(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主真空ポンプを有する真空容器を排気するためのコールドトラップであって、
前記真空容器を前記主真空ポンプに接続する排気ダクトの内部に配置され又は前記真空容器の内部に配置されるコールドパネルと、
前記コールドパネルに構造的に接続され熱的に結合される冷凍機ステージを備える単段冷凍機と、
前記冷凍機ステージを目標温度に冷却するように前記単段冷凍機への制御入力を決定するステージ温度制御部と、
前記ステージ温度制御部によって決定された前記単段冷凍機への制御入力から前記コールドパネルへの入熱増加を推定する入熱推定部と、
前記入熱推定部によって推定された入熱増加に基づいて前記目標温度を低下させる目標温度調整部と、を備え、
第１目標ステージ温度と、前記第１目標ステージ温度よりも低い第２目標ステージ温度と、コールドパネル上限温度に対応する制御入力しきい値と、を記憶する記憶部をさらに備え、
前記第１目標ステージ温度は、前記コールドパネルが第１入熱を受けるとき前記コールドパネルが前記コールドパネル上限温度より低い第１パネル温度に冷却されるよう予め定められ、
前記第２目標ステージ温度は、前記コールドパネルが前記第１入熱よりも大きい第２入熱を受けるとき前記コールドパネルが前記コールドパネル上限温度より低い第２パネル温度に冷却されるよう予め定められ、
前記制御入力しきい値は、前記目標温度調整部によって前記第１目標ステージ温度が選択されている場合において前記コールドパネルが前記第２入熱を受けるとき生じる前記制御入力とコールドパネル温度との相関に基づいて予め定められ、
前記入熱推定部は、前記第１目標ステージ温度が選択されている場合において前記制御入力と前記制御入力しきい値との大小関係が逆転するとき、前記第１入熱から前記第２入熱への前記コールドパネルへの入熱増加を推定し、
前記目標温度調整部は、前記入熱増加が推定される場合に前記第２目標ステージ温度を選択することを特徴とするコールドトラップ。
【請求項２】
前記単段冷凍機は、前記冷凍機ステージの温度を測定するステージ温度センサと、前記単段冷凍機を駆動する冷凍機モータと、を備え、
前記ステージ温度制御部は、前記ステージ温度センサによって測定された前記冷凍機ステージの温度と前記目標温度との偏差の関数として前記単段冷凍機の運転周波数を決定する冷凍機周波数決定部と、前記冷凍機モータを前記運転周波数に制御する冷凍機インバータと、を備え、
前記制御入力しきい値は、前記第１目標ステージ温度が選択されている場合において前記コールドパネルが前記第２入熱を受けるとき生じる前記運転周波数と前記コールドパネル温度との相関に基づいて予め定められた運転周波数しきい値であり、
前記入熱推定部は、前記運転周波数が前記運転周波数しきい値より大きいか否かを判定し、
前記目標温度調整部は、前記運転周波数が前記運転周波数しきい値より大きい場合に前記第２目標ステージ温度を選択することを特徴とする請求項１に記載のコールドトラップ。
【請求項３】
前記単段冷凍機は、前記冷凍機ステージの温度を測定するステージ温度センサと、前記冷凍機ステージに装着されたヒータと、を備え、
前記ステージ温度制御部は、前記ステージ温度センサによって測定された前記冷凍機ステージの温度と前記目標温度との偏差の関数として前記ヒータの出力を決定し、
前記制御入力しきい値は、前記第１目標ステージ温度が選択されている場合において前記コールドパネルが前記第２入熱を受けるとき生じる前記ヒータの出力と前記コールドパネル温度との相関に基づいて予め定められたヒータ出力しきい値であり、
前記入熱推定部は、前記ヒータの出力が前記ヒータ出力しきい値より小さいか否かを判定し、
前記目標温度調整部は、前記ヒータの出力が前記ヒータ出力しきい値より小さい場合に前記第２目標ステージ温度を選択することを特徴とする請求項１に記載のコールドトラップ。
【請求項４】
前記コールドパネルは、前記排気ダクトの内部に配置される第１パネル部分と、前記第１パネル部分から延在し前記真空容器の内部に配置される第２パネル部分と、を備え、
前記第１パネル部分は、前記冷凍機ステージに直接固定され又は前記冷凍機ステージに伝熱部材を介して固定され、
前記第２パネル部分は、前記第１パネル部分を介して前記冷凍機ステージに熱的に結合されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のコールドトラップ。
【請求項５】
