JPS62114280A - 冷却装置および冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の分野］ 本発明は低温電子デバイスを動作させるための装置に関
し、特にかかる電子デバイスを所望の温度に冷却する装
置するものである。

［従来技術の説明］ 超伝導技術と室温のデバイスによって発生される電気的
な波形の測定に使用するためには、またいずれか低温電
子デバイスを室温電子デバイスとインタフェースさせる
ためには、以下に議論される電気的、機械的および温度
的な制約を満足するインタフェース計画を見出すことが
必要である。

電気的制約 高周波で、しかも極めて短いパルス持続時間で作動させ
る場合に、低温回路と室温回路との間の伝送線における
多少の電力損によって信号転送が劣化する。この劣化は
パルスの分散、またはパルスの広がりとして現われる。

電力損を最小とするためには、伝送線を抵抗値の低い材
料で、できるだけ短く、しかも断面積は最大限に大きく
して作る必要がある。しかし、断面積を大きくすると云
う後者の制約は、伝送線の幅を関連する回路の最大周波
数の波長以上とすべきではないと云う他の制約によって
制限される。その理由は、大きな動態は導波管となり、
しかも配置面の損失をまねくからである。

機械的制約 伝送線の一端は極めて低い温度で作動し、かつ他端は室
温で作動するから、伝送線はその温度差に耐え得ること
が重要である。従って、伝送線と低温デバイスとの間の
結合部はその低温に耐え得るようにすべきであり、しか
も低温部と室温部との間における伝送線を通す封止部も
必要な温度に耐え得るようにする必要がある。これらの
素子は保守面や、ヘリウム供給源の補給および毎日の使
用のために室温から低温への繰返しサイクルにも耐え得
るようにすべぎである。ざらに、伝送線の温度膨張係数
を低温デバイスのそれに密に整合させる必要があり、し
かもその構成は、伝送線の振勤および温度により８起さ
れる変動（これらを総括して「動き」と称する）を許容
し得るようにする必要がある。

温１Ｊν匪致 室温部から低温部への過度な熱の転送を防ぐために伝送
線はできるだけ長くする必要がある。これは短い伝送線
を好適とする前記電気的制約とは正反対である。伝送線
は熱伝導率の低い材料で作る必要もある。通常熱伝導率
の低いものは導電率も低いとされるから、この制約も前
記電気的制約とは反対である。

超伝導エレクトロニクスの分野で働いている人達は代表
的には液体ヘリウムに回路を浸すことによって必要な温
度を達成させている。これについては例えばアイ・イー
・イー・イー　トランザクションズ　オン　インストウ
ルメンテーション　アンド　メジャーメント（ＩＥＥＥ
　Ｔｒａｎｓ。

ｏｎ　　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　　ａｎｄ　
　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）、　　Ｖｏｌ。

ＩＭ−３１，第１２９〜１３１頁（１９８２年）のハミ
ルトン著による論文「ジョセフソン集積回路用の高速低
漏洩チップ保持器」を参照できる。これに示されている
装置は、液体ヘリウムのデユワ−びんに侵すべきジョセ
フソン接合チップに幾つもの同軸ケーブルを取付けるよ
うにしている。ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、　ｏｎＭａｇｎ
ｅｔｉｃｓ、ＭＡＧ−１７，第５５７〜５８２頁（１９
８１）にもハミルトン外１名著による論文が記載されて
おり、この場合には低温チップを同軸ラインの内側に部
分的に挿入して、そのラインを経て信号を室温デバイス
に結合させている。この文献には記載されてはいないが
、この場合低温チップは液体ヘリウム内に浸されるもの
と思われる。上記２つの装置はいずれも熱伝導率が高い
大きな同軸ラインを用いるように制約されている。これ
がため、熱損失をなくすためには同軸ラインを長くする
必要がある。さらに、これらの装置は簡単にプレーナチ
ップに適用することはできない。さらに少なくとも後者
の装置は僅か１本のラインをチップに結合させるだけで
あり、その装置の有用性が制限される。

上述した制約を処理する試みが米国特許第４．４９８，
０４６号に開示されている。これに記載されているイン
ターフェースは液体ヘリウムを通したり、真空にしたり
する気密封止部を具えており、この封止部はフランジと
長さの異なる２個の半円筒状の溶融石英部分とから成る
もので、液体ヘリウムを充填した低温槽から真空チャン
バへの貫通プラグとして作用する。溶融石英は熱的に非
伝導性のものであり、これは銅製の導電性ストリップラ
インに対する低損失の基板を成し、この基板の長い方の
平担面に上記ストリップラインをパターン化させる。溶
融石英の膨張係数は小さく、これはジョセフソンおよび
半導体チップ基板用に用いられるシリシコンの膨張係数
に比較的良好に整合する。

