(57)【要約】【課題】半導体プロセス等の分野で、極低温での冷却が可能なシステム等を提供する。【解決手段】本発明は、閉ループ一次冷却システムと、二次冷却システムと、システム制御ユニットとを備え、負荷を冷却するシステムである。一次冷却システムは、一次冷媒を取り込んで高圧で送出する一次コンプレッサーと、一次冷媒を一次コンプレッサーから受け取る入口及び低圧で返送する出口を備える断熱容器と、断熱容器内で高圧の一次冷媒を二次冷却システムからの二次冷媒で冷却する熱交換器と、断熱容器内で熱交換器から一次冷媒を受け取って低圧で送出する膨張ユニットと、一次冷媒を負荷に低圧で送出する供給ライン及び一次冷却システムに返送する返送ラインとを備える。二次冷却システムは二次極低温冷却器を備え、システム制御ユニットは、一次冷却システム等の動作を制御し、負荷に送出される一次冷媒の圧力等に基づいて、負荷に対する可変の冷却能力を供給する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループ一次冷却システムと、二次冷却システムと、システム制御ユニットとを備え、負荷を冷却するシステムであって、
前記一次冷却システムは、
低圧の一次冷媒を取り込み、高圧の一次冷媒を送出する一次コンプレッサーと、
前記一次コンプレッサーから高圧の一次冷媒を受け取る入口および低圧の一次冷媒を前記一次コンプレッサーに返送する出口を備える断熱容器と、
高圧の一次冷媒を受け取り、前記二次冷却システムからの二次冷媒を用いて冷却する前記断熱容器内の少なくとも一つの熱交換器であって、二次冷媒が、前記少なくとも一つの熱交換器において一次冷媒と熱を交換する関係にある少なくとも一つの熱交換器と、
前記少なくとも一つの熱交換器から高圧の一次冷媒を受け取り、低圧の一次冷媒を送出する前記断熱容器内の膨張ユニットと、
低圧の一次冷媒を前記負荷に送出する供給ラインおよび一次冷媒を前記負荷から前記一次冷却システムに返送する返送ラインとを備え、
前記二次冷却システムは、少なくとも一つの二次極低温冷却器を備え、
前記システム制御ユニットは、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御し、前記負荷に送出される一次冷媒の圧力および前記負荷の少なくとも一つの温度のうち少なくとも一方に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力を供給するシステム。
【請求項２】
前記負荷の前記少なくとも一つの温度が、約−８０Ｃから約−２５０Ｃの温度である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記二次冷却システムが、冷却を前記負荷の少なくとも一つの伝熱面に送出する第一のチャンネルと、二次冷媒を前記少なくとも一つの熱交換器に送出する第二のチャンネルとを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも一つの伝熱面が、熱を伝達して前記負荷の少なくとも一部を約−４０Ｃから約−１００Ｃの範囲の温度に冷却する請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも一つの伝熱面が、前記負荷のシステムによって加工される半導体基板を受け取るチャンバーの少なくとも一部を含む請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記二次冷却システムが、混合ガス冷却システムを含む請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記混合ガス冷却システムが、二つ以上の前記熱交換器と少なくとも一つの相分離器を備える請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記二次冷却システムが、逆ブレイトン冷却システムを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記負荷が、予冷極低温インターフェースモジュール、予冷チャンバー、冷パッド極低温インターフェースモジュール、プラテン、静電チャックおよび二つの別個の負荷の少なくとも一つを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記負荷との電子通信における電子インターフェース制御ユニットをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記電子インターフェース制御ユニットが、前記負荷の少なくとも一つの温度を指示する電気信号を受け取る請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電子インターフェース制御ユニットが、前記負荷の少なくとも一つの設定温度を指示する電気信号を受け取る請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電子インターフェース制御ユニットが、電気信号を出力し、前記二次冷却システムの動作を制御して前記負荷の少なくとも一つの温度を制御する請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電子インターフェース制御ユニットによって制御される前記負荷の少なくとも一つの温度が、前記負荷の少なくとも一つの伝熱面の温度を含む請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記システム制御ユニットが、少なくとも前記負荷に送出される一次冷媒の圧力に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力の供給を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記システム制御ユニットが、前記一次コンプレッサーの送出速度を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システム制御ユニットが、前記一次コンプレッサーの高圧、低圧および差圧の少なくとも一つを制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システム制御ユニットが、一次冷媒に送出される熱を供給する熱源を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記膨張ユニットが、調節可能なスロットルを備え、前記システム制御ユニットが、前記調節可能なスロットルの動作を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システム制御ユニットが、前記少なくとも一つの熱交換器の少なくとも一部を迂回するように一次冷媒の流れを制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記システム制御ユニットが、前記一次冷却システムの少なくとも一部を迂回するように一次冷媒の流れを制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システム制御ユニットが、一次冷媒の流量を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システム制御ユニットが、二次冷媒の流量を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの設定温度を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記システム制御ユニットが、二次冷媒に送出される熱を供給する熱源を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの二次コンプレッサーのスピードを制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの少なくとも一部を迂回するように二次冷媒の流れを制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記システム制御ユニットが、一次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して前記負荷の少なくとも一部を暖める制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記システム制御ユニットが、二次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して前記負荷の少なくとも一部を暖める制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記断熱容器が、前記二次冷却システムの少なくとも一部に一体化されている請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記少なくとも一つの熱交換器が、凝縮器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記システム制御ユニットが、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器のスピードを調節する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記システム制御ユニットが、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の少なくとも一つの二次コンプレッサーのスピードを調節する制御ユニットをさらに備える請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記システム制御ユニットが、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の少なくとも一つを停止させる制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３５】
前記システム制御ユニットが、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御して、前記負荷に流れる一次冷媒の液相対気相の割合を変える請求項１に記載のシステム。
【請求項３６】
二つ以上の前記二次極低温冷却器を備え、前記システム制御ユニットが、前記二つ以上の二次極低温冷却器の動作を制御して相異なるスピードで作動させる制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３７】
二つ以上の前記二次極低温冷却器を備え、前記システム制御ユニットが、前記二つ以上の二次極低温冷却器の動作を制御して同じスピードで作動させる制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３８】
前記システム制御ユニットが、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御して、前記負荷の前記少なくとも一つの温度を実質的に一定に保つ請求項１に記載のシステム。
【請求項３９】
前記システム制御ユニットが、一次冷媒の少なくとも一部を前記システムにおける比較的暖かい面に送って前記負荷に対する冷却を減らす制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４０】
前記システム制御ユニットが、前記一次コンプレッサーの可変スピード動作および前記一次コンプレッサーのパルス動作の少なくとも一つを可能にする制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４１】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの動作を制御して、
前記負荷から返送される一次冷媒の測定された圧力に基づいて、前記負荷から返送される一次冷媒の計算された沸点を求め、
前記負荷から返送される一次冷媒の測定された温度を、前記計算された沸点と比較し、
前記測定された温度が、前記計算された沸点よりも所定の温度差を超えて高いと、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に対して利用可能な冷却を増すことによって、前記負荷の冷却が不十分になることを避ける請求項１に記載のシステム。
