CN1320172C - 拉晶装置用的超导磁体装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一用于拉晶装置的超导磁体装置，包括：一对相互对向的环形超导线圈，它们之间配置拉晶装置，包围超导线圈的防辐射屏，包围此防辐射屏的真空容器，其中，在面向拉晶装置侧的真空容器部件51由非磁性物质制成，而在其他侧的真空容器部件52由磁性物质制成。

Description

拉晶装置用的超导磁体装置

本申请是1999年2月13日递交的，题目为“拉晶装置用的超导磁体装置”的中国专利申请No.99100682.8的分案申请。

技术领域

本发明是关于欲用于一拉晶装置中为半导体装置生成晶体的超导磁体装置，特别是关于用于能减少漏磁场的拉晶装置的超导磁体装置。

背景技术

在为用于半导体的晶体利用拉晶装置从熔融半导体晶体材料中拉伸晶体的过程中，采用一超导磁体装置作为以对熔融半导体晶体材料施加静态磁场来防止由热对流引起的位移的静态磁场产生装置。

图1为表示一用于拉晶装置的通常的超导磁体装置的立体图。图2为由图1的箭头II-II所示方向看的截面视图。如图1中所示，超导磁体装置被设置得使二超导线圈2a、2b在一C形低温箱1中作相互对向排列，且由超导线圈2a、2b生成的磁场方向3正交于拉晶方向4。

并且如图2中所示，低温箱1使超导线圈2a位于一氦容器40中从而线圈2a能浸泡在冷却剂41(例如液态氦等)中。而在氦容器40外面设置防辐射屏42，此氦容器40与防辐射屏42整个被存放在一真空容器43中从而使低温箱成为一整体。

虽然在上述例中表明的是设置一个防辐射屏的情况，但在需要时可设置双防辐射屏。

此外还采用一以制冷器而不是用液态氦之类的冷却剂来将氦容器40中的超导线圈2a、2b冷却到超导状态的系统。在这样的情况下，即不设置图2所示的氦容器和冷却剂。

此磁体装置的举例是为对拉晶装置加以水平磁场的C形低温箱1中央部分的孔腔5中设置拉晶装置。

图3表示用于拉晶装置的通常的超导磁体装置的另一种结构。此超导磁体被设置成使得二超导线圈2a、2b相互对向，且由超导线圈2a、2b在一包括内圆柱体和外圆柱体的双柱体低温箱11中产生的磁场方向如图1所示正交于拉晶方向。

磁体装置的这一示例是拉晶装置被设置在为对拉晶装置施加水平磁场的低温箱11的内圆柱体内侧的常温空间的孔腔12中。

图4表示用于拉晶装置的通常的超导磁装置的又一另外的结构。此超导磁体装置被设置得使二超导线圈2a、2b在此双圆柱体低温箱31中以相对于低温箱31的轴向方向二者之间的距离可选地相互对向配置，从而使磁场30a、30b以线圈2a、2b相对立的方向产生以便生成勾形磁场(cusp magnetic field)。在这种情况下，拉晶装置被配置在孔腔32中，拉晶方向4如图中所示。由于在勾形磁场中此图中的线6上的磁场变为零，所以一般认为与图1和3的情况相比较在此线上拉伸晶体可得到高质量的晶体。

因为在上述用于拉晶装置的通常的超导磁体装置中采用诸如不锈钢和铝之类的非磁性材料来作为低温箱的真空容器，由超导线圈生成的磁场泄漏到磁体外部而影响存在于真空容器邻近的电动机或由磁性物质作成的组成部件。在此情况中，因为此磁性物质与超导线圈相互吸引而此吸引力与磁性物质的体积、重量和磁场梯度成正比，磁性组成部件或磁体越大，相应地吸引力也就增大。

这样就涉及到一个问题，即此组成部件应由非磁性材料构成，这很贵，或者为支撑线圈的低温箱中的支撑的断面积就应很大，从而低温箱的热渗透量就会很大。

而且，如果在此低温箱附近存在有易受磁场影响的电动机或测量装置，就可能导致这些装置的误操作。

加之，由于在如果漏磁场很大以至打乱此孔腔中所需的磁场强度或磁场分布时相互的漏磁场会影响互相邻接的超导磁体，此相邻磁体与拉晶装置的安装空间就应当很宽，从而无法理想地利用安装空间。

