KR100562260B1

KR100562260B1 - 단결정 인상 장치, 단결정 인상 방법 및 초전도 자석

Info

Publication number: KR100562260B1
Application number: KR1020030034854A
Authority: KR
Inventors: 시모노소노츠토무; 고구치요시히로; 사사키다카시
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2006-03-22
Also published as: US6984264B2; US20040107894A1; DE10324674A1; JP2004051475A; KR20030094064A; DE10324674B4

Abstract

본 발명은 보어 내부에 자장 구배가 적은 높은 균일성의 횡자장을 발생시킬 수 있는 초전도 자석, 그 초전도 자석을 이용하여 고품질의 단결정체를 양호한 제조 수율로 인상할 수 있는 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

원통형 진공 용기(19) 내에 초전도 코일(4)을 내장한 초전도 자석으로서, 초전도 코일(4)을 진공 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 진공 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 진공 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정한다.

자장 구배, 횡자장, 초전도 자석, 단결정 인상 장치

Description

단결정 인상 장치, 단결정 인상 방법 및 초전도 자석{SINGLE CRYSTAL PULLING DEVICE, SINGLE CRYSTAL PULLING METHOD AND SUPERCONDUCTIVITY MAGNET}

도 1은 본 발명에 따른 초전도 자석의 실시예를 일부 개략적으로 나타내는 사시도.

도 2는 도 1의 A-A선 단면도.

도 3은 도 1의 B-B선 단면도로서, 단결정 인상 장치 전체를 나타내는 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 6은 본 발명의 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 9는 본 발명의 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 10은 상기 실시예에 대한 비교예를 나타내는 도면.

도 11은 상기 실시예에 대한 비교예를 나타내는 도면.

도 12는 본 발명에 따른 초전도 자석의 다른 실시예를 일부 개략적으로 나타내는 사시도.

도 13은 도 12에 나타낸 실시예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

도 14는 본 발명에 따른 초전도 자석의 다른 실시예를 일부 개략적으로 나타내는 사시도.

도 15는 본 발명에 따른 초전도 자석의 다른 실시예를 일부 개략적으로 나타내는 사시도.

도 16은 본 발명에 따른 초전도 자석의 다른 실시예를 일부 개략적으로 나타내는 사시도.

도 17은 본 발명에 따른 초전도 자석의 다른 실시예를 일부 개략적으로 나타내는 종단면도.

도 18은 종래의 초전도 자석을 개략적으로 나타내는 사시도.

도 19는 종래의 단결정 인상 장치를 나타내는 종단면도.

도 20은 종래예에서의 자장 분포를 나타내는 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 인상로(引上爐)

2 : 도가니

3 : 히터

4 : 초전도 코일

5 : 원통형 냉매 용기

6 : 반도체 재료

7 : 자력선

8 : 인상 방향

9 : 단결정

10 : 도가니 중심선

11 : 전류 리드

12 : 소형 헬륨 냉동기

13 : 가스 방출관

14 : 서비스 포트

15 : 보어(bore)

16 : 냉매 용기

17 : 제 1 복사(輻射) 실드

18 : 제 2 복사 실드

19 : 진공 용기

22 : 소형 냉매 용기

23 : 주액구(注液口)

30 : 초전도 자석

d : 코일 직경

D : 보어 치수

ℓ : 코일간 거리

본 발명은, 예를 들어, 단결정을 제조하기 위해 사용되는 단결정 인상 장치, 단결정 인상 방법 및 상기 장치에 적용하는 초전도 자석에 관한 것이다.

실리콘이나 갈륨비소 등의 반도체는 단결정으로 구성되고, 소형으로부터 대형까지의 컴퓨터 메모리 등에 이용되고 있어, 기억 장치의 대용량화, 저비용화, 고품질화가 요구되고 있다.

종래, 이들 반도체의 요구를 충족시키는 단결정을 제조하기 위한 단결정 인상 방법의 하나로서, 도가니 내에 수용되어 있는 용융 상태의 반도체 재료에 자장을 인가시키고, 이것에 의해, 용융액에 발생하는 열대류를 억제하여, 대구경(大口徑)이며 고품질인 반도체를 제조하는 방법이 알려져 있다. 이것을 일반적으로 초크랄스키(CZ)법이라고 칭한다.