【請求項４２】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの動作を制御して、
前記負荷から返送される一次冷媒の温度を、前記負荷の下流にある第一の温度センサーでモニターし、
前記第一の温度センサーによる温度が所定の想定飽和温度に到達していると、前記第一の温度センサーの下流にある小ヒーターが作動するように制御し、
前記小ヒーターの下流にある第二の温度センサーで一次冷媒の温度をモニターし、
前記小ヒーターが作動することで一次冷媒の温度が上昇すると、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に利用可能な冷却を増すことによって、前記負荷の冷却が不十分になることを避ける請求項１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの動作を制御して、
前記負荷から返送される一次冷媒の温度を、前記負荷の下流にある第一の温度センサーでモニターし、
前記第一の温度センサーによる温度が所定の想定飽和温度に到達していると、前記第一の温度センサーの下流にある小ヒーターが作動するように制御し、
前記小ヒーターの下流にある第二の温度センサーで一次冷媒の温度をモニターし、
前記小ヒーターが作動することで一次冷媒の温度が上昇すると、前記小ヒーターが供給する熱の大きさを求め、その大きさに基づいて、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に利用可能な冷却を減らすか否かを決定することによって、前記負荷の冷却が過剰になることを避ける請求項１に記載のシステム。
【請求項４４】
前記システム制御ユニットが、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の可変ヒーターを調節する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４５】
前記システム制御ユニットが、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の設定温度を制御する制御ユニットを備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４６】
前記システム制御ユニットが、二つ以上の前記二次極低温冷却器を制御して、相異なる設定温度を有するようにする請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
一次冷媒が、窒素流を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項４８】
一次冷媒が、アルゴン、キセノン、クリプトン、ヘリウムおよび混合ガス冷媒の少なくとも一つを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項４９】
一次冷媒が、前記二次冷却システムにおいて用いられる冷媒の沸点よりも高い沸点を有する少なくとも一つの冷媒成分を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５０】
一次冷媒が、アルゴン、窒素、キセノンおよびクリプトンの少なくとも一つを含み、二次冷媒が、ヘリウムおよびネオンの少なくとも一方を含む請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
一次冷媒が、前記二次冷却システムにおいて用いられる少なくとも一つの冷媒の沸点よりも低い沸点を有する冷媒を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５２】
一次冷媒が、アルゴン、窒素、キセノン、クリプトンおよびヘリウムの少なくとも一つを含み、二次冷媒が、混合ガス冷媒を含む請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
前記断熱容器内にあって、前記断熱容器の入口から流れる高圧の一次冷媒と前記負荷から返送される一次冷媒との間で熱を交換する伝熱式熱交換器をさらに備え、その伝熱式熱交換器は、高圧の一次冷媒をコンデンサーに送出する請求項１に記載のシステム。
【請求項５４】
前記断熱容器の入口から流れる高圧の一次冷媒が、前記負荷から返送される一次冷媒と熱を交換しないように、前記伝熱式熱交換器を迂回することを可能にするバイパス弁をさらに備える請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの動作を制御して、
前記伝熱式熱交換器の中間点および前記伝熱式熱交換器の端点の少なくとも一方における温度をモニターし、
そのモニターした温度が所定の温度を下回ると、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に対して利用可能な冷却を減らすことによって、前記負荷の冷却が不十分になることを避ける請求項５３に記載のシステム。
【請求項５６】
前記負荷が、静電チャックを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項５７】
前記静電チャックが、半導体デバイスを製造するイオン注入システムの一部である請求項５６に記載のシステム。
【請求項５８】
前記静電チャックでの取り扱いに先立って前記半導体デバイスを受け取る予冷チャンバーをさらに備える請求項５７に記載のシステム。
【請求項５９】
前記負荷が、半導体ウェハを冷却するシステムの少なくとも一部、イオン注入システムの少なくとも一部および物理蒸着システムの少なくとも一部のうち、少なくとも一つを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６０】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、ギフォード・マクマホンサイクル冷却器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６１】
前記ギフォード・マクマホンサイクル冷却器が、ヘリウム冷却器を含む請求項６０に記載のシステム。
【請求項６２】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、パルス管冷却器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６３】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、逆ブレイトンサイクル冷却器、スターリングサイクル冷却器およびジュール・トムソンサイクル冷却器の少なくとも一つを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６４】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、単一の冷媒を用いる冷却器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６５】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、混合ガス冷媒を用いる冷却器を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６６】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、一次冷媒を冷却するように接続される二つ以上の二次極低温冷却器を含み、その二つ以上の二次極低温冷却器と熱を交換する関係になるように一次冷媒が並流である請求項１に記載のシステム。
【請求項６７】
前記少なくとも一つの二次極低温冷却器が、一次冷媒を冷却するように接続される二つ以上の二次極低温冷却器を含み、その二つ以上の二次極低温冷却器と熱を交換する関係になるように一次冷媒が直流である請求項１に記載のシステム。
【請求項６８】
前記一次冷却システムの前記一次コンプレッサーが、可変スピードコンプレッサーを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項６９】
前記断熱容器内を真空にするクライオポンプ用の面をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７０】
前記クライオポンプ用の面が、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の第二段階の冷却を含む請求項６９に記載のシステム。
【請求項７１】
第一の冷媒を前記負荷に送出する供給ラインおよび第一の冷媒を前記負荷から返送する返送ラインを迂回することを可能にするバイパス弁をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７２】
前記膨張ユニットが、毛管、可変流域をもつ弁、スプリングバイアスの弁、ピストン膨張器およびタービン膨張器の少なくとも一つを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項７３】
一次冷媒源と、前記一次コンプレッサーによって取り込まれる低圧の一次冷媒との間の一次冷媒の流れを調整する圧力調整器と、
前記圧力調整器を制御して一次冷媒の前記システムへの流入を調整する圧力制御ユニットとをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７４】
前記断熱容器の圧力計に接続される遮断弁をさらに備え、その遮断弁が、前記断熱容器の圧力計が所定の最大安全圧を超える圧力を検出すると、前記断熱容器の入口に一次冷媒が流入することを防止する請求項１に記載のシステム。
【請求項７５】
前記断熱容器から前記一次コンプレッサーに返送される一次冷媒の温度をモニターするように接続される熱センサーと、
前記断熱容器から返送される一次冷媒の温度が所定の接触危険最低温度に満たないと、前記二次冷却システムの動作を停止するように接続される安全制御ユニットとをさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７６】
一次冷媒が前記システムに入り込むのに先立って、一次冷媒の供給源から誘導されるガスから不純物を取り除く清浄器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７７】
前記一次コンプレッサー内の一次冷媒から油を取り除く油分離器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
【請求項７８】
前記供給ラインおよび前記返送ラインの各々の少なくとも一部が、真空断熱移送ライン内に延びる請求項１に記載のシステム。
【請求項７９】
前記少なくとも一つの熱交換器が、一次冷媒の少なくとも相当の部分を液相に変える請求項１に記載のシステム。
【請求項８０】
前記少なくとも一つの熱交換器が、一次冷媒を実質的には液相に変えない請求項１に記載のシステム。
【請求項８１】
前記膨張ユニットが、一次冷媒の少なくとも相当の部分を液相に変える請求項８０に記載のシステム。
【請求項８２】
前記供給ラインが、前記断熱容器の外の移送ライン経由で、低圧の冷媒を前記負荷に送出し、前記返送ラインが、前記移送ライン経由で、冷媒を前記負荷から前記断熱容器に返送する請求項１に記載のシステム。
【請求項８３】
前記負荷が前記断熱容器内にある請求項１に記載のシステム。
【請求項８４】
前記負荷が、半導体基板、深冷分離用の流体の流れ、液化されるガス、生体サンプル、化学プロセス、材料特性分析装置、水蒸気トラップ、製造プロセスにおける物品、撮像装置、亜原子粒子検出器、光子検出器、化学分析装置、超電導ケーブルおよび超電導装置の少なくとも一つを含む請求項１に記載のシステム。
【請求項８５】
閉ループ一次冷却システムと、二次冷却システムと、システム制御ユニットとを備え、冷媒を負荷に提供するシステムであって、
前記一次冷却システムは、
低圧の冷媒を取り込み、高圧の冷媒を送出するコンプレッサーと、
前記コンプレッサーから高圧の冷媒を受け取り、低圧の冷媒を断熱容器に送出する膨張弁と、