发明内容

本发明的目的是提供一用于拉晶装置的超导磁体装置，它能以相对很低的成本来降低漏磁场，最佳地实现小体积和轻重量。

为达到上述目的，本发明以下述措施来构成一用于拉晶装置的超导磁体装置。

本发明提供一种用于拉晶装置的超导磁体装置，包括：一对在轴向方向上相互对向的环形超导线圈，所述拉晶装置设置在所述环形超导线圈之间；包围所述超导线圈的防辐射屏；和包围此防辐射屏的真空容器，该真空容器是由后板、侧板、前板、上板、下板与内板构成，此真空容器部件的特征在于：

所述后板、侧板、前板、上板、下板是由磁性材料制成；

所述内板的、面向所述拉晶装置的上部和下部是由磁性材料制成，以及所述内板的中部是由非磁性材料制成。

按照本发明，由于在面向拉晶装置侧真空容器的部件从拉晶装置的超导磁体装置中惯常采用的非磁性物质制成，所以能如前保持拉晶装置所需的磁场强度和磁场分布，并由于其他非与之邻接的部件由磁性物质制成，会泄漏的磁场可被此磁性物质吸收从而能减少漏磁场。

在本发明中，面向拉晶装置侧的真空容器部件的一部分由磁性物质制成。因此，由于互相对向的真空容器部件的一部分由磁性物质制成，所以在拉晶装置轴上的漏磁场也能减少。

在本发明中，线圈外直径侧和相对于超导线圈与拉晶装置相对侧的真空容器部件的磁性材料至少一个比另外的厚。

本发明中仅仅最接近超导线圈的磁性材料被制得较厚。因此，越接近超导线圈的真空容器的一部分的厚度被制成越厚，所以漏磁场能被更有效吸收。

本发明提供一种用于拉晶装置的超导磁体装置，包括在轴向方向相互对向的多个环形超导线圈，以形成一个勾形磁场；分别包围所述超导线圈的多个环形防辐射屏；和包围所述环形防辐射屏的双圆柱真空容器，其中在线圈内直径部分设置有空间以便能在此空间中配置所述拉晶装置，所述真空容器是由外圆柱部件、内圆柱部件、上板以及下板构成，其中：所述外圆柱部件、上板与下板是由磁性材料制成，内圆柱部件是由非磁性材料制成，并且在所述线圈的中间部分、一个由磁性材料制成的辅助环配接到所述外圆柱部件的内表面。

因此，由于磁体物质的较大量被设置在线圈对称平面上的真空容器中，所以可得到在整体上具有很小漏磁场的磁体。

本发明具有真空容器的磁性物质部件包括带有间隙的多层薄板的集合。因此，因为由内侧磁板泄漏的磁场能被因本发明中的多层板的外侧的磁性物质进一步吸收，所以泄漏的磁场能进一步减少。

在本发明中，上、下线圈之一电气上短路。因此本发明中由于相互对向的主线圈中的任一个在轴方向被短路，依靠激励另一未被短路的主线圈，此另一主线圈即能生成在对于被激励的主线圈的相反方向中的磁场。即就是，借仅对二线圈之一激励，在另一线圈中感应产生短路电流从而能生成相反方向中的磁场(勾形磁场)。

附图说明

图1为表明用于拉晶装置的通常超导磁体装置结构的主体视图；

图2为由图1的II-II线所取箭头方向看的截面视图；

图3表明用于一拉晶装置的通常的超导磁体装置的另一结构；

图4表明用于一拉晶装置的通常的超导装置的又一另一结构；

图5为表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置第一实施例的一部分的纵向截面视图；

图6为由图5线VI-VI所取箭头方向看的截面视图；

图7为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第二实施例的一部分的纵向截面视图；

图8为由图7线VII-VII所取箭头方向看的截面视图；

图9为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第三实施例的一部分的纵向截面视图；

图10为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第四实施例的一部分的纵向截面视图；

图11为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第五实施例的一部分的纵向截面视图；

图12为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第六实施例的一部分的纵向截面视图；

图13表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第七实施例的真空容器中所设置的线圈的结构；

图14表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第八实施例的真空容器中所设置的线圈的结构；

图15表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第九实施例的真空容器中所设置的线圈的连接结构；

图16表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第十实施例的真空容器中所设置线圈的连接结构；

图17表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第十一实施例的真空容器中所设置的线圈的连接结构。

具体实施方式

下面参照所列附图说明本发明的优选实施例。

图5为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第一实施例的一部分的纵向截面视图，图6为装置整体的横向截面视图。

图5和6中，真空容器51包括：形成C字状带有一后板52和一对侧板53的框架54，在框架54内形成孔腔的U形内板55，为封闭内板55与框架54的前端之间的空间的前板56，和为封闭框架54和内板55的上开口端和下开口端的上板57和下板58。

