JP2009029659A - 単結晶引上げ装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クーラーを構成する冷却配管系の構成を改善することにより、冷却配管系の破損に伴う危険を回避する手段を改善した単結晶引上げ装置及び方法を提供する。
【解決手段】単結晶引上げ装置１は、引上げ中の単結晶３２を冷却するクーラー１０を備え、クーラー１０は、冷却配管系を含み、冷却水が流通する冷却配管系を単結晶３２の引上げ方向に複数の系統に分割して構成され、冷却配管系の複数の系統の一からの漏洩水に対応可能なラプチャー板６０をトップチャンバ５０に備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶引上げ装置及び方法に関する。特に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）により引上げ単結晶を冷却するためのクーラーを備えると共に、当該クーラーによって生ずる危険を回避する手段を備えたＣＺ法単結晶引上げ装置及び方法に関する。

従来、ＣＺ法により単結晶を引上げる方法及びＣＺ法による単結晶引上げ装置が知られている。更に、ＣＺ法により単結晶を引上げる際に、原料融液から引上げられる単結晶を冷却するクーラーを備えた単結晶引上げ装置が知られている。当該クーラーを用いて、引上げられる単結晶を冷却することにより、単結晶の結晶欠陥を低減すると共に引上げ速度を上げて生産効率を高めることができる。

ここで、ＣＺ法により用いられるクーラーは、単結晶の周囲に冷却水を通す冷却配管系により実現することが一般的となっている。このような冷却配管系が破損し、冷却水が漏出した場合には、単結晶引上げ装置全体にダメージを与える可能性がある。そこで、特許文献１には冷却配管系から万一冷却水が漏えいした場合に備えてチャンバー内に発生した水蒸気を大気へ開放するための安全弁（ラプチャー板）をトップチャンバーに備えた単結晶引上げ装置が提案されている。この安全弁（ラプチャー板）が働くことにより、万一の場合に冷却配管系から漏れ出した水蒸気が、トップチャンバーを持ちあげて周囲の作業者等に掛かったりするのを未然に防ぐことができる。
特開２０００−３４４５９２号公報

しかしながら、トップチャンバーには、クーラーの昇降機構を始めとして、後述する熱遮蔽板の昇降機構や、トップチャンバー自身を冷却する冷却配管系、炉内を観察するための観察窓など多くの機材が密集して配設されるようになってきており、ラプチャー板を設置可能なスペースは徐々に限定されるようになってきた。また、チャンバーの側面部には引上げる単結晶に適切な磁場を与えるソレノイドが近接して配設されおり、ラプチャー板の設置場所としては不適当となっている。更に、チャンバー側面部に設置したラプチャー板では、トップチャンバーの浮き上がりを効果的に抑制するには位置関係の限界がある。

そこで、トップチャンバー上でより限られたスペースにおいても配設可能なラプチャー板を提供することが望まれている。更に、引上げる単結晶の大径化に伴ってクーラーが大型化しても対応可能なラプチャー板を提供することが望まれている。

そこで本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、クーラー及びラプチャー板の構成を改善することにより、当該冷却配管系の破損に伴う危険を回避する手段を改善した単結晶引上げ装置及び方法を提供することを目的とする。

より具体的には、本発明は、以下のようなものを提供する。

（１） ＣＺ法によりルツボ内の原料融液から単結晶を引上げる単結晶引上げ装置であって、
引上げ中の単結晶を冷却するクーラーを備える単結晶引上げ装置において、
前記クーラーを構成する冷却配管系を含み、
冷却水が流通する前記冷却配管系を前記単結晶の引上げ方向に複数の系統に分割して構成し、
前記冷却配管系の複数の系統の一からの漏洩水に対応可能なラプチャー板をトップチャンバーに備えたことを特徴とする単結晶引上げ装置。

本発明のこのような構成によれば、前記単結晶引上げ装置は、引上げ中の単結晶を冷却するクーラーを備え、前記クーラーは、冷却配管系を含み、冷却水が流通する前記冷却配管系を前記単結晶の引上げ方向に複数の系統に分割して構成され、前記冷却配管系の複数の系統の一からの漏洩水に対応可能なラプチャー板をトップチャンバーに備える。

このことにより、前記ラプチャー板は、前記冷却配管系の複数の系統の一からの漏洩水に対応可能な大きさを備える。従って、前記ラプチャー板は、前記冷却配管系を分割する前より小さなサイズを有し、トップチャンバーにおいて設置場所の設計の自由度を向上させることができる。

