特開 2022-110323 超伝導磁石装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022110323

(43)【公開日】2022-07-29

(54)【発明の名称】超伝導磁石装置

(51)【国際特許分類】

   H01F 6/06 20060101AFI20220722BHJP

   C30B 29/06 20060101ALI20220722BHJP

   C30B 15/00 20060101ALI20220722BHJP

【ＦＩ】

H01F6/06 110

C30B29/06 502G

C30B15/00 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021005646

(22)【出願日】2021-01-18

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】橋本 篤

(72)【発明者】

【氏名】吉田 潤

(72)【発明者】

【氏名】出村 健太

(72)【発明者】

【氏名】森江 孝明

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BA04

4G077CF10

4G077EJ02

4G077HA12

4G077RA03

(57)【要約】

【課題】発生させる磁場分布をより細かく制御することのできる超伝導磁石装置を提供する。
【解決手段】超伝導磁石装置１０は、内側に中心空洞２４を定める筒型クライオスタット２０と、中心空洞２４の外側で筒型クライオスタット２０の内部に配置される第１超伝導コイルセット３０および第２超伝導コイルセット４０と、第１超伝導コイルセット３０への第１励磁電流の大きさと第２超伝導コイルセット４０への第２励磁電流の大きさとを互いに独立に制御可能とする電源系５０とを備える。第１超伝導コイルセット３０は、第１励磁電流が供給されるときＸ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞２４に発生させ、第２超伝導コイルセット４０は、第２励磁電流が供給されるときＸ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞２４に発生させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

内側に中心空洞を定める筒型クライオスタットと、
前記中心空洞の外側で前記筒型クライオスタットの内部に配置される第１超伝導コイルセットおよび第２超伝導コイルセットと、
前記第１超伝導コイルセットへの第１励磁電流の大きさと前記第２超伝導コイルセットへの第２励磁電流の大きさとを互いに独立に制御可能とする電源系と、を備え、
前記筒型クライオスタットの中心軸をＺ軸、Ｚ軸に直交し互いに直交する二軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とするとき、
前記第１超伝導コイルセットは、前記第１励磁電流が供給されるとき、Ｘ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布を前記中心空洞に発生させ、
前記第２超伝導コイルセットは、前記第２励磁電流が供給されるとき、Ｘ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布を前記中心空洞に発生させることを特徴とする超伝導磁石装置。

【請求項2】

前記第１超伝導コイルセットは、Ｘ軸上で前記中心空洞を挟んで対向配置される一対の第１超伝導コイルを備え、
前記第２超伝導コイルセットは、前記中心空洞を挟んで対向配置され、Ｚ軸周りに時計回り方向に前記一対の第１超伝導コイルと隣接配置される一対の第２超伝導コイルと、前記中心空洞を挟んで対向配置され、Ｚ軸周りに反時計回り方向に前記一対の第１超伝導コイルと隣接配置されるもう一対の第２超伝導コイルと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。

【請求項3】

前記一対の第２超伝導コイルは、Ｚ軸周りに時計回りにＸ軸から６０度をなす線上に配置され、前記もう一対の第２超伝導コイルは、Ｚ軸周りに反時計回りにＸ軸から６０度をなす線上に配置されることを特徴とする請求項２に記載の超伝導磁石装置。

【請求項4】

前記第１超伝導コイルセットおよび前記第２超伝導コイルセットを冷却する少なくとも１つの極低温冷凍機をさらに備え、
前記少なくとも１つの極低温冷凍機は、Ｚ軸から見て、Ｚ軸周りに隣接する２つの超伝導コイル間に配置されることを特徴とする請求項２または３に記載の超伝導磁石装置。

【請求項5】

前記第１超伝導コイルセットまたは前記第２超伝導コイルセットに属する超伝導コイルを前記筒型クライオスタットの周面に支持し、当該超伝導コイルの内側に配置されるコイル支持体をさらに備えることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項6】

前記第１超伝導コイルセットは、Ｘ軸上で前記中心空洞を挟んで対向配置される一対の第１超伝導コイルを備え、
前記第２超伝導コイルセットは、Ｘ軸上で前記中心空洞を挟んで対向配置される一対の第２超伝導コイルを備え、
前記一対の第１超伝導コイルは、前記一対の第２超伝導コイルの内側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の超伝導磁石装置。

