(57)【要約】      （修正有）【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】ＣＺ法によりるつぼ３０内の原料融液３１から単結晶３２を引上げる単結晶引上げ装置１であって、引上げ中の単結晶３２を冷却するクーラー１０を備える単結晶引上げ装置１において、クーラー１０は、冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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する。【選択図】図１
2009029658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法によりるつぼ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、
前記クーラーは、冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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たことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項２】
前記冷却配管系の分割後の１系統あ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項８】
前記冷却配管系の１系統あ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。
【請求項９】
大きさが略２７０ｍｍ以下のラプチャー板を備えたトップチャンバを含んで構成したことを特徴とする請求項８に記載の単結晶引上げ装置。
【請求項１０】
ＣＺ法による単結晶引上げ装置において、るつぼ内の原料融液から単結晶を引上げる方法であって、
冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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たクーラーにより、引上げ中の単結晶を冷却するステップを含む単結晶引上げ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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には冷却配管系を限られた狭い領域に設置すると共に、当該冷却配管系の下端がシリコン融液から１５０ｍｍ以下の高さに位置するように設定された単結晶引上げ装置が提案されている。冷却配管系を流通する冷却水の流水量や流水速度、冷却配管系の管径等を適切に設定することにより、冷却水の漏出による危険を抑制しつつ、生産効率を向上させることができる。
【特許文献１】特開２０００−３４４５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、引上げる単結晶が大径化することに伴い、当該単結晶の周囲に配設したクーラーを構成する冷却配管系もより大型のものが必要となり、更にクーラーの単結晶の引上げ方向の長さもより長いものが要求されるようになってきた。その結果、更なる生産効率の向上のための要求を満足させると共に、冷却配管系の破損に伴って生ずる危険を回避する手段を更に改善することが望まれている。
【０００５】
具体的には、単に冷却配管系を大きくすると、万一冷却配管系が破損した場合に漏れ出す冷却水の量も多くなり、ラプチャー板や排気装置等の対策も大きなものが必要となる。又、冷却配管系の配管の長さが長くなると、圧力損失のために冷却水が流れにくくなる。冷却水が流れにくくなると、特に下流側での温度上昇が大きくなるため、安全対策を講じる必要がある。ところが、十分な冷却水を通水するために冷却配管系の配管サイズを太くすると、冷却配管系の保水量も多くなり、漏れ出す冷却水の量も多くなり、やはり上述の対策が大きなものが必要となる。更に、クーラーが大型化して装置内で占める空間が大きくなると、単結晶の絞り時等に装置内をカメラで監視するなど、他の機能の邪魔になり不利である。
【０００６】
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、クーラーを構成する冷却配管系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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
より具体的には、本発明は、以下のようなものを提供する。
【０００８】
（１）  ＣＺ法によりるつぼ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、
前記クーラーは、冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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たことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【０００９】
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、冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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る。
【００１０】
このことにより、１系統当たりの冷却配管系の長さを短くすることか可能となり、１系統当たりの冷却配管系の保水量を少なくすることができると共に、冷却配管系の冷却水の温度上昇を抑制することができる。
【００１１】
その結果、前記単結晶引上げ装置は、複数の系統に分割して構成した前記冷却配管系の一が破損した場合に漏洩する冷却水の量を抑制しつつ、複数の系統に分割する前の冷却配管系と同等以上の冷却能力を発揮することができる。
【００１２】
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、ラプチャー板を小型化することができる。
【００１３】
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。
【００１４】
（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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
（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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
（９）  大きさが略２７０ｍｍ以下のラプチャー板を備えたトップチャンバーを含んで構成したことを特徴とする（８）に記載の単結晶引上げ装置。
【００３１】
（１０）  ＣＺ法による単結晶引上げ装置において、るつぼ内の原料融液から単結晶を引上げる方法であって、
冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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たクーラーにより、引上げ中の単結晶を冷却するステップを含む単結晶引上げ方法。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、単結晶引上げ装置は、複数の系統に分割して構成した前記冷却配管系の一が破損した場合に漏洩する冷却水の量を抑制しつつ、複数の系統に分割する前の冷却配管系と同等以上の冷却能力を発揮することができる。更に、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、ラプチャー板を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
［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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
［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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
［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クーラーの配置場所も考慮して、２００ｍｍ程度必要と計算された。しかし、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干渉したり、炉内の観察の邪魔となったりして不利となる。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。
【００４４】
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あれば足りるとすると、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。
【００４５】
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。
【表１】
2009029658.tif 000003
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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に排泄されたラプチャー板６０、トップチャンバー５０、下部ラプチャー板、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。
【００４９】
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ラプチャー板）及び下部ラプチャー板から排出され、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。
【００５０】
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１００ｍｍ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ラプチャー板）及び下部ラプチャー板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。
【００５１】
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、約２７０ｍｍの直径のラプチャー板を設置する場合には、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。
【００５２】
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サイズを直径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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
［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２】
2009029658.tif 000004
【００５９】
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３】
2009029658.tif 000005
【００６０】
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４】
2009029658.tif 000006
【００６１】
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１１０００ｍｍ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１１０００ｍｍ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。
【表５】
2009029658.tif 000007
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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】
【００６３】
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
【図１】
2009029658.tif 000008
【図２】
2009029658.tif 000009
【図３】
2009029658.tif 000010
【図４】
2009029658.tif 000011
【図５】
2009029658.tif 000012
【図６】
2009029658.tif 000013
【図７】
2009029658.tif 000014
【図８】
2009029658.tif 000015
【図９】
2009029658.tif 000016
【図１０】
2009029658.tif 000017
【図１１】
2009029658.tif 000018
【図１２】
2009029658.tif 000019
【図１３】
2009029658.tif 000020
【図１４】
2009029658.tif 000021
【図１５】
2009029658.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成19年7月31日(2007.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法によりるつぼ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、
前記クーラーは、冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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たことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項２】
前記冷却配管系の分割後の１系統あ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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項８】
前記冷却配管系の１系統あ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。
【請求項９】
大きさが略２７０ｍｍ以下のラプチャー板を備えたトップチャンバを含んで構成したことを特徴とする請求項８に記載の単結晶引上げ装置。
【請求項１０】
ＣＺ法による単結晶引上げ装置において、るつぼ内の原料融液から単結晶を引上げる方法であって、
冷却水が流通する冷却配管系を含み、かつ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たクーラーにより、引上げ中の単結晶を冷却するステップを含む単結晶引上げ方法。