貫通プラグを成す２個の溶融石英製の半円筒状部分は、
銅製ストリップラインを有する部分が両端部にて互いに
つき合わさる半円筒部分を越して十分に延在して前記プ
ラグの両端部に２つのプラットホームを形成するように
配置する。これらのプラットホームの一方には低温半導
体チップ又は半導体デバイスを取付け、他方には室温半
導体チップまたは半導体デバイスを取付ける。円筒状と
するのは貫通プラグのまわりのチャンバ壁部を封止する
のに用いられる接着剤に及ぶ応力を最小とするためであ
る。ストリップラインを平担状のものとすることにより
、これらを同じく平担状のものである半導体チップに直
接低インダクタンスで接続することができる。低インダ
クタンスの接点は直径が約１００μｍまたはそれ以下の
銅の球体または剛性のプローブとし、これらは機械的な
圧力によってチップに押付ける際にこれらチップのハン
ダパッドに入り込ませる。貫通プラグのまわりの低温槽
の壁部は非導電性の薄い接着層で封止′る。作動に際し
ては、２個のチップをプラットホームに取付け、貫通プ
ラグを低温槽の壁部を経て挿入して、低温チップを低温
槽の液体ヘリウム中に浸し、室温チップを真空チャンバ
の内部に配置する。加熱素子および熱結合器を室温チッ
プの配置個所の近くに設けて、そのチップを暖める。

真空チャンバは排気して、水および他のガスのプラグへ
の霜降りを防止し、かつ低温槽を適切に断熱させるよう
にもする。

前記米国特許第４，４９８，０４６号の装置には、高価
で信頼度が低く、しかも大多数の用途に使用できないと
云う多数の問題点がある。先ず、この米国特許に記載さ
れている低温デバイス冷却用の方法は、その低温デバイ
スを液体ヘリウムに浸すだけである。これは装置を大型
にし、取扱いにくいものにする。

第２として、上記米国特許の装置には低温槽と真空チャ
ンバとの間および真空チャンバと外部環境との間に１個
づつの少なくとも２個の封止部が必要である。これら封
止部の内の少なくとも前記最初に述べた方の封止部は作
製するのが極めて困難である。その理由は、斯かる封止
部は極低温で作動させなければならず、極低温と室温と
の温度変化を多数回繰返すことのできるようにもし、か
つ所定量の撮動に対しても破壊しないようにする必要が
あるからである。ヘリウム原子の大きさは小さいため、
これは封止部の極めて小さな亀裂を通過し、亀裂のない
材料をも通過し得る。このために使用できる封止部の種
類は極めて制限される。

第３として、低温チップはシリコン基板に形成され、伝
送線は溶融石英基板に形成されるため。

低温チップおよび伝送線は通常別々に形成してから機械
的および電気的に一緒に結合させる必要がある。このよ
うな余分な工程は製造コストを高めることになる。さら
に、低温チップおよび伝送線の温度膨張係数は互いに近
いものであるが、材料が異なることからして、多少の不
整合があり、これにより電気的接続および機械的結合の
信頼度が低下する。

第４としては、真空チャンバと隔離材料とを多重層によ
って封止する必要があるため、２つのチップ間に電気信
号を送る伝送線を極めて長くする必要がある。

第５として、前記米国特許第４，４９８，０４６号の装
置における貫通プラグは、良好な封止を行い得るように
するために円筒状とする必要がある。しかしこれは製造
が困難であり、しかも斯かる米国特許の第３Ｅ図に示さ
れるような特殊な形状とする必要がある。

最後に、前記米国特許第４，４９８，０４６号の装置に
用いられるチップは、それらを交換するために出入れす
るのに簡単に栓することができない。

上述した例が示すように、低温エレクトロニ多スの分野
では液体ヘリウムへの浸漬が必要な温度に到達する唯一
の可能な方法であるという仮定に害されているように見
える。光学の分野では、機器は時には登録商標Ｒｅｆｔ
−Ｔｒａｎとして知られているＡｊｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔ
ｓ　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ａｌｌｅｎｔｏｗｎ
、ＰＡの製品を使って冷却されている。Ｈｅ１ｉ−Ｔｒ
ａｎは真空中に置かれている冷却すべき試料を保持する
支持ヘッドと、支持ヘッドを液体ヘリウムのデユワ−瓶
に連結するための多チャネルの可撓性の移送管とからな
りている。移送管の構造は全体としては明らかでないが
、前向きに（デユワ−瓶から支持ヘットへ）ヘリウムを
流す毛細管と、財向きにヘリウムを流す毛細管を囲む遮
蔽管、および３１蔽流体のための分離した還流毛細管と
からなっていると信じられる。デユワ−瓶を加圧すると
、液体ヘリウムが前向きにヘリウムを流す毛細管と遮蔽
管の両方を通って支持ヘッドに流れる。毛細管の中のヘ
リウムは移送管の端部を閉じている金属ブロックの内面
に突き当り、それから移送管要素を同軸的にすっかり囲
んでいる通路に入り、逆方向に短い距離を勅ぎ、ヘリウ
ムの排出口を通って外に出る。遮蔽管の中のヘリウムは
金属ブロックの前で後もどりし、還流毛細管に入り、デ
ユワ−瓶の近くの遮蔽流体もどり口から外に出る。試料
保持具は金属ブロックの外側に接触しているので、熱を
冷却すべき試料から金属ブロックに伝えることができる
。金属ブロックは前向きに流す毛細管中のヘリウムによ
ってそれ自体冷却されている。

