JPH11199367A - 単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置 - Google Patents
単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置Info
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- JPH11199367A JPH11199367A JP595598A JP595598A JPH11199367A JP H11199367 A JPH11199367 A JP H11199367A JP 595598 A JP595598 A JP 595598A JP 595598 A JP595598 A JP 595598A JP H11199367 A JPH11199367 A JP H11199367A
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Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ＭＣＺ法による単結晶引き上げ装置に適した
冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供すること。 【解決手段】 単結晶成長装置の周囲に配置され、溶融
シリコンに磁界を与えるための超電導コイル１１ａ、１
１ｂを収容した真空容器１０と、真空容器の上部に配置
され、超電導コイルを冷却するための冷凍機１２ａとを
備える。超電導コイルは、真空容器内で巻枠としてのコ
イル冷却用熱伝導体１３で支持されており、冷凍機の冷
凍ステージ１２−１、１２−２は真空容器内にあってコ
イル冷却用熱伝導体に設けられた接続部１３−１の近く
まで延びている。第二段の冷凍ステージ先端のコールド
ヘッド１２−２１と接続部との間を可撓性を有する伝熱
部材１４で接続した。
冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供すること。 【解決手段】 単結晶成長装置の周囲に配置され、溶融
シリコンに磁界を与えるための超電導コイル１１ａ、１
１ｂを収容した真空容器１０と、真空容器の上部に配置
され、超電導コイルを冷却するための冷凍機１２ａとを
備える。超電導コイルは、真空容器内で巻枠としてのコ
イル冷却用熱伝導体１３で支持されており、冷凍機の冷
凍ステージ１２−１、１２−２は真空容器内にあってコ
イル冷却用熱伝導体に設けられた接続部１３−１の近く
まで延びている。第二段の冷凍ステージ先端のコールド
ヘッド１２−２１と接続部との間を可撓性を有する伝熱
部材１４で接続した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は冷凍機冷却型の超電
導磁石装置に関し、特に溶融シリコンから単結晶半導体
を製造する単結晶成長装置における溶融シリコンに磁界
を与えるのに適した冷凍機冷却型超電導磁石装置に関す
る。
導磁石装置に関し、特に溶融シリコンから単結晶半導体
を製造する単結晶成長装置における溶融シリコンに磁界
を与えるのに適した冷凍機冷却型超電導磁石装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】シリコン単結晶製造においては、多結晶
シリコンを溶融し単結晶種結晶に結晶成長させるチョク
ラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。この方法で
は、溶融シリコンが坩堝内で溶融するために、熱対流が
発生して生成する単結晶の品質が低下する場合がある。
そこで、生成した単結晶の品質向上などを目的に、溶融
シリコンに磁界を印加し、電磁制動により対流を抑制す
る方法が知られている。この方法は、磁界印加式チョク
ラルスキー法（ＭＣＺ法）と呼ばれている。
シリコンを溶融し単結晶種結晶に結晶成長させるチョク
ラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。この方法で
は、溶融シリコンが坩堝内で溶融するために、熱対流が
発生して生成する単結晶の品質が低下する場合がある。
そこで、生成した単結晶の品質向上などを目的に、溶融
シリコンに磁界を印加し、電磁制動により対流を抑制す
る方法が知られている。この方法は、磁界印加式チョク
ラルスキー法（ＭＣＺ法）と呼ばれている。
【０００３】磁界の印加方式としては、縦磁界方式、横
磁界方式、カスプ磁界の３種類が知られており、その一
例が、特開平８−１８８４９３に開示されている。磁界
印加の手段としては、常電導磁石、超電導磁石が利用さ
れている。しかし、常電導磁石は、鉄心の利用が不可欠
なため重量が大きくなり、膨大な電力と冷却水とを必要
とする。一方、超電導磁石は、通常、液体へリウム冷却
が必要なため、装置が複雑、大型化する。また、液体へ
リウムの取り扱いが煩雑で、操作員の熟練が必要であ
る。更に、液体ヘリウムの補給が必要で、液体ヘリウム
費用が大きい。
磁界方式、カスプ磁界の３種類が知られており、その一
例が、特開平８−１８８４９３に開示されている。磁界
印加の手段としては、常電導磁石、超電導磁石が利用さ
れている。しかし、常電導磁石は、鉄心の利用が不可欠
なため重量が大きくなり、膨大な電力と冷却水とを必要
とする。一方、超電導磁石は、通常、液体へリウム冷却
が必要なため、装置が複雑、大型化する。また、液体へ
リウムの取り扱いが煩雑で、操作員の熟練が必要であ
る。更に、液体ヘリウムの補給が必要で、液体ヘリウム
費用が大きい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、酸化物超電
