(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷凍機間での冷媒の分配を制御する方法であって、
利用可能な冷媒量を決定し、
前記複数の冷凍機の各々による冷媒の需要を、各冷凍機の動作に応じて決定し、
前記各冷凍機からの需要を総計し
前記冷凍機の各々に対し、前記利用可能な冷媒量と、前記総計した需要と、各冷凍機の必要性とを基にして前記冷媒の割当てを決定し、
前記冷媒の割当てを再決定することにより、時間に関して前記冷媒の割当てを再分配する、
方法。
【請求項２】
請求項１において、さらに、利用可能な冷媒量を再計算し、前記再分配がさらに、前記計算された利用可能な冷媒量を基にして再分配する方法。
【請求項３】
請求項１において、前記利用可能な冷媒量の計算および再計算がさらに、冷凍機の各々と連絡してマスター・コントローラ内で計算する方法。
【請求項４】
請求項１において、前記冷凍機がさらに、冷凍機による前記冷媒の消費を制御するように作用するスレーブ・コントローラを含み、
前記需要の計算および再計算がさらに、前記スレーブ・コントローラ内での計算を含む方法。
【請求項５】
請求項３において、前記冷媒の割当ての再分配が前記マスター・コントローラの動作状態に基づく方法。
【請求項６】
請求項１において、さらに、前記冷凍機の冷媒需要を表わす冷凍機ステータスおよびモードの決定を含み、前記冷媒の割当ての再分配が前記冷凍機ステータスおよびモードに基づく計算を含む方法。
【請求項７】
請求項３において、前記マスター・コントローラ内の計算および再計算が、所定の一連の規則およびしきい値に従って発生する方法。
【請求項８】
請求項１において、前記需要の計算および再計算がさらに、前記冷凍機の少なくとも１つの動作パラメータの検出を含む方法。
【請求項９】
請求項８において、前記動作パラメータが温度、供給圧力、戻り圧力、速度、および割り当てされたヘリウムの量により構成されるグループから選択されるパラメータを含む方法。
【請求項１０】
請求項１において、前記需要が時間に関するヘリウム消費の割合である消費速度を表わしている方法。
【請求項１１】
請求項１において、前記割当ての計算がさらに、前記冷凍機の少なくとも１つの動作パラメータの検出を含む方法。
【請求項１２】
請求項１１において、前記少なくとも１つの動作パラメータが差圧（ＤＰ）である方法。
【請求項１３】
請求項１において、前記冷凍機が可変の消費速度を有する方法。
【請求項１４】
請求項１において、さらに、前記冷媒の最大消費速度を基にして前記冷媒の割当てを決定する方法。
【請求項１５】
請求項５において、さらに、冷媒の需要および利用可能な冷媒量に対する評価と、前記評価の結果として前記マスター・コントローラの動作状態の決定を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５において、監視状態が全ての前記冷凍機の前記冷媒の十分な割当てを表わす方法。
【請求項１７】
請求項１５において、需要状態に従う分配が、少なくとも１つの冷凍機が前記冷媒の不十分な割当てを持つことを表わす方法。
【請求項１８】
請求項１５において、少なくとも１つの前記冷凍機が前記冷媒の不十分な割当てを持ち、かつ前記総計した需要が前記利用可能な冷媒量に達していることを過負荷状態とする方法。
【請求項１９】
請求項１５において、所定の順番に従って前記冷媒を冷凍機から他の冷凍機に選択的に流用することを階級状態に従う分配として行う方法。
【請求項２０】
請求項１において、再分配がさらに、所定の規則に従う制御パラメータの増加を含む方法。
【請求項２１】
請求項１において、前記利用可能な冷媒量の計算がさらに、冷媒量と総計需要との間の平衡点に基づく計算を含む方法。
【請求項２２】
請求項１において、前記冷凍機がクライオポンプ内に含まれている方法。
【請求項２３】
請求項２２において、前記クライオポンプの各々が、第１段および第２段を有し、前記需要の計算がさらに、前記第１段および第２段の温度の読み取りと、それらの温度に応じての計算とを含む方法。
【請求項２４】
請求項１において、流体供給システムを用いて前記冷媒の分配を制御する方法。
【請求項２５】
請求項１において、前記冷媒がヘリウムである方法。
【請求項２６】
請求項１において、前記冷媒が共通マニホールドから分配される方法。
【請求項２７】
請求項１において、前記利用可能な冷媒量の計算および再計算が、さらに、前記冷凍機の各々と連絡してマスター・コントローラ内での計算を含む方法。
【請求項２８】
請求項４において、前記スレーブ・コントローラがクライオポンプ・コントローラである方法。
【請求項２９】
複数の冷凍機間での冷媒の分配を制御するシステムであって、
冷媒を消費する複数の冷凍機と、
各々が冷凍機による冷媒の消費を制御する複数のスレーブ・コントローラであり、前記冷凍機の各々による冷媒の需要を、各冷凍機の動作に応じて計算するように動作するスレーブ・コントローラと、
前記スレーブ・コントローラの各々と通信するマスター・コントローラであり、利用可能な前記冷媒量を計算し、さらに前記冷凍機の各々から需要を受け取るように動作し、総計された需要を基にして前記各冷凍機への冷媒の割当てを計算するマスター・コントローラと、
を備えているシステム。
【請求項３０】
請求項２９において、前記マスター・コントローラが、前記利用可能な冷媒量を再計算し、前記再計算された利用可能な冷媒量を基にして前記冷媒の割当てを再計算するように動作するシステム。
【請求項３１】
請求項３０において、前記冷媒の割当ての再計算が、前記マスター・コントローラの動作状態に基づくシステム。
【請求項３２】
請求項３０において、さらに、前記冷媒の冷媒需要を表わす冷凍機ステータスおよびモードを含み、前記冷媒の割当ての計算および再計算が、前記冷凍機ステータスおよびモードに基づく計算を含むシステム。
【請求項３３】
請求項３０において、前記マスター・コントローラ内の計算および再計算が、所定の一連の規則およびしきい値に従って発生するシステム。
【請求項３４】
請求項２９において、前記スレーブ・コントローラがさらに、前記冷凍機の少なくとも１つのパラメータを基にして前記冷媒の前記需要を計算するように動作するシステム。
【請求項３５】
請求項３４において、前記動作パラメータが温度、供給圧力、戻り圧力、速度、および割り当てされたヘリウムの量から構成されるグループから選択されるパラメータを含むシステム。
【請求項３６】
請求項２９において、前記需要が時間に関するヘリウム消費の割合である消費速度を表わしているシステム。
【請求項３７】
請求項３０において、前記マスター・コントローラがさらに、前記冷凍機の少なくとも１つの動作パラメータを基にして前記割当てを計算および再計算するように動作するシステム。
【請求項３８】
請求項３７において、前記少なくとも１つの動作パラメータが差圧（ＤＰ）であるシステム。
【請求項３９】
請求項２９において、前記冷凍機が可変の消費速度を有するシステム。
【請求項４０】
請求項２９において、前記マスター・コントローラが、さらに、前記冷媒の最大消費速度を基にして前記各冷凍機への冷媒の割当てを計算するシステム。
【請求項４１】
請求項３１において、監視状態が前記全冷凍機への前記冷媒の十分な割当てを表わすシステム。
【請求項４２】
請求項３１において、需要状態に従う分配が、少なくとも１つの冷凍機が前記冷媒の不十分な割当てを持つことを表わすシステム。
【請求項４３】
請求項３１において、過負荷状態が、少なくとも１つの前記冷凍機が前記冷媒の不十分な割当てを持つことを表わすシステム。
【請求項４４】
請求項３１において、所定の順番に従って前記冷媒を冷凍機から他の冷凍機に選択的に流用することを階級状態に従う分配として行うシステム。
【請求項４５】
請求項３１において、前記マスター・コントローラがさらに、設定点を基にして前記マスター・コントローラの動作状態を計算するように動作し、前記設定点が前記利用可能な冷媒量と前記総計需要との間の平衡に対応しているシステム。
【請求項４６】
請求項２９において、前記冷凍機がクライオポンプ内に含まれているシステム。
【請求項４７】
請求項４６において、前記クライオポンプの各々が、第１段および第２段を有し、前記需要の計算がさらに、前記第１段および第２段の温度の読み取りと、それらの温度に応じての計算とを含むシステム。
【請求項４８】
請求項２９において、前記システムが流体供給システムであるシステム。
【請求項４９】
請求項２９において、前記冷媒がヘリウムであるシステム。
【請求項５０】
請求項２９において、前記冷媒が共通マニホールドから分配されるシステム。
【請求項５１】
複数の冷凍機の間で冷媒の分配を制御するプログラム・コードを有するコンピュータ・プログラム製品であって、
利用可能な前記冷媒量を決定するコンピュータ・プログラム・コードと、
前記複数の冷凍機の各々による前記冷媒の需要を、各冷凍機の動作に応じて決定するコンピュータ・プログラム・コードと、
前記冷凍機からの前記需要を総計するコンピュータ・プログラム・コードと、
前記冷凍機の各々に対し、前記利用可能な冷媒量と、前記冷凍機の総計された需要および個々の必要性とを基にして前記冷媒の割当てを決定するコンピュータ・プログラム・コードと、
前記冷媒の割当てを再決定することにより、時間の関する冷媒の割当てを再分配するコンピュータ・プログラム・コードと、
を含むコンピュータ・プログラム製品
【請求項５２】
共通の冷媒源に接続された複数の極低温冷凍機にヘリウムを配分する方法であって、
利用可能な総ヘリウム量を把握し、
各極低温冷凍機の動作ステータスを表わす少なくとも１つの動作パラメータを検出し、
コントローラにおいて、少なくとも１つのパラメータおよび前記利用可能な総ヘリウム量から、冷媒の割当てを表わす割当て信号を計算されたヘリウム消費に応じて計算し、
前記極低温冷凍機の各々に接続された駆動モータを制御して、前記割当て信号に応じて前記極低温冷凍機により消費される前記ヘリウムを調整する、
方法。
【請求項５３】
請求項５２において、前記検出、計算、および制御のステップが、制御ループに応じて定期的に所定の間隔で繰り返される方法。
【請求項５４】
請求項５２において、前記割当て信号が質量流量の単位に対応する方法。
【請求項５５】
少なくとも１つのコンプレッサを含むコンプレッサ・バンクと、前記コンプレッサ・バンクから冷媒を供給される複数の極低温冷凍機とを有するシステムを制御する方法であって、
利用可能な総冷媒量を把握し、
前記冷凍機の各々の冷凍必要条件を、各冷凍機の動作に応じて識別し、
コントローラから、前記識別された必要条件および前記利用可能な総冷媒量に応じて冷媒の供給量を前記冷凍機に割り当てる、
システム制御方法。
【請求項５６】
請求項５５において、前記必要条件の識別がさらに、前記各極低温冷凍機による冷媒の消費の識別を含むシステム制御方法。
【請求項５７】
請求項５６において、前記割当てがさらに、温度しきい値の結果を得て、駆動モータ速度の制御による割り当てを含むシステム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
真空プロセス・チャンバは、製造業において、半導体ウェハ生産、電子顕微鏡、ガスクロマトグラフィ等の作業に対し真空環境を提供するのに多く使用される。このようなチャンバは一般に、真空プロセス・チャンバに真空ポンプを取付けて密封機構を形成することにより達成される。真空ポンプは真空プロセス・チャンバからほぼすべての分子を除去するように動作し、それにより真空環境を形成する。
【０００２】
