JP3824412B2 - 結晶引上装置用超電導磁石装置 - Google Patents

結晶引上装置用超電導磁石装置 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体用結晶引上装置に使用される超電導磁石において、特に磁場を発生する超電導磁石の漏れ磁場を低減するようにした結晶引上装置用超電導磁石装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体用結晶引上装置において、融解した半導体結晶材料から結晶を引上げる際、融解した半導体結晶材料に静磁場を与えて熱対流による運動を阻止する目的で超電導磁石装置が使用されている。
【0003】
図14はかかる従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の構成例を示す斜視図であり、図15は図14のA−A線に沿う矢視断面図である。
この超電導磁石装置は、図14に示すように全体としてコ字形のクライオスタット1の中に2つの超電導コイル2a,2bを対峙させて設け、これら超電導コイルから発生する磁場の向き3が結晶の引上方向4に対して直交するようにしたものである。
【0004】
上記クライオスタット1は図15に示すようにヘリウム容器40の中に超電導コイル2aが内蔵されており、コイル2aは液体ヘリウム等の冷媒41に浸されている。また、ヘリウム容器40の外側には輻射シールド42が設けられ、さらにヘリウム容器40及び輻射シールド42全体を真空容器43の中に内蔵し、全体としてクライオスタットを構成している。
【0005】
上記の例では1個の輻射シールドを設ける場合を示したが、必要に応じて2重にして輻射シールドを設ける場合もある。
また、ヘリウム容器40の中に設けられた超電導コイル2a,2bを液体ヘリウム等の冷媒を用いず冷凍機でコイルを超電導状態まで冷却する方式もある。この場合は図15において、ヘリウム容器と冷媒がない構成となる。
【0006】
この例はコ字形のクライオスタット1の中央部に有するボア5内に結晶引上装置が設けられ、この結晶引上装置に水平磁場を与える磁石装置の場合である。
また、図16は従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の他の構成例を示すものである。この超電導磁石装置は、内筒及び外筒からなる二重円筒形のクライオスタット11の中に図14と同様に2つの超電導コイル2a,2bを対峙させて設け、これら超電導コイルから発生する磁場の向き3が結晶の引上方向4に対して直交するようにしたものである。
【0007】
この例はクライオスタット11の内筒の内側に有する常温空間であるボア12内に結晶引上装置が設けられ、この結晶引上装置に水平磁場を与える磁石装置の場合である。
【0008】
さらに、図17は従来の結晶引上装置用超電導磁石装置のさらに異なる他の構成例を示すものである。この超電導磁石装置は二重円筒形のクライオスタット31の中に軸方向に適宜の間隔を存して2つの超電導コイル2a,2bを対峙させて設け、各々のコイルが互いに対向する方向に磁場30a,30bを発生することでカスプ磁場を形成するようにしたものである。なお、この場合には結晶引上装置はボア32内に置かれ結晶引上げ方向4は図17に示す方向となる。このカプス磁場では図中6の線上では磁場がゼロとなるため、この線上で結晶を引き上げることにより、図14、図16の場合に比較して質のよい結晶が得られると言われている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の結晶引上装置用超電導磁石装置において、クライオスタットの真空容器はステンレスやアルミニウム等の非磁性材料が用いられているため、超電導コイルより発生する磁場が磁石の外部に漏れ出し、周辺のモータや磁性体からなる構造部材等に影響を与えていた。この場合、磁性体と超電導コイルは互いに吸引力が働き、その力は磁性体の体積、重量と磁場勾配に比例するので、磁性構造部材や磁石が大型化すると吸引力も大きくなる。
【0010】
従って、構造部材を高価な非磁性材料にしたり、コイルを支持するクライオスタット内のサポートの断面を大きくしなければならなくなり、熱侵入量の大きいクライオスタットになるという問題がある。
【0011】
また、クライオスタットの近傍にモータや磁場の影響を受け易い計測機器があると、誤動作につながる要因となる。
さらに、漏れ磁場が大きいと隣接した超電導磁石同志が互いの漏れ磁場の影響を受け、ボア内に必要な磁場強度や磁場分布を乱すことがあるため、隣接する磁石と結晶引上装置の設置間隔を広くとる必要があり、設置スペースを有効に利用することができなかった。
【0012】
本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、比較的安価にして漏れ磁場を低減でき、しかも小型軽量化に最適な結晶引上装置用超電導磁石装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により結晶引上装置用超電導磁石装置を構成するものである。
請求項1に対応する発明は、環状に形成された超電導コイルをその軸方向に対峙させ、これらの超電導コイルを各々包囲するように設けられた環状の輻射シールドと、これらの環状の輻射シールドをコイル内径部分に空間を有するように包囲する2重円筒形の真空容器とからなり、この空間に結晶引上装置を配設した結晶引上装置用超電導磁石装置において、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に、磁石内径側もしくは外径側の少なくとも一方に張出す磁性部材からなる補助リングを設けたものである。