導電流リードを使用し、超電導コイルを小型冷凍機のみ
で伝導冷却する超電導磁石（ヘリウムフリー超電導磁
石）装置が提供されている。この種の超電導磁石装置
は、冷凍機冷却型超電導磁石装置と呼ばれ、操作が簡単
であり、シリコン単結晶引き上げ装置に適していると考
えられる。しかしながら、上記のＭＣＺ法による単結晶
引き上げ装置には、磁界を安定に発生できること、操作
が簡単であること、信頼性が高いこと、漏洩磁界が小さ
いこと等の性能が要求される。
導電流リードを使用し、超電導コイルを小型冷凍機のみ
で伝導冷却する超電導磁石（ヘリウムフリー超電導磁
石）装置が提供されている。この種の超電導磁石装置
は、冷凍機冷却型超電導磁石装置と呼ばれ、操作が簡単
であり、シリコン単結晶引き上げ装置に適していると考
えられる。しかしながら、上記のＭＣＺ法による単結晶
引き上げ装置には、磁界を安定に発生できること、操作
が簡単であること、信頼性が高いこと、漏洩磁界が小さ
いこと等の性能が要求される。
【０００５】そこで、本発明の課題は、上記の性能を満
足することのできる単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型
超電導磁石装置を提供することにある。
足することのできる単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型
超電導磁石装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、溶融シリコン
から単結晶半導体を製造する単結晶成長装置における前
記溶融シリコンに磁界を与えるための冷凍機冷却型超電
導磁石装置であり、前記単結晶成長装置の周囲に配置さ
れ、前記磁界を発生するための超電導コイルを収容した
真空容器と、該真空容器の上部に配置され、前記超電導
コイルを冷却するための冷凍機とを備え、前記超電導コ
イルは、前記真空容器内で巻枠としてのコイル冷却用熱
伝導体で支持されており、前記冷凍機の冷凍ステージは
前記真空容器内にあって前記コイル冷却用熱伝導体に設
けられた接続部の近くまで延びており、前記冷凍ステー
ジ先端のコールドヘッドと前記接続部との間を可撓性を
有する伝熱部材で接続したことを特徴とする。
から単結晶半導体を製造する単結晶成長装置における前
記溶融シリコンに磁界を与えるための冷凍機冷却型超電
導磁石装置であり、前記単結晶成長装置の周囲に配置さ
れ、前記磁界を発生するための超電導コイルを収容した
真空容器と、該真空容器の上部に配置され、前記超電導
コイルを冷却するための冷凍機とを備え、前記超電導コ
イルは、前記真空容器内で巻枠としてのコイル冷却用熱
伝導体で支持されており、前記冷凍機の冷凍ステージは
前記真空容器内にあって前記コイル冷却用熱伝導体に設
けられた接続部の近くまで延びており、前記冷凍ステー
ジ先端のコールドヘッドと前記接続部との間を可撓性を
有する伝熱部材で接続したことを特徴とする。
【０００７】なお、前記真空容器は、前記単結晶成長装
置の周囲を囲むことのできる二重円筒構造を有し、前記
コイル冷却用熱伝導体は円筒形状を有することが好まし
い。また、前記超電導コイルは、前記溶融シリコンに対
してカプス状磁界を与えるための２つのスプリット型コ
イルから成り、各スプリット型コイルは前記コイル冷却
用熱伝導体の上下において該真空容器の中心と同心とな
るように巻回されている。
置の周囲を囲むことのできる二重円筒構造を有し、前記
コイル冷却用熱伝導体は円筒形状を有することが好まし
い。また、前記超電導コイルは、前記溶融シリコンに対
してカプス状磁界を与えるための２つのスプリット型コ
イルから成り、各スプリット型コイルは前記コイル冷却
用熱伝導体の上下において該真空容器の中心と同心とな
るように巻回されている。
【０００８】更に、前記２つのスプリット型コイル及び
前記コイル冷却用熱伝導体は、前記冷凍ステージ先端の
コールドヘッド及び前記伝熱部材と共に、前記真空容器
内に配置された二重円筒型の熱シールド容器に収容され
ている。
前記コイル冷却用熱伝導体は、前記冷凍ステージ先端の
コールドヘッド及び前記伝熱部材と共に、前記真空容器
内に配置された二重円筒型の熱シールド容器に収容され
ている。
【０００９】前記冷凍機の一部を構成する電動機を前記
超電導コイルから離すために、前記真空容器における前
記電動機の取付け部を筒状に上方に延長して構成すると
共に、前記冷凍機の冷凍ステージも延長し、該冷凍ステ
ージの延長部を前記熱シールド容器に対応する箇所を筒
状に上方に延長して収容することが好ましい。
超電導コイルから離すために、前記真空容器における前
記電動機の取付け部を筒状に上方に延長して構成すると
共に、前記冷凍機の冷凍ステージも延長し、該冷凍ステ
ージの延長部を前記熱シールド容器に対応する箇所を筒
状に上方に延長して収容することが好ましい。
【００１０】この場合、前記熱シールド容器における前
記筒状の延長部の下部領域には周方向に間隔をおいて複
数のスリットを形成することが好ましい。
記筒状の延長部の下部領域には周方向に間隔をおいて複
数のスリットを形成することが好ましい。
【００１１】前記冷凍機は１つでも良いが、少なくとも
２つ配置する場合には、互いに隣接させて、あるいは前
記真空容器の直径方向に関して対向する位置に配置する
のが好ましい。
２つ配置する場合には、互いに隣接させて、あるいは前
記真空容器の直径方向に関して対向する位置に配置する
のが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１〜図３を参照して、本発明の
第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態
による冷凍機冷却型超電導磁石装置は、図示しない単結
