(57)【要約】【課題】従来と同じ大きさの超電導電磁石に対して超電導電磁石の周辺機器のスペースの削減を図った単結晶引き上げ装置用の超電導装置を提供する。【解決手段】単結晶引き上げ装置用の超電導電磁石１０Ａは、冷媒により冷却される超電導コイル１１を収容した冷却容器１３を複数個配置し、各冷却容器１３は、連通管１４によって連通され、この連通管１４は、冷却設備２０から供給される冷媒を冷却容器１３の各々に冷媒を供給可能に構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒により冷却される超電導コイルを収容した冷却容器を複数個配置し、
前記冷却容器は、連通管によって連通され、
前記連通管は、冷却設備から供給される冷媒を前記冷却容器の各々に供給可能に構成されることを特徴とする超電導装置。
【請求項２】
複数個配置された前記冷却容器のうち、両端に位置する冷却容器の端部側に磁性体を配置することを特徴とする請求項１記載の超電導装置。
【請求項３】
前記冷却容器をレーストラック状に配置することを特徴とする請求項２記載の超電導装置。
【請求項４】
前記冷却容器を環状に配置することを特徴とする請求項１記載の超電導装置。
【請求項５】
前記冷却容器内の超電導コイルの中央に磁場補正用鉄心を挿入することを特徴とする請求項４記載の超電導装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導装置に関し、特に、単結晶引き上げ装置において磁場を印加し、融液対流を抑制する単結晶引き上げ装置用の超電導装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＴ技術を支える半導体分野において、その基盤材料としてシリコン（Ｓｉ）やガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の半導体ウェーハが挙げられる。当初小口径で製作されていたこれら半導体材料であるが、半導体デバイスにおける更なる高集積化および高機能化、またその大量かつ安価な生産という要求の中で大口径化が進んできた。
【０００３】
大口径のシリコン単結晶製作にあたっては、その成長プロセスに際して結晶欠陥を引き起こす坩堝（るつぼ）内での融液対流を抑制することが非常に重要な技術となる。現在、融解液対流の抑制技術としてＣｚ法（チョコラルスキー法）と呼ばれる方法を用いた単結晶の精製装置が開発製作されている。
【０００４】
Ｃｚ法とは、溶融した原料から結晶化した材料を引き上げる時点で、溶融した原料を挟んで相互に向かい合うように配置されたヘルムホルツ型超電導電磁石を用いて坩堝内に引き上げ方向に対して横方向の強磁場を発生させ、それによって溶液の熱対流を抑制することで大口径かつ高品質の半導体を製造する方法である。
【０００５】
また、半導体デバイスの大容量化、低コスト化および高品質化の要求に応えるため、シリコン単結晶の引き上げは、８インチ、１２インチと大型化してきており、このようなシリコン単結晶の大型化の要請に伴い、超電導電磁石も大空間に磁場を発生させることができるものが望まれている。
【０００６】
その一方で、大空間に磁場を発生させることが可能な超電導電磁石は大型化する傾向にあり、単結晶引き上げ装置が大型で高価格になってしまうといった課題がある。また、大空間に磁場を発生させることが可能な超電導電磁石は外部への漏れ磁場の影響も無視はできず、漏れ磁場の人体や周辺機器に対する影響を避けようとすると坩堝１個あたりに必要とする面積が大きくなるという課題もある。
【０００７】
このような背景から、単結晶引き上げ装置または単結晶引き上げ装置に適用される超電導電磁石の省スペース化や低価格化等を図るために、種々の技術が提案されている。例えば、特開平１０−１３９５９９号公報（特許文献１）には、引き上げ炉の設置台数がＮ（Ｎは自然数）台の場合にＮ＋１個の超電導コイルで済む超電導磁石が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１３９５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に記載される技術等の従来の技術では、超電導電磁石の周辺機器である電源および冷却設備が各超電導電磁石に対して１台ずつ設置されている。また、上述したように、大空間に磁場を発生させる要請に応えると、超電導電磁石は大型化する傾向にあるため、超電導電磁石が大型化に伴い、その周辺機器である電源および冷却設備についても同様に大型化する傾向にある。
【００１０】
しかしながら、大空間に磁場を発生させつつも、単結晶引き上げ装置または単結晶引き上げ装置に適用される超電導電磁石の省スペース化を図りたいという要請があり、超電導電磁石の周辺機器である電源および冷却設備に要するスペースについては、なるべく小さく抑えることが望まれている。
【００１１】
さらに、価格の観点からすれば、超電導電磁石が大型化に伴い、超電導コイル間に発生する吸引力および周囲に対する漏れ磁場が無視できなくなる。特に漏れ磁場に関しては今後予想される装置の１８インチタイプへの大型化に伴って、例えば、欧米基準のように磁場５０ガウス以上の領域に必要な安全エリアの面積は数倍に増加してしまう。そのため、超電導コイル間に発生する吸引力および周囲に対する漏れ磁場に対応するための強固な機械サポートや周辺スペースの更なる確保が必要となる。
【００１２】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、従来と同じ大きさの超電導電磁石に対して超電導電磁石の周辺機器のスペースの削減を図った単結晶引き上げ装置用の超電導装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態に係る超電導装置は、上述した課題を解決するため、冷媒により冷却される超電導コイルを収容した冷却容器を複数個配置し、前記冷却容器は、連通管によって連通され、前記連通管は、冷却設備から供給される冷媒を前記冷却容器の各々に供給可能に構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、超電導電磁石の電源および冷却設備等の周辺機器のスペースを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る単結晶引き上げ装置用超電導電磁石の構成を示す縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る単結晶引き上げ装置用超電導電磁石の構成を示す上面図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る単結晶引き上げ装置用超電導電磁石の構成を示す上面図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る単結晶引き上げ装置用超電導電磁石の構成を示す上面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る超電導装置について、添付の図面を参照して説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る超電導装置の一例である第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａの構成を示す縦断面図である。
