WO1998032060A1

WO1998032060A1 - Dispositif de regulation de la temperature d'un fluide et procede prevu a cet effet

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Publication number: WO1998032060A1
Application number: PCT/JP1998/000103
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Kamei
Original assignee: Komatsu Ltd.
Priority date: 1997-01-21
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 1998-07-23
Also published as: JPH10209125A

Description

明細書

流体温度の制御装置及びその方法技術分野

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。技術背景

流体の温度の制御方法の一つとして、特公昭 5 9 - 1 9 2 7 6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。

また、別の方法として、特閧昭 6 1 - 2 9 1 8 9 8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。

また、特開平 7— 1 5 9 0 8 4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つて、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ょうとするものである。

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。

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ゃ、高速の熱応答性が要求される用途には向いていない。このような用途の典型として、半導体製造に用いられるブ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、この流体流管はチヤン )、'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一ト（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っために用いられ、そして再び熱交換器へ戻る。

プラズマエッチングプロセスでは、チャンバ内を摂氏 9 0度位に加熱した後、チヤ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）のゥヱハの処理後、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 9 0度位に加熱して、エッチングを再開する。

チャンバ内の温度を摂氏 9 0度に立ち上げるとき、熱交換器ではヒ一夕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 9 0 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。

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、かえつ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 9 0度に一定に保っために制御精度も良くなければならない。

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。

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。発明の開示

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夕を用いて流体を加熱し、そして、ヒー夕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。

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、ヒー夕で流体を加熱するとき、ヒー夕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、ヒー夕として、ヒーティングランプや電熱線ヒ一夕のような電力を熱に変換するタイプのヒー夕を用いると、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一夕による加熱を同時に行いつつ、ヒ一夕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。

さらに、冷却液による冷却量をヒー夕の最大加熱量以下の範囲に設定しておけば、ヒー夕出力の調節だけで冷却モ一ドから加熱モードへ、また加熱モ一ドから冷却モードへと円滑に移行することもできる。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、エツチング開始時点から流体の冷却を開始する必要がある場合、冷却を開始すベ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、ヒー夕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夕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。

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、ヒー夕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。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施形態の構成を示す回路図。

図 2は、熱交換器の構造を示す縦断面図。

図 3は、図 2の A— A線での横断面図。

図 4は、第 1の実施形態での制御の流れを示すフローチヤ一ト。

図 5は、本発明の第 2の実施形態の構成を示す回路図。

図 6は、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は、本発明の第 3の実施形態の構成を示す回路図。

図 8は、第 3の実施形態での制御の流れを示すフローチヤ一ト。

図 9は、本発明の第 4の実施形態の構成を示す回路図。

図 1 0は、第 4の実施形態での制御の流れを示すフローチャート。発明を実施するための最良の形態

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。

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、 1 0が配設されている。熱媒体流管 9、 1 0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 1 1を構成している。熱媒体には、例えば水、エチレングリコ一ル、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。

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 1 1 に接続されたポンプ 3と、循環流路 1 1内を流れる熱媒体を冷却及び加熱するために循環流路 1 1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、ランプヒー夕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 1 3と冷却水排出管 1 2とが接続されており、また、図示しないランプヒ一夕が内蔵されている。冷却水供給管 1 3の途中部分は、 2つの経路つまり大流量経路 1 4と微小流量経路 1 5とに分れている。大流量経路 1 4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 1 2に流れる。微小流量経路 1 5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 1 2に流れる。

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 1 7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口一ラ 1 7の設定した温度はコントローラ 1 6に入力される。コントローラ 1 6は、後に詳述するように、メインコントローラ 1 7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内のヒ一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夕（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及びヒ一ティングランプ 4をそれそれ駆動するドライバ回路（図示せず）とを含む。

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。

熱交換器 2は、両端面が塞がれ内側に空間 2 3 aを有する円筒形の内側容器 2 1 と、やはり円筒形で塞がれた両端面を有しかつ内側容器 2 1を囲繞して内側容器 2 1の外側に空間 2 3 bを形成している外側容器 2とを有する。内側容器 2 1は、その周壁の一端に近い箇所に、熱媒体の入口 2 l aを有し、かつ、周壁の他端に近い箇所であって入口 2 1 aとは中心軸に対して対称な箇所に、熱媒体の出口 2 1 bを有する。熱媒体の出口 2 1 b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 2 2は、その周壁の一端に近い箇所に、冷却液（例えば水）の入口 2 2 aを有し、かつ、周壁の他端に近い箇所であって入口 2 2 aとは中心軸に対して対称な箇所に、冷却液の出口 2 2 bを有する。