その結果、前記単結晶引上げ装置は、より小さなサイズを有するラプチャー板をトップチャンバーに配設することができる。

このように、前記単結晶引上げ装置は、万一冷却配管系の一が破損して冷却水が装置内に漏れ出した場合の対策が小さくて済み、ラプチャー板の設置場所の設計の自由度を向上させることができる。なお、複数の系統に分割した前記冷却配管系において、同時に複数の系統からの漏水が発生する可能性は極めて低いと考えられるため、実質的な安全マージンを確保しつつ、トップチャンバーにより小さなラプチャー板を配設することができる。

なお、前記冷却配管系は、パイプをコイル状に曲げて形成してもよいし、複数の部材を溶接等により形成したいわゆるジャケット構造でもよい。

（２） 前記冷却配管系の分割後の１系統当たりの冷却水の温度上昇が、分割する前の冷却水の温度上昇と同等以下となるように、前記冷却配管系の配管サイズを、分割する前より細く構成したことを特徴とする（１）に記載の単結晶引上げ装置。

本発明のこのような構成によれば、前記単結晶引上げ装置は、前記冷却配管系の分割後の１系統当たりの冷却水の温度上昇が、分割する前の冷却水の温度上昇と同等以下となるように、前記冷却配管系の配管サイズを、分割する前より細く構成される。

このことにより、前記単結晶引上げ装置は、分割前と同等の冷却能力を維持しつつ、１系統当たりの冷却配管系の保水量を更に少なくすることが可能となり、より小さなサイズを有するラプチャー板をトップチャンバーに配設することができる。なお、一般に、クーラーの冷却能力は、単位時間に流れる冷却水の量に比例し、冷却配管系の長さが長いほど、又配管サイズが細いほど圧力損失により冷却配管系を流れる冷却水は流れにくくなるため、冷却配管系を分割したことにより冷却配管系の長さが短くなり、配管サイズを細くする方向の自由度が向上するので好適である。

その結果、前記単結晶引上げ装置は、分割前と同等の冷却能力を維持しつつ、装置内でクーラーが占有する空間が小さくなり、創出された新たな空間を他の目的に利用することが可能となる。同時に、より小さなサイズを有するラプチャー板をトップチャンバーに配設しつつ、万一の際の安全マージンを確保できる。

（３） 前記クーラーは前記単結晶の引上げ方向に移動可能としたことを特徴とする（１）又は（２）に記載の単結晶引上げ装置。

本発明のこのような構成によれば、前記単結晶引上げ装置は、前記クーラーは前記単結晶の引上げ方向に移動可能とする。

このことにより、前記単結晶引上げ装置は、前記クーラーを前記単結晶の引上げ方向に移動して、引上げる単結晶を要求に応じて適切に冷却することができる。

（４） 前記クーラーは系統毎に独立して前記単結晶の引上げ方向に移動可能としたことを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の単結晶引上げ装置。

本発明のこのような構成によれば、前記単結晶引上げ装置は、前記クーラーは系統毎に独立して前記単結晶の引上げ方向に移動可能とする。

このことにより、前記単結晶引上げ装置は、前記クーラーを系統毎に独立して上下に動かして、引上げる単結晶を要求に応じて適切に冷却できる。

（５） 前記単結晶の引上げ方向に複数の系統に分割した前記冷却配管系の間に炉内を観察するための空間を設けたことを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の単結晶引上げ装置。

本発明のこのような構成によれば、前記単結晶引上げ装置は、前記単結晶の引上げ方向に複数の系統に分割した前記冷却配管系の間に炉内を観察するための空間を設ける。

このことにより、前記単結晶引上げ装置は、前記単結晶の引き上げ方向に分割した前記クーラーの間に設けた空間を介して炉内の状態を観察することができる。
空間には環状の石英ガラス１０ｃで覆うことにより、炉内ガス流れの乱れを防止することが可能である。

（６） 直径が略３００ｍｍ以上の単結晶インゴットを引上げる単結晶引上げ装置において、前記冷却配管系を前記単結晶インゴットの引上げ方向に２つの系統に分割し、前記引上げ方向の高さを略２００ｍｍ以上とし、前記ラプチャー板の直径を略２７０ｍｍ以下としたことを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の単結晶引上げ装置。