真空ポンプの1つのタイプはクライオポンプであり、前記ポンプは例えば、米国特許Ｎｏ．５，８６２，６７１（１９９９年1月２６日発行）に開示されている。前記特許は本出願の譲受人に譲渡され、その全文を本願明細書の一部をなすものとしてここに引用する。クライオポンプは、表面を絶対零度に近い温度に冷却することにより真空プロセス・チャンバから分子を除去する。このような温度では、大部分のガスは、極低温アレイと呼ばれる冷却表面上に凝縮し、その結果真空プロセス・チャンバからほぼすべての分子を除去する。
【０００３】
クライオポンプは一般にヘリウム駆動冷凍機を使用して、必要とされるほぼ絶対零度温度を達成する。コンプレッサを利用してヘリウム冷媒を圧縮し、クライオポンプの極低温冷凍機にポンプで送り、極低温冷凍機のコールド・フィンガと呼ばれる円筒形容器がそのヘリウムを受け取る。極低温アレイがコールド・フィンガに取り付けられており、コールド・フィンガと熱伝導し、それにより冷却される。ヘリウムが膨張すると同時に、コールド・フィンガ内部でディスプレーサが、ディスプレーサを往復運動させ、かつ使用するヘリウム量を調整するディスプレーサ駆動モータにより駆動されて往復運動をする。コールドフィンガ内でヘリウムが膨張すると同時に、熱が極低温アレイから奪われて、極低温アレイ上にガスを凝縮させるのに必要なほぼ絶対零度の温度を発生させる。
【０００４】
極低温冷凍機が利用できるヘリウム冷媒の量は冷却作用が発生する速度を決定する。ヘリウム供給量が増加すると、冷却に必要な時間量、すなわちクライオポンプ作用温度を得るのに必要な時間は減少する。ヘリウム消費の割合はまた、極低温冷凍機の温度により変化する。極低温冷凍機の温度低下と共に、冷却工程を続行するのに必要なヘリウムの供給量が増加する。クライオポンプ作動による真空プロセス・チャンバでは、故障時間は製造時間損失により重大な経済的影響を発生させる。したがって、クライオポンプ温度を急速に達成し、それを維持する能力は有益である。
【０００５】
ヘリウム分配の先行技術の１つは、米国特許Ｎｏ．５，７７５，１０９の発明“共通コンプレッサにより供給される複数極低温冷凍機の強化冷却”（１９９７年１月２日出願）に記載されている。前記特許は本出願の譲受人に譲渡され、その全文が本願明細書の一部をなすものとしてここに引用する。前記特許では、複数のクライオポンプの各々の温度を個別に監視して、クライオポンプがトリガ温度に達するとき、各ディスプレーサ駆動モータの速度を制御することを提案している。クライオポンプは現在実行されている動作に応じてヘリウム量を変化させる必要があるので、駆動モータ速度を調整することによりヘリウム供給を増加または減少できる。このシステムでは、各クライオポンプが温度を監視し、それにより駆動モータ速度を制御する。
【０００６】
しかし、複数のクライオポンプに供給する共通ヘリウム供給マニホールドは、すべてのクライオポンプが必要とするヘリウムより多量のヘリウムを供給できることが多い。余剰ヘリウムは利用されないことが多く、冷却時間に必要な時間を増加させ、また余剰ヘリウムにより極低温冷凍機が必要以上に冷却されて、ヘリウム冷媒供給を維持するのに必要なパワーおよび他の資源を浪費する。
【０００７】
【発明の概要】
複数の消費装置、例えば冷凍機間で冷媒のような資源の分配を制御する方法は、利用可能な冷媒量を計算し、複数の冷凍機の各々による冷媒需要を計算することにより実現される。ユーザ（例えば冷凍機）からの需要が総計され、総計された需要量に基づいて、各冷凍機に冷媒が割当てられる。定期的に、一定間隔で、その時の各冷凍機の必要性に応じて、ユーザ各々の需要量を再計算することにより、冷媒を再分配する。
【０００８】
極低温冷凍システムのようなシステムでは、制御方法は最低限１つのコンプレッサを有するコンプレッサ・バンク（集合体）と、そのコンプレッサ・バンクから冷媒を供給される複数の極低温冷凍機とを含む。コンプレッサから極低温冷凍機の各々への冷媒供給の管理は、冷凍機の各々の冷媒必要量を識別し、真空系統コントローラから、識別された必要量に従って冷凍機への冷媒供給を割り当てることにより実行される。
【０００９】
共通マニホールドからのヘリウム冷媒供給を制御するヘリウム管理制御システムの実施形態は、複数の極低温冷凍機に適切なヘリウム量を供給する。このシステムは複数のセンサを使用して全体の冷媒供給を監視および制御することにより、極低温冷凍機すべての総計冷却負荷に応じて、各極低温冷凍機に冷媒供給量を分配する。極低温冷凍機の各々の冷媒必要量は対応するクライオポンプにより計算される。ヘリウム供給による全体冷凍能力を、極低温冷凍機の各々に割り当てて、冷媒分配を最適化する。余剰および不足ヘリウム冷媒を検出し、それにより冷媒を配分することにより、ヘリウムの適正供給量が各クライオポンプに分配される。全体冷媒供給が全体冷媒需要を超える場合、余剰冷媒は余剰ヘリウムを利用できる極低温冷凍機に振り分けられる。同様に、全体冷凍需要が全体冷媒供給を超える場合、極低温冷凍機の一部またはすべてに対する冷媒供給は減少し、それにより好ましくない冷却能力低下を最小にする。
【００１０】
冷媒供給は１つまたは複数のコンプレッサから、または共通コンプレッサ・バンクから、ヘリウム供給マニホールドを介して複数の極低温冷凍機に分配される。共通コンプレッサ・バンクを構成する各コンプレッサからの冷媒供給を利用して、冷媒供給量を決定する。極低温冷凍機を含むクライオポンプの各々に取付けられたセンサからのデータを基に計算された全体冷媒需要量はまた、極低温冷凍機が実行している特定動作に応じて計算される。一定の特定動作が他の動作にくらべて多量の冷媒を消費するとき、極低温冷凍機の各々に対し冷媒供給量が計算される。冷却動作（冷却工程）は最大量のヘリウムを必要とし、したがって他の極低温冷凍機の動作を妨げることなく分配できる最大冷媒供給量が供給される。再生作用はほとんどまたは全く冷媒を必要としないため、冷媒の供給を受けずに他の極低温冷凍機が使用できるようにする。１つまたは複数の極低温冷凍機の通常動作の間、ヘリウムは、極低温冷凍機を平衡状態に維持するように分配される。余剰ヘリウムを冷却状態にある極低温冷凍機に分配でき、余剰ヘリウムの需要がない場合は全体冷媒供給量を減らすことができる。
【００１１】
システムにより種々のパラメータを監視して、各極低温冷凍機に対する適正冷媒供給量を計算する。このようなパラメータには、極低温冷凍機を通る計算された冷媒流量と、駆動モータ速度と、冷媒圧力と、極低温冷凍機の温度とを含む。この方法により、総計冷媒負荷および個々の極低温冷凍機の現在の冷却作用に応じて、共通コンプレッサ・バンクから複数の極低温冷凍機に適正な冷媒供給量を分配できる。したがって、ヘリウム管理制御システムは、不均一な冷媒供給により生じる有害な影響、つまり好ましくない冷却能力低下を最小化し、また冷媒供給が過剰な場合においては性能を向上させる。
【００１２】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【００１３】
【好ましい実施形態の詳細な説明】
本発明の好ましい実施形態を以下に説明する。
ヘリウム管理制御を説明する前に、クライオポンプ（以下、単に「ポンプ」ということがある。）の説明が有益性を明らかにできる。クライオポンプおよびウォータ・ポンプのような真空ポンプを使用して、真空プロセス・チャンバを圧力ゼロ近くまで低下させることができる。真空プロセス・チャンバからほぼすべての分子を除去することにより、ほぼ圧力ゼロである１０-6〜１０-9torrまたはそれ以下の圧力を達成できる。分子はクライオポンプの極低温冷凍機を介して真空プロセス・チャンバから除去される。極低温冷凍機の一部は絶対零度近く、一般には１０Ｋ〜２０Ｋに冷却されて、プロセス・チャンバ内のほぼすべての分子を極低温冷凍機により冷却される極低温アレイ上で凝縮させる。極低温アレイは一般に、小さな容積で大きな表面面積を提供する一組のルーバおよびバッフルである。したがって、凝縮されたガスは縮小して低い蒸気圧を持つ固体になり、その結果ほぼ真空が得られる。さらに、極低温アレイはチャコールのような吸着性物質を含み、水素・ヘリウム・ネオンなどの、凝縮しない分子を吸着することができる。極低温冷凍機は、絶対零度近くの温度を達成できるヘリウム・ガスのような冷媒作動流体により駆動される。
【００１４】
クライオポンプは現在の動作および温度に応じて、消費するヘリウム量を変動させる。一連のポンプが、１つまたは複数のコンプレッサの共通コンプレッサ・バンクに接続されて、利用可能なヘリウム供給量を最大化する。ポンプによるヘリウム消費はコントローラにより監視および調整される。各ポンプの種々の動作パラメータを監視して、ヘリウムの適正量を各ポンプに供給する。余剰ヘリウムは、それを利用できるポンプを有効に使用するために再度割り当てされる。ヘリウムが不足しているときは、動作を維持し、有害な影響を最小化するように分配される。
【００１５】
典型的なクライオポンプの冷凍機では、作動流体は圧縮される。圧縮熱は空冷熱交換器で除去され、流体は再生熱交換マトリクスでさらに冷却され、その後ガスを膨張させて周囲温度以下に冷却する。クライオポンプは２０Ｋより低い温度で効果的に動作して、真空プロセス・チャンバからガス分子を除去する。このような低温を得るには、効率の高い熱交換器および絶対零度に近い温度でガス状態を維持するヘリウム・ガスのような作動流体を必要とする。
【００１６】
ポンプの極低温冷凍機内の圧縮されたガス冷媒の流れは循環する。極低温冷凍機の最も基本的な形態では、圧縮ガスの発生源、すなわちコンプレッサは入口弁を介してシリンダの第１端に接続される。排出ラインの排出弁は、第１端からコンプレッサの低圧入口に通じている。再生器を含むディスプレーサがシリンダの第２冷端（冷温端）に位置する状態で、かつ排出弁が閉じられ、入口弁が開いた状態で、シリンダは圧縮ガスで満たされる。入口弁が開いたままの状態で、ディスプレーサは第１端に移動して、圧縮ガスを再生器に通して第２端に押しやり、ガスは再生器を通過するときに冷却される。入口弁が閉じ、排出弁が開いているとき、ガスは膨張して低圧排出ラインに入り、さらに冷却される。その結果得られる第２端におけるシリンダ壁を横切る温度勾配により、熱は負荷からシリンダ内のガスに流れ込む。排出弁が開き、入口弁が閉じた状態で、次に、ディスプレーサが第２端に移動すると、ガスを再生器に通して元に移動させ、その再生器は熱を冷却ガスに戻す。これにより再生器を冷却し、サイクルが完了する。典型的なポンプでは、シリンダはコールド・フィンガと呼ばれ、第１段と第２段とを有する。
【００１７】
クライオポンプ動作に必要な低温を発生させるために、注入ガスは膨張前に冷却させる必要がある。再生器は注入ガスから熱を抽出し、それを蓄え、その後その熱を排出流れに解放する。再生器は逆流熱交換器であり、それを通してヘリウムが交互にどちらの方向にも通過する。再生器は大きい表面積、高い比熱および低い熱伝導率の材料で構成される。したがって、ヘリウム温度が高い場合、再生器はヘリウムから熱を受け取る。ヘリウム温度が低い場合、再生器はヘリウムに熱を放出する。
【００１８】
図１ａは極低温冷凍機１０内部のブロック図である。図１ａのデバイスでは、ヘリウムは高圧弁４６を通って冷凍機のコールド・フィンガに入り、低圧弁４８を通過して出て行く。ディスプレーサ駆動モータ２１６はディスプレーサ２０７と２０９とを、極低温冷凍機の第１段および第２段においてそれぞれ駆動する。第１段ディスプレーサ２０７は第１再生器２１１を備え、第２段ディスプレーサ２０９は第２再生器２１３を備える。熱は、クライオポンプ輻射シールドおよび前面アレイなどの第１段熱負荷２０３と、１０Ｋ〜２０Ｋクライオパネルのような第２段負荷とから抽出される。
【００１９】
