專利名稱：帶有再循環(huán)致冷劑的溫度控制設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種溫度控制設(shè)備和方法，該設(shè)備帶有循環(huán)致冷劑并用于將帶有工作介質(zhì)的工作站或工件迅速冷卻到設(shè)定的溫度。
在半導體片上的諸如光刻膠處理的應用，要求對化學品和硅片進行非常精確的溫度控制。為實現(xiàn)這種精確的溫度控制，采用了使用循環(huán)致冷劑的溫度控制。
大多數(shù)這種類型的溫度控制都采用了再循環(huán)致冷劑，比如水，以在室溫或其附近進行溫度控制。大多數(shù)這種溫度控制要求大的流率，以實現(xiàn)迅速的瞬態(tài)響應，這是由于致冷劑被設(shè)定在受控材料所要達到的溫度，而且在設(shè)定點附近的熱傳導非常慢。大多數(shù)這種溫度控制還要求多個循環(huán)器，以實現(xiàn)對處于不同溫度的多個工作站的溫度控制。
本發(fā)明的一個目的，是提供具有迅速的瞬態(tài)響應和最小流率的溫度控制。
本發(fā)明的第二個目的，是提供這樣一種溫度控制，它只采用一個循環(huán)器來實現(xiàn)對多個工作站的溫度控制。
本發(fā)明的一個特征，是一種設(shè)備，該設(shè)備用于在工作站產(chǎn)生足以使該工作站和其中的固態(tài)或液態(tài)工作介質(zhì)迅速達到預定溫度的冷卻作用，即用于實現(xiàn)迅速的瞬態(tài)響應，也即將工作站從其初始溫度冷卻到一個溫度的時間非常接近所希望的時間。這種迅速冷卻，是通過把處于比預定溫度更低的溫度的致冷劑引入工作站，并在工作站的溫度接近所希望的預定溫度時在致冷劑的流動路徑中對致冷劑中進行加熱而實現(xiàn)的。
本發(fā)明的另一個特征，是這樣一種設(shè)備，該設(shè)備用于調(diào)節(jié)工作站的溫度，從而提供將工作站溫度設(shè)定在低于、等于或高于環(huán)境溫度的能力。
本發(fā)明的再一個特征，是這樣一種設(shè)備，該設(shè)備用于只用一個循環(huán)器將致冷劑循環(huán)到多個工作站。與使用多個循環(huán)器的方法相比，把僅僅一個循環(huán)器用于多個工作站，增加了可靠性并降低了成本。
本發(fā)明的又一個特征，是這樣一種設(shè)備，該設(shè)備用于調(diào)節(jié)多個工作站的溫度。以此方式，各個工作站都可以具有低于、等于或高于環(huán)境溫度的一個獨立設(shè)置的溫度。
本發(fā)明的又一個特征，是向多個工作站提供溫度控制的方法，其中通過將未加溫的致冷劑流短暫地引入工作站而實現(xiàn)迅速的瞬態(tài)響應，其中只采用了一個循環(huán)器，且其中致冷劑溫度略微低于工作站的溫度，致冷劑在各個工作站得到了精確的加熱。


圖1是溫度控制設(shè)備的示意圖。
圖2是其溫度受到控制的一種可能的工作站的透視圖。
圖3是其溫度受到控制的第二種可能的工作站的透視圖。
圖4是其溫度受到控制的第三種可能的工作站的透視圖。
圖5是其溫度受到控制的第四種可能的工作站的透視圖。
圖6是用于控制工作站的溫度的一種可能的時間順序圖。
圖7是用于控制工作站的溫度的第二種可能的時間順序圖。
本發(fā)明的一個實施例在圖1中用標號10表示。本發(fā)明首先包括一個流體致冷劑源和用于把該流體致冷劑保持在低于預定溫度的溫度的裝置，該預定溫度等于或接近室溫。本發(fā)明將流體致冷劑的溫度保持在±0.5℃的容許偏差之內(nèi)。
用于將流體致冷劑保持在預定溫度以下的裝置包括一個冷卻器和相關(guān)的控制器。一個冷卻器12，諸如一個熱交換器，將液態(tài)致冷劑冷卻到低于工作站和工作介質(zhì)或工件所要達到的溫度。一個主致冷劑溫度檢測器14檢測流體致冷劑的溫度。一旦檢測到流體致冷劑的溫度，溫度檢測器14通過檢測器引線18，諸如導線或其他傳送裝置，把該溫度的一種表示提供給一個主致冷劑溫度控制器16。根據(jù)操作者提供的設(shè)定點信息，主致冷劑溫度控制器16，通過可以是導線或其他傳送介質(zhì)的控制引線20，向冷卻器12發(fā)出信號，以從流體致冷劑中除去足夠多的熱量，從而將流體致冷劑的溫度建立并保持在所希望的溫度，該所希望的溫度低于的工作站和工作介質(zhì)或工件的希望溫度。主致冷劑溫度控制器16可以處于一個編程溫度控制計算機22中。
