JP5057941B2 - 超電導マグネット装置 - Google Patents

Description

本発明は単結晶引き上げ装置等に適用される超電導マグネット装置に関する。

単結晶引き上げ装置に適用された超電導マグネット装置は、単結晶引き上げ装置の一構成要素であるため、その設置スペースに対する制約が厳しく、要求される磁場の増大に反して装置の小型化が求められている。一般に、単結晶引き上げ装置に適用される超電導マグネット装置のクライオスタットの形状としては、円筒型クライオスタット（例えば特許文献１、２）、コの字型クライオスタット（例えば特許文献３）、分離型クライオスタット（例えば特許文献４）等が知られている。

例えば、特許文献１及び２に記載の円筒型のクライオスタットを備えた超電導マグネット装置の一部を図８に示す。この超電導マグネット装置１００は、超電導コイル１０１を含む極低温構造物１０２と、この極低温構造物１０２を覆う輻射シールド１０３と、これらの極低温構造物１０２及び輻射シールド１０３を格納するクライオスタット１０４とを有して構成され、クライオスタット１０４が円筒形状に構成されている。

クライオスタット１０４は、外筒１０５、内筒１０６、外筒１０５と内筒１０６の上部を連結する天板１０７、及び外筒１０５と内筒１０６の下部を連結する底板１０８を有して形成された真空容器である。極低温構造物１０２及び輻射シールド１０３は、底板１０８に結合された垂直支持サポート１０９によって垂直方向に支持され、更に、外筒１０５に結合された水平支持サポート１１０によって水平方向に支持されている。尚、符号１１１は座板を示す。
特開２００４−５１４７５号公報 特開２００３−７５２６号公報 特開昭６０−３６３９１号公報 特開平１０−１３９５９９号公報

しかしながら、極低温構造物１０２は垂直支持サポート１０９及び水平支持サポート１１０等の配置によって形状が複雑になるため、クライオスタット１０４の内部に不要な真空空間が生まれやすいという課題があった。またクライオスタット１０４内への輻射による侵入熱は、一般に輻射シールド１０３を用いて低減が図られるが、輻射伝熱量が対象の表面積に比例するためクライオスタット１０４の形状に依存する。従って、底板１０８が存在する場合には、クライオスタット１０４内への輻射熱量が著しいという課題があった。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、クライオスタット内部の真空空間を削減して外部の常温作業空間を拡大できると共に、クライオスタット内への輻射による熱侵入を低減できる超電導マグネット装置を提供することにある。

本発明は、複数個の超電導コイルを含む極低温構造物と、この極低温構造物を覆う輻射シールドと、これらの極低温構造物及び輻射シールドを格納するクライオスタットと、を有して構成される超電導マグネット装置において、前記クライオスタットは、外筒、内筒、及びこれらの外筒及び内筒の上部を連結する天板を備えてなり、前記外筒と前記内筒の少なくとも一つが成型加工され、前記外筒の下部と前記内筒の下部が直接気密接合されて構成されたことを特徴とするものである。

本発明によれば、クライオスタットは、外筒と内筒の少なくとも一つが成型加工され、外筒の下部と内筒の下部が直接気密接合されたので、底板を廃することができる。この結果、クライオスタット内部の真空空間を削減して外部の常温作業空間を拡大できると共に、クライオスタット内への輻射による熱侵入を低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
図１は、本発明に係る超電導マグネット装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、引き上げ炉と共に示す超電導マグネット装置の断面図である。図３は、図２の一部を拡大して示す部分断面図である。

図１〜図３に示す超電導マグネット装置１０は、単結晶引き上げ装置１１の構成要素として適用される。この単結晶引き上げ装置１１は、前記超電導マグネット装置１０のほかに、この超電導マグネット装置１０に囲まれた空間（ボア部２６）内に配置された引き上げ炉１２、及び単結晶体１を引き上げる引き上げ機（不図示）等を有して構成される。