在此真空容器51中，设置一氦容器40，其中装有在容器中心轴方向上相互对向并被浸泡在冷却剂41(如液氦)中的二个环形超导线圈2a、2b(其中之一为图5中所示的超导线圈2a)，在氦容器40外面用于包围它设置一防辐射屏40，从而构成一整体的低温箱。

在此第一实施例的低温箱中，在真空容器51的这些组成部件内，后板52、侧板53、前板56、上板57和下板58由作为磁性物质的金属制成，而面向将插在孔腔中的拉晶装置(未图示)的内板55由非磁性材料制成。

因而，按此低温箱，因为构成真空容器50的后板52、侧板53、前板56、上板57和下板58均由磁性材料制成，而只有内板55由非磁性材料制成，所以由超导线圈2a、2b所生成的磁场被磁性物质所吸收而不会向外泄漏，从而在其邻近的电动机或由磁性物质构成的部件即不可能受到影响。

而且其部件除内板55外均为磁性物质的真空容器51也用作为磁性屏蔽，所以整体上能实现小体积和低重量，因而与整个真空容器均为非磁性物质的通常的真空容器相比以相对低的价格来完成。

并且由于磁场的一部分被磁屏蔽所包围，在此腔中心的磁场强度就变得很高。就是说，与无磁屏蔽的线圈相比，磁动势(安匝数)可以较小从而可利用低电流值的低容量功率源和采用较少匝数的超导线圈。

虽然上述实施例中描述的是C字形框架54与内板55构成一真空容器的情况，而在将面向拉晶装置的真空容器部件由非磁性材料制成和其他真容容器部件由磁性材料制成的圆柱形或勾形磁场形的低温箱中也能获得同样的效果。

图7为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第二实施例的一部分的纵向截面视图，图8为整个装置的截面视图。对与图5和6的相同部分应用相同数码，这里不再作说明。仅将描述不同之处。

在此第二实施例中，如图7和8中所示，作为真空容器51的组成部件的一部分的U字形内板55的前开口端部分被设置以磁性物质60。

因此，按此低温箱，由于内板55的前开口端部分由磁性物质60制成，由上板57和下板58的内板侧端部泄漏的磁力线可被吸收到内侧从而使磁体的上、下表面上和拉晶装置轴上的漏磁场能进一步减少。而且，真空容器51的开口部分的漏磁场可被磁性物质60吸收而被降低。

图9为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第三实施例的一部分的纵向截面视图。对与图5的相同部分应用同样的数码，在此不再加解释。仅描述不同点。

在此第三实施例中，如图9中所示，当真孔容器51的上板57与线圈2a之间的距离Y短于侧板53与线圈2a之间的距离X时，上板57的板厚t2被作成厚于侧板53的板厚t1。

图中未示的前板和后板与第一实施例同。

因此，按此低温箱，由于相对线圈2a具有较短距离的板的厚度较之具有较长距离的板的厚度更厚，在磁场较强的较接近线圈一侧的漏磁场能被进一步吸收。因而，所有磁性真空容器部件不必作得更厚，整体上就能实现低的重量。

图10为表明按照本发明的拉晶装置的超导磁性装置第四实施例的一部分的纵向截面图。对与图5中相同的部分应用同样数码，在此不再解释。仅对不同加以说明。

在如图10的第四实施例中，分别在对应于线圈的上板57、下板58和侧板53的内表面上固定有预定厚度的上辅助板71、下辅助板72和侧辅助板73。在此情况中，辅助板71～73由磁性材料制成并被作机械的或冶金的结合。

因此，按此低温箱，因磁场最强的线圈邻近的漏磁场可被吸收，其他部件就可以很薄从而使得真空容器的重量减轻。

虽然辅助板在上述实施例中是被加在板的内表面上，但也可将它们做在外表面上。

图11为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第五实施例的一部分的纵向截面视图。对与图4的相同部件被加以同样数码来说明。

图11中所示用于拉晶装置的超导磁体装置依靠在此以圆柱体低温箱31中给在低温箱31的轴向上相互对向的二超导线圈2a、2b设置适当的距离来形成一勾形磁场从而能如图11中所示生成相互对向方向上的磁场30a、30b。

