JP3421837B2 - 単結晶引上げ装置用の冷凍機冷却型超電導磁石装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【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
を与えるための磁場発生装置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。

【０００５】しかし、冷却のための冷凍機の取り付け部
位には制約がある。これは、超電導磁石装置には引き上
げ装置が組み合わされるので、超電導磁石装置の上面側
に冷凍機や電流導入端子などが取り付けられると、引上
げ作業を行う場合に、これらの部材が作業者にとって作
業性・安全性を阻害したり、あるいは引き上げ装置も構
成に制約を生じるからである。

【０００６】そこで、冷凍機冷却型超電導磁石装置は、
その上面側が完全にフラットで、関連部材が存在しない
ようにすることが、作業性・安全性を向上させると共
に、引き上げ装置設計の自由度を向上させるうえで好ま
しい。

【０００７】上記の点とは別に、超電導磁石装置の上面
側に冷凍機が取り付けられる場合には、そのメンテナン
ス上、次のような問題点がある。

【０００８】冷凍機の取り付けは、以下の順序で行われ
る。 １．冷凍機を取付空間に設置し、ボルト締めによって気
密固定する。 ２．取付空間を真空ポンプによって引き、真空として停
止する。 ３．運転を開始し、超電導磁石の冷却を行う。

【０００９】メンテナンスに伴う冷凍機の交換は、超電
導磁石を冷却したまま、以下の順序で行われる。 １．取付空間にヘリウムを導入し、取付空間内をヘリウ
ム雰囲気とする。 ２．すばやく冷凍機を取り外し、蓋をしたり、大量のヘ
リウムガスを流して取付空間のヘリウムを逃がさないよ
うにする。 ３．別の新しい冷凍機をすばやく取り付ける。

【００１０】上記の作業の際、手早く手際よく行わない
と水分を含む空気が侵入してしまう。これは、ヘリウム
は空気よりも軽いので取付空間から逃げ易く、代わりに
空気が侵入し易いからである。この場合、取付空間内の
冷却されている部分に結露が発生し、伝熱部界面に氷が
介在して、冷却効率が著しく低下してしまい、交換のや
り直しに至ることが考慮される。

【００１１】それ故、本発明の課題は、装置の上部に、
引き上げ装置の設置の障害となるような装置関連の構成
部材の無い冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供すること
にある。

【００１２】本発明の他の課題は、装置に対する冷凍機
本体の脱着を真空容器内が極低温状態のままで安全、確
実に行えるような冷凍機冷却型超電導磁石装置を提供す
ることにある。

【００１３】

【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
た真空容器と、前記超電導コイルを冷却するための極低
温冷凍機とを備え、前記極低温冷凍機、電流導入端子及
び真空排気弁を前記真空容器の下部に配置し、前記真空
容器の下面には前記極低温冷凍機を挿入するための挿入
口を設けると共に、該挿入口から前記真空容器内へ延び
て前記極低温冷凍機を封止状態で収容するためのスリー
ブを固定したことを特徴とする。

【００１４】前記極低温冷凍機は第一段、第二段の冷凍
ステージを持つ２段冷却式であり、前記超電導コイル
は、前記真空容器内で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導
体で支持されており、前記スリーブにはその先端に前記
極低温冷凍機の第二段の冷凍ステージのコールドヘッド
と接触する先端伝熱部材を設けると共に、その中間部に
前記極低温冷凍機の第一段の冷凍ステージのコールドヘ
ッドと接触する中間伝熱部材を設け、前記極低温冷凍機
本体を、前記真空容器内が極低温状態のままで脱着可能
な構成とする。

【００１５】前記真空容器は、前記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、前記コイル
冷却用熱伝導体は円筒形状を有し、前記超電導コイル及
び前記コイル冷却用熱伝導体は、前記スリーブの上部と
共に、前記真空容器内に配置された二重円筒型の熱輻射
シールド体に収容されており、該熱輻射シールド体と前
記スリーブとの間の熱収縮による応力発生を防止するた
めに、前記スリーブの前記中間伝熱部材と前記熱輻射シ
ールド体との間を網線や多層板による可撓性伝熱体で連
結する。