【請求項7】

前記電源系は、前記第１超伝導コイルセットの各超伝導コイルに前記第１励磁電流を供給する第１電源と、前記第２超伝導コイルセットの各超伝導コイルに前記第２励磁電流を供給する第２電源と、を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【請求項8】

前記電源系は、前記第１超伝導コイルセットと前記第２超伝導コイルセットが前記中心空洞における所定位置に発生させる磁場の合計値が上限値を超えないように前記第１励磁電流の大きさおよび前記第２励磁電流の大きさを制御する電源制御装置を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の超伝導磁石装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超伝導磁石装置に関する。

【背景技術】

【0002】

超伝導磁石装置は、ＭＣＺ(Magnetic field applied Czochralski)法による単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用されている。超伝導磁石が発生させる強力な磁場によって、半導体材料の融液中の熱対流を抑制することができる。印加される磁場分布は、熱対流の抑制の程度に影響し、その結果、引き上げられる単結晶中の酸素濃度が変わる。望ましい酸素濃度は、最終的に製造される半導体装置の用途に応じて異なる。そこで、従来、二種類の異なる磁場分布を切り替えて発生させるべく、一部の超伝導コイルに流す電流方向を切り替えるようにした単結晶引き上げ装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－２０６３９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明のある態様の例示的な目的のひとつは、発生させる磁場分布をより細かく制御することのできる超伝導磁石装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明のある態様によると、超伝導磁石装置は、内側に中心空洞を定める筒型クライオスタットと、中心空洞の外側で筒型クライオスタットの内部に配置される第１超伝導コイルセットおよび第２超伝導コイルセットと、第１超伝導コイルセットへの第１励磁電流の大きさと第２超伝導コイルセットへの第２励磁電流の大きさとを互いに独立に制御可能とする電源系と、を備える。筒型クライオスタットの中心軸をＺ軸、Ｚ軸に直交し互いに直交する二軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とするとき、第１超伝導コイルセットは、第１励磁電流が供給されるとき、Ｘ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞に発生させ、第２超伝導コイルセットは、第２励磁電流が供給されるとき、Ｘ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞に発生させる。

【0006】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、発生させる磁場分布をより細かく制御することのできる超伝導磁石装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係る超伝導磁石装置の要部を模式的に示す断面図である。

【図2】図１に示される超伝導磁石装置に設けられる超伝導コイルの配置を模式的に示す斜視図である。

【図3】図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態に係る超伝導磁石装置が発生させる磁場分布を模式的に示す図である。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は、第１超伝導コイルセットと第２超伝導コイルセットが発生させる磁場を重ね合わせた磁場分布を例示するグラフである。

【図5】図１に示される超伝導磁石装置のコイル電源回路の一例を模式的に示す図である。

【図6】実施の形態に係る超伝導磁石装置が発生させる磁場の等高線図の一例を、第１励磁電流と第２励磁電流をそれぞれ横軸、縦軸として示すグラフである。

【図7】超伝導磁石装置の外観を模式的に示す斜視図である。

【図8】図８（ａ）から図８（ｃ）は、図７に示される超伝導磁石装置における極低温冷凍機の配置場所を例示する模式図である。

【図9】超伝導磁石装置のコイル支持構造を模式的に示す断面図である。

【図10】実施の形態に係る超伝導磁石装置における超伝導コイル配置の別の例を模式的に示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。説明および図面において同一または同等の構成要素、部材、処理には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。図示される各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。実施の形態は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0010】

図１は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０の要部を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１に示される超伝導磁石装置１０に設けられる超伝導コイルの配置を模式的に示す斜視図である。

【0011】

超伝導磁石装置１０は、ＨＭＣＺ（Horizontal-MCZ；横磁場型のＭＣＺ）法による単結晶引き上げ装置の磁場発生源として利用することができる。単結晶引き上げ装置は、例えば、シリコン単結晶引き上げ装置である。

