的熱負載低於熱負載閾值之情況下，能夠偵測到閘閥102關閉，且在對冷凍機14的熱負載超過熱負載閾值之情況下，能夠偵測到閘閥102打開。關於熱負載閾值，可以依據低溫泵10的設計者的經驗見解或者由設計者進行之實驗或模擬實驗等預先取得，並預先儲存於控制器60中。

控制器60可以構成為參照表示對冷凍機14的熱負載、冷凍機14的運轉頻率及低溫板溫度的關係之藍圖(map)，並依據冷凍機14當前的運轉頻率和所測定之低溫板溫度來取得對冷凍機14的熱負載。這樣的藍圖亦稱為路線圖(roadmap)，可以依據低溫泵10的設計者的經驗見解或者由設計者進行之實驗或模擬實驗等預先取得，並預先儲存於控制器60中。

例如，第1路線圖表示對冷凍機14的第1段和第2段各自的熱負載與在1段溫度控制下的冷凍機14的運轉頻率及第2段低溫板溫度的關係。控制器60可以在執行1段溫度控制時參照第1路線圖，並依據冷凍機14當前的運轉頻率和所測定之第2段低溫板溫度來取得對冷凍機14的第1段和第2段各自的熱負載。第2段低溫板溫度可以藉由第2溫度感測器42測定。

或者，可以使用表示對冷凍機14的第1段和第2段各自的熱負載與在2段溫度控制下的冷凍機14的運轉頻率及第1段低溫板溫度的關係之第2路線圖。控制器60可以在執行2段溫度控制時參照第2路線圖，並依據冷凍機14當前的運轉頻率和所測定之第1段低溫板溫度來取得對冷凍機14的第1段和第2段各自的熱負載。第1段低溫板溫度可以藉由第1溫度感測器40測定。

再者，控制器60可以構成為依據需要切換並執行1段溫度控制和2段溫度控制。在低溫泵10進行真空排氣運轉時，通常執行1段溫度控制。控制器60可以在低溫泵10的待機狀態下執行2段溫度控制，在交越時從2段溫度控制切換為1段溫度控制，並在真空排氣運轉時執行1段溫度控制。或者，控制器60可以偵測閘閥102是否打開，並在閘閥102打開時執行1段溫度控制，且在閘閥102關閉時執行2段溫度控制。

如圖3所示，在偵測到閘閥102關閉之情況(S10中的「是」)下，控制器60控制冷凍機14以使冷凍機14的冷凍能力比閘閥102打開時增加(S12)。另一方面，在偵測到閘閥102打開之情況(S10中的「否」)下，不進行該冷凍能力的增加。

作為使冷凍機14的冷凍能力增加之控制的一例，控制器60可以構成為，在閘閥102打開時，使冷凍機14以第1下限值以上的運轉頻率動作，且在閘閥102關閉時，使冷凍機14以大於第1下限值的第2下限值以上的運轉頻率動作。如此一來，如果在冷凍機14以小於第2下限值的運轉頻率動作時閘閥102關閉了，冷凍機14的運轉頻率會增加至該第2下限值。若藉由1段溫度控制或2段溫度控制來決定之運轉頻率的值大於第2下限值，則冷凍機14的運轉頻率增加至該值。如此，能夠使閘閥102關閉時的冷凍機14的冷凍能力比閘閥102打開時增加。

再者，運轉頻率的第2下限值可以為冷凍機14容許之運轉頻率範圍的上限值或比其略小的既定值(例如，可以大於上限值的80%或90%)。如此一來，能夠使閘閥102關閉時的冷凍機14的冷凍能力比閘閥102打開時確實地增加。

作為使冷凍機14的冷凍能力增加之控制的另一例，控制器60可以構成為，在閘閥102打開時，以使藉由溫度感測器測定之冷卻溫度與第1目標溫度一致的方式決定冷凍機14的運轉頻率，且在閘閥102關閉時，以使藉由溫度感測器測定之冷卻溫度與低於第1目標溫度的第2目標溫度一致的方式決定冷凍機14的運轉頻率，並且使冷凍機14以所決定之運轉頻率動作。如此，亦能夠控制冷凍機14以使閘閥102關閉時的冷凍機14的運轉頻率比閘閥102打開時增加。

例如，在執行1段溫度控制時，控制器60可以在閘閥102打開時，以使藉由第1溫度感測器40測定之冷卻溫度與第1目標溫度一致的方式決定冷凍機14的運轉頻率，且在閘閥102關閉時，以使藉由第1溫度感測器40測定之冷卻溫度與低於第1目標溫度的第2目標溫度一致的方式決定冷凍機14的運轉頻率。此時，第1目標溫度例如可以從80K至120K的範圍內進行選擇。第2目標溫度例如可以從60K以上的溫度進行選擇。