來自冷卻器12的致冷劑進入一個流體致冷劑源，諸如一根管道或?qū)Ч?4。在本發(fā)明的這個實施例中，上述溫度檢測器14處于導管24中或與之相連，從而檢測導管24處的流體致冷劑的溫度。
包括流動管線26、返回管線32和再循環(huán)泵30的致冷劑循環(huán)裝置，使來自冷卻器12和導管24的致冷劑循環(huán)到并通過工作站28。
來自導管24的流體致冷劑25進入流動管線26。流動管線26最好包含一個流量調(diào)節(jié)器34；該流量調(diào)節(jié)器34將通過流動管線26的液體致冷劑的流率保持在所希望的值。這種流量調(diào)節(jié)器的一個具體例子是一個固定的孔。流動管線26還包括一個加熱器36，比如一個電阻加熱器，用于調(diào)節(jié)流至工作站28的流體致冷劑的溫度，并在需要時將熱量連續(xù)加到持續(xù)流動的流體致冷劑中。
流體致冷劑從流動管線26進入工作站28、通過工作站28、并從工作站28流出到流動管線26中。致冷劑隨后經(jīng)過返回管線32返回至再循環(huán)泵30和冷卻器12。來自導管24的致冷劑還通過返回管線32直接返回到再循環(huán)泵30和冷卻器12。
當流體致冷劑通過工作站28時，該流體致冷劑通過熱交換將工作站28的溫度調(diào)節(jié)到流體致冷劑的溫度。雖然流動管線26中致冷劑一般比工作站28冷，但流動管線26中的致冷劑也可處于比工作站28的溫度更高的溫度。工作站28與其溫度將受到控制的工作介質(zhì)或工件38緊密聯(lián)系，該工作介質(zhì)或工件的溫度因而接近于工作站的溫度。
工作站28與一個工作站溫度檢測器40相連，由此，溫度檢測器40檢測工作站28的溫度。一旦檢測到工作站28的溫度，溫度檢測器40借助諸如導線或其他輸送裝置的檢測器引線44，把該溫度的表示提供給一個控制裝置，即工作站溫度控制器42。要在工作站28中保持的設(shè)定溫度，由操作者提供給工作站溫度控制器42。工作站溫度控制器42可以處于一個編程溫度控制計算機中，從而在工作站的溫度調(diào)節(jié)方面提供很大的靈活性和精確性。工作站溫度控制器42將來自工作站溫度檢測器40的溫度表示與所希望的溫度相比較，并采取適當?shù)拇胧┮园压ぷ髡緶囟日{(diào)節(jié)到所希望的溫度。
為了將工作站溫度調(diào)節(jié)到所希望的溫度，工作站溫度控制器42通過控制引線46向加熱器36提供信號，使之提供更多或更少的熱量；控制引線46可以是導線或其他輸送裝置。加熱器僅對在流動管線26中流向工作站28的那一部分致冷劑進行加熱，而不是對整個致冷劑源進行加熱。這提供了工作站溫度的精確而迅速的控制。
該流動管線還包括諸如閥48的裝置，用于對流量調(diào)節(jié)器34和加熱器36進行旁路。當旁路閥48打開時，可以看到未加溫的致冷劑將以更大的流率被提供給工作站28，從而迅速冷卻工作站28。閥48由工作站溫度控制器42通過控制引線50進行控制；后者可以是導線或其他輸送裝置。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應理解，旁路閥48和加熱器36的操作順序?qū)⑷Q于所要求的瞬態(tài)響應的速度以及工作站28的溫度和所希望的溫度之間的初始溫度差。在一種極端情況下，諸如5℃的大的初始溫度差會使工作站溫度控制器42在開始時就將旁路閥48打開。在另一個極端，諸如0.5℃到1.0℃的小的初始溫度差，會使溫度控制器42將旁路閥48關(guān)閉。由于溫度控制器42可被包括到一個溫度控制計算機中，所以可以把大量不同的操作序列編程到該計算機中，并根據(jù)出現(xiàn)的具體情況選擇適當?shù)男蛄小?br> 例如，圖6是工作站溫度與時間曲線圖。工作站從比如22℃的初始溫度T1被冷卻到比流體致冷劑溫度T3比如19℃略微高一些的所希望的溫度T2，比如20℃。在此例中，工作站溫度控制器42在開始時可以關(guān)閉旁路閥48，并關(guān)掉加熱器36。當工作站溫度下降到一個預定溫度T4時，工作站溫度控制器42象操作者所設(shè)定的那樣向加熱器36發(fā)出信號，以開始向流動管線26提供熱量。此時工作站28的溫度的下降速度變得較慢，如曲線段L1所示，直到工作站28的溫度達到所希望的溫度T2，如點P1所示。工作站溫度控制器42隨后精確地調(diào)節(jié)加熱器36，以把工作站28的溫度保持在所希望的溫度T2。