引き上げ炉１２内に、単結晶材料２を溶融状態で収容する坩堝１３と、この坩堝１３の外周に配設されて、坩堝１３内の単結晶材料２を溶融するヒータ１４とが内蔵される。前記超電導マグネット装置１０は、後述の超電導コイル１５からの水平磁場Ｂを坩堝１３内の単結晶材料２へ印加して、溶融状態の単結晶材料２に対流の発生を抑制し、大口径且つ高品質な半導体用のウェハを製造可能とする。

ここで、単結晶引き上げ装置１１による単結晶体１の製造について述べる。まず、坩堝１３内に単結晶材料２を投入してヒータ１４により加熱し、単結晶材料２を溶融させる。

次に、この溶融液中に図示しない種結晶を、例えば坩堝１３の中央部上方から下降して挿入し、図示しない引き上げ機により種結晶を所定速度で引き上げ方向Ｚに引き上げる。これにより、固体と液体の境界層に結晶が成長し、単結晶が生成される。

この際、ヒータ１４の加熱によって単結晶材料２の溶融液に熱対流が生ずると、引き上げられる溶融液が乱され、単結晶生成の歩留まりが低下してしまう。そこで、超電導マグネット装置１０の超電導コイル１５から溶融状態の単結晶材料２へ磁場Ｂを印加する。これにより、坩堝１３内の溶融状態の単結晶材料２は、電磁制動によって対流が抑制され、種結晶の引き上げに伴って所定の速度でゆっくりと引き上げ方向Ｚに引き上げられ、固体の単結晶体１として製造される。

さて、超電導マグネット装置１０は、引き上げ炉１２に磁場Ｂを印加するヘルムホルツ型の超電導マグネット装置であり、複数個の超電導コイル１５を含む極低温構造物１６と、この極低温構造物１６を覆う輻射シールド１７と、これらの極低温構造物１６及び輻射シールド１７を格納するクライオスタット１８とを有して構成される。

超電導コイル１５は少なくとも２個（例えば２個）が、クライオスタット１８の内筒２１（後述）を介して対向配置され、同一方向の磁場Ｂを発生する。この超電導コイル１５は、本実施の形態では円形状のものであるが、楕円形状、矩形状、矩形の角部が湾曲して形成されたレーストラック形状、または内筒２１の曲面に沿って形成された鞍型形状に構成されたものであってもよい。

輻射シールド１７は、極低温構造物１６への輻射熱の侵入を抑制するものである。また、クライオスタット１８は、内部を真空空間Ａとして断熱機能を高めるための真空容器である。このクライオスタット１８は、本実施の形態では円筒型の場合を示す。このクライオスタット１８に冷凍機１９及び電流リード（不図示）が設置されている。冷凍機１９は、その第１段ステージによって輻射シールド１７を直接冷却し、第２段ステージによって伝熱材（不図示）を介し極低温構造物１６（即ち超電導コイル１５）を直接冷却する。また、電流リードは超電導コイル１５へ電流を供給する。

前記クライオスタット１８は、外筒２０、内筒２１及び天板２２を有して構成される。天板２２は、外筒２０と内筒２１とのそれぞれの上縁を連結する。冷凍機１９及び電流リードは、この天板２２に配置される。

この天板２２に結合されて垂下された垂直支持構造物としての第１垂直支持サポート２３が、極低温構造物１６を上方から垂直方向に支持する。同様に、天板２２に結合されて垂下された第２垂直支持サポート２４が、輻射シールド１７を上方から垂直方向に支持する。極低温構造物１６及び輻射シールド１７は、外筒２０に結合された水平支持サポート２５によって水平方向に支持される。

ところで、極低温構造物１６がクライオスタット１８内で内筒２１側に偏って配置されている場合、例えば、クライオスタット１８のボア部２６（即ち、内筒２１により囲まれた常温空間部）の直径をＤとしたとき、一対の超電導コイル１５が１．０５Ｄ〜１．２５Ｄの間隔で内筒２１を挟んで対向配置されている場合には、クライオスタット１８内部の真空空間Ａの下部外側の領域に不要なスペースが生ずる。