【００１８】
第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａは、超電導コイル１１を冷媒中に浸漬させる冷媒容器１２を内部に収容する冷却容器としてのクライオスタット１３（１３ａ〜１３ｅ）を、例えば、５個等の複数個配置し、この複数のクライオスタット１３ａ〜１３ｅの各冷媒容器１２は、連通管１４によって連通される。なお、各クライオスタット１３内の構成は、連通管１４で接続される点を除き、従来のクライオスタットと同様である。
【００１９】
連通管１４は、断熱構造部を有し、冷媒容器１２の各々に冷媒を供給可能に構成される。この連通管１４の断熱構造は輻射シールドの役割を果たす。超電導コイル１１は、補強リングで補強されている。
【００２０】
また、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａにおいて、両端に位置するクライオスタット１３ａ，１３ｅの端部側に、ブロック又はプレートで構成された磁性体１８を設置する。
【００２１】
第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａでは、連通管１４に１式の電源設備１９および冷却設備２０が接続される。電源設備１９から電源の供給を受けて稼働する冷却設備２０は、連通管１４に冷媒を供給し、各クライオスタット１３（１３ａ〜１３ｅ）内の超電導コイル１１を冷却する。
【００２２】
第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａを適用した単結晶引き上げ装置では、引き上げ炉１が第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａの各超電導コイル１１（クライオスタット１３）の間に配置される。引き上げ炉１では、当該引き上げ炉１に設置されたヒータ２からの熱によって、坩堝（るつぼ）３の内部で半導体用材料４が溶融する。
【００２３】
ヒータ２の加熱によって誘起される熱対流は、坩堝３を挟んで対向するように設置された１対の超電導コイル１１が発生させる横磁場によって抑制され、挿入された種結晶の方向（図１において上方）への引き上げに伴って、固体−液体境界層で高品質の単結晶が成長する。
【００２４】
このように構成される第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａによれば、１式の電源設備１９および冷却設備２０によって、複数のクライオスタット１３（１３ａ〜１３ｅ）内の超電導コイル１１を冷却することができるので、複数の引き上げ炉１を稼動させることができる。
【００２５】
この結果、従来の単結晶引き上げ装置では、各坩堝３に対して、それぞれ、１台ずつ設置されている電源設備１９および冷却設備２０が、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａを適用した単結晶引き上げ装置では、装置全体として電源設備１９および冷却設備２０を１台ずつに収斂させることができ、電源設備１９および冷却設備２０を大幅に削除することができる。
【００２６】
また、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａの両終端に磁性体１８を設置することによって、励磁によって生じる吸引力および漏れ磁場を抑制することができる。
【００２７】
なお、図１では、一例として、多連するクライオスタット１３ａ〜１３ｅの一番端に位置するクライオスタット１３ａの外側の位置で連通管１４と冷却設備２０とが接続されているが、この接続位置は図１に例示される位置に限定されるものではなく、冷却設備２０から供給される冷媒が連通管１４を循環可能であれば、連通管１４で構成される冷媒流路のいずれかの位置で連通管１４と冷却設備２０とが接続されていれば良い。
【００２８】
［第２の実施形態］
図２は本発明の第２の実施形態に係る超電導装置の一例である第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂの構成を示す上面図である。
【００２９】
第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂは、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａに対して、両端の磁性体１８を取り外し、超電導コイル１１を収容したクライオスタット１３を円環状に間隔を空けて配置し、連通管１４を円環状に接続して構成される。
【００３０】
このように構成される第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂによれば、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａと同様の効果を奏するのに加え、超電導コイル１１を収容したクライオスタット１３を円環状に配置することによって、従来および第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａでは、設置台数がＮ（Ｎは自然数）台の引き上げ炉１に対してＮ＋１個の超電導コイル１１が必要となるところを、Ｎ個の超電導コイル１１とすることができる。
【００３１】
また、第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂによれば、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａの両端に配置される磁性体１８が無くても、超電導コイル１１に起因する吸引力を相殺することができる。従って、円環状に接続される連通管１４の内側のスペースに人が立ち入ることができ、例えば、装置のメンテナンスエリアや冷却設備２０等を配置する等して有効に利用することができる。
