JP2017011236A - 多層磁気シールド - Google Patents

Abstract

【課題】超電導マグネットの外側に配置される磁性体からなる磁気シールド（パッシブシールド）の重量を削減すること。【解決手段】超電導マグネット１１の外側に配置される磁性体からなる磁気シールドは、超電導マグネット１１の外側に配置される円筒状の第１磁気シールド１と、第１磁気シールド１との間に所定の間隔Ｓをあけて第１磁気シールド１の外側に配置される円筒状の第２磁気シールド２とを少なくとも備える多層磁気シールド２１である。第１磁気シールド１および第２磁気シールド２は、それぞれ、超電導マグネット１１の径方向外側に配置される円筒部１ａ、２ａと、超電導マグネット１１の軸方向外側に配置され円筒部１ａ、２ａの軸方向両端部から内方へ向かって延在する一対のフランジ部１ｂ、２ｂとを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、超電導マグネットの外側に配置される磁性体からなる磁気シールドに関するものである。

MRAM（Magnetic Random Access Memory）や磁気抵抗効果型ヘッドなどに用いる半導体素子を製造する過程で、１２インチシリコンウェハを多数重ねた状態の被処理物を当該被処理物に５００ガウス以上の強磁場を印加しながら熱処理する必要がある。そのため、熱処理空間として大きな空間を確保する必要がある。大きな空間に強磁場を発生させなければならないため、強磁場の発生源として超電導マグネットが使用されている（例えば特許文献１）。

前記したような大きな空間に強磁場を発生させるので、磁気シールドを施さない場合には超電導マグネットからの磁場は広範囲に漏れることになる。特許文献１に記載されているような磁場中熱処理装置は、クリーンルーム内に設置されるのでフットプリントが小さいことが望まれており、半導体製造装置の規格であるＳＥＭＩ規格では装置外壁より１ｍ以上離れた位置で漏れ磁場を５ガウス以下にすることが定められている。

磁気シールドを施す方法としては、アクティブシールドの方法とパッシブシールドの方法がある。アクティブシールドの方法は、例えば特許文献２の明細書の段落００１９、図３に記載されている方法であり、超電導導体からなる反転磁場を発生させるシールドコイルを超電導マグネットの外側に配置するという方法である。パッシブシールドの方法は、例えば特許文献３の図１に記載されているような、超電導マグネットの保冷容器（クライオスタット）の外側に鉄などの磁性体を配置するという方法である。

特開２０１３−１３８０５８号公報 特開２０１３−１３７１３１号公報 特公平０３−５７７７６号公報

アクティブシールド方式は、鉄などの磁性体を使用しないので超電導マグネット（装置）が重くならないという利点があるが、クエンチが発生した時、シールドコイルとその内側のコイルとの発生磁場のバランスが壊れて、漏れ磁場が増大することが懸念される。一方、パッシブシールド方式は、クエンチによる漏れ磁場増大の心配は無いが、鉄などの磁性体を磁気シールドとして多く使用するので装置が重くなるという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、超電導マグネットの外側に配置される磁性体からなる磁気シールド（パッシブシールド）の重量を削減することである。

超電導マグネットの外側に配置される本発明に係る磁性体からなる磁気シールドは、前記超電導マグネットの外側に配置される筒状の第１磁気シールドと、前記第１磁気シールドとの間に所定の間隔をあけて前記第１磁気シールドの外側に配置される筒状の第２磁気シールドとを少なくとも備える多層磁気シールドである。前記第１磁気シールドおよび前記第２磁気シールドは、それぞれ、前記超電導マグネットの径方向外側に配置される筒部と、前記超電導マグネットの軸方向外側に配置され前記筒部の軸方向両端部から内方へ向かって延在する一対のフランジ部と、を有する。