内側容器 2 1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 2 2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 2 1と外側容器 2 2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。

内側容器 2 1の内側空間 2 3 a内には、中心軸に沿って透明筒 2 4が配置され、この透明筒 2 4は内側容器 2 1の両端の壁 2 6、 2 6を貫通している。この透明筒 2 4内に、ヒーティングランプ 2 5が揷入されている。透明筒 2 4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 2 5には、赤外線を多く出すものが好ましく、例えばヒー夕用のハロゲンランプが用いられる。このランプ 2 5は、ブッシュ 2 9によって透明筒 2 4に接触しないように、透明筒 2 4内の中心軸位置に支持されている。

内側容器 2 1の両端の壁 2 6、 2 6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、 2 6と内側容器 2 1及び透明筒 2 4との間の隙間をシールするために、端壁 2 6、 2 6の外周面と内周面にはそれぞれ 0リングのようなシ一ルリングが填め込まれている。内側容器 2 1の内周面には、容器 2 1の中心軸に平行に伸びた多数本の内側フィン 2 8 a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 2 8 bが固定されている。内側フイン 2 8 aは、内側空間 2 3 a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 2 8 b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。内側フイン 2 8 aも外側フイン 2 8 bも、内側空間 2 3 a及び外側空間 2 3 b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 2 8 a、 2 8 b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。

内側フィン 2 8 aの先端と透明筒 2 4の外周面との間には僅かな隙間がある。外側フィン 2 8 bの先端と外側容器 2 2の内周面との間にも僅かな隙間がある。

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 2 1 aから内側空間 2 3 aに流入し内側空間 2 3 aを通って出口 2 l bから流出する。また、冷却液は入口 2 2 aから外側空間 2 3 bに流入し外側空間 2 3 bを通って出口 2 2 bから流出する。

熱媒体を加熱する場合、ランプ 2 5が点灯される。ランプ 2 5から放射された赤外線は透明筒 2 4を通過して内側空間 2 3 aに入射する。もし、熱媒体が光吸収性の極めて低い物質（例えばフロリナ一ト）であれば、赤外線の大部分はフィン 2 8 aに吸収され、そこで生じた放射熱がフィン 2 8 a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、ェチレングリコールなど）であれば、赤外線はフイン 8 8 a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 2 5 からの放射熱は内側空間 2 3 aの全体領域にほぼ一様に行き渡るため、内側空間 2 3 a内の熱媒体はむらなく一様に近い態様で加熱される。

加熱量の制御は、熱媒体出口 2 1 b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 1 6 (図 1参照）が、ランプ 2 5の点灯時間のデュ —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 P I D演算することによりランプ 2 5への供給電力を調節する。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 2 8 a、内側容器 2 1及び外側フイン 2 8 b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 1 6が、バルブ 6、 5を選択的に閧くことにより、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、ノレブ 5を開くことにより、大流量経路 1 4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 1 5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）。

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 2 5も点灯し、そして、ランプ 2 5の加熱量を P I D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 2 5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。

図 4は、図 1に示したコントローラ 1 6が行う制御の流れを示す。

ここでは、負荷 7がブラズマエッチング装置のチヤンバである場合を想定している。発明が解決しょ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 9 0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ツチングを行う。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。

図 4に示すように、コントローラ 1 6はまず、微小流量経路 1 5の絞り弁 4の開度を次のように調整し固定する（S l )。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 W l、微小流量経路 1 5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 W 2、予め分っているヒーティン '25の最大加熱量を W 3、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の放熱量を W4とすると、冷却量 W2が W1≤W2≤ (W3 -W4 ) 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。

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（S 2)、コントローラ 1 6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（S 3)。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 S 4〜S 10の制御へ進む。一方、ステップ S 3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 S 1 1〜S 14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一ニング後の再開時であって、チヤ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 S 4〜S 10の制御へ進む。また、例えば、定期的なクリ一ニングを行うためにチヤンバ内を摂氏 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 S 1 1〜S 14の制御へ進む。