前記膨張弁から冷媒を受け取る入口および低圧の冷媒を前記コンプレッサーに返送する出口を備える前記断熱容器と、
低圧の冷媒を受け取り、冷媒と熱を交換する関係にある二次冷却システムを用いて冷却する前記断熱容器内の少なくとも一つの熱交換器と、
低圧の冷媒を前記負荷に送出する供給ラインおよび冷媒を前記負荷から前記一次冷却システムに返送する返送ラインとを備え、
前記二次冷却システムは、少なくとも一つの二次極低温冷却器を備え、
前記システム制御ユニットは、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御し、前記負荷に送出される一次冷媒の圧力および前記負荷の少なくとも一つの温度の少なくとも一方に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力を供給するシステム。
【請求項８６】
負荷を冷却する方法であって、
閉ループ一次冷却システムの一次コンプレッサーにおいて一次冷媒を圧縮し、前記一次コンプレッサーが、低圧の一次冷媒を取り込み、高圧の一次冷媒を送出するものであり、
高圧の一次冷媒を前記一次コンプレッサーから断熱容器の入口に移送し、低圧の一次冷媒を前記断熱容器から前記一次コンプレッサーに返送し、
高圧の一次冷媒を前記断熱容器内の少なくとも一つの熱交換器に移送し、前記少なくとも一つの熱交換器内の一次冷媒を二次冷却システムからの二次冷媒との熱交換を用いて冷却し、前記二次冷却システムが、少なくとも一つの二次極低温冷却器を備えるものであり、
一次冷媒を断熱容器内の膨張ユニットを用いて膨張させ、前記膨張ユニットが、前記少なくとも一つの熱交換器から高圧の一次冷媒を受け取り、低圧の一次冷媒を送出するものであり、
低圧の一次冷媒を前記負荷に送出し、前記負荷から前記一次冷却システムに返送し、
前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御し、前記負荷に送出される一次冷媒の圧力および前記負荷の少なくとも一つの温度のうち少なくとも一方に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力を供給する方法。
【請求項８７】
冷却を、前記二次冷却システムから、前記二次冷却システムの第一のチャンネル経由で前記負荷の少なくとも一つの伝熱面に送出し、二次冷媒を、前記二次冷却システムの第二のチャンネル経由で前記少なくとも一つの熱交換器に送出することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項８８】
前記負荷に送出される一次冷媒の少なくとも圧力に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力の供給を制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項８９】
前記一次コンプレッサーの高圧、低圧および差圧の少なくとも一つを制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９０】
熱源を制御して一次冷媒に送出される熱を供給することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９１】
前記膨張ユニットが調節可能なスロットルを備え、その調節可能なスロットルの動作を制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９２】
一次冷媒の流れを制御して、前記少なくとも一つの熱交換器の少なくとも一部を迂回させることをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９３】
一次冷媒の流れを制御して、前記一次冷却システムの少なくとも一部を迂回させることをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９４】
一次冷媒の流量を制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９５】
二次冷媒の流量を制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９６】
前記二次冷却システムの設定温度を制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９７】
熱源を制御して、二次冷媒に送出される熱を供給することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９８】
前記二次冷却システムの二次コンプレッサーのスピードを制御することをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項９９】
二次冷媒の流れを制御して、前記二次冷却システムの少なくとも一部を迂回させることをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項１００】
一次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して、前記負荷の少なくとも一部を暖めることをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項１０１】
二次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して、前記負荷の少なくとも一部を暖めることをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【請求項１０２】
冷媒を低圧にて前記断熱容器の外の移送ライン経由で前記負荷に送出し、前記負荷からその移送ライン経由で前記断熱容器に返送することを備える請求項８６に記載の方法。
【請求項１０３】
前記負荷が、前記断熱容器内にある請求項８６に記載の方法。
【請求項１０４】
前記負荷が、半導体基板、深冷分離用の流体の流れ、液化されるガス、生体サンプル、化学プロセス、材料特性分析装置、水蒸気トラップ、製造プロセスにおける物品、撮像装置、亜原子粒子検出器、光子検出器、化学分析装置、超電導ケーブルおよび超電導装置の少なくとも一つを含む請求項８６に記載の方法。
【請求項１０５】
冷却される物体または流体を、前記負荷の伝熱面から前記負荷の別の部分に移動させることをさらに備える請求項８６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年７月１２日に出願された米国仮出願第６１／３６３，５１４号および２０１０年５月１２日に出願された米国仮出願第６１／３３３，８０１号に基づいて得られる利益を主張する。前記各出願による教示は、援用することによりすべて本明細書に組み入れられるものとする。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは縮小され続けており、極浅の接合に対する需要が増えてきている。例えば、最新の半導体デバイスの必要性を満たすために、より活性化され、より浅くかつより急峻なソース・ドレイン延長接合を作り出すことに莫大な努力がささげられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
シリコンウェハの損傷を最小にするには、イオン注入中のウェハは極低温であるのが有利であると見出されている。加えて、その他多様な半導体プロセスおよび他の技術分野においても、極低温での冷却が必要とされ続けている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の一実施形態によると、負荷を冷却するシステムが提供される。そのシステムは、閉ループ一次冷却システムを備え、それは、低圧の一次冷媒を取り込み、その一次冷媒を高圧で送出する一次コンプレッサーと、前記一次コンプレッサーから高圧の一次冷媒を受け取る入口およびその一次冷媒を低圧で前記一次コンプレッサーに返送する出口を備える断熱容器と、高圧の一次冷媒を受け取り、その一次冷媒を二次冷却システムからの二次冷媒を用いて冷却する前記断熱容器内の少なくとも一つの熱交換器であって、その二次冷媒は、当該少なくとも一つの熱交換器において一次冷媒と熱を交換する関係にある少なくとも一つの熱交換器と、前記少なくとも一つの熱交換器から高圧の一次冷媒を受け取り、その一次冷媒を低圧で送出する断熱容器内の膨張ユニットと、低圧の一次冷媒を前記負荷に送出する供給ラインと、一次冷媒を前記負荷から前記一次冷却システムに返送する返送ラインとを備える。前記システムは、さらに二次冷却システムを備え、それは、少なくとも一つの二次極低温冷却器を備える。システム制御ユニットは、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御し、前記負荷に送出される一次冷媒の圧力と前記負荷の少なくとも一つの温度との少なくとも一方に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力を供給する。
【０００５】
さらに関連する実施形態において、前記負荷の前記少なくとも一つの温度は、約−８０Ｃから約−２５０Ｃの温度を含んでもよい。前記二次冷却システムは、冷却（cooling ）を前記負荷の少なくとも一つの伝熱面に送出する第一のチャンネルと、二次冷媒を前記少なくとも一つの熱交換器に送出する第二のチャンネルを備えてもよい。前記少なくとも一つの伝熱面は、熱を伝達して前記負荷の少なくとも一部を約−４０Ｃから約−１００Ｃの範囲の温度に冷却してもよい。前記少なくとも一つの伝熱面は、前記負荷のシステムによって加工される半導体基板を受け取るチャンバーの少なくとも一部を含んでもよい。前記二次冷却システムは、混合ガス冷却システムを含んでもよい。前記混合ガス冷却システムは、二つ以上の熱交換器と少なくとも一つの相分離器を備えてもよい。前記二次冷却システムは、逆ブレイトン冷却システムを含んでもよい。前記負荷は、予冷極低温インターフェースモジュール、予冷チャンバー、冷パッド極低温インターフェースモジュール、プラテン、静電チャックおよび二つの別個の負荷のうち、少なくとも一つを備えてもよい。
【０００６】
他の関連する実施形態において、前記システムは、前記負荷との電子通信における電子インターフェース制御ユニットをさらに備えてもよい。前記電子インターフェース制御ユニットは、前記負荷の少なくとも一つの温度を指示する電気信号および／または前記負荷の少なくとも一つの設定温度を指示する電気信号を受け取るものでもよい。前記電子インターフェース制御ユニットは、電気信号を出力し、前記二次冷却システムの動作を制御して前記負荷の少なくとも一つの温度を制御してもよい。前記電子インターフェース制御ユニットによって制御される前記負荷の少なくとも一つの温度は、前記負荷の少なくとも一つの伝熱面の温度を含んでもよい。
【０００７】
さらに関連する実施形態において、前記システム制御ユニットは、少なくとも前記負荷に送出される一次冷媒の圧力に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力の供給を制御する制御ユニット、前記一次コンプレッサーの送出速度を制御する制御ユニット、前記一次コンプレッサーの高圧、低圧および差圧の少なくとも一つを制御する制御ユニット、一次冷媒に送出される熱を供給する熱源を制御する制御ユニット、調節可能なスロットルの動作を制御する制御ユニット、前記少なくとも一つの熱交換器の少なくとも一部を迂回するように一次冷媒の流れを制御する制御ユニット、前記一次冷却システムの少なくとも一部を迂回するように一次冷媒の流れを制御する制御ユニット、一次冷媒の流量を制御する制御ユニット、二次冷媒の流量を制御する制御ユニット、前記二次冷却システムの設定温度を制御する制御ユニット、二次冷媒に送出される熱を供給する熱源を制御する制御ユニット、前記二次冷却システムの二次コンプレッサーのスピードを制御する制御ユニット、前記二次冷却システムの少なくとも一部を迂回するように二次冷媒の流れを制御する制御ユニット、一次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して前記負荷の少なくとも一部を暖める制御ユニット、および／または、二次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して前記負荷の少なくとも一部を暖める制御ユニットを備えてもよい。