【００１６】前記コイル冷却用熱伝導体と前記スリーブ
との間の熱収縮による応力発生を防止するために、前記
スリーブの前記先端伝熱部材と前記コイル冷却用熱伝導
体に設けられた接続部とを多層板状可撓伝熱体で連結す
る。

【００１７】前記コイル冷却用熱伝導体にはその周方向
に間隔をおいて被支持板を持つブラケットが設けられて
おり、前記真空容器内にはその底部に前記熱輻射シール
ド体を貫通して前記ブラケットの前記被支持板と面接触
しつつ前記超電導コイルと前記コイル冷却用熱伝導体と
を支持する垂直方向荷重支持体を設け、前記ブラケット
の前記被支持板を前記垂直方向荷重支持体に対してスラ
イド可能な構成にして、前記超電導コイル及び前記コイ
ル冷却用熱伝導体の熱収縮により前記垂直方向荷重支持
体に生じる曲げ荷重を緩和する。

【００１８】前記真空容器の側壁に、該側壁をシール状
態にて貫通すると共に、前記熱輻射シールド体を貫通し
て前記コイル冷却用熱伝導体に連結された水平方向荷重
支持体を複数個設けることにより、前記真空容器の外側
から前記超電導コイルの中心と前記真空容器の中心との
位置合わせを可能とし、前記水平方向荷重支持体は、前
記コイル冷却用熱伝導体との連結部において回転可能に
軸支され、これによりコイルと真空容器の熱吸収による
寸法差を吸収する。

【００１９】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つのコイルから成
り、各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てい
る。

【００２０】前記超電導コイルへ電流を供給するための
酸化物超電導体製の電流リードを備え、該電流リードの
一端は前記コイル冷却用熱伝導体に熱アンカーをとり、
前記電流リードの他端は前記熱輻射シールド体に熱アン
カーをとり、前記電流リードの少なくとも一端を自由端
とする。

【００２１】前記真空容器の外周に磁気シールド体を設
けて、外周部の漏洩磁界を低減できるようにしても良
い。

【００２２】前記極低温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することが好ましい。

【００２３】

【作用】本発明においては、超電導磁石装置の上面を完
全にフラットにするために、冷凍機を下部から取り付け
る構造とし、電流導入端子、真空排気弁なども超電導磁
石装置の下部に取り付ける構造とする。

【００２４】このような構造を実現するために、超電導
コイルの荷重支持は下方向と横方向から行い、また、熱
輻射シールド体の熱収縮による荷重支持体への応力発生
を防止する機構を設ける。更に、冷凍機の各段の冷却ス
テージとコイル冷却用熱伝導体及び熱輻射シールド体の
伝熱部材においても、コイル冷却用熱伝導体及び熱輻射
シールド体の熱収縮による応力発生を防止する構造とし
ている。一方、冷凍機の設置は、メンテナンスに伴う交
換作業を行う際に超電導磁石装置を常温に戻すことなく
交換を可能とする構造としている。

【００２５】以上により、冷凍機冷却型超電導磁石装置
の上部が完全にフラットとなり、作業性・安全性の向上
を図ることができる。また、冷凍機冷却型超電導磁石装
置の内部構造において熱応力対策が施され、信頼性の高
い冷凍機冷却型超電導磁石装置となる。また、冷凍機を
超電導磁石装置の極低温状態で取り出し可能な構成とな
るため、冷凍機交換・メンテナンスに伴う超電導磁石装
置本体の昇温・再度冷却が不要となり、装置の稼働率が
向上する。更に、漏洩磁界を低減する磁気シールド機構
を設置可能なため、周囲の磁界影響が軽減され、磁界に
対する安全性が向上する。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１〜図５を参照して、本発明の
実施の形態について説明する。こ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を収容した密閉構造の真空容器１０
と、真空容器１０の下面側から内部に配置され、超電導
コイル１１ａ、１１ｂを冷却するための２つの極低温冷
凍機（以下、冷凍機と呼ぶ）１２ａ、１２ｂとを備えて
いる。真空容器１０の下面側には更に、電流導入端子２
１及び真空排気弁２２が設けられている。真空排気弁２
２は、真空容器１０内を真空引きする際に使用される。
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、１２
ｂ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１１
ａ、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、１
２ｂ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。