도 18에 의해 종래의 CZ법에 의한 단결정 인상 장치의 일례를 설명한다. 이 단결정 인상 장치는 상면이 개구된 인상로(1)를 구비하고, 이 인상로(1) 내에 도가니(2)를 내장한 구성으로 되어 있다. 그리고, 인상로(1)의 내측에는 도가니(2) 내의 반도체 재료를 가열 용융하기 위한 히터(3)가 도가니(2)의 주위에 설치되고, 인상로(1)의 외측에는 한 쌍의 초전도 코일(4(4a, 4b))을 원통형 용기로서의 냉매 용기(5)에 내장한 초전도 자석(30)이 배치되어 있다.

단결정체의 제조 시에는, 도가니(2) 내에 반도체 재료(6)를 넣어 히터(3)에 의해 가열하고, 반도체 재료(6)를 용융시킨다. 이 용융액 중에 종결정(seed crystaℓ)(도시 생략)을, 예를 들어, 도가니(2)의 중앙부 위쪽으로부터 하강 삽입하고, 인상기(도시 생략)에 의해 종결정을 소정의 속도로 인상하여 간다. 이것에 의해, 고체와 액체의 경계층에 결정이 성장하여, 단결정이 생성된다. 이 때, 히터(3)의 가열에 의해 야기되는 용융액의 유체(流體) 운동, 즉, 열대류가 발생하면, 인상되는 용융액이 흩뜨러져, 단결정 생성의 제조 수율이 저하된다.

그래서, 그 대책으로서, 초전도 자석(30)의 초전도 코일(4)을 사용한다. 즉, 용융액의 반도체 재료(6)는 초전도 코일(4)로의 통전에 의해 발생하는 자력선(7)에 의해 동작 억제력을 받아, 도가니(2) 내에서 대류하지 않고, 종결정의 인상에 따라 천천히 위쪽을 향하여 인상되어, 고체의 단결정체(9)로서 제조된다. 또한, 인상로(1)의 위쪽에는 단결정체(9)를 도가니 중심선(10)을 따라 인상하기 위한 인상기(도시 생략)가 설치되어 있다.

다음으로, 도 19에 의해, 도 18에 나타낸 단결정 인상 장치에 사용되는 초전도 자석(30)의 일례에 대해서 설명한다. 이 초전도 자석(30)은 원통형 진공 용기(19)에 초전도 코일(4(4a, 4b))을 원통형 냉매 용기를 통하여 수납한 구성으로 되어 있다. 이 초전도 자석(30)에서는, 진공 용기(19) 내의 중심부를 통하여 서로 대향하는 한 쌍의 초전도 코일(4a, 4b)이 수납되어 있다. 이들 한 쌍의 초전도 코일(4a, 4b)은 횡방(橫方)의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀츠형 자장 코일이며, 도 18에 나타낸 바와 같이, 진공 용기(19)의 중심선(10)에 대하여 좌우 대칭인 자력선(7)을 발생시킨다(이 중심선(10)의 위치를 자장 중심이라고 함).

또한, 이 초전도 자석(30)은 2개의 초전도 코일(4a, 4b) 에 전류를 도입하는 전류 리드(11), 원통형 냉매 용기(5)의 내부에 수납된 제 1 복사 실드(17) 및 제 2 복사 실드(18)를 냉각시키기 위한 소형 헬륨 냉동기(12), 원통형 냉매 용기(5) 내의 헬륨 가스를 방출하는 가스 방출관(13) 및 액체 헬륨을 보급(補給)하는 보급구를 갖는 서비스 포트(14) 등을 구비한다. 이러한 초전도 자석(30)의 보어(15) 내에 도 18에 나타낸 인상로(1)가 설치된다.

도 20은 상술한 종래의 초전도 자석(30)의 자장 분포를 나타낸다. 이 도 20에 나타낸 바와 같이, 종래의 초전도 자석(30)에서는, 서로 대향한 한 쌍의 초전도 코일(4a, 4b)이 배치되어 있기 때문에, 각 코일 배치 방향(X방향)에서는 양측을 향하여 자장이 점차 커지고, 이것과 직교하는 방향(Y방향)에서는 상하 방향을 향하여 점차 자장이 작아진다. 이러한 종래의 구성에서는, 도 20에 나타낸 바와 같이 보어 범위의 자장 구배가 지나치게 크기 때문에, 용융액에 발생하는 열대류 억제가 불균형해지고, 또한, 자장 효율이 나쁘다.