在第五实施例中，外圆柱部件31a和要被安置于外圆柱部件31a与内圆柱部件31b之间的上板31c及下板31d均由磁性材料制成(图中作阴影线部分)，内圆柱部件31b由非磁性材料制成，一由磁性材料制成的辅助环80被固定到对应于这样的结构的超导磁体装置中二超导线圈2a、2b之间部分的外圆柱部件31a的内表面上。此图中，数32标示插入拉晶装置的空间部分(孔腔)的直径。

因此，按带此结构的低温箱，由于磁性物质被加到对应于在轴向方向上上、下超导线圈2a、2b的中央部分的外圆柱部件31a的表面上，此处漏磁场很大，所以吸收漏磁场的能力可进一步改善且线圈的磁动势能进一步降低。

图12为表明按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置第六实施例的一部分的纵向截面视图。对与图5的相同的部分加以同样数码，这里不再加以说明。仅给不同处进行描述。

第六实施例中，如图12中所示，构成真空容器的C字形框架的一后板(未图示)、二侧板53、一上板57和一下板58被覆盖以由磁性材料制成的一上板91、一下板92和外板93及由多层非磁性材料制成的U字形内板55。

因此，按此低温箱，由内部磁性物质出来的漏磁场可被外部磁性物质进一步降低。

图13表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置第七实施例的真空容器中所设置的线圈的结构。

第七实施例中，如图13中所示，在超导线圈2a之外还设置一直径大于此超导线圈的辅助线圈100以便生成一相对于超导线圈2a的为相反方向中的磁场。

在此情况下，如果辅助线圈的导体中心p处于角度g的范围之外，此角度g由连接超导线圈2a及其对向线圈的对称轴与线圈的中心轴M的交点N和超导线圈2a的外直径部分对称轴侧的角度部分200及对向的角度部分201的连线202、203，或者连接交点N和内直径部分对称轴侧的角度部分204及对面的角度部分205的连结206、207所形成，例如，辅助线圈100的导体中心p存在于角度h的范围内，此角度h由连接交点N和在相对于超导线圈2a的线圈内直径部分对称轴L及线圈绕组中心轴M的对面的角度部分204、205的连线206、207所形成，则其对降低中心轴M上的漏磁场有效，但对降低对称轴L上的漏磁场无效。

而且如果辅助线圈100的导体中心P存在于一大于角度(g+h)的范围内，就可能与上述情况相反，即就是说，对降低对称轴L上漏磁场有效而对降低中心轴M上的磁场无效。

在此实施例中，辅助线圈100的导体中心P被设置得使其置于由从辅助线圈100的截面所面对的主超导线圈2a的对称轴与线圈绕组中心轴M的相交点N向超导线圈2a的截面的边缘延伸的直线所形成的角度g内。

因此，按具有上述结构的线圈的低温箱，由主线圈产生的漏磁场在外直径方向(对称轴L方向)和中心轴M方向上均能被辅助线圈100有效地抵消从而能在整体上提供具有很小磁动势的高效磁体，因而能得到与采用磁性物质的磁屏蔽方法相比更轻的重量。

图14表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第八实施例的真空容器中所设置的线圈的结构。对与图13中的相同部件加以同样数码，在此不再加以说明。仅描述不同的部分。

在此第八实施例中，一由磁性材料制成的外板110被设置来作为在第七实施例的结构上增加的真空容器的一部分。

因此，按具有上述结构的低温箱，漏磁场可进一步降低，主、辅线圈的磁动势可较小。虽然在图示实施例中是设置由磁性材料制成的外板作为真空容器的一部分，但将其设置作为将真空容器外的真空容器的内部或外部的其他部件也可达到同样的效果。

图15表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置的第九实施例的真空容器中所设置的线圈的连接的结构。

在此第九实施例中，相互对向地设置在一低温箱123中的一对主线圈120、121作串联连接，而主线圈120与一激励功率源124相连接，主线圈121的两端被短路并与此激励功率源124的一端相连接。

在具有此线圈连接结构的低温箱中，一主线圈120被此外部激励功率源124激励从而生成磁场。这时，具有与主线圈120相同的电流值的为生成此磁场的电流以相反方向在低温箱123中作电气上短路的主线圈121中按照在主线圈120激励期间产生的磁场随时间的变化而流通。

因此，通过仅激励主线圈120，另一主线圈121也被激励。

由于此低温箱中二主线圈在通常的连接结构中被一般作电气串联连接，线圈的电感大于此实施例，而因此需要一具有大激励电压的功率源。按照此实施例，可采用一低容量功率源。

图16表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置第十实施例的真容器中设置的线圈的连接的结构。

在第十实施例中，如图16中所示，设置在低温箱123中的主线圈130、131被作电气串联连接以及其二端与一激励功率源124相连接使得线圈能生成同方向的磁场或相反方向的磁场，并分别设置带有二端短路的辅助线圈131a、131b。