晶成長装置の周囲に配置され、磁界を発生するための超
電導コイル１１ａ、１１ｂを収容した真空容器１０と、
真空容器１０の上部に配置され、超電導コイル１１ａ、
１１ｂを冷却するための２つの冷凍機１２ａ、１２ｂと
を備えている。なお、冷凍機１２ａ、１２ｂには、冷媒
であるヘリウムガスを圧縮して供給、循環するための圧
縮機が接続される。簡単に言えば、図示されている冷凍
機１２ａ、１２ｂは、ヘリウムガスの導入及び排出を切
換えるためのロータリバルブを切換える電動機と、ディ
スプレーサに連結されてその往復運動を回転運動に変
え、その往復運動の上下限を設定するための運動変換機
構を備えている。詳しくは、特公昭６３−５３４６９に
開示されているので、ここでは図示、説明は省略する。
超電導コイル１１ａ、１１ｂは、真空容器１０内で巻枠
としてのコイル冷却用熱伝導体１３で支持されている。
冷凍機１２ａ、１２ｂはまったく同じ構造を持つので、
以下では、冷凍機１２ａのみについて説明する。
第１の実施の形態について説明する。第１の実施の形態
による冷凍機冷却型超電導磁石装置は、図示しない単結
晶成長装置の周囲に配置され、磁界を発生するための超
電導コイル１１ａ、１１ｂを収容した真空容器１０と、
真空容器１０の上部に配置され、超電導コイル１１ａ、
１１ｂを冷却するための２つの冷凍機１２ａ、１２ｂと
を備えている。なお、冷凍機１２ａ、１２ｂには、冷媒
であるヘリウムガスを圧縮して供給、循環するための圧
縮機が接続される。簡単に言えば、図示されている冷凍
機１２ａ、１２ｂは、ヘリウムガスの導入及び排出を切
換えるためのロータリバルブを切換える電動機と、ディ
スプレーサに連結されてその往復運動を回転運動に変
え、その往復運動の上下限を設定するための運動変換機
構を備えている。詳しくは、特公昭６３−５３４６９に
開示されているので、ここでは図示、説明は省略する。
超電導コイル１１ａ、１１ｂは、真空容器１０内で巻枠
としてのコイル冷却用熱伝導体１３で支持されている。
冷凍機１２ａ、１２ｂはまったく同じ構造を持つので、
以下では、冷凍機１２ａのみについて説明する。
【００１３】冷凍機１２ａは、５０Ｋの第一段コールド
ヘッド１２−１１を持つ一段目の冷凍ステージ１２−１
と４Ｋの第二段コールドヘッド１２−２１を持つ二段目
の冷凍ステージ１２−２とを持つ２段式冷凍機である。
冷凍ステージ１２−１、１２−２は真空容器１０内にあ
り、特に冷凍ステージ１２−２はコイル冷却用熱伝導体
１３に設けられた接続部１３−１の近くまで延びてい
る。そして、冷凍ステージ１２−２の先端の第二段コー
ルドヘッド１２−２１と接続部１３−１との間を可撓性
を有する伝熱部材１４で接続している。
ヘッド１２−１１を持つ一段目の冷凍ステージ１２−１
と４Ｋの第二段コールドヘッド１２−２１を持つ二段目
の冷凍ステージ１２−２とを持つ２段式冷凍機である。
冷凍ステージ１２−１、１２−２は真空容器１０内にあ
り、特に冷凍ステージ１２−２はコイル冷却用熱伝導体
１３に設けられた接続部１３−１の近くまで延びてい
る。そして、冷凍ステージ１２−２の先端の第二段コー
ルドヘッド１２−２１と接続部１３−１との間を可撓性
を有する伝熱部材１４で接続している。
【００１４】真空容器１０は、単結晶成長装置の周囲を
囲むことのできる二重円筒構造を有しており、コイル冷
却用熱伝導体１３も円筒形状に作られている。すなわ
ち、単結晶成長装置は、真空容器１０の内側に形成され
る空間に配置される。この単結晶成長装置は、従来のも
のと同じで良いので、図示、説明は省略する。超電導コ
イル１１ａ、１１ｂは、単結晶成長装置の坩堝内の溶融
シリコンに対してカプス状磁界を与えるための２つのス
プリット型コイルである。これら２つのスプリット型コ
イルによる超電導コイル１１ａ、１１ｂは、コイル冷却
用熱伝導体１３の上下において真空容器１０の中心と同
心となるように巻回されている。
囲むことのできる二重円筒構造を有しており、コイル冷
却用熱伝導体１３も円筒形状に作られている。すなわ
ち、単結晶成長装置は、真空容器１０の内側に形成され
る空間に配置される。この単結晶成長装置は、従来のも
のと同じで良いので、図示、説明は省略する。超電導コ
イル１１ａ、１１ｂは、単結晶成長装置の坩堝内の溶融
シリコンに対してカプス状磁界を与えるための２つのス
プリット型コイルである。これら２つのスプリット型コ
イルによる超電導コイル１１ａ、１１ｂは、コイル冷却
用熱伝導体１３の上下において真空容器１０の中心と同
心となるように巻回されている。
【００１５】更に、２つの超電導コイル１１ａ、１１ｂ
及びコイル冷却用熱伝導体１３は、冷凍ステージ１２−
２及び伝熱部材１４と共に、真空容器１０内に配置され
た二重円筒型の熱シールド容器１５に収容されている。
この熱シールド容器１５は、輻射熱の侵入を防止するた
めのものである。２つの超電導コイル１１ａ、１１ｂ、
コイル冷却用熱伝導体１３、及び熱シールド容器１５
は、真空容器１０内の上下において周方向に間隔をおい
て設けられた複数の荷重支持体１６ａ、１６ｂで支持さ
れている。真空容器１０が密閉構造にされるのは勿論で
あるが、熱シールド容器１５も、輻射熱の侵入を防止す
るという観点から、密閉構造にされるのが好ましい。ま
た、冷凍機は１つでも良いが、本例のように２つ配置す
る場合には、図示のように互いに隣接させて配置する
か、あるいは真空容器１０の直径方向に関して対向する
位置に配置するのが好ましい。
及びコイル冷却用熱伝導体１３は、冷凍ステージ１２−
２及び伝熱部材１４と共に、真空容器１０内に配置され
た二重円筒型の熱シールド容器１５に収容されている。
この熱シールド容器１５は、輻射熱の侵入を防止するた
めのものである。２つの超電導コイル１１ａ、１１ｂ、