そこで、このような場合には、外筒２０の下部が内筒２１側へ向かって傾斜して成型加工され、この外筒２０の下端２０Ａが内筒２１の下端２１Ａに直接気密接合される。外筒２０の上記成型加工は、例えば絞り加工やプレス加工である。また、外筒２０と内筒２１との気密接合は、例えば溶接などである。

外筒２０の成型加工に際し、この外筒２０の成型加工部分の水平面に対する角度θが２０°〜３０°の範囲に設定されて、クライオスタット１８内部の真空空間Ａの下部外側の不要なスペースがより効果的に削減される。

また、このとき、外筒２０の曲げ部２７の曲率半径Ｒは、５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲に設定される。曲率半径Ｒを５ｍｍ以上としたのは、成型加工される外筒２０の板厚を基準にしたものである。また、曲率半径Ｒを２００ｍｍ以下としたのは、外筒２０の成型加工部分が極低温構造物１６の存在する領域に至らず、外筒２０の成型加工部分と極低温構造物１６との間に適切な断熱ギャップが確保されるからである。尚、図３中の符号２８は、クライオスタット１８（即ち、超電導マグネット装置１０）をフロアに据付るための台座である。

従って、本実施の形態によれば、次の効果（１）〜（４）を奏する。

（１）極低温構造物１６が第１垂直支持サポート２３を用い、輻射シールド１７が第２垂直支持サポート２４を用いて、それぞれ天板２２により上方から支持されることで、クライオスタット１８から底板１０８（図８参照）を不要にできると共に、外筒２０の下部が成型加工され、その下端２０Ａが内筒２１の下端２１Ａに、底板を介することなく直接気密接合されている。この結果、クライオスタット１８の真空空間Ａにおいて、極低温構造物１６が存在しない下部外側の領域を削減でき、その分、クライオスタット１８の外部の常温作業空間を拡大できる。

このため、超電導マグネット装置１０は、寸法制約の厳しい単結晶引き上げ装置１１の他の構成要素との干渉を回避することができ、更に、拡大した外部常温作業空間を、単結晶引き上げ装置１１の据付時の作業スペースや、単結晶引き上げ装置１１の計測機器、ユーティリティなどの設置スペースとして有効に活用することができる。

（２）外筒２０の下部が成型加工され、その下端２０Ａが内筒２１の下端２１Ａに直接気密接合されて、底板が廃されたので、クライオスタット１８の表面積を低減することができる。従って、この表面積に比例するクライオスタット１８の輻射伝熱量を低減できるので、クライオスタット１８内への熱侵入を抑制できる。

（３）クライオスタット１８の外筒２０を成型加工せずに、外筒２０と内筒２１とを底板に溶接した場合と比較すると、外筒２０を成型加工して内筒２１に溶接したときの製作誤差は小さくなる。この結果、この超電導マグネット装置１０では、外筒２０と極低温構造物１６の間の設計時の断熱ギャップを最小限としても、高い信頼性を確保することができる。

（４）外筒２０が成型加工されたことで、クライオスタット１８の剛性を全体として向上させることができる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図４）
図４は、本発明に係る超電導マグネット装置の第２の実施の形態を示し、図３に対応する部分断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の超電導マグネット装置３０が前記第１の実施の形態の超電導マグネット装置１０と異なる点は、クライオスタット１８の内筒３３の下部が成型加工され、その下端３３Ａが外筒３２の下端３２Ａに直接気密接合された点である。成型加工と気密接合については、第１の実施の形態と同様である。

極低温構造物１６がクライオスタット１８内で外筒３２側に偏って配置されている場合には、クライオスタット１８内の真空空間Ａの下部内側領域に不要なスペースが生ずることになる。そこで、内筒３３の下部が外筒３２側へ向かって傾斜して成型加工され、その下端３３Ａが外筒３２の下端３２Ａに気密接合される。これにより、クライオスタット１８のボア部２６の常温作業空間（特に下側領域）を拡大させることが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（３）及び（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）及び（６）を奏する。