（７） 前記冷却配管系の配管サイズを略１２．７ｍｍ以上かつ略１７．０ｍｍ以下としたことを特徴とする（６）に記載の単結晶引上げ装置。

（８） 前記冷却配管系の１系統当たりの配管の長さを略１１ｍ以下としたことを特徴とする（７）に記載の単結晶引上げ装置。

本発明によれば、前記単結晶引上げ装置のラプチャー板は、前記冷却配管系の複数の系統の一からの漏洩水に対応可能な大きさを備える。従って、前記ラプチャー板は、前記冷却配管系を分割する前より小さなサイズを有し、トップチャンバーにおいて設置場所の設計の自由度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［全体構成］本発明に係るＣＺ法単結晶引上げ装置１は、通常のＣＺ法単結晶引上げ装置と同様に、密閉容器たるチャンバー内に、シリコン融液３１の製造・貯蔵のためのルツボ３０と、このルツボ３０を加熱するためのヒータ２１と、を備えている。そして、この他にも適宜、通常のＣＺ法単結晶引上げ装置と同様に、ヒータ２１に電力を供給する電極、ルツボ３０を支持するルツボ受け、ルツボ３０を回転させるペディスタル、断熱材、メルトレシーブ、内筒などが備え付けられる。また、この装置には、シリコン融液３１及びヒータ２１から引上げるシリコンインゴット３２への熱の輻射を遮蔽するための熱遮蔽体２０と、この熱遮蔽体２０の内側に配置されたクーラー１０と、が備え付けられている。また、トップチャンバー５０には、万一クーラー１０から漏水が発生した場合に、水蒸気によりトップチャンバー５０が持ち上がるのを抑止するためにラプチャー板としてのラプチャー板６０が備えられている。ラプチャー板６０は、水蒸気の発生等によりチャンバー内の圧力が所定圧を超えた場合に水蒸気を排出して装置へのダメージを抑制すると共に、トップチャンバー５０が持ち上がって、周囲の作業者等が水蒸気を浴びるような事故を未然に抑止することができる。

このようなＣＺ法単結晶引上げ装置１は、通常のＣＺ法単結晶引上げ装置と同様に、引上げるシリコンインゴット３２とルツボ３０が同方向又は逆方向に回転しながら単結晶の引上げが行われる。ここで、ルツボ３０は、ルツボ３０の下部に設けられている図示しないリフタによってルツボ３０が上下に移動する。ルツボ３０の上下移動は、特に断わらない場合には、シリコン単結晶インゴットの引き上げに伴うシリコン融液液面の下降に応じてルツボ３０が上昇する、というような形態で行われる。

なお、本発明に係るＣＺ法単結晶引上げ装置１は、特に図示していないが、この種のＣＺ法単結晶引上げ装置に通常装備される不活性ガスの導入・排気システムを備えている。そして、このようなシステム下にあって、熱遮蔽体２０は不活性ガスの流通路を調整する働きも兼ね備えている。また、この装置においては、チャンバー１１内の排気を行う真空ポンプが接続されている。

また、本発明に係るＣＺ法単結晶引上げ装置１は、シリコン融液３１に磁場を与えるソレノイドが備え付けられている。このソレノイドによってシリコン融液３１に磁場が印加されることにより、シリコン融液３１内に生じる微小な対流を抑制させることができ、結晶欠陥の低減や安定した引き上げなどを更に増進することができるようになる。

［クーラー］本発明に係るＣＺ法単結晶引上げ装置１においては、その中を冷却水が流通する配管で構成されたクーラー１０が熱遮蔽体２０の内側に配置されている。このクーラー１０は、図１に示されるように、引上げシリコンインゴット３２を囲繞する配管の積層体（冷却管スタック）で構成されており、この配管の中に冷却水が流通される。冷却水は、供給管を介して供給される。

図２は、クーラー１０のコイル部分を示すブロック図である。図２（ａ）に示す従来のクーラーにおいて冷却配管系が１系統の場合とは異なり、図２（ｂ）及び図２（ｃ）に示す本発明に係るクーラー１０は、上段パイプ１０ａ及び下段パイプ１０ｂの２系統に分割されている。上段パイプ１０ａ、下段パイプ１０ｂにはそれぞれ独立した供給管が配設されており、冷却水も独立して供給される。その結果、コイル部分の高さが同様であっても、１系統当たりの冷却配管系の長さは約半分とすることができる。

このように冷却配管系を２系統に分割することにより、冷却能力を同等に保ちつつ、１系統当たりの冷却配管系の長さを短くすることが可能となる。更に、冷却水の温度上昇も抑えられるため、分割前と比較して、下流側の温度を低く抑えることが可能であり、安全性が向上する。