コイル冷却用熱伝導体１３、及び熱シールド容器１５
は、真空容器１０内の上下において周方向に間隔をおい
て設けられた複数の荷重支持体１６ａ、１６ｂで支持さ
れている。真空容器１０が密閉構造にされるのは勿論で
あるが、熱シールド容器１５も、輻射熱の侵入を防止す
るという観点から、密閉構造にされるのが好ましい。ま
た、冷凍機は１つでも良いが、本例のように２つ配置す
る場合には、図示のように互いに隣接させて配置する
か、あるいは真空容器１０の直径方向に関して対向する
位置に配置するのが好ましい。
【００１６】次に、上記の各構成部品について説明す
る。
る。
【００１７】真空容器１０は、断熱真空を保つための容
器であり、超電導コイル１１ａ、１１ｂ、熱シールド容
器１５、冷凍機などの荷重を支持する支点となる。真空
容器１０は、溶接構造による形成でも、フランジ構造で
も可能である。本形態のようにフランジ構造の場合は、
容易に分解可能となる。溶接構造の場合には、電流リー
ドや冷凍機を設置する部分のみ保守可能なように、一部
に取り外し可能なボックスを設けることが好ましい。
器であり、超電導コイル１１ａ、１１ｂ、熱シールド容
器１５、冷凍機などの荷重を支持する支点となる。真空
容器１０は、溶接構造による形成でも、フランジ構造で
も可能である。本形態のようにフランジ構造の場合は、
容易に分解可能となる。溶接構造の場合には、電流リー
ドや冷凍機を設置する部分のみ保守可能なように、一部
に取り外し可能なボックスを設けることが好ましい。
【００１８】超電導コイル１１ａ、１１ｂは、金属系ま
たは酸化物系の超電導線材で形成される。超電導コイル
１１ａ、１１ｂは、円筒状に巻線された２つのコイルを
上下方向に間隔を置いて設置したスプリット型であり、
各コイルには互いに逆向きの電流を流してカスプ状の磁
界を形成する。超電導コイル１１ａ、１１ｂの巻線直径
Ｄに対して、コイル間隔Ｇを、０．１Ｄ＜Ｇ＜０．５Ｄ
とする。
たは酸化物系の超電導線材で形成される。超電導コイル
１１ａ、１１ｂは、円筒状に巻線された２つのコイルを
上下方向に間隔を置いて設置したスプリット型であり、
各コイルには互いに逆向きの電流を流してカスプ状の磁
界を形成する。超電導コイル１１ａ、１１ｂの巻線直径
Ｄに対して、コイル間隔Ｇを、０．１Ｄ＜Ｇ＜０．５Ｄ
とする。
【００１９】図示していないが、真空容器１０の外から
内部の超電導コイル１１ａ、１１ｂに電流を供給する手
段として電流リードが用いられる。この電流リードとし
ては、酸化物超電導体による電流リードを用い、熱シー
ルド容器１５内への侵入熱を小さくしつつ、超電導コイ
ル１１ａ、１１ｂに電流を供給する。材料としては、ビ
スマス系やイットリウム系などを用いる。また、酸化物
超電導体としてバルク体や線材状が適用可能である。こ
の場合、機械的強度が小さい材料であるため、発熱を低
減する必要のある超電導コイルとの接合部は固定し、も
う一方の端部は冷凍機の第一段冷凍ステージ温度にアン
カーするが、熱収縮による応力緩和のために自由端とす
る。つまり、積層板や平網線などを適用したフレキシブ
ルな部材で接合する。酸化物超電導体の両端には溶射に
より銀をコーティングし、その上に半田付けにより電極
を接合する。この結果、接触抵抗が小さくジュール発熱
の小さい電流リードが可能となる。
内部の超電導コイル１１ａ、１１ｂに電流を供給する手
段として電流リードが用いられる。この電流リードとし
ては、酸化物超電導体による電流リードを用い、熱シー
ルド容器１５内への侵入熱を小さくしつつ、超電導コイ
ル１１ａ、１１ｂに電流を供給する。材料としては、ビ
スマス系やイットリウム系などを用いる。また、酸化物
超電導体としてバルク体や線材状が適用可能である。こ
の場合、機械的強度が小さい材料であるため、発熱を低
減する必要のある超電導コイルとの接合部は固定し、も
う一方の端部は冷凍機の第一段冷凍ステージ温度にアン
カーするが、熱収縮による応力緩和のために自由端とす
る。つまり、積層板や平網線などを適用したフレキシブ
ルな部材で接合する。酸化物超電導体の両端には溶射に
より銀をコーティングし、その上に半田付けにより電極
を接合する。この結果、接触抵抗が小さくジュール発熱
の小さい電流リードが可能となる。
【００２０】冷凍機１２ａ、１２ｂには、ＧＭ冷凍機な
どの信頼性の高い小型冷凍機を用いる。本形態のよう
に、２段式冷凍機を適用する場合は、第一段コールドヘ
ッド１２−１１を熱シールド容器１５に取付けて、第一
段の冷凍ステージ１２−１にて熱シールド容器１５を冷
却し、第二段コールドヘッド１２−２１を接続部１３−
１に取付けて第二段の冷凍ステージ１２−２にて超電導
コイル１１ａ、１１ｂを冷却できる。なお、熱シールド
容器１５専用に別の冷凍機を付加するようにしても良
い。各段の冷凍ステージのコールドヘッドと、超電導コ
イル１１ａ、１１ｂまたは熱シールド容器１５との接合
は、直接接合でもよいが、熱収縮による応力発生を防止
するために、本形態のように応力を緩和する機能を持つ
伝熱部材１４を介在させることが有効である。
どの信頼性の高い小型冷凍機を用いる。本形態のよう
に、２段式冷凍機を適用する場合は、第一段コールドヘ
ッド１２−１１を熱シールド容器１５に取付けて、第一
段の冷凍ステージ１２−１にて熱シールド容器１５を冷
却し、第二段コールドヘッド１２−２１を接続部１３−
１に取付けて第二段の冷凍ステージ１２−２にて超電導
コイル１１ａ、１１ｂを冷却できる。なお、熱シールド
容器１５専用に別の冷凍機を付加するようにしても良
い。各段の冷凍ステージのコールドヘッドと、超電導コ
イル１１ａ、１１ｂまたは熱シールド容器１５との接合
は、直接接合でもよいが、熱収縮による応力発生を防止
するために、本形態のように応力を緩和する機能を持つ
伝熱部材１４を介在させることが有効である。
