JP2004165538A - 超電導磁石装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は被磁界印加物に対して磁界印加を行なうコイルを複数個有した超電導磁石装置に関し、発生磁界を可変することを課題とする。
【解決手段】例えばシリコン単結晶製造装置３０等の被磁界印加物に対して磁界印加を行なう複数の超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃを有した超電導磁石装置において、各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃがシリコン単結晶製造装置３０に対して印加する磁界を可変できるよう、各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃ毎に電源装置１９Ａ〜１９Ｃを設け、かつこの各電源装置１９Ａ〜１９Ｃを電源コントローラ２０により制御する構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超電導磁石装置に係り、特に被磁界印加物に対して磁界印加を行なうコイルを複数個有した超電導磁石装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の鉄心入り常電導コイルでは、２Ｔ（テラス）以上の強磁場を得ることは不可能であるが、超電導コイルであれば可能である。このため、超電導コイルを冷凍機により冷却することにより超電導状態を実現し、これにより強磁場を発生させる超電導磁石装置が提供されている。
【０００３】
この超電導磁石装置は、強磁場を利用してシリコン単結晶を引き上げて製造するシリコン単結晶製造装置における磁場による流動制御、磁気配向、着磁等の多くの分野において適用が図られている。この種の超電導磁石装置は、例えば特許文献１に示されるように、複数の超電導コイルを有し、この複数の磁石が発生する磁界を被磁界印加物（例えば、シリコン単結晶製造装置）に印加して、上記の所定の処理を実施する構成とされていた。
【０００４】
図１は、従来の超電導磁石装置の回路構成図である。同図に示す例では、３個の超電導コイル２Ａ〜２Ｃを設けた超電導磁石装置１を示している。また、この超電導コイル２Ａ〜２Ｃは、電源装置３から電流が供給されて磁界を発生する構成とされている。従来、この超電導コイル２Ａ〜２Ｃは、配線４により直列に接続された構成とされていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の超電導磁石装置１では、上記のように超電導コイル２Ａ〜２Ｃは直列接続された構成であり、また電源装置３も超電導コイル２Ａ〜２Ｃに流す電流の向きは常に一定方向であった。このため、従来の超電導磁石装置１では、超電導コイル２Ａ〜２Ｃが形成する磁界の向きは、常に一定であった。
【０００６】
図２は、図１に示す３個の超電導コイル２Ａ〜２Ｃで発生する磁界の方向の一例を示している。従来の超電導磁石装置１では、同図に示す磁界しか発生させることができず、磁界を変化させることができないという問題点があった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、発生磁界を可変しうる超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【０００９】
請求項１記載の発明は、
被磁界印加物に対して磁界印加を行なうコイルを複数個有した超電導磁石装置において、
前記各コイルが前記被磁界印加物に対して印加する磁界を可変させる可変手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
上記発明によれば、可変手段により各コイルが被磁界印加物に対して印加する磁界を可変できるため、この被磁界印加物に印加する磁界を任意に設定することが可能となる。
【００１１】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の超電導磁石装置において、
前記可変手段は、前記複数のコイルを個別に可変させる構成であることを特徴とするものである。
【００１２】
上記発明によれば、可変手段は複数のコイルを個別に可変させることができるため、被磁界印加物に印加する磁界を、自由度を持って設定することが可能となる。
【００１３】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の超電導磁石装置において、
前記可変手段に、前記コイルに供給する電流の向きを切り換える切り換え装置を設けたことを特徴とするものである。
【００１４】
上記発明によれば、可変手段にコイルに供給する電流の向きを切り換える切り換え装置を設けたことにより、切り換え装置の切り換え操作により被磁界印加物に印加される磁界の向きを容易に切り換えることができる。
【００１５】
また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記可変手段に、前記コイルに供給する電流量を可変する電流量可変装置を設けたことを特徴とするものである。
【００１６】
上記発明によれば、可変手段にコイルに供給する電流量を可変する電流量可変装置を設けたことにより、切り換え装置の切り換え操作により被磁界印加物に印加される磁界の強さを容易に切り換えることができる。