【0014】
請求項1に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、結晶引上装置に相対面する真空容器部分は従来と同様の非磁性材なので、今まで通り結晶引上装置に必要な磁場強度と磁場分布を確保することができ、近接しない他の部材は磁性体なので、漏れようとする磁場は磁性体に吸収され、漏れ磁場を低減することができる。また、相対面する側の真空容器のU字状の内板部材を非磁性材とし、内板の前方開口端および相対面しない側の他の真空容器部材を磁性材としているので、磁場印加を必要とする部分の磁場強度を高めることができるだけでなく、結晶引上装置軸上の漏れ磁場を軽減することができる。
【0021】
請求項に対応する発明の単結晶引上装置用電磁石装置にあっては、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に補助リングが付加されているので、漏れ磁場の吸収能力がさらに向上し、且つコイルの起磁力をさらに低くすることができる。
【0022】
請求項に対応する発明は、請求項に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置において、真空容器の磁性体部材を、間隙を設けた多層板の集合体で構成したものである。
【0023】
請求項に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、多層板とすることで、内側の磁性板から漏れ出す磁場をさらにその外側の磁性体で吸収するので、さらに漏れ磁場を低減することができる。
【0024】
請求項に対応する発明は、請求項に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置において、上下コイルのいずれか一方のコイルを電気的に短絡したものである。
【0025】
請求項に対応する発明の結晶引上装置用超電導磁石装置にあっては、軸方向に対峙した主コイルのうち、何れか一方を電気的に短絡することで短絡されていないもう一方の主コイルを励磁するだけで他の主コイルは励磁されたコイルに対して逆向きの磁場を発生することができる。すなわち、2ヶのコイルのうち、1ヶのみ励磁するだけで他のコイルに短絡電流が誘起されて逆向きの磁場(カプス磁場)を発生する。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第1の実施の形態の一部を示す縦断面図、図2は同装置全体の横断面図である。
【0034】
図1及び図2において、51は真空容器で、この真空容器51は後板52と一対の側面板53とでコ字形に形成されたフレーム54と、このフレーム54内に設けられたボアを形成するU字状の内板55と、この内板55とフレーム54の前方端部間を閉塞する前板56と、これらフレーム54及び内板55の上部開口端および下部開口端を閉塞する上板57および下板58から構成されている。
【0035】
この真空容器51内にはリング状の2つの超電導コイル2a,2b(図1ではその一方の超電導コイル2aを示す)を容器の中心軸方向に対峙させ、且つ液体ヘリウム等の冷媒41に浸漬させて内蔵したヘリウム容器40が設けられ、このヘリウム容器40を包囲するようにその外側に輻射シールド42が設けられ、全体としてクライオスタットを構成している。
【0036】
第1の実施の形態では、このような構成のクライオスタットにおいて、真空容器51の構成部材の内、後板52、側面板53、前板56、上板57及び下板58を磁性体からなる材料で構成し、またボアに挿入される図示しない結晶引上装置に相対面する内板55を非磁性材料で構成するものである。
【0037】
従って、このようなクライオスタットとすれば、真空容器50を構成する後板52、側面板53、前板56、上板57及び下板58を磁性材料とし、内板55のみ非磁性材料としているので、超電導コイル2a,2bより発生する磁場は磁性体により吸収されて外部に漏れ出すことがなく、周辺のモータや磁性体からなる構造物等に影響を与えることがない。また、真空容器51は内板55を除く他の部材を磁性体として磁気シールドを兼ねているので、全体として小形、軽量化が可能となり、従来のように真空容器全体を非磁性材で構成したものに比べて比較的安価になる。
【0038】
さらに、磁気シールドによって磁場の一部が閉込められるので、ボア中心の磁場強度が高くなる。即ち、磁気シールドなしのコイルに比べて起磁力(アンペアターン数)が少なくてすみ、電流値の低い低容量の電源でよく、巻回数の少ない、超電導コイルで良いことになる。
【0039】
上記実施の形態では、コの字形のフレーム54と内板55とで真空容器を構成する場合について述べたが、円筒形やカスプ磁場形のクライオスタットについても結晶引上げ装置に相対面する真空容器部材を非磁性部材とし、それ以外の真空容器部材を磁性材料で構成することにより、前述同様の作用効果を得ることができる。
【0040】
図3は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第2の実施の形態の一部を示す縦断面図、図4は同装置全体の横面図であり、図1及び図2と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【0041】