【００２１】コイル冷却用熱伝導体１３は銅、アルミニ
ウムなどの熱伝導率の大きな材料で形成される。熱伝導
率の悪い材料、例えばステンレスやＦＲＰで構成した場
合は、その表面に銅やアルミニウムなどの箔状の高熱伝
導材を貼り付ける。
ウムなどの熱伝導率の大きな材料で形成される。熱伝導
率の悪い材料、例えばステンレスやＦＲＰで構成した場
合は、その表面に銅やアルミニウムなどの箔状の高熱伝
導材を貼り付ける。
【００２２】伝熱部材１４には、例えば銅板と高純度ア
ルミニウム板を積層したものとする。一例として、厚さ
１ｍｍの銅板と高純度アルミニウム板とを２枚積層した
ものを図示のように略Ｕ形に曲げたものとする。伝熱部
材１４の一端は第二段の冷凍ステージ１２−２の第二段
コールドヘッド１２−２１にボルト結合され、他端はコ
イル冷却用熱伝導体１３の接続部にボルト結合される。
このような積層構造による伝熱部材１４を用いると、冷
却に要する時間は銅のみの板によるものと変わらず、低
温（約４Ｋ）保持時には銅のみの板によるものよりも冷
却特性が良くなる。なお、銅板と高純度アルミニウム板
との積層枚数は２枚に限らないが、全体の板厚は小さい
方が好ましい。
ルミニウム板を積層したものとする。一例として、厚さ
１ｍｍの銅板と高純度アルミニウム板とを２枚積層した
ものを図示のように略Ｕ形に曲げたものとする。伝熱部
材１４の一端は第二段の冷凍ステージ１２−２の第二段
コールドヘッド１２−２１にボルト結合され、他端はコ
イル冷却用熱伝導体１３の接続部にボルト結合される。
このような積層構造による伝熱部材１４を用いると、冷
却に要する時間は銅のみの板によるものと変わらず、低
温（約４Ｋ）保持時には銅のみの板によるものよりも冷
却特性が良くなる。なお、銅板と高純度アルミニウム板
との積層枚数は２枚に限らないが、全体の板厚は小さい
方が好ましい。
【００２３】熱シールド容器１５は、超電導コイル１１
ａ、１１ｂへの熱侵入を低減するために、超電導コイル
１１ａ、１１ｂの周囲を囲み熱輻射を小さくする。この
熱シールド容器１５は、冷凍機の第一段の冷却ステージ
１２−１の第一段コールヘッド１２−１１に接合され
る。この場合も、熱収縮によって、冷凍機のシリンダに
過度の熱応力が発生しないようにフレキシブルな部材に
よって熱的に良好な接合を実現することが好ましい。な
お、熱輻射の低減効果を高める目的で、多層断熱材（ス
ーパーインシュレーション）の併用もできる。熱シール
ド容器１５は、伝熱特性の優れた材料、例えば銅、アル
ミなどで構成する。また、機械的強度が必要な場合は、
強度部材としてステンレスを用い、熱部材として銅やア
ルミを併用することも可能である。更に、超電導コイル
１１ａ、１１ｂのクエンチや急激な磁界変動による渦電
流を防止するために、後述するように、長さ方向に部分
的にスリットを入れても良い。この場合のスリットの幅
は、熱輻射による影響を考慮して数ｍｍとする。
ａ、１１ｂへの熱侵入を低減するために、超電導コイル
１１ａ、１１ｂの周囲を囲み熱輻射を小さくする。この
熱シールド容器１５は、冷凍機の第一段の冷却ステージ
１２−１の第一段コールヘッド１２−１１に接合され
る。この場合も、熱収縮によって、冷凍機のシリンダに
過度の熱応力が発生しないようにフレキシブルな部材に
よって熱的に良好な接合を実現することが好ましい。な
お、熱輻射の低減効果を高める目的で、多層断熱材（ス
ーパーインシュレーション）の併用もできる。熱シール
ド容器１５は、伝熱特性の優れた材料、例えば銅、アル
ミなどで構成する。また、機械的強度が必要な場合は、
強度部材としてステンレスを用い、熱部材として銅やア
ルミを併用することも可能である。更に、超電導コイル
１１ａ、１１ｂのクエンチや急激な磁界変動による渦電
流を防止するために、後述するように、長さ方向に部分
的にスリットを入れても良い。この場合のスリットの幅
は、熱輻射による影響を考慮して数ｍｍとする。
【００２４】荷重支持体１６ａ、１６は、超電導コイル
１１ａ、１１ｂ、コイル冷却用熱伝導体１３、熱シール
ド容器１５を支持する部材であり、機械的強度を保持し
ながら、断熱性能に優れている必要がある。その材料と
しては、例えばＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ステンレスなどが
適用できる。支持構造の一例として、超電導コイルを、
複数本のパイプ状のＧＦＲＰ材によって真空容器から支
持する構成が知られている。このパイプ状のＧＦＲＰ材
は中間部において熱シールド容器とアンカーをとり、伝
導による侵入熱の低減が図られている。本形態では、真
空容器１０の上下であって周方向に間隔をおいてそれぞ
れ複数本のパイプ状の荷重支持体１６ａ、１６ｂを設
け、超電導コイル１１ａ、１１ｂを断熱支持している。
このようなシンプルな支持構造によって、垂直方向の荷
重のみならず、横方向の荷重支持の機能を持たせること
もできる。なお、横方向荷重の支持のために横方向から
張り出したワイヤーやパイプなどを使用する例がある
が、垂直方向の部材のみで超電導コイルを支持する構造
は簡便であり、製作が容易でかつ信頼性の高いものとな
る。
１１ａ、１１ｂ、コイル冷却用熱伝導体１３、熱シール
ド容器１５を支持する部材であり、機械的強度を保持し
ながら、断熱性能に優れている必要がある。その材料と
しては、例えばＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ステンレスなどが
適用できる。支持構造の一例として、超電導コイルを、
複数本のパイプ状のＧＦＲＰ材によって真空容器から支
持する構成が知られている。このパイプ状のＧＦＲＰ材
は中間部において熱シールド容器とアンカーをとり、伝
導による侵入熱の低減が図られている。本形態では、真
