JPS62150138A - 低温試験用試料冷却装置における低温液化ガス補給方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は半導体何科、金属材料あるいは無機材料など
の各種材料もしくは部品等に対して、低温で各種の測定
や検査、実験を行なうための低温試験用試料冷去〇装置
に関し、特に低温液化カスを用いて試料を冷却りるよう
にした装置においてその低温液化ガスを補給する方法に
関するものて必る。

従来の技術 最近では、半導体等の各種ｖｆｎに対して低温で各種の
検査や、物性の測定あるいは実験などを行なう必要性が
著しく高まっている。このような低温試験において半導
体等の試料を低温に冷却】るためには、液体窒素などの
低温）段化ガスを冷却剤として用いるのが一般的である
が、この場合試料を低温液化ガス中に直接浸漬させたの
では試験に支障を来たすことが多く、そのためヘリウム
ガス等の熱交換用ガスを用いて、低温液化カスとの熱交
換によりその熱交換用ガスを低温に冷去〇し、その熱交
換用ガスによって試料を低温に冷五Ｏｖるようにした間
接冷却方式の試料糸ム１１装置が使用されるようになっ
ている。

上述のように熱交換用ガスを用いた間接冷却方式の従来
の試料冷却装置の一例を第２図に示す。

第２図において、液体窒素おるいは液体ヘリウムなどの
低温液化ガス１を収容するための冷却槽２には、中空円
筒状をなす熱交換用管体３が冷却槽２の中央部を上下に
貫通するように配設されてあり、この熱交換用管体３の
下端には試験対象となる半導体などの試料４を保持する
ための試料保持部５が設けられている。この試料保持部
５および前記熱交換用管体３はそれぞれ銅等の良伝熱材
料で作られており、また試料保持部５にはヒータ６およ
び試料温度検出用の温度センサ７が付設されている。前
記冷却槽２および試料保持部５の全体は間隔を置いて外
装体８によって取囲まれており、その冷却槽２および試
料保持部５と外装体８との間は真空断熱等による断熱層
９とされている。

前記冷却槽２内には、その上部に設けられた補給口１０
を介して低温液化ガス１が供給・補給され、また滲入ｌ
Ｙｇ２内で蒸発してカス化した低温液化ガスは、同じく
冷却偏２の上部に設けられた放出口１１を介して外部へ
放出される。また熱交換用管１４（３には、その上部か
らバルブ１２を介してヘリウムガス等の熱交換用カス１
３が導入される。

第２図に示すような試料冷五ｌ］’装置においては、バ
ルブ１２を介して熱交換用管体３内に導入された熱交換
用カス１３が、熱交換用管体３の！面において冷却槽２
内の低温液化ガス１と熱交換されて低温に冷却され、そ
の低温の熱交換用カス１３により試料保持部５が冷却さ
れ、それに伴なって試料４も低温液化ガス温度またはそ
れに近い低温に冷却される。ここで、ヒータ６によって
適度に試料保持部５を加温すれば、試料４の温度を、低
温液化カスにより定まる温度のみならず、それよりも高
い任意の温度に適切に調整することかできる。

考案が解決すべき問題点 第２図に示されるような従来の試料冷却装置では、冷却
槽２内に低温液化ガスを補給するに必たつては、その初
期に、外部の図示しない低温液化ガス源から補給口１０
に至るまでの外部配管内あるいはバルブ内に存在してい
た常温または常温に近いガスが補給口１０から冷却槽２
内に送り込まれてしまうのか通常である。そのため補給
開始初期には冷却槽２内の低温液化ガス１の液面Ａより
も上方のガス空間Ｂの温度が一時的に上昇する。

一方熱交換用管体３は冷却［２を上下に貫通しているた
め、冷却槽２内の上部のガス空間Ｂにも接しており、そ
のため前述のようなガス空間Ｂの温度か一時的に上昇す
れば、熱交換用管体３内の熱交換用ガス１３の温度が一
時的に上昇し、その結果試料４の温度も一時的に上昇し
てしまう。