図１ｂは極低温冷凍機を含むクライオポンプの破断図である。図１ｂでは、ポンプ・ハウジングを取り除いて、ディスプレーサ駆動部４０およびクロスヘッド・アセンブリ４２を示している。クロスヘッドはモータ４０の回転運動を往復運動に変換して、２段コールド・フィンガ４４内のディスプレーサを駆動する。各サイクルにおいて、圧力によりライン４６を通してコールドフィンガ内に導入されたヘリウム・ガスは膨張し、それにより冷却し、コールドフィンガを極低温に維持する。次にディスプレーサ内の熱交換器マトリクスで加温されたヘリウムはライン４８を通して排出される。
【００２０】
第１ステージ熱ステーション５０は冷凍機の第１段５２の冷端（冷温端）に取り付けられている。同様に熱ステーション５４は第２段５６の冷端に取り付けられている。適切な温度センサ・エレメント５８と６０とが熱ステーション５０および５４の背面に取り付けられている。
【００２１】
主ポンプ面はヒート・シンク５４に取り付けられた極低温アレイ６２である。このアレイは、本願明細書中に引用されている米国特許Ｎｏ．４，５５５，９０７に開示された複数のディスクを備えている。前記特許はその全文を本願明細書の一部をなすものとしてここに引用する。低温吸着剤をアレイ６２の保護された表面に取りつけて、非凝縮ガスを吸着する。
【００２２】
カップ形状の輻射シールド６４は第１段熱ステーション５０に取り付けられている。コールド・フィンガの第２段はその輻射シールド内の開口を貫通して延出している。この輻射シールド６４は主クライオパネル・アレイの後面および側面を囲んで、輻射による主クライオパネル・アレイの加熱を最小にする。輻射シールドの温度はヒート・シンク５０での４０Ｋから、真空チャンバの開口６８近くでの１３０Ｋの範囲である。
【００２３】
前面クライオパネル・アレイ７０は主クライオパネル・アレイ用の輻射シールドとして、また水蒸気のような高沸点ガス用のクライオパネル表面として作用する。このパネルは、スポーク状プレート７４で連結された同心ルーバおよびシェブロン７２の円形アレイから構成される。このクライオパネル７０の構造は円形、同心円的な構成要素に限定されるものではない。しかし、主クライオパネルへの低沸点ガスの流路を提供する一方で、輻射熱シールドおよび高温クライオポンプ・パネルとして機能するような構成にした方がよい。
【００２４】
図２はヘリウム冷媒を一連のポンプに供給するのに使用されるコンプレッサ・バンクを示す。図２では、共通コンプレッサ・バンク１６は、ヘリウム冷媒をマニホールド１８に供給するコンプレッサ１６ａ〜１６ｎを含む。マニホールド１８はスレーブ・コントローラ２１５ａ〜１５ｎと関連して一連のポンプ１０ａ〜１０ｎに接続されている。ヘリウム・ガスが膨張すると共に、スレーブ・コントローラは各々、コールドフィンガ内を往復運動するディスプレーサを駆動するディスプレーサ駆動モータ２１６を制御する。ディスプレーサ駆動モータは、供給されたヘリウム量によってポンプの冷却速度を調整するのに用いられる。真空系統マスター・コントローラ１２（コントローラ）、すなわちＶＮＣは、ディスプレーサ駆動モータ２１６を制御するスレーブ・コントローラの各々に接続され、かつポンプ１０に供給されるヘリウム冷媒量を増加または減少させるのに用いられる。ポンプ１０の各々は、コントローラ１２にフィードバックを行う１つまたは複数のセンサ１４ａ〜１４ｎを有する。したがってコントローラ１２は、それに接続されるポンプ１０のすべてを調整する。この調整は、センサ１４から信号を受け取り、センサ１４およびマニホールドから利用できる全ヘリウムから送られた信号を基に、各ポンプ１０に対するヘリウム量を計算することによって行われる。これについては以下に説明する。
【００２５】
ヘリウム管理制御システムがクライオポンプの代表的極低温冷凍機と関連して記述されていることに注意されたい。ヘリウム管理制御システムは、この代表例以外の各種の極低温冷凍機を駆動するヘリウム供給と共に使用できる。ここで述べるクライオポンプは、例えば、米国特許Ｎｏ．５，８８７，４３８“薄形のインライン極低温ウォータポンプ”に開示されているような単一段極低温冷凍機、または他のヘリウム駆動極低温デバイスで冷却されるウォータポンプであってもよい。前記特許は本出願の譲受人に譲渡され、その全文を本願明細書の一部をなすものとしてここに引用する。
【００２６】
ポンプの冷却動作に依存して、ヘリウム消費の割合が変動する。冷却動作は、ポンプ温度を周囲の空気温度から極低温に低下させるので、最大ヘリウム量を必要とする。極低温が達成されると、正常動作モードは温度を維持し、安定したヘリウム流量を必要とする。再生動作は、ポンプの温度を上昇させて、堆積し、凝縮したガスを解放するので、したがってヘリウムをほとんど、またはまったく必要としない。他の要因がヘリウム消費割合に影響を与えることがある。冷却中、ポンプは、温度が低下して正常動作温度に近くなると共に、徐々に多くのヘリウムを消費する。正常動作温度では、取り付けられた真空工程チャンバ内で発生する真空工程動作は熱を発生し、冷凍負荷を増加させ、それによりヘリウム消費割合を増加させる。
【００２７】
共通冷媒供給に接続されたすべてのポンプ総計のヘリウム配分割合を使用して、総計の冷却需要を決定できる。同様に、共通冷媒供給をもたらすコンプレッサまたは複数コンプレッサの冷媒容量を使用して、システムの冷媒容量を決定できる。前述のように、各ポンプの実際の消費割合は、諸要因に依存して変化する。特定時点において、システムの冷媒容量は総計の冷媒負荷を超える可能性があり、システムのヘリウムが過剰であることを表わす。同様に、複数のポンプが同時に多くのヘリウムを消費している場合、総計の冷凍負荷は冷媒容量を越える可能性があり、ヘリウムの不足を表わす。
【００２８】
すべてのポンプの現在の動作および全体冷媒容量を監視することにより、余剰ヘリウムを識別し、それを利用できるポンプへ転用できる。同様に、不足状態にあるヘリウムを適切に割り当てて、正常動作を維持し、または極端な状況での有害な影響を軽減する。例えば、冷却動作は最大のヘリウムを消費する、したがって冷却中のポンプに余剰ヘリウムを転用することにより、冷却に必要な時間を短縮できる。再生動作におけるポンプはほとんどまたは全く冷媒を必要としないため、余剰ヘリウムを発生させる。また、通常動作におけるポンプは温度が上昇する。クライオポンプ温度を維持するために、冷却動作中のポンプからヘリウムを転用できる。これによりそのポンプの冷却時間は長くなるが、温度上昇を開始したポンプのクライオポンプ温度は維持されて、そのポンプの正常動作の続行を可能にする。
【００２９】
図３は時間に対するヘリウム分配流量の例を示す。４つのポンプ３０１〜３０４の各々は水平軸で示す時間に関して示されている。初期時間では、全ポンプの消費量は等しい。点線３１０で示した時間では、ポンプ３０３は再生状態に入り、温度上昇する。したがって、ヘリウムがさらにポンプ３０１、３０２、３０４に供給される。あるいは、供給増加のためのヘリウムが不足する場合、ポンプ３０１、３０２、３０４の駆動モータ速度が低下して、共通コンプレッサ・バンクから供給される全体ヘリウムを減少させる。点線３１２で示す時間では、ポンプ３０３は再生温度上昇をすでに完了しており、冷却状態に入る。したがって余剰ヘリウムがポンプ３０１、３０２、３０４から再振り分けされて、ポンプ３０３の冷却を加速する。点線３１４で示す時間では、クライオポンプはすでに冷却を完了し、点線３１６で示す時間では全ポンプの消費割合（消費率または消費速度）は等しくなる。
【００３０】
クライオポンプで消費されるヘリウムは一般に、特定温度および圧力での、１分間当りの標準立方フィート（ＳＣＦＭ）のような質量流量の単位によって表わされる。また別の単位、例えばグラム／秒を使用して、質量流量を表わすこともできる。消費されるヘリウムは、ディスプレーサが往復運動を繰り返すとき、コールド・フィンガ内に存在する最大および最小ヘリウム質量から決定される。図４は、クライオポンプの極低温冷凍機に対するヘリウム消費割合の計算における、コールド・フィンガ４４内の最大および最小ヘリウム質量に対するディスプレーサ位置を示す。ディスプレーサは、第１段２０７および第２段２０９をそれぞれ有し、コールド・フィンガ４４の内部で往復運動する。ディスプレーサが駆動モータ２１５により往復運動するとき、ヘリウムが膨張して、コールド・フィンガを冷却する。またディスプレーサのサイクル毎に、高圧４６（供給）および低圧４８（排出）ラインを開いて、非膨張ヘリウムを導入し、膨張ヘリウムを排出する。消費されるヘリウム量は以下の式で示される。
流量＝（最大質量−最小質量）×駆動モータ速度
したがって、駆動モータ速度が増すと共に、ディスプレーサのサイクルが増加するために消費ヘリウムが増加し、負荷からさらに多くの熱を奪う。
【００３１】
例えば、共通コンプレッサ・バンクが８４ＳＣＦＭのヘリウムを供給できる場合、コンプレッサ・バンクは６台の冷凍機に１４ＳＣＦＭのヘリウム（８４／６＝１４）を供給できる。前述のように、ポンプにより消費されるヘリウムは変動する。４台の冷凍機が各々、１２．５ＳＣＦＭのヘリウムを消費場合、これら４台の冷凍機は１２．５×４、つまり合計５０ＳＣＦＭの冷媒負荷を必要とする。コンプレッサは８４ＳＣＦＭのヘリウムを供給できるので、８４−５０＝３４ＳＣＦＭを残り２台の冷凍機に割当てることができる。残り２台の冷凍機が冷却状態にある場合、システム内のヘリウム余剰により、それら２台の各々に３４／２＝１７ＳＣＦＭのヘリウムを供給できる。別の実施形態では、冷却中の冷凍機に余剰ヘリウムの均等割当てする必要がない。
【００３２】
図５は、ヘリウム管理制御システムの実施形態におけるデータ・フローのブロック図である。図５では、共通コンプレッサ・バンク１６内のコンプレッサの各々が、各コンプレッサからコントローラ１２に利用可能な最大ヘリウム量の表示を送り、総計のヘリウム供給の計算を可能にする。ポンプ１０の各々は以下のパラメータをコントローラに送る。すなわち、最小ヘリウム量、現在の計算されたヘリウム消費割合、動作モード、およびヘリウム不足を示すヘリウム消費ステータスのパラメーターをコントローラに送る。コントローラ１２は割り当てられたヘリウム・パラメータまたは値を、ポンプが消費できる最大ヘリウム割合を示すポンプに送る。最大ヘリウム消費信号を使用して、特定の極低温冷凍機に接続されたコントローラ２１５を介してディスプレーサ駆動モータを調整する。前述のように、ディスプレーサ駆動モータの速度はポンプのヘリウム消費を調整する。
【００３３】
図６は、ヘリウム管理制御システムの制御フローの最上位レベルのフローチャートである。このシステムは一定間隔でポーリングを実行し、クライオポンプへのヘリウム供給を調整する必要があるかどうかを決定する。代替方法では、システムはインタラプトまたはエベント・ドライブできる。ステップ１００に示すように、ポーリング期間が終了すると、ステップ１０２に示すように、チェックがなされて、全クライオポンプが正常に作動しているかどうかを判定する。全ポンプが正常に作動している場合、ステップ１０４に示すように、システムは次のポーリング期間を待つ。ポンプまたはシステムのいずれかが正常に動作しない場合、すなわち１台または複数のポンプが許容消費範囲の限界に達する場合、またはシステム差圧（ＤＰ）が臨界値より低下した場合、以下に詳細に説明するように、ステップ１０６に示すヘリウム管理制御が実行される。ヘリウム管理制御の２つの実施形態を以下に述べる。
【００３４】