また、図２（ｃ）に示す通り、本発明に係るクーラー１０は、上段パイプ１０ａ及び下段パイプ１０ｂが独立して上下に移動が可能に構成することができる。更に、その間にできた隙間を利用して、上部チャンバー５０に設けた監視窓等から、種結晶３１ａを始めとして炉内の様子を観察することができる。隙間には環状の石英ガラス１０ｃで覆うことにより、炉内ガス流れの乱れを防止することが可能である。

図３は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置１の冷却配管系１００を示すブロック図である。図３においては、上段パイプ１０ａ、下段パイプ１０ｂの部分がチャンバー内に存在する。冷却水は、冷却配管系１００の給水側（図３の左側）から入り、２系統に分岐し、緊急時遮断用弁１０１ａ及び１０１ｂを経て上段パイプ１０ａ及び下段パイプ１０ｂに入り、出側温度計１０４ａ及び１０４ｂ、逆止弁又は緊急遮断弁１０５ａ及び１０５ｂを経て再び合流し、還流する。なお、冷却配管系１００は、３段以上に構成することも可能であり、その場合は、図３の分岐部分を更に分岐することにより実現可能である。

［パラメータ調整］図４に、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置１のクーラー１０及びラプチャー板６０の設計上のパラメータの関係を示す。所定の吸熱量（例えば４０ＫＷ）を得るためにはクーラー１０のコイル部分の高さは高いほうが有利（例えば２００ｍｍ）であるが、その分、冷却配管系から漏れ出す可能性のある冷却水の量（保水量；初期漏洩水の量）が大きくなり、万一の場合に必要なラプチャー板のサイズも大きなものとなる。一方、冷却配管系１００のパイプの長さが長くなると、配管内の圧力損失が増大し、冷却水が流れにくくなり、チャンバー内の冷却水の温度上昇が大きくなる。また、圧力損失を抑制するためにパイプの内径を大きくするとパイプ外径も大きくなり、クーラー全体が大型化してチャンバー内で他の機材との干渉が大きくなり、炉内の観察の邪魔となり不利となる。このように、クーラー１０の設計及びラプチャー板６０の設計に当たり、このようなパラメータのトレードオフ関係を調整して最適値を探索する必要がある。

図５は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置による冷却水流量に対する温度上昇を示すグラフである。図５（ａ）を拡大したものが図５（ｂ）である。ここで、必要な吸熱量を４０ＫＷ、上昇温度のしきい値を２０℃とすれば、１系統の冷却配管系で実現した場合には、１系統当たり４０ＫＷ必要となるので、上昇温度２０℃以下とするためには約２９Ｌ／ｍｉｎ程度の冷却水流量が必要であることが分かる。一方、２系統に分けた場合には、１系統当たりの吸熱量は２０ＫＷあれば足りるので、必要な冷却水流量は約１４Ｌ／ｍｉｎとなる。このように、冷却配管系を２系統に分岐することにより、必要な冷却水流量を約５０％削減することができる。

表１に同様の計算により、上昇温度が１０℃乃至４０℃の場合にそれぞれ必要な冷却水流量を示す。この表から分かる通り、上昇温度を４０℃まで許容すると、１系統では１４．３Ｌ／ｍｉｎ通水すればよい。また、３０℃まで許容すると、１９．１Ｌ／ｍｉｎ必要であることが分かる。一方、２系統に分割すると、それぞれ、７．２Ｌ／ｍｉｎ、９．６Ｌ／ｍｉｎ通水する必要がある。このように、１０℃乃至４０℃の許容上昇温度においても、２系統に分割することによって、それぞれ約半分の冷却水流量があれば足りることが分かる。

図６は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置のクーラーのコイル部分の高さを変えた場合のパイプの内径と保水量の関係を示すグラフである。トップチャンバー上に配置できるラプチャー板サイズはφ２７０ｍｍ程度以下であり、このサイズで許容できる保水量（即ち初期漏洩水の量）は図８に示すように、３３９０ｃｃ以下となる。３３９０ｃｃ以下とするためには、コイル部分の高さが１００ｍｍの場合（即ち２系統に分割した場合）、パイプ内径が約２０ｍｍ以下とすれば問題ないことが分かる。一方、コイル部分の高さが２００ｍｍの場合（即ち１系統で実現した場合）、パイプの内径は１５ｍｍ以下とする必要があることが分かる。このように、冷却配管系を２系統とすることにより、保水量を所定量以下とするためのパイプの内径の設計の自由度を高めることができる。上述のように、パイプの内径を大きくすることができれば、圧力損失との関係でパイプの長さが長くなった場合にも冷却水が流れやすくなるため、有利である。