エッチングプロセスを開始するためにステップ S 4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 P ID制御する（S 5)。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。

このようにして熱媒体を加熱しつつ、現在温度 P Vと設定温度 S V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（S 6)。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（S 7)。冷却液の流量は、ステップ S 1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 W 2は、既に述べたように Wl≤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（S 8)。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、コント口 —ラ 16はステップ S 5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一ドバック制御しているから、現在温度 P V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。

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（S 9)。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つているから、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（S 10)。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 S V (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、微小冷却モ一ドによつて熱媒体の温度は実質的に設定温度 S V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。

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 S 2で室温の設定温度が入力されるため、制御はステツプ S 1 1以下へ進んで大冷却モードを開始する。まず、ステップ S 1 1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 P V と設定温度 S V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（S 1 2 )。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

( S 1 3 )。同時に、ランプ 2 5を点灯し、現在温度 P Vが設定温度 S V (室温）に一致するようにランプ出力を P I Dフィードバック制御する（S 1 4 )。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 9 0度程度から、高速に室温まで冷却されることになる。

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）。

この第 2の実施形態では、熱交換システム 3 1は、循環流路 1 1内に、熱交換器 3 2をバイパスするためのバイパス流路 3 2を有し、このバイパス流路 3 2には電磁式の開閉バルブ 3 6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 3 2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 3 5と微小流路 3 7とに分れており、主流路 3 5には電磁式の開閉ノレブ 3 5が、微小流路 3 7には絞り弁 3 4が設けられている。冷却液の供給管 1 3は単純な 1本の管であり、そこに電磁式の開閉バルブ 3 9が設けられている。コントローラ 3 8は、温度センサ 8からの現在温度 P Vとメインコントローラ 1 7からの設定温度 S Vとを受けて、ポンプ 3、電磁バルブ 3 5、 3 6、 3 9、絞り弁 3 4及び熱交換器 2内のヒーティングランプ 2 5 (図 2、 3参照）を駆動及び制御する。

この熱交換システム 3 1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 3 3のバルブ 3 5を開きバイパス流路 3 2のバルブ 3 6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 3 3のバルブ 3 5を閉じバイパス流路 3 2のバルブ 3 6を開けると、微小流路 3 4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。図 6は、コントローラ 3 8が行う制御の流れを示す。ここでも、負荷 7がプラズマエツチング装置のチヤ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）。

コントローラ 3 8はまず、微小流路 3 7の絞り弁 3 4の開度を調整し固定する（S 2 1 )。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 W l、微小冷却モードでの冷却液による冷却量を W 2、ランプ 2 5の最大加熱量を W 3とすると、冷却量 W 2が W 1≤W 2≤ (W 3 - W 4 ) の範囲内の適当値になるように、絞り弁 3 4の開度を決定する。

その後、メインコントローラ 1 7からコントローラ 3 8に設定温度（熱媒体の目標温度） S Vが入力される（S 2 2 )。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 3 9を閉じるだけでなく、熱媒体のバイパス流路 3 2のバルブ 3 6も閉じる（S 2 4、 S 3 3 )。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 3 9を開いて冷却液を一定流量で流し、かつ、バルブ 3 5を閉じバルブ 3 6 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（S 2 7 )。大冷却モードでは、既に説明したように、バルブ

3 9を開いて冷却液を一定流量で流し、かつ、バルブ 3 5を開きバルブ 3 6を閉じることにより、全ての熱媒体を熱交換器 2に送る（S 3 1 )。

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。

図 7は、本発明の第 3の実施形態の構成を示す。

この実施形態では、熱交換システム 4 1は、多数（N個）の冷却液出口を有した熱交換器 4 2を有する。この熱交換器 4 2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 3 bと、内側容器内に形成された熱媒体の流れる空間 2 3 aと、その内側容器内に挿入された円柱形のヒ一ティングランプ 2 5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 4 4 - 1〜 4 4 -N が接続されている。それら N本の冷却液排出管 4 4 -1〜4 4 -N は、それぞれ電磁式の開閉バルブ 4 3 - 1〜4 3 - N を有し、先方で 1本の共通の冷却液排出管 1 2に接続している。この共通の冷却液排出管 1 2には絞り弁 4 6が設けられている。冷却水供給管 1 3は単純な 1本の管であり、電磁式の開閉バルブ 3 9を有する。コントロ一ラ 3 7は、現在温度 P Vと設定温度 S Vとを入力し、ポンプ 3、バルブ 3 9、