図７は、真空系統コントローラ（ＶＮＣ１２）またはマスター・コントローラ、コンプレッサ（複数も有り）１６、およびポンプ１０ａ〜１０ｄのスレーブ・コントローラ２１５ａ〜２１５ｄ間のデータ・フローのブロック図である。これらマスターおよびスレーブ・コントローラ２１５ａ〜２１５ｄは、以下に説明するように、所定の一連の規則およびしきい値に従って、計算および再計算を行う。コンプレッサはＶＮＣ１２に供給圧および戻り圧を送る。コンプレッサはまた、コンプレッサが１分間当りの標準立方フィート（ＳＣＦＭ）で供給できるヘリウムの初期値を送る。ＶＮＣ内の圧低下チェック・ルーチン１１０（図１０に関して以下に詳細に説明する）はルーチン１１２でヘリウム利用可能修正値を計算する。ヘリウム利用可能修正値は定期的に再計算され、現在の消費に基づいて、割当て可能なヘリウム量を概算する。この値は、ポンプ１０およびコンプレッサ１６の摩耗、裂け目、効率などの要因のために、コンプレッサ排気量および速度に基づく定格供給値の前後でわずかに変動する。ルーチン１１２で得られたヘリウム利用可能修正値は分配ルーチン１１４で使用される。これについては、図１１に関連して以下に述べる。
【００３５】
計算され、割り当てされたヘリウム値は、矢印１１６で示すように、各ポンプ１０ａ〜１０ｄを制御するスレーブ・コントローラ２１５ａ〜２１５ｄに送られる。スレーブ・コントローラは、割り当てされたヘリウム値を超えずにディスプレーサ・モータが往復運動できる最大ディスプレーサ・モータ速度を決定する。スレーブ・コントローラ内のポンプ速度制御ループはまた、クライオポンプ温度の関数としてディスプレーサ・モータ速度を制御し、モータを低速度稼働できるが、割り当てられたヘリウム値に対応する速度を超えることはできない。またポンプ速度制御ループにより、ポンプは、ＶＮＣ１２で駆動されない場合、スタンドアロン・モードでは、温度に依存して、デフォルト割当て値までヘリウムを自由に消費できる。次にスレーブ・コントローラ２１５は、実際のヘリウム消費を表すヘリウム消費値を計算する。これについては、以下で詳細に述べる。全体ヘリウム利用可能値と同様、ヘリウム消費値は、現在の動作条件、摩耗、裂け目などの要因に依存して、ポンプの定格排気量値と異なることがある。ヘリウム消費値はＶＮＣ１２にフィードバックされ、矢印１１８に示すように、後続のヘリウム割当て計算に使用される。
【００３６】
図８はＶＮＣ１２の状態図である。図６、７、８によれば、状態移行は、システムの動作に依存して各ポーリング期間１００で起こる。アイドル状態１２０はシステム立上がりおよびマッピング中に発生し、初期読込みおよびデフォルト値を実行後、ポンプ１０およびコンプレッサ１６を始動する。初期サイズ・チェックが実行されて、コンプレッサがマニホールドに接続されたポンプ１０に対し十分なサイズであることを確認する。少なくとも1台のポンプ１０および1台のコンプレッサ１６が始動すると、ＶＮＣ１２は監視状態１２２に移行する。
【００３７】
監視状態１２２では、ポンプ１０はＶＮＣにより各ポーリング期間１００でポーリングされて、すべてのポンプ１０が、以下に述べる限界ステータスで作動しているかどうかを判定する。限界ステータスで作動しているポンプ１０は、そのポンプの最大許容消費でまたはそれに近い状態で消費しており、温度上昇を避けるために追加ヘリウムを必要とする。需要状態に従う分配１２４（ＤＰＤ）への移行は、少なくとも1台のポンプ１０が限界ステータスを報告したとき、またはＤＰ（システム差圧）が臨界値よりも低下したときに起こる。需要状態に従う分配１２４は、システム内の余剰ヘリウムの再割当てを試み、それにより限界状態のポンプ１０に追加のヘリウムを供給する。これについては、図９で詳細に述べる。需要状態に従う分配１２４が十分なヘリウムを再割当てして、ポンプを限界ステータスから脱出させることができず、ＤＰが低い値に留まっている場合、システムは、過負荷状態１２６または階級状態（Hierarchy State）１２８のどちらかに移行する。
【００３８】
過負荷状態１２６では、ＶＮＣ（真空系統コントローラ）１２は、過剰消費しているポンプに対し可能な限りのヘリウムをすでに再割当てしているため、各ポンプへの現在の割当てを維持する。例えば、６台うち５台のポンプが適正に作動しているが、６番目のポンプがバイパス弁の故障のために過剰消費している場合、故障ポンプに対して追加のヘリウムが割当てられて、正常に動作している他の５台のポンプからリウムを奪うことになる。これに対し、階級状態１２８に従う分配は、さらに積極的な方法を続行し、ユーザ特定階級に従って、ポンプ１０は選択的に停止される。例えば、冷却動作中であるポンプへ現在、僅かな余裕（ウェーハ・ペイロード）で作動している別のポンプからヘリウムを分配するよりは、つまりヘリウムを分配せずにその別のポンプを正常に作動させた方が有益であるので、前記冷却動作中のポンプの冷却動作を止めた方がよい場合もある。しかし、階級に従う分配により、ＶＮＣは実際に冷却動作を停止するため、ユーザはこの機能を望まないかもしれない。
【００３９】
図９は、需要状態１２４に従う分配で実行される計算のフローチャートである。図９では、ステップ１３０に示すように、需要状態に従う分配が入力される。ステップ１３２に示すように、クライオポンプ１０およびコンプレッサ１６の各々をポーリング（調査）して現在の動作パラメータを決定する。共通マニホールドに接続された全コンプレッサに対して同一である、供給圧および戻り圧が入力される。ポンプ動作パラメータは計算された現在のヘリウム消費値、現在のヘリウム割当て値、消費状態（ステータス）、ＯＫまたは限界のどちらか、現在の冷却モード、さらに“ＯＮ”（冷凍機稼働中、温度制御機能稼動中または温度制御の手動制御機能の稼働中）、または“冷却”（設定温度を達成するために冷凍機が稼働中）、または“ＯＦＦ”（冷凍機が停止中で、ヘリウム消費が無い）のどれか、およびポンプが作動するのに必要な最小ヘリウムを含む。冷却モードとはポンプにより実行されている現在の冷却動作を示し、冷却中は冷却に、ポンプがＶＮＣで制御されているときは温度制御に、再生器作動中のようなポンプがヘリウムを必要としないときは“ｎｏｎｅ”に設定される。
【００４０】
ステップ１３４に示すように、チェックを実行して最終再分配以後の安定化時間が終了しているかどうかを判定する。安定化タイマは、前の再割当てが有効であるかどうかを判定するのに与えられる時間長さを示し、一般には1分である。安定化タイマが終了していない場合、制御は、次のポーリング期間を待つためにステップ１３０に戻る。安定化タイマが終了している場合、または安定化タイマが設定されていない場合、ステップ１３６に示すように、チェックを実行して過負荷または階級に従う分配（ＤＰＨ）状態のどちらを入力すべきかを決定する。圧低下状態が存在し、システムが過剰消費のままであり、冷却状態の全ポンプがそれらの最小ヘリウム割当て値で作動している場合は、過負荷またはＤＰＨが入力される。ステップ１３２で得られるＤＰ（システム差圧）が特定の設定しきい値、一般に１９０ｌｂｓ／ｉｎ2未満になる場合、圧低下状態が存在する。前述のように、一般的な動作ＤＰは約２００ｌｂｓ／ｉｎ2であり、４００および２００ｌｂｓ／ｉｎ2の供給および戻り圧にそれぞれ対応している。
【００４１】
全ポンプから計算されたヘリウム消費量の総和が現在の、または最新の計算されたヘリウム利用可能修正１１２（図７）値より大きいとき、システムは過剰消費している。特定の実施形態では、計算されたヘリウム消費量の総和がヘリウム利用可能修正１１２値を５％超えるとき、ポンプは過剰消費している。
【００４２】
第３状態は、冷却モードを報告している全ポンプが、ステップ１３２で報告されるように、すでにそれらの最小ヘリウム割当て状態にあることをいう。システムは、冷却中のポンプに対して割り当てられたヘリウム・パラメータを変更して、温度制御中のポンプに対して多くのヘリウムを割当て可能にし、最小ヘリウム割当てが達成されるまでそれを続行する。全ポンプが最小ヘリウム割当てを達成すると、他のポンプに割り当てる余剰ヘリウムは無くなる。
【００４３】
冷却中のポンプがすべて最小ヘリウム状態にあり、かつ圧低下および過剰消費チェックが有効の場合、ステップ１３８に示すように、チェックを実行してＤＨＰが設定されて実施可能（イネーブル）になっているかどうかを判定する。ＤＨＰが設定されて実施可能（イネーブル）である場合、ＤＰＨ状態１２８が入力される。そうでない場合、過負荷状態１２６が入力される。
【００４４】
システムがまだ過負荷１２６またはＤＰＨ（階級による分配）１２８に移行する必要がない場合には、圧低下チェック・ルーチン１４０が入力されて、図１０に関連して以下に述べるように、ヘリウム利用可能修正の新しい値を計算する。次に、ステップ１４２に示されているように、以下に詳しく述べる分配ルーチンに入る。分配ルーチンはポンプ１０の各々に新しく割り当てられるヘリウム値を再計算する。ステップ１４４に示すように、チェックを実行してシステムがヘリウムを十分に再分配して状態を監視１２２に移行可能にしているかどうかを判定する。安定化タイマが終了し、ポンプが限界状態を報告していない場合、すべてのポンプ内に十分なヘリウムが残っているため、ＶＮＣは監視状態１２２に移行する。次にステップ１４６に示すように、チェックを実行して全コンプレッサまたは全クライオポンプが停止しているかどうかを判定する。コンプレッサまたはポンプのどちらも稼動中ではない場合、システムはアイドル状態１２０に移行する。最後に、ステップ１４８に示すように、ヘリウム割当ての新しく計算された値がポンプ１０に送られる。
【００４５】
図１０は、ステップ１４０の圧低下チェック・ルーチンを詳細に示している。図１０において、ステップ１５０で示すように、圧低下チェック・ルーチン１４０に入力される。ステップ１５２に示すように、チェックを実行してシステムが圧低下状態で作動しているかどうかを判定する。チェックは、前述のステップ１３６の間のフラグ・セットの読込みを含み、またはＤＰを再計算し、それをＤＰ設定と比較することができる。システムが依然として圧低下状態で作動している場合、ステップ１５４に示すように、流量補正係数を所定値、例えば０．０１ずつ減少させる。次にステップ１５８に示すように、流量補正係数に現在のヘリウム利用可能修正値１１２（図７）を乗算して新しいヘリウム利用可能修正値１１２を算出し、ステップ１６２に示すように、制御が需要フローチャートに従う分配に戻る。このようにして、計算されたヘリウム利用可能値を減少させることにより、詳細を以下に述べる分配ルーチンが、ヘリウム割当てを小さい供給量から計算できるようにする。したがって、連続繰返しを、計算されたヘリウム利用可能値を減少させる効果が現われ、システムが安定するか、あるいは過負荷１２６またはＤＨＰ１２８に移行がなされるまで続行する。
【００４６】
圧低下状態が存在しない場合、ステップ１５６に示すように、チェックを実行して全ポンプに対し計算された総計ヘリウム消費値が、ヘリウム利用可能修正値１１２の特定しきい値以内かまたはそれ以上かを判定する。計算された総計ヘリウム消費値が特定しきい値以内である場合、ヘリウム流量は十分であり、ステップ１６０に示すように、流量補正係数を所定の値、例えば０．０１ずつ増加させ、それにより計算されたヘリウム利用可能値を増加させる。次にステップ１５８に示されているように、ヘリウム利用可能修正値を再計算し、ステップ１６２に示すように、制御がＤＰＤ（需要状態に従う分配）ルーチン（図８の１２４）に戻る。
【００４７】