１１ｅｌｉ−Ｔｒａｎシステムの主要な欠点は支持ヘッ
トが全体として真空の囲いの中に包まれていることであ
り、これは試料の取りはすしを困難にし、面倒にする。

試料の取替えに１際して取りはずしたり再び取りつけた
りしなければならない支持ヘッド関連の小さな部品の数
が多いので、この欠点は一層強調される。さらに特に低
温電子回路に関しては、その特徴として金属ブロックと
試料保持具が回路自体より非常に大きい。そのため著し
い量のヘリウムが熱的に巨大なかたまりを冷却するため
に、それは冷却する必要のあるものではないのに、消費
される。さらに、文献は超伝導電子回路の全浸漬をＨｅ
１ｉ−Ｔｒａｎシステムまたはその明らかな変形と組合
せて教示している。Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈに付与された
米国特許第３，８９４，４０３号の第５図に超伝導磁石
がその中に浸漬されている液体ヘリウム槽を冷却するシ
ステムが示されている。

前浸漬構造は浸漬された表面面積を小さくすることがほ
とんどまたは全くできないので、特徴として液体ヘリウ
ムの消費が非常に大きい。本発明は低温回路が置かれて
いる領域のみを冷却すれば液体ヘリウムの消費を著しく
減少できるという観察から幾分かは得られたものである
。

［発明の目的］ 本発明の目的は低温回路を冷却する方法および装置を提
供することにある。

本発明の他の目的は回路を真空室内に納めることを必要
としない低温回路の冷却方法および装置を提供すること
にある。

本発明の他の目的は液体ヘリウムの消費の少ない低温回
路の冷却方法および装置を提供することにある。

本発明の他の目的は回路を液体ヘリウム浴に浸漬する必
要のない低温回路の冷却方法および装置を提供すること
にある。

本発明の他の目的は冷たい流体を回路上に噴射し、廃棄
流体を周囲環境に排出することによって低温回路を冷却
する方法および装置を提供することにある。

［発明の構成］ 上述した各目的およびその他は、本発明に従って冷たい
流体の流れをチップ基板の低温回路を含む領域上に導き
、ひきつづいて流体を周囲環境中へ消散させることによ
って達成−される。装置は回路を保持するための外囲器
、流体を回路に当てた後で基板の他の部分の上に案内す
る手段、および／または流体の排出流を回路を囲む輻射
遮蔽体を冷却するように導く手段を含んでもよい。流体
の出口通路は回路を通り過ぎた後で折返して外部から輻
射的に近傍に人ってきた熱を外部へ流し出すのを助ける
ようにしてもよい。回路は冷たい流体の流れを回路自体
の上に導くことによって直接冷却されてもよく、または
冷たい流体の流れを回路に熱的に接続可能な小面積の表
面をもつ熱伝導性のブロックを通して導くことによって
間接的に冷却されてもよい。

［実施例］ 第１図に本発明の一実施例の装置構成を示す。

チップ支持アセンブリ８は、カップをさかさにした形の
剛体のフレーム１０から構成されており、フレームの内
部は例えばテフロンまたはスチロフォームのような断熱
材１ｚで内張すされ非真空の開かれた室２８を形成して
いる。

移送管１４は例えば液体ヘリウムのような冷たい流体の
デユワ−瓶（図示せず）に連結されている。

断熱材１２の内側表面は移送管１４の端部をゆるみを持
たせて挿入できるように形成されている。移送管１４は
二つの同軸の部分から構成されており、内側の部分は冷
たい液体を移送し、外側の部分は内側の部分の断熱の役
割りを果たす。

内部の同軸部分の自由な端部は、ノズル１６の形に形成
しであるが、特殊な形にする必要は無く、車に管の先端
を切断しておけばよい。フレーム１０および断熱材１２
の端部には隙間を設はチップ１８が部分的にその中に挿
入されている。チップ１８は基板２０と伝送線２４とで
構成されている。基板２０は例えば溶融石英を材料とし
、基板２０の上には既知の方法で組立てられた低温回路
２２が設置されており、基板の端部はカップ内に挿入さ
れている。そして伝送線２４は低温回路２２から基板２
０上の長手方向にチップの外に引き出されている。

低温回路２２はニオビウムを基本にしたジョセフソン接
合回路にしてもさしつかえなく、また、伝送線をニオビ
ウムで作製することもできる。溶融石英が低熱伝導性の
ゆえに、基材材料として使用されている。もし必要なら
ば、フレームｌＯの端部の隙間のチップ１８の周囲を膠
質のビート２６で封止してもよい。