図７は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置のラプチャー板のサイズを変えた場合の漏水時の蒸気の流出のシミュレーション結果を示すグラフである。これは、前提条件として、直径２ｍｍの液滴が機内ガス温度８００Ｋで蒸発した場合のシミュレーションである。より具体的には、パイプ破損時に、チャンバー内に漏れ出す水の量は、初期漏洩水量（パイプ内に残っている水量）と、緊急時遮断用弁が働いて停止するまでに流れ込む冷却水の合計となる。なお、パイプの下流側には逆止弁が設置されているため、下流側からの逆流はない。

初期漏洩水の全てが無限小の時間で、一定径の飽和液滴の集合体となる。液滴のサイズが小さいほど、熱を受ける面積が増えるため、蒸発のスピードも速くなる。一定径の飽和液滴の集合体は、Ｋｕｔａｔｅｌａｄｚｅ式によるプール沸騰バーンアウト熱流束で、有限時間で蒸発する。更に、バーンアウト熱流束を潜熱で除すことにより、液滴表面積の単位面積当たりの蒸発量を求める。更に単位面積当たりの蒸発量に液滴の総合計面積を乗ずることによって、水蒸気の蒸発量を求めることができる。生成された水蒸気は、無限小の時間で、機内ガス温度まで加熱されるので、その時の圧力を計算する。このように、計算した圧力がトップチャンバー５０に***されたラプチャー板６０、トップチャンバー５０、下部ラプチャー、真空ポンプのそれぞれからどの程度の水蒸気が放出されるかをシミュレーションした。
ラプチャー板から放出される場合は、ラプチャー板の設置場所を考慮すれば問題が無いが、トップチャンバーから放出する場合は水蒸気の放出方向を制御しにくく、作業者が近くにいる場合もありえるため、大変危険であり、トップチャンバーからの排出が起こらないような大きさのラプチャー板を設置する必要がある。

図７は、保水量２０００ｃｃの場合のラプチャー板サイズを変更した場合のシミュレーション結果である。
図７（ａ）から分かるように、トップチャンバー５０に配設されたラプチャー板６０のサイズが１１４ｍｍの場合、多くの水蒸気はトップチャンバー５０に配設されたラプチャー板６０（ＴＣラプチャー）及び下部ラプチャーから排出され、トップチャンバー及び真空ポンプからの排出はほとんどないことが分かる。この場合には、トップチャンバー５０が浮き上がることはないと考えられる。

一方、図７（ｂ）に示すように、トップチャンバー５０に配設されたラプチャー板６０のサイズが１ｃｍの場合、多くの水蒸気はトップチャンバー５０から排出され、トップチャンバー５０に配設されたラプチャー板６０（ＴＣラプチャー）及び下部ラプチャーからの排出は十分ではないことが分かる。この場合、トップチャンバー５０が浮き上がることが想定される。即ち、本シミュレーションでは、ラプチャー板６０のサイズは１００ｍｍでは十分ではなく、１１４ｍｍが必要であることが分かる。

図８は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の初期漏洩水量に対する必要なラプチャー板のサイズを示すグラフである。具体的には、図７で示したシミュレーションを繰り返し実施することにより、所定の初期漏洩水量が３３９０ｃｃ以下である必要があることがわかる。

図９は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の各パラメータの設計の一例を示す図である。具体的には、上述のような計算、シミュレーションを前提として、４０ＫＷの吸熱量を得るために、クーラー１０のコイル部分の高さを２００ｍｍ、パイプの長さを１１０００ｍｍ以下、トップチャンバーに設置したラプチャー板の直径を２７０ｍｍ以下、冷却水の上昇温度を２０℃以下、配管の圧力損失を６０ＫＰａ以下とするために、冷却配管系が１系統の場合には、冷却水流量は２９Ｌ／ｍｉｎ必要であり、圧力損失を考慮に入れるとパイプの内径は１６．１ｍｍ以上必要であることが分かった。