【００３２】
なお、図２では、一例として、冷却設備２０が円環状に接続される連通管１４の外周側に配置されている第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂの例が示されているが、冷却設備２０は連通管１４の内周側に配置されても良い。
【００３３】
［第３の実施形態］
図３は本発明の第３の実施形態に係る超電導装置の一例である第３の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｃの構成を示す上面図である。
【００３４】
第３の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｃは、例えば、図３に示されるように、円環状に接続して構成される第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂの各超電導コイル１１の中央に磁場補正用鉄心２３をさらに配置して構成される。
【００３５】
このように構成される第３の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｃによれば、第２の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂと同様の効果を奏するのに加え、超電導コイル１１を収容したクライオスタット１３を円環状に配置した際に生じる坩堝３内の径方向への磁場の傾斜を抑制することができる。すなわち、径方向への磁場傾斜を補正し、フラットな横磁場を保つことができる。
【００３６】
なお、図３では、一例として、冷却設備２０が円環状に接続される連通管１４の外周側に配置されている第３の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｃの例が示されているが、冷却設備２０は連通管１４の内周側に配置されても良い。
【００３７】
［第４の実施形態］
図４は、本発明の第４の実施形態に係る超電導装置の一例である第４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｄの構成を示す上面図である。
【００３８】
第４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｄは、例えば、図４に示されるように、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａを、２本の平行な直線の両端を２つの半円弧で繋いで構成される形状（いわゆる、レーストラック状）に配置して構成される。
【００３９】
このように構成される第４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｄでは、第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａと同様の効果を奏することに加え、従来および第１の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａと比較して、省スペースで効率の高い装置システムを構築できる。 
【００４０】
なお、図４では、一例として、冷却設備２０がレーストラック状に接続される連通管１４の外周側に配置されている第４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｄの例が示されているが、冷却設備２０は連通管１４の内周側に配置されても良い。
【００４１】
また、図４では、一例として、レーストラック状に接続される連通管１４の２本の直線箇所に、それぞれ、５個ずつ、同数のクライオスタット１３が対向して配置されている第４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｄの例が示されているが、このクライオスタット１３の個数は、必ずしも同数である必要はない。例えば、片方は４個、他方が５個であっても良い。
【００４２】
以上、第１〜４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａ〜１０Ｄによれば、超電導コイルを冷却するための冷却容器としてのクライオスタットに冷熱を供給する冷却設備およびその電源設備をそれぞれ、１個ずつ（１式）に収斂させることができ、冷却設備およびその電源設備を大幅に削減することができる。
【００４３】
また、第１〜４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａ〜１０Ｄでは、磁性体の配置などによって漏れ磁場を抑制することができるので、従来の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石と比較して一定磁場以上の立入禁止のスペースを大幅に減少させることができる。従って、従来の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石を適用した単結晶引き上げ装置で確保が必要な一定磁場以上の立入禁止のスペースと第１〜４の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ａ〜１０Ｄを適用した単結晶引き上げ装置で確保が必要な一定磁場以上の立入禁止のスペースとの差分のスペースは有効利用することができ、作業をより高効率化することができる。
【００４４】
さらに、第２，３の単結晶引き上げ装置用超電導電磁石１０Ｂ，１０Ｃでは、引き上げ炉１の設置台数がＮ（Ｎは自然数）台の場合にＮ個の超電導コイル１１で済むことから、従来よりも超電導コイル１１の数を削減することができる。さらにまた、超電導コイル１１の数が少なくなることで、発生する吸引力対策として必要となる強固な機械サポート類も削減できる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４６】
１…引き上げ炉、２…ヒータ、３…坩堝（るつぼ）、４…半導体用材料、１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ) …単結晶引き上げ装置用超電導電磁石、１１…超電導コイル、１２…冷媒容器、１３（１３ａ〜１３ｅ）…クライオスタット、１４…連通管、１８…磁性体、１９…電源設備、２０…冷却設備、２３…磁場補正用鉄心。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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