液体ヘリウムを流し出すと、冷却された気液混合流体が
ノズル１６から噴出され、また、開かれた室２８に充満
する。それ故、低温回路はたちまちのうちに極低温にま
で冷却される。ノズル１６から噴出した流体がチップ１
８の端末部を噴射するようにチップ支持アセンブリ８は
正しい位置に置かれるべきであるが正確な位置合わせは
必ずしも必要でない。たとえ、噴射流がチップに直接当
たらなくても、流体の排出が遅く、後から噴出してくる
流体がチップと熱的に接触している限りは、本装置は十
分に稼動する。廃棄ガスは開かれた室２８ｈ）ら、穆送
管１４と断熱材１２との隙間を通じて流出する。室温の
ような異なった温度で作動する第２の回路（図示せず）
を、フレーム１０の外部に出ている基板２０に直接組込
むことも可能であり、また伝送線２４ヘワイヤー（図示
せず）を介して接続することも可能である。

本装置の構造の利点は下記のように明らかである。第１
に本装置は、非常に容易な構造で安価に製作でき、そし
て装置が小形なので伝送線を短くすることができる。装
置全体が真空外囲器なしで、開放空気中で作動するので
厳密な封止を必要としない。さらに試料の冷却部の放熱
面積がとても小さいので液体ヘリウムの消費量が従来の
方法に比べて顕著に減少される。最後に、チップ支持ア
センブリの中のチップを交換したり、または単にアセン
ブリ全体を交換すれば、容易に試料を外すことが可能と
なる。上述した装置はどのような形のどのような物の、
電子的な正確のものであろうとなかろうと、冷却に使用
できることに注意すべきである。しかし、もし第１図に
示すように試料が冷却室よりはみ出る場合には試料は低
熱伝導性のものであることが望ましい。

第２図に第１図に示したものと同様の本発明の他の実施
例を示す。断熱材料で作製された円筒状のガイド４０が
、チップ１８を囲むように、室２８の中に配設されてい
る。ガイド４０はノズル１６からの噴流が回路２２に直
接当るのを助け、また、噴流が回路を冷却した後も、チ
ップ１８の他の部分と熱的に接触するのを助けるように
置かれる。このことで、基板２０の長手方向に沿う熱伝
導が減少する。

ガイド４０は断熱材１２の内壁とは間隔を置いているの
でノズル１６から噴出した流体はガイド上を通過して、
ガイド４０と断熱材１２との間の隙間、つぎに穆送管１
４と断熱材１２との間の隙間を通り室２８の外へ流出す
る。ガイド４０は、流体が流れるような手段（図示せず
）によって支持される。ガイド４０を設けることにより
、廃棄流体が回路２２を通過した後で折れ曲るので、外
気から輻射的に断熱材１２を通ってくる熱を室２８の外
へ流し出すという利点も加わる。ざらにガイド４０もし
くは、断熱材１２の内面は輻射遮蔽の作用をする材料で
作られても、そのような材料で被覆されてもよい。この
場合、廃棄流体は遮蔽材を冷却するのを助は断熱効果を
更に増す７ あとの形態を応用した本発明の実施例を第３図に示す。

迷路部５０は交互に向きを逆にして同心的に配設された
４個のカップ５２，５４，５６．５８から構成されてい
る。すなわち、迷路部５０の一番外側のカップ５２　！
ｆ下方に開口している。次の内側のカップ５４はカップ
５２の中に同軸にそして上方に開口して設けられている
。次のカップ５６は、カップ５４の中に同軸にそして下
方に開口して設けられている。そして最も内側のカップ
５８は同軸状にカップ５６の中に上方に開口して配設さ
れている。上方および下方という語が本記述に使用され
ているが、水平方向を含むどのような方向においても迷
路部５０は作動することは理解されるだろう。また、第
３図には４つのカップが図示されているが、カップの数
はいくつでもよいことも理解されるだろう。

カップ５８の最も内側から外気までの旋回する通路を設
けるために、それぞれのカップの縁および壁と隣接する
カップの底および壁との間にはそれぞれ間隔を設ける。

下方に開口しているカップ５２および５６の底には、お
のおの隙間６２および６４を設けている。チップ１８は
低温回路がその上に作製されている端部がカップ５８の
中に置かれるように隙間６０および６４を通して挿入さ
れ、チップ１８の反対側の端部は迷路部５０の外側に置
かれる。上方に開口している２個のカップ５４および５
８も同様に、その底にそれぞれ６２および６６で示され
る穴を有する。ノズル１６がカップ５８内部に開口する
ように穴６２および６６を通っている。前述した実施例
に示したように、ノズル１６とチップ１８は、ノズル１
６から噴射された流体が、チップ１８の端部を直射する
ように正しい位置に置かれるべきであるが、位置合わせ
は必ずしも厳密でなくてもよい。

動作時においては、ノズル１６から噴射される冷却され
た流体が、チップ１８の端部を直射し、極低温までチッ
プ１８の端部を冷却する。カップ５８の内部から外気ま
での通路が曲りくねっているので、チップ１８付近で所
望の温度を維持するためには、流体には多大な圧力をか
ける必要がある。迷路部５０に入る輻射熱の多くは、主
に流れる流体によって連続する各層か・ら外に流し出さ
れる。カップ５２，５４．５６および５８の材料はどの
ような材料でもよいが、剛性のある熱抵抗性の、たとえ
ばテフロンのような材料が好ましい。製造は非常に容易
かつ安価であり、迷路部５０は所望の大きさに小さくす
ることが可能である。