将に半導体試料の試験、検査においては、試料温度を正
確に制御することが要求されるようになってあり、最近
では±０．１°Ｃ以下の高精度で制御することが求めら
れている。しかしながら前）ホのような低温液化ガスの
補給時の一時的な温度上昇によって、実際には試料温度
を常に十０．１℃以下の高精度で制御することは極めて
困難でめった。

この発明は以上のような事情を背景としてなされたもの
で、冷却槽内へ低温液化ガスを補給するにあたって、そ
の初期の外部配管やバルブ内の比較的高温のガスの流入
により一時的に試料温度のふらつきが生じてしまうこと
を有効に防止し、これによって試料温度を常に高精度で
制御し得るようにするための低温液化ガス補給方法を提
供することを目的とするものでおる。

問題点を解決するための手段 この発明は、低温液化ガスを収容する冷却槽を上下に貫
通するように中空な熱交換用管体を配設し、その熱交換
用管体内に熱交換用ガスを導入して前記冷却槽内の低温
液化ガスと熱交換用ガスとを熱交換させることにより熱
交換用ガスを低温に冷却し、その低温の熱交換用ガスに
より試料を冷却するようにした低温試験用試料冷五ｎ装
置において、前記冷却槽内へその上部から低温））夕化
ガスを補給するにあたり、冷却槽内の低温液化ガスの液
中において屈曲する屈曲部が形成されるとともにその液
中て先端が開１」シかつ少なくとも前記屈曲部が良伝熱
（オで偶成された補給管を通じて、低温液化ガスを補給
することを特徴とするものである。

作　　　用 冷却槽内へ低温液化ガスを補給するための補給管は、低
温液化ガスの液中において屈曲する屈曲部が形成され、
かつその低温液化ガスの液中において先端が開口してい
る。しかもその補給管は少なくとも前記屈曲部が良伝熱
材料で作られている。

したがって低温液化ガス補給開始の初期において、比較
的高温のガスが外部配管から送り込まれても、そのガス
は冷却槽の上部のガス空間に直接放出されるのではなく
、補給管により一旦低温液化ガスの液中に導入される。

この時、外部からの比較的高温のガスは、低温液化ガス
の液中に浸漬されている補給管の壁面との間で熱交換さ
れて低温に冷却される。しかも補給管は液中で屈曲して
伝熱面積が大きくなっているためその外部からのガスに
対する冷却効果は著しく大きく、したがっ−（補給開始
初期の外部からの比較的高温のガスは充分に冷却されて
からはじめて低温液化ガス液面上のガス空間に出て来る
ことになる。

したかつて補給開始初期においても冷却槽の低温液化ガ
ス））受面上のカス空間の温度はほとんど上昇せず、し
たかつて熱交換用言体内の熱交換用ガスの温度もほとん
ど上昇しないから、試ギ４温度を常に高精度で制御・惟
持することかできるのでめる。

なおここで補給管について「屈曲し−Ｃいる」とは要は
直管状ではなく、熱交換に適した形状で必ることを意味
し、コイル状に屈曲している場合、あるいは鋸歯状に屈
曲している形状、おるいは渦咎状に曲がっている形状、
そのほか熱交換器に適用されている各種の形状を含むも
のとする。

実施例 第１図にこの発明の方法を実施するための試料冷却装置
の一例を示す。なお第１図において、第２図に示される
要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説
明は省略する。

第１図におい−Ｃ１外部から冷ｆＡ槽２内へ低温液化ガ
ス１を補給するための補給管１４は、外装体８の上面か
ら断熱層９を貫通して冷却槽２内まで延長されて、その
冷却槽２内の低温液化ガス１に浸漬されるようになって
いる。そして冷却槽２内の液化ガス１に浸漬される部分
は、コイル状に湾曲した屈曲部１４Ａとされて、その先
端１４Ｂが低温液化ガス１中において開口している。そ
して補給管１４は、少なくとも屈曲部１４Ａが銅等の良
伝熱材料で作られている。

