JP3833382B2 - Refrigerator-cooled superconducting magnet device for single crystal pulling device - Google Patents

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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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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二重円筒構造の真空容器と、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円筒形状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、前記超電導コイルは、前記溶融シリコンに対してカスプ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、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、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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【0016】
次に、上記の各構成部品について説明する。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【0023】
熱シールド容器15は、超電導コイル11a、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。
【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。
【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。
【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。
【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10−1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15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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【符号の説明】
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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus, and more particularly to a refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus suitable for applying a magnetic field to molten silicon in a single crystal growth apparatus for producing a single crystal semiconductor from molten silicon.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of silicon single crystals, the Czochralski method (CZ method) is known in which polycrystalline silicon is melted and grown into a single crystal seed crystal. In this method, since the molten silicon is melted in the crucible, the quality of the single crystal produced by thermal convection may be deteriorated. Therefore, for the purpose of improving the quality of the produced single crystal, a method is known in which a magnetic field is applied to molten silicon and convection is suppressed by electromagnetic braking. This method is called a magnetic field application type Czochralski method (MCZ method).
[0003]
Three types of magnetic field application methods are known: a longitudinal magnetic field method, a transverse magnetic field method, and a cusp magnetic field, and an example thereof is disclosed in JP-A-8-188493. As a means for applying a magnetic field, a normal conducting magnet or a superconducting magnet is used. However, the normal conducting magnet is heavy because the use of an iron core is indispensable, and enormous power and cooling water are required. On the other hand, superconducting magnets usually require liquid helium cooling, which complicates and enlarges the apparatus. In addition, handling of liquid helium is complicated and skill of an operator is required. Furthermore, liquid helium needs to be replenished, and the liquid helium cost is high.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, there is provided a superconducting magnet (helium-free superconducting magnet) device that uses an oxide superconducting current lead and conducts and cools a superconducting coil only by a small refrigerator. This type of superconducting magnet device is called a refrigerator-cooled superconducting magnet device, is easy to operate, and is considered suitable for a silicon single crystal pulling device. However, the above-described single crystal pulling apparatus using the MCZ method is required to have such performances as being capable of generating a magnetic field stably, being easy to operate, having high reliability, and having a small leakage magnetic field.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a refrigerator-cooled superconducting magnet device for a single crystal pulling device that can satisfy the above-described performance.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a refrigerator-cooled superconducting magnet device for applying a magnetic field to the molten silicon in a single crystal growth apparatus for manufacturing a single crystal semiconductor from molten silicon, and is disposed around the single crystal growth apparatus, and the magnetic field A vacuum vessel having a double cylindrical structure containing a superconducting coil for generating a gas, and a refrigerator disposed on an upper portion of the vacuum vessel for cooling the superconducting coil, wherein the superconducting coil includes the vacuum vessel It is supported by a cylindrical coil cooling heat conductor as a winding frame, and the refrigeration stage of the refrigerator is in the vacuum vessel and near a connection portion provided in the coil cooling heat conductor extends to, between the freezing stage cold head and the connecting portion of the tip are connected by a heat transfer member having flexibility, said superconducting coil, mosquito to the molten silicon Each of the split type coils is wound so as to be concentric with the center of the vacuum vessel above and below the coil cooling heat conductor, and the two split type coils are provided. The coil and the heat conductor for cooling the coil are housed in a double-cylindrical heat shield container disposed in the vacuum container together with the cold head at the tip of the refrigeration stage and the heat transfer member. In order to separate the electric motor constituting the part from the superconducting coil, the mounting part of the electric motor in the vacuum vessel is extended upward in a cylindrical shape, and the freezing stage of the refrigerator is also extended, A portion corresponding to the heat shield container is extended upward in a cylindrical shape to accommodate the extended portion of the stage .
[0010]
In this case, it is preferable that a plurality of slits be formed at intervals in the circumferential direction in the lower region of the cylindrical extension in the heat shield container.