本発明の原理は第４図に示した実施例に従って利用する
ことができる。この実施例では直立したスチロフォーム
のカップ８０の上部にカバー８２を設けている。スチロ
フォームカップ８０にはその側面のカバー８２に近い位
置に通気穴８４が設けられている。液体ヘリウム移送管
１４はカップ８０の下方に設けられ、ノズル１６がカッ
プ８０の床を貫通してその内部に垂直に上方に開口して
いる。ノズル１６の上方には、低温回路８８を下部に取
付けた石英ウェハー８６が図示されていない手段によっ
て水平に設置されている。低温回路８８は極端に小さく
、ウェハーの低温回路の部分のみがノズル１６の上方に
配置されている。接続ワイヤー９０は、ウェハーに固着
されて低温回路８８と電気的に接続し、カップ８０を貫
通して外部に伸びている。液体ヘリウムが移送管１４か
ら流れ込むと、液体ヘリウムは、低温回路８８を急速に
極低温に冷却する。廃棄流体はカップ８０の中に雲を生
じさせながら、外気からカップ８０の壁を通じて侵入し
てくる熱を減少させ、それから通気穴８４を通ってカッ
プ８０から外に流れ出る。

第４図に示す実施例は特に同一基板上に他の部品と共に
組込まれ、後で切り離すような低温回路の試験を含む、
ウェハー調査に有益である。もし、ウェハー８６が逆向
きになった、つまり低温回路がその上面に置かれた場合
でも石英ウェハーが十分に薄ければ、この実施例では冷
却効果があるということは特記すべきことがらである。

さらに多くの実施例に通用できることであるが、低温回
路８８が液体ヘリウムの直接噴射で得られる低温を必要
としないタイプの低温回路である場合は、パルス噴射ま
たは流量を減らしてヘリウムを供給することで、幾分高
い温度が得られる。ただし、こｎ＞　）　−’ｓ　ｆｐ
　４話Ａ−１，＋　１．’：！　ｒ！’Ｆ　ｌｙ　＠中
！ａ　ｆｇ　六−））　、？、たＡｈ＋、”　　ノズル
１６と、ウェハー８６の間にある程度の熱的な質量をも
つブロックを挿入する方がよい。

第５図に示す実施例もウェハー試験に対して有益である
。この実施例では、移送管１４から噴出される液体ヘリ
ウムが低温回路８８を上方から直射している。そして、
プローブＩＱＯおよび１０２は図示されていない接続パ
ッドに電気的に接続している。スチロフォームの円板１
０４を回路８８の断熱を助けるためにウェハー８６の下
部に圧着してもよい。他の方法としてスチロフォームの
円板１０４を使わずに回路８６の位置のウェハー下面を
、移送管１４と同様な別の移送管で直接液体ヘリウムを
直射させることもできる。

もしも本装置（もしくは本発明に基づいて製造された装
置）が通常の大気中に配置されている場合は、極低温の
液体ヘリウムが使用されると、ノズルの囲りは氷が付着
する。このような氷は主に０２）　ｃｏ２そしてＮ２を
成分としている。このことは、必ずしも有害とは限らな
い。なぜならば氷は１折熱材として作用するからである
。また、液体ヘリウムの移送が止まると氷は短時間に蒸
発してしまう。もし必要ならば、装置全体を容器中に納
めれば氷の付着は防げる。容器は頂部と側面とは効果的
に閉ざされており、回路の水平位置より下部に開口部を
設置するとよい。この方法を採ると気体状のヘリウムは
容器の中に溜り、徐々に容器の中の上部から下部へヘリ
ウムが充満するので、他冷却の方法では氷結する気体は
全て容器の開口部から放出される。

第６図に低温回路が、液体ヘリウムにより直接的という
よりはむしろ間接的に冷却される実施例を示す。この実
施例では、アルミニウムブロック１１０にドリルで多数
の穴を開け、通路１１２を設け、ノズル１６の端部にこ
のアルミニウムブロックを取付けている。ノズル１６か
ら噴射された液体ヘリウムが、直接通路へ流れるように
、またアルミニウムブロックを比較的均一に冷却するよ
うに、通路１１２は位置決めされている。ブロック１１
０と移送管１４の端部はスチロフォーム１１４のような
断熱材で周囲が囲まれている。この場合は通路１１２を
スチロフォームを通して外気に通じさせる。アルミニウ
ムブロック１１０は露出した平坦な表面１１Ｂを有する
が、この表面は冷却されるべき低温回路８８より少し広
くなっている。この表面を小さくする程、試料のそれ程
低温に維持する必要のない部分を冷却するのに消費され
る液体ヘリウムの量が少なくなる。一方表面１１６を回
路８８より少し大きくして、位置合わせの際役に立ち、
また基板に沿った伝導熱を回路に届く前に取り去るのを
助けるようにしてもよ゛い。低温回路８８を下面上に有
する基板は、表面１１６に対して圧着されているので、
低温回路８８は表面１１６と熱交換が可能である。熱交
換をより効果的に行うために吸熱配合物１１８を使用し
てもよい。前述した実施例と同様、ウェハー８６はスチ
ロフォームブロック１２０で裏打ちされてもよい。