【００２７】冷凍機１２ａは、５０Ｋの第一段コールド
ヘッド１２−１１を持つ第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を持つ第二
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はスリーブ２３内
に封止状態にて収容されている。

【００２８】スリーブ２３は、真空容器１０の底面に設
けられた挿入口１０−１の縁部に溶接等により固定され
ている。挿入口１０−１の周囲にはフランジ１０−２が
設けられ、このフランジ１０−２に冷凍機１２ａのヘッ
ド部がシール状態にてボルトで取り付けられている。そ
の結果、スリーブ２３の内部空間は真空容器１０の内部
空間と完全に仕切られると共に、外部に対しても完全に
シールされる。スリーブ２３には、その先端に第二段目
の冷凍ステージ１２−２の第二段コールドヘッド１２−
２１と面接触するための先端伝熱部材２３−１を設ける
と共に、その中間部に第一段目の冷凍ステージ１２−１
の第二段コールドヘッド１２−２１と接触するための中
間伝熱部材２３−２を設けている。

【００２９】スリーブ２３の材料はステンレス製が好ま
しく、先端伝熱部材２３−１、中間伝熱部材２３−２の
材料は銅製が好ましいが、これらの限りではない。スリ
ーブ２３の先端伝熱部材２３−１は、コイル冷却用熱伝
導体１３に設けられた接続部１３−１の近くに位置して
いる。そして、先端伝熱部材２３−１と接続部１３−１
との間を、可撓性を有する多層板状伝熱部材１４で接続
している。その結果、コイル冷却用熱伝導体１３とスリ
ーブ２３との間の熱収縮による応力発生が防止される。

【００３０】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
のと同じであるので、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スプ状磁界を与えるための２つのコ
イルである。これら２つのコイルによる超電導コイル１
１ａ、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。

【００３１】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、スリーブ２３の上部
と共に、真空容器１０内に配置された二重円筒型の熱輻
射シールド体１５に収容されている。この熱輻射シール
ド体１５は、輻射熱の侵入を防止するためのものであ
る。スリーブ２３は、熱輻射シールド体１５の底部を貫
通して上方に延びている。熱輻射シールド体１５とスリ
ーブ２３との間の熱収縮による応力発生を防止するため
に、スリーブ２３の中間伝熱部材２３−２と熱輻射シー
ルド体１５との間は、網線や多層板による可撓性伝熱体
２５ａ、２５ｂで連結されている。

【００３２】図４において、２つの超電導コイル１１
ａ、１１ｂ、コイル冷却用熱伝導体１３、及び熱輻射シ
ールド体１５は、真空容器１０内の底部において周方向
に間隔をおいて設けられた複数の垂直方向荷重支持体１
６で支持されている。詳しく説明すると、コイル冷却用
熱伝導体１３にはその周方向に間隔をおいて水平方向に
延びる被支持板１３−２ａを持つブラケット１３−２が
設けられている。垂直方向荷重支持体１６は、真空容器
１０内の底部に設けられ、熱輻射シールド体１５の底部
を貫通してブラケット１３−２の被支持板１３−２ａと
面接触しつつ超電導コイル１１ａ、１１ｂとコイル冷却
用熱伝導体１３とを支持する。特に、垂直方向荷重支持
体１６の上端における被支持板１３−２ａとの接触部に
は、金属製の被支持板１３−２ａに対する摩擦係数の小
さな材料、例えばテフロンのような板部材１６−１を設
けている。これにより、ブラケット１３−２の被支持板
１３−２ａを垂直方向荷重支持体１６に対してスライド
可能な構成にし、超電導コイル１１ａ、１１ｂ及びコイ
ル冷却用熱伝導体１３の熱収縮により垂直方向荷重支持
体１６に生じる曲げ荷重を緩和するようにしている。詳
細に示されていないが、熱輻射シールド体１５は、その
底部において垂直方向荷重支持体１６の中間部に設けら
れた支持板１６−２により支持されている。そして、こ
の支持板１６−２と熱輻射シールド体１５との間も、上
記と同様に、摩擦係数の小さな材料を介在させて熱輻射
シールド体１５をスライド可能な構成としている。