【０００８】
さらに関連する実施形態において、前記断熱容器は、前記二次冷却システムの少なくとも一部に一体化されていてもよい。前記少なくとも一つの熱交換器は凝縮器を含んでもよい。前記システム制御ユニットは、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器のスピードを調節する制御ユニットを備えてもよい。前記システム制御ユニットは、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の少なくとも一つの二次コンプレッサーのスピードを調節する制御ユニットをさらに備えてもよい。前記システム制御ユニットは、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の少なくとも一つを停止させる制御ユニットを備えてもよい。前記システム制御ユニットは、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御して、前記負荷に流れる一次冷媒の液相対気相の割合を変えてもよい。前記システムは、二次極低温冷却器を二つ以上備え、前記システム制御ユニットが、その二つ以上の二次極低温冷却器の動作を制御して相異なるスピードまたは同じスピードで作動させる制御ユニットを備えてもよい。前記システム制御ユニットは、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御して、前記負荷の前記少なくとも一つの温度を実質的に一定に保ってもよい。前記システム制御ユニットは、一次冷媒の少なくとも一部を前記システムにおけるより暖かい面（比較的暖かい面、a warmer surface）に送って前記負荷に対する冷却を減らす制御ユニットを備えてもよい。前記システム制御ユニットは、前記一次コンプレッサーの可変スピード動作および前記一次コンプレッサーのパルス動作の少なくとも一つを可能にする制御ユニットを備えてもよい。
【０００９】
さらに、関連する実施形態において、前記システム制御ユニットは、前記二次冷却システムの動作を制御して、前記負荷から返送される一次冷媒の測定された圧力に基づいて、前記負荷から返送される一次冷媒の計算された沸点を求め、前記負荷から返送される一次冷媒の測定された温度を、前記計算された沸点と比較し、前記測定された温度が、前記計算された沸点よりも所定の温度差を超えて高いと、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に対して利用可能な冷却を増すことによって、前記負荷の冷却が不十分になることを避けてもよい。また別の実施形態においては、前記システム制御ユニットは、前記二次冷却システムの動作を制御して、前記負荷から返送される一次冷媒の温度を、前記負荷の下流にある第一の温度センサーでモニターし、前記第一の温度センサーによる温度が所定の想定飽和温度に到達していると、前記第一の温度センサーの下流にある小ヒーターが作動するように制御し、前記小ヒーターの下流にある第二の温度センサーで一次冷媒の温度をモニターし、前記小ヒーターが作動することで一次冷媒の温度が上昇すると、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に利用可能な冷却を増すことによって、前記負荷の冷却が不十分になることを避けてもよい。また別の実施形態においては、前記システム制御ユニットが、前記二次冷却システムの動作を制御して、前記負荷から返送される一次冷媒の温度を、前記負荷の下流にある第一の温度センサーでモニターし、前記第一の温度センサーによる温度が所定の想定飽和温度に到達していると、前記第一の温度センサーの下流にある小ヒーターが作動するように制御し、前記小ヒーターの下流にある第二の温度センサーで一次冷媒の温度をモニターし、前記小ヒーターが作動することで一次冷媒の温度が上昇すると、前記小ヒーターが供給する熱の大きさを求め、その大きさに基づいて、前記二次冷却システムを制御して前記負荷に利用可能な冷却を減らすか否かを決定することによって、前記負荷の冷却が過剰になることを避けてもよい。前記システム制御ユニットは、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の可変ヒーターを調節する制御ユニットを備えてもよい。前記システム制御ユニットは、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の設定温度を制御する制御ユニットを備えてもよい。前記システム制御ユニットは、二つ以上の前記二次極低温冷却器を制御して、相異なる設定温度を有するものであってもよい。
【００１０】
さらに関連する実施形態において、一次冷媒は、窒素、アルゴン、キセノン、クリプトン、ヘリウムおよび混合ガス冷媒の少なくとも一つを含んでいてもよい。一次冷媒は、前記二次冷却システムにおいて用いられる冷媒の沸点よりも高い沸点を有する少なくとも一つの冷媒成分を含んでいるのがよく、例えば、一次冷媒は、アルゴン、窒素、キセノンおよびクリプトンの少なくとも一つを含み、二次冷媒は、ヘリウムおよびネオンの少なくとも一方を含んでいてもよい。一次冷媒は、前記二次冷却システムにおいて用いられる少なくとも一つの冷媒の沸点よりも低い沸点を有する冷媒を含んでいてもよい。一次冷媒は、アルゴン、窒素、キセノン、クリプトンおよびヘリウムの少なくとも一つを含み、二次冷媒は、混合ガス冷媒を含んでいてもよい。前記システムが、前記断熱容器内にあって、前記断熱容器の入口から流れる前記高圧の一次冷媒と前記負荷から返送される一次冷媒との間で熱を交換する伝熱式熱交換器をさらに備え、その伝熱式熱交換器は、前記高圧の一次冷媒をコンデンサーに送出するものでもよい。前記システムは、前記負荷から返送される一次冷媒と熱を交換しないように、前記断熱容器の入口から流れる前記高圧の一次冷媒が前記伝熱式熱交換器を迂回することを可能にするバイパス弁をさらに備えてもよい。前記システム制御ユニットが前記二次冷却システムの動作を制御して、前記伝熱式熱交換器の中間点および前記伝熱式熱交換器の端点の少なくとも一方における温度をモニターし、そのモニターした温度が所定の温度を下回ると、前記二次冷却システムを制御して、前記負荷に対して利用可能な冷却を減らすことによって、前記負荷の冷却が不十分になることを避けるものでもよい。
【００１１】
さらに関連する実施形態において、前記負荷は静電チャックを含んでもよく、それは、半導体デバイスを製造するイオン注入システムの一部であってもよい。前記システムは、前記静電チャックでの取り扱いに先立って前記半導体デバイスを受け取る予冷チャンバーをさらに備えてもよい。前記負荷は、半導体ウェハを冷却するシステムの少なくとも一部、イオン注入システムの少なくとも一部および物理蒸着システムの少なくとも一部のうち、少なくとも一つを含んでもよい。前記少なくとも一つの二次極低温冷却器は、ギフォード・マクマホンサイクル冷却器を含んでもよく、それは、ヘリウム冷却器を含んでもよい。前記少なくとも一つの二次極低温冷却器は、パルス管冷却器を含んでもよい。前記少なくとも一つの二次極低温冷却器は、逆ブレイトンサイクル冷却器、スターリングサイクル冷却器およびジュール・トムソンサイクル冷却器のうち少なくとも一つを含んでもよく、また、単一の冷媒を用いる冷却器または混合ガス冷媒を用いる冷却器を含んでもよい。前記少なくとも一つの二次極低温冷却器は、一次冷媒を冷却するように接続される二つ以上の二次極低温冷却器を含み、その二つ以上の二次極低温冷却器と熱を交換する関係になるように一次冷媒が並流でまたは直流で（in a parallel or series flow）あってもよい。
【００１２】
さらに関連する実施形態において、前記一次冷却システムの前記一次コンプレッサーは、可変スピードコンプレッサーを含んでもよい。前記システムは、前記断熱容器内を真空にするクライオポンプ用の面をさらに備えてもよい。前記クライオポンプ用の面は、前記少なくとも一つの二次極低温冷却器の第二段階の冷却を含んでもよい。前記システムは、前記第一の冷媒が、第一の冷媒を前記負荷に送出する供給ラインおよび第一の冷媒を前記負荷から返送する返送ラインを迂回することを可能にするバイパス弁をさらに備えてもよい。前記膨張ユニットは、毛管、可変流域をもつ弁、スプリングバイアスの弁、ピストン膨張器およびタービン膨張器の少なくとも一つを含んでもよい。前記システムは、一次冷媒源と、前記一次コンプレッサーによって取り込まれる低圧の一次冷媒との間の一次冷媒の流れを調整する圧力調整器と、前記圧力調整器を制御して一次冷媒の前記システムへの流入を調整する圧力制御ユニットとをさらに備えてもよい。前記システムは、前記断熱容器の圧力計に接続される遮断弁をさらに備え、その遮断弁は、前記断熱容器の圧力計が所定の最大安全圧を超える圧力を検出すると、前記断熱容器の入口に一次冷媒が流入することを防止するものでもよい。前記システムが、前記断熱容器から前記一次コンプレッサーに返送される一次冷媒の温度をモニターするように接続される熱センサーと、前記断熱容器から返送される一次冷媒の温度が所定の接触危険最低温度に満たないと、前記二次冷却システムの動作を停止するように接続される安全制御ユニットとをさらに備えてもよい。前記システムは、一次冷媒が前記システムに入り込むのに先立って、一次冷媒の供給源から誘導されるガスから不純物を取り除く清浄器、および／または、前記一次コンプレッサー内の一次冷媒から油を取り除く油分離器をさらに備えてもよい。前記供給ラインおよび前記返送ラインの各々の少なくとも一部は、真空断熱移送ライン内に延びていてもよい。前記少なくとも一つの熱交換器は、一次冷媒の少なくとも相当の部分を液相に変えるものでもよく、または、前記少なくとも一つの熱交換器は、一次冷媒を実質的には液相に変えないものでもよい。前記膨張ユニットは、一次冷媒の少なくとも相当の部分を液相に変えるものでもよい。
【００１３】
さらに関連する実施形態において、前記供給ラインが、前記断熱容器の外の移送ライン経由で、低圧の冷媒を前記負荷に送出し、前記返送ラインが、その移送ライン経由で、冷媒を前記負荷から前記断熱容器に返送するものであってもよい。前記負荷は、前記断熱容器内にあってもよい。前記負荷は、半導体基板、深冷分離用の流体の流れ、液化されるガス、生体サンプル、化学プロセス、材料特性分析装置、水蒸気トラップ、製造プロセスにおける物品、撮像装置、亜原子粒子検出器、光子検出器、化学分析装置、超電導ケーブルおよび超電導装置の少なくとも一つを含んでもよい。
【００１４】
本発明による別の実施形態において、冷媒を負荷に供給するシステムが提供される。そのシステムは、低圧の冷媒を取り込み、その冷媒を高圧で送出するコンプレッサーと、前記コンプレッサーから高圧で冷媒を受け取り、低圧の冷媒を断熱容器に送出する膨張弁と、前記膨張弁から冷媒を受け取る入口と、その低圧の冷媒を前記コンプレッサーに返送する出口を備える前記断熱容器と、低圧の冷媒を受け取り、その冷媒を、冷媒と熱を交換する関係にある二次冷却システムを用いて冷却する前記断熱容器内の少なくとも一つの熱交換器と、低圧の冷媒を前記負荷に送出する供給ラインおよび冷媒を前記負荷から前記一次冷却システムに返送する返送ラインとを備える、閉ループ一次冷却システムを備える。前記システムはさらに、少なくとも一つの二次極低温冷却器を備える二次冷却システムを備える。システム制御ユニットは、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御し、前記負荷に送出される一次冷媒の圧力および前記負荷の少なくとも一つの温度のうち少なくとも一方に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力を供給する。
【００１５】