【0012】

図１に示されるように、超伝導磁石装置１０は、筒型クライオスタット２０と、第１超伝導コイルセット３０および第２超伝導コイルセット４０と、電源系５０とを備える。

【0013】

筒型クライオスタット２０は、筒型クライオスタット２０を取りまく周囲環境２２から隔離される内部空間を有し、この内部空間に第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセットが配置される。内部空間は、例えばドーナツ状または円筒状の形状を有する。筒型クライオスタット２０は断熱真空容器であり、超伝導磁石装置１０の動作中、筒型クライオスタット２０の内部空間には第１超伝導コイルセット３０および第２超伝導コイルセット４０を超伝導状態とするのに適する極低温真空環境が提供される。筒型クライオスタット２０は、周囲圧力（たとえば大気圧）に耐えるように、例えばステンレス鋼などの金属材料またはその他の適する高強度材料で形成される。

【0014】

筒型クライオスタット２０は、内側に中心空洞２４を定める。中心空洞２４の外側で中心空洞２４を囲むようにして、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０が配置される。超伝導磁石装置１０が単結晶引き上げ装置に搭載されたとき、中心空洞２４には、単結晶材料の融液を収容する坩堝が配置される。中心空洞２４は、筒型クライオスタット２０を取りまく周囲環境２２の一部であり（すなわち筒型クライオスタット２０の外にあり）、筒型クライオスタット２０に囲まれた例えば円柱状の空間である。

【0015】

以下では、説明の便宜上、筒型クライオスタット２０の中心軸をＺ軸、Ｚ軸に直交し互いに直交する二軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とする直交座標系を考える。単結晶引き上げ装置の場合、結晶引き上げ軸がＺ軸にあたり、結晶引き上げ軸に垂直な融液表面にＸ軸、Ｙ軸を定義することができる。このとき、超伝導磁石装置１０が融液表面の中心に発生させる磁場に平行な方向をＸ軸とし、これに垂直な方向をＹ軸とすることができる。図１にはＸＹ面における超伝導磁石装置１０の断面が示され、Ｚ軸は紙面に垂直な方向に延びる。

【0016】

詳細は後述するが、第１超伝導コイルセット３０は、電源系５０から第１励磁電流Ｉ１が供給されるとき、Ｘ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞２４に発生させる。第２超伝導コイルセット４０は、電源系５０から第２励磁電流Ｉ２が供給されるとき、Ｘ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞２４に発生させる。

【0017】

電源系５０は、第１超伝導コイルセット３０および第２超伝導コイルセット４０の電源として設けられ、筒型クライオスタット２０の外に配置されている。電源系５０は、第１超伝導コイルセット３０への第１励磁電流Ｉ１の大きさと第２超伝導コイルセット４０への第２励磁電流Ｉ２の大きさとを互いに独立に制御可能とするように構成されている。

【0018】

図３（ａ）から図３（ｃ）は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０が発生させる磁場分布を模式的に示す図である。図３（ａ）には、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０がそれぞれ中心空洞２４に発生させる磁場分布を代表して、各超伝導コイルの中心を通る磁力線が矢印で示されている。図３（ｂ）には、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０のそれぞれについてＸ軸上での磁束密度が示され、図３（ｃ）には、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０のそれぞれについてＹ軸上での磁束密度が示されている。図３（ｂ）と図３（ｃ）の横軸は、ＸＹＺ座標系の原点からの距離（単結晶引き上げ装置の場合、融液表面の中心からの距離）を示す。

【0019】

図１、図２、図３（ａ）から図３（ｃ）を参照して、第１超伝導コイルセット３０および第２超伝導コイルセット４０のコイル配置と発生する磁場分布を説明する。

【0020】

超伝導磁石装置１０には６つの超伝導コイルが設けられ、そのうち２つが第１超伝導コイルセット３０を形成し、残りの４つが第２超伝導コイルセット４０を形成する。図示されるように、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０の各超伝導コイルは、同じ形状および同じサイズを有し、この例では、同径の円形コイルである。よって、これら６つの超伝導コイルは、上面視で正六角形状に配置されている。