【００１７】
また、請求項５記載の発明は、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記各コイルは、それぞれ複数個の分割コイルにより構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
上記発明によれば、各コイルは複数個の分割コイルにより構成されているため、コイル全体としての小型化を図りつつ、発生磁界を増大することができる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記被磁界印加物は、シリコン単結晶製造装置であることを特徴とするものである。
【００２０】
上記発明によれば、シリコン単結晶製造装置に対して任意の磁界を印加することが可能となり、よって溶融したシリコンの対流抑制を効果的に実施することが可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【００２２】
図３及び図４は、本発明の第１実施例である冷凍機冷却型超電導磁石装置１０Ａ（以下、超電導磁石装置という）を示している。図３は超電導磁石装置１０Ａの全体構成を示して折り、図４は超電導磁石装置１０Ａの回路構成を示している。この超電導磁石装置１０Ａは、後述するようにシリコン単結晶を磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）を用いて成長させる際に用いられるものである。
【００２３】
先ず、図３を用いて超電導磁石装置１０Ａの全体構成について説明する。超電導磁石装置１０Ａは、大略すると真空容器本体１１，熱シールド板１６，ギフォード・マクマホン式冷凍機１３（以下、ＧＭ冷凍機という），超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃ，及び冷凍機コンプレッサ１７等により構成されている。
【００２４】
熱シールド板１６は真空容器本体１１に内設されており、この真空容器本体１１１の上部にはＧＭ冷凍機１３が配設されている。ＧＭ冷凍機１３は冷媒を圧縮する冷凍機コンプレッサ１７に接続されており、冷凍機コンプレッサ１７で高圧に圧縮された冷媒（例えば、ヘリウムガス）はＧＭ冷凍機１３に供給される。
【００２５】
この高圧冷媒は、ＧＭ冷凍機１３内で膨張され、これによりＧＭ冷凍機１３に内設された蓄冷材は冷却される。また、膨張することにより低圧となった冷媒は、冷凍機コンプレッサ１７に戻されて再び高圧化される。
【００２６】
このＧＭ冷凍機１３は、１段目冷却シリンダ１４Ａと２段目冷却シリンダ１４Ｂを有している。１段目冷却シリンダ１４Ａは天板１６Ａに熱的に接続され、２段目冷却シリンダ１４Ｂは冷却ステージ１５と熱的に接続されている。
【００２７】
よって、ＧＭ冷凍機１３が熱シールド板１６を冷却することにより外部の熱が熱シールド板１６内に侵入するのを防止し、かつ超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃは冷却ステージ１５を介してＧＭ冷凍機１３（２段目冷却シリンダ１４Ｂ）により臨界温度以下に冷却される。これにより超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃは、超電導状態を実現する。
【００２８】
真空容器本体１１は、その中央に円筒状の中空円筒２２を形成している。複数（本実施例では３個）の超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃは、この中空円筒２２の回りに等間隔で配設されている。具体的には、図４に示すように３個の超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃは、１２０°の等間で中空円筒２２と対向するよう配設されている。
【００２９】
よって、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが励磁されると、真空容器本体２１に形成された中空円筒２２には磁場が発生し、よってこの中空円筒２２は常温磁場空間２３として機能する。ＭＣＺ法によるシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶製造装置３０は、この常温磁場空間２３内に配設され、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが発生する磁場内でシリコン単結晶３６（インゴッド）が製造される。
【００３０】
ここで、シリコン単結晶製造装置３０について簡単に説明しておく。本実施例に係る超電導磁石装置１０Ａは、常温強磁場空間２３にシリコン単結晶製造装置３０を設けた構成としている。この超電導磁石装置１０Ａは、加熱炉３１内にルツボ３２，ヒータ３３，ピアノ線３５等を設けた構成とされている。
【００３１】
この超電導磁石装置１０Ａを用いてシリコン単結晶３６のインゴットを製造するには、先ずシリコン単結晶の原料となる他結晶シリコン片（ナゲット）をルツボ３２に装填し、ヒータ３３により加熱溶融させる。そして、ピアノ線３５の先端に予め種結晶３４を設けておき、これを溶融した他結晶シリコンに接触させ、回転させながらピアノ線３５を引き上げる。これにより、種結晶３４の下部にはシリコン単結晶３６が形成される。
【００３２】