本発明による別の実施形態において、負荷を冷却する方法が提供される。その方法では、閉ループ一次冷却システムの一次コンプレッサーにおいて一次冷媒を圧縮し、その一次コンプレッサーは、低圧の一次冷媒を取り込み、高圧の一次冷媒を送出するものであり、高圧の一次冷媒を前記一次コンプレッサーから断熱容器の入口に移送し、低圧の一次冷媒を前記断熱容器から前記一次コンプレッサーに返送し、高圧の一次冷媒を前記断熱容器内の少なくとも一つの熱交換器に移送し、前記少なくとも一つの熱交換器内の一次冷媒を二次冷却システムからの二次冷媒との熱交換を用いて冷却し、その二次冷却システムは、少なくとも一つの二次極低温冷却器を備えるものであり、一次冷媒を断熱容器内の膨張ユニットを用いて膨張させ、その膨張ユニットは、高圧の一次冷媒を前記少なくとも一つの熱交換器から受け取り、低圧の一次冷媒を送出するものであり、低圧の一次冷媒を前記負荷に送出し、その一次冷媒を前記負荷から前記一次冷却システムに返送し、前記一次冷却システムおよび前記二次冷却システムの少なくとも一方の動作を制御して、前記負荷に送出される一次冷媒の圧力および前記負荷の少なくとも一つの温度のうち少なくとも一方に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力を供給する。
【００１６】
さらに関連する実施形態において、前記方法は、冷却（cooling ）を、前記二次冷却システムから、前記二次冷却システムの第一のチャンネル経由で前記負荷の少なくとも一つの伝熱面に送出し、二次冷媒を、前記二次冷却システムの第二のチャンネル経由で前記少なくとも一つの熱交換器に送出すること（ステップ、工程）をさらに備えてもよい。前記方法は、前記負荷に送出される一次冷媒の少なくとも圧力に基づいて、前記負荷に対する可変の冷却能力の供給を制御することをさらに備えてもよい。前記方法は、前記一次コンプレッサーの高圧、低圧および差圧の少なくとも一つを制御すること、熱源を制御して一次冷媒に送られる熱を供給すること、調節可能なスロットルの動作を制御すること、一次冷媒の流れを制御して、前記少なくとも一つの熱交換器の少なくとも一部を迂回させること、一次冷媒の流れを制御して、前記一次冷却システムの少なくとも一部を迂回させること、一次冷媒の流量を制御すること、二次冷媒の流量を制御すること、前記二次冷却システムの設定温度を制御すること、熱源を制御して、二次冷媒に送られる熱を供給すること、前記二次冷却システムの二次コンプレッサーのスピードを制御すること、二次冷媒の流れを制御して、前記二次冷却システムの少なくとも一部を迂回させること、一次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して、前記負荷の少なくとも一部を暖めること、および／または、二次冷媒の少なくとも一部の流れを制御して、前記負荷の少なくとも一部を暖めることをさらに備えてもよい。
【００１７】
さらに関連する実施形態において、前記方法は、冷媒を低圧にて前記断熱容器の外の移送ライン経由で前記負荷に送出し、その冷媒を前記負荷からその移送ライン経由で前記断熱容器に返送することを備えてもよい。前記負荷は、前記断熱容器の中にあってもよい。前記負荷は、半導体基板、深冷分離用の流体の流れ、液化されるガス、生体サンプル、化学プロセス、材料特性分析装置、水蒸気トラップ、製造プロセスにおける物品、撮像装置、亜原子粒子検出器、光子検出器、化学分析装置、超電導ケーブルおよび超電導装置の少なくとも一つを含んでもよい。前記方法は、冷却される物体または流体を、前記負荷の伝熱面から前記負荷の別の部分に移動させることをさらに備えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
前記各事項は、本発明の実施形態についての、下記のより詳細な記述から明らかとなり、添付の図面に例示されるとおりであるが、それらの異なる図面において、同一の構成要素は同様の符号で参照されている。これらの図面は、必ずしも縮尺を正しく示しておらず、本発明の実施形態を分かりやすく例示することに重きを置いている。
【図１】本発明の実施形態による冷却システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による窒素ガスの熱サイクルの図である。
【図３】本発明の実施形態による、クライオポンプとして第２ステージの極低温冷却器を用いる冷却システムの概略図である。
【図４】本発明の実施形態による高スループット冷却システムの概略図である。
【図５】本発明の実施形態による、断熱容器が混合ガス冷却システムに一体化されている高スループット冷却システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の代表的な実施形態を以下に記述する。
本発明の実施形態によると、単一ウェハ高スループットイオン注入器において用いられる低温イオン注入用の閉サイクル極低温冷却源が提供される。加えて、本発明による実施形態は、その他可能な多様なアプリケーションにおいて冷却を行い、例えば、深冷分離用の流体の流れを冷却し、ガスを液化し、生物冷凍庫を冷却し、化学プロセスの反応速度を制御し、材料特性分析装置を冷却し、真空プロセスにおいて低蒸気圧を作り出すために水蒸気をトラップし、半導体ウェハの処理および検査のような製造プロセスにおいて物品を冷却し、撮像装置およびその他の機器、亜原子粒子および光子検出器を冷却し、化学分析装置を冷却し、ならびに超電導ケーブルおよび装置を冷却するのに用いられる。このシステムを、その他の冷却アプリケーションにおいて用いてもよいということも理解される。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態による冷却システム１００の概略図である。図１の実施形態において、システム１００は、窒素流１０４のような再循環する冷媒を冷却する極低温冷却器１０１／１０２／１０３を使用している。図１の構成要素に対するのと同様に符号が付けられている図２の熱サイクル図を参照すると、窒素が、伝熱式熱交換器１０５の第一および第二の部分１０５ａ／ｂにおいて予冷され２０５ａ／ｂ（それは、二つの別個の熱交換器で交互に行われ）、極低温冷却器１０１／１０２／１０３を用いて凝縮され２０６、膨張ユニット１０７を用いて膨張され２０７（冷媒の少なくとも一部が、極低温冷却器１０１／１０２／１０３および／または膨張ユニット１０７によって気体状態から液体状態に変えられ）、負荷１０８に提供され２０８、そこでは、窒素が沸騰して熱を奪って負荷１０８を冷却し、そしてガスの形でシステムに返送される。返送された窒素は、伝熱式熱交換器１０５ａ／ｂ経由で返送されること２０５ａ／ｂにより暖められ、一方、伝熱式熱交換器１０５ａ／ｂ内の、返送される流れと到来する流れとの間の熱交換によって、到来する流れを予冷する２０５ａ／ｂ。そして窒素は返送されて、コンプレッサーパッケージ１０９で再圧縮される２０９。システム１００は、半導体製造プロセスにおけるイオン注入で用いられるウェハチャックの冷却や、その他前述のアプリケーションに用いられる。
【００２１】
図１の実施形態において、システムには、極低温冷却システム１０１／１０２／１０３、窒素コンプレッサー１０９、断熱容器１１０（熱が冷却器１０１／１０２／１０３から再循環窒素流１０４に伝達される）、弁による調節、流れ制御、圧力制御、安全制御、システム制御および浄化（すべて以下でさらに記述）が含まれる。再循環する窒素流１０４の代わりに、アルゴン、キセノン、クリプトン、その他純粋な冷媒、混合冷媒または冷却器１０１／１０２／１０３で用いられている冷媒の沸点よりも暖かい温度で沸騰する冷媒成分を含む（窒素および／またはアルゴンのような）冷媒の流れをシステムで用いてもよい。「冷媒」は、気相および液相の混合であり、気体の液体に対する割合は冷却サイクルの過程で変わってもよく、ここでもそのように用いられていることが理解される。極低温冷却システム１０１／１０２／１０３は、ギフォード・マクマホン（ＧＭ）冷却サイクルで作動する一つ以上の冷却器１０１／１０２／１０３を通る冷媒としてヘリウムを用いる。代わりに、単一のまたは混合した冷媒による逆ブレイトンサイクル、スターリングサイクルまたはジュールトムソン膨張サイクルを用いて冷却１０１／１０２／１０３を行ってもよい。ヘリウムに代えて、極低温冷却システム１０１／１０２／１０３は、ネオンのような別の低沸点冷媒成分を含む冷媒を用いてもよい。冷却器を単一とすることも可能であるが、一実施形態では複数の冷却器１０１／１０２／１０３を用いており、それらは直列であっても並列であってもよい。
【００２２】
図１の実施形態において、窒素コンプレッサー１０９は、乾燥したガスを圧縮するように改良された気密な回転羽根型ポンプを用いているが、渦巻型またはその他の型のポンプを用いることもできる。ポンプは様々なスピードで動作する。代わりに、一定スピードのポンプを用いてもよい。圧縮の熱を管理するために、コンプレッサー１０９による圧縮前または圧縮中に、窒素流に油を注入してもよい。そして、この油は、高密度なファイバーグラスの束と、活性炭を含む室温吸着器とからなる油分離器１３５によって、窒素流から取り除かれる。
【００２３】
図１の実施形態において、室温よりも温度が低くなる構成要素の周りに低圧または真空の覆いを作り出すことで、断熱容器１１０が得られる。断熱用の真空は、ターボ分子ポンプ１１１によって得られ、ダイヤフラム粗引ポンプ１１２でバッキングされるが、クライオポンプによっても作り出すことができる。例えば、第二ステージの極低温冷却器３１３（図３参照）または別の極低温冷却器をクライオポンプとして用いて、容器１１０内に真空を作り出すことができる。冷却される負荷１０８に液体窒素を運ぶ、断熱された移送ライン１１４に沿っても、断熱用の真空を用いるが、これは、断熱容器１１０の真空空間を通っている固定移送ラインと、真空保温ジャケットの差し込み具とを用いることによるもの、または、ポンプを動かし続けるか最初に低圧にして密封するかした移送ライン１１４に沿って別個に密封されている真空空間によるものである。冷たい構成要素を囲う発泡体のような他の断熱システムによっても断熱は達成される。
【００２４】
図１の実施形態において、冷却器１０１／１０２／１０３から、周りに管状の熱交換器が巻かれた銅の塊への直接の熱伝導によって、窒素から極低温冷却器１０１／１０２／１０３へ熱が伝達される。その銅塊は冷却器の一部であってもよいし、熱伝導が可能なように冷却器に接合されていてもよい。銅塊には、螺旋状に溝が掘られていて管を支持するが、熱伝達が最大になるように、管は、その位置にロウ付けされている。代わりに、一つの側面が平坦であるＤ形の管を用いることもできる。管は、滑らかな内径を有するが、内部のフィン、溝または荒い仕上げを用いて内側表面積を増大し、熱伝達を向上することもできる。
【００２５】
図１の実施形態において、弁での調節に含まれるのは、二つの遮断弁１１５／１１６、すなわち、液体窒素を負荷に供給するライン上の弁１１５と沸きこぼれた窒素を返送するライン上の弁１１６、および液体窒素が負荷１０８に送られることなく巡回することを可能とするバイパス弁１１７である。弁調節１１５／１１６／１１７によって、負荷１０８に対し冷却が行われる前にシステムが動作温度に予冷され、また負荷１０８で冷却が必要でない期間、システムが低温を維持できる動作モードが可能となる。弁は、手動か、空気圧動作か、電動かの断熱作動装置を有し得るが、それによって弁から外部環境への熱の漏れを最小とする。断熱が得られるのは、壁の薄い管によってであるが、切り抜き（cut-outs）があってもなくてもよく、切り抜きがあると、弁本体と作動装置との間の断面積がさらに低減する。断熱はまた、熱伝導の低い材料を用いることによっても得られる。
【００２６】
図１の実施形態において、温度、圧力、液体飽和の割合およびシステムの所望の流れについて、明白に寸法が決められた毛管１０７を用いることによって流れが制御される。毛管１０７は、冷却器１０１／１０２／１０３と、負荷に液体窒素を供給するライン１１４との間に置かれるが、その位置はシステムにおいて異なり得る。流れ制御の代わりの方法には、コンプレッサー１０９と暖かい熱交換器１０５との間で開口部において切り替わる暖かいスロットル弁またはその他の膨張弁と、様々な流域をもつ弁と、スプリングでバイアスがかかる弁またはコンプレッサー１０９のスピードを変えるという手段とが含まれる。
【００２７】
図１の実施形態において、製造されつつある半導体デバイスを予冷して、電磁チャックで必要とされる冷媒を減らしてもよい。例えば、流れライン（図示されていない）は、窒素を、窒素ループ１０４におけるある位置から予冷チャンバー（図示されていない）に迂回させるものでもよい。
【００２８】