즉, 도 20에 사선으로 나타낸 바와 같이, 중심 자장 근방 부근의 영역에서는 자장 균일성이 좋지 않기(상하, 좌우로 가늘고 긴 크로스 형상으로 되어 있음) 때문에, 열대류의 억제 정밀도가 나쁘고, 고품질의 단결정체를 인상할 수 없다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 안출된 것으로서, 보어 내부에 자장 구배가 적고, 높은 균일성의 횡자장을 발생시킬 수 있는 초전도 자석을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 높은 균일성의 자장을 발생시키는 초전도 자석을 이용하여 고품질의 단결정체를 양호한 제조 수율로 인상할 수 있는 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 특허청구범위의 청구항 1에 따른 발명에서는, 반도체용 단결정 재료를 용융시키는 도가니를 인상로에 내장하고, 상기 인상로의 외부에 배설한 초전도 코일로의 통전에 의해 상기 단결정에 자장을 인가하여, 상기 용융된 단결정 재료의 상기 도가니 내에서의 대류를 억제하는 단결정 인상 장치에 있어서, 상기 초전도 코일을 4개 이상으로 하여, 상기 인상로의 주위에 동축적(同軸的)으로 설치한 통형 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 상기 통형 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 상기 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 상기 통형 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정하며, 대향하는 방향에 배치된 한 쌍의 상기 초전도 코일은 횡방향의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀쯔형 자장 코일인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치를 제공한다.

특허청구범위의 청구항 2의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 대향하는 것끼리의 이간(離間) 거리(ℓ)를 상기 통형 용기의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정한 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 단결정 인상 장치를 제공한다.

특허청구범위의 청구항 3의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 코일 직경(d)을 상기 보어 치수(D)에 대하여 0.35∼0.55배로 설정한 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 단결정 인상 장치를 제공한다.

특허청구범위의 청구항 4의 발명에서는, 원통형 진공 용기 내에 초전도 코일을 내장한 초전도 자석으로서, 상기 초전도 코일은 상기 진공 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 상기 진공 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 상기 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 상기 진공 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정하며, 대향하는 방향에 배치된 한 쌍의 상기 초전도 코일은 횡방향의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀쯔형 자장 코일인 것을 특징으로 하는 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 5의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 대향하는 것끼리의 이간 거리(ℓ)를 상기 진공 용기의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정한 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 6의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 코일 직경(d)을 상기 보어 치수(D)에 대하여 0.35∼0.55배로 설정한 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 7의 발명에서는, 상기 초전도 코일을 4개 이상의 짝수개로 구성한 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 8의 발명에서는, 상기 초전도 코일 형상을 상기 진공 용기의 축방향으로 긴 레이스 트랙형, 타원형 또는 사각형으로 한 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 9의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 냉각 수단은 냉매 용기 내에 수용한 액체 냉매 중으로의 상기 코일의 침지, 또는 상기 코일과 냉동기 저온부의 접속, 또는 상기 코일로의 액체 냉매 용기의 접속, 또는 상기 각 수단의 병설(倂設)에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 10의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 외주측에 배치되는 용기의 벽을 자성(磁性) 재료를 사용하여 구성한 것을 특징으로 하는 청구항 4에 기재된 초전도 자석을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 11의 발명에서는, 반도체용 단결정 재료를 용융시키는 도가니를 인상로에 내장하고, 상기 인상로의 외부에 배설한 초전도 코일로의 통전에 의해 상기 단결정에 자장을 인가하여, 상기 용융된 단결정 재료의 상기 도가니 내에서의 대류를 억제하는 단결정 인상 방법에 있어서, 상기 초전도 코일을 4개 이상으로 하여, 상기 인상로의 주위에 동축적으로 설치한 통형 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 상기 통형 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 상기 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 상기 통형 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정하여 반도체용 단결정을 인상하며, 대향하는 방향에 배치된 한 쌍의 상기 초전도 코일은 횡방향의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀쯔형 자장 코일인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법을 제공한다.

특허청구범위의 청구항 12의 발명에서는, 상기 초전도 코일의 대향하는 것끼리의 이간 거리(ℓ)를 상기 통형 용기의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정한 것을 특징으로 하는 청구항 11에 기재된 단결정 인상 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도 1 내지 도 17을 참조하여 설명한다.

도 1은 초전도 자석(30)의 전체 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다.

이들 도면에 나타낸 바와 같이, 원통형 진공 용기(19) 내에 냉각용 용기로서 원통형 냉매 용기(5)가 설치되고, 이 냉매 용기(5) 내에 4개의 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)이 수납되어 있다. 또한, 진공 용기(19)에는 전류 도입용 전류 리드(11)가 접속되어 있고, 또한, 제 1 및 제 2 복사 실드(17, 18)를 냉각시키는 소형 헬륨 냉동기(12), 및 주입구와 헬륨 가스 방출구를 갖는 서비스 포트(14)가 설치되어 있다.