圖7顯示了第二個例子。這里工作站在開始時處于較高的溫度T1也許是25℃。工作站溫度控制器42打開旁路閥48，以提供工作站28的迅速冷卻，如曲線L1所示。當工作站溫度接近所希望的溫度T2(也許為20℃，略微高于例如為19℃的流體致冷劑溫度T3)時，工作站溫度控制器42關(guān)閉旁路閥48，從而切斷未加熱的致冷劑的大流率流動。隨后工作站溫度控制器42對加熱器36進行精確調(diào)節(jié)，以將工作站28的溫度保持在溫度T2。
通過流動管線26、26.1、26.2、加熱器36、36.1、36.2、流量調(diào)節(jié)器34、34.1、34.2、旁路閥48、48.1、48.2、工作站溫度檢測器40、40.1、40.2和工作站溫度控制器42、42.1、42.2，本發(fā)明可對多個工作站28、28.1、28.2進行調(diào)節(jié)。用一個溫度控制器調(diào)節(jié)多個工作站，可以節(jié)省成本。同時，以同樣方式進行的工作站溫度和流量控制，使得在必要時能將各個工作站獨立地控制到獨立的預定溫度。
圖2中顯示了工作站的第一實施例，其中工作站28包括一個冷凝板，流體致冷劑從流動管線26通過該板進行循環(huán)。該冷凝板具有一個上表面29.1，工件38就裝在該表面上。在此實施例中，工件可以是其溫度需要受到控制的半導體片。
圖3顯示了工作站的第二實施例，其中工作站28包括一個具有內(nèi)部筒形通道29.2的套筒，工作介質(zhì)38.1即通過該通道延伸。在此實施例中，工作介質(zhì)38.1可以是電馬達52的軸39。流體致冷劑從流動管線26循環(huán)進入和流出工作站28。工作站28從而對軸39的溫度進行調(diào)節(jié)，從而阻止來自馬達52的熱量到達工件54；后者可以是支撐在軸39的端部上的轉(zhuǎn)動卡盤56上的片。
圖4顯示了工作站的第三實施例，其中工作站28包括一個液—液熱交換器，它帶有一個內(nèi)管29.3，所要冷卻的液態(tài)工作介質(zhì)38.2就通過該內(nèi)管流動。從流動管線26循環(huán)而來的流體致冷劑流入并流出工作站28，從而對液態(tài)工作介質(zhì)38.2的溫度進行調(diào)節(jié)。
圖5顯示了工作站的第五實施例，其中工作站28包括一個模件，該模件帶有由冷卻板29.6分隔開的上室29.4和下室29.5。從流動管線26循環(huán)而來的流體致冷劑流入和流出冷卻板29.6，從而阻止上室29.4和下室29.5中的過程之間的熱相互作用。
以上描述了具有再循環(huán)致冷劑和迅速的瞬態(tài)響應的溫度控制。另外還描述了把工作介質(zhì)精確冷卻到預定溫度的過程。
在不脫離本發(fā)明特性或精神情況下，可以以其他的具體形式實施本發(fā)明；因此，所顯示的實施例完全應被看作是說明性的，而不是限定性的，而本發(fā)明的范圍應由所附的權(quán)利要求來確定，而不是由前面的描述來確定。
權(quán)利要求
1.用于把工作站和工作站處的工作介質(zhì)的溫度調(diào)節(jié)到預定溫度的溫度控制器，包括工作站溫度檢測裝置，用于確定工作站的溫度；一個流體致冷劑源和用于把該流體致冷劑保持在低于所述預定溫度的裝置；致冷劑循環(huán)裝置，它包括一個流動管線，該流動管線把來自所述源的致冷劑提供給該工作站并使該致冷劑通過該工作站，以調(diào)節(jié)該工作站和其中的工作介質(zhì)的溫度；在該流動管線中的致冷劑加熱器，它用于把向工作站提供的致冷劑加熱到與所述預定溫度幾乎相等的一個溫度，以將該工作站和工作介質(zhì)保持在所述預定溫度；以及用于控制該加熱器并調(diào)節(jié)其加熱的控制裝置，所述控制裝置當在工作站溫度和所述預定溫度之間存在有大的差別時減少所述加熱器的加熱，且所述控制裝置在所述溫度差別減小以及工作站溫度接近達到所述預定溫度時增加所述加熱器的加熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的溫度控制器，進一步包括用于調(diào)節(jié)流動管線中的致冷劑的流量的裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的溫度控制器，進一步包括用于對所述流量調(diào)節(jié)裝置和所述加熱器進行旁路的裝置，且其中所述控制裝置控制所述旁路裝置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的溫度控制器，其中所述控制裝置是一個溫度控制計算機，且該計算機的程序控制著所述加熱器和所述旁路裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的溫度控制器，其中所述溫度控制器控制著多個工作站和其中的工作介質(zhì)的溫度。