第７図に本発明による冷媒移送ラインおよび支持ヘッド
を示す。冷媒移送ラインは１４０で指示され、１４２で
指示されている支持ヘッドの中で終端している。移送ラ
イン１４０は中心に設けられた冷媒用導管１４４（毛細
管という）と、それを囲む内部真空ジャケット１４６　
と、さらにそれを囲む環状の冷媒環流路１４８と、それ
ら全てを囲む外部真空ジャケット１５０とからなる４重
の同軸構成となっている。冷媒用毛細管１４４は、内部
真空ジャケット１４６の端部より僅かに突出するように
設け、外部真空ジャケットは、毛細管１４４より大幅に
先に伸出している。スペーサ１５２が冷媒環流路１４８
中に置かれ両真空ジャケット１４６と１５０との間の間
隔を比較的均等に保ち、冷媒の環流を妨げないようにし
である。移送ライン１４０の反対側端末では図示されて
いないが、毛細管が二つの真空ジャケット１４６および
１５０を相互に連結しており、外部の真空ポンプへの接
続口にはバルブが設けられている。

スチロフォームのガイドシリンダ１５６が、第２図にお
けるガイド４０と同様に、毛細管１４４と内部真空ジャ
ケット１４６の端末部に接して同軸状に配設されている
。毛細管１４４と内部真空ジャケット１４６に近接する
ガイド１５６の端部には段が設けられ、ガイド１５６の
端部は真空ジャケット１４６を十分に取付けることので
きる面積となっている。モしてガイド１５Ｂの残りの部
分は、毛細管１４４のみが取付可能な面積になっている
。毛細管１４４はガイド１５６内に短い距離だけ伸びて
おり、ガイド１５６は外部真空ジャケット！５０の端末
を限るには短くなっている。

移送ライン１４０の端部および外部真空ジャケットの外
部には、隙間１６０を持つスチロフォーム製のキャップ
１５８がはめ込まれている。隙間１６０と同軸心上に隙
間１６４を有する金属製キャップ１６０はスチロフォー
ム製キャップ１５８をはめ込むように配設されている。

スチロフォームキャップ１５８の側壁はガイド１５６の
下部端の位置をこえてガイド１５６全体を包むように伸
びている。そして、金属製キャップ１６２の側壁を更に
下方にまで設けておく。外部真空ジャケット１５０と金
属キャップ１６２どの間、そしてスチロフォームキャッ
プ１５８の下部に形成された環状の隙間には、真空ジャ
ケット１５０に接して金属リング１６６が設けられ、圧
縮可能な０−リング１６８で金属リングの周囲を囲んで
置く。この構造は金属キャップ１６２が適切であれば移
送ライン１４０の端部の封止を助ける。小さなヒーター
コイル１７０がリング１６６の下の位置の移送ライン１
４０の外壁を囲み、支持ヘッド１４２の外側に氷が付く
ことを防いでいる。スチロフォームキャップ１５８と金
属キャップ１６２にそれぞれ設けられた隙間１６０と１
６４は位置合せ可能なので、前に議論したようにチップ
１８を受けいれることができる。チップ１８はその端面
のみが第７図に示されている。チップ１８は隙間に挿入
され、低温側端部がガイド１５６中に、室温側端部が支
持ヘッド１４２の外部に露出するように置かれる。室温
側端部は金属キャップ１６２の外部の隙間１６４の近く
に取付けられた小さい金属ブロック１７２の一面に取付
けられている。チップ１８を囲んで隙間１６４を封止し
てもよい。

実際には、スチロフォーム製キャップ１５８を移送ライ
ン１４０の端部に取付けたままで、金属製キャップ１６
２．ブロック１７２およびチップ１８を一つのユニット
とすれば、同様の方法で組立てられた他のユニットとの
交換が容易となる。一度、ユニットを組込んで液体ヘリ
ウムを送り込むとチップ１８に設けた低温回路はたちど
ころに極低温に冷却される。真空ジャケット１４６およ
び１５０は外気に触れさせる必要はないが、真空を長時
間保持できるので真空ポンプを使用する必要はない。

第７図の構造もまた第２図の構造の利点を有するのは明
白である。すなわち、チップ１８の下端部に設けられた
低温回路で仕事をし終った液体ヘリウムは、ガイド１５
６によりチップ表面に沿って流れ、外部からのチップに
沿う熱伝導を妨げる。廃棄ヘリウムはガイド１５６の外
側を流れ、輻射的に近くに入ってきた熱を外へ流し出す
。この過程は、４同軸管１４０の長さだけ下方に続けら
れるので毛細管１４４内のヘリウムへ伝わる輻射熱が減
する。さらに、ガイド１５６または／および内部真空ジ
ャケット１４６の外壁を、廃棄ヘリウムにより冷却され
る輻射遮蔽材で作っても、または被覆してもよい。さら
にまた毛細管１４４は４同釉の移送ラインの中でよく断
熱されているので、種々の部材の軸方向に沿った熱伝導
を減少させることを目的として、移送ライン】４０を比
較的長くすることもできる。