각 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)은 원형 코일로서 구성되어 있고, 냉매 용기(5) 내의 동일 평면 상에 각각 배치되어, 액체 냉매 중에 침지되어 있다. 그리고, 각 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)은 냉매 용기(5)의 축심을 통하여 대향하는 방향을 따라 한 쌍씩 서로 대향 배치되며, 이들 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)이 발생하는 자장의 방향이 후술하는 인상로의 인상 방향에 대하여 횡방향이고, 또한, 이들 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 냉매 용기(5)의 내측을 향하는 배설 각도(θ) 100°∼130°의 범위에서 임의로 설정할 수 있게 구성되어 있다.

또한, 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)의 서로 대향하는 것끼리의 이간 거리(ℓ)는 진공 용기(19)의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정되는 동시에, 이들 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)의 코일 직경(d)은 보어 치수(D)에 대하여 0.35∼0.55배로 설정되어 있다.

도 3은 초전도 자석(30)을 도 1의 B-B선 종단면도로서 나타내는 동시에, 이 초전도 자석(30)을 인상로(1)의 외주측에 동축적으로 조립한 단결정 인상 장치를 나타내는 도면이다. 또한, 이 도 3에 나타낸 단결정 인상 장치의 전체 구성은 도 18에 나타낸 종래예의 구성과 대략 동일하기 때문에, 도 18과의 동일 구성 부분에는 동일 부호를 첨부하여 중복되는 설명을 생략하나, 본 실시예의 단결정 인상 장치에서는, 반도체 재료(6)를 수용하는 도가니(2)의 주위로부터 4개의 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해 자장이 횡방향에서 교차하는 2방향으로 공급된다.

도 4 내지 도 9는 이상의 구성에 의해 형성되는 본 실시예의 자장 분포 예를 나타내고, 도 10 및 도 11은 본 실시예에 대한 비교예로서의 자장 분포 예를 나타낸다.

즉, 도 4는 자장 균일성이 가장 양호해지는 본 실시예의 최적의 예를 나타낸 것이며, 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)의 배설 각도(θ)를 113°로 한 경우의 자장 분포를 나타낸다. 이 도 4에 사선으로 나타낸 바와 같이, 중심 자장이 대략 마름모꼴이며 X, Y방향 모두 균일하게 폭넓은 범위를 차지하고 있다. 이러한 자장을 도 3에 나타낸 바와 같이 용융된 반도체 재료(6)에 공급한 경우에는, 그 용융액의 대류, 특히 도가니 중심 부위에서의 대류 억제 효과가 상당히 높아지고, 위쪽으로 인상되는 단결정체(9)는 전체적으로 균일해져, 종래예에서는 단결정체(9)의 에지 부분에 발생하고 있던 결함 부분이 전혀 나타나지 않는다.

도 5 내지 도 9에는 상기 초전도 코일(4a, 4b, 4c, 4d)의 배설 각도(θ)를 차례로 100°, 110°, 115°, 120°, 130°로 한 경우의 자장 분포를 나타낸다. 이들 도시한 자장 분포에서도 중심 자장이 충분히 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 배치되어 있다. 또한, 도 5 및 도 6과 같이 배설 각도(θ)가 작은 범위에서는 중심 자장이 X방향으로 약간 길게 나타나고, 반대로 도 7 내지 도 9와 같이 배설 각도(θ) 가 커지면 중심 자장이 Y방향으로 약간 길게 나타나게 된다.

이것에 대하여, 도 10에 나타낸 바와 같이, 배설 각도(θ)가 90°로 작은 비교예의 경우에는, 중심 자장의 Y방향의 폭이 극단적으로 좁아지고, 또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 배설 각도(θ)가 140°로 큰 비교예의 경우에는, 중심 자장의 X방향의 폭이 극단적으로 좁아진다.

이상과 같이, 본 실시예의 초전도 자석(30)에서는, 원형의 코일 2개 한 쌍을 서로 대향시켜 2쌍, 동일 용기 내에 배치하고, 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정함으로써, 보어 내부에 동심원 또는 사각 경사 형상의 등분포(等分布) 자장을 얻을 수 있다.