（５）クライオスタット１８の内筒３３の下部が成型加工され、その下端３３Ａが外筒３２の下端３２Ａに直接気密接合されている。この結果、クライオスタット１８の真空空間Ａにおいて、極低温構造物１６が存在しない下部内側の領域を削減でき、その分、クライオスタット１８のボア部２６の常温作業空間を拡大できる。

このため、超電導マグネット装置３０は、寸法制約の厳しい単結晶引き上げ装置１１の他の構成要素との干渉を避けることができ、更に、拡大したボア部２６の常温作業空間を、単結晶引き上げ装置１１の計測機器、引き上げ炉１２等の設置スペースとして有効に活用することができる。

（６）内筒３３の下部が成型加工され、その下端３３Ａが外筒３２の下端３２Ａに直接気密接合されて、底板が廃されたので、クライオスタット１８の表面積を低減することができる。従って、この表面積に比例するクライオスタット１８の輻射伝熱量を低減できるので、クライオスタット１８内への熱侵入を抑制できる。

［Ｃ］第３の実施の形態（図５）
図５は、本発明に係る超電導マグネット装置の第３の実施の形態を示し、図３に対応する部分断面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の超電導マグネット装置４０が前記第１の実施の形態の超電導マグネット装置１０と異なる点は、クライオスタット１８の外筒４２の下部と内筒４３の下部とが、共に成型加工され、外筒４２の下端４２Ａと内筒４３の下端４３Ａとが直接気密接合された点である。成型加工と気密接合については、第１の実施の形態と同様である。

極低温構造物１６がクライオスタット１８内で外筒４２と内筒４３との中間位置に配置されている場合には、クライオスタット１８内の真空空間Ａの下部外側領域及び下部内側領域に不要なスペースが生ずることになる。そこで、外筒４２の下部及び内筒４２の下部が、相互に接近して傾斜するように共に成型加工され、それらの下端４２Ａ、４３Ａ同士が気密接合される。これにより、クライオスタット１８の外部及びボア部２６の常温作業空間を共に拡大させることが可能となる。

従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（３）及び（４）と同様な効果を奏するほか、次の効果（７）及び（８）を奏する。

（７）クライオスタット１８の外筒４２の下部と内筒４３の下部とが共に成型加工され、外筒４２の下端４２Ａと内筒４３の下端４３Ａとが直接気密接合されている。この結果、クライオスタット１８の真空空間Ａにおいて、極低温構造物１６が存在しない下部外側領域及び下部内側領域を削減でき、その分、クライオスタット１８の外部及びボア部２６の常温作業空間を拡大できる。

このため、超電導マグネット装置４０は、寸法制約の厳しい単結晶引き上げ装置１１の他の構成要素との干渉を回避することができ、更に、拡大した外部及びボア部２６の常温作業空間を単結晶引き上げ装置１１の計測機器、ユーティリティ、引き上げ炉１２等の設置スペースとして有効に活用することができる。

（８）外筒４２及び内筒４３の下部が成型加工され、これらの下端４２Ａと４３Ａとが直接気密接合されて、底板が廃されたので、クライオスタット１８の表面積を低減することができる。従って、この表面積に比例するクライオスタット１８の輻射伝熱量を低減できるので、クライオスタット１８への熱侵入を抑制できる。

［Ｄ］第４及び第５の実施の形態（図６、図７）
図６は、本発明に係る超電導マグネット装置の第４の実施の形態を示す斜視図である。図７は、本発明に係る超電導マグネット装置の第５の実施の形態を示す斜視図である。これらの第４及び第５の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

第４の実施の形態の超電導マグネット装置５０のクライオスタット５１（図６）と、第５の実施の形態の超電導マグネット装置６０のクライオスタット６１（図７）が、前記第１の実施の形態における超電導マグネット装置１０のクライオスタット１８と異なる点は、クライオスタット５１が平面視コ字形状のコ字型クライオスタットであり、クライオスタット６１が分離型のクライオスタットである点である。