主真空ポンプを有する真空容器を排気するためのコールドトラップの制御方法であって、
前記コールドトラップは、前記真空容器を前記主真空ポンプに接続する排気ダクトの内部に配置され又は前記真空容器の内部に配置されるコールドパネルと、前記コールドパネルに構造的に接続され熱的に結合される冷凍機ステージを備える単段冷凍機と、を備え、
前記方法は、
前記冷凍機ステージを目標温度に冷却するように前記単段冷凍機への制御入力を決定することと、
決定された前記単段冷凍機への制御入力から前記コールドパネルへの入熱増加を推定することと、
推定された入熱増加に基づいて前記目標温度を低下させることと、を備え、
前記目標温度として、第１目標ステージ温度または前記第１目標ステージ温度よりも低い第２目標ステージ温度を選択可能であり、
前記第１目標ステージ温度は、前記コールドパネルが第１入熱を受けるとき前記コールドパネルがコールドパネル上限温度より低い第１パネル温度に冷却されるよう予め定められ、
前記第２目標ステージ温度は、前記コールドパネルが前記第１入熱よりも大きい第２入熱を受けるとき前記コールドパネルが前記コールドパネル上限温度より低い第２パネル温度に冷却されるよう予め定められ、
前記コールドパネル上限温度に対応する制御入力しきい値は、前記第１目標ステージ温度が選択されている場合において前記コールドパネルが前記第２入熱を受けるとき生じる前記制御入力とコールドパネル温度との相関に基づいて予め定められ、
前記推定することは、前記第１目標ステージ温度が選択されている場合において前記制御入力と前記制御入力しきい値との大小関係が逆転するとき、前記第１入熱から前記第２入熱への前記コールドパネルへの入熱増加を推定し、
前記低下させることは、前記入熱増加が推定される場合に前記第２目標ステージ温度を選択することを特徴とする方法。
【請求項６】
主真空ポンプを有する真空容器を排気するためのコールドトラップであって、
前記真空容器を前記主真空ポンプに接続する排気ダクトの内部に配置され又は前記真空容器の内部に配置されるコールドパネルと、
前記コールドパネルに構造的に接続され熱的に結合される冷凍機ステージを備える単段冷凍機と、
前記冷凍機ステージを目標温度に冷却するように前記単段冷凍機の運転周波数を決定するステージ温度制御部と、
前記ステージ温度制御部によって決定された前記単段冷凍機の運転周波数から前記コールドパネルへの入熱増加を推定する入熱推定部と、
前記入熱推定部によって推定された入熱増加に基づいて前記目標温度を低下させる目標温度調整部と、を備えることを特徴とするコールドトラップ。
【請求項７】
主真空ポンプを有する真空容器を排気するためのコールドトラップであって、
前記真空容器を前記主真空ポンプに接続する排気ダクトの内部に配置され又は前記真空容器の内部に配置されるコールドパネルと、
前記コールドパネルに構造的に接続され熱的に結合される冷凍機ステージと、前記冷凍機ステージに装着されたヒータと、を備える単段冷凍機と、
前記冷凍機ステージを目標温度に冷却するように前記ヒータの出力を決定するステージ温度制御部と、
前記ステージ温度制御部によって決定された前記ヒータの出力から前記コールドパネルへの入熱増加を推定する入熱推定部と、
前記入熱推定部によって推定された入熱増加に基づいて前記目標温度を低下させる目標温度調整部と、を備えることを特徴とするコールドトラップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コールドトラップ及びコールドトラップの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コールドトラップは、真空容器を排気するための機器であり、コールドパネルとコールドパネルを冷却する冷凍機とを有する。水蒸気などの高沸点の気体がコールドパネルの表面に凝縮され真空容器から除去される。コールドパネルは、排気される気体の蒸気圧が充分に低下する温度に冷却される。他の気体は真空容器に設けられたターボ分子ポンプなどの主真空ポンプを通じて排気される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６２０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コールドパネルの形状、配置、または周囲環境によっては、コールドパネルのある部位と他の部位との間に望ましくない比較的大きい温度差が生じうる。例えば、コールドパネルを冷凍機に接続する接続構造の熱伝導度が小さい場合、あるいは、真空容器からコールドパネルへの入熱が大きい場合には、コールドパネルと冷凍機との接続点から遠いコールドパネル末端の温度は、接続点の温度よりも顕著に高くなりうる。
