(57)【要約】【課題】  本発明は室温ボアの熱が超電導コイルに熱伝導するのを防止する冷却手段を設けた超電導磁石装置に関し、室温ボアの熱が超電導コイルに熱伝導するのを防止する冷却手段を設けつつ、かつ冷却手段の内部に大きな空間を形成することを課題とする。【解決手段】  磁場を発生させる超電導コイル２５と、室温ボア２７が形成されると共に超電導コイル２５を内包する真空容器２３と、室温ボア２７に配置された熱処理炉３０の熱が超電導コイル２５に熱伝導するのを防止する冷却水層２９とを有し、この兼用壁３６を真空容器２３の外周壁として、また冷却水層２９の内周壁として兼用することにより、冷却水層２９を真空容器２３の内部に配設する。【選択図】  図４
2007103661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場を発生させる超電導コイルと、
室温ボアが形成されると共に前記超電導コイルを内包する真空容器と、
前記室温ボアの熱が前記超電導コイルに熱伝導するのを防止する冷却手段とを有する超電導磁石装置において、
前記冷却手段を前記真空容器の内部に配設したことを特徴とする超電導磁石装置。
【請求項２】
前記冷却手段を前記温室ボアを囲繞する冷却層とし、かつ該冷却層の内壁と前記真空容器の外壁を兼用した構成としたことを特徴とする請求項１記載の超電導磁石装置。
【請求項３】
前記温室ボア内に熱処理炉を配設したことを特徴とする請求項１または２記載の超電導磁石装置。
【請求項４】
前記前記冷却手段に冷媒を供給する冷媒供給配管を前記真空容器の天板に敷設したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超電導磁石装置に係り、特に室温ボアの熱が超電導コイルに熱伝導するのを防止する冷却手段を設けた超電導磁石装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、シリコン単結晶を磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）を用いて成長させる際、シリコン単結晶製造装置に磁界を印加しつつシリコン単結晶を成長させることが行なわれている。このシリコン単結晶製造装置に対する磁界の印加は、冷凍機冷却型の超電導磁石装置を用いて行なわれている。
【０００３】
また、その中でも、超電導磁石を冷却する方式として冷凍機を用いる冷凍機冷却型（ヘリウムフリー型）の超電導磁石装置は、従来の冷却のように液体ヘリウムを使用しないことから、操作性の容易さや安全性、また、装置の小型化、長時間運転の容易さ、コスト面でも優れているために利用の場を拡大してきている。
【０００４】
図１及び図２は、ＭＣＺ法を用いてシリコン単結晶を成長させる際に用いられる冷凍機冷却型の超電導磁石装置の一例を示している。図１（Ａ）は超電導磁石装置１の断面図、図１（Ｂ）は超電導磁石装置１の平面図、図２は後述する冷却水ジャケット９の近傍を拡大して示す図である。この超電導磁石装置１は、大略すると真空容器３，ギフォード・マクマホン式冷凍機４（以下、ＧＭ冷凍機という），超電導コイル５，熱シールド６等により構成されている。
【０００５】
真空容器３は内部が真空とされる容器であり、中央に室温ボア７が形成された円筒形状を有している。磁場発生装置１により磁界を印加しようとする熱処理炉１０（例えば、例えば磁界印加式チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）を用いたシリコン単結晶製造装置）は、この室温ボア７の内部に配設される。
【０００６】
また、真空容器３の内部には、外部からの輻射熱を遮断する熱シールド６が設けられている。超電導コイル５は、この熱シールド６の内部に複数個配設されている。そして、この複数の超電導コイル５は、協働して室温ボア７内に水平磁場を形成するよう構成されている。
【０００７】
また、超電導コイル５は、この超電導コイル５を保持するコイルホルダー８を介してＧＭ冷凍機４と熱的に接続されている。そして、超電導コイル５は、ＧＭ冷凍機４により臨界温度以下まで冷却される構成とされている。これにより超電導コイル５は超電導状態とされ、室温ボア７内に配設された熱処理炉１０に対して常電導マグネットでは発生不可能な強磁場を印加することができる。
【０００８】
ところで、熱処理炉１０は内部にシリコン単結晶を生成するためにシリコンを溶融するヒータが配設されている。このヒータの熱が超電導コイル５に熱伝導した場合、超電導コイル５の温度が上昇し所望する磁場を発生することができなくなってしまう。このため従来から、室温ボア内に冷却手段を設けた超電導磁石装置が提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