[0011]
The number of the refrigerators may be one, but when at least two refrigerators are arranged, they are preferably arranged adjacent to each other or at positions facing each other with respect to the diameter direction of the vacuum vessel.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus according to the first embodiment is arranged around a single crystal growth apparatus (not shown), and contains a vacuum container 10 containing superconducting coils 11a and 11b for generating a magnetic field, and a vacuum container 10 And two refrigerators 12a and 12b for cooling the superconducting coils 11a and 11b. The refrigerators 12a and 12b are connected to a compressor for compressing and supplying and circulating helium gas as a refrigerant. Briefly, the illustrated refrigerators 12a and 12b are connected to a displacer connected to an electric motor that switches a rotary valve for switching between introduction and discharge of helium gas, and the reciprocating motion is changed to a reciprocating motion. A motion conversion mechanism for setting upper and lower limits is provided. Details are disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 63-53469, and illustration and description thereof are omitted here. The superconducting coils 11a and 11b are supported in the vacuum vessel 10 by a coil cooling heat conductor 13 as a winding frame. Since the refrigerators 12a and 12b have exactly the same structure, only the refrigerator 12a will be described below.
[0013]
The refrigerator 12a includes a first-stage refrigeration stage 12-1 having a 50K first-stage cold head 12-11 and a second-stage refrigeration stage 12-2 having a 4K second-stage cold head 12-21. This is a two-stage refrigerator. The refrigeration stages 12-1 and 12-2 are in the vacuum vessel 10, and in particular, the refrigeration stage 12-2 extends to the vicinity of the connection portion 13-1 provided in the coil cooling heat conductor 13. The second stage cold head 12-21 at the tip of the refrigeration stage 12-2 and the connecting portion 13-1 are connected by a heat transfer member 14 having flexibility.
[0014]
The vacuum vessel 10 has a double cylindrical structure that can surround the periphery of the single crystal growth apparatus, and the heat conductor 13 for cooling the coil is also formed in a cylindrical shape. That is, the single crystal growth apparatus is disposed in a space formed inside the vacuum vessel 10. Since this single crystal growth apparatus may be the same as a conventional one, illustration and description are omitted. The superconducting coils 11a and 11b are two split coils for applying a caps-like magnetic field to the molten silicon in the crucible of the single crystal growth apparatus. The superconducting coils 11 a and 11 b formed by these two split coils are wound so as to be concentric with the center of the vacuum vessel 10 above and below the coil cooling heat conductor 13.
[0015]
Further, the two superconducting coils 11a and 11b and the coil cooling heat conductor 13 are housed in a double cylindrical heat shield container 15 disposed in the vacuum container 10 together with the refrigeration stage 12-2 and the heat transfer member 14. Has been. The heat shield container 15 is for preventing intrusion of radiant heat. The two superconducting coils 11a, 11b, the coil cooling heat conductor 13, and the heat shield container 15 are supported by a plurality of load supports 16a, 16b provided at intervals in the circumferential direction at the top and bottom in the vacuum container 10. Has been. Of course, the vacuum vessel 10 has a sealed structure, but the heat shield vessel 15 also preferably has a sealed structure from the viewpoint of preventing intrusion of radiant heat. Further, although one refrigerator may be used, when two refrigerators are arranged as in this example, they are arranged adjacent to each other as shown in the figure, or arranged at positions facing each other in the diameter direction of the vacuum vessel 10. Is preferred.
[0016]
Next, each component described above will be described.
[0017]
The vacuum vessel 10 is a vessel for maintaining an adiabatic vacuum, and serves as a fulcrum for supporting loads such as the superconducting coils 11a and 11b, the heat shield vessel 15 and the refrigerator. The vacuum vessel 10 can be formed by a welded structure or a flange structure. In the case of the flange structure as in this embodiment, it can be easily disassembled. In the case of a welded structure, it is preferable to provide a removable box in a part so that only the part where the current lead and the refrigerator are installed can be maintained.
[0018]
Superconducting coils 11a and 11b are formed of a metal-based or oxide-based superconducting wire. The superconducting coils 11a and 11b are of a split type in which two coils wound in a cylindrical shape are installed at an interval in the vertical direction, and a cusp-shaped magnetic field is formed by flowing currents in opposite directions to each coil. To do. The coil interval G is set to 0.1D <G <0.5D with respect to the winding diameter D of the superconducting coils 11a and 11b.