【０００５】
本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、コールドパネルを適切に冷却することができるコールドトラップ及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のある態様によると、主真空ポンプを有する真空容器を排気するためのコールドトラップが提供される。コールドトラップは、前記真空容器を前記主真空ポンプに接続する排気ダクトの内部に配置され又は前記真空容器の内部に配置されるコールドパネルと、前記コールドパネルに構造的に接続され熱的に結合される冷凍機ステージを備える単段冷凍機と、前記冷凍機ステージを目標温度に冷却するように前記単段冷凍機への制御入力を決定するステージ温度制御部と、前記ステージ温度制御部によって決定された前記単段冷凍機への制御入力から前記コールドパネルへの入熱増加を推定する入熱推定部と、前記入熱推定部によって推定された入熱増加に基づいて前記目標温度を低下させる目標温度調整部と、を備える。
【０００７】
本発明のある態様によると、主真空ポンプを有する真空容器を排気するためのコールドトラップの制御方法が提供される。前記コールドトラップは、前記真空容器を前記主真空ポンプに接続する排気ダクトの内部に配置され又は前記真空容器の内部に配置されるコールドパネルと、前記コールドパネルに構造的に接続され熱的に結合される冷凍機ステージを備える単段冷凍機と、を備える。前記方法は、前記冷凍機ステージを目標温度に冷却するように前記単段冷凍機への制御入力を決定することと、決定された前記単段冷凍機への制御入力から前記コールドパネルへの入熱増加を推定することと、推定された入熱増加に基づいて前記目標温度を低下させることと、を備える。
【０００８】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、コールドパネルを適切に冷却することができるコールドトラップ及びその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のある実施形態に係る真空排気装置を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明のある実施形態に係るコールドトラップの制御装置の構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明のある実施形態に係るコールドトラップの制御方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明のある実施形態に係るコールドトラップの動作を示す図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る真空排気装置を概略的に示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態に係る真空排気装置を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
【００１２】
図１は、本発明のある実施形態に係る真空排気装置１０を概略的に示す断面図である。真空排気装置１０は、真空容器１２を排気するよう構成されている。真空容器１２は、真空処理装置の真空処理室である。真空処理装置は、真空処理室において被処理物（例えば半導体ウエハ）の表面に所望の処理を施すよう構成されている。
【００１３】
真空排気装置１０は、コールドトラップ１４と主真空ポンプ１６とを備える。コールドトラップ１４は、水蒸気などの高沸点の気体を真空容器１２から排気するために真空容器１２に設置されている。コールドトラップ１４は、真空容器１２と主真空ポンプ１６との間に配置されたインライン型のコールドトラップである。主真空ポンプ１６は、アルゴンや窒素などその他の気体を真空容器１２から排気するために真空容器１２に設置されている。
【００１４】
主真空ポンプ１６は、真空容器１２を高真空領域まで排気するための高真空ポンプである。例えば、主真空ポンプ１６は、ターボ分子ポンプである。
【００１５】
主真空ポンプ１６は、排気ダクト１８を介して真空容器１２に接続されている。排気ダクト１８は、真空容器１２から主真空ポンプ１６へと気体が流れる排気流路である。排気ダクト１８は、真空容器１２の排気口を主真空ポンプ１６の吸気口に接続する。