【0021】

第１超伝導コイルセット３０は、Ｘ軸上で中心空洞２４を挟んで対向配置される一対の第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂを備える。一対の第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂはそれぞれ、コイル中心軸をＸ軸に一致させるように配置されている。一方の第１超伝導コイル（この例では３０ａ）に供給される第１励磁電流Ｉ１の向きは、この超伝導コイルが径方向外向き磁場（コイルを通って中心空洞２４から出る方向の磁場）を発生させるように決められている。他方の第１超伝導コイル（この例では３０ｂ）に供給される第１励磁電流Ｉ１の向きは、この超伝導コイルが径方向内向き磁場（コイルを通って中心空洞２４に入る方向の磁場）を発生させるように決められている。よって、図３（ａ）に示されるように、第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂの中心を通る磁力線は、Ｘ軸に沿って直線的に延びる。

【0022】

第１超伝導コイルセット３０が発生させる第１磁場は、第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂの中心で最も強く、そこからＸ軸に沿って中心空洞２４の中心に近づくにつれて（つまりコイル中心から離れるにつれて）弱くなる。よって、図３（ｂ）に示されるように、第１超伝導コイルセット３０が発生させる第１磁場は、Ｘ軸上では、下に凸となる。

【0023】

また、図３（ｃ）に示されるように、第１超伝導コイルセット３０が発生させる第１磁場は、Ｙ軸上では、上に凸となる。なぜなら、中心空洞２４の中心からＹ軸に沿って外側に離れるとき、第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂの中心からの距離は増加することになるので、第１超伝導コイルセット３０が発生させる第１磁場は、中心空洞２４の中心で最も強く、そこから外側に離れるにつれて弱くなるからである。

【0024】

第２超伝導コイルセット４０は、中心空洞２４を挟んで対向配置され、Ｚ軸周りに時計回り方向に一対の第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂと隣接配置される一対の第２超伝導コイル４０ａ、４０ｂと、中心空洞２４を挟んで対向配置され、Ｚ軸周りに反時計回り方向に一対の第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂと隣接配置されるもう一対の第２超伝導コイル４０ｃ、４０ｄとを備える。この実施の形態では、図１に示されるように、一つ目の第２超伝導コイル４０ａ、４０ｂの対は、Ｚ軸周りに時計回りにＸ軸から６０度をなす線４２にコイル中心軸を一致させるように配置され、二つ目の第２超伝導コイル４０ｃ、４０ｄの対は、Ｚ軸周りに反時計回りにＸ軸から６０度をなす線４４にコイル中心軸を一致させるように配置される。

【0025】

径方向外向き磁場を発生させる一方の第１超伝導コイル（この例では３０ａ）の両側に隣接する第２超伝導コイル（この例では４０ａと４０ｄ）に供給される第２励磁電流Ｉ２の向きは、これら２つの第２超伝導コイルも径方向外向き磁場を発生させるように決められている。径方向内向き磁場を発生させる他方の第１超伝導コイル（この例では３０ｂ）の両側に隣接する第２超伝導コイル（この例では４０ｂと４０ｃ）に供給される第２励磁電流Ｉ２の向きは、これら２つの第２超伝導コイルも径方向内向き磁場を発生させるように決められている。そのため、図３（ａ）に示されるように、互いに隣接する２つの第２超伝導コイル（４０ａと４０ｃ、または、４０ｂと４０ｄ）の中心を通る磁力線は、それら２つの第２超伝導コイルのうち一方を通って中心空洞２４に入り、他方の第２超伝導コイルを通って中心空洞２４から出るように湾曲している。

【0026】

第２超伝導コイルセット４０が発生させる第２磁場は、このコイル中心を通る湾曲した磁力線において最も強く、そこから離れるにつれて弱くなる。よって、第２磁場は、Ｘ軸上では、中心空洞２４の中心で比較的強く、そこからＸ軸に沿って外側へと離れるにつれて弱くなる。すなわち、第２磁場は、図３（ｂ）に示されるように、Ｘ軸上では、上に凸となる。また、第２磁場は、Ｙ軸上では、中心空洞２４の中心で比較的弱く、そこからＹ軸に沿って外側へと離れるにつれて強くなる。すなわち、第２磁場は、図３（ｃ）に示されるように、Ｙ軸上では、下に凸となる。