図１１はステップ１４２（図９）の分配ルーチンを詳細に示している。図１１において、ステップ１６４に示すように、分配ルーチンに入る。ステップ１６６に示すように、温度制御モードにおいてポンプに対し新しく割り当てられるヘリウム値を計算する。各ポンプにより報告される計算されたヘリウム消費値に、前述のステップ１５６のデルタ・ヘリウム係数を乗算して、温度制御モードにおいてさらに多量のヘリウム量を供給する。特定の実施形態では、デルタ・ヘリウム係数は１．０８である。次にステップ１６８に示すように、冷却中のポンプ間に割当て可能なヘリウムを計算する。ステップ１６６で計算されたヘリウム消費値が、温度制御中の全ポンプに関して合計され、さらに修正されたヘリウム利用可能値の現在の値から減算されて、冷却に利用可能なヘリウム値を算出する。したがって、温度制御中の全ポンプが最初に考慮され、残りが冷却中のポンプ間で割り当てされる。ステップ１７０に示すように、冷却に利用可能なヘリウムが、冷却中のポンプ数で割算され、異なるサイズのポンプがマニホールドに現在接続されている場合、ポンプの相対サイズに応じて振り分けられる。さらに、計算されたヘリウム割当て量が特定ポンプに対する最小ヘリウム割当て量よりも少ない場合、最小割当てヘリウム量が使用される。したがって、システムは追加ヘリウムを温度制御中のポンプに再分配して、能力の限界状態を報告している１つまたは複数ポンプの限界状態を緩和する。その後、ステップ１７２に示すように、制御は分配ルーチンに戻る。
【００４８】
図１２はポンプ制御フローの最上位レベル図である。前述のように、ポンプは３つのモードすなわち温度制御、冷却、およびｎｏｎｅのうちの１つと、２つの状態すなわちＯＫおよび限界のうちの１つとで動作する。ポンプはまた、ＶＮＣ（真空系統コントローラ）へ報告するヘリウム消費値を計算する。ポンプのスレーブ・コントローラは、ＶＮＣから要求されると定期的にこの情報を送り、割当てされたヘリウム値をＶＮＣから受け取る。次に、それに応じて、ポンプ速度制御ループ・フローが最大ディスプレーサ速度（ＲＰＭ）を設定する。なお、ポンプ速度制御ループは並列に動作して、ポンプ制御フローにより計算されるＲＰＭ範囲内の第１段温度に応じて、ディスプレーサ・モータ速度を調整する。特定の実施形態では、ポンプ速度制御ループは閉ループである比例−積分−微分（ＰＩＤ）ループである。
【００４９】
図１２では、ステップ１７４に示すように、ポンプのスレーブ・コントローラのポンプ制御フロー・ループに入る。入力はＶＮＣ１２（マスター）により開始されるが、インタラプト駆動方式のような非同期手段でも開始できる。ステップ１７６に示すように、チェックを実行して、現在のコンプレッサ供給値とＤＰ計算に使用する戻り圧とが適正かどうかを判定する。不適正なコンプレッサ値の原因には、ポンプ、コンプレッサ、およびＶＮＣ間の通信故障、トランスジューサ故障、またはコンプレッサの停止状態がある。コンプレッサ値が問題の可能性を示す場合、ステップ１７８に示すコンプレッサ・チェック・ルーチンに入る。これについては以下に詳しく述べる。コンプレッサ値が適正であることが判明すると、ステップ１８０に示すように、チェックを実行して、ポンプが既にコンプレッサ・チェック・ルーチンにより停止していたかどうかを判定する。ポンプが既にコンプレッサ・チェック・ルーチンにより停止していた場合、ステップ１８２に示すように、パワー故障回復を実行して再初期化し、ステップ１９４に示すように、ポンプ制御ループを終了する。ポンプが既に停止している状態でなかった場合、ステップ１８４に示すように、ポンプに対し現在動作中のパラメータを計算する。
【００５０】
動作パラメータは以下のように計算される。すなわち、ヘリウム消費パラメータを計算して、第1段温度、第２段温度、現在のディスプレーサ速度（ＲＰＭ）、供給圧、戻り圧およびポンプ排気量に基づくポンプ定数（Ｃpumpconst）に基づいて、現在のヘリウム消費割合（消費速度）を決定する。
ヘリウム消費＝Ｆ（Ｔ1、Ｔ2、ＲＰＭ、Ｐsupply、Ｐreturn、Ｃpumpconst）
【００５１】
ＶＮＣから送られた現在割り当てられているヘリウム値を使用して、ヘリウム消費値に対応する新しい割当てＲＰＭ値を以下のように計算する。
割当てＲＰＭ＝（割当てられたヘリウム値×ＲＰＭ）／（ヘリウム消費値）
【００５２】
前述のように、ヘリウム消費値もまたＶＮＣに送り返されて、割り当てヘリウム値の新しい値が計算される。ＯＫまたは限界のポンプ・ステータスと、冷却、温度制御およびｎｏｎｅのポンプ動作モードも計算され、ＶＮＣに送られる。
【００５３】
ポンプ動作パラメータを計算後、ステップ１８６に示すように、チェックを実行してポンプが冷却モードにあるかどうかを判定する。ポンプが冷却モードにある場合、ステップ１８８で冷却ルーチンに入る。これについては以下に詳しく述べる。ポンプが冷却モードにない場合、ポンプは稼動中（温度制御中）または停止のどちらかであり、ステップ１９０に示すように、最大ＲＰＭが、割当てＲＰＭ、このポンプではＭａｘＲＰＭ、または一定の全体ＭａｘＲＰＭよりも小さい値ではあるが、ＭｉｎＲＰＭ以上の値、一般に１００ｒｍｐに設定され、ステップ１９４でポンプ制御ループを終了する。
【００５４】
図１３はポンプ冷却ルーチンを示す。図１２および１３によれば、ポンプが冷却モードにある場合、ステップ１８８に示すように、制御は冷却ルーチンに進む。ステップ４００に示すように冷却ルーチンに入り、チェックを実行して第２段温度が１７Ｋよりも低いかどうかを判定する。温度が１７Ｋ未満の場合、チェックを実行して第１段温度がＴ1設定（一般に１００Ｋ）の０．５Ｋ以内にあるかどうかを判定する。Ｔ1（第1段）は正常な予測動作温度に設定される。Ｔ1温度が十分低い場合、ステップ４０６に示すように、冷却は完了し、ステップ４２２で冷却ルーチンは終了する。
【００５５】
第２段温度が１７Ｋ以上の場合、チェックを実行して第２段温度が４０Ｋより低いかどうかを判定する。第２段温度が４０Ｋより低いか、または第1段がステップ４０４の設定値内の０．５Ｋ以上の場合、ステップ４０８に示すように、チェックを実行して割当てＲＰＭが７２ｒｐｍより大きいかどうかを判定する。割当てＲＰＭが７２より大きい場合、ステップ４１０で示すように７２ｒｐｍに設定する。したがって、第２段が４０Ｋ未満であるか、第２段が１７Ｋ未満であるが第１段がまだＴ1設定値＋０．５Ｋに低下していない場合、割当てＲＰＭは７２に制限される。
【００５６】
ステップ４１２に示すように、チェックを実行して計算された割当てＲＰＭがＭａｘＲＰＭより大きいかを判定する。大きい場合、ステップ４１４で現在のＲＰＭがＭａｘＲＰＭに設定され、ステップ４２２に示すように冷却ルーチンを終了する。割当てＲＰＭがＭａｘＲＰＭ以下の場合、ステップ４１６に示すように、チェックを実行して割当てＲＰＭがＭｉｎＲＰＭ未満かどうかを判定する。ＭｉｎＲＰＭ未満である場合、ステップ４２０に示すようにＲＰＭをＭｉｎＲＰＭに設定し、そうでない場合は、ステップ４１８で割当てＲＰＭに設定する。その後、ステップ４２２で冷却ルーチンを終了する。
【００５７】
図１２に戻ると、ステップ１７８はコンプレッサ・チェック・ルーチンを示す。図１４はコンプレッサ・チェック・ルーチンをさらに詳しく示す。図１２および１４によれば、ステップ４３０に示すように、コンプレッサ・チェック・ルーチンに入る。コンプレッサ・チェック・ルーチンの主目的は、コンプレッサが機能しているかどうかを判定し、機能していない場合はポンプを停止することである。供給圧、戻り圧、およびヘリウム割当てのデフォルト値は、ステップ４３２において指定される。一般的に、これらのデフォルト値は、ポンプが冷却中の場合は供給圧＝４００ｐｓｉ、戻り圧＝２００ｐｓｉおよびヘリウム割当て＝最小ヘリウムであり、温度制御中の場合はヘリウム割当てに対しては以前の値である。
【００５８】
ステップ４３４に示すように、チエックを実行して、以前のヘリウム割り当て計算の繰返しの間にポンプ制御フロー・ループを介して、コンプレッサ・チェック・ルーチンに入ったかどうかを判定する。コンプレッサ・チェックが、ポンプ制御ルーチンとは非同期で稼動するテスト・タイマを起動する。したがって、ポンプがテスト期間にわたって監視されるとき、コンプレッサ・チェック・ルーチンを介して複数の繰返しが通常、発生する。コンプレッサ・チェック・ルーチンが以前に作動していなかった場合、ステップ４３６に示すように、チェックを実行してポンプ・モータが稼動中かどうかを判定する。稼動中でない場合、ステップ４５４でコンプレッサ・チェック・ルーチンを終了する。ポンプ・モータがｏｎの場合、ステップ４３８に示すように、チェックを実行してポンプが再生モードであるかどうかを判定する。再生モードの場合、ステップ４５４でコンプレッサ・チェック・ルーチンが終了する。
【００５９】
ポンプが再生モードでない場合、ステップ４４０に示すように、現在の作動モード、冷却またはｏｎ（温度制御中）が記録され、テスト・タイマが設定される。ステップ４３４に示すように、コンプレッサ・チェック・ルーチンを介して以下の繰返しは、コンプレッサ・チェック・ルーチンが作動していることを示し、ステップ４４２で示すように、チェックを実行してテスト・タイマが終了しているかどうかを判定する。テスト・タイマにより、所定の時間間隔でシステムの正常動作を監視することが可能になる。テスト・タイマが終了していない場合、ステップ４５４で、コンプレッサ・チェック・ルーチンが終了して、次の繰返しを待つ。テスト・タイマが終了している場合、ステップ４４４に示すように、冷却モードのチェックを実行する。ポンプが冷却中でない場合、ステップ４４８に示すように、チェックを実行して第２段温度が所定のしきい値を超えているかどうかを判定する。特定の実施形態では、しきい値は２５Ｋである。ポンプの温度が所定のしきい値を超えていない場合、ステップ４５０に示すように、コンプレッサがｏｎであることを判定し、ポンプ作動し続ける。ポンプが冷却中でない場合、ステップ４４６に示すように、チェックを実行して、テスト・タイマ期間の間の冷却速度が所定の速度、例えば１分間当り１Ｋより速いかどうかを判定する。冷却速度が１Ｋ／ｍｉｎ以下の場合、または第２段温度が２５Ｋより高い場合、ステップ４５２に示すように、コンプレッサがｏｆｆで、ポンプも停止する。次に、制御がステップ４５４に達し、コンプレッサ・チェック・ルーチンを終了して、次の繰返しを待つ。
【００６０】
図８によれば、階級に従う分配（ＤＰＨ）１２８を使用して、正常作動状態範囲を超える状態を処理することもできる。この状態は、真空システムにおける過大熱負荷、またはポンプまたはコンプレッサの劣化によりもたらされる。階級に従う分配の主目的は、システムの最重要ポンプにヘリウムを割り当て、重要度の低いポンプには割り当てないことである。場合により、ポンプを完全に停止させて、ヘリウムを他のポンプが使用できるようにする。
【００６１】
システム・ユーザは階級機能に従う分配（ＤＰＨ）を機能させ、各ポンプの相対重要度を設定させる必要がある。例えば、特定の実施形態では、スパッタリング・システムは２つの負荷固定チャンバ、緩衝チャンバ、移送チャンバ、および移送チャンバに連結された４つまたはそれ以上のプロセス・チャンバから構成される。例えば、プロセス・チャンバ・ポンプは優先度レベル３、移送チャンバ・ポンプはレベル２、緩衝チャンバ・ポンプはレベル１とされる。内部にウェーハを持たないプロセス・チャンバは優先度レベル４を割り当てできる。需要を超えるヘリウム消費を発生させるシステム故障の場合、ツール・コントローラはいずれかのプロセス・チャンバが内部にスパッタリング対象のウェーハを所有していないことを確認し、その後それらチャンバにレベル３または４を割り当てる。ウェーハを所有しないプロセス・チャンバは割り当てヘリウムを減少されるか、またはポンプを停止して別のチャンバの動作を維持可能にできる。階級的システムの一部分により、システムの“ソフト・クラッシュ”が可能になる。つまり、劣化しているシステムにおいて、ポンプが停止になったと同時に、ウェーハがプロセスを終了し、プロセス・チャンバから移送チャンバを通り緩衝チャンバに移動し、負荷固定に戻るための時間を有する。このようなプロセスの移送時間は１〜３分である。ＤＰＨ状態１２８は最初にレベル４のポンプ全てをを同時に停止にし、次にレベル３を停止にし、以下同様に停止させる。故障状態が無くなると、ポンプは再度稼動する。