クーラーパイプは、肉厚が２ｍｍ程度以上と薄いため、溶接によりパイプとパイプを継ぎ足して長さを延長する場合に、以下の危険性が増す。すなわち、溶接部のパイプ内側に肉盛りが発生した場合に、配管抵抗のため規定の冷却水量が通水できない危険性が増す。また、溶接作業が不十分で肉厚が薄い箇所ができた場合に、冷却水が炉内に漏れる危険性が増す。そのため、溶接部が無い構造とすることが理想である。溶接部無しで準備できるパイプ長さは、最長１１ｍ程度である。これ以上になると、パイプ搬送や加工時の取り扱いが制約されるため製作ができない。

ここで、ラプチャー板のφ２７０ｍｍ相当とは、水蒸気の受圧面積が相当という意味である。トップチャンバー上のスペースの制約から、円形に限らず、相当面積の楕円形や長方形の両短辺部に半円を組み合わせた形状等に適宜製作して問題無い。一方、保水量を考慮に入れると、１系統ではパイプの内径は１５ｍｍ以下程度とする必要があることが分かる。そうすると、１系統では、これらのパラメータの要求を満足するパイプの内径を設定することが不可能であることが分かる。

次に、冷却配管系を２系統に分割すると、同様の計算をすることにより、冷却水流量は１４Ｌ／ｍｉｎ必要であり、圧力損失を考慮に入れると、パイプの内径は１２．７ｍｍ以上必要であることが分かる。一方、保水量を考慮に入れると、２系統ではパイプの内径は１７ｍｍ以下程度とする必要があることが分かる。そうすると、２系統では、パイプの内径を１２．７ｍｍ以上、１７ｍｍ以下とすることにより、これらのパラメータの要求を満足する設計を行うことが可能であることが分かる。

図１０乃至図１５は、本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。上述の通り、圧力損失の上限値６０ＫＰａを超えないように設計する必要がある。図１０に示すように、パイプの内径を１６．７ｍｍとした場合には、１系統でも２系統でも冷却水流量３０Ｌ／ｍｉｎにおいても同条件をクリアしていることが分かる。図１１に示すように、パイプの内径を１６．１ｍｍとした場合にも、１系統でも２系統でも冷却水流量３０Ｌ／ｍｉｎにおいても同条件をクリアしていることが分かる。図１２に示すように、パイプの内径を１３．３ｍｍとした場合には、１系統では、約１６Ｌ／ｍｉｎ以上で圧力損失が６０ＫＰａを超え、冷却水が流れなくなることが分かる。ここで、図５に示すように、１系統の場合、４０ＫＷの吸熱量を得るためには２９Ｌ／ｍｉｎが必要であり、現実的な設計が不可能であることが分かる。一方、２系統に分割した場合には、約２２Ｌ／ｍｉｎ以上で圧力損失が６０ＫＰａを超えることが分かる。ここで、図５に示すように、２０ＫＷの吸熱量を得るためには、１４Ｌ／ｍｉｎ程度の冷却水流量が必要であるため、１４Ｌ／ｍｉｎから２２Ｌ／ｍｉｎの間で、現実的な設計が可能であることが分かる。

同様にして、図１３に示すように、パイプの内径１２．７ｍｍの場合には、１系統ではやはり現実的な設計が不可能であり、２系統ならば、冷却水流量が約１４Ｌ／ｍｉｎで現実的な設計が可能であることが分かる。同様に、図１４及び図１５に示すように、それぞれパイプの内径が９．８ｍｍ及び９．４ｍｍとなると、２系統でも現実的な設計が不可能となることが分かる。

［クーラーパイプの設計］ここで、表２に示すように、日本工業規格によるパイプ寸法に基づき、破損の危険を考慮して２ｍｍ以上の厚みを確保すれば、外径２１．７ｍｍのパイプの場合は、内径１７．５ｍｍとなり、同様に、外径１７．３ｍｍの場合には内径１３．３ｍｍ、外径１３．８ｍｍの場合には内径９．８ｍｍが対応する最大のサイズとなる。現実的にはこのようなパイプのサイズにより設計することになる。

表３に、クーラー高さ２００ｍｍとした場合の１系統、２系統それぞれのパイプ内径での最大流量を示す。なお、流量は整数の値としており、整数まで計算すればもう少し流すことができる。表３から分かる通り、内系１６．１ｍｍ以上であれば、３０Ｌ／ｍｉｎ以上通水することが可能であることが分かる。