【0027】

図４（ａ）および図４（ｂ）は、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０が発生させる磁場を重ね合わせた磁場分布を例示するグラフである。図４（ａ）にはＸ軸上での磁束密度が示され、図４（ｂ）にはＹ軸上での磁束密度が示される。これらはいずれも発明者による計算結果である。グラフの縦軸は、中心空洞２４の中心での磁束密度を１として規格化した磁束密度を表し、横軸は、中心空洞２４の中心からの距離を表す。

【0028】

図４（ａ）と図４（ｂ）には、第１超伝導コイルセット３０への第１励磁電流Ｉ１と第２超伝導コイルセット４０への第２励磁電流Ｉ２の比率を異ならせた３つのケースが示される。ケースＡは、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を１：０とした場合、つまり第１超伝導コイルセット３０のみに電流を流し、第２超伝導コイルセット４０には電流を流さない場合である。この場合、第１超伝導コイルセット３０のみが磁場を発生させるので、上述のように、Ｘ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布が得られる。ケースＢは、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を０：１とした場合、つまり第１超伝導コイルセット３０に電流を流さず、第２超伝導コイルセット４０のみに電流を流す場合である。今度は、第２超伝導コイルセット４０のみが磁場を発生させ、上述のように、Ｘ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布が得られる。

【0029】

ケースＣは、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を１：１とした場合、つまり第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０に同じ大きさの電流を流す場合である。ケースＣでは、図４（ａ）と図４（ｂ）に示されるように、ケースＡとケースＢを平均した凸形状をもつ磁場分布が得られる。同様にして、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２の比率を他の値に設定した場合には、その比率に応じてケースＡとケースＢの中間の凸形状をもつ磁場分布を得ることができると考えられる。

【0030】

このように、第１励磁電流Ｉ１の大きさを変化させることにより第１超伝導コイルセット３０が中心空洞２４に発生させる磁場分布の凸形状を変化させることができ、第２励磁電流Ｉ２の大きさを変化させることにより第２超伝導コイルセット４０が中心空洞２４に発生させる磁場分布の凸形状を変化させることができる。

【0031】

第１超伝導コイルセット３０の磁場分布（Ｘ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布）は、酸素濃度が比較的高い単結晶を生成するのに適し、第２超伝導コイルセット４０の磁場分布（Ｘ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布）は、酸素濃度が比較的低い単結晶を生成するのに適することが知られている。望ましい酸素濃度は、最終的に製造される半導体装置の用途に応じて異なる。例えば、ＣＰＵやメモリなどのいわゆる横型デバイスと、パワーデバイスなどの縦型デバイスでは、要求される酸素濃度が異なる。

【0032】

実施の形態に係る超伝導磁石装置１０によれば、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を互いに独立に制御することにより、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０がそれぞれ発生させる磁場の重ね合わせである中心空洞２４の磁場分布の凸形状を制御することができる。

【0033】

従来の装置では、単一の磁場分布のみを生成可能であるか、または二種類の磁場分布を切替可能であったにすぎず、結晶品質の向上に限界がある。これに対して、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０は、発生させる磁場分布をより細かく制御することができる。これにより、融液における熱対流の抑制の程度を微調整し、単結晶中の酸素濃度をより細かく調整し、結晶品質を向上することができる。

【0034】

実施の形態に係る超伝導磁石装置１０が搭載された単結晶引き上げ装置は、最終製品に応じて望まれる様々な酸素濃度をもつ単結晶を製造するために使用することができる。実施の形態に係る単結晶引き上げ装置は、従来装置に比べて製造現場での稼働率が向上され、より経済的な工場運営が可能になる。

【0035】

図５は、図１に示される超伝導磁石装置１０のコイル電源回路の一例を模式的に示す図である。電源系５０は、第１超伝導コイルセット３０に第１励磁電流Ｉ１を供給する第１電源５２と、第２超伝導コイルセット４０に第２励磁電流Ｉ２を供給する第２電源５４と、第１電源５２および第２電源５４を制御する電源制御装置５６とを備える。