或者，在執行2段溫度控制時，控制器60可以在閘閥102打開時，以使藉由第2溫度感測器42測定之冷卻溫度與第1目標溫度一致的方式決定冷凍機14的運轉頻率，且在閘閥102關閉時，以使藉由第2溫度感測器42測定之冷卻溫度與低於第1目標溫度的第2目標溫度一致的方式決定冷凍機14的運轉頻率。此時，第1目標溫度例如可以從12K至20K的範圍內進行選擇。第2目標溫度例如可以從10K至12K的範圍內進行選擇。

再者，在執行使冷凍機14的冷凍能力增加之控制時，控制器60可以偵測閘閥102是否打開，並在閘閥102打開之情況下，結束冷凍機14的冷凍能力的增加。如此，能夠在閘閥102打開時使冷凍機14的冷凍能力恢復原狀。

圖4(a)係表示比較例之低溫泵的動作之圖。如上所述，在現有的低溫泵中，在大多數情況下，藉由閘閥的關閉降低從真空腔室對低溫泵的冷凍機的熱負載，因此控制冷凍機以抑制冷凍機的冷凍能力。因此，如圖4(a)所示，在閘閥關閉期間，冷凍機的運轉頻率降低。此時，對冷凍機的熱負載亦變小，因此低溫板溫度(例如，第2段低溫板溫度)維持在目標溫度Ta。但是，在閘閥打開時，情況會發生變化。由於隨著交越而使對冷凍機的熱負載增加，低溫板溫度可能暫時大幅度上升。亦即，低溫板溫度過衝。如此，由於低溫板溫度偏離目標溫度Ta，冷凍機的運轉頻率增加，其後低溫板溫度逐漸返回至目標溫度Ta。

圖4(b)係表示實施方式之低溫泵的動作之圖。依據實施方式，能夠使閘閥102關閉時的冷凍機14的冷凍能力比閘閥102打開時增加。如圖4(b)所示，在閘閥關閉期間，冷凍機14的運轉頻率增加。此時，對冷凍機14的熱負載變小，因此低溫板溫度下降。其後，由於閘閥102打開，對冷凍機14的熱負載提高，低溫板溫度上升。但是，由於在閘閥102關閉時，預先使低溫板溫度充分下降，因此期待低溫板溫度跟隨目標溫度Ta而不會大幅度超過目標溫度Ta。如此，依據實施方式，能夠緩和在交越時可能發生之低溫板溫度的過衝。

低溫泵10的總運轉時間中的大部分為真空腔室100的真空排氣運轉，在此期間，閘閥102打開。低溫泵10的總運轉時間中的閘閥102關閉時間所佔之比例應是極小的。因此，在實施方式之低溫泵10中，閘閥102關閉時的耗電量可能會稍微增加，但是估計該時間極短，因此不會造成太大的影響。

圖5係表示實施方式之低溫泵10的運轉方法的另一例之流程圖。可以偵測低溫泵10的再生是否完畢來代替偵測閘閥102的打開和關閉。因此，控制器60可以偵測低溫泵10的再生是否完畢，並控制冷凍機14以在再生完畢之後使冷凍機14的冷凍能力暫時增加。如此，亦與上述實施方式同樣地，能夠緩和在交越時可能發生之低溫板溫度的過衝。

如圖5所示，判定低溫泵10的再生是否完畢(S20)。控制器60可以在再生的冷卻工序中分別從第1溫度感測器40及第2溫度感測器42取得測定溫度，將第1溫度感測器40的測定溫度與用於真空排氣運轉的第1段低溫板18的目標冷卻溫度進行比較，且將第2溫度感測器42的測定溫度與用於真空排氣運轉的第2段低溫板單元20的目標冷卻溫度進行比較。控制器60可以在第1溫度感測器40及第2溫度感測器42的測定溫度中的任一個未達到目標冷卻溫度的情況下，繼續冷卻工序，且在第1溫度感測器40及第2溫度感測器42的測定溫度分別達到目標冷卻溫度之情況下，判定為冷卻工序亦即低溫泵10的再生完畢。

在低溫泵10的再生完畢之情況(S20中的「是」)下，控制器60控制冷凍機14以使冷凍機14的冷凍能力增加(S22)。與上述實施方式同樣地，冷凍機14的冷凍能力增加可以藉由使冷凍機14的運轉頻率增加、藉由使1段溫度控制下之目標溫度降低或者藉由使2段溫度控制下之目標溫度降低來實現。另一方面，在偵測到低溫泵10的再生尚未完畢之情況(S20中的「否」)下，不進行該冷凍能力的增加。

使冷凍機14的冷凍能力增加之控制可以執行至閘閥102打開為止。此時，控制器60可以在低溫泵10處於待機狀態時控制冷凍機14以使冷凍機14的冷凍能力增加。或者，使冷凍機14的冷凍能力增加之控制亦可以在既定時間內執行。

圖6係概略地表示其他實施方式之低溫泵10的控制裝置的結構之方塊圖。為了調節冷凍機14的冷凍能力，冷凍機14可以具備電熱器等加熱裝置62。加熱裝置62可以設置於第1冷卻台22上、或第2冷卻台24上或第1冷卻台22和第2冷卻台24這兩者上。控制器60可以構成為切換加熱裝置62的開啟和關閉及/或控制加熱裝置62的輸出。