図１及び図２に示す超電導磁石装置１は、上記の点より室温ボア７内に冷却手段として機能する冷却水ジャケット９を設けている。更に、冷却水ジャケット９と真空容器３との間には、断熱材であるスーパーインシュレーション１５を配設している。冷却水ジャケット９は、給水ホース１１及び排水ホース１２を介してチラー１３と接続されており、チラー１３から冷却水が供給される構成となっている。
【００１０】
よって、熱処理炉１０で発生する熱は、冷却水ジャケット９を流れる冷却水により冷却され、更にその外側に配設されたスーパーインシュレーション１５により断熱される。これにより、熱処理炉１０で発生する熱が超電導コイル５に熱伝達されないよう構成されていた。
【００１１】
もし仮に、冷却水ジャケット９を設けない構成を想定すると、熱処理炉１０内の温度を５００℃に昇温したとき、超電導コイル５が配設された真空容器３内の温度は１００℃以上の温度となり、スーパーインシュレーション１５は溶けてしまい、超電導コイル５は超電導状態を維持することができなくなってしまう。
【特許文献１】特開２００４−１１９８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、従来の超電導磁石装置１は、室温ボア７の内部に円筒状の冷却水ジャケット９を装着し、更にその内部に熱処理炉１０を装着する構成とされていた。この場合、図２に拡大して示すように、熱処理炉１０と冷却水ジャケット９との間に第１の間隙（図中、矢印Ｌ１で示す）を設けると共に、冷却水ジャケット９と真空容器３の内壁との間にも第２の間隙（図中、矢印Ｌ２を設ける必要があり、室温ボア７の直径に対して熱処理炉１０の直径を大幅に小さくしなければならないという問題点があった。
【００１３】
また、熱処理炉１０の直径を大きくするために、第１の間隙Ｌ１を小さく或いは無くすることも考えられるが、一般に熱処理炉１０は石英で形成されており、この石英よりなる熱処理炉１０の外壁が冷却水ジャケット９に直接接触して冷却される構成では、内壁と外壁の温度差により熱処理炉１０が割れるおそれがある。
【００１４】
更に、第１の間隙Ｌ２を小さく或いは無くすることも考えられるが、従来ではこの第１の間隙Ｌ２を利用してスーパーインシュレーション１５を配設しており、また仮にスーパーインシュレーション１５を無くしても、真空容器３と冷却水ジャケット９とが別部材であるためスペース効率は悪く、熱処理炉１０の直径を大きくすることは困難である。
【００１５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、室温ボアの熱が超電導コイルに熱伝導するのを防止する冷却手段を設けつつ、かつ冷却手段の内部に大きな空間を形成しうる超電導磁石装置を提供することを目的とする。
を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１記載の発明は、
磁場を発生させる超電導コイルと、
室温ボアが形成されると共に前記超電導コイルを内包する真空容器と、
前記室温ボアの熱が前記超電導コイルに熱伝導するのを防止する冷却手段とを有する超電導磁石装置において、
前記冷却手段を前記真空容器の内部に配設したことを特徴とするものである。
【００１８】
上記発明によれば、冷却手段を真空容器の内部に配設したことにより、冷却手段を真空容器の外部に配設する構成に比べ、温室ボアを広くすることができる。
【００１９】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の超電導磁石装置において、
前記冷却手段を前記温室ボアを囲繞する冷却層とし、かつ該冷却層の内壁と前記真空容器の外壁を兼用した構成としたことを特徴とするものである。
【００２０】
上記発明によれば、冷却手段を構成する冷却層の内壁と真空容器の外壁を兼用した構成としたことにより、真空容器内に無駄な空間が発生することを抑制でき、更に温室ボアを広くすることが可能となる。
【００２１】
また、請求項３記載の発明は、
請求項１または２記載の超電導磁石装置において、
前記温室ボア内に熱処理炉を配設したことを特徴とするものである。
【００２２】
上記発明によれば、温室ボア内に熱処理炉を配設しても、冷却手段により熱処理炉で発生する熱が超電導コイルに伝わることを防止できる。
【００２３】
また、請求項４記載の発明は、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超電導磁石装置において、
前記前記冷却手段に冷媒を供給する冷媒供給配管を前記真空容器の天板に敷設したことを特徴とするものである。
【００２４】