【００３３】真空容器１０の側壁には、この側壁をシー
ル状態にて貫通すると共に、熱輻射シールド体１５を貫
通してコイル冷却用熱伝導体１３に連結された水平方向
荷重支持体１７を周方向に間隔をおいて複数個設けてい
る。水平方向荷重支持体１７は、樹脂製の無端ベルトに
よるサポートストラップ１７−１と、このサポートスト
ラップ１７−１の一端側に連結したねじ軸１７−２と、
ねじ軸１７−２の反対端であって真空容器１０の側壁か
ら外部に突き出しているねじ部に螺合しているナット１
７−３とから成る。サポートストラップ１７−１の他端
側はコイル冷却用熱伝導体１３に回転可能な状態で軸支
され、サポートストラップ１７−１の一端側はねじ軸１
７−２に回転可能な状態で軸支されている。これによ
り、真空容器１０と超電導コイル１１ａ、１１ｂ及びコ
イル冷却用熱伝導体１３の熱収縮による寸法差を吸収す
る。ねじ軸１７−２と真空容器１０の側壁との間はシー
ルされている。真空容器１０の側壁から外部に突き出し
ているねじ部とナット１７−３は、開閉可能な蓋１０−
３でカバーされている。ねじ軸１７−２とナット１７−
３は、真空容器１０の外側から超電導コイル１１ａ、１
１ｂの中心と真空容器１０の中心との位置合わせを可能
とするためのものである。このために、超電導コイル１
１ａ、１１ｂ及びコイル冷却用熱伝導体１３の熱収縮分
をあらかじめ計算しておき、超電導コイル１１ａ、１１
ｂ及びコイル冷却用熱伝導体１３がこの熱収縮分だけ変
位可能なようにナット１７−３を緩めておくようにす
る。

【００３４】図１において、真空容器１０の外周には磁
気シールド体２６を設けて、外周部の漏洩磁界を低減で
きるようにしている。また、冷凍機１２ａ、１２ｂのメ
ンテナンスに伴う交換作業のための空間を確保するため
に、真空容器１０の底部には複数箇所に脚部１０−４が
設けられる。

【００３５】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２に示すように、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かあるいは
互いに隣接させて配置するのが好ましい。

【００３６】図５において、コイル冷却用熱伝導体１３
には、超電導コイル１１ａ、１１ｂへ電流を供給するた
めの酸化物超電導体製の電流リード２７が設けられる。
電流リード２７の一端はコイル冷却用熱伝導体１３に熱
アンカーをとり、電流リード２７の他端は熱輻射シール
ド体１５に熱アンカーをとる。そして、電流リード２７
の少なくとも一端は自由端とする。電流リード２７は、
図１に示された電流導入端子２１に接続される。

【００３７】次に、上記の各構成部品について説明す
る。

【００３８】真空容器１０は、真空断熱により超電導コ
イル温度の上昇を抑えるための容器であり、ステンレ
ス、アルミニウムなどで構成される。真空容器１０は、
超電導コイル１１ａ、１１ｂ、熱輻射シールド体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、電流導入端子２
１、真空排気弁２２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。