6.用于把工作站和在工作站的工作介質(zhì)的溫度調(diào)節(jié)到預定溫度的溫度控制器，包括一個工作站；工作站溫度檢測裝置，用于確定該工作站的溫度；一個流體致冷劑源和用于把該流體致冷劑保持在低于所述預定溫度的裝置；致冷劑循環(huán)裝置，它包括一個流動管線，該流動管線把來自所述源的致冷劑提供給該工作站并使該致冷劑通過該工作站，以對該工作站和其中的工作介質(zhì)進行冷卻；在該流動管線中的致冷劑加熱器，它用于把向工作站提供的致冷劑加熱到與所述預定溫度幾乎相等，以將該工作站和工作介質(zhì)保持在所述預定溫度；以及用于控制該加熱器并調(diào)節(jié)其加熱的控制裝置，所述控制裝置當在工作站溫度和所述預定溫度之間存在有大的差別時減少所述加熱器的加熱，且所述控制裝置在所述溫度差別減小以及工作站溫度接近達到所述預定溫度時增加所述加熱器的加熱。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的溫度控制器，進一步包括用于調(diào)節(jié)流動管線中的致冷劑的流量的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的溫度控制器，進一步包括用于對所述流量調(diào)節(jié)裝置和所述加熱器進行旁路的裝置，且其中所述控制裝置控制所述旁路裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的溫度控制器，其中所述控制裝置是一個溫度控制計算機，且該計算機的程序控制著所述加熱器和所述旁路裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的溫度控制器，其中所述工作站包括一個冷卻板，該冷卻板用于支撐其溫度要進行調(diào)節(jié)的片。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的溫度控制器，其中所述工作站包括一個圍繞所要冷卻的軸的套筒，所述軸的一端與一個電動馬達相連接，且所述軸在遠離所述馬達的一端帶有一個卡盤，所述卡盤支撐一個其溫度要進行調(diào)節(jié)的片。
12.根據(jù)權(quán)利要求6的溫度控制器，其中所述工作站包括一個液—液熱交換器，該液—液熱交換器用于調(diào)節(jié)通過所述熱交換器的流體的溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求6的溫度控制器，其中所述工作站包括一個模件，該模件具有一個上室、一個下室和一個分隔所述上室和所述下室的冷卻板，所述模件調(diào)節(jié)處于所述上室和所述下室中的材料的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求6的溫度控制器，其中所述溫度控制器控制多個工作站和其中的工作介質(zhì)的溫度。
15.用于把工作站和工作站處的工作介質(zhì)的溫度調(diào)節(jié)到預定溫度的溫度控制器，包括一個流體致冷劑源；一個冷卻器、主致冷劑溫度檢測器和主致冷劑溫度控制器，用于檢測該流體致冷劑的溫度并將該溫度保持在低于所述預定溫度；一條流動管線、一條返回管線、以及一個再循環(huán)泵，用于接收來自所述流體致冷劑源的流體致冷劑并將流體致冷劑提供給工作站，以及對該工作站和其中的工作介質(zhì)進行冷卻；一個工作站溫度檢測器和工作站溫度控制器，用于檢測并調(diào)節(jié)該工作站的溫度；在所述流動管線中的一個致冷劑加熱器，它響應于所述工作站溫度控制器，用于把向該工作站提供的致冷劑加熱到幾乎等于所述預定溫度，以將該工作站和工作介質(zhì)保持在所述預定溫度；所述工作站溫度控制器，在工作站溫度和所述預定溫度之間存在有大的差別時減少所述加熱器的加熱，且所述工作站溫度控制器在所述溫度差別減小以及工作站溫度接近達到所述預定溫度時增加所述加熱器的加熱；在所述流動管線中的一個流量調(diào)節(jié)器，用于把流過所述流動管線的致冷劑流率保持在所希望的值；以及一個旁路閥，用于對所述加熱器和所述流量調(diào)節(jié)器進行旁路，從而以增大的流率向工作站提供未加溫的致冷劑流，所述旁路閥響應于所述工作站溫度控制器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的溫度控制器，其中所述主致冷劑溫度控制器和所述工作站溫度控制器是一臺溫度控制計算機。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的溫度控制器，其中所述溫度控制器控制多個工作站和其中的工作介質(zhì)的溫度。