控制器60可以構成為，在閘閥102打開時，使加熱裝置62以第1輸出工作，且在閘閥102關閉時，使加熱裝置62以低於第1輸出的第2輸出工作或者使其不工作。藉由使加熱裝置62的輸出下降，能夠使閘閥102關閉時的冷凍機14的冷凍能力比閘閥102打開時增加。

再者，在圖6的實施方式中，亦與圖2的實施方式同樣地，冷凍機14可以構成為具備冷凍機變頻器52並使運轉頻率可變。此時，例如可以藉由1段溫度控制或2段溫度控制來控制冷凍機14的運轉頻率，並且使用加熱裝置62來調節冷凍能力。或者，在圖6的實施方式中，冷凍機14可以以一定的運轉頻率驅動，亦可以不具備冷凍機變頻器52。

以上，依據實施例對本發明進行了說明。本領域技術人員應理解，本發明並不限定於上述實施方式，能夠進行各種設計變更，能夠進行各種變形例，並且該種變形例亦在本發明的範圍內。本申請案係主張基於2022年2月18日申請之日本專利申請第2022-024015號的優先權。該日本申請案的全部內容係藉由參閱而援用於本說明書中。

10:低溫泵 14:冷凍機 60:控制器 100:真空腔室 102:閘閥

[圖1]係概略地表示實施方式之低溫泵之圖。 [圖2]係概略地表示實施方式之低溫泵的控制裝置的結構之方塊圖。 [圖3]係表示實施方式之低溫泵的運轉方法的一例之流程圖。在[圖4]中，圖4(a)係表示比較例之低溫泵的動作之圖，圖4(b)係表示實施方式之低溫泵的動作之圖。 [圖5]係表示實施方式之低溫泵的運轉方法的另一例之流程圖。 [圖6]係概略地表示其他實施方式之低溫泵的控制裝置的結構之方塊圖。

10:低溫泵

14:冷凍機

40:第1溫度感測器

42:第2溫度感測器

50:冷凍機馬達

52:冷凍機變頻器

60:控制器

102:閘閥

F:運轉頻率

T1:第1測定溫度訊號

T2:第2測定溫度訊號

S:閘閥訊號

Claims

一種低溫泵，能夠經由閘閥安裝於真空腔室內，其係具備：冷凍機；及控制器，構成為偵測前述閘閥是否關閉，並控制前述冷凍機以使前述閘閥關閉時的前述冷凍機的冷凍能力比前述閘閥打開時增加。
如請求項1所述之低溫泵，其中，前述控制器構成為，接收表示前述閘閥的打開和關閉狀態之閘閥訊號，並依據前述閘閥訊號來偵測前述閘閥是否關閉。
如請求項1所述之低溫泵，其中，前述控制器構成為，取得對前述冷凍機的熱負載，並依據所取得之熱負載來偵測前述閘閥是否關閉。
如請求項1至請求項3之任一項所述之低溫泵，其中，前述冷凍機構成為使運轉頻率可變，前述控制器構成為，在前述閘閥打開時，使前述冷凍機以第1下限值以上的運轉頻率動作，且在前述閘閥關閉時，使前述冷凍機以大於前述第1下限值的第2下限值以上的運轉頻率動作。
如請求項1至請求項3之任一項所述之低溫泵，其中，前述冷凍機構成為使運轉頻率可變，前述低溫泵進一步具備測定前述冷凍機的冷卻溫度之溫度感測器，前述控制器構成為，在前述閘閥打開時，以使藉由前述溫度感測器測定之冷卻溫度與第1目標溫度一致的方式決定前述冷凍機的運轉頻率，且在前述閘閥關閉時，以使藉由前述溫度感測器測定之冷卻溫度與低於前述第1目標溫度的第2目標溫度一致的方式決定前述冷凍機的運轉頻率，並且使前述冷凍機以所決定之運轉頻率動作。
如請求項1至請求項3之任一項所述之低溫泵，其中，前述冷凍機具備加熱裝置，前述控制器構成為，在前述閘閥打開時，使前述加熱裝置以第1輸出工作，且在前述閘閥關閉時，使前述加熱裝置以低於前述第1輸出的第2輸出工作或者使其不工作。
一種低溫泵的運轉方法，前述低溫泵能夠經由閘閥安裝於真空腔室內並具備冷凍機，前述方法包括如下步驟：偵測前述閘閥是否關閉的步驟；及使前述閘閥關閉時的前述冷凍機的冷凍能力比前述閘閥打開時增加的步驟。
一種低溫泵，係具備：冷凍機；及控制器，偵測低溫泵的再生是否完畢，並控制前述冷凍機以在前述再生完畢之後使前述冷凍機的冷凍能力暫時增加。
一種低溫泵的運轉方法，前述低溫泵具備冷凍機，前述方法包括如下步驟：偵測前述低溫泵的再生是否完畢的步驟；及在前述再生完畢之後使前述冷凍機的冷凍能力暫時增加的步驟。