空容器１０の上下であって周方向に間隔をおいてそれぞ
れ複数本のパイプ状の荷重支持体１６ａ、１６ｂを設
け、超電導コイル１１ａ、１１ｂを断熱支持している。
このようなシンプルな支持構造によって、垂直方向の荷
重のみならず、横方向の荷重支持の機能を持たせること
もできる。なお、横方向荷重の支持のために横方向から
張り出したワイヤーやパイプなどを使用する例がある
が、垂直方向の部材のみで超電導コイルを支持する構造
は簡便であり、製作が容易でかつ信頼性の高いものとな
る。
【００２５】上記の構成部品に加えて、必要に応じて、
真空容器１０の外側（上下面または外周面、あるいはそ
の両方）に強磁性体による磁気シールド体を設けること
により、真空容器１０の周辺部への漏洩磁界を低減する
ことができる。
真空容器１０の外側（上下面または外周面、あるいはそ
の両方）に強磁性体による磁気シールド体を設けること
により、真空容器１０の周辺部への漏洩磁界を低減する
ことができる。
【００２６】以上の構成により、構造が単純で、熱応力
に強く、軽量・コンパクト、操作が容易、信頼性が高い
磁界印加式チョクラルスキー法に適した冷凍機冷却型超
電導磁石装置を提供できる。
に強く、軽量・コンパクト、操作が容易、信頼性が高い
磁界印加式チョクラルスキー法に適した冷凍機冷却型超
電導磁石装置を提供できる。
【００２７】次に、図４〜図６を参照して、本発明の第
２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形
態の特徴は、前述した冷凍機１２ａ、１２ｂを構成して
いる電動機１２ａ−１、１２ｂ−１の設置箇所を第１の
実施の形態に比べて超電導コイルから離した点にある。
これは、冷凍機、特に電動機は、超電導コイルからの漏
洩磁束により誤動作する可能性が考えられるからであ
る。したがって、電動機１２ａ−１、１２ｂ−１の設置
箇所を超電導コイルから離すための構成以外は第１の実
施の形態と同じであり、図１〜図３と同じ部分には同じ
番号を付して説明は省略する。ここでも、冷凍機１２ａ
について説明する。
２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形
態の特徴は、前述した冷凍機１２ａ、１２ｂを構成して
いる電動機１２ａ−１、１２ｂ−１の設置箇所を第１の
実施の形態に比べて超電導コイルから離した点にある。
これは、冷凍機、特に電動機は、超電導コイルからの漏
洩磁束により誤動作する可能性が考えられるからであ
る。したがって、電動機１２ａ−１、１２ｂ−１の設置
箇所を超電導コイルから離すための構成以外は第１の実
施の形態と同じであり、図１〜図３と同じ部分には同じ
番号を付して説明は省略する。ここでも、冷凍機１２ａ
について説明する。
【００２８】冷凍機１２ａの電動機１２ａ−１を超電導
コイル１１ａから離すために、真空容器１０における電
動機１２ａ−１の取付け部を筒状に上方に延長して構成
している。すなわち、電動機１２ａ−１の取付け部に対
応する真空容器１０の上端に、筒状の真空容器延長部１
０−１を設けている。これに合わせて、熱シールド容器
１５の上端にも熱シールド延長部１５−１を設けてい
る。更に、冷凍機１２ａの第二段の冷凍ステージ１２−
２の第二段コールドヘッド１２−２１にはコールドヘッ
ド延長部１２−２２を設け、コールドヘッド延長部１２
−２２の先端をコイル冷却用熱伝導体１３の接続部１３
−１の近くに位置させている。これは、伝熱体１４の長
さは、できるだけ短い方が好ましいからである。逆に言
えば、伝熱体１４の長さが大きくなると、熱伝導を良く
するために板厚を厚くする必要がある。そして、板厚が
大きくなると、剛性が上がってしまい、熱収縮に対応で
きなくなす。なお、熱収縮というのは、冷却された時の
超電導コイルの収縮に起因するものであり、温度差が大
きいので熱に対する歪みが大きくなる。
コイル１１ａから離すために、真空容器１０における電
動機１２ａ−１の取付け部を筒状に上方に延長して構成
している。すなわち、電動機１２ａ−１の取付け部に対
応する真空容器１０の上端に、筒状の真空容器延長部１
０−１を設けている。これに合わせて、熱シールド容器
１５の上端にも熱シールド延長部１５−１を設けてい
る。更に、冷凍機１２ａの第二段の冷凍ステージ１２−
２の第二段コールドヘッド１２−２１にはコールドヘッ
ド延長部１２−２２を設け、コールドヘッド延長部１２
−２２の先端をコイル冷却用熱伝導体１３の接続部１３
−１の近くに位置させている。これは、伝熱体１４の長
さは、できるだけ短い方が好ましいからである。逆に言
えば、伝熱体１４の長さが大きくなると、熱伝導を良く
するために板厚を厚くする必要がある。そして、板厚が
大きくなると、剛性が上がってしまい、熱収縮に対応で
きなくなす。なお、熱収縮というのは、冷却された時の
超電導コイルの収縮に起因するものであり、温度差が大
きいので熱に対する歪みが大きくなる。
【００２９】熱シールド延長部１５−１は、銅やアルミ
ニムのような熱伝導性の良い材料を使用する。熱シール
ド延長部１５−１は、ここでは厚さが２０ｍｍの円筒形
状を持ち、その下部領域には周方向に間隔をおいて８個
のスリットが形成される。そして、８等分された熱シー
ルド延長部１５−１の下端部において熱シールド容器１
５の上端部にボルト結合される。上記のようにスリット
を設けるのは、薄い板による熱シールド容器１５には熱
収縮による大きな歪みが発生し、この歪みが熱シールド
延長部１５−１に作用するからであり、この歪みを吸収
するためである。言い換えれば、シールド延長部１５−
１を円筒形の剛体にすると、この円筒形の剛体と熱シー
ルド容器１５との熱収縮の差が大きいので、円筒形の剛
体が歪んでしまう。このような歪みを吸収するために、