この際、ＭＣＺ法では、ルツボ３２内の融液に対して強磁界を印加することが行なわれる。これは、ルツボ３２内の融液に磁界を印加することにより、ルツボ３２内での融液の対流を抑制し、これによりシリコン単結晶３６に溶け込む酸素量を低減させるためである。超電導磁石装置１０Ａは、このルツボ３２内の融液に印加する磁界を生成するのに用いられている。
【００３３】
次に、図４を用いて超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃに電流供給を行なう電気回路について説明する。本実施例では、３個の超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃの夫々に電源回路１９Ａ〜１９Ｃが設けられている。具体的には、超電導コイル１８Ａには電源装置１９Ａが、超電導コイル１８Ｂには電源装置１９Ｂが、そして超電導コイル１８Ｃには電源装置１９Ｃが接続された構成とされている。
【００３４】
また、電源装置１９Ａ〜電源装置１９Ｃは、それぞれ独立して超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃに供給する電流量を可変できる構成となっている。また、各電源装置１９Ａ〜電源装置１９Ｃは電源コントローラ２０に接続されており、この電源コントローラ２０により制御される構成となっている。
【００３５】
電源コントローラ２０は、例えばマイクロコンピュータにより構成されており、超電導磁石装置１０Ａの操作者が入力するデータに基づき電源装置１９Ａ〜１９Ｃを制御する。具体的には、電源コントローラ２０は操作者が入力するデータに基づき、電源装置１９Ａ〜１９Ｃから超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃに供給する電流の向き及び電流量を制御する。この制御は電源装置１９Ａ〜１９Ｃ毎に個別に行なわれるため、よって超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが発生する磁界の向き及び強さを個別に設定することができる。
【００３６】
即ち、従来の超電導磁石装置１（図１参照）では、複数設けられた超電導コイル２Ａ〜２Ｃは全て同一方向に同一強さの磁界しか発生できなかったものが、本実施例による超電導磁石装置１０Ａによれば、各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが発生する磁界の向き及び強さは、任意に設定することが可能となる。
【００３７】
図４では、各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが発生する磁界をベクトル表示している。同図では、超電導コイル１８Ａが発生する磁界の向き及び強さを、他の超電導コイル１８Ｂ，１８Ｃと異ならせた例を示している。
【００３８】
具体的には、超電導コイル１８Ａが発生する磁界の向きを内側とするのに対して超電導コイル１８Ｂ，１８Ｃが発生する磁界の向きを外側とし、かつ、超電導コイル１８Ａが発生する磁界の強さを超電導コイル１８Ｂ，１８Ｃが発生する磁界の強さに対して強く設定している。
【００３９】
図５は、このように各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃを設定した場合、常温強磁場空間２３に発生する磁界の一例を示している。同図に示すように、本実施例で得られる磁界は、図２に示した常に同一状態で発生する磁界と異なっている。また、電源コントローラ２０により各電源装置１９Ａ〜１９Ｃを制御することにより、自由度をもってこの磁界の状態を設定することができる。即ち、本実施例の超電導磁石装置１０Ａによれば、任意の磁界を発生することが可能となる。
【００４０】
従って、常温強磁場空間２３に配設されたシリコン単結晶製造装置３０に対し印加する磁界の状態も、本実施例の超電導磁石装置１０Ａによれば任意に設定することが可能となる。ルツボ３２内で発生する融液の対流の状態は、ルツボ３２の大きさや引き上げるシリコン単結晶３６の直径等により異なる。よって、このように変化する対流に対応するためには、発生している対流に適合した磁界を印かする必要がある。
【００４１】
本実施例に係る超電導磁石装置１０Ａによれば、上記したように任意の磁界を発生させることができるため、ルツボ３２内における融液の対流を効果的に抑制することができ、よってシリコン単結晶３６に溶け込む酸素量を低減することができる。これにより、高品質のシリコン単結晶３６を製造することが可能となる。
【００４２】
尚、上記した実施例では、電源装置１９Ａ〜１９Ｃ及び電源コントローラ２０が請求項に記載した可変手段に相当する。また、電源装置１９Ａ〜１９Ｃが、請求項に記載の切り換え装置及び電流量可変装置に相当する。
【００４３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
図６は、本発明の第２実施例である超電導磁石装置１０Ｂの回路構成を示している。尚、第２実施例である超電導磁石装置１０Ｂの全体構成は図３に示した第１実施例に係る超電導磁石装置１０Ａと略同一であるため、その図示は省略する。また、図６において、図４に示した構成と対応する構成には、同一符号を付してその説明を省略する。
【００４４】