図１の実施形態において、窒素源と窒素コンプレッサーの返送側との間の圧力調整器１１８、高圧側制御弁１１９、迂回調整器１２０およびコンプレッサー１０９のスピードによって、圧力が制御される。圧力調整器１１８によって、ガスが窒素源から引き出されて、気体窒素と液体窒素の間の容量差を補償し、窒素を圧縮しながら圧力を維持することが可能となり、そうして窒素コンプレッサーの返送側の最小圧力を制御する。窒素源は、高圧シリンダーを源とするものか、半導体製造工場の設備の窒素源か、その地域の窒素生成器かであり得る。圧力調整器１１８は、一定の弁に設定されるが、圧力制御ユニット１３６によって能動的に制御されてシステムへのガス流を変更し、それによって負荷１０８を冷却する温度がダイナミックに変わるようにすることも可能である。高圧側制御弁１１９は、負荷が増大するという状況下、またはシステムが停止されつつあるときに、システムにおいて窒素が沸きこぼれているときの供給側圧力を制限する。迂回調整器１２０は、窒素コンプレッサー１０９の高圧側と低圧側との間に配置され、コンプレッサー１０９に必要とされる電力を制御し、かつ高圧側制御弁１１９と共同してコンプレッサー１０９の返送側の最大圧力を制御する。コンプレッサーのスピードと圧力調整器の設定によって、コンプレッサー１０９の供給側の最小圧力が決められる。コンプレッサー１０９のスピードは可変である。代わりに、コンプレッサー１０９のスピードは一定であってもよい。
【００２９】
図１の実施形態において、窒素ラインおよび断熱容器１１０の安全弁１１９／１２１／１２２／１２３／１２４およびコンプレッサー１１９の安全弁、窒素流の遮断弁１２５／１２６ならびに熱センサー１３７によって安全制御が行われる。窒素ラインの安全弁１１９／１２１／１２２／１２４は、弁の動作によって、または窒素をコンプレッサー１０９から断熱容器１１０に運搬するラインの切断によって、潜在的に分離され得るあらゆる容量に対して設置される。真空空間１１０の安全弁１２３は、窒素ラインの破損およびそれに続く容器１１０内での沸きこぼれの場合に、容器１１０が過剰に加圧されることを防ぐように寸法が定められている。窒素流の遮断弁１２５は、断熱容器１１０の圧力計１２７によって制御されている。圧力計１２７が１ミクロンを超えるような高圧を検知すると、圧力計１２７のリレーが切れて、通常は閉じた構成である遮断弁１２５への電力を遮断し、閉じる。これによって、窒素ラインの液体窒素を気化させてしまう窒素ラインの破損または真空の漏れが生じた場合でも、供給源からの窒素が、容器１１０に入り続けることはない。熱センサー１３７は、断熱容器１１０から送出されてコンプレッサー１０９に返送される窒素の温度をモニターし、その温度が接触危険となるほど十分に低いと、冷却器１０１／１０２／１０３の動作を停止させる（またはそれらによる冷却を減らす）。
【００３０】
図１の実施形態において、システム制御ユニット１３９には、システムが過剰に冷却されるか、不十分にしか冷却されないことを避けるように、利用可能な冷却能力の量を調整するように構成される一つ以上の制御ユニットが含まれており、それによって、システムは、危険な状況を作り出すことなく負荷１０８を適切に冷却することができる。システム制御ユニット１３９によって実施される、制御ユニットのさらなる動作を以下に説明する。システム制御ユニット１３９は、ここに記述される種々のセンサーおよび装置に電気的に接続されるが、それには、センサー１３０、１３１、１３３、１３７、小ヒーター１３２、コンプレッサー１０９および１２８ならびにここに記述されるようなシステムの制御動作に必要なその他のセンサーおよび装置が含まれていることが理解される。システム制御ユニット１３９には、特別にプログラムされたマイクロプロセッサーやここに記述される制御技法を実施するその他の特別にプログラムされた電子機器を含む適切な電子ハードウェアが含まれる。さらに、ここで「制御ユニット」を説明するときには、それは、システム制御ユニット１３９のサブユニットとして、例えば、システム制御ユニット１３９のマイクロプロセッサーまたはその他の電子ハードウェアのサブルーチンもしくはサブコンポーネントによって、実施されるということが理解される。過剰な冷却または不十分な冷却を防ぐために、システム制御ユニット１３９は、極低温冷却器１０１／１０２／１０３および／またはヘリウムコンプレッサー１２８のスピードを調節し、および／または冷却器ユニット１０１／１０２／１０３を一つ以上停止させる。この結果、負荷１０８への流れにおいて気相に対しての液相の割合に変化が生じる。通常の動作、すなわち、冷却が過剰でもなく不十分でもない場合において、冷却器１０１／１０２／１０３は、異なるスピードで作動することが可能であるが、ただし、それらは、すべての冷却器の間で冷却負荷を釣り合わすために、すべて同じスピードで作動するようにも制限され得る。極低温冷却器１０１／１０２／１０３の一つ以上が、異なるサイズであるか、冷却タイプが異なっていてもよく、または、すべての極低温冷却器のサイズと冷却タイプが同じであってもよいということも理解される。加えて、制御ユニットは、極低温冷却器１０１／１０２／１０３に、その範囲内で極低温冷却器が作動しなければならない（最大または最小の冷却器スピードのような）制御パラメーターを提供してもよく、極低温冷却器では、最大および最小パラメーター内で（搭載された局部プロセッサーを一つ以上用いて）局部制御を行うことが可能である。さらに、制御ユニットは、冷却器のスピードを直接制御するよりもむしろ冷却器１０１／１０２／１０３の設定温度を直接制御してもよい。冷却器１０１／１０２／１０３は、異なる設定温度を有するように制御されてもよい。
【００３１】
図１の実施形態において、利用可能な冷却を調節するための他のオプションが存在する。例えば、可変ヒーター１４０を用いれば、一定のまたは可変のスピードで作動する極低温冷却器１０１／１０２／１０３による冷却量を低減できる。別の方法は、返送側の熱交換器１０５ｂの周りの窒素流を経路付けする弁を用いて、到来する窒素が極低温冷却器１０１／１０２／１０３に到達する前にそれが予冷されることを防いだり、そうすることを可能にしたりするというものである。また、流れの一部は、負荷１０８の冷却を減らすシステムのより暖かい面に経路付けることもできる。可変スピードのコンプレッサー１０９で窒素流の流れを変更するか、または一定スピードのコンプレッサーを付けたり消したりして流れをパルスにすることによって、利用可能な冷却を調節することもできる。
【００３２】
図１の実施形態において、システム制御が有効であるので、システムは、冷却が不十分である状態と過剰に冷却された状態の双方を検出可能である。冷却が不十分であることは、圧力変換器１３０を用いて窒素回路の返送ラインの圧力を測定することで検出されるが、その圧力から液体窒素の沸点を求めるべく計算される。そして、返送ラインの温度センサー１３１からのデータが、その計算された値と比較される。測定された温度が予め設定された温度差以上に計算された温度よりも高いと、それは、システムが負荷から液体または液体に近い窒素を返送しておらず、さらなる冷却を利用できるということを指示するものである。そして、冷却器１０１／１０２／１０３が指令を受けて、例えば、それらのスピードを上げるというような手段で、それらの利用可能な冷却を強める。熱力学システムの完全なモデルや、入口と取出口の温度、入口と取出口の圧力および流れといったシステムのパラメーターを比較するというような他の手段で、冷却が不十分である状態を検出することもできる。また別の方法は、温度センサー１３１を用いて返送温度をモニターし、それが想定した飽和温度に到達すると、温度センサー１３１の下流にある小ヒーター１３２を作動させることである。そして、その小ヒーター１３２の下流にある第二の温度センサー１３３をモニターして、少量の熱を加えたことで窒素の温度が上がったかどうかを見る。温度が上がったならば窒素流は設定された過熱のレベルを超えており、さらなる冷却が必要である。
【００３３】
図１の実施形態において、安全および潜在的なエネルギー効率のためには、過度の冷却を検出することが重要である。伝熱式熱交換器１０５ａ／ｂの中間点の温度を見るか、または双方の端点の温度を交互に見ることによって、過度の冷却がモニターされる。二次制御熱センサー１３７は、熱交換器１０５ａ／ｂから放出され、コンプレッサー１０９に返送される窒素の温度をモニターする。この値が接触危険と考えられる温度未満であると、すべての冷却器１０１／１０２／１０３が、安全制御ユニット１３８によって作動不可とされ、かつシステム動作に入れなくなる。また別の方法は、温度センサー１３１を用いて返送温度をモニターし、それが想定した飽和温度に到達するとき、温度センサー１３１の地点１１６の下流にある小ヒーター１３２を作動する。そして、小ヒーター１３２の下流にある第二の温度センサー１３３をモニターして、少量の熱を加えることで窒素の温度が上がったかどうかを見る。温度を上げるのに必要な熱量によって、過度の冷却があるかどうかが指示される。加えて、例えば負荷といった特定の場所の温度が、負荷に対する冷却を増やすか減らすかのフィードバック制御のために用いられる。冷却器１０１／１０２／１０３による冷却を減らすかおよび／またはバイパス弁１１７で負荷から流れを迂回させることによって負荷に対する冷却は低減できる。
【００３４】
加えて、冷媒に二相の流れがある（すなわち、冷媒に液相および気相が含まれる）発明による実施形態において、システム制御ユニット１３９は、負荷に入る冷媒の圧力（すなわち、冷媒の負荷への入口の圧力）に関する情報を用いて負荷の温度を調整し、温度のフィードバックを受ける必要もない。これが可能であるのは、二相の混合物の圧力／温度関係のためである。一つの実施形態においては、入口の圧力と負荷の下流の温度の双方を用いて、システム制御ユニット１３９が、負荷の温度を調整することが可能となるが、別の実施形態においては、入口の圧力のみが用いられる。ここで、制御技法が一つ以上の温度に基づいていると記述されているが、同様の技法が圧力と温度または圧力のみに基づいて用いられ得る。
【００３５】
図１の実施形態において、再循環する窒素の純度は、システムにおけるいくつかの方法で確認される。第一に、システム外の窒素の供給源からのガスは、加熱されているか加熱されていない捕獲材を用いる清浄器１３４を通されて不純物が取り除かれる。窒素コンプレッサー１０９内で、窒素流に入り込んだ油が油分離器１３５で取り除かれるが、それは、ファイバーグラスの高密度の束と活性炭を含む室温吸着材からなっており、また、水分その他の気体の汚染物質も取り除く。最後に、窒素流は、断熱容器１１０内の冷吸着剤１２９を通される。システムの使用に際しても汚染物質の入り込みを減らすように注意が払われる。遮断弁１２６によって、室温または加熱された窒素がシステムに導入されて負荷を暖めることができるようになり、また、圧力調整器１１８を用いて、窒素流内で圧力が常に正に保持されていることを確認する。
【００３６】
図４は、本発明の実施形態による高スループット冷却システム４００の概略図である。図４の実施形態において、システム４００は、二重チャンネル混合ガス冷媒システム４４１を用いて、冷却対象の基板を予冷することを可能とし、加えて、窒素流４０４のような再循環冷媒を冷却することも可能とする。冷却システム４００には、混合ガス冷媒システム４４１、窒素再循環コンプレッサー４０９、断熱容器４１０および電子インターフェース制御ボックス４４２が含まれる。電子インターフェース制御ボックス４４２は、混合ガス冷却システム４４１を制御する電子機器から分離されていてもそれと一体であってもよい。断熱容器４１０においては、混合ガス冷却システム４４１から再循環窒素流４０４への熱伝導が生じる。図４の実施形態における断熱容器４１０は、発泡断熱体を収容しているが、図１の実施形態におけるような真空断熱体をその代わりに用いてもよい。断熱容器４１０には、以下に記述される冷温（cold）構成要素が含まれていて、それらは断熱されており、一方、窒素コンプレッサー４０９は、断熱容器４１０の外に配置されていて、より高い温度、例えば室温である。
【００３７】