【００３９】超電導コイル１１ａ、１１ｂは、金属系超
電導導体（ＮｂＴｉ導体、Ｎｂ₃ Ｓｎ導体など）や酸化
物系超電導導体（Ｂｉ系導体、Ｙ系導体、Ｎｄ系導体な
ど）超電導線材で形成される。超電導コイル１１ａ、１
１ｂ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。巻線部は、超電導安定性を向上させるために、エポ
キシなど樹脂によって含浸しても良い。

【００４０】電流導入端子２２から超電導コイル１１
ａ、１１ｂに電流を供給する手段としての電流リード２
７としては、酸化物超電導体による電流リードを用い、
熱輻射シールド体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。形状は、
円筒状、線状、角状などの形状で良い。材料としては、
Ｂｉ系やＹ系などの酸化物系の超電導体を用いる。電流
リード２６の両端部には電極をはんだ接合し易すくする
ために銀などの接合層を、メッキ、溶射などによって設
けてある。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。両端部に電極が接合さ
れ、一端は超電導コイル温度域に熱アンカーをとり、他
端は熱輻射シールド温度域に熱アンカーをとる。この場
合、少なくとも一端は自由端として熱応力などによる超
電導体への応力発生を防止する。また、この電流リード
２７には、エポキシ系樹脂、ＧＦＲＰ部材などを併用し
て、強度を向上させることも出来る。

【００４１】冷凍機１２ａ、１２ｂには、蓄冷式の２段
式ギフォードマクマホン型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を熱輻
射シールド体１５に伝熱部材を介して結合させて、第一
段目の冷凍ステージ１２−１にて熱輻射シールド体１５
を冷却し、第二段コールドヘッド１２−２１を伝熱部材
を介して接続部１３−１に結合させて第二段目の冷凍ス
テージ１２−２にて超電導コイル１１ａ、１１ｂを冷却
できる。

【００４２】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。

【００４３】多層板状伝熱部材１４には、熱伝導率の大
きな材料、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。多層板状伝熱部材１４の一端
はスリーブ２３の先端伝熱部材２３−１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１３−１
にボルト結合される。このような積層構造による多層板
状伝熱部材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。更に、
多層板状伝熱部材１４は、平網導体、単層板、線などで
も構成できる。

【００４４】熱輻射シールド体１５は、真空容器１０内
面からの熱輻射が、直接、超電導コイル１１ａ、１１ｂ
ヘ入りその温度を上昇させないようにするために、超電
導コイルを囲む形で設けられる。熱輻射シールド体１５
は、伝熱部材を介して冷凍機の第一段目の冷凍ステージ
１２−１の第一段コールヘッド１２−１１に結合され
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伝熱部
材２５ａ、２５ｂによって熱的に良好な接合が実現され
ている。熱輻射シールド体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。表面の輻射率を
低減するために、鏡面研磨したり、メッキ層を設けたり
しても良い。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。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、１１
ｂ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、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。

【００４５】垂直方向荷重支持体１６は、超電導コイル
１１ａ、１１ｂ、コイル冷却用熱伝導体１３、熱輻射シ
ールド体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ＧＦＲ
Ｐ材は中間部において熱輻射シールド体とアンカーをと
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の底部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垂直方向荷重支持体１６を
設け、超電導コイル１１ａ、１１ｂを断熱支持してい
る。ブラケット１３−２の被支持板１３−２ａとの界面
において、垂直方向へは拘束するが、水平方向（半径方
向）へは自由に動ける構造とすることによって、超電導
コイル１１ａ、１１ｂ、コイル冷却用熱伝導体１３の熱
収縮による垂直方向荷重支持体１６の変形を防止でき
る。

【００４６】水平方向荷重支持体１７は、円筒状、ベル
ト状などのＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ等による熱伝導しにくい
材料で構成される。サポートストラップ１７−１は、両
端部において回転自在に軸支されているが、少なくとも
コイル冷却用熱伝導体１３との連結部のみを回転自在な
構成としても良い。