本発明を個々の実施例について説明したので、当業者は
本発明の基本的特徴を容易に確めることができる。

本発明は上述した例のみに限定されるものでなく、各種
の使用法や使用条件に応じて幾多の変更を加え得ること
勿論である。たとえば、スチロフォームのような断熱材
が図示されたが、他の断熱材もしくは真空ジャケットを
用いてもよい。輻射遮蔽体は液体ヘリウムの消費量を減
らすために種々の実施例において様々な位置に設けても
よい。さらに、本発明の各実施例において冷たい流体の
ための可撓性の移送管の先端の上にプローブとして使用
しうるようなものを配置してもよい。

この例は例えは生物医学的な応用例に有益である。この
応用例では低温回路は“やりいか°からなっている。こ
れらの種々の状況に本発明の原理を適合させることは当
業者にとって容易に成し得ることである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の断面図、 第２図は円筒形ガイドを設けた実施例の断面図、 第３図は本発明実施例における迷路構造を示す断面図、 第４図は水平に設置した基板の下方から冷却する実施例
の断面図、 第５図は同じく上方から冷却する実施例の断面図、 第６図は金属ブロックを用いて間接的に冷却する実施例
の断面図、 第７図は本発明による冷媒移送ラインと支持ヘッドを用
いた実施例の断面図である。 ８・・・チップ支持アセンブリ、 ｌＯ・・・フレーム、 １２・・・断熱材、 １４・・・移送管、 １６・・・ノズル、 １８・・・チップ、 ２０・・・基板、 ２２・・・低温回路、 ４０・・・円筒状ガイド、 ５０・・・迷路部、 ８０・・・スチロフォームカップ、 ８６・・・ウェハ、 ８８・・・低温回路、 １００．１０２・・・プローブ、 １０４・・・スチロフォームディスク、１１０・・・ア
ルミニウムブロック、 １１２・・・通路、 １４０・・・冷媒移送ライン、 １４２・・Ｑ支持ヘッド、 １４４・・・導管（毛細管）、 １４６・・・内部真空ジャケット、 １４８・・・環流路、 １５０・・・外部真空ジャケット、 １５２・・・スペーサ、 １５６・・・ガイドシリンダ、 １５８・・・スチロフォームカップ、 １６２・・・金属カップ、 １６６・・・金属リング、 １６８・・・０−リング、 １７０・・・ヒーターコイル、 １７２・・・金属ブロック。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料上の第１の領域を冷却する装置において、 前記試料を保持する非真空の手段、 冷たい流体の流れが前記第１の領域と熱的に接触するよ
   うに冷たい流体の流れを前記第１の領域の近傍に導く手
   段、および 廃棄流体を前記第１の領域の近傍から周囲環境へ排出す
   る手段 とからなることを特徴とする冷却装置。 ２）特許請求の範囲第１項記載の冷却装置において、前
   記第１の領域が低温回路を含むことを特徴とする冷却装
   置。 ３）特許請求の範囲第２項記載の冷却装置において、前
   記冷たい流体の流れを前記第１の領域の近傍に導く手段
   が冷たい流体の流れが前記第１の領域に突き当るように
   導く手段を具えていることを特徴とする冷却装置。 ４）特許請求の範囲第２項記載の冷却装置において、前
   記廃棄流体を排出する手段が、周囲環境に開口する前に
   前記第１の領域を通過した後少なくとも１回は折返す出
   口通路を有することを特徴とする冷却装置。 ５）特許請求の範囲第２項記載の冷却装置において、前
   記冷たい流体の流れを前記第１の領域の近傍に導く手段
   が、ノズルと、該ノズル上に取付け可能な囲いを有する
   試料保持手段を具えていることを特徴とする冷却装置。 ６）特許請求の範囲第２項記載の冷却装置において、廃
   棄流体が周囲環境に排出される前に前記第１の領域の外
   側の前記試料上の第２の領域と熱的に接触するように廃
   棄流体を案内する案内手段をさらに具えていることを特
   徴とする冷却装置。 ７）特許請求の範囲第４項記載の冷却装置において、廃
   棄流体が周囲環境に排出される前に前記第１の領域の外
   側の前記試料上の第２の領域と熱的に接触するように廃
   棄流体を案内する案内手段をさらに具えていることを特
   徴とする冷却装置。 ８）特許請求の範囲第５項記載の冷却装置において、廃
   棄流体が周囲環境に排出される前に前記第１の領域の外
   側の前記試料上の第２の領域と熱的に接触するように廃
   棄流体を案内する案内手段をさらに具えていることを特
   徴とする冷却装置。 ９）特許請求の範囲第３項記載の冷却装置において、前
   記回路と電気的に接続するためのプローブをさらに具え
   ていることを特徴とする冷却装置。 １０）特許請求の範囲第４項記載の冷却装置において、
   前記出口通路中に前記廃棄流体によって冷却可能な輻射