【0036】

上述のように、第１超伝導コイルセット３０は筒型クライオスタット２０内に配置され、電源系５０は筒型クライオスタット２０の外に配置されている。そのため、第１電源５２を第１超伝導コイルセット３０に接続する第１回路５３は、正極側と負極側それぞれにフィードスルー部５８を有する。フィードスルー部５８は、筒型クライオスタット２０内に電流を導入するための気密端子であり、筒型クライオスタット２０の壁面を貫通して設けられている。２つのフィードスルー部５８はそれぞれ対応する電流リード部６０に接続されている。一対の第１超伝導コイル３０ａ、３０ｂは筒型クライオスタット２０内で、直列に接続されている。第１電源５２の正極が一方のフィードスルー部５８および電流リード部６０を介して一方の第１超伝導コイル３０ａに接続され、他方の第１超伝導コイル３０ｂが他方のフィードスルー部５８および電流リード部６０を介して第１電源５２の負極に接続され、第１回路５３が形成されている。

【0037】

第２電源５４を第２超伝導コイルセット４０に接続する第２回路５５においては、第２電源５４の正極がフィードスルー部５８および電流リード部６０を介して第２超伝導コイル４０ａ、４０ｂの第１の対に接続されている。第１の対をなす第２超伝導コイル４０ａ、４０ｂは筒型クライオスタット２０内で直列に接続されている。第２超伝導コイル４０ａ、４０ｂの第１の対と第２超伝導コイル４０ｃ、４０ｄの第２の対は、第１の対の側の電流リード部６０とフィードスルー部５８、筒型クライオスタット２０外で２つのフィードスルー部５８を接続する外部配線６２、第２の対の側の電流リード部６０とフィードスルー部５８を介して接続されている。第２の対をなす第２超伝導コイル４０ｃ、４０ｄは筒型クライオスタット２０内で直列に接続されている。第２超伝導コイル４０ｃ、４０ｄの第２の対は、フィードスルー部５８および電流リード部６０を介して第２電源５４の負極に接続されている。

【0038】

したがって、第１電源５２は第１回路５３により第１超伝導コイルセット３０に第１励磁電流Ｉ１を供給し、第２電源５４は第２回路５５により第２超伝導コイルセット４０に第２励磁電流Ｉ２を供給することができる。第１回路５３と第２回路５５は互いに接続されていない。

【0039】

電源制御装置５６は、所望の磁場分布を実現するように、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を決定することができる。ここで、電源制御装置５６は、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０が中心空洞２４における所定位置（例えば中心）に発生させる磁場の合計値が上限値を超えないように第１励磁電流Ｉ１の大きさおよび第２励磁電流Ｉ２の大きさを制御してもよい。

【0040】

図６は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０が発生させる磁場の等高線図の一例を、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２をそれぞれ横軸、縦軸として示すグラフである。グラフに示される磁場値は、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０が中心空洞２４における所定位置（例えば中心）に発生させる磁場の合計値を示す。この例では、右上の等高線ほど磁場値が大きく、左下の等高線ほど磁場値が小さい。

【0041】

電源制御装置５６は、複数の等高線からある等高線６４（太線で示す）を選択し、選択された等高線６４の磁場値またはそれより低い磁場値を与える領域６６から、第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２の組み合わせを決定してもよい。すなわち、選択された等高線６４よりも高い磁場値を与える領域６８から第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を決定することは禁止される。選択される等高線６４の磁場値は、超伝導磁石装置１０または単結晶引き上げ装置の仕様として適宜定められてもよく、電源制御装置５６に入力されまたは記憶されていてもよい。

【0042】

このようにすれば、選択された等高線６４に相当する磁場値を上回る磁場を発生させる過剰な大きさの第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２が第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０に供給されるのを避けることができる。超伝導コイルへの過剰な電流供給を避けることにより、コイルに働く電磁力と熱負荷を抑え、超伝導が破れるリスクを減らすことができる。より安全に超伝導磁石装置１０を運用することができる。