上記発明によれば、冷媒供給配管が真空容器の天板に敷設されるため、冷媒供給配管をコンパクトに配置することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、冷却手段を真空容器の外部に配設する構成に比べて温室ボアを広くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００２７】
図３乃至図４は、本発明の一実施例である超電導磁石装置２０を説明するための図である。図３（Ａ）は超電導磁石装置２０の断面図、図３（Ｂ）は超電導磁石装置２０の平面図、図４は後述する冷却水層２９の近傍を拡大して示す図である。
【００２８】
本実施例に係る超電導磁石装置２０は、液体ヘリウムを使用しない冷凍機冷却型の超電導磁石装置である。このため、操作性や安全性に優れ、また装置の小型化、長時間運転化、及びランニングコストの低コスト化が図られている。また、本実施例に係る超電導磁石装置２０は、シリコン単結晶をＭＣＺ法を用いて成長させる際に、シリコン単結晶製造装置を構成する熱処理炉３０に磁界を印加するのに用いられるものである。
【００２９】
本実施例に係る超電導磁石装置２０は、大略すると真空容器２３、ギフォード・マクマホン式冷凍機２４（以下、ＧＭ冷凍機という），超電導コイル２５，熱シールド２６、及び冷却水層２９等により構成されている。
【００３０】
超電導コイル２５は円形コイルであり、本実施例では４個配設された構成とされている。この超電導コイル２５は、２個ずつがペアとなって水平磁場を発生するよう構成されている。また、超電導コイル２５は、コイルホルダー２８に固定された構成とされている。このコイルホルダー２８は、真空容器２３に内設された環状の熱シールド２６内に配設されている。熱シールド２６は、熱伝導の良い銅やアルミニウムで作製されている。
【００３１】
ＧＭ冷凍機２４は、後述する真空容器２３の天板３３上に搭載されている。このＧＭ冷凍機２４の配設場所及び配設個数は、超電導コイル２５の冷却仕様等に応じて適宜選定されている。このＧＭ式のＧＭ冷凍機２４はモータ２４ａを有しており、このモータ２４ａを駆動させることにより、内設されたディスプレーサがＧＭ冷凍機２４内で上下に往復移動する構成とされている。そして、このディスプレーサの往復移動により、図示しない冷凍機コンプレッサから供給される高圧冷媒をＧＭ冷凍機２４内で膨張させ、これにより冷却を行う構成とされている。
【００３２】
このＧＭ冷凍機２４は、１段目冷却シリンダ２４ｂと２段目冷却シリンダ２４ｃとを有している。１段目冷却シリンダ２４ｂは図示しない伝熱部材により熱シールド２６と接続され、また２段目冷却シリンダ２４ｃは伝熱板２ｄを介してコイルホルダー２８に熱的に接続されている。よって、ＧＭ冷凍機２４の１段目冷却シリンダ２４ｂが熱シールド２６を冷却することにより外部の熱が熱シールド２６内に侵入するのを防止し、かつ超電導コイル２５はコイルホルダー２８を介してＧＭ冷凍機２４の２段目冷却シリンダ２４ｃにより臨界温度以下（例えば、4.2K）に冷却される。これにより超電導コイル２５は、超電導状態を実現する。
【００３３】
次に、主に図４を用いて、本発明の要部となる真空容器２３及冷却水層２９（請求項に記載の冷却手段に相当する）の構成について説明する。
【００３４】
真空容器２３は円柱形状とされており、その略中央位置に室温ボア２７が上下方向に延在するよう形成されている。この真空容器２３は、外周に位置する環状の外周壁３８と、この外周壁３８の上部を覆う天板３３と、外周壁３８の下部を覆う底板３７と、室温ボア２７の形成側に配設される兼用壁３６とにより構成されている。この各壁３６，３８と板３３，３７は、溶接により気密となるよう強固に接合されている。これにより、内部を真空としうる真空容器２３が製造される。
【００３５】
一方、冷却水層２９は、環状を有し室温ボア２７と面する内周壁３９と、前記した兼用壁３６と、兼用壁３６及び内周壁３９の上部を封止する上部壁４０と、兼用壁３６及び内周壁３９の下部を封止する下部壁４１とにより構成されている。各壁３６，３９，４０，４１は溶接等により液密に接合され、よってその内部に冷媒（本実施例では冷却水３４）を装填できる構成とされている。
【００３６】
下部壁４１には冷却水層２９に冷却水３４を供給するための給水配管３１が接続されており、上部壁４０には冷却水層２９から冷却水３４を排出するための排水配管３２が接続されている。この給水配管３１及び排水配管３２は、図示しないチラーに接続されており、冷却水層２９に対して冷却水３４が供給及び排出される構成となっている。
【００３７】