   遮蔽体をさらに具えていることを特徴とする冷却装置。 １１）特許請求の範囲第７項記載の冷却装置において、
   前記出口通路中に前記廃棄流体によつて冷却可能な輻射
   遮蔽体をさらに具えていることを特徴とする冷却装置。 １２）特許請求の範囲第２項記載の冷却装置において、
   廃棄流体を前記試料上の前記第１の領域の外側の第２の
   領域と熱的に接触するように案内する案内手段をさらに
   具え、該案内手段は前記第１の領域および前記第２の領
   域を囲みそして放出端内に終端しており、 前記冷たい流体の流れを前記第１の領域の近傍に導くた
   めの手段は一端が前記案内手段中に開口し他端が冷たい
   流体の源に連結可能な毛細管を具えており、そして、 前記廃棄流体を排出するための手段は前記案内手段と前
   記毛細管を間隔をおいて囲んでいる管を具え、該管は流
   体を前記案内手段の前記放出端から周囲環境へ廃棄する
   ための出口通路を規定していることを特徴とする冷却装
   置。 １３）試料上の第１の領域を冷却する装置において、 周囲環境に露出している表面を有しかつ前記第１の領域
   と熱的に接続可能であって、前記表面は前記第１の領域
   とほぼ等しいかまたは僅かに大きな寸法である熱伝導性
   のブロック、 冷たい流体が前記ブロックと熱的に接触するように冷却
   流体の流れを前記ブロックの近傍に導く手段、および 廃棄流体を前記ブロックの近傍から周囲環境に排出する
   手段からなることを特徴とする冷却装置。 １４）特許請求の範囲第１３項記載の冷却装置において
   、前記第１の領域が低温回路を含むことを特徴とする冷
   却装置。 １５）特許請求の範囲第１４項記載の冷却装置において
   、前記ブロックはその中に通路を有し、前記冷たい液体
   の流れを前記ブロックの近傍に導く手段は前記流体を前
   記通路に導く手段を具えていることを特徴とする冷却装
   置。 １６）特許請求の範囲第１４項記載の冷却装置において
   、前記ブロックの前記露出した表面以外の部分を絶縁す
   る手段をさらに具えていることを特徴とする冷却装置。 １７）試料上の低温回路を冷却する方法におい下記の各
   工程、 前記試料を保持すること、 前記試料上の回路の近傍に冷たい流体の流れを導入する
   こと、 前記冷たい流体と前記回路との熱的な接触を生じさせる
   こと、および 廃棄流体を前記試料の近傍から周囲環境へ排出すること
   、 からなることを特徴とする冷却方法。 １８）特許請求の範囲第１７項記載の冷却方法において
   、 前記冷たい流体を前記回路と熱的に接触させる工程の後
   に前記流体を前記第１の領域の外側の前記試料上の第２
   の領域と熱的に接触する工程をさらに具えていることを
   特徴とする冷却方法。 １９）特許請求の範囲第１７項記載の冷却方法において
   、廃棄流体を排出する工程の前に前記第１の領域を通過
   した後少なくとも１回折返すように廃棄流体を送る工程
   をさらに具えていることを特徴とする冷却方法。 ２０）特許請求の範囲第１８項記載の冷却方法において
   、廃棄流体を排出する工程の前に前記第１の領域を通過
   した後少なくとも１回折返すように廃棄流体を送る工程
   をさらに具えていることを特徴とする冷却方法。 ２１）特許請求の範囲第１９項記載の冷却方法において
   、前記冷たい流体の流れを前記回路の近傍に導入する工
   程が前記流体を管路を通して前記回路の近傍に搬送する
   工程であり、廃棄流体を排出する工程の前に廃棄流体を
   前記管路の少なくとも一部の外側に沿って送る工程をさ
   らに具えていることを特徴とする冷却方法。 ２２）特許請求の範囲第２０項記載の冷却方法において
   、前記冷たい流体の流れを前記回路の近傍に導入する工
   程が前記流体を管路を通して前記回路の近傍に搬送する
   工程であり、廃棄流体を排出する工程の前に廃棄流体を
   前記管路の少なくとも一部の外側に沿って送る工程をさ
   らに具えていることを特徴とする冷却方法。 ２３）基板チップ上に作製された低温回路を冷却する装
   置において、 冷却室の壁および冷却室の入口端と出口端を規定する中
   空の導管、 前記冷却室内に前記入口端において開口する毛細管と、
   該毛細管を囲む内部真空ジャケットからなり、冷却流体
   を前記冷却室にまた冷却室から移送する移送管、および 前記導管および前記内部真空ジャケットの少なくとも一
   部を間隔をおいて囲んでおり、前記内部真空ジャケット
   と共に一端が前記冷却室の前記出口端と連絡し他端が周
   囲環境と連絡する環状通路を規定する外部真空ジャケッ
   ト、 からなりさらに 前記環状通路の前記冷却室の出口端と連絡する端を覆う
   キャップ、および 前記低温回路が前記冷却室内部に置かれるように基板ス
   トリップを前記装置内に挿入する手段、 を具えたことを特徴とする冷却装置。