表４に、許容できる上昇温度別に、１系統、２系統それぞれの使用できるパイプの内径を示す。表４から分かる通り、同じ許容上昇温度に対して、２系統に分割したほうが、１系統の場合よりもより細い内径のパイプを使用できることが分かる。このことにより、２系統に分割したほうがパイプのサイズにおいて設計の自由度が向上することが分かる。

表５に、現実的に設計可能なパイプ径と初期漏洩水との関係をしめす。表５から分かる通り、コイル部狙い高さを２００ｍｍとした場合、パイプの内径が大きくなると、漏洩水量も多くなる。更に、パイプ長さを１１ｍまでとした場合、１系統で実現した場合には、コイル部分のパイプの長さが１１ｍを超えてしまうため、現実的な設計ができないことが分かる。一方、２系統に分割することによって、パイプ内径１３．８ｍｍで設計したもの以外は、現実的な設計が可能であることが分かる。

［記号の定義］ここで使用する各記号の定義は次のようになる。

［機内圧力バランスモデル］ここで、機内圧力バランスモデルを作成する。まず、漏洩水がなく、パージガスのみが供給され、一定排気速度の真空ポンプで排出される場合についてモデル化する。機内の圧力計算は以下のようになる。

・・・・・・・・・・（１）

・・・・・・・・・・（２）

・・・・・・・・・・（３）

パージガスのみの一成分系なので、以下のようになる。

・・・・・・・・・・（４）

・・・・・・・・・・（５）

・・・・・・・・・・（６）

ここで、機外への排出が、真空ポンプのみで行われている場合には、以下のようになる。

・・・・・・・・・・（７）

真空ポンプへ至る経路の配管損失は以下のようになる。

・・・・・・・・・・（８）

・・・・・・・・・・（９）

・・・・・・・・・（１０）

・・・・・・・・・（１１）

一定排気速度の真空ポンプによる、排出量は以下のようになる。

・・・・・・・・・（１２）

［漏洩水蒸発モデル］ここで、漏洩水が、機内に侵入すると、以下のように蒸発の過程をモデル化することができる。

（１）無限小の時間で、一定径の飽和液滴の集合体となる。
（２）一定径の飽和液滴の集合体は、Ｋｕｔａｔｅｌａｄｚｅ式によるプール沸騰バーンアウト熱流束で、有限時間で蒸発する。
（３）生成された飽和蒸気は、無限小の時間で、機内ガス温度まで加熱される。ここで、機内の漏洩水質量と蒸気質量は、以下のように計算できる。

・・・・・・・・・（１３）

・・・・・・・・・（１４）

・・・・・・・・・（１５）

ここで、Ｑ／Ｌ（バーンアウト熱流束での単位面積当たりの蒸発量）の値は、水の飽和表と、Ｋｕｔａｔｅｌａｄｚｅプール沸騰バーンアウト熱流束式から、圧力に依存するテーブルとして下記のように与える。

ここで、蒸気の機内分圧は、（２）、（３）式と同様で以下のようになる。

・・・・・・・・・（１６）

・・・・・・・・・（１７）

［二成分系モデル］次に、二成分系モデルは、漏洩水蒸発モデル部分の入出力を機内圧力バランスモデル部分に統合し、パージガスと上記の二成分を考慮した機内圧力バランスを得る。漏洩水蒸発モデル部分の出力を用いて、（４）〜（６）を以下に書き換える。

・・・・・・・・・（１８）

・・・・・・・・・（１９）

・・・・・・・・・（２０）

ただし、質量流量については、後述の質量保存モデルが算出するため、（２０）は用いない。逆に、その結果を機内質量バランスへフィードバックするため、以下の計算を行う。

・・・・・・・・・（２１）

・・・・・・・・・（２２）

［ラプチャー板排出モデル］ラプチャー板及びトップチャンバー（以下、ラプチャー板と総称）からの排出は、以下のようにモデル化できる。
（１）機内圧力、自重、外部からの大気圧力、（バネがあれば）バネのたわみ力を考慮し、ラプチャー板の運動方程式を解く。
（２）ラプチャー板の変位は、最小はゼロとし、最大は設定値とする。
（３）最小変位位置においては、加速度の下限値をゼロとするが上限値は設定しない。
最大変位位置においては、加速度の上限値をゼロとするが下限値は設定しない。
両者の間では、加速度の下限値上限値は設定しない。
（４）最小又は最大変位に達したら、速度は強制的にゼロになる（ハードストップ動作）。
（５）抵抗係数一定かつ非圧縮過程のもと、変位による開口面積から、機内圧と大気圧差で駆動される質量が流出する。流出速度の最小値はゼロとし、最大値は音速とする。
ＴＣラプチャー板の運動については、上記（２）から（４）の制限のもとで、以下のようになる。なお、この制限下では、積分定数と区間を数式表現できないので、積分は不定表示とした。