分離型のクライオスタット６１は、それぞれが直方体形状のクライオスタット６１Ａと６１Ｂとが所定距離離間し、サポート６２を用いて連結されて配置されている。これらのクライオスタット６１Ａと６１Ｂとに囲まれた空間に引き上げ炉１２が配置される。また、コ字型のクライオスタット５１についても、このクライオスタット５１に囲まれた空間に引き上げ炉１２が配置される。

これらの第４及び第５の両実施の形態においても、前記第１〜第３の実施の形態と同様な効果（１）〜（８）を奏する。

以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、超電導マグネット装置は、クライオスタット１８内に、超電導コイル１５を収容する冷媒容器が配置され、この超電導コイル１５が冷媒容器内に充填された冷媒によって間接的に冷却されるものでもよい。

本発明に係る超電導マグネット装置の第１の実施の形態を示す斜視図。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う、引き上げ炉と共に示す超電導マグネット装置の断面図。 図２の一部を拡大して示す部分断面図。 本発明に係る超電導マグネット装置の第２の実施の形態を示し、図３に対応する部分断面図。 本発明に係る超電導マグネット装置の第３の実施の形態を示し、図３に対応する部分断面図。 本発明に係る超電導マグネット装置の第４の実施の形態を示す斜視図。 本発明に係る超電導マグネット装置の第５の実施の形態を示す斜視図。 従来の超電導マグネット装置の一部を示す部分断面図。

符号の説明

１０ 超電導マグネット装置
１２ 引き上げ炉
１３ 坩堝
１５ 超電導コイル
１６ 極低温構造物
１７ 輻射シールド
１８ クライオスタット
２０ 外筒
２１ 内筒
２２ 天板
２３ 第１垂直支持サポート（垂直支持構造物）
２７ 曲げ部
３０ 超電導マグネット装置
３２ 外筒
３３ 内筒
４０ 超電導マグネット装置
４２ 外筒
４３ 内筒
５０ 超電導マグネット装置
５１ クライオスタット
６０ 超電導マグネット装置
６１ クライオスタット
Ａ 真空空間
Ｂ 磁場
Ｒ 曲率半径
θ 角度

Claims (8)

1. 複数個の超電導コイルを含む極低温構造物と、この極低温構造物を覆う輻射シールドと、これらの極低温構造物及び輻射シールドを格納するクライオスタットと、を有して構成される超電導マグネット装置において、
   前記クライオスタットは、外筒、内筒、及びこれらの外筒及び内筒の上部を連結する天板を備えてなり、
   前記外筒と前記内筒の少なくとも一つが成型加工され、前記外筒の下部と前記内筒の下部が直接気密接合されて構成されたことを特徴とする超電導マグネット装置。
2. 前記極低温構造物は、クライオスタットの天板に結合された垂直支持構造物によって上方から支持したことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
3. 前記クライオスタットの外筒が成型加工された場合、この成型加工部分の水平面に対する角度θが２０°〜３０°に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
4. 前記クライオスタットの外筒が成型加工された場合、この外筒の曲げ部の曲率半径が５ｍｍ〜２００ｍｍの範囲に設定されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
5. 前記クライオスタットは、円筒型、コ字型または分離型に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
6. 前記超電導コイルは、円形形状、楕円形状、矩形状、鞍型形状またはレーストラック形状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
7. 前記クライオスタット内部が真空空間に設けられ、極低温構造物及び輻射シールドが冷凍機により直接冷却可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。
8. 前記クライオスタットに囲まれた空間内に、半導体用単結晶材料を溶融状態で収容する坩堝を内蔵した引き上げ炉が配置され、前記クライオスタット内の超電導コイルからの磁場が前記坩堝内の単結晶材料に印加されるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載の超電導マグネット装置。

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