4 3 - 1〜4 3 - N、絞り弁 4 6、ランプ 2 5を駆動及び制御する。

この熱交換システム 4 1では、 N本の冷却液排出管 4 4 - 1〜4 4 -N の電磁バルブ 4 3 - 1〜4 3 - 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 4 4 -1 のバルブ 4 3 - 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 43-1 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。

図 8は、コントローラ 47が行う制御の流れを示す。

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 W 2が W 1 ≤W2≤ (W3-W4) 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（S41)。さらに、大冷却モードで必要な冷却量に応じて、大冷却モ ―ドで閧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（S

42)。

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、コント口一ラ 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（ S 44、

553)、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（S 47)、また、大冷却モードでは、ノノレブ 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（S 51)。

図 9は、本発明の第 4の実施形態の構成を示す。

この実施形態の熱交換システム 5 1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 5 3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 5 3は、図 2、 3に示した構造からランプ 2 5を除去したような構造をもつ。第 2の熱交換器 5 3は、その冷却量 W 2が W l≤W 2≤ (W 3 -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 5 3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 5 3には、冷却液供給管 5 7と冷却液排出管 5 6が接続されており、冷却液供給管 5 7には電磁式の開閉バルブ 5 5が設けられている。コントローラ 5 8は、現在温度 P Vと設定温度 S Vとを入力し、ポンプ 3、ノレブ 3 9、 5 5、第 1の熱交換器 2内のランプ 2 5を駆動及び制御する。

この熱交換システム 5 1では、第 1の熱交換器 2と第 2の熱交換器 5 3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 5 3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。

図 1 0は、コントローラ 5 8が行う制御の流れを示す。

メインコントローラ 1 7から設定温度 S Vが入力されると、コントローラ 5 8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 3 9、 5 5を閉じて両方の熱交換器 2、 5 3への冷却液供給を止め（S 6 4、 S 7 3 )、微小冷却モード（その準備も含めて）では、バルブ 3 9を閉じバルブ 5 5を開くことにより冷却液を小流量で第 2の熱交換器 5 3へ送り ( S 6 7 )、また、大冷却モードでは、ノレブ 3 9を開きバルブ 5 5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（S 7 1 )。

上述した幾つかの実施形態におけるコントローラは、専用ハードウェア回路でも、プログラムされたコンピュータでも、或いは、両者の組み合わせでも実施することができる。コンピュータを用いて上記コントローラを実施する場合、そのコンビュ —夕ためのプログラムは、各種のディスク型ストレージ、半導体メモリ、或いは通信回線などの種々の媒体を通じてコンピュータにィンストール又は口一ドすることができる。

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、ヒ一夕もランプに限らす電熱線ヒ一夕であってもよい。大冷却モ一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夕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一ドがあればよい。

Claims

請求の範囲

1 . 冷却液を用いて流体を冷却する冷却器と、

前記流体を加熱するヒ一夕と、

前記流体の温度を制御するために、前記冷却器と前記ヒー夕を同時に駆動しつつ前記ヒ一夕の出力を調節する同時駆動手段と

を備えた流体温度の制御装置。

2 . 前記ヒー夕がヒーティングランプ又は電熱線ヒー夕である請求項 1記載の流体温度の制御装置。

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、前記冷却器を駆動する請求項 1記載の流体温度の制御装置。

4 . 前記同時駆動手段が、前記ヒー夕のもつ最大の加熱量以下の冷却量を発揮するよう、前記冷却器を駆動する請求項 1及び 3のいずれか一項記載の流体温度の制御装置。

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。

6 . 前記冷却器のみを駆動する冷却駆動手段と、

前記ヒー夕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。

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夕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夕を駆動し制御するためのコント口一ラとを備え、

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夕を同時に駆動しつつ、前記流体の温度を制御するために前記ヒータの出力を調節する同時駆動モードを有する流体温度の制御システム。