【００４７】スリーブ２３は、真空容器１０に固定さ
れ、冷凍機を取り付けるための部材である。２段冷却式
冷凍機の各段が熱接合可能な先端伝熱部材２３−１、中
間伝熱部材２３−２が設けられる。スリーブ２３は真空
気密された部材で構成され、冷凍機を取り外した状態で
も真空容器１０の真空が保持できる。

【００４８】可撓性伝熱体２５ａ、２５ｂは、平網導
体、単層板、多層板、線などで構成できる。材質は、
銅、アルミニウムなどの熱伝導良導体が用いられる。

【００４９】上記の構成部品に加えて、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）に鉄な
どの強磁性体による磁気シールド体２６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。

【００５０】冷凍機の取り付けは、以下の順序で行われ
る。 １．冷凍機をスリーブ２３に設置し、ボルト締めによっ
て気密固定する。 ２．スリーブ２３内を真空ポンプによって引き、真空と
して停止する。 ３．運転を開始し、超電導磁石の冷却を行う。

【００５１】メンテナンスに伴う冷凍機の交換は、超電
コイル１１ａ、１１ｂを冷却したまま、以下の順序で行
われる。 １．スリーブ２３にヘリウムを導入し、スリーブ２３内
をヘリウム雰囲気とする。 ２．すばやく冷凍機を取り外し、蓋をしたりしてスリー
ブ２３内のヘリウムを逃がさないようにする。 ３．別の新しい冷凍機をすばやく取り付ける。

【００５２】ここで、ヘリウムガスは比重が小さいので
スリーブ２３から逃げにくく内部に溜まっており、水分
を含む大気がスリーブ２３内に侵入しにくい。

【００５３】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。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。

【００５４】

【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、装置の上部が完全にフラットとなり、作業性・安
全性の向上を図ることができる。また、装置の内部構造
において熱応力対策が施され、信頼性の高い冷凍機冷却
型超電導磁石装置となる。また、冷凍機を超電導磁石装
置の極低温状態で取り出し可能な構成となるため、冷凍
機交換・メンテナンスに伴う超電導磁石装置本体の昇温
・再度冷却が不要となり、装置の稼働率が向上する。更
に、漏洩磁界を低減する磁気シールド機構を設置可能な
ため、周囲の磁界影響が軽減され、磁界に対する安全性
が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による冷凍機冷却型超電導
磁石装置の縦断面図である。

【図２】図１の装置の底面図である。

【図３】図１における冷凍機の取り付け構造を示した断
面図である。

【図４】本発明における垂直方向荷重支持体及び水平方
向荷重支持体を説明するための断面図である。

【図５】本発明のにおける電流リードの設置構造を示し
た断面図である。

【符号の説明】

１０ 真空容器 １０−１ 挿入口 １０−２ フランジ １０−４ 脚部 １１ａ、１１ｂ 超電導コイル １２ａ、１２ｂ 冷凍機 １２−１ 第一段目の冷凍ステージ １２−２ 第二段目の冷凍ステージ １２−１１ 第一段コールドヘッド １２−２１ 第二段コールドヘッド １３ コイル冷却用熱伝導体 １３−１ 接続部 １４ 多層板状伝熱部材 １５ 熱輻射シールド体 １６ 垂直方向荷重支持体 １７ 水平方向荷重支持体 ２３ スリーブ ２３−１ 先端伝熱部材 ２３−２ 中間伝熱部材 ２６ 磁気シールド ２７ 電流リード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−199366（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−139599（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−312210（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−7486（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−142242（ＪＰ，Ａ) 国際公開97／11472（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01F 6/00 - 6/06 ZAA H01L 21/208 ZAA C30B 1/00 - 35/00 ZAA