【００１６】
真空排気装置１０は、主真空ポンプ１６の動作圧力まで真空容器１２を排気する補助ポンプ２０を備える。補助ポンプ２０は、真空容器１２の粗引きをする粗引きポンプである。補助ポンプ２０は、主真空ポンプ１６の排気口に接続されている。
【００１７】
コールドトラップ１４は、真空容器１２及び排気ダクト１８の内部に配置されるコールドパネル２２と、コールドパネル２２を冷却するための冷凍機２４と、を備える。コールドパネル２２はその全体が排気ダクト１８または真空容器１２に露出されている。
【００１８】
冷凍機２４は単段冷凍機であり、単一の冷凍機ステージ２６を備える。冷凍機ステージ２６は、冷凍機２４の低温端に配置されている。冷凍機ステージ２６は、コールドパネル２２に構造的に接続され熱的に結合される。冷凍機２４は、冷凍機ハウジング３４に収容されている。
【００１９】
冷凍機２４は、ある熱サイクルに従って作動気体の圧力及び容積をそれぞれ異なる位相で周期的に変動させるよう構成されている。熱サイクルは例えば、ギフォード・マクマホンサイクルである。作動気体は例えばヘリウムである。冷凍機２４は、高圧の作動気体を冷凍機２４に供給する圧縮機（図示せず）に接続されている。冷凍機２４に供給された作動気体は断熱膨張により減圧され、それにより冷凍機ステージ２６が冷却される。低圧の作動気体は圧縮機に回収され圧縮され、再び冷凍機２４に供給される。
【００２０】
冷凍機２４は、冷凍機２４を駆動する冷凍機モータ３８と、冷凍機モータ３８によって駆動される駆動機構４０と、を備える。冷凍機モータ３８は、冷凍機２４の高温端に配置されている。
【００２１】
図２に示されるように、駆動機構４０は、冷凍機２４への高圧作動気体の供給と冷凍機２４からの低圧作動気体の排出とを切り換えるよう構成されている圧力切換部４４を備える。圧力切換部４４は、冷凍機モータ３８によって回転されるロータリバルブを備える。また、駆動機構４０は、冷凍機２４のディスプレーサ（図示せず）を冷凍機２４の低温端と高温端とに往復移動させるよう構成されているディスプレーサ駆動部４６を備える。ディスプレーサの移動によって、冷凍機２４の低温端の作動気体膨張室（図示せず）の容積が熱サイクルに従って変化する。駆動機構４０は、作動気体膨張室の圧力変化と容積変化とが所与の位相差を有するように圧力切換部４４とディスプレーサ駆動部４６とが連動するよう構成されている。
【００２２】
図１及び図２に示されるように、冷凍機２４は、冷凍機ステージ２６の温度を測定するステージ温度センサ４２を備える。ステージ温度センサ４２は、冷凍機ステージ２６に装着されている。
【００２３】
コールドパネル２２は、第１パネル部分２８と、第２パネル部分３０と、を備える。第１パネル部分２８は、排気ダクト１８の内部に配置されている。第１パネル部分２８は、冷凍機ステージ２６に伝熱部材３２を介して固定されている。第１パネル部分２８は、冷凍機ステージ２６に直接固定されていてもよい。第２パネル部分３０は、第１パネル部分２８から延在し真空容器１２の内部に配置されている。第２パネル部分３０は、第１パネル部分２８を介して冷凍機ステージ２６に熱的に結合される。コールドパネル２２は、排気ダクト１８の中心軸を囲むように筒型に形成されている。
【００２４】
伝熱部材３２は、その一端が冷凍機ステージ２６に取り付けられ、他端がコールドパネル２２の第１パネル部分２８に取り付けられている棒状部材である。伝熱部材３２は排気ダクト１８の開口部３６に挿通され収容されている。開口部３６は、排気ダクト１８の中心軸に垂直な径方向に沿って排気ダクト１８に形成された貫通孔である。排気ダクト１８は、開口部３６を通じて冷凍機ハウジング３０に気密に接続されている。
【００２５】
コールドトラップ１４は、排気ダクト１８の少なくとも一部を形成しコールドパネル２２を囲む取付フランジ部を備えてもよい。取付フランジ部は、コールドトラップ１４を真空容器１２に取り付けるための第１真空フランジ、及び／または、コールドトラップ１４を主真空ポンプ１６に取り付けるための第２真空フランジを備えてもよい。取付フランジ部は、冷凍機ハウジング３０に隣接して設けられていてもよい。取付フランジ部に開口部３６が形成されていてもよい。
【００２６】
図２は、本発明のある実施形態に係るコールドトラップ１４の制御装置１００の構成を概略的に示す図である。こうした制御装置は、ハードウエア、ソフトウエア、またはそれらの組合せによって実現される。また、図２においては制御装置１００に関連する冷凍機２４の一部の構成を概略的に示す。
