JP2009029659A - 単結晶引上げ装置及び方法 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
[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)
[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)
(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。
[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)
(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。
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)
[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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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JP2007195249A JP2009029659A (ja) | 2007-07-26 | 2007-07-26 | 単結晶引上げ装置及び方法 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10023975B2 (en) | 2015-01-16 | 2018-07-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for producing SiC single crystal |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH08119786A (ja) * | 1994-10-24 | 1996-05-14 | Mitsubishi Materials Corp | 単結晶引上装置 |
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JP2001240491A (ja) * | 2000-02-29 | 2001-09-04 | Komatsu Electronic Metals Co Ltd | Cz法単結晶引上げ装置の安全機構 |
JP2004010363A (ja) * | 2002-06-03 | 2004-01-15 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 単結晶の製造装置 |
-
2007
- 2007-07-26 JP JP2007195249A patent/JP2009029659A/ja active Pending
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