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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真空容器と、 前記超電導コイルを冷却するための極低温冷凍機とを備
   え、 前記極低温冷凍機、電流導入端子及び真空排気弁を前記
   真空容器の下部に配置し、 前記真空容器の下面には前記極低温冷凍機を挿入するた
   めの挿入口を設けると共に、該挿入口から前記真空容器
   内へ延びて前記極低温冷凍機を封止状態で収容するため
   のスリーブを固定し 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. 【請求項２】 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記極低温冷凍機は第一段、第二段の冷
   凍ステージを持つ２段冷却式であり、前記超電導コイル
   は、前記真空容器内で巻枠としてのコイル冷却用熱伝導
   体で支持されており、前記スリーブにはその先端に前記
   極低温冷凍機の第二段の冷凍ステージのコールドヘッド
   と接触する先端伝熱部材を設けると共に、その中間部に
   前記極低温冷凍機の第一段の冷凍ステージのコールドヘ
   ッドと接触する中間伝熱部材を設け、前記極低温冷凍機
   本体を、前記真空容器内が極低温状態のままで脱着可能
   な構成と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。
3. 【請求項３】 請求項２記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記真空容器は、前記単結晶成長装置の
   周囲を囲むことのできる二重円筒構造を有し、前記コイ
   ル冷却用熱伝導体は円筒形状を有し、前記超電導コイル
   及び前記コイル冷却用熱伝導体は、前記スリーブの上部
   と共に、前記真空容器内に配置された二重円筒型の熱輻
   射シールド体に収容されており、該熱輻射シールド体と
   前記スリーブとの間の熱収縮による応力発生を防止する
   ために、前記スリーブの前記中間伝熱部材と前記熱輻射
   シールド体との間を網線や多層板による可撓性伝熱体で
   連結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。
4. 【請求項４】 請求項２記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記コイル冷却用熱伝導体と前記スリー
   ブとの間の熱収縮による応力発生を防止するために、前
   記スリーブの前記先端伝熱部材と前記コイル冷却用熱伝
   導体に設けられた接続部とを多層板状可撓伝熱体で連結
   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。
5. 【請求項５】 請求項３記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記コイル冷却用熱伝導体にはその周方
   向に間隔をおいて被支持板を持つブラケットが設けられ
   ており、前記真空容器内にはその底部に前記熱輻射シー
   ルド体を貫通して前記ブラケットの前記被支持板と面接
   触しつつ前記超電導コイルと前記コイル冷却用熱伝導体
   とを支持する垂直方向荷重支持体を設け、前記ブラケッ
   トの前記被支持板を前記垂直方向荷重支持体に対してス
   ライド可能な構成にして、前記超電導コイル及び前記コ
   イル冷却用熱伝導体の熱収縮により前記垂直方向荷重支
   持体に生じる曲げ荷重を緩和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。
6. 【請求項６】 請求項５記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記真空容器の側壁に、該側壁をシール
   状態にて貫通すると共に、前記熱輻射シールド体を貫通
   して前記コイル冷却用熱伝導体に連結された水平方向荷
   重支持体を複数個設けることにより、前記真空容器の外
   側から前記超電導コイルの中心と前記真空容器の中心と
   の位置合わせを可能とし、前記水平方向荷重支持体は、
   前記コイル冷却用熱伝導体との連結部において回転可能
   に軸支されている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。
7. 【請求項７】 請求項２記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、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つのコイルから
   成り、各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てい
   る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。
8. 【請求項８】 請求項３記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記超電導コイルへ電流を供給するため
   の酸化物超電導体製の電流リードを備え、該電流リード
   の一端は前記コイル冷却用熱伝導体に熱アンカーをと
   り、前記電流リードの他端は前記熱輻射シールド体に熱
   アンカーをとり、前記電流リードの少なくとも一端を自
   由端とする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。
9. 【請求項９】 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁石
   装置において、前記真空容器の外周に磁気シールド体を
   設けて、外周部の漏洩磁界を低減できるようにしたこと
   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。
10. 【請求項１０】 請求項１記載の冷凍機冷却型超電導磁
    石装置において、前記極低温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。