シールド延長部１５−１にスリットが設けられる。
ニムのような熱伝導性の良い材料を使用する。熱シール
ド延長部１５−１は、ここでは厚さが２０ｍｍの円筒形
状を持ち、その下部領域には周方向に間隔をおいて８個
のスリットが形成される。そして、８等分された熱シー
ルド延長部１５−１の下端部において熱シールド容器１
５の上端部にボルト結合される。上記のようにスリット
を設けるのは、薄い板による熱シールド容器１５には熱
収縮による大きな歪みが発生し、この歪みが熱シールド
延長部１５−１に作用するからであり、この歪みを吸収
するためである。言い換えれば、シールド延長部１５−
１を円筒形の剛体にすると、この円筒形の剛体と熱シー
ルド容器１５との熱収縮の差が大きいので、円筒形の剛
体が歪んでしまう。このような歪みを吸収するために、
シールド延長部１５−１にスリットが設けられる。
【００３０】コールドヘッド延長部１２−２２も、銅、
アルミニウムのような熱伝導性の良い材料を使用する
が、中空にはせずにブロック状に作られる。
アルミニウムのような熱伝導性の良い材料を使用する
が、中空にはせずにブロック状に作られる。
【００３１】以上説明した本発明による冷凍機冷却型超
電導磁石装置は、磁界印加式チョクラルスキー法による
シリコン単結晶引上げ装置における磁界源として、カス
プ型磁界を発生するのに適している。
電導磁石装置は、磁界印加式チョクラルスキー法による
シリコン単結晶引上げ装置における磁界源として、カス
プ型磁界を発生するのに適している。
【００３２】
【発明の効果】本発明による冷凍機冷却型超電導磁石装
置は、一旦冷凍機を起動すると、その後、冷却に関わる
操作は一切不要で、冷却のための熟練を要しない。そし
て、数時間から数十時間後に超電導コイルは超電導温度
となる。必要な時に、励磁用電源を操作して所定の磁界
を発生させることができる。
置は、一旦冷凍機を起動すると、その後、冷却に関わる
操作は一切不要で、冷却のための熟練を要しない。そし
て、数時間から数十時間後に超電導コイルは超電導温度
となる。必要な時に、励磁用電源を操作して所定の磁界
を発生させることができる。
【００３３】また、発生したカスプ磁界によって溶融シ
リコンの熱対流が抑制され、安定した品質のシリコン単
結晶が得られる。
リコンの熱対流が抑制され、安定した品質のシリコン単
結晶が得られる。
【００３４】更に、冷凍機用圧縮機の電力と水、超電導
コイル励磁用電源の電力しか必要としないため、ランニ
ングコストが大幅に低減できる。
コイル励磁用電源の電力しか必要としないため、ランニ
ングコストが大幅に低減できる。
【００３５】そして、磁石装置が軽量でコンパクトなた
め、引き上げ過程において磁石の高さを変化させる場合
において、低い動力での操作が可能である。
め、引き上げ過程において磁石の高さを変化させる場合
において、低い動力での操作が可能である。
【図１】本発明の第１の実施の形態による冷凍機冷却型
超電導磁石装置の平面図である。
超電導磁石装置の平面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａによる縦断面図である。
【図３】図２における冷凍機周辺の構造を示した図であ
る。
る。
【図４】本発明の第２の実施の形態による冷凍機冷却型
超電導磁石装置の平面図である。
超電導磁石装置の平面図である。
【図５】図４の線Ｂ−Ｂによる縦断面図である。
【図６】図４における冷凍機周辺の構造を示した図であ
る。
る。
１０ 真空容器 １０−１ 真空容器延長部 １１ａ、１１ｂ 超電導コイル １２ａ、１２ｂ 冷凍機 １２ａ−１、１２ｂ−１ 電動機 １２−１ 第一段の冷凍ステージ １２−２ 第二段の冷凍ステージ １２−１１ 第一段コールドヘッド １２−２１ 第二段コールドヘッド １２−２２ コールドヘッド延長部 １３ コイル冷却用熱伝導体 １３−１ 接続部 １４ 伝熱部材 １５ 熱シールド容器 １５−１ 熱シールド延長部 １６ａ、１６ｂ 荷重支持体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/208 Ｈ０１Ｆ 7/22 Ｇ
Claims (7)
- 【請求項１】 溶融シリコンから単結晶半導体を製造す
る単結晶成長装置における前記溶融シリコンに磁界を与
えるための冷凍機冷却型超電導磁石装置において、前記
単結晶成長装置の周囲に配置され、前記磁界を発生する
ための超電導コイルを収容した真空容器と、該真空容器
の上部に配置され、前記超電導コイルを冷却するための
冷凍機とを備え、前記超電導コイルは、前記真空容器内
で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導体で支持されてお
り、前記冷凍機の冷凍ステージは前記真空容器内にあっ
て前記コイル冷却用熱伝導体に設けられた接続部の近く
まで延びており、前記冷凍ステージ先端のコールドヘッ
ドと前記接続部との間を可撓性を有する伝熱部材で接続
したことを特徴とする単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却
型超電導磁石装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記真空容器は、前記単結晶成長装置の
周囲を囲むことのできる二重円筒構造を有し、前記コイ
ル冷却用熱伝導体は円筒形状を有することを特徴とする
単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置。 - 【請求項３】 請求項２記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記超電導コイルは、前記溶融シリコン
に対してカプス状磁界を与えるための２つのスプリット