・・・・・・・・・（２３）

・・・・・・・・・（２４）

・・・・・・・・・（２５）

・・・・・・・・・（２６）

ＴＣラプチャー板は機構上の最大変位は定義されないので、受圧面積相当の開口面積となる変位を最大変位値とした。トップチャンバーも同様に得られる。

・・・・・・・・・（２７）

・・・・・・・・・（２８）

・・・・・・・・・（２９）

・・・・・・・・・（３０）

下部ラプチャー板も同様であるが、加速度の導出においてはバネ荷重を考慮する。

・・・・・・・・・（３１）

・・・・・・・・・（３２）

・・・・・・・・・（３３）

・・・・・・・・・（３４）

［質量保存モデル］質量保存モデルは、ラプチャー板排出モデル部分の入出力を機内圧力バランスモデル部分に統合し、各ラプチャー板からの排出量を考慮した機内圧力バランスを得る。ラプチャー板排出モデル部分の出力を用いて、（７）を以下のように書き換える。

・・・・・・・・・（３５）

・・・・・・・・・（３６）

・・・・・・・・・（３７）

以上の全式を連立し、機内への水の漏洩量を時刻の関数として与えて、トップチャンバー変位量を各時刻において求解し、時間の関数として求める。

本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置を示すブロック図である。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置のクーラーのコイル部分を示すブロック図である。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却配管系を示すブロック図である。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の各パラメータの相関関係を示す図である。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置による冷却水流量に対する温度上昇を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置のクーラーのコイル部分の高さを変えた場合のパイプの内径と保水量の関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置のラプチャー板のサイズを変えた場合の漏水時の蒸気の流出のシミュレーションを示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の初期漏洩水量に対する必要なラプチャー板のサイズを示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の各パラメータの設計の一例を示す図である。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。 本発明の好適な実施形態の一例に係るＣＺ法単結晶引上げ装置の冷却水流量と圧力損失の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ＣＺ法単結晶引上げ装置
１０ クーラー
１０ａ 上段パイプ
１０ｂ 下段パイプ
１０ｃ 石英ガラス
２０ 熱遮蔽板
２１ ヒータ
３０ ルツボ
３１ シリコン融液
３１ａ 種結晶
３２ シリコンインゴット
４０ モーター
４１ エンコーダ
４２ 昇降ブロック
５０ トップチャンバー
６０ ラプチャー板

Claims (8)

1. ＣＺ法によりルツボ内の原料融液から単結晶を引上げる単結晶引上げ装置であって、
   引上げ中の単結晶を冷却するクーラーを備える単結晶引上げ装置において、
   前記クーラーを構成する冷却配管系を含み、
   冷却水が流通する前記冷却配管系を前記単結晶の引上げ方向に複数の系統に分割して構成し、
   前記冷却配管系の複数の系統の一からの漏洩水に対応可能なラプチャー板をトップチャンバに備えたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
2. 前記冷却配管系の分割後の１系統当たりの冷却水の温度上昇が、分割する前の冷却水の温度上昇と同等以下となるように、前記冷却配管系の配管サイズを、分割する前より細く構成したことを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
3. 前記クーラーは前記単結晶の引上げ方向に移動可能としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶引上げ装置。
4. 前記クーラーは系統毎に独立して前記単結晶の引上げ方向に移動可能としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の単結晶引上げ装置。
5. 前記単結晶の引上げ方向に複数の系統に分割した前記冷却配管系の間に炉内を観察するための空間を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の単結晶引上げ装置。
6. 直径が略３００ｍｍ以上の単結晶インゴットを引上げる単結晶引上げ装置において、前記冷却配管系を前記単結晶インゴットの引上げ方向に２つの系統に分割し、前記引上げ方向の高さを略２００ｍｍ以上とし、前記ラプチャー板の直径を略２７０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の単結晶引上げ装置。
7. 前記冷却配管系の配管サイズを略１２．７ｍｍ以上かつ略１７．０ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項６に記載の単結晶引上げ装置。
8. 前記冷却配管系の１系統当たりの配管の長さを略１１ｍ以下としたことを特徴とする請求項７に記載の単結晶引上げ装置。

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