[0019]
Although not shown, current leads are used as means for supplying current from outside the vacuum vessel 10 to the superconducting coils 11a and 11b inside. As this current lead, a current lead made of an oxide superconductor is used, and current is supplied to the superconducting coils 11a and 11b while reducing the intrusion heat into the heat shield container 15. As the material, bismuth or yttrium is used. Further, a bulk body or a wire shape can be applied as the oxide superconductor. In this case, since it is a material with low mechanical strength, the junction with the superconducting coil that needs to reduce heat generation is fixed, and the other end is anchored to the first stage refrigeration stage temperature of the refrigerator, The free end is used to relieve stress due to heat shrinkage. That is, it joins by the flexible member which applied the laminated board, the flat net wire, etc. Silver oxide is coated on both ends of the oxide superconductor by thermal spraying, and electrodes are joined thereon by soldering. As a result, a current lead with low contact resistance and low Joule heat generation is possible.
[0020]
As the refrigerators 12a and 12b, a highly reliable small refrigerator such as a GM refrigerator is used. When applying a two-stage refrigerator as in this embodiment, the first stage cold head 12-11 is attached to the heat shield container 15, and the heat shield container 15 is attached to the first stage freezing stage 12-1. After cooling, the second stage cold head 12-21 is attached to the connecting portion 13-1, and the superconducting coils 11a and 11b can be cooled by the second stage refrigeration stage 12-2. A separate refrigerator may be added exclusively for the heat shield container 15. The cold head of each refrigeration stage and the superconducting coils 11a and 11b or the heat shield container 15 may be joined directly, but the stress is relieved as in this embodiment in order to prevent the occurrence of stress due to heat shrinkage. It is effective to interpose a heat transfer member 14 having the function of
[0021]
The coil cooling thermal conductor 13 is made of a material having a high thermal conductivity such as copper or aluminum. When it is made of a material having poor thermal conductivity, such as stainless steel or FRP, a foil-like high thermal conductive material such as copper or aluminum is attached to the surface.
[0022]
For example, a copper plate and a high-purity aluminum plate are laminated on the heat transfer member 14. As an example, it is assumed that a laminate of two copper plates having a thickness of 1 mm and a high-purity aluminum plate is bent into a substantially U shape as shown. One end of the heat transfer member 14 is bolt-coupled to the second-stage cold head 12-21 of the second-stage refrigeration stage 12-2, and the other end is bolt-coupled to the connection portion of the coil cooling heat conductor 13. When the heat transfer member 14 having such a laminated structure is used, the time required for cooling is the same as that using a copper-only plate, and the cooling characteristics are better than those using a copper-only plate when kept at a low temperature (about 4K). The number of laminated copper plates and high-purity aluminum plates is not limited to two, but it is preferable that the overall plate thickness is small.
[0023]
The heat shield container 15 surrounds the periphery of the superconducting coils 11a and 11b to reduce heat radiation in order to reduce heat intrusion into the superconducting coils 11a and 11b. The heat shield container 15 is joined to the first stage call head 12-11 of the first cooling stage 12-1 of the refrigerator. In this case as well, it is preferable to realize a good thermal connection with a flexible member so that excessive thermal stress is not generated in the cylinder of the refrigerator due to thermal contraction. In addition, a multilayer heat insulating material (super insulation) can also be used together for the purpose of enhancing the effect of reducing heat radiation. The heat shield container 15 is made of a material having excellent heat transfer characteristics, such as copper or aluminum. When mechanical strength is required, stainless steel can be used as the strength member, and copper or aluminum can be used in combination as the heat member. Furthermore, in order to prevent eddy currents caused by quenching of the superconducting coils 11a and 11b or sudden magnetic field fluctuations, slits may be partially provided in the length direction as will be described later. In this case, the slit width is set to several mm in consideration of the influence of thermal radiation.