【００２７】
制御装置１００は、冷凍機制御部１０２、記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８を備える。冷凍機制御部１０２は、詳しくは後述するが、コールドパネル２２への入熱変化に基づいて冷凍機２４の冷凍能力を調整するよう構成されている。
【００２８】
記憶部１０４は、コールドトラップ１４の制御に関連する情報を記憶するよう構成されている。入力部１０６は、ユーザまたは他の装置からの入力を受け付けるよう構成されている。入力部１０６は例えば、ユーザからの入力を受け付けるためのマウスやキーボード等の入力手段、及び／または、他の装置との通信をするための通信手段を含む。出力部１０８は、コールドトラップ１４の制御に関連する情報を出力するよう構成され、ディスプレイやプリンタ等の出力手段を含む。記憶部１０４、入力部１０６、及び出力部１０８はそれぞれ冷凍機制御部１０２と通信可能に接続されている。
【００２９】
冷凍機制御部１０２は、冷凍機２４の少なくとも１つの運転パラメータを監視し、その運転パラメータからコールドパネル２２への入熱変化を間接的に推定する。運転パラメータとは運転中の冷凍機２４の状態を表すパラメータである。運転パラメータは、冷凍機２４の冷凍能力を決定するパラメータであってもよい。冷凍機制御部１０２は、コールドパネル上限温度より低い温度にコールドパネル２２が冷却されるように、推定された入熱変化に基づいて当該運転パラメータ（すなわち、監視される運転パラメータ）を調整する。
【００３０】
監視される少なくとも１つの運転パラメータは例えば、冷凍機２４への制御入力を含む。冷凍機２４への制御入力は、冷凍機２４の運転周波数（運転速度ともいう）を表す。冷凍機２４の運転周波数とは、冷凍機モータ３８の運転周波数または回転数、当該モータの運転周波数を制御するインバータの運転周波数、熱サイクルの周波数、または、これらのいずれかを表すパラメータである。熱サイクルの周波数とは、冷凍機２４において行われる熱サイクルの単位時間あたりの回数である。
【００３１】
コールドパネル上限温度は、コールドトラップ１４によって排気する気体の蒸気圧が充分に低下する温度である。例えば、コールドパネル上限温度は、１３０Ｋまたはそれより低い温度に予め定められる。これは、水蒸気の蒸気圧が１０−８Ｐａ以下となる温度領域である。
【００３２】
冷凍機制御部１０２は、ステージ温度制御部１１０、入熱推定部１１２、及び目標温度調整部１１４を備える。ステージ温度制御部１１０は、冷凍機ステージ２６を目標温度に冷却するように冷凍機２４への制御入力を決定するよう構成されている。入熱推定部１１２は、ステージ温度制御部１１０によって決定された冷凍機２４への制御入力からコールドパネル２２への入熱増加を推定するよう構成されている。目標温度調整部１１４は、入熱推定部１１２によって推定された入熱増加に基づいて冷凍機ステージ２６の目標温度を低下させるよう構成されている。
【００３３】
ステージ温度センサ４２は、冷凍機ステージ２６の測定温度を示す信号を冷凍機制御部１０２に出力するよう冷凍機制御部１０２に接続されている。また、冷凍機制御部１０２は、冷凍機モータ３８に通信可能に接続されている。
【００３４】
ステージ温度制御部１１０は、冷凍機周波数決定部１１６と、冷凍機インバータ１１８と、を備える。冷凍機周波数決定部１１６は、ステージ温度センサ４２によって測定された冷凍機ステージ２６の温度と目標温度との偏差の関数として（例えばＰＩＤ制御により）冷凍機２４の運転周波数を決定するよう構成されている。例えば、冷凍機周波数決定部１１６は、冷凍機ステージ２６の測定温度が目標温度を上回る場合には冷凍機２４の運転周波数を増加させ、冷凍機ステージ２６の測定温度が目標温度を下回る場合には冷凍機２４の運転周波数を減少させる。このようにして冷凍機ステージ２６は目標温度に冷却される。冷凍機周波数決定部１１６は、決定された冷凍機２４の運転周波数を冷凍機インバータ１１８に出力する。
【００３５】
冷凍機インバータ１１８は、冷凍機モータ３８の可変周波数制御を提供するよう構成されている。冷凍機インバータ１１８は、入力電力を、冷凍機周波数決定部１１６から入力された運転周波数を有するよう変換する。冷凍機インバータ１１８への入力電力は、冷凍機電源（図示せず）から供給される。冷凍機インバータ１１８は、変換された電力を冷凍機モータ３８に出力する。こうして冷凍機モータ３８は、冷凍機周波数決定部１１６によって決定され冷凍機インバータ１１８から出力された運転周波数で駆動される。