前記した第１実施例に係る超電導磁石装置１０Ａでは、複数の超電導コイル１８Ａ〜１８Ｂを用いた構成とした。この各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｂは、個々のコイルが大きいため、よって発生磁界を効率よく被磁界印加物であるシリコン単結晶製造装置３０に印加することができないおそれがある。また、所望の磁界を確実にシリコン単結晶製造装置３０に印加しようとするには、より強い磁界を発生させる必要があり、この場合に各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｂが大型化してしまう。
【００４５】
このため本実施例では、第１実施例の超電導コイル１８Ａに代えて分割コイル１８Ａ−１〜１８Ａ−３を、超電導コイル１８Ｂに代えて分割コイル１８Ｂ−１〜１８Ｂ−３を、超電導コイル１８Ｃに代えて分割コイル１８Ｃ−１〜１８Ｃ−３を設けたことを特徴としている。この各分割コイル１８Ａ−１〜１８Ａ−３，１８Ｂ−１〜１８Ｂ−３，１８Ｃ−１〜１８Ｃ−３は、それぞれ超電導コイルである。また、各分割コイル同士は、直列に接続された上、電源装置１９Ａ〜１９Ｃに接続されている。この分割コイル１８Ａ−１〜１８Ａ−３，１８Ｂ−１〜１８Ｂ−３，１８Ｃ−１〜１８Ｃ−３の個々の形状は、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃの形状に比べて小さく設定されている。
【００４６】
これにより、被磁界印加物となるシリコン単結晶製造装置３０に対して効率よく磁界を印加することが可能となり、また各分割コイル１８Ａ−１〜１８Ａ−３，１８Ｂ−１〜１８Ｂ−３，１８Ｃ−１〜１８Ｃ−３は超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃに比べて小型であるため超電導磁石装置１０Ｂの小型化を図ることもできる。更に、第１実施例に比べて多数の分割コイル１８Ａ−１〜１８Ａ−３，１８Ｂ−１〜１８Ｂ−３，１８Ｃ−１〜１８Ｃ−３で磁界を発生させるため、より強い磁界を発生することも可能となる。
【００４７】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
図７は、本発明の第３実施例である超電導磁石装置１０Ｃの回路構成を示している。尚、図７においても図４に示した第１実施例に係る超電導磁石装置１０Ａの構成と対応する構成には、同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００４８】
本実施例に係る超電導磁石装置１０Ｃは、可変手段として超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃに供給する電流の向きを一括的に切り換える切り換えスイッチ２４を設けたことを特徴とするものである。この切り換えスイッチ２４は、手動切り換え、或いは前記した電源コントローラ２０（図７には図示せず）により自動的に切り換えられる構成とされたものである。また、本実施例では、電源装置１９から各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃに供給される電流量は可変せず、電流の方向のみを変更できる構成となっている。
【００４９】
超電導磁石装置の使用者の要望としては、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが発生する磁界の強さは変更せずに、磁界の向きのみを変更したいとの要望が多い。よって、本実施例に係る超電導磁石装置１０Ｃによれば、切り換えスイッチ２４の切り換え操作により、容易に超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃが発生する磁界の向きを可変することができる。また、本実施例の超電導磁石装置１０Ｃは、従来構成の超電導磁石装置１（図１参照）に対して切り換えスイッチ２４を設けるのみでよいため、磁界の向きを可変できる超電導磁石装置１０Ｃを安価で提供することが可能となる。
【００５０】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
図８は、本発明の第４実施例である超電導磁石装置１０Ｃの全体構成を示している。尚、図８において、図３に示した第１実施例に係る超電導磁石装置１０Ａの構成と同一構成については同一符号を付してその説明を省略するものとする。
【００５１】
前記した各実施例では、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃを水平方向に複数個配設した構成としていた。これに対して本実施例に係る超電導磁石装置１０Ｄは、超電導コイルを上下方向（図中、矢印Ｚ方向）に積層配置したことを特徴とするものである。
【００５２】
具体的には、本実施例に係る超電導磁石装置１０Ｄでは、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃ（図では、超電導コイル１８Ｃは図に現れず）の上部に、超電導コイル１８Ｅ〜１８Ｆ（図では、超電導コイル１８Ｆは図に現れず）を配置した構成としている。本実施例においても、各超電導コイル１８Ａ〜１８Ｆは個別に発生する磁界の方向及び磁界の強さを可変しうる構成となっている。
【００５３】