[0024]
The load supports 16a and 16 are members that support the superconducting coils 11a and 11b, the coil cooling heat conductor 13, and the heat shield container 15, and need to have excellent heat insulation performance while maintaining mechanical strength. . As the material, for example, GFRP, CFRP, stainless steel or the like can be applied. As an example of a support structure, a configuration in which a superconducting coil is supported from a vacuum vessel by a plurality of pipe-like GFRP materials is known. This pipe-shaped GFRP material takes a heat shield container and an anchor in the middle portion to reduce intrusion heat by conduction. In this embodiment, a plurality of pipe-like load supports 16a and 16b are provided above and below the vacuum vessel 10 at intervals in the circumferential direction, and the superconducting coils 11a and 11b are insulated and supported. With such a simple support structure, not only the load in the vertical direction but also the function of supporting the load in the lateral direction can be provided. Although there are examples of using wires and pipes that protrude from the lateral direction to support the lateral load, the structure that supports the superconducting coil with only the members in the vertical direction is simple, easy to manufacture, and reliable. It becomes a high quality thing.
[0025]
In addition to the above-described components, if necessary, a magnetic shield body made of a ferromagnetic material is provided on the outer side (upper and / or outer peripheral surface, or both) of the vacuum vessel 10, so that the peripheral portion of the vacuum vessel 10 is provided. The leakage magnetic field can be reduced.
[0026]
With the above configuration, it is possible to provide a refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus that is simple in structure, resistant to thermal stress, lightweight and compact, easy to operate, and highly reliable and suitable for the magnetic field application type Czochralski method.
[0027]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The feature of the second embodiment is that the installation locations of the motors 12a-1 and 12b-1 constituting the refrigerators 12a and 12b described above are separated from the superconducting coil as compared with the first embodiment. It is in. This is because a refrigerator, particularly an electric motor, may malfunction due to leakage magnetic flux from the superconducting coil. Therefore, it is the same as that of the first embodiment except for the configuration for separating the installation locations of the electric motors 12a-1 and 12b-1 from the superconducting coil, and the same parts as those in FIGS. Description is omitted. Here, the refrigerator 12a will be described.
[0028]
In order to separate the electric motor 12a-1 of the refrigerator 12a from the superconducting coil 11a, the mounting portion of the electric motor 12a-1 in the vacuum vessel 10 is configured to extend upward in a cylindrical shape. That is, the cylindrical vacuum vessel extension 10-1 is provided at the upper end of the vacuum vessel 10 corresponding to the mounting portion of the electric motor 12a-1. In accordance with this, a heat shield extension 15-1 is also provided at the upper end of the heat shield container 15. Furthermore, the second stage cold head 12-21 of the second stage refrigeration stage 12-2 of the refrigerator 12a is provided with a cold head extension 12-22, and the tip of the cold head extension 12-22 is connected to the coil cooling heat. The conductor 13 is positioned near the connection portion 13-1. This is because the length of the heat transfer body 14 is preferably as short as possible. In other words, if the length of the heat transfer body 14 is increased, it is necessary to increase the plate thickness in order to improve heat conduction. And if plate | board thickness becomes large, rigidity will rise and it will become impossible to respond | correspond to heat shrink. Note that the heat shrinkage is caused by the shrinkage of the superconducting coil when cooled, and since the temperature difference is large, the distortion with respect to heat increases.
[0029]
The heat shield extension 15-1 is made of a material having good thermal conductivity such as copper or aluminum. Here, the heat shield extension 15-1 has a cylindrical shape with a thickness of 20 mm, and eight slits are formed in the lower region at intervals in the circumferential direction. Then, it is bolted to the upper end portion of the heat shield container 15 at the lower end portion of the heat shield extension portion 15-1 divided into eight equal parts. The reason why the slits are provided as described above is that a large distortion due to thermal contraction occurs in the heat shield container 15 made of a thin plate, and this distortion acts on the heat shield extension 15-1, and this distortion is absorbed. Because. In other words, if the shield extension 15-1 is a cylindrical rigid body, the difference in thermal shrinkage between the cylindrical rigid body and the heat shield container 15 is large, and the cylindrical rigid body is distorted. In order to absorb such distortion, a slit is provided in the shield extension 15-1.