【００３６】
記憶部１０４は、入力部１０６から入力された複数の目標ステージ温度を記憶する。複数の目標ステージ温度はそれぞれ、コールドパネル２２への異なる入熱のもとで、コールドパネル２２をコールドパネル上限温度より低い温度に冷却するよう予め定められる。目標ステージ温度は実験的にまたは経験的に適宜定めることができる。
【００３７】
例えば、複数の目標ステージ温度は、第１目標ステージ温度と、第２目標ステージ温度と、を含む。第１目標ステージ温度は、冷凍機制御部１０２において通常使用される目標温度として設定されてもよい。第１目標ステージ温度は、コールドパネル２２が第１入熱を受けるときコールドパネル２２が第１パネル温度に冷却されるよう予め定められる。同様に、第２目標ステージ温度は、コールドパネル２２が第２入熱を受けるときコールドパネル２２が第２パネル温度に冷却されるよう予め定められる。第２目標ステージ温度は、第１目標ステージ温度よりも低い温度である。第１目標ステージ温度は例えば１００Ｋであり、第２目標ステージ温度は例えば９０Ｋである。第２入熱は、第１入熱よりも大きい。第１パネル温度及び第２パネル温度はともにコールドパネル上限温度より低い。第２パネル温度は、第１パネル温度と等しくてもよいし、異なっていてもよい。
【００３８】
また、記憶部１０４は、入力部１０６から入力された制御入力しきい値を記憶する。制御入力しきい値は、コールドパネル上限温度に対応する制御入力の値である。制御入力しきい値は、目標温度調整部１１４によってある目標温度が選択されている場合においてコールドパネル２２がある入熱を受けるとき生じる制御入力とコールドパネル２２の温度との相関に基づいて予め定められる。例えば、制御入力しきい値は、目標温度調整部１１４によって第１目標ステージ温度が選択されている場合においてコールドパネル２２が第２入熱を受けるとき生じる制御入力とコールドパネル２２の温度との相関に基づいて予め定められる。
【００３９】
コールドパネル２２の温度Ｔｐ［Ｋ］は、コールドパネル２２が外部（例えば真空容器１２）から入熱Ｐ［Ｗ］を受けるとき、冷凍機ステージ２６の温度Ｔｓ［Ｋ］を用いて次式で表される。
Ｔｐ＝Ｔｓ＋Ｐ／Ｇ
ここで、熱伝導度Ｇ［Ｗ／Ｋ］は、コールドパネル２２を冷凍機ステージ２６に接続する伝熱経路の設計により決まる定数である。熱伝導度Ｇは、伝熱部材３２の熱伝導率及び断面積に比例し、伝熱部材３２の長さに反比例する。伝熱部材３２の長さは、コールドパネル２２から冷凍機ステージ２６への熱流方向の長さであり、伝熱部材３２の断面積はその熱流方向に垂直な断面の面積である。よって、伝熱部材３２が細長い棒状部材である場合、熱伝導度Ｇは小さい。
【００４０】
冷凍機ステージ２６の温度Ｔｓがステージ温度制御部１１０の制御によって第１目標ステージ温度に維持されているとき、入熱Ｐが第１入熱（つまり第１目標ステージ温度に対応する設計上の入熱）に等しければ、コールドパネル２２の温度Ｔｐは第１パネル温度に冷却される。入熱Ｐが増加すると、冷凍機ステージ２６の温度Ｔｓがステージ温度制御部１１０の制御によって一定に維持されているから、コールドパネル２２の温度Ｔｐは第１パネル温度から上昇する。温度Ｔｐの増加量は、熱伝導度Ｇが小さいほど大きくなる。また、ステージ温度制御部１１０によって決定される冷凍機２４への制御入力は、入熱Ｐに抗して冷凍機ステージ２６の温度Ｔｓを一定に維持するように変化する。
【００４１】
したがって、冷凍機ステージ２６がある目標温度に冷却されている場合においてその目標温度に対応する設計上の入熱と異なる入熱をコールドパネル２２が受けるとき、冷凍機２４の制御入力は、コールドパネル２２の温度と相関して変化する。よって、この相関に基づいて、コールドパネル上限温度に対応する制御入力しきい値を実験的にまたは経験的に適宜定めることができる。
【００４２】
入熱推定部１１２は、冷凍機２４の制御入力を監視する。入熱推定部１１２は、目標温度調整部１１４によってある目標温度が選択されている場合において制御入力と制御入力しきい値との大小関係が逆転するとき、コールドパネル２２への入熱増加を推定する。目標温度調整部１１４は、コールドパネル２２への入熱増加が推定される場合に目標温度を調整する。
【００４３】