図４の実施形態において、混合ガス冷却システム４４１の第一チャンネル４４３は、混合ガス冷媒を予冷装置に循環させ、例えば、製造されつつある半導体デバイスを予冷して静電チャックで必要とされる冷媒を減らす。図４において、第一チャンネル４４３には、混合ガス冷媒を予冷装置に運搬する第一チャンネル混合ガス冷媒供給ライン４４４と、混合ガス冷媒を予冷装置から返送する第一チャンネル混合ガス冷媒返送ライン４４５とが含まれる。予冷装置には、例えば、一つ以上の予冷チャンバー４４７、４４８の伝熱面を冷却する予冷極低温インターフェースモジュール４４６が含まれるか、または混合ガス冷媒が予冷チャンバー４４７、４４８の伝熱面に直接循環される。加えて、混合ガス冷媒は、負荷のいずれの伝熱面にも循環され、それは予冷装置であってもなくてもよく、また予冷装置が用いられるかどうかにも関わらない。さらに、本発明による実施形態を用いて、二つの異なる温度の二つの異なる負荷を冷却してもよく、それには負荷の一方が他方の負荷のための予冷チャンバーでない場合も含まれる。ここに記述されている半導体基板のような負荷に加えて、本発明による実施形態によって他のいかなる負荷も冷却される。例えば、負荷には、深冷分離用の流体の流れ、液化されるガス、生物学用冷凍器またはそのほかの生体サンプル、化学プロセス、材料特性分析装置、真空プロセス用水蒸気トラップ、製造プロセスにおける物品、撮像装置その他の機器、亜原子粒子もしくは光子検出器、化学分析装置または超電導ケーブルもしくは装置が含まれる。その他の負荷も冷却される。
【００３８】
発明の実施形態によると、予冷チャンバー４４７、４４８を用いて、例えば、半導体基板を約−４０Ｃから約−１００Ｃの範囲の温度に冷却し、その後、基板を静電チャック４４９に移送し、その静電チャック上で基板に対してイオン注入またはその他のプロセスを行う。本発明の実施形態によって、例えば、断熱容器（例えば、１１０および４１０）から導き出される窒素を用いて、約−８０Ｃから約−２５０Ｃ、例えば、約−１５０Ｃから約−１９０Ｃ、という目標温度が達成されるが、それは、冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５、プラテン４６６、静電チャック４９９、または負荷におけるその他の位置での温度である。予冷チャンバー４４７、４４８において半導体基板を予冷することにより、本発明による実施形態では、半導体製造装置について処理量を高めることが可能となり、それは、予冷チャンバー４４７、４４８で半導体基板がすでに予冷されていると、その基板を静電チャックで所望の低温に冷却するのに必要な時間がより短くてすむからである。
【００３９】
図４の実施形態において、混合ガス冷却システム４４１の第二チャンネル４５０は、断熱容器４１０内に収容される熱交換器を経由して混合ガス冷媒を循環させ、同じ熱交換器の別々のチャンネルを通る別々の窒素ガスループ４０４から熱を取り除く。図４の実施形態において、窒素ループ４０４は、閉ループ４０４全体を通して気体状態にある窒素を実質的にすべて循環させるが、図１の実施形態についての上の記述の通り、液体と気体の混合物が循環される。窒素ループ４０４において、窒素は、窒素コンプレッサー４０９によって圧縮され、窒素供給ライン４５１を介して、第一の熱交換器４５２の一方の側に送出され、そこから、その窒素は、第二の熱交換器４５３の一方の側に流れる。第一および第二の熱交換器４５２、４５３において、窒素は、負荷から返送される窒素によって冷却される。第二の熱交換器４５３の後、窒素は、任意のヒーター４５４を通って第三の熱交換器４５５の一方の側に流れ、そこから、その窒素は、第四の熱交換器４５６の一方の側に流れる。第三および第四の熱交換器４５５、４５６において、窒素は、第三および第四の熱交換器４４５、４４６の他方の側を流れる（混合ガス冷却システム４４１からの）混合ガス冷媒によって冷却される。窒素は、第四の熱交換器４５６を出て、吸着剤４５７に流入して不純物が取り除かれ、毛管４５８またはスロットル弁のような膨張ユニットによって膨張される。膨張ユニットは、窒素の流れを調整し、かつ気体膨脹効果によってさらなる冷却を行うために用いられる。膨張に続いて、窒素は、窒素ライン４５９を通って、断熱容器４１０を出て負荷を冷却し、返送ライン４６０を通って負荷から断熱容器４１０に返送される。返送される窒素は、第二の熱交換器４５３の他方の側に供給され、そこから、第一の熱交換器４５２の他方の側に供給されて暖められ、かつ第一および第二の熱交換器４５２および４５３に到来する窒素流を冷却する。第一の熱交換器４５２から、窒素は、返送ライン４６１を介してコンプレッサー４０９に返送され圧縮される。
【００４０】
このように、図４の実施形態においては、負荷から返送される冷たい窒素ガス４６０と、窒素コンプレッサー４０９から断熱容器４１２に入る供給ガス４５１との間の伝熱式熱交換に、最初の二つの熱交換器４５２、４５３を用いる。第三および第四の熱交換器４５５、４５６を用いて、（混合ガス冷却システム４４１の第二チャンネル４５０からの）混合ガス冷媒と、二つの第一の熱交換器から出た窒素ガスとの間で熱を伝達する。混合ガス冷媒は、混合ガス冷却システム４４１の第二チャンネル４５０の混合ガス供給ライン４６２によって第四の熱交換器４５６に供給され、第四および第三の熱交換器４５６、４５５の各々の一方の側を通って流れ、そこから、第二チャンネル４５０の混合ガス返送ライン４６３によって混合ガス冷却システム４４１に返送される。ヒーター４５４を用いて、混合ガス冷媒が、熱交換器４５５、４５６において凍結することを防止する。
【００４１】
図４の実施形態において、窒素コンプレッサー４０９の供給側と返送側との間の圧力差（例えば、窒素供給ライン４５１と窒素返送ライン４６１との間の圧力差）を制御して、窒素が毛管４５８を通るときの、望ましい窒素流量と膨張レベルを達成する。加えて、電子インバーター４６４を用いて、コンプレッサー４０９を出る窒素の流量を減らすために、コンプレッサー４０９のスピードを減らす。
【００４２】
図４の実施形態において、弁４１５／４１６／４１７は、図１の弁１１５／１１６／１１７についての上の記述と類似する態様で用いられる。とりわけ、弁操作には、二つの弁４１５／４１６、すなわち、窒素を負荷に供給するラインの弁４１５と負荷から窒素を返送するラインの弁４１６、および窒素が負荷に送られることなく循環することを可能とするバイパス弁４１７が含まれる。弁操作４１５／４１６／４１７によって、負荷が冷却される前にシステムを動作温度に予冷でき、かつ負荷で冷却が必要とされない期間、システムを低温で維持できる動作モードが可能となる。弁４１５／４１６／４１７は、断熱容器４１０が真空で断熱されない場合には真空弁である必要はないが、真空断熱が用いられるときは真空弁であってもよい。
【００４３】
図４の実施形態４００は、半導体の製造またはその他のアプリケーションのエンドユーザーが操作する装置とのインターフェースのために用いられる。例えば、顧客の設備には、冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５、プラテン４６６、静電チャック４４９、予冷極低温インターフェースモジュール４４６および一つ以上の予冷チャンバー４４７、４４８の一つまたはすべてが含まれる。断熱容器４１５を出てそこに返送される窒素ライン４５９および４６０が、そのような顧客の設備と接続され、混合ガス冷媒供給ラインおよび返送ライン４４４および４４５のようになる。顧客の設備には、例えば、図４の部分４６７において示される設備が含まれる。
【００４４】
図４の実施形態において、電子インターフェース制御ボックス４４２によって、顧客の設備４６７、混合ガス冷却システム４４１および断熱容器４１０内のシステムとの間に電子インターフェースが成り立つ。電子インターフェース制御ボックス４４２は、例えば、入力または出力として、以下の一つ以上の電気信号または以下に出てくる構成要素の状態に関わるその他の電気信号をもつ。予冷チャンバー４４６、４４８のような遠隔地で温度を指示する入力電気信号、静電チャック４４９またはプラテン４６６のような遠隔地についての温度制御設定値を指示する入力電気信号、冷媒が混合ガス冷却システム４４１の第一チャンネル４４３から流れるか否かを指示する入力電気信号、冷媒が混合ガス冷却システム４４１の第二チャンネル４５０から流れるか否かを指示する入力電気信号、混合ガス冷却システム４４１の第一チャンネル４４３で冷温が準備されていることを指示する出力電気信号、混合ガス冷却システム４４１の第二チャンネル４５０で冷温が準備されていることを指示する出力電気信号、ライン４５９および４６０における供給および返送窒素の温度を指示する出力電気信号、混合ガス冷却供給および返送ライン４６２および４６３の温度を指示する出力電気信号、混合ガス冷却システム４４１について、フィードバックを指示する出力電気信号、一つ以上の窒素ループ４０４または混合ガス冷却システム４４１のいずれかのチャンネルにおける障害を指示する出力電気信号、冷温源の作動を指示する出力電気信号。電子インターフェース制御ボックス４４２を用いて、一つ以上のシステムまたはサブシステムの電子制御を行い、例えば、混合ガス冷却システム４４１の第一チャンネル４４３の動作を制御して、予冷チャンバー４４７および４４８の一つ以上といった遠隔点で特定の温度を維持する。例えば、電子インターフェース制御ボックス４４２は、混合ガス冷却システム４４１の第一チャンネル４４３の動作をパルスにしたりしなかったりして、そのような遠隔位置での温度を制御する。電子インターフェース制御ボックス４４２に加えて、図４の実施形態には、電子インターフェース制御ボックス４４２と接続される別個のユニットであるかまたはそれと一体化されているさらなるシステム制御ユニット４３９が含まれる。システム制御ユニット４３９には、システムが過度に冷却されたり冷却が不十分だったりすることを避けるために利用可能な冷却能力を調整し、それによって、システムが危険な状況を作り出すことなく、負荷に対して適切に冷却を行うことが可能となるように構成される一つ以上の制御ユニットが含まれる（例えば、予冷装置４４６／４４７／４４８と冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５の双方が含まれる）。システム制御ユニット４３９によって実施される制御ユニットのさらなる動作が以下に記述される。システム制御ユニット４３９は、ヒーター４５４、コンプレッサー４０９、弁４１５／４１６／４１７およびその他のセンサーやデバイスを含む、ここに記述される種々のセンサーやデバイスに、ここに記述されるシステムの制御動作にとって必要なものとして電気的に接続されることが理解される。システム制御ユニット４３９には、ここに記述される制御技法を実行するように特にプログラムされたマイクロプロセッサーまたはその他の特別にプログラムされた電子機器を含む適切な電子ハードウェアが含まれる。さらに、ここに「制御ユニット」が記述されるとき、それは、システム制御ユニット４３９のサブユニットとして、例えば、システム制御ユニット４３９のマイクロプロセッサーまたはその他の電子ハードウェアのサブルーチンもしくはサブコンポーネントによって実施されるということが理解される。
【００４５】
図４の実施形態において、システム制御ユニット４３９は、例えば、予冷装置４４６／４４７／４４８、冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５、プラテン４６６および静電チャック４４９のいずれかまたはすべてを含む負荷への送出温度を制御する。そのような送出温度を制御する窒素ループ４０４の動作を制御するために、考えられる技術がいくつかあって、単独にまたは異なるものを組み合わせて用いる。各場合において、システム制御ユニット４３９は、一つ以上の温度センサー（図示されていない）から電気信号を受け取ることによって、一つ以上の温度の読みを負荷において離れた場所で受け取って、それに応答して、そのような目的で用いられる一つ以上の制御ユニットからの、これらのデバイスへの電気信号を介して、一つ以上のデバイスの動作を制御する。それゆえ、システム制御ユニット４３９は、負荷への送出温度を制御するフィードバックループを実施する。制御は連続的で閉ループであるか、またはその代わりに、制御は開ループであってもよく、連続的である必要はない。加えて、冷媒の二相の流れがある（すなわち、冷媒には液相および気相が含まれる）本発明による実施形態においては、システム制御ユニット４３９は、負荷に入る冷媒の圧力（すなわち、冷媒の負荷への入口の圧力）に関する情報を用いて、負荷の温度を調整するが、温度フィードバックを受け取る必要はない。これが可能であるのは、二相の混合体の圧力／温度関係のためである。一つの実施形態において、入口圧力および負荷の下流温度の双方を用いて、システム制御ユニット４３９が負荷の温度を調整することが可能となり、別の実施形態においては、入口圧力のみが用いられる。ここで、制御技法が一つ以上の温度に基づくと記述されるとき、同様の技法が、圧力と温度または圧力のみに基づいて用いられ得る。
