JP3833382B2 - 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

【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

Claims (3)

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。
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。
3. 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。

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