本発明によれば、磁性体からなる磁気シールドを多層化し、且つ相互間に所定の間隔をあけて磁気シールドを配置することで、磁気シールドの反磁界効果が弱まり磁化し易くなる。その結果、従来よりも少ない磁性体の使用で、従来のパッシブシールド方式による磁気シールドと同等のシールド効果を得ることができる。また、本発明では、第１磁気シールドと第２磁気シールドとで、それぞれの筒部が独立したフランジ部を有している。これにより、各層の磁気シールドの磁化の向上が高まり、磁性体の使用量をより少なくすることができる。
以上より、本発明によると、超電導マグネットの外側に配置される磁性体からなる磁気シールド（パッシブシールド）の重量を削減することができる。

本発明の第１実施形態に係る多層磁気シールドを、クライオスタットを囲むように配置した状態を示す側断面図である。 本発明の第２実施形態に係る多層磁気シールドを、クライオスタットを囲むように配置した状態を示す側断面図である。 比較例に係る単層磁気シールドを、クライオスタットを囲むように配置した状態を示す側断面図である。 図１に示す第１実施形態の場合の漏れ磁場を示す図である。 図２に示す第２実施形態の場合の漏れ磁場を示す図である。 図３に示す比較例の場合の漏れ磁場を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態）
図１に基づき、本発明の第１実施形態に係る多層磁気シールド２１について説明する。超電導マグネット１１を収容するクライオスタット１２（保冷容器）を包み込むように、磁性体からなる多層磁気シールド２１を、クライオスタット１２の外側に配置する。超電導マグネット１１は、超電導線材が枠体（フォーマ）に巻き回されてなる円筒形状のマグネットである。クライオスタット１２も円筒形状であり、その中には、超電導マグネット１１とともに液体ヘリウム、液体窒素といった冷媒が収容される。また、冷凍機が接続されたりもする。

多層磁気シールド２１は、超電導マグネット１１などを収容する上記したクライオスタット１２の外側に配置される円筒状の第１磁気シールド１と、第１磁気シールド１との間に間隔Ｓをあけてその外側に配置される円筒状の第２磁気シールド２とで構成される２層構造の磁気シールドである。多層磁気シールド２１（第１磁気シールド１、第２磁気シールド２）の材料である磁性体は、例えば鉄である。なお、磁性体という文言に関し、磁性体ではなく強磁性体と表現されることもある。各磁気シールド１，２の断面形状は、円ではなく、八角形などの多角形であってもよい（後述する第２実施形態についても同様）。

第１磁気シールド１および第２磁気シールド２は、それぞれ、超電導マグネット１１の径方向外側に配置される円筒部１ａ、２ａと、超電導マグネット１１の軸方向（Ｚ軸方向）外側に配置される一対のリング形状のフランジ部１ｂ、２ｂとを有する。フランジ部１ｂ、２ｂは、それぞれ、円筒部１ａ、２ａの軸方向両端部から内方（径方向内側）へ向かって延在する。第２磁気シールド２は、第１磁気シールド１よりも一回り大きく、すなわち、円筒部２ａの軸方向長さは、円筒部１ａの軸方向長さよりも長くなっており、円筒部１ａと円筒部２ａとの間も、フランジ部１ｂとフランジ部２ｂとの間も間隔があけられている。このように、第１磁気シールド１および第２磁気シールド２のフランジ部は、共通のフランジ部ではなく、円筒部１ａと円筒部２ａとの関係と同様に、所定の間隔を隔てて配置された独立するフランジ部１ｂ、２ｂとされている。

また、本実施形態では、第１磁気シールド１についても第２磁気シールド２についても、その円筒部１ａ（２ａ）とフランジ部１ｂ（２ｂ）との厚みは等しくされており、且つ第１磁気シールド１の各部の厚みと、第２磁気シールド２の各部の厚みとは等しくされている。すなわち、第１磁気シールド１（円筒部１ａ）の厚みｔ１＝第２磁気シールド２（円筒部２ａ）の厚みｔ２とされている。また、円筒部１ａと円筒部２ａとの間隔と、フランジ部１ｂとフランジ部２ｂとの間隔とは、等しい間隔Ｓとされている。