本実施例に係る超電導磁石装置２０は、冷却水層２９を真空容器２３の内部に配設したことを特徴としている。即ち、真空容器２３の外周壁と、冷却水層２９の内周壁を兼用壁３６で兼用することにより真空容器２３と冷却水層２９を一体化し、これにより冷却水層２９を真空容器２３の内部に配設した構成といている。また本実施例では、シリコンを溶融するヒータの熱が超電導コイル２５に熱伝達するのを防止するスーパーインシュレーション３５（請求項に記載の多層断熱膜に相当する）を兼用壁３６と熱シールド２６との間に形成される空間部に配置した構成としている。
【００３８】
このように、本実施例に係る超電導磁石装置２０では、従来と同様に熱を発生させる熱処理炉３０と超電導コイル２５との間に、冷却水３４が循環する冷却水層２９及び断熱材として機能するスーパーインシュレーション３５が配設されるため、熱処理炉３０で発生する熱が超電導コイル２５に伝わることを防止できる。
【００３９】
また、本実施例のように、兼用壁３６を兼用して冷却水層２９を真空容器２３の内部に一体化することにより、真空容器２３と室温ボア２７内に配置される熱処理炉３０との間に無駄な空間が発生することを抑制できる。即ち、従来の熱処理炉１０では、図２を用いて説明したように、真空容器３と熱処理炉１０との間に第１及び第２の間隙Ｌ１，Ｌ２が必然的に発生していた。
【００４０】
これに対して本実施例に係る超電導磁石装置２０では、従来発生していた第２の間隙Ｌ２が発生することは無く、この第２の間隙Ｌ２の寸法分だけ室温ボア２７を広げることができる。また、従来の熱処理炉１０では、真空容器３と冷却水ジャケット９とが別体であったため、真空容器３の内周壁と冷却水ジャケット９の外周壁が必要であった。しかしながら、本実施例では真空容器２３の内周壁と冷却水層２９の内周壁が兼用壁３６で兼用され一つで済むため、これによっても室温ボア２７を広げることができる。
【００４１】
更に、従来では真空容器３と冷却水ジャケット９とが完全に分離した別構成であったため、冷却水ジャケット９に接続する各ホース１１，１２を真空容器３とは別個に配置しなければならず、その扱いが面倒であった。しかしながら、本実施例では冷却水層２９が真空容器２３と一体的な構成となっているため、給水配管３１を底板３７に敷設することができると共に、排水配管３２を天板３３に敷設することができる。よって、各配管３１，３２を天板３３及び底板３７にコンパクトに配置することができる。
【００４２】
図５は、本実施例に係る超電導磁石装置２０を実際の効果を説明するための図である。同図は、超電導磁石装置２０を実際のＭＣＺ法を用いたシリコン単結晶の引き上げに適用した場合における、時間経過に伴う熱シールド２６及び超電導コイル２５の温度変化を超電導コイル２５に供給する電流変化と共に示した図である。尚、同図において横軸は時間であり、縦軸は温度及び電流値を夫々示している。
【００４３】
同図に示されるように、本実施例に係る超電導磁石装置２０によれば、シリコン単結晶の引き上げに必要とされる約６５時間において、熱シールド２６及び超電導コイル２５の温度変化は無く、室温ボア２７を広くしても安定した動作を行うことが立証された。また、本実施例に係る超電導磁石装置２０では、上記のように室温ボア２７が広くなるため、より大径のウェハの製造に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、従来の一例である超電導磁石装置を説明するための図である。
【図２】図２は、従来の一例である超電導磁石装置の冷却水ジャケットの近傍を拡大して示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例である超電導磁石装置を説明するための図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
【図４】図４は、本発明の一実施例である超電導磁石装置の冷却水層の近傍を拡大して示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例である超電導磁石装置の作用効果を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４５】
２０  超電導磁石装置
２３  真空容器
２４  ＧＭ冷凍機
２５  超電導コイル
２６  熱シールド
２７  室温ボア
２８  ステージ
２９  冷却水層
３０  熱処理炉
３１  給水配管
３２  排水配管
３３  天板
３４  冷却水
３５  スーパーインシュレーション
３６  兼用壁
【図１】
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【図２】
2007103661.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007103661.tif 000006
【図５】
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