例えば、入熱推定部１１２は、第１目標ステージ温度が選択されている場合において制御入力と制御入力しきい値との大小関係が逆転するとき、第１入熱から第２入熱へのコールドパネル２２への入熱増加を推定する。目標温度調整部１１４は、コールドパネル２２への入熱増加が推定される場合に第２目標ステージ温度を選択する。すなわち、目標温度調整部１１４は、冷凍機ステージ２６の目標温度を第１目標ステージ温度から第２目標ステージ温度に切り換える。
【００４４】
図３は、本発明のある実施形態に係るコールドトラップ１４の制御方法を示すフローチャートである。冷凍機制御部１０２は、コールドトラップ１４の排気運転中において以下に説明する処理を実行する。
【００４５】
ステージ温度制御部１１０は、冷凍機ステージ２６を第１目標ステージ温度に冷却するように冷凍機２４の運転周波数を決定する（Ｓ１０）。入熱推定部１１２は、決定された運転周波数が運転周波数しきい値より大きいか否かを判定する（Ｓ１２）。運転周波数しきい値は、上述のように、第１目標ステージ温度が選択されている場合においてコールドパネル２２が第２入熱を受けるとき生じる冷凍機２４の運転周波数とコールドパネル２２の温度との相関に基づいて予め定められている。
【００４６】
決定された運転周波数が運転周波数しきい値より小さい場合には（Ｓ１２のＮ）、目標温度調整部１１４は目標温度を現在の値に維持する。目標温度調整部１１４は、目標温度を出力部１０８に出力してもよい。このように目標温度が変更されない場合、冷凍機制御部１０２は、本処理を周期的に繰り返す。
【００４７】
一方、決定された運転周波数が運転周波数しきい値より大きい場合には（Ｓ１２のＹ）、目標温度調整部１１４は第２目標ステージ温度を選択する（Ｓ１４）。こうして、入熱増加に基づいて冷凍機ステージ２６の目標温度が低下され、本処理は終了する。目標温度調整部１１４は、目標温度を出力部１０８に出力してもよい。以降、冷凍機制御部１０２は、冷凍機ステージ２６を第２目標ステージ温度に冷却するように冷凍機２４を制御する。
【００４８】
以上のように構成されたコールドトラップ１４の動作を説明する。冷凍機２４においては、ステージ温度制御部１１０によって決定された運転周波数で冷凍機モータ３８及び駆動機構４０が駆動される。その運転周波数に対応する周波数で熱サイクルが繰り返され、冷凍機ステージ２６が第１目標ステージ温度に冷却される。また、コールドパネル２２は第１パネル温度に冷却される。よって、コールドパネル２２の表面に水蒸気が捕捉される。
【００４９】
図４は、本発明のある実施形態に係るコールドトラップ１４の動作を示す図である。図４には、コールドパネル２２への入熱、冷凍機ステージ２６の目標温度、ステージ温度センサ４２の測定温度、及び冷凍機インバータ１１８の運転周波数の時間変化を示す。また、ステージ温度センサ４２の測定温度とともにコールドパネル２２の温度が示されている。
【００５０】
図４に示されるように、冷凍機ステージ２６が第１目標ステージ温度Ｔ１に冷却されている（期間ａ）。コールドパネル２２は第１入熱Ｐ１を受けている。コールドパネル２２への入熱は第１入熱Ｐ１より小さくてもよい。
【００５１】
コールドパネル２２への入熱が、真空容器１２における真空処理に起因して増加する（期間ｂ）。その結果、コールドパネル２２は第２入熱を受けている。コールドパネル２２への入熱は第１入熱Ｐ１より大きく第２入熱Ｐ２より小さくてもよい。コールドパネル２２への入熱増加によりコールドパネルの温度Ｔｐは増加する。また、コールドパネル２２への入熱増加のもとで冷凍機ステージ２６を第１目標ステージ温度Ｔ１に維持するよう冷凍機インバータ１１８の運転周波数も増加する。そうして、運転周波数が運転周波数しきい値ｆに達する。このときコールドパネルの温度Ｔｐもコールドパネル上限温度Ｔｍａｘの近傍に達する。
【００５２】
したがって、冷凍機ステージ２６の目標温度が第２目標ステージ温度Ｔ２に低下する（期間ｃ）。目標温度の低下とともに冷凍機インバータ１１８の運転周波数が最大周波数まで増加する。冷凍機ステージ２６の温度Ｔｓ及びコールドパネルの温度Ｔｐは低下する。冷凍機ステージ２６の温度Ｔｓが第２目標ステージ温度Ｔ２に低下すると、冷凍機インバータ１１８の運転周波数が低下する（期間ｄ）。
【００５３】
このようにして、コールドトラップ１４は、冷凍機２４の運転周波数からコールドパネル２２への入熱増加を間接的に推定し、入熱増加に基づいて冷凍機ステージ２６の目標温度を調整することができる。そうして、コールドトラップ１４は、コールドパネル上限温度Ｔｍａｘより低い温度にコールドパネル２２を冷却し続けることができる。