[0030]
The cold head extension 12-22 also uses a material having good thermal conductivity such as copper or aluminum, but is not made hollow but is made in a block shape.
[0031]
The refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus according to the present invention described above is suitable for generating a cusp-type magnetic field as a magnetic field source in a silicon single crystal pulling apparatus using a magnetic field application type Czochralski method.
[0032]
【The invention's effect】
The refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus according to the present invention does not require any operation related to cooling after the refrigerator is started, and does not require skill for cooling. Then, after several hours to several tens of hours, the superconducting coil reaches the superconducting temperature. When necessary, the excitation power supply can be operated to generate a predetermined magnetic field.
[0033]
Further, the generated cusp magnetic field suppresses the thermal convection of the molten silicon, and a silicon single crystal having a stable quality can be obtained.
[0034]
Furthermore, since only the power of the compressor for the refrigerator, water, and the power of the superconducting coil excitation power source are required, the running cost can be greatly reduced.
[0035]
And since a magnet apparatus is lightweight and compact, when changing the height of a magnet in the raising process, operation with low power is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a refrigerator cooled superconducting magnet apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a view showing the structure around the refrigerator in FIG. 2;
FIG. 4 is a plan view of a refrigerator cooled superconducting magnet device according to a second embodiment of the present invention.
5 is a longitudinal sectional view taken along line BB in FIG.
6 is a view showing the structure around the refrigerator in FIG. 4;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Vacuum container 10-1 Vacuum container extension part 11a, 11b Superconducting coil 12a, 12b Refrigerator 12a-1, 12b-1 Electric motor 12-1 First stage refrigeration stage 12-2 Second stage refrigeration stage 12-11 1st First-stage cold head 12-21 Second-stage cold head 12-22 Cold head extension 13 Coil cooling heat conductor 13-1 Connection 14 Heat transfer member 15 Heat shield container 15-1 Heat shield extension 16a, 16b Load Support

Claims (3)

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二重円筒構造の真空容器と、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円筒形状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
前記超電導コイルは、前記溶融シリコンに対してカスプ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、
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、
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。
In a refrigerator-cooled superconducting magnet apparatus for applying a magnetic field to the molten silicon in a single crystal growth apparatus for manufacturing a single crystal semiconductor from molten silicon, the apparatus is disposed around the single crystal growth apparatus and generates the magnetic field. A vacuum vessel having a double cylindrical structure containing a superconducting coil, and a refrigerator disposed on the top of the vacuum vessel for cooling the superconducting coil, the superconducting coil serving as a winding frame in the vacuum vessel Are supported by a cylindrical coil cooling heat conductor, the freezing stage of the refrigerator is in the vacuum vessel and extends to the vicinity of the connection provided in the coil cooling heat conductor, A connection between the cold head at the tip of the refrigeration stage and the connection portion is made with a heat transfer member having flexibility ,
The superconducting coil is composed of two split type coils for applying a cusp-like magnetic field to the molten silicon, and each split type coil is concentric with the center of the vacuum vessel above and below the coil cooling heat conductor. Is wound as
The two split coils and the coil cooling heat conductor are housed in a double cylindrical heat shield container disposed in the vacuum container together with a cold head at the tip of the refrigeration stage and the heat transfer member,
In order to separate the electric motor constituting a part of the refrigerator from the superconducting coil, the mounting portion of the electric motor in the vacuum vessel is configured to extend upward in a cylindrical shape, and the refrigeration stage of the refrigerator is also configured A refrigerator-cooled superconducting magnet device for a single crystal pulling device , wherein the portion corresponding to the heat shield container is extended and accommodated by extending the extended portion of the refrigeration stage upward in a cylindrical shape. .
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。2. The single crystal according to claim 1, wherein a plurality of slits are formed in a lower region of the cylindrical extension portion in the heat shield container at intervals in the circumferential direction. Refrigerator-cooled superconducting magnet device for pulling device. 請求項1あるいは2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。The single crystal according to claim 1 or 2, wherein at least two of the refrigerators are arranged adjacent to each other or at positions facing each other in the diameter direction of the vacuum vessel. Refrigerator-cooled superconducting magnet device for pulling device.
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