【0043】

図７は、超伝導磁石装置１０の外観を模式的に示す斜視図である。図８（ａ）から図８（ｃ）は、図７に示される超伝導磁石装置１０における極低温冷凍機の配置場所を例示する模式図である。

【0044】

図７に示されるように、超伝導磁石装置１０は、少なくとも１つの極低温冷凍機７０を備え、筒型クライオスタット２０内に配置される第１超伝導コイルセット３０および第２超伝導コイルセット４０は極低温冷凍機７０と熱的に結合される。極低温冷凍機７０は、たとえば二段式のギフォード・マクマホン（Gifford-McMahon；ＧＭ）冷凍機またはその他の形式の極低温冷凍機であってもよい。各超伝導コイルは、極低温冷凍機７０によって超伝導転移温度以下の極低温に冷却された状態で使用される。この実施形態では、超伝導磁石装置１０は、超伝導コイルを液体ヘリウムなどの極低温液体冷媒に浸漬するのではなく、極低温冷凍機７０によって直接冷却する、いわゆる伝導冷却式として構成される。

【0045】

図７に示される例では、４台の極低温冷凍機７０が筒型クライオスタット２０の上面に設置されている。極低温冷凍機７０は、Ｚ軸から見て、Ｚ軸周りに隣接する２つの超伝導コイル間に配置されてもよい。コイル間の空きスペースを利用して極低温冷凍機７０を設置することにより、筒型クライオスタット２０をよりコンパクトに設計し、超伝導磁石装置１０を小型化することができる。

【0046】

図８（ａ）に示されるように、一台目の極低温冷凍機７０が第１超伝導コイル３０ａと第２超伝導コイル４０ａの間に配置され、二台目の極低温冷凍機７０が第１超伝導コイル３０ａと第２超伝導コイル４０ｄの間に配置され、三台目の極低温冷凍機７０が第１超伝導コイル３０ｂと第２超伝導コイル４０ｂの間に配置され、四台目の極低温冷凍機７０が第１超伝導コイル３０ｂと第２超伝導コイル４０ｃの間に配置されてもよい。このようにして、各超伝導コイルがいずれかの極低温冷凍機７０によって直接冷却されてもよい。

【0047】

筒型クライオスタット２０に設置される極低温冷凍機７０はより少なくてもよい。例えば、図８（ｂ）に示されるように、３台の極低温冷凍機７０が筒型クライオスタット２０に設置され、各極低温冷凍機７０がＺ軸周りに隣接する２つの超伝導コイル間に配置されてもよい。この場合、図示されるように、極低温冷凍機７０はＺ軸周りに等角度間隔で配置されてもよい。

【0048】

あるいは、図８（ｃ）に示されるように、２台の極低温冷凍機７０が筒型クライオスタット２０に設置され、Ｚ軸周りに１８０度間隔で配置されてもよい。図示の例では、一台目の極低温冷凍機７０が第１超伝導コイル３０ａと第２超伝導コイル４０ｄの間に配置され、二台目の極低温冷凍機７０が第１超伝導コイル３０ｂと第２超伝導コイル４０ｃの間に配置されている。この場合、一部の超伝導コイル（例えば、第２超伝導コイル４０ａ、４０ｂ）は、極低温冷凍機７０と隣接する他の超伝導コイルに比べて、極低温冷凍機７０から遠くに配置されることになる。これらの超伝導コイル（４０ａ、４０ｂ）は、適宜の伝熱部材を介して極低温冷凍機７０（または極低温冷凍機７０に隣接する超伝導コイル）に接続され冷却されてもよい。

【0049】

あるいは、必要とされる場合には、より多くの極低温冷凍機７０が筒型クライオスタット２０に設置されてもよい。例えば、超伝導コイルごとに極低温冷凍機７０が設けられてもよい。１つの超伝導コイルが複数の極低温冷凍機７０で冷却されてもよい。