なお、第１磁気シールド１と第２磁気シールド２との間の間隔Ｓは、第１磁気シールド１（第２磁気シールド２）の厚みｔ１（ｔ２）の２０％以上とされていることが好ましい。また、第１磁気シールド１と第２磁気シールド２との間の間隔Ｓの部分は、空気層（隙間）であってもよいし、非磁性体からなる構造体などの物体がこの間隔Ｓの部分に配置されていてもよい。

また、超電導マグネット１１を磁場中熱処理装置の磁場発生源として用いる場合、円筒形状のクライオスタット１２の内側空間にヒータ（加熱手段）が設置される。被処理物は、フランジ部１ｂ、２ｂの孔部分から、ヒータが設置されたクライオスタット１２の内側空間に入れられる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る多層磁気シールド２２を示す図である。第２実施形態と第１実施形態との相違点は、磁気シールドの層数（数）であり、第１実施形態の多層磁気シールド２１が第１磁気シールド１および第２磁気シールド２という計２層（２つ）の磁性体からなる円筒状の磁気シールドを有するのに対して、第２実施形態の多層磁気シールド２２は、クライオスタット１２側から順に、第１磁気シールド３、第２磁気シールド４、第３磁気シールド５、および第４磁気シールド６というように、計４層（４つ）の磁性体からなる円筒状の磁気シールドを有する点である。第１実施形態の磁気シールド１，２と同様に、各磁気シールド３〜６は、それぞれ、超電導マグネット１１の径方向外側に配置される円筒部３ａ、４ａ、５ａ、６ａと、超電導マグネット１１の軸方向（Ｚ軸方向）外側に配置される一対のリング形状のフランジ部３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂとを有する。各磁気シールド３〜６が間隔をあけて配置されること、各磁気シールド３〜６の厚みが等しくされていることなど、磁気シールドの層数を除く点（特徴）は、第１実施形態と第２実施形態とは同じである。

（比較例）
図３は、比較例に係る単層磁気シールド５０を示す図である。単層磁気シールド５０は、１層のみからなる、磁性体からなる円筒状の磁気シールドである。

（漏れ磁場の検証結果）
第１、第２実施形態の多層磁気シールド２１、２２、および比較例の単層磁気シールド５０のそれぞれについて、磁気シールドから漏れる超電導マグネット１１からの磁場（漏れ磁場）を計算した。まず、条件を記載する。多層磁気シールド２１、２２、および単層磁気シールド５０の材質を鉄とし、重量はいずれも２０トンとした。また、図１〜３にそれぞれ共通の符号Ｌ、Ｄを記載しているように、最も内側の磁気シールドの軸方向内寸をいずれも同じＬｍｍとし、磁気シールドの開口径をいずれも同じＤｍｍとした。図３に示すように、単層磁気シールド５０の円筒部およびフランジ部の厚みを２４０ｍｍとした。図１に示す多層（２層）磁気シールド２１については、各磁気シールド１，２の円筒部１ａ，２ａおよびフランジ部１ｂ，２ｂの厚みをいずれも１２０ｍｍとし、間隔Ｓは１００ｍｍとした。図２に示す多層（４層）磁気シールド２２については、図中に示すように、各磁気シールド３〜６の円筒部３ａ〜６ａおよびフランジ部３ｂ〜６ｂの厚みをいずれも６０ｍｍとし、間隔はいずれも３０ｍｍとした。