18.用于把工作站和工作站處的工作介質(zhì)的溫度調(diào)節(jié)到預定溫度的溫度控制器，包括一個工作站；一個流體致冷劑源；一個冷卻器、主致冷劑溫度檢測器和主致冷劑溫度控制器，用于檢測該流體致冷劑的溫度并將該溫度保持在低于所述預定溫度；一條流動管線、一條返回管線以及一個再循環(huán)泵，用于接收來自所述流體致冷劑源的流體致冷劑，并將流體致冷劑提供給該工作站以及對該工作站和其中的工作介質(zhì)進行冷卻；一個工作站溫度檢測器和工作站溫度控制器，用于檢測并調(diào)節(jié)該工作站的溫度；在所述流動管線中的一個致冷劑加熱器，它響應于所述工作站溫度控制器，用于把向該工作站提供的致冷劑加熱到幾乎等于所述預定溫度，以將該工作站和工作介質(zhì)保持在所述預定溫度；所述工作站溫度控制器，在工作站溫度和所述預定溫度之間存在有大的差別時減少低所述加熱器的加熱，且所述工作站溫度控制器在所述溫度差別減小以及工作站溫度接近達到所述預定溫度時增加所述加熱器的加熱；在所述流動管線中的一個流量調(diào)節(jié)器，用于把流過所述流動管線的致冷劑流率保持在所希望的值；以及一個旁路閥，用于對所述加熱器和所述流量調(diào)節(jié)器進行旁路從而以增大的流率向工作站提供未加溫的致冷劑流，所述旁路閥響應于所述工作站溫度控制器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的溫度控制器，其中所述工作站包括一個冷卻板，它用于支撐其溫度要進行調(diào)節(jié)的片。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的溫度控制器，其中所述工作站包括一個圍繞一根要得到冷卻的軸的套筒，所述軸的一端與一個電動馬達相連接，且所述軸在遠離所述馬達的一端帶有一個卡盤，所述卡盤支撐其溫度要進行調(diào)節(jié)的片。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的溫度控制器，其中所述工作站包括一個液—液熱交換器，該液—液熱交換器用于調(diào)節(jié)通過所述熱交換器的流體的溫度。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的溫度控制器，其中所述工作站包括一個模件，該模件具有一個上室、一個下室和一個分隔所述上室和所述下室的冷卻板，所述模件調(diào)節(jié)所述上室和所述下室中的材料的溫度。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的溫度控制器，其中所述主致冷劑溫度控制器和所述工作站溫度控制器是一臺溫度控制計算機。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的溫度控制器，其中所述溫度控制器控制多個工作站和其中的工作介質(zhì)的溫度。
25.用于把工作站和工作站處的工作介質(zhì)精確冷卻到預定溫度的方法，包括以下步驟借助其溫度低于該預定溫度的流體致冷劑迅速降低該工作站的溫度，直到該工作站的溫度接近該預定溫度；以及將熱量引入流向該工作站的致冷劑中，從而降低冷卻的速度，直到達到預定溫度。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中多個工作站的溫度得到了控制。
全文摘要
用于把工作站和在工作站的工作介質(zhì)的溫度調(diào)節(jié)到預定溫度的溫度控制器和方法。該溫度控制器包括一個諸如熱交換器的冷卻器、一個致冷劑溫度檢測器和控制器、一個諸如導管的流體致冷劑源、一個再循環(huán)泵、一個用于將致冷劑循環(huán)到工作站的流動管線——該流動管線包含一個流量調(diào)節(jié)器和一個加熱器、一個用于對該流量調(diào)節(jié)器和加熱器進行旁路的旁路閥以及一個工作站溫度檢測器和控制器。
文檔編號G03F7/20GK1119731SQ9411579
公開日1996年4月3日 申請日期1994年8月26日 優(yōu)先權(quán)日1994年1月21日
發(fā)明者B·J·施龍, W·G·里德 申請人:Fsi國際有限公司