【００４６】
図４の実施形態において、システム制御ユニット４３９による制御の一例では、窒素コンプレッサー４０９からの放出速度は、負荷における一つ以上の離れた場所での一つ以上の温度に応答して、システム制御ユニット４３９により制御される。窒素コンプレッサー４０９のスピードが可変であるか、窒素コンプレッサー４０９がシステム制御ユニット４３９によって作動されたり停止されたりする。システム制御ユニット４３９は、窒素コンプレサー４０９の高圧（供給圧）、例えば、窒素供給ライン４５１の圧力を制御する。さらに、システム制御ユニット４３９は、窒素コンプレッサー４０９の低圧（返送圧）、例えば、窒素返送ライン４６１の圧力を制御する。さらに、システム制御ユニット４３９は、窒素コンプレッサー４０９の高圧と低圧の圧力差を制御し、または窒素コンプレッサー４０９の圧力差、高圧および低圧のうち二つ以上を制御する。システム制御ユニット４３９は、例えば、ヒーター４５４、別のヒーターまたは別の熱源への電気信号を用いて、流れている窒素ループ４０４に供給される熱を制御する。システム制御ユニット４３９は、毛管４５８の代わりに用いられる調節可能なスロットルを制御する電気信号を用いる。システム制御ユニット４３９は、窒素ループ４０４における熱ガス迂回路（図示されていない）を通る流れを切り替える電気信号を用い（例えば、一つ以上の弁に電気信号を供給することによって）、例えば、一つ以上の熱交換器４５２、４５３、３５５、４５６のいくつかの部分（またはすべて）を迂回するように窒素流を導いて、その結果、窒素について冷却ループが短絡するようにする。システム制御ユニット４３９は、迂回路（図示されていない）によって、窒素ループ４０４におけるいかなる場所からの（例えば、コンプレッサー４０９からの、窒素ループ４０４の室温部分からのまたはその他の暖かい部分からの）流れでも切り替える電気信号を用いて（例えば、一つ以上の弁に電気信号を供給することによって）、暖かいガスを、プラテン４６６および／または静電チャック４４９のような負荷におけるある場所に供給し、そのような場所を迅速に暖めて、作動可能とする。システム制御ユニット４３９は、窒素ループ４０４のいかなる場所の迂回路（図示されていない）によっても流れを切り替える電気信号を用い（例えば、一つ以上の弁に電気信号を供給することによって）、それによって、窒素ループ４０４の暖かい部分（例えば、窒素ループ４０４の室温部分）からの熱ガスが、窒素ループ４０４の下流のより冷たい部分と混合される。流れを迂回する場合には、システム制御ユニット４３９は、電気信号を用いてオン／オフ、比例（proportional）、絞り動作を行うように弁（図示されていない）を制御する。
【００４７】
図４の実施形態において、システム制御ユニット４３９によって実施される制御技法の一部または全体は、負荷への送出温度の読みの連続的なフィードバックに基づいて、その温度を連続して望ましいものに調整するというよりもむしろ、あるいはそれに加えて、その温度を望ましいものとするのに必要な迂回混合またはオン／オフ時間の計算を行うことである。さらに、システム制御ユニット４３９は、他の種類の制御を行うよりもむしろ、あるいはそれに加えて、圧力および弁位置に基づいて、どれだけの混合またはオン／オフ時間が必要であるのかの計算を行い得る。
【００４８】
図４の実施形態において、（予冷装置４４６／４４７／４４８、冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５、プラテン４６６および／または静電チャック４４９のような）負荷への送出温度を制御すべく、窒素ループ４０４の動作を制御するためおよび／または混合ガス冷却システム４４１の動作を制御するために、さらにいくつかの技法を単独でまたは異なるものを組み合わせて用いることが可能である。システム制御ユニット４３９は、比例の（proportional）またはオン／オフ弁である一つ以上の弁に電気信号を送ることによって、混合ガス冷却システム４４１と窒素ループ４０４の一方または双方の冷却速度を制御する。例えば、それらの弁は、混合ガス冷却システム４４１の第一および第二のチャンネル４４３、４５０の一方または双方の供給出力４４４、４６２、または、窒素供給ライン４５１または４５９に配置される。システム制御ユニット４３９は、混合ガス冷却システム４４１の設定温度を変更する。システム制御ユニット４３９は、一つ以上のヒーターを制御して、混合ガス冷媒または窒素ループの一つ以上を加熱する。システム制御ユニット４３９は、混合ガス冷却システム４４１のコンプレッサーのスピードを調整する。システム制御ユニット４３９は、（カスケード方式のより暖かい熱交換器、または混合ガス冷却システム４４１の室温部分のような）混合ガス冷却システム４４１のより暖かい部分から、システム４００のより冷たい部分への（例えば、一つ以上の弁を用いる）迂回ラインを通る流れを制御する。システム制御ユニット４３９は、電気信号を用いて（例えば、一つ以上の弁に電気信号を供給することによって）、システム４４１の解凍ループ（図示されていない）のような混合ガス冷却システム４４１におけるある位置からの迂回路（図示されていない）によって流れを切り替え、予冷装置４４６／４４７／４４８のような、負荷におけるある場所に暖かいガスを供給し、そのような場所を迅速に暖めて、作動可能とする。
【００４９】
図４のものに類似する別の実施形態において、混合ガス冷却システム４４１の第一チャンネル４４３と窒素供給および返送ライン４５９、４６０の双方を用いて、冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５、プラテン４６６および／または静電チャック４４９の冷却時間を増やす。これは、例えば、第一チャンネル４４３の混合ガス冷媒供給および返送ライン４４４および４４５から冷パッド極低温インターフェースモジュール４６５への別個の迂回ライン（図示されていない）を有することで成し遂げられる。
【００５０】
図４の実施形態には、図１について上で記述されているものに類似の方法で、冷却が不十分である状態と過度に冷却されている状態の双方を検出する装置が含まれる。再循環する窒素流４０４の代わりに、システムでは、アルゴン、キセノン、クリプトン、ヘリウム、その他の純粋な冷媒または混合冷媒を用いる。図１について上で記述されているのと同様の型のコンプレッサーを用いる。混合ガス冷媒ライン４６２／４６３から熱交換器４５５、４５６への熱伝導は、図１について上で記述されているのと同様の熱伝導の技法を用いることで成し遂げられる。図１について上で記述されているのと同様の流れ制御の方法が用いられる。図１の窒素コンプレッサー１０９について、上で記述されているのと同様の圧力制御の方法が用いられる。図１について上で記述されているのと同様の安全制御が用いられるが、断熱容器４１０の真空断熱が用いられていない場合には、それらのいくつかは不要である。図１について上で記述されているのと同様の冷媒の純度を制御する技法が用いられる。逆ブレイトンのような代替の冷却を用いて、本発明の実施形態によるシステムの双方のチャンネルに冷却された冷媒を供給してもよい。加えて、必要とされる熱交換器の数は、冷却の要件や熱交換器の設計によって異なる。
【００５１】
図５は、本発明の実施形態による高スループット冷却システム５００の概略図であり、それは、断熱容器５１０が混合ガス冷却システム５４１に一体化されていることを除けば、図４の実施形態に類似する。熱交換器５５２、５５３、５５５および５５６、毛管５５８、ヒーター５５４、吸収剤５５７、弁５１５／５１６／５１７はすべて、混合ガス冷却システム５４１の容器５１０内に配置される。窒素供給および返送ライン５５１および５６１は、混合ガス冷却システム５４１内の容器４１０に流れ込み、負荷へのおよび負荷からの窒素ライン５５９／５６０は、混合ガス冷却システム５４１から負荷に流入する。混合ガスが５６２で供給され、混合ガス冷却システム５４１内の混合ガス供給ラインからの窒素ループを冷却し、かつ混合ガスが窒素ループを冷却して５６３で返送される。混合ガス冷媒を、顧客の予冷装置５４６および／または５４７／５４８に供給し、および／またはそこから返送する混合ガスライン５４４および５４５を用いて、第一チャンネル５４３は、図４のそれと同様に動作する。混合ガス冷却システム５４１において（図４の第二チャンネルのように）第二チャンネルが混合ガス冷却システム５４２に存在する必要はないが、それは、混合ガスライン５６２および５６３が、混合ガス冷却システム５４１内の窒素ループに導かれているからである。電子制御ボックス５４２、窒素コンプレッサー５０９およびインバーター５６４が、混合ガス冷却システム５４１の外に配置される。顧客の設備５６７には、予冷極低温インターフェースモジュール５４６、冷パッド極低温インターフェースモジュール５６５、一つ以上の予冷チャンバー５４７および５４８、静電チャック５４９およびプラテン５６６が含まれる。そうでなければ動作が図４の実施形態のものと同様になる。
【００５２】
発明の実施形態によっては、混合ガス冷却システムは、例えば、自動冷却カスケードシステムであり、複数の熱交換器および一つ以上の相分離器が混合ガス冷却プロセスに含まれてもよい。さらに、混合ガス冷却システムには、枝分かれした供給ラインが含まれていて、混合冷媒供給ライン４４４および４６２の各々に混合冷媒を供給し（図４を参照）、また枝分かれした返送ラインが含まれていて、混合冷媒返送ライン４４５および４６３の各々から混合冷媒を返送してもよい（図４を参照）。さらに、図４および図５の実施形態において、混合ガス冷却システムの代わりに他の種類の冷却システムが用いられてもよい。例えば、逆ブレイトンサイクルまたはその他の冷却システムが用いられ、かつ枝分かれした供給および返送ラインが含まれていて、図４の供給ライン４４４、４６２および返送ライン４４５、４６３と同様に機能してもよい。さらに、その代わりに、混合ガス冷却システム４４１の二つのチャンネル４４３および４５０が、二つの別個の混合ガス冷却システムまたは他の種類の二つの別個の冷却システムによって実施されてもよい。
【００５３】
ここに熱交換器が記述されている発明の実施形態によっては、そのような熱交換器の数は、必要とされるシステムの効率によって異なっていてもよい。
【００５４】
発明の実施形態による冷却システムは、種々のモードで動作し得る。例えば、動作モードには、安定状態動作、待機（または迂回）動作、起動（室温からの最初の冷却）および停止（保持またはその他の理由で動作温度から室温に暖める時間）が含まれていてもよい。そのような動作モードは、例えば、システム制御ユニット１３９または４３９によって制御されるものでもよい。
【００５５】
発明の実施形態によっては、移送ラインを用いて断熱容器の外から冷媒を伝達するよりもむしろシステムを用いて（断熱容器４１０のような）断熱容器内の負荷を冷却するものでもよい。例えば、そのような実施形態が有用であるのは、生体サンプルが冷却または冷凍される場合だが、他の負荷に用いてもよい。加えて、発明による実施形態は、冷却される基板またはその他の物体または流体を、予冷チャンバーまたは負荷のその他の伝熱面から、プロセスチャンバーのような負荷の別の部分に移動させるステップを備えていてもよい。
【００５６】
ここで用いられているように「極低温の（cryogenic ）」という語は、２３３Ｋから２３Ｋ（−４０Ｃから−２５０Ｃ）の温度範囲についていう。
【００５７】
ここに引用されるすべての特許、出版物および参考文献の教示は、援用することによって、それらの全体が本明細書に組み入れられる。
【００５８】
この発明は、特に例示の実施形態を参照して示され、記述されているが、その形状や細部に、添付の特許請求の範囲に包含される発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えてもよいことが当業者には理解される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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