第2の実施の形態では、図3及び図4に示すように真空容器51の構成部材の一部であるU字状の内板55の前方開口端部を磁性体60により構成したものである。
【0042】
従って、このようなクライオスタットとすれば、内板55の前方開口端部を磁性体60とすることにより、上板57及び下板58の内板側端部から漏れる磁力線を内側へ吸収することができ、磁石の上下面で且つ結晶引上装置軸線上の漏れ磁場をさらに低減することができる。また、真空容器51の開口部の漏れ磁場を磁性体60により吸収し、低減することができる。
【0043】
図5は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第3の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【0044】
第3の実施の形態では、図5に示すように真空容器51の上板57とコイル2aとの間の距離Yが側面板53とコイル2aとの間の距離Xより小さい場合は、上板57の板厚t2を側面板53の板厚t1より厚くするものである。
【0045】
図示しない前板及び後板については第1の実施の形態と同様である。
従って、このようなクライオスタットとすれば、コイル2aまでの距離の小さい方の板厚を距離の大きい方の板厚より厚くすることで、磁場の強いコイルに近い側をより漏れ磁場を吸収することができる。これにより、全ての磁性真空容器部材を厚くする必要がなく、全体として軽量にすることができるる。
【0046】
図6は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第4の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【0047】
第4の実施の形態では、図6に示すように真空容器51の上板57及び下板58と側面板53のコイルと対応する内面に所定厚みの上補助板71及び下補助板72と側面補助板73をそれぞれ取付けるものである。この場合、各補助板71〜73は磁性材料で構成され、機械的或いは冶金的に接合される。
【0048】
従って、このようなクライオスタットとすれば、最も磁場の高いコイル周辺の漏れ磁場を吸収するので、他の部材は肉厚の薄いものでよく、真空容器の軽量化を図ることができる。
【0049】
上記実施の形態では、補助板を各板の内面に設けたが、外面に設けるようにしても良い。
図7は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第5の実施の形態の一部を示す縦断面図であり、図17と同一部分には同一符号を付して説明する。
【0050】
図7に示す超電導磁石装置は、図7に示すように二重円筒形のクライオスタット31の中に軸方向に適宜の間隔を存して2つの超電導コイル2a,2bを対峙させて設け、各々のコイルが互いに対向する方向に磁場30a,30bを発生することでカプス磁場を形成するようにしたものである。
【0051】
このような構成の超電導磁石装置において、第5の実施の形態では真空容器を構成する外側の円筒体31a及びこの外側の円筒体31aと内側の円筒体31bの開口端部間に設けられる上部板31c及び下部板31dを磁性材料で構成(図示ハッチング部分)すると共に、内側の円筒体31bを非磁性材料で構成し、且つ外側の円筒体31aの2つの超電導コイル2a,2b間に対応する内面に磁性材料からなる補助リング80を取付ける構成とするものである。図中、32は結晶引上装置が挿入される空間部(ボア)の直径である。
【0052】
従って、このような構成のクライオスタットとすれば、外側の円筒体31aの漏れ磁場の大きい部分である上下一対の超電導コイル2a,2bの軸方向中央部に対応する面に磁性体が付加されているので、漏れ磁場の吸収能力がさらに向上し、且つコイルの起磁力をさらに低くすることができる。
【0053】
図8は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第6の実施の形態の一部を示す縦断面図で、図1と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述べる。
【0054】
第6の実施の形態では、図8に示すように真空容器を構成するコ字形のフレームの図示しない後板、両側面板53、上板57及び下板58を、磁性材料からなる上板91、下板92、外板93及び非磁性材料からなるU字形の内板55とで多層にして覆うように設ける構造とするものである。
【0055】
従って、このようなクライオスタットとすれば、内側の磁性体からの漏れ磁場を外側の磁性体でさらに低減することができる。
図9は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第7の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成例を示すものである。
【0056】
第7の実施の形態では、図9に示すように超電導コイル2aとこの超電導コイルより径の大きな補助コイル100を並設し、超電導コイル2aに対して逆向きの磁場を発生するようにするものである。この場合、超電導コイル2aの対峙するコイルの対象軸Lとコイルの中心軸Mとの交点Nと超電導コイル2aの外径部対象軸側角部と反対側角部とを結ぶ線とこの角部の対象線上の内径部対称軸と反対側角部とを結ぶ線でとでなす角度gの範囲外に補助コイル100の導体中心Pがある場合、例えば図9に示す交点Nを中心にコイル巻線中心軸Mを超電導コイル2aのコイル内径部の対称軸Lと反対側の角部とを結ぶ線とでなす角度hの範囲内にある場合は中心軸M上の漏れ磁場の低減には有効であるが、対象軸L上の漏れ磁場低減には有効ではない。また、補助コイル100の導体中心Pが角度 (g+h)より大きい範囲にある場合は上記とは逆になり、対象軸L上は有効であるが、中心軸M上は有効ではなくなる。