또한, 보어 치수(D)에 대하여 대향하는 코일간 거리(ℓ)를 1.1∼1.25배의 범위로 설정한 경우, 및 코일 직경(d)을 0.35∼0.55배로 설정한 경우에는, 도 4 내지 도 9에 나타낸 자장 분포의 경향이 더 확실해진다. 따라서, 이들 요소를 배설 각도(θ)와 함께 부가한 설정으로 함으로써, 보다 균일성이 양호한 자장 분포를 얻을 수 있다.

도 12는 원통형 냉매 용기(5) 내에 수납되는 초전도 코일(4)을 6개(4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f)로 한 실시예를 나타낸다. 이 경우의 배설 각도(θ) 등의 설정은 도 2의 경우와 동일하다. 도 13은 이 경우에서의 자장 분포도이다. 이 도 13에 나타낸 바와 같이, 초전도 코일 수를 증대시킨 경우에는, 중심 자장이 더 안정된 확산으로 된다. 이와 같이, 코일 수를 6 이상의 짝수개로 설정함으로써, 보다 균일성을 높일 수 있다. 또한, 평면 상의 자장의 중공(中空)을 최소한으로 억제할 수 있다.

도 14는 원통형 냉매 용기(5) 내에 수납된 초전도 코일(4)의 형상을 단결정체 인상 방향(8)과 동일한 방향, 즉, 종방향으로 긴 레이스 트랙형, 타원형 또는 사각형으로 하고, 그 초전도 코일(4)을 2개 한 쌍으로 하여, 서로 대향시켜 2쌍 배치하고, 초전도 코일(4)이 발생하는 자장의 방향이 인상로(1)의 인상 방향(8)에 대하여 횡방향으로 되도록 구성한 것이다.

이러한 구성으로 한 경우에는, 도가니(2) 내의 반도체 재료(6)의 깊이 방향 치수가 진원(眞圓)인 경우에 비하여 커지기 때문에, 자장 영역의 종방향의 균일성을 높일 수 있다. 따라서, 상기 각 수단과의 조합에 의해, 자장 균일성이 더 향상된다.

도 15는 본 발명에 따른 초전도 자석(30)의 다른 실시예를 나타내는 종단면도이다. 이 실시예가 상술한 실시예와 다른 점은, 도 1에 나타낸 냉동기 보급구가 있는 서비스 포트(14)를 삭제한 것이다. 그 이외의 구성에 대해서는 도 1의 것과 동일한 구성으로 되어 있다.

이 도 15에 나타낸 실시예에서는, 냉매와 냉매를 수납하는 냉매 용기를 갖고 있지 않으며, 또한, 초전도 코일(4)은 소형 헬륨 냉동기(12)에 의해 냉각되어 있다. 또한, 초전도 코일(4)은 복사 실드(17)에 의해 덮여 있고, 이들은 진공 용기(19) 내에 수납되어 있다. 그리고, 전류 리드(11)는 초전도 코일(4)에 전류를 공급하게 되어 있다.

이러한 실시예에 의하면, 초전도 코일(4)이 냉동기(12)에 의해 냉각되어, 초 전도 상태를 유지할 수 있기 때문에, 액체 헬륨 등의 냉각 매체를 필요로 하지 않고, 또한, 냉매 보급에 소요되는 비용을 삭감할 수 있다.

또한, 도 16은 소형 냉매 용기(22)와 초전도 코일(4)을 접속한 구성의 것이며, 그 이외의 것에 대해서는 도 15와 대략 동일한 구성으로 되어 있다.

이 도 16에 나타낸 실시예에서는, 초전도 코일(4)이 소형 헬륨 냉동기(12) 및 소형 냉매 용기(22)에 의해 냉각되어 있다. 또한, 소형 냉매 용기(22)에는 주액구(23)로부터 냉매를 주액한다.

이러한 도 16의 실시예에 의하면, 소형 헬륨 냉동기(12)가 정지한 경우에도, 소형 냉매 용기(22) 내부에 냉매가 존재하고 있기 때문에, 초전도 코일(4)은 초전도 상태를 유지할 수 있다.

도 17은 도 1에 나타낸 진공 용기(19)의 외주벽(19a), 상하벽(19b, 19c) 중의 어느쪽 또는 전체를 철계 금속 등의 자성체로 구성한 것이다. 그 이외는 도 1에 나타낸 것과 동일한 구성으로 되어 있다.