【００５４】
以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。
【００５５】
図１に示すように、冷凍機２４は、冷凍機ステージ２６に装着された出力可変のヒータ４８を備えてもよい。ステージ温度制御部１１０は、ステージ温度センサ４２によって測定された冷凍機ステージ２６の温度と目標温度との偏差の関数としてヒータ４８の出力を決定するヒータ出力決定部を備えてもよい。制御入力しきい値は、第１目標ステージ温度が選択されている場合においてコールドパネル２２が第２入熱を受けるとき生じるヒータ４８の出力とコールドパネル温度との相関に基づいて予め定められたヒータ出力しきい値であってもよい。入熱推定部１１２は、ヒータ４８の出力がヒータ出力しきい値より小さいか否かを判定してもよい。目標温度調整部１１４は、ヒータ４８の出力がヒータ出力しきい値より小さい場合に第２目標ステージ温度を選択してもよい。
【００５６】
ヒータ４８が制御される場合、ステージ温度制御部１１０には冷凍機周波数決定部１１６及び冷凍機インバータ１１８が設けられていなくてもよい。その場合、冷凍機モータ３８は一定の周波数で運転される。あるいは、ステージ温度制御部１１０は、冷凍機モータ３８及びヒータ４８の双方を制御してもよい。
【００５７】
図５に示されるように、コールドパネル２２は、真空容器１２を主真空ポンプ１６に接続する排気ダクト１８の内部に配置されていてもよい。コールドパネル２２は、ルーバーであってもよい。コールドパネル２２は、排気ダクト１８に完全に収容されていてもよい。
【００５８】
図６に示されるように、コールドパネル２２は、排気ダクト１８の内部ではなく、真空容器１２の内部に配置されていてもよい。コールドパネル２２は、真空容器１２の壁部に沿って配置されていてもよい。
【００５９】
また、ある実施形態においては、目標温度調整部１１４は、冷凍機ステージ２６の目標温度を入熱増加に対応する目標温度から通常の目標温度に復帰させてもよい。目標温度調整部１１４は、第１目標ステージ温度から第２目標ステージ温度への切換後に所定時間が経過したとき、冷凍機ステージ２６の目標温度を第２目標ステージ温度から第１目標ステージ温度に再度変更してもよい。
【００６０】
あるいは、入熱推定部１１２は、第２目標ステージ温度が選択されている場合において冷凍機２４への制御入力と第２制御入力しきい値との大小関係が逆転するとき、第２入熱から第１入熱へのコールドパネル２２への入熱減少を推定してもよい。この第２制御入力しきい値は、上述の第１制御入力しきい値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。目標温度調整部１１４は、入熱推定部１１２によって推定された入熱減少に基づいて冷凍機ステージ２６の目標温度を高くするよう構成されていてもよい。目標温度調整部１１４は、入熱減少が推定される場合に第１目標ステージ温度を再び選択してもよい。
【００６１】
また、ある実施形態においては、目標温度調整部１１４は、ステージ温度制御部１１０によって使用される目標温度を予め定められた３以上の目標温度から選択してもよい。
【００６２】
冷凍機２４は、ＧＭ冷凍機には限られない。ある実施形態においては、冷凍機２４は、パルス管冷凍機、スターリング冷凍機などその他の極低温冷凍機であってもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１２  真空容器、  １４  コールドトラップ、  １６  主真空ポンプ、  １８  排気ダクト、  ２２  コールドパネル、  ２４  冷凍機、  ２６  冷凍機ステージ、  ２８  第１パネル部分、  ３０  第２パネル部分、  ３２  伝熱部材、  ３８  冷凍機モータ、  ４２  ステージ温度センサ、  ４８  ヒータ、  １００  制御装置、  １０２  冷凍機制御部、  １０４  記憶部、  １１０  ステージ温度制御部、  １１２  入熱推定部、  １１４  目標温度調整部、  １１６  冷凍機周波数決定部、  １１８  冷凍機インバータ。
【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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【図６】
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