【0057】
本実施の形態では、補助コイル100の導体中心Pがその断面が対峙する主たる超電導コイル2aの対象軸Lとコイル巻線中心軸Mの交点Nから超電導コイル2aの断面を見込んだ角度gに入るように構成するものである。
【0058】
従って上記のような構成のコイルを備えたクライオスタットによれば、補助コイル100によって主コイルの発生する漏れ磁場を主コイルの外径方向(対象軸L方向)と中心軸M方向の両方を同時に効率良く打ち消すことができ、全体として起磁力の小さい効率の良い磁石を構成することが可能であり、磁性体を用いた磁気シールド方法よりさらに軽量化することができる。
【0059】
図10は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第8の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成例を示すもので、図9と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【0060】
第8の実施の形態では、第7の実施の形態の構成に加えて、さらに磁性材からなる外板110を真空容器の一部として構成するものである。
従って、上記のような構成のクライオスタットによれば、さらに漏れ磁場を低減することができ、また主コイルや補助コイルの起磁力を小さくすることが可能である。図の例では磁性材からなる外板を真空容器の一部としたが、真空容器とは別の部材として、真空容器の内側又は外側に付加するようにしても同様の効果を得ることができる。
【0061】
図11は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第9の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第9の実施の形態では、クライオスタット123内に対峙して配設される一対の主コイル120,121を直列に接続すると共に、主コイル120を励磁電源124に接続し、主コイル121の両端を短絡させて励磁電源124の一端に接続する構成とするものである。
【0062】
このようなコイル接続構成のクライオスタットにおいて、一方の主コイル120は外部の励磁電源124により励磁され、磁場を発生する。この時、クライオスタット123内で電気的に短絡された主コイル121は、主コイル120が励磁中に発生する磁場の時間変化により主コイル120とは同じ電流値で、逆向きの磁場を発生する電流が流れる。
【0063】
従って、主コイル120を励磁するだけで、もう一方の主コイル121も励磁される。
従来のコイルの接続構成は、クライオスタット内の両主コイル共電気的に直列に接続されているので、本例よりもコイルのインダクタンスが大きく、それだけ励磁電圧も大きな電源が必要であったが、本例によれば低容量の電源でよいことになる。
【0064】
図12は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第10の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第10の実施の形態では、図12に示すようにクライオスタット123内に配置される主コイル130a,130bを電気的に直列接続すると共に、その両端を励磁電源124に各コイルが同方向の磁場もしくは対向する磁場を発生するように接続し、且つ両端が短絡された補助コイル131a,131bをそれぞれ設けるものである。
【0065】
従って、上記のような構成とすれば、主コイル130a,130bを励磁すると、補助コイル131a,131bにはそれぞれ主コイルとは逆向きの磁場を発生する電流が誘起されるので、補助コイル用の電源が不要となる。
【0066】
図13は本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第11の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成例を示すものである。
第11の実施の形態では、図11に示すコイル接続構成に加えて、図12と同様に補助コイル131a,131bを設ける構成とするものである。
【0067】
従って、上記のような構成とすれば、主コイル121は主コイル120に対して対向するようにコイルを配設することによりカプス磁場を発生し、且つ補助コイル131a,131bは各々の主コイルが発生する磁場と逆向きの磁場を発生することにより、第9の実施の形態及び第10の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
【0068】
【発明の効果】
以上述べたように本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置によれば、次のような効果を得ることができる。
(1)両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に補助リングが付加されているので、漏れ磁場の吸収能力が向上し、且つコイルの起磁力を低くすることができる。