이러한 도 17에 나타낸 구성에 의하면, 진공 용기(19)가 자성체이기 때문에, 초전도 코일(4)로부터 발생하는 자장을 진공 용기 자체의 자성체에 의해 흡수할 수 있다. 따라서, 외측 주위로의 누설 자장을 완화할 수 있고, 예를 들어, 주변에 계기류가 존재하는 경우 등에서도 안전한 운용을 행할 수 있다.

본 발명의 초전도 자석에 의하면, 보어 내부에 자장 구배가 적으며 균일성이 양호한 횡자장을 발생시킬 수 있고, 또한, 평면 상에 동심원 또는 사각형 형상의 자장 분포를 발생시킬 수 있어, 불균형 전자력을 대폭으로 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법에 의하면, 인상 방향의 균일 자장 영역이 향상되는 동시에, 횡자장 방향의 자장이 대략 수평으로 되고, 불균형 전자력의 억제에 의해, 고품질의 단결정 제조를 실현할 수 있다.

Claims

반도체용 단결정 재료를 용융시키는 도가니를 인상로에 내장하고, 상기 인상로의 외부에 배설한 초전도 코일로의 통전에 의해 상기 단결정에 자장을 인가하여, 상기 용융된 단결정 재료의 상기 도가니 내에서의 대류를 억제하는 단결정 인상 장치에 있어서,

상기 초전도 코일을 4개 이상으로 하여, 상기 인상로의 주위에 동축적(同軸的)으로 설치한 통형 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 상기 통형 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 상기 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 상기 통형 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정하며,

대향하는 방향에 배치된 한 쌍의 상기 초전도 코일은 횡방향의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀쯔형 자장 코일인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 대향하는 것끼리의 이간(離間) 거리(ℓ)를 상기 통형 용기의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정한 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 코일 직경(d)을 상기 보어 치수(D)에 대하여 0.35∼0.55 배로 설정한 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
원통형 진공 용기 내에 초전도 코일을 내장한 초전도 자석으로서, 상기 초전도 코일은 상기 진공 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 상기 진공 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 상기 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 상기 진공 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정하며,

대향하는 방향에 배치된 한 쌍의 상기 초전도 코일은 횡방향의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀쯔형 자장 코일인 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
제 4 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 대향하는 것끼리의 이간 거리(ℓ)를 상기 진공 용기의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정한 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
제 4 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 코일 직경(d)을 상기 보어 치수(D)에 대하여 0.35∼0.55배로 설정한 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
제 4 항에 있어서,

상기 초전도 코일을 4개 이상의 짝수개로 구성한 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
제 4 항에 있어서,

상기 초전도 코일 형상을 상기 진공 용기의 축방향으로 긴 레이스 트랙형, 타원형 또는 사각형으로 한 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
제 4 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 냉각 수단은 냉매 용기 내에 수용한 액체 냉매 중으로의 상기 코일의 침지, 또는 상기 코일과 냉동기 저온부의 접속, 또는 상기 코일로의 액체 냉매 용기의 접속, 또는 상기 각 수단의 병설(倂設)에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
제 4 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 외주측에 배치되는 용기의 벽을 자성(磁性) 재료를 사용하여 구성한 것을 특징으로 하는 초전도 자석.
반도체용 단결정 재료를 용융시키는 도가니를 인상로에 내장하고, 상기 인상로의 외부에 배설한 초전도 코일로의 통전에 의해 상기 단결정에 자장을 인가하여, 상기 용융된 단결정 재료의 상기 도가니 내에서의 대류를 억제하는 단결정 인상 방법에 있어서,

상기 초전도 코일을 4개 이상으로 하여, 상기 인상로의 주위에 동축적으로 설치한 통형 용기 내의 동일 평면 상에 배치하는 동시에, 그 배치된 각 초전도 코일을 상기 통형 용기의 축심을 통하여 대향하는 방향으로 설정하고, 또한, 상기 초전도 코일의 서로 인접하는 한 쌍끼리가 상기 통형 용기의 내측을 향하는 배설 각도(θ)를 100°∼130°의 범위로 설정하여 반도체용 단결정을 인상하며,

대향하는 방향에 배치된 한 쌍의 상기 초전도 코일은 횡방향의 동일 방향에 따른 자장을 발생시키고 있는 헬름홀쯔형 자장 코일인 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법.
제 11 항에 있어서,

상기 초전도 코일의 대향하는 것끼리의 이간 거리(ℓ)를 상기 통형 용기의 보어 치수(D)에 대하여 1.1∼1.25배로 설정한 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법.