【0050】

図９は、超伝導磁石装置１０のコイル支持構造７２を模式的に示す断面図である。図９には、図７のＡ－Ａ断面を示す。コイル支持構造７２は、第１超伝導コイルセット３０または第２超伝導コイルセット４０に属する超伝導コイル（図示の例では第１超伝導コイル３０ａ）を筒型クライオスタット２０に連結し、超伝導コイルに働く自重と動作時に発生する電磁力を支えるものである。コイル支持構造７２は、図９に示されるように、コイル支持プレート７４と、コイル支持体７６とを備える。コイル支持プレート７４は、超伝導コイルとコイル支持体７６を連結するために設けられ、超伝導コイルの片側（例えば、筒型クライオスタット２０の内周側）に取り付けられている。

【0051】

コイル支持体７６は、超伝導コイルを筒型クライオスタット２０の周面（例えば外周面）に支持し、当該超伝導コイルの内側に配置される。コイル支持体７６は、その一端が超伝導コイルの内側でコイル支持プレート７４に取り付けられ、他端が筒型クライオスタット２０の外周面に取り付けられている。コイル支持体７６は、棒状の形状を有し、水平方向に延在する。図７には、筒型クライオスタット２０の外周面に設けられたコイル支持体７６の端部が示されている。１つの超伝導コイルが複数本（例えば２本）のコイル支持体７６で筒型クライオスタット２０に支持されてもよい。

【0052】

図１０は、実施の形態に係る超伝導磁石装置１０における超伝導コイル配置の別の例を模式的に示す斜視図である。図示されるように、超伝導磁石装置１０には、大きさの異なる二種類の鞍型コイルが用いられてもよい。

【0053】

第１超伝導コイルセット３０は、Ｘ軸上で中心空洞２４を挟んで対向配置される一対の第１超伝導コイルを備える。第２超伝導コイルセット４０は、Ｘ軸上で中心空洞２４を挟んで対向配置される一対の第２超伝導コイルを備える。一対の第１超伝導コイルは、一対の第２超伝導コイルの内側に配置される。

【0054】

このような二重の鞍型コイル配置を用いた場合にも、上述の６コイル型と同様に、第１超伝導コイルセット３０は、第１励磁電流Ｉ１が供給されるとき、Ｘ軸上で下に凸となりＹ軸上で上に凸となる磁場分布を中心空洞２４に発生させ、第２超伝導コイルセット４０は、第２励磁電流Ｉ２が供給されるとき、Ｘ軸上で上に凸となりＹ軸上で下に凸となる磁場分布を中心空洞２４に発生させる。第１励磁電流Ｉ１と第２励磁電流Ｉ２を互いに独立に制御することにより、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０がそれぞれ発生させる磁場の重ね合わせである中心空洞２４の磁場分布の凸形状を制御することができる。

【0055】

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。ある実施の形態に関連して説明した種々の特徴は、他の実施の形態にも適用可能である。組合せによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる実施の形態それぞれの効果をあわせもつ。

【0056】

上述の６コイル型の実施の形態では、すべての超伝導コイルが同じ形状とサイズを有するが、これは必須ではない。例えば、第１超伝導コイルセット３０と第２超伝導コイルセット４０で、超伝導コイルは、異なる形状及び／または異なるサイズを有してもよい。

【0057】

電源系５０は、第１励磁電流Ｉ１及び／または第２励磁電流Ｉ２の大きさを変更することに加えて、またはそれに代えて、第１励磁電流Ｉ１及び／または第２励磁電流Ｉ２の方向を変更してもよい。

【0058】

実施の形態に係る超伝導磁石装置１０が搭載された単結晶引き上げ装置は、シリコン以外の半導体材料またはその他の材料の単結晶を生成するための単結晶引き上げ装置であってもよい。

【0059】

適用可能であれば、超伝導磁石装置１０は、単結晶引き上げ装置以外の装置に搭載されてもよい。超伝導磁石装置１０は、高磁場利用機器の磁場源として高磁場利用機器に搭載され、その機器に必要とされる高磁場を発生させることができる。

【0060】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0061】

１０ 超伝導磁石装置、 ２０ 筒型クライオスタット、 ２４ 中心空洞、 ３０ 第１超伝導コイルセット、 ４０ 第２超伝導コイルセット、 ５０ 電源系、 ５２ 第１電源、 ５４ 第２電源、 ５６ 電源制御装置、 ７０ 極低温冷凍機。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】