因此，按上述结构，由于为生成与主线圈的相反的方向中的磁场的电流可通过激励主线圈130a、130b在辅助线圈131a、131b中感应生成，所述无需用于辅助线圈的功率源。

图17表示按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置第十一实施例的真空容器中设置的线圈的连接的结构。

在第十一实施例中，在图15中所示线圈连接结构外还如图16中那样设置辅助线圈131a、131b。

因此，按上述结构，由于主线圈121被配置得使线圈与主线圈120对向，生成勾形磁场，进而辅助线圈131a、131b生成与各主线圈生成的磁场相反方向的磁场，于是能实现与第九和第十实施例中同样的效果。

如前面所述，按照本发明的用于拉晶装置的超导磁体装置可取得下列效果：

(1)由于面向拉晶装置的真空容器的部件为非磁性部件和其他不面向它的部件为磁性部件，所以向外泄漏的磁场能以与通常的同样重量和尺寸而被降低。而且通过将磁性部件作得较厚而能进一步改善磁屏蔽效果；

(2)由于磁场被防磁屏包围在真空容器内，于是内部的磁场强度增大，这样线圈的磁动势即可较小。即就是，一线圈能由可利用低成本的少量匝数来产生的小容量功率源进行激励；

(3)由于面向拉晶装置侧的一部分也由磁性物质制成，而能进一步改善磁屏蔽效果；

(4)由于为生成相反方向磁场的辅助线圈被设置在预定的角度内，而能有效地降低漏磁场。而且由对其加以磁性物质，可达到进一步的效果；

(5)由于相互邻接安装的磁体的磁干扰可由防磁屏防止，磁体可被以较小间隔安装，从而能有效地利用安装空间

(6)由于漏磁场减小，磁体与其邻近的磁性部件之间的吸力也减小，因而这些部件就不必要由非磁性物质制成；

(7)由于对设置在磁体邻近的易受磁场影响的装置如电动机和测量装置等的作用减小，与通常情况相比这些装置就可以被安装在较接近磁体的位置中，从而使得拉晶装置在整体上能做到较小的体积；和

(8)由于低温箱中主线圈和辅助线圈至少一个作电气连接，可用小容量激励功率源来激励大的磁体。而且，通过采用这样的连接，电感减小，因而可由此更快地作激励变化和磁势变化。

Claims (7)

1、一种用于拉晶装置的超导磁体装置，包括：一对在轴向方向上相互对向的环形超导线圈，所述拉晶装置设置在所述环形超导线圈之间；包围所述超导线圈的防辐射屏；和包围此防辐射屏的真空容器，该真空容器是由后板、侧板、前板、上板、下板与内板构成，此真空容器部件的特征在于：

所述后板、侧板、前板、上板、下板是由磁性材料制成；

所述内板的面向所述拉晶装置的上部和下部是由磁性材料制成，以及所述内板的中部是由非磁性材料制成。

2、按照权利要求1的用于拉晶装置的超导磁体装置，其中相对于超导线圈，在线圈外直径侧和拉晶装置对向侧的真空容器部件的磁性材料中的至少一个比其他的厚。

3、按照权利要求2的用于拉晶装置的超导磁体装置，其中这些磁性材料中仅仅最接近所述超导线圈的部分被制得厚于其他部分。

4、按照权利要求1至3中任一个的用于拉晶装置的超导磁体装置，其中所述真空容器的磁性部件包括带有间隙的多层板的集合。

5、一种用于拉晶装置的超导磁体装置，包括在轴向方向相互对向的多个环形超导线圈，以形成一个勾形磁场；分别包围所述超导线圈的多个环形防辐射屏；和包围所述环形防辐射屏的双圆柱真空容器，其中在线圈内直径部分设置有空间以便能在此空间中配置所述拉晶装置，所述真空容器是由外圆柱部件、内圆柱部件、上板以及下板构成，

其中：所述外圆柱部件、上板与下板是由磁性材料制成，内圆柱部件是由非磁性材料制成，并且在所述线圈的中间部分、一个由磁性材料制成的辅助环配接到所述外圆柱部件的内表面。

6、按照权利要求5的用于拉晶装置的超导磁体装置，其中真空容器的磁性部件包括带有间隙的多层板的集合。

7、按照权利要求5的用于拉晶装置的超导磁体装置，其中上、下线圈中任一个的二端被作电气短路。

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