(2)真空容器の磁性体部材を、間隙を設けた多層板の集合体で構成したので、内側の磁性板から漏れ出す磁場をさらにその外側の磁性体で吸収するので、さらに漏れ磁場を低減することができる。
(3)軸方向に対峙した主コイルのうち、何れか一方を電気的に短絡することで短絡されていないもう一方の主コイルを励磁するだけで他の主コイルは励磁されたコイルに対して逆向きの磁場を発生することができる。すなわち、2ヶのコイルのうち、1ヶのみ励磁するだけで他のコイルに短絡電流が誘起されて逆向きの磁場(カプス磁場)を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第1の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図2】図1のA−A線に沿う矢視断面図。
【図3】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第2の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図4】図3のB−B線に沿う矢視断面図。
【図5】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第3の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図6】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第4の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図7】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第5の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図8】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第6の実施の形態の一部を示す縦断面図。
【図9】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第7の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成図。
【図10】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第8の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの構成図。
【図11】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第9の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図12】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第10の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図13】本発明による結晶引上装置用超電導磁石装置の第11の実施の形態における真空容器内に設けられるコイルの接続構成図。
【図14】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の構成例を示す斜視図。
【図15】図14のA−A線に沿う矢視断面図。
【図16】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置の他の構成図。
【図17】従来の結晶引上装置用超電導磁石装置のさらに異なる他の構成図。
【符号の説明】
2a,2b……超電導コイル
31……クライオスタット
31a,31b……円筒体
31c……上部板
31b……下部板
40……ヘリウム容器
41……冷媒
42……輻射シールド
51……真空容器
52……後板
53……側面板
54……フレーム
55……U字状の内板
56……前板
57……上板
58……下板
60……磁性体
71……上補助板
72……下補助板
73……側面補助板
80……補助リング
91……上板
92……下板
93……外板
100……補助コイル
110……外板
120,121……主コイル
123……クライオスタット
124……励磁電源

Claims (3)

  1. 環状に形成された超電導コイルをその軸方向に対峙させ、これらの超電導コイルを各々包囲するように設けられた環状の輻射シールドと、これらの環状の輻射シールドをコイル内径部分に空間を有するように包囲する2重円筒形の真空容器とからなり、この空間に結晶引上装置を配設した結晶引上装置用超電導磁石装置において、両コイル間に対応する真空容器外径部材の内面に、磁石内径側もしくは外径側の少なくとも一方に張出す磁性部材からなる補助リングを設けたことを特徴とする結晶引上装置用超電導磁石装置。
  2. 請求項に記載の結晶引上装置用超電導磁石装置において、真空容器の磁性体部材を間隙を設けた多層板の集合体で構成したことを特徴とする結晶引上装置用超電導磁石装置。
  3. 請求項記載の結晶引上装置用超電導磁石装置において、上下コイルのいずれか一方のコイルを電気的に短絡したことを特徴とする結晶引上装置用超電導磁石装置。
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