型コイルから成り、各スプリット型コイルは前記コイル
冷却用熱伝導体の上下において該真空容器の中心と同心
となるように巻回されていることを特徴とする単結晶引
上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置。 - 【請求項４】 請求項３記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記２つのスプリット型コイル及び前記
コイル冷却用熱伝導体は、前記冷凍ステージ先端のコー
ルドヘッド及び前記伝熱部材と共に、前記真空容器内に
配置された二重円筒型の熱シールド容器に収容されてい
ることを特徴とする単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型
超電導磁石装置。 - 【請求項５】 請求項４記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記冷凍機の一部を構成している電動機
を前記超電導コイルから離すために、前記真空容器にお
ける前記電動機の取付け部を筒状に上方に延長して構成
すると共に、前記冷凍機の冷凍ステージも延長し、該冷
凍ステージの延長部を前記熱シールド容器に対応する箇
所を筒状に上方に延長して収容するようにしたことを特
徴とする単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石
装置。 - 【請求項６】 請求項５記載の冷凍機冷却型超電導磁石
装置において、前記熱シールド容器における前記筒状の
延長部の下部領域には周方向に間隔をおいて複数のスリ
ットを形成したことを特徴とする単結晶引上げ装置用の
冷凍機冷却型超電導磁石装置。 - 【請求項７】 請求項４あるいは５記載の冷凍機冷却型
超電導磁石装置において、前記冷凍機を少なくとも２
つ、互いに隣接させて、あるいは前記真空容器の直径方
向に関して対向する位置に配置したことを特徴とする単
結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP595598A JP3833382B2 (ja) | 1998-01-14 | 1998-01-14 | 単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP595598A JP3833382B2 (ja) | 1998-01-14 | 1998-01-14 | 単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11199367A true JPH11199367A (ja) | 1999-07-27 |
| JP3833382B2 JP3833382B2 (ja) | 2006-10-11 |
Family
ID=11625328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP595598A Expired - Fee Related JP3833382B2 (ja) | 1998-01-14 | 1998-01-14 | 単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3833382B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004087706A (ja) * | 2002-08-26 | 2004-03-18 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 冷凍機冷却型超電導磁石装置 |
| WO2009145149A1 (ja) * | 2008-05-26 | 2009-12-03 | 株式会社東芝 | 単結晶引上げ装置用超電導マグネット装置 |
| CN111009375A (zh) * | 2019-12-19 | 2020-04-14 | 西部超导材料科技股份有限公司 | 一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置 |
| GB2578315A (en) * | 2018-10-22 | 2020-05-06 | Siemens Healthcare Ltd | Thermal buses for cryogenic applications |
| CN115440461A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-06 | 上海超导科技股份有限公司 | 用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构及拆装方法 |
| CN117854877A (zh) * | 2024-03-04 | 2024-04-09 | 安徽因速丹电气有限责任公司 | 一种用于磁控直拉单晶的超导磁体及制冷方法 |
-
1998
- 1998-01-14 JP JP595598A patent/JP3833382B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004087706A (ja) * | 2002-08-26 | 2004-03-18 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | 冷凍機冷却型超電導磁石装置 |
| WO2009145149A1 (ja) * | 2008-05-26 | 2009-12-03 | 株式会社東芝 | 単結晶引上げ装置用超電導マグネット装置 |
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