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、

前記コントローラが、前記同時駆動モードにおいて、前記微小冷却系統を選択的に駆動する請求項 7記載の流体温度の制御システム。

9 . 前記ヒー夕がヒ一ティングランプ又は電熱線ヒー夕である請求項 7記載の流体温度の制御システム。

1 0 . 前記コントローラが、前記同時駆動モードにおいて、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、前記冷却液系統を駆動する請求項 7記載の流体温度の制御システム。

1 1 . 前記コントローラが、前記同時駆動モードにおいて、前記ヒー夕のもつ最大の加熱量以下の冷却量を発揮するよう、前記冷却液系統を駆動する請求項 7及び 1 0のいずれか一項記載の流体温度の制御システム。

1 2 . 前記コントローラが、前記流体を冷却する必要の生じる時点の以前に前記同時駆動モードを開始して、前記時点以降も前記同時駆動モードを継続する請求項 7記載の流体温度の制御システム。

1 3 . 前記コントローラが、

前記同時駆動モードと、

前記流体系統を駆動しつつ、前記冷却液系統及び前記ヒー夕の内の前記冷却液系統のみを駆動する冷却モードと、

前記流体系統を駆動しつつ、前記冷却液系統及び前記ヒー夕の内の前記ヒー夕のみを駆動する加熱モードと

を有する請求項 7記載の流体温度の制御システム。

1 4 . 冷却液を用いて流体を冷却しつつ同時にヒ一夕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。

1 5 . 前記ヒー夕がヒーティングランプ又は電熱線ヒー夕である請求項 1 4記載の流体温度の制御方法。

1 6 . 前記同時駆動過程において、前記流体の温度制御に必要な冷却量以上の冷却量で前記流体を冷却する請求項 1 4記載の流体温度の制御方法。

1 7 . 前記同時駆動モードにおいて、前記ヒー夕のもつ最大の加熱量以下の冷却量をで前記流体を冷却する請求項 1 4及び 1 6のいずれか一項記載の流体温度の制御方法。

1 8 . 前記同時駆動過程が、前記流体を冷却する必要の生じる時点の以前から開始して、前記時点以降も継続する請求項 1 4記載の流体温度の制御方法。

1 9 . 前記流体の冷却のみを行う冷却過程と、

前記流体の加熱のみを行う過熱過程と、

前記同時駆動過程、前記冷却過程及び前記加熱過程の内のいずれか一つを選択する選択過程とを更に有する請求項 1 4記載の流体温度の制御方法。

2 0 . 冷却液を用いて流体を冷却する冷却器と前記流体を加熱するヒー夕とを制御するコントローラにおいて、

前記冷却器と前記ヒー夕を同時に駆動しつつ、前記流体の温度を制御するために前記ヒー夕の出力を調節する同時駆動モードを有するコントローラ。

2 1 . 前記ヒー夕がヒーティングランプ又は電熱線ヒー夕である請求項 2 0記載のコントローラ。

2 2 . 前記同時駆動モ一ドにおいて、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、前記冷却器を駆動する請求項 2 0記載のコントローラ。

2 3 . 前記同時駆動モードにおいて、前記ヒー夕のもつ最大の加熱量以下の冷却量を発揮するよう、前記冷却器を駆動する請求項 2 0及び 2 2のいずれか一項記載のコントローラ。

2 4 . 前記同時駆動モードを、前記流体を冷却する必要の生じる時点の以前 k ら開始して、前記時点以降も継続する請求項 2 0記載のコントローラ。

2 5 . 前記冷却器のみを駆動する冷却モードと、

前記ヒ一夕のみを駆動するモードと、

を更に有し、前記同時駆動モード、前記冷却モード及び前記加熱モードを選択的に実行する請求項 2 0記載のコントローラ。

2 6 . 冷却液を用いて流体を冷却する冷却器と前記流体を加熱するヒ一夕とを制御するコントローラであって、前記冷却器と前記ヒ一夕を同時に駆動しつつ、前記流体の温度を制御するために前記ヒー夕の出力を調節する同時駆動モードを有するコントロ一ラとして、コンピュータを機能させるためのコンピュータプログラムを担持したコンピュー夕読み取り可能な記録媒体。