【００６２】
ここでは、システムがＤＰＨ状態１２８に入る前の状態は、システムに利用可能な余剰ヘリウム流量が存在しないためにシステムは需要状態１２４に従った分配（ＤＰＤ）の範囲を超えている状態であると仮定する。この場合、ポンプによってはそれらポンプへのヘリウム割当てで問題なく動作できるが、少なくとも1台のポンプはさらに多くのヘリウムを要求しており、利用可能なヘリウムは存在しない。連続作動は1つまたは複数のポンプの温度上昇を招く。ＤＰＨ状態１２８により課された所定の階級を使用することにより、ＶＮＣが“優先順位付け”を実行して、他のポンプを犠牲にする一方で、最重要ポンプを低温度に維持できる。３〜５のレベルの優先度は特定の実施形態では一般的であるが、ＤＰＨ状態１２８ではユーザが、マニホールド上の各ポンプに対して１つのレベルを割当てる、優先度レベルの数を設定できるようにする必要がある。
【００６３】
ツール・ホスト・コントローラは、ウェーハの有無といった問題に基づいて、優先度を動的に割り当てできる。ユーザはまた特定チャンバ内の真空を、高温度の取付具を冷却するというような条件が満たされるまで、維持できる。ユーザは、ポンプを完全に停止させるか、またはポンプへ最小量のヘリウムを割り当てするかを予めプログラムできる。ポンプが同一優先度を与えられている場合、ＶＮＣは、停止させるか、またはヘリウムを再割り当てする１つのポンプを任意に選択する。システムの安定性が得られるまで、同一またはより高いレベルにある他のポンプの動作は必要とされる。
【００６４】
ＶＮＣはまた、ポンプ冷却の間にＤＰＨ状態になる場合がある。あるツールでは、１つまたは複数のポンプが最初に動作温度に達することを保証するのが望ましい場合がある。冷却の間、そのようなポンプにマップ上の他のポンプに比べてより高い割当てレベルを与える論理を使用して、そのようなポンプに優先度を与えることができる。
【００６５】
ＶＮＣは、ツール・ホスト・コンピュータから階級割当てを受け取り、それらを記憶する。ＤＰＨを実施している間に問題が発生した場合、ＶＮＣは現在割当てられている優先度を使用してポンプを制御する。ＤＰＨが急激に変化する状態を処理するために作動するとＶＮＣは、ツール・ホストによる優先度レベルの変更を受け入れる必要がある。
【００６６】
別の特定の実施形態では、ヘリウム管理制御システムは、図１５に示すように、３つの制御モードを持つ。このシステムは圧力差ＤＰを使用して制御モードを決定する。図１ｂおよび図１５によれば、圧力差とは高圧供給ライン４６と低圧排出ライン４８との間の圧力差である。一般的なクライオポンプでは、高圧供給ライン４６は約４００ｐｓｉであり、低圧排出ライン４８は約２００ｐｓｉである。圧力差はこれら２つのライン間の差であり、一般に約２００ｐｓｉである。極端な状態、例えば複数のクライオポンプが高い割合でヘリウムを消費している場合、圧力差は臨界しきい値以下に低下し、その結果、冷凍容量が急激に低下する。本発明の１つの目的は、圧力差が臨界しきい値まで低下するのを防止することである。
【００６７】
図１５のシステムでは、制御モードは以下のように決定される。圧力差が１９０〜２０５ｐｓｉのときは正常モードが発生する。圧力差が１９０ｐｓｉより低いときは圧低下モードが発生する。圧力差が２０５ｐｓｉを超えるときは過大圧力モードが発生する。これらの範囲は概略値であり、実際のシステムでは、制御モードに対応して圧力差を別の範囲に変更できる。
【００６８】
図１５についてさらに説明を続ける。フローチャートは、３つの制御モード、すなわち正常、過大圧力、圧低下を使用するヘリウム管理制御システムの動作を示す。圧力差が１９０〜２０５ｐｓｉの範囲外、すなわち正常モードの範囲外になると、ディスプレーサ駆動モータの速度は、システムを正常モードに引き戻すように制御される。クライオポンプの各々は温度設定点を有する。クライオポンプの設定点は、ディスプレーサ駆動モータが正常なクライオポンプ作動中に達成しようとする温度である。設定点を低下させると、ディスプレーサ駆動モータの速度を増加させる効果が表れ、この効果によりヘリウムがさらに消費されて、クライオポンプの温度を低下させる。同様に、設定点を高くすると、極低温冷凍機の温度を上げ、ディスプレーサ駆動モータの速度を低下させ、その結果、ヘリウム消費を減少させる傾向になる。クライオポンプにより内部で設定点を使用して、ディスプレーサ駆動モータの速度を変化させ、クライオポンプ内の閉ループ制御または他の電子制御方式を利用して、コールド・フィンガの第１段の温度を設定点に一致させることができる。しかしながら、設定点およびディスプレーサ駆動モータ速度の両方は、モータ速度および設定点をさらに変更できない動作範囲を有する。
【００６９】
具体的には、ステップ３００でポーリング期間が終了し、システムは別のチェック・サイクルを開始する。ステップ３０２に示すように、チェックを実行してシステムが現在、過大圧力モードにあるかどうかを判定する。システムが過大圧力モードにない場合、ステップ３０４に示すように、さらにチェックを実行してシステムが圧低下モードにあるかどうかを判定する。システムが圧低下モードにない場合、ステップ３０６に示すように、さらにチェックを実行して圧力差が２０５ｐｓｉを超えているかどうかを判定する。圧力差が２０５ｐｓｉ以下の場合、ステップ３０８に示すように、チェックを実行して圧力差が１９０ｐｓｉ未満かどうかを判定する。圧力差が１９０ｐｓｉ以上の場合、制御はステップ３１０に戻り、次のポーリング期間が終了するまで待つ。点線３１２は前述の正常モード動作を示すステップの順序を表している。この繰返しは、圧力差が、前述の１９０〜２０５ｐｓｉの範囲外になるまで続行される。
【００７０】
図１５のシステムは、圧力差が２０５ｐｓｉを超える場合、３１４に示すように、温度設定点を下げ、モータ速度を上昇させる役割を果たす。圧力差が１９０ｐｓｉ未満に低下する場合、３２２示すように、温度設定点は高くなり、モータ速度は増す。変更後、システムは、システムの安定化が得られるまで別の変更を受け付けず、過大圧力または圧低下モードに置かれる。
【００７１】
ステップ３０６では、圧力差が２０５ｐｓｉを超える場合、過大圧力状態が発生する可能性がある。過大圧力状態はシステム内に過剰ヘリウムが存在することを示す。点線３１４は一般に過大圧力修正動作を示す。過剰ヘリウムを利用するために、ステップ３１６に示すように、冷却中ではないが、稼動している全クライオポンプの設定点を２Ｋだけ低下させる。ステップ３１８に示すように、冷却中のすべてのクライオポンプの駆動モータ速度は１５ｒｍｐだけ増加する。ステップ３２０に示すように、システム・モードは過大圧力モードに設定されて、利用可能な過剰ヘリウム冷媒容量が存在することを示す。なお、以下に詳しく述べる最小および最大速度しきい値は、駆動モータ速度を所定の動作範囲内に維持する。
【００７２】
続いてステップ３０８では、圧力差が１９０未満の場合、圧低下状態が発生する可能性がある。圧低下状態はシステム内のヘリウム不足を示す。破線３２２は、圧低下を修正するために取られるステップの概略を示す。ヘリウムを節約するために、ステップ３２４に示すように、冷却中でない全クライオポンプの設定点が２Ｋだけ上昇する。ステップ３２６に示すように、冷却中のクライオポンプの駆動モータ速度は１５ｒｐｍだけ低下する。冷却状態のクライオポンプの速度低下は冷却時間を長引かせるが、余剰ヘリウムを放出して圧低下状態を修正し、正常なクライオポンプ温度で動作しているポンプを引続き動作させる。次に、ステップ３２８に示すように、システム・モードが圧低下に設定され、圧低下状態が存在することを示す。
【００７３】
続いてステップ３０４では、圧低下状態がすでに存在する場合、ステップ３３０に示すように、チェックを実行して圧低下モードが１分間より長く持続しているかどうかを判定する。現在の圧低下モードが１分以下しか持続していない場合、制御はステップ３１０に戻って次のポーリング期間を待機し、システムの大きな変動を避ける。現在の圧低下モードが１分より長く持続している場合、ステップ３３２に示すように、チェックを実行して現在の圧力差ＤＰが、圧低下モードに入る圧力差より小さいかどうかを判定する。既に圧低下モードに入っている場合、システムが始動して、圧力差を拡大させ、そうでない場合はさらに積極的なヘリウム管理の必要がある。圧力差ＤＰが圧低下モードに入るようにする圧力差以上の場合、ステップ３３４に示すように、チェックを実行して現在の圧低下モードが１０分間持続したかどうかを判定する。１０分経過していない場合、制御はステップ３１０に戻り次のポーリング期間を待機する。したがって、システムは、システムが正常圧力差範囲に戻るのに１０分間を与え、戻らなければ積極的なヘリウム管理が遂行される。
【００７４】
圧力差が低下し続けている場合、または圧低下モードに入ってから１０分が経過した場合、ステップ３３６に示すように、システムは圧低下モードを終了する。圧低下モードが終了することにより、別の修正動作が次のポーリング期間で発生する、これについては以下に詳しく述べる。制御はステップ３１０に戻り、ステップ３００に示すように次のポーリング期間において、ステップ３０４でのチェックが、システムが圧低下モードでないことを示すはずである。したがって、ステップ３０８での圧力差チェックは、圧力差が依然として１９０未満であり、前述のように、圧低下作用３２４、３２６、３２８が繰り返されることを示す。
【００７５】
続いてステップ３０２では、過大圧力状態がすでに存在する場合、ステップ３３８に示すように、チェックを実行して現在の過大圧力モードが１０分間より長く持続しているかどうかを判定する。１０分以下しか持続していない場合、制御はステップ３０８に戻って低圧力差チェックを実行する。現在の過大圧力モードが１０分より長く持続している場合、ステップ３４０に示すように、システムは過大圧力モードを終了し、制御はステップ３００に戻り、次のポーリング期間まで待つ。システムは過大圧力モードから外れ、過大圧力修正チェックを起動する。ステップ３００に示される次のポーリング期間では、過大圧力モードが設定されないため、ステップ３０２での過大圧力モードチェックは制御をステップ３０６に進める。圧力差が依然として２０５より大きい場合、前述のように、ステップ３１６、３１８、３２０の過大圧力作用が繰り返される。
【００７６】
別の特定の実施形態では、以下に詳しく述べるように、コントローラにおいて４つの制御状態のヘリウム管理と３つのモードある。簡単に言うと、モードはセットアップ、正常および冷却である。セットアップは初期のシステム・セットアップの間に発生して、どのコンプレッサおよびクライオポンプをシステムに接続するかを決定する。冷却モードは、１つまたは複数のクライオポンプが冷却動作を実行していることを示す。正常モードは、システムが運転開始し、かつ全クライオポンプが初期冷却を完了したときに生じる。
【００７７】
システムに組み込まれているクライオポンプの各々はまた、コントローラに報告される３つのヘリウム管理動作モードを有する。温度制御（ＴＣ）モードは、クライオポンプがコントローラで制御されていることを示す。冷却（ＣＤ）モードは、クライオポンプが冷却動作を実行していることを示す。ｎｏｎｅ（ＮＯＮＥ）モードは、駆動モータが最大速度で稼動しているとき、ポンプが自由にヘリウムを消費できることを示す。
【００７８】