本実施例に係る超電導磁石装置１０Ｄによれば、超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃ或いは超電導コイル１８Ｅ〜１８Ｆにより形成される水平方向に対する磁界の状態を可変できるのに加え、下部に位置する超電導コイル１８Ａ〜１８Ｃと上部に位置する超電導コイル１８Ｅ〜１８Ｆとの間における上下間の磁界の状態を可変することも可能となる。即ち、本実施例に係る超電導磁石装置１０Ｄによれば、常温強磁場空間２３内に発生する磁界を三次元的に可変することが可能となる。
【００５４】
従って、被磁界印加物となるシリコン単結晶製造装置３０に対し、更に複雑な磁界を印加することが可能となる。このため、ルツボ３２内における融液の対流をより効果的に抑制しうる磁界を発生させることが可能となり、更に高品質のシリコン単結晶３６を形成することが可能となる。
【００５５】
尚、上記した各実施例において、複数配設された超電導コイル及び分割コイルが発生する磁界を可変する際、磁界発生領域内（常温強磁場空間２３内）に磁力センサーを配設し、この磁力センサーが検出した実際の磁界の状態により超電導コイル及び分割コイルに供給する電流を制御する方法（フィードバック制御）を採用してもよい。
【００５６】
また、上記した実施例では、被磁界印加物としてシリコン単結晶製造装置３０を例に挙げて説明したが、他のものを被磁界印加物としよいことは勿論である。
【００５７】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【００５８】
請求項１記載の発明によれば、可変手段により各コイルが被磁界印加物に対して印加する磁界を可変できるため、この被磁界印加物に印加する磁界を任意に設定することが可能となる。
【００５９】
また、請求項２記載の発明によれば、可変手段は複数のコイルを個別に可変させることができるため、被磁界印加物に印加する磁界を、自由度を持って設定することが可能となる。
【００６０】
また、請求項３記載の発明によれば、切り換え装置の切り換え操作により被磁界印加物に印加される磁界の向きを容易に切り換えることができる。
【００６１】
また、請求項４記載の発明によれば、切り換え装置の切り換え操作により被磁界印加物に印加される磁界の強さを容易に切り換えることができる。
【００６２】
また、請求項５記載の発明によれば、コイル全体としての小型化を図りつつ、発生磁界を増大することができる。
【００６３】
また、請求項６記載の発明によれば、シリコン単結晶製造装置に対して任意の磁界を印加することが可能となり、よって溶融したシリコンの対流抑制を効果的に実施することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の一例である超電導磁石装置の回路構成図である。
【図２】従来の一例である超電導磁石装置で発生する磁界分布の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施例である超電導磁石装置の全体構成図である。
【図４】本発明の第１実施例である超電導磁石装置の回路構成図である。
【図５】本発明の第１実施例である超電導磁石装置で発生する磁界分布の一例を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例である超電導磁石装置の回路構成図である。
【図７】本発明の第３実施例である超電導磁石装置の回路構成図である。
【図８】本発明の第４実施例である超電導磁石装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１０ 超電導磁石装置
１３ ＧＭ冷凍機
１６ 熱シールド板
１７ 冷却コンプレッサ
１８Ａ〜１８Ｅ 超電導コイル
１８Ａ−１〜１８Ａ−３，１８Ｂ−１〜１８Ｂ−３，１８Ｃ−１〜１８Ｃ−３ 分割コイル
１９，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ 電源
２０ 電源コントローラ
２２ 中空円筒
２３ 常温強磁場空間
２４ 切り換え装置
３０ シリコン単結晶製造装置

Claims (6)

1. 被磁界印加物に対して磁界印加を行なうコイルを複数個有した超電導磁石装置において、
   前記各コイルが前記被磁界印加物に対して印加する磁界を可変させる可変手段を設けたことを特徴とする超電導磁石装置。
2. 請求項１記載の超電導磁石装置において、
   前記可変手段は、前記複数のコイルを個別に可変させる構成であることを特徴とする超電導磁石装置。
3. 請求項１または２記載の超電導磁石装置において、
   前記可変手段に、前記コイルに供給する電流の向きを切り換える切り換え装置を設けたことを特徴とする超電導磁石装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
   前記可変手段に、前記コイルに供給する電流量を可変する電流量可変装置を設けたことを特徴とする超電導磁石装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
   前記各コイルは、それぞれ複数個の分割コイルにより構成されていることを特徴とする超電導磁石装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
   前記被磁界印加物は、シリコン単結晶製造装置であることを特徴とする超電導磁石装置。

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