第１図に示される装置におい一〇低温液化ガス１を補給
するに必たっては、外部から図示しないイ氏温液化ガス
源から外部配管やバルブを介して補給管１４へ低湿液化
ガス１を送り込む。補給開始初期には、先ず外部配管や
バルブ内に存在していた比較的高温のガスが導入される
ことになるが、このガスは補給管１４内の特に屈曲部１
４Ａにおいて外側の低温液化ガス１により冷却された後
、その先端１４Ｂから低温液化ガス１中を浮上して、冷
却槽上部のガス空間Ｂに至る。そのため冷却槽上部のガ
ス空間Ｂの温度はほとんど上昇せず、したかってそのカ
ス空間Ｂに熱交換用管体３を介して接する熱交換用ガス
１３の温度もほとんど上昇せず、試料４の温度もほとん
ど上昇しない。本発明者等の実験によれば、低温液化ガ
ス補給時の試料４の温度のふらつきは０．１°Ｃ以内に
抑えられることが確認された。

なお第１図の実施例においては、熱交換用管体３の下端
に銅等の良伝熱材からなる試料保持部５を取付けて、そ
の試料保持部５を介して試料４を冷却するように欄成し
−Ｃいるか、熱交換用ガス１３か直接試料４に接するよ
うに構成した場合にもこの発明の方法を適用できること
は勿論である。

すなわち熱交換用管体３の下端に、熱交換用カス１３か
導入される甲仝な試料下を形成してあき、この試料下向
に試料を配置して熱交換用カスか直接試料に接するよう
に偶成づることもめるか、その場合もこの発明の補給方
法の適用は可能である。

また低温での光学的な試験を行なう場合、試料４に対応
する位置の外装体８の壁面や上述のように試料下を設け
た場合の試料下の章面に光学窓を形成しておいて、外部
から試料４に向けて光を入射させたり、逆に試料４の透
過光や反射光、散乱光などを外部へ収用したりすること
もめるが、その場合にもこの発明の補給方法を適用でき
ることは勿論である。

発明の効果 この発明の低温液化ガス補給方法によれば、冷却梧内に
低温液化ガスを補給するにあたって、その補給開始初期
に外部配管やバルブ中に存在していた比較的高温のガス
が冷却）曹内に送り込まれても、それに起因して熱交換
用カスの温度、ひいては試料温度が上昇することが防止
され、そのため常に高精度で試料温度を制御・維持する
ことかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法を実施する試料冷却装置の一例
を示ず略解的な縦断面図、第２図は従来の試料冷却装置
の一例を示り略解的な縦断面図である。 １・・・低温液化ガス、　２・・・冷却槽、　３・・・
熱交換用管体、　４・・・試料、　１４・・・補給管、
　１４Ａ・・・屈曲部、　１４Ｂ・・・先端。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 低温液化ガスを収容する冷却槽を上下に貫通するように
   中空な熱交換用管体を配設し、その熱交換用管体内に熱
   交換用ガスを導入して前記冷却槽内の低温液化ガスと熱
   交換用ガスとを熱交換させることにより熱交換用ガスを
   低温に冷却し、その低温の熱交換用ガスにより試料を冷
   却するようにした低温試験用試料冷却装置において、 前記冷却槽内へその上部から低温液化ガスを補給するに
   あたり、冷却槽内の低温液化ガスの液中において屈曲す
   る屈曲部が形成されるとともにその液中で先端が開口し
   かつ少なくとも前記屈曲部が良伝熱材で構成された補給
   管を通じて、低温液化ガスを補給することを特徴とする
   低温試験用試料冷却装置における低温液化ガス補給方法
   。