ヘリウム管理制御システムの４つの制御モードは一般に、各々がより積極的なヘリウム管理を必要とすることを示す。動作状態は、前の実施形態で述べた制御モードと類似している。正常状態はシステム内の全クライオポンプによる不規則なヘリウム消費を許容している。ポンプがコントローラにより計算された最大消費量に等しいヘリウムを消費しているとき、限界チェック状態が発生する。最小供給を報告したポンプが、所定のしきい値時間後も依然として供給不足状態のとき、需要状態に従う分配（ＤＰＤ）が発生する。需要状態に従う分配はシステム内の余剰ヘリウムを再分配するか、または余剰ヘリウムが存在しない場合には各クライオポンプの最大ヘリウム供給パラメータを減少させる。全ポンプがヘリウム供給不足を報告する場合、階級状態に従う分配（ＤＰＤ）が、重要度の低いポンプへのヘリウムを減少させて、所定の階級に従う重要クライオポンプにヘリウムを割り当てる。この際、重要度の低いポンプは温度上昇を許容される。
【００７９】
クライオポンプはまたヘリウム消費ステータスを有する。ＯＫステータスはクライオポンプが最大ヘリウム供給パラメータの９５％未満を消費していることを示す。ＡＰＰＲＯＡＣＨＩＮＧ（接近）ステータスはクライオポンプが最大ヘリウム供給パラメータの９５％以上を消費していることを示す。ＬＩＭＩＴ（限界）ステータスはクライオポンプが最大ヘリウム供給パラメータに等しいヘリウムを消費していることを示す。ヘリウム消費ステータスを使用して、クライオポンプがクライオポンプ温度を維持するのに必要な最大量のヘリウムを消費しているかどうか、したがって温度上昇のしきい値上にあるかどうかを判定する。ＡＰＰＲＯＡＣＨＩＮＧステータスは、ヘリウム管理制御を判定することには使用されないが、情報事項として、オペレータにより照会されることがある。
【００８０】
図１６ａ〜１６ｃは、図２に示すコントローラ１２内のヘリウム管理制御のフローチャートを詳細に示す。図１６ａでは、ステップ６１０に示すように、初期のセットアップおよびマッピングが行われ、共通マニホールド１８に接続される全コンプレッサ１６および全クライオポンプ１０を決定する。ステップ６１０に示すように、各クライオポンプは、コントローラに記憶される極低温冷凍機サイズ、最小ヘリウム供給量、ヘリウム消費割合および冷却完了時間を送る。コントローラはまた各コンプレッサ１６から利用可能なヘリウム供給量を受け取る。ヘリウム量が各ポンプに最低限の最小ヘリウム供給量を維持するのに不十分な場合、動作が終了する。クライオポンプのサイズに応じて比例分配することを基本として、初期のヘリウム分配が計算され、最大ヘリウム消費信号が各クライオポンプに送られる。コントローラはまた、以下に詳細を述べる、分配階級を示す初期のセットアップ・パラメータ、他の動作パラメータおよびデフォールトを読み込む。
【００８１】
次にコントローラは制御ループを開始し、各クライオポンプから定期的に入力を受け取る。動作パラメータ・データを表わすパラメータ信号を各センサ１４から受け取り、ステップ６１２に示すように、受け取ったデータについてチェックを実行してそのデータが有効かどうかを判定する。有効なデータが得られるまで、制御はステップ６１２に戻る。ステップ６１４に示すように、チェックを実行して需要状態に従う分配が作動しているかどうかを判定する。前の需要状態に従う分配が起動されていた場合、需要状態に従う現在の分配も作動している可能性が高い。これについては図１６ｃに関連して以下に詳しく述べる。
【００８２】
需要状態に従う分配が作動していない場合、ステップ６１６に示すように、チェックを実行して限界チェック状態（設定されたヘリウムの最大消費状態）が作動しているかどうかを判定する。前に限界チェック状態が起動されていた場合、現在も限界チェック状態である可能性が高い。限界チェック状態が作動している場合、制御はステップ６２０に戻る。これについては図１６ｂに関連して以下に詳しく述べる。限界チェック状態でない場合、ステップ６１８に示すように、各クライオポンプの現在の消費ステータスを調べる。冷却状態にないすべてのポンプに対し、そのクライオポンプの現在の消費割合が最大ヘリウム消費に達してしるか調べて、限界値に達しているかどうかを判定する。代替方法では、限界値を最大ヘリウム消費に対する一定割合、例えば９５％にして、ヘリウム供給に余裕を持たせてシステムを稼動してもよい。１つまたは複数のクライオポンプが限界値に達している場合、制御はステップ６２０に戻る。これについては図１６ｂに関連して以下に詳しく述べる。
【００８３】
限界値に達していない場合、ステップ６２２に示すように、チェックを実行してクライオポンプのどれかが冷却中であるかどうかを判定する。どのクライオポンプも冷却中でない場合、ステップ６２６に示すように、システムステータスが正常状態に設定され、制御がステップ６１２に戻り次の制御ループを繰り返す。
【００８４】
クライオポンプのどれかが冷却中である場合、ステップ６２４に示すように、システム・モードは冷却に設定される。冷却動作は再生後、または初期のシステム運転開始中に発生し、温度上昇後に極低温冷凍機を正常動作温度に戻す。冷却状態は正常状態に比べて多量のヘリウムを消費する。したがって次に、ヘリウム再分配状態におけるのと同様に、システム内の余剰ヘリウムをチェックする。ステップ６８６に示すように、冷却中でない全ポンプのヘリウム余裕を計算して積算し、余剰ヘリウム値を求める。次にステップ６８８に示すように、冷却中のクライオポンプの一時的な最大ヘリウム消費値を計算する。複数のクライオポンプが冷却中である場合、一時的な最大ヘリウム消費値は、各クライオポンプの極低温冷凍機のサイズに比例して分配される。この分配のための式については、図１７ｂに関連して以下に詳細に述べる。次に制御はステップ６１２に戻り、次の制御ループを繰り返す。
【００８５】
続いて、ステップ６２０で限界チェック状態に入る。図１６ｂでは、ステップ６３０に示すように、チェックを実行して限界チェック状態が作動中であるかどうかを判定する。限界チェック状態が作動していなかった場合、ステップ６３２に示すように、その時間が現在の限界チェックの初期時間として記録され、ステップ６３４に示すように、システム・ステータスを限界チェックに設定する。限界チェック状態がすでに作動中である場合、そのシステムはすでに限界チェック状態であったことを表わし、ステップ６３６に示すように、タイムスタンプが進行中の限界状態として記録される。図１６ａに戻ると、チェックを実行して現在の限界チェック状態が所定の限界チェックしきい値より長く持続しているかどうかを判定する。特定の実施形態では、ステップ６３８に示すように、チェックを実行して現在の限界チェックしきい値が４分を超えて持続しているかどうかを判定する。ステップ６３８に示すように、システムが４分を超える限界チェック状態にない場合、限界チェック状態は終了し、ステップ６２２に示すように制御は冷却チェックに進む。システムが４分を超えて依然として限界チェック状態にある場合、ステップ６５０に示すように、制御はヘリウム再分配ルーチンに進む。これについては以下に詳しく述べる。このようにして、システムは限界チェック状態を修正するために４分間しきい値を与えられ、その後、積極的なヘリウム管理を遂行する。
【００８６】
続いて図１６ａのステップ６１４および６３８では、ステップ６５０に示すようにヘリウム再分配が表わされる場合、制御は、図１６ｃに示すヘリウム再分配ルーチンに移行する。図１６ａおよび１６ｃによれば、ステップ６５２に示すように、チェックを実行してヘリウム再分配状態に入った理由を判定する。ヘリウム再分配状態がまだ作動していない場合、前の限界チェック状態が４分間以内にそれ自体を修正していなかった理由により、新しいヘリウム再分配計算が必要になる。ステップ６６２に示すように、チェックを実行してポンプのどれかがＯＫのヘリウム消費状態を報告しているかどうかを判定する。最低限１台のポンプがＯＫを報告し、ＬＩＭＩＴ（限界状態）を報告していない場合、需要計算に従う抑え目の分配を使用してヘリウム再分配が実行される。このようにして、クライオポンプの１つは最大消費値に等しいヘリウムを消費し、温度上昇する。システム状態は、ステップ６６４に示すように需要に従う分配（ＤＰＤ）に設定され、コントローラが各クライオポンプの一連の動作パラメータをチェックする。動作パラメータは、現在のヘリウム消費と、最大ヘリウム消費と、ヘリウム消費ステータス（ＯＫ、ＡＰＰＲＯＡＣＨＩＮＧ、またはＬＩＭＩＴ）と、クライオポンプ動作モードＴＣ（温度制御）、ＣＤ（冷却）またはＮＯＮＥと、さらに動作モードがＣＤであった場合は冷却完了時間とを含む。
【００８７】
平均ヘリウム余裕は、ステップ６６６に示すように、各ポンプのヘリウムの現在の消費量と各ポンプに許可された最大消費量との差を表わし、各ポンプの動作パラメータから計算される。ステップ６６８に示すように、システム内の余剰ヘリウムを表わす平均ヘリウム余裕を使用して、各ポンプの新しい最大消費値を計算する。これの式は以下のようになる。
各クライオポンプについては：
ヘリウム余裕＝最大消費量−現在消費量
計算平均余裕：
平均余裕＝総和（ヘリウム余裕）／クライオポンプの台数
各クライオポンプについては：
ヘリウム最大＝現在の消費量＋平均余裕量
新しく計算したシステムの全体ヘリウム最大消費量：
全体システム最大＝総和（ヘリウム最大）
各クライオポンプについては：
新しい最大消費量＝最大消費量＋（システムが利用できる全体ヘリウム量−全体システムの最大現在消費量）／クライオポンプの台数
したがって、余剰ヘリウムは、マニホールドから利用できる全体ヘリウムと、全クライオポンプの総計した現在最大消費とを基にして、各クライオポンプに新しい最大消費を設定することにより、分配される。再割当て時間を表わすタイムスタンプは、ステップ６７０に示すように書き込まれる。次にステップ６５８に示すように、制御は、図１６ａのステップ６２２の冷却チェックに戻る。
【００８８】
需要状態に従う分配がすでに作動している場合、ステップ６５４に示すように、タイムスタンプは進行中のヘリウム再分配動作として記録される。チェックを実行して、需要状態に従う現在の分配が開始された以後に、所定の再分配しきい値より長い時間が経過しているかどうかを判定する。特定の実施形態では、所定の再分配しきい値は１０分である。需要状態に従う現在の分配が最低限１０分間継続されなかった場合、ステップ６５８に示すように、制御は冷却チェック６２２（図１６ａ）で主制御ループに戻る。ヘリウム再分配モードが最低限１０分内で実行された場合、ヘリウムが効果的に再分配されたとして、ステップ６６０に示すようにシステム状態を正常に設定し、それにより図１６ａの主ループが一定間隔で監視を続行できるようにする。こうして、ヘリウム再分配ルーチンを繰り返すために１０分間ずつ与えられる。再分配が十分でない場合、ヘリウム再分配状態に再度入り、再計算して、さらに積極的なヘリウム管理を実行し、それをシステムが平衡状態に達するまで続ける。
【００８９】
どのポンプもステップ６６２におけるＯＫのヘリウム消費ステータスを報告しない場合、全ポンプはそれらの最大消費限界に達しており、階級計算に従うさらに積極的な分配を使用してヘリウム再分配が実行される。この状況では、どのポンプもＯＫステータスを報告せず、したがって全ポンプは、システム内に余剰ヘリウムのないことを表わすＬＩＭＩＴステータスにある。前述の動作パラメータは各クライオポンプから読み込まれ、それを使用して、新しい最大ヘリウム消費を決定し、場合により１つまたは複数のクライオポンプを停止させる。
【００９０】