図４〜６は、それぞれ、第１実施形態（図１に示す多層（２層）磁気シールド２１）、第２実施形態（図２に示す多層（４層）磁気シールド２２）、および比較例（図３に示す単層磁気シールド５０）の場合の漏れ磁場を示す図である。図４〜６からわかるように、多層磁気シールド２１，２２の場合、単層磁気シールド５０の場合よりも明らかに漏れ磁場は小さくなる。磁性体からなる磁気シールドを多層化し、且つ相互間に所定の間隔をあけて磁気シールドを配置することで、磁気シールドの反磁界効果が弱まり磁化し易くなるからである。重量が同じで漏れ磁場が小さくなるということは、漏れ磁場の大きさを同等にする場合、鉄（磁性体）の使用量を少なくすることができる、すなわち、磁気シールドの重量を削減することができるということである。

多層（２層）磁気シールド２１の場合と多層（４層）磁気シールド２２の場合との比較では、多層（４層）磁気シールド２２の場合の方が僅かに漏れ磁場が小さくなっていることがわかる。これら結果より、磁気シールドの層数を増やすほど、多層磁気シールドの効果は向上するが、その効果向上の伸びは小さくなる。よって、コストの観点から、磁気シールドは、図１に示す第１実施形態のように、計２層のみとされることが好ましい。
（変形例）
上記した実施形態では、２層（図１）、４層（図２）の多層磁気シールドを示したが、層数はこれに限られるものではない、すなわち、間隔をあけて配置された複数の磁気シールドを備えるようにすればよい。

（作用・効果）
本発明によれば、磁性体からなる磁気シールドを多層化し、且つ相互間に所定の間隔をあけて磁気シールドを配置することで、磁気シールドの反磁界効果が弱まり磁化し易くなる。その結果、従来よりも少ない磁性体の使用で、従来のパッシブシールド方式による磁気シールドと同等のシールド効果を得ることができる。すなわち、超電導マグネット１１の外側に配置される磁性体からなる磁気シールド（パッシブシールド）の重量を削減することができる。

また、本発明では、第１磁気シールド１と第２磁気シールド２とで、それぞれの円筒部１ａ、２ａが独立したフランジ部１ｂ、２ｂ（円筒部１ａ、２ａの共通フランジではない）を有している。これにより、フランジ部１ｂ、２ｂを含め、各層の磁気シールドの磁化の向上が高まり、磁性体の使用量をより少なくすることができる。

また、前記したように、本発明では、隣り合う各磁気シールド同士の間隔を、磁気シールド１層の厚みの２０％以上にすることが好ましい。間隔が狭すぎると各磁気シールドの磁化のし易さが低下するからである。

以上、本発明の実施形態およびその変形について説明したが、その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行えることは勿論である。

１、３：第１磁気シールド
２、４：第２磁気シールド
５：第３磁気シールド
６：第４磁気シールド
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ：円筒部
１ｂ、２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ：フランジ部
１１：超電導マグネット
１２：クライオスタット
２１、２２：多層磁気シールド

Claims (3)

1. 超電導マグネットの外側に配置される磁性体からなる磁気シールドであって、
   前記超電導マグネットの外側に配置される筒状の第１磁気シールドと、
   前記第１磁気シールドとの間に所定の間隔をあけて前記第１磁気シールドの外側に配置される筒状の第２磁気シールドと、
   を少なくとも備え、
   前記第１磁気シールドおよび前記第２磁気シールドは、それぞれ、
   前記超電導マグネットの径方向外側に配置される筒部と、
   前記超電導マグネットの軸方向外側に配置され、前記筒部の軸方向両端部から内方へ向かって延在する一対のフランジ部と、
   を有することを特徴とする、多層磁気シールド。
2. 請求項１に記載の多層磁気シールドにおいて、
   前記第１磁気シールドの厚みと前記第２磁気シールドの厚みとは等しく、
   前記第１磁気シールドと前記第２磁気シールドとの間の前記間隔は、前記第１磁気シールドおよび前記第２磁気シールドの厚みの２０％以上とされていることを特徴とする、多層磁気シールド。
3. 請求項１または２に記載の多層磁気シールドにおいて、
   前記第１磁気シールド、および前記第２磁気シールドという計２層のみの磁気シールドを備えることを特徴とする、多層磁気シールド。