ステップ６７２に示すように、システム状態は階級に従う分配（ＤＰＨ）に設定される。ステップ６７４に示すように、各ポンプの現在の動作モードが調べられる。ステップ６７６に示すように、チェックを実行して、いずれかのポンプが温度制御または冷却中でない状態にあったかどうかを判定する。ポンプがＴＣ（温度制御）またはＣＤ（冷却）中でないことを見出した場合、ステップ６７８に示すように、それらはこれら状態の1つに置かれ、制御は図１６ａのステップ６１２に戻り、ステップ６８０に示す次の制御期間を待機する。
【００９１】
全ポンプが温度制御または冷却中のどちらかである場合、クライオポンプは温度上昇かまたは冷却割合を低下するかのどちらかを選択する必要がある。ステップ６８２に示すように、クライオポンプ階級を読み込み、どのクライオポンプが最も重要で、したがって継続してヘリウム供給を受けるかを決定する。クライオポンプ階級は、クライオポンプ温度に維持される必要があるクライオポンプの優先度を、それらクライオポンプのシステム内の設置位置に応じて決定する体制を示すものである。階級は、各クライオポンプに接続された真空プロセス・チャンバ内で発生する作用に基づいて動的に修正される。例えば、高価な半導体ペイロードのような重要なプロセスに関連するクライオポンプは、ヘリウムを継続して供給される。階級で重要度が低いと指定されたクライオポンプは温度上昇を許容されるか、または冷却割合を減少する。階級を基にして、ステップ６８４に示すように、新しい最大ヘリウム消費値を各クライオポンプに対し計算する。次にステップ６５８に示すように、制御はステップ６２２に戻り、冷却チェックを実行する。
【００９２】
図１７ａ〜１７ｂはクライオポンプ動作のフローチャートを示す。図１７ａでは、クライオポンプ制御ループはステップ５００から開始される。ステップ５００に示すように、コンプレッサから送られた情報をチェックして信頼性を確認する。コンプレッサから送られた情報は正常値範囲と比較される。情報が正常値範囲外である場合、ステップ５０２に示すようにコンプレッサ・チェック状態に入り、コンプレッサ診断を実施する。コンプレッサはそれが供給するヘリウムにより冷却されているため、極端な値が現われることはヘリウム欠乏のような故障状態の可能性を示す。コンプレッサ・チェック・ルーチンは、クライオポンプを停止する必要があるかどうかを決定する。コンプレッサ・チェック・ルーチンにより、既にクライオポンプが停止されていた場合、ステップ５０４に示すように、制御はステップ５００に戻り、クライオポンプが動作を再起動できることをシステムが示すまでその状態に留まる。コンプレッサから送られた情報が適正であった場合、ステップ５０６に示すように、クライオポンプは、コンプレッサ・チェック・ルーチンにより停止を命令されていないことを確認する。コンプレッサ・チェック・ルーチンを使用して、ヘリウム無しでコンプレッサが稼動することにより起きる故障を防止する一方で、センサ故障のような緊急性の低い問題によるポンプの停止は避ける。コンプレッサ・チェック・ルーチンにより既にポンプが停止している場合、ステップ５０８に示すように、パワー故障回復ルーチンを起動してポンプを再始動する。
【００９３】
クライオポンプは、現在の消費割合とコントローラから送られる最大ヘリウム消費との差を求めることによりヘリウム余裕を計算する。次にステップ５１０に示すように、クライオポンプは、ヘリウム余裕を基にヘリウム消費ステータスを決定し、現在のクライオポンプ動作モードを決定する。その後ステップ５１２に示すように、クライオポンプは、そのクライオポンプ自体が冷却状態に置かれているかどうかをチェックする。クライオポンプが冷却状態に置かれていない場合、ステップ５１６に示すように、チェックを実行してポンプ動作ステータスがＬＩＭＩＴであるかどうかを見る。ポンプが、コントローラから送られた最大ヘリウム消費パラメータに等しいヘリウムを消費しているとき、ＬＩＭＩＴ動作ステータスが発生する。ポンプ動作ステータスがＬＩＭＩＴの場合、新しい最大ヘリウム消費パラメータは、前述のように、計算され、コントローラから送られる。ステップ５１８に示すように、クライオポンプは、新しい最大ヘリウム消費パラメータに対応する駆動モータ速度を計算し、設定する。代替方法では、各クライオポンプは最小および最大動作範囲を有し、それらの範囲は、計算された駆動モータ速度がその範囲を外れた場合、優先する。
【００９４】
ステップ５１２に示すように、ポンプが冷却モードにある場合、ステップ５１４に示すように、ポンプ冷却ルーチンが呼び出される。図１７ｂは冷却動作のフローチャートを示す。図１７ｂでは、ステップ５２０に示すように、チェックを実行して第２段温度が１７Ｋより低いかどうかを判定する。１７Ｋ未満であれば、ステップ５２２に示すように、チェックを実行して第１段温度が設定点の０．５Ｋ以内かどうかを判定する。第１段温度が設定点の０．５Ｋ以内の場合、ステップ５２４に示すように、冷却は完了し、制御はステップ５００に戻り、次のポーリング期間を待機する。
【００９５】
第２段温度が１７Ｋより高いか、第１段温度が設定点の０．５Ｋ以内にない場合、冷却を続行し、クライオポンプは余剰ヘリウムを受けることができる。一時的ヘリウム最大量を計算して、余剰ヘリウムを割り当てる。この場合は以下の式に従う。
システム余剰＝総和（全クライオポンプの余裕）
一時的最大量＝現在の最大消費量＋システム余剰×（クライオポンプ・サイズ／総和（クライオポンプ・サイズ））
【００９６】
したがって上のように計算された全体余剰は、ステップ５２６に示すように、クライオポンプ・サイズを基にクライオポンプ間で比例配分され、現在の最大ヘリウム消費パラメータに加算される。全クライオポンプはヘリウム余剰を割り当てされるが、代替実施形態では、別の式に従って冷却中のクライオポンプだけに余剰ヘリウムを割り当てできる。ステップ５２６に示すように、一時的駆動モータ速度を計算して、新しい一時的最大ヘリウム消費パラメータに対応させる。
【００９７】
次に前述のステップ５１８と同様に、新しく計算された駆動モータ速度を最小および最大駆動モータ速度と比較する。ステップ５３０に示すように、チェックを実行して第２段温度が４０Ｋより高いかどうかを判定する。第２段が４０Ｋ以上の場合、ステップ５３０に示すように、チェックを実行して新しい一時的駆動モータ速度が最大ｒｐｍ、一般には１４４ｒｐｍより大きいかどうかを判定する。一時的駆動モータ速度が最大ｒｐｍより大きい場合、ステップ５３２に示すように、駆動モータ速度を最大ｒｐｍに設定する。ステップ５３６でチェックされたように、一時的駆動モータ速度が最大ｒｐｍ以下の場合、ステップ５３８に示すように、駆動モータ速度を一時的駆動モータ速度に設定する。一時的駆動モータ速度が最小ｒｐｍより遅い場合、ステップ５４０に示すように、駆動モータ速度を最小駆動モータ速度に設定する。
【００９８】
第２段温度が４０Ｋより低い場合、ステップ５３４に示すように、チェックを実行して一時駆動モータ速度が７２ｒｐｍより大きいかどうかを判定する。一時駆動モータ速度が７２ｒｐｍ以下の場合、ステップ５３６に示すように、駆動モータ速度を一時的駆動モータ速度または最小ｒｐｍの小さい方に設定する。一時駆動モータ速度が７２ｒｐｍより大きい場合、ステップ５４２に示すように、駆動モータ速度を７２ｒｐｍに設定する。この方法では、駆動モータは、第２段が４０Ｋに冷却されるまで一時的駆動モータ速度または最大速度で稼動し、その後冷却が完了するまで、一時駆動モータ速度または７２ｒｐｍで稼動する。
【００９９】
当業者には、本明細書で定義されている動作および方法を画定するプログラムにより、各種形態のヘリウム管理制御システムに想到できることは容易に理解されるであろう。前記の各種形態には、ａ）ＲＯＭデバイスのような非書き込み記憶メディアに永久的に記憶される情報、ｂ）フロッピー（登録商標）・ディスク、磁気テープ、ＣＤ、ＲＡＭデバイス、ならびに他の磁気および光メディアなどの書き込み可能記憶メディアに記憶される情報、またはｃ)インターネットまたは電話モデムラインなどの電子ネットワークと同様に、例えばベースバンド信号化またはブロードバンド信号化技術を利用して、通信メディアを介してコンピュータに伝達される情報、を含む。動作および方法は、プロセッサによるメモリからのソフト実行可能オブジェクトでの実行、または搬送波に埋め込まれた命令セットとしての実行が可能である。代替方法では、ＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）、ステート・マシン、コントローラまたは他のハードウェア・コンポーネントまたはデバイスなどのハードウェア・コンポーネント、またはハードウェアおよびソフトウェアの組合せを使用して、動作および方法の全体または一部分を実行できる。
【０１００】
ヘリウム分配を制御するシステムと方法とについて、実施形態を用いて詳細に図示し、説明したが、当業者には、添付の請求項の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形状または細部に各種の変更を加えることが可能であることは理解されるであろう。したがって、本発明は特許請求の範囲以外の何ものによっても制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来の典型的な極低温冷凍機の概略図である。
【図１ｂ】図１の極低温冷凍機を含む従来の典型的なクライオポンプの破断図である。
【図２】複数のクライオポンプおよびコンプレッサに接続された極低温冷凍システムのマスター・コントローラのブロック図である。
【図３】時間に関するヘリウム冷媒流量の例を示す。
【図４】極低温冷凍機が消費するヘリウム量を決定するのに使用されるヘリウム消費モデルの図である。
【図５】データおよび制御フローのブロック図である。
【図６】システムのマスター・コントローラの最上位フローチャートである。
【図７】マスター・コントローラ、コンプレッサおよびクライオポンプ間のデータ・フローのブロック図である。
【図８】マスター・コントローラの状態図である。
【図９】需要状態に従う分配の作動を表すのフローチャートである。
【図１０】圧低下チェック・ルーチンのフローチャートである。
【図１１】分配ルーチンのフローチャートである。
【図１２】クライオポンプのスレーブ・コントローラのフローチャートである。
【図１３】冷却ルーチンのフローチャートである。
【図１４】コンプレッサのチェック・ルーチンのフローチャートである。
【図１５】３つの状態の制御を使用する別の特定の実施形態におけるヘリウム管理制御のフローチャートを示す。
【図１６ａ】４つの状態またはモードの制御を使用する別の特定の実施形態におけるヘリウム管理制御のフローチャートである。
【図１６ｂ】４つの状態またはモードの制御を使用する別の特定の実施形態におけるヘリウム管理制御のフローチャートである。
【図１６ｃ】４つの状態またはモードの制御を使用する別の特定の実施形態におけるヘリウム管理制御のフローチャートである。
【図１７ａ】図１６ａ−１６ｃのコントローラに接続されたクライオポンプのヘリウム管理制御のフローチャートである。
【図１７ｂ】図１６ａ−１６ｃのコントローラに接続されたクライオポンプのヘリウム管理制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…クライオポンプ、１２…真空系統コントローラ、１６…コンプレッサ・バンク、２１５ａ〜２１５ｄ…スレーブコントローラ
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【図１７ａ】
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【図１７ｂ】
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