JP2768499B2 - Optimal condition analysis method and control method for single crystal pulling furnace - Google Patents

Optimal condition analysis method and control method for single crystal pulling furnace

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炉内の温度分布、固液界面形状、結晶の熱
応力等をシミュレーション解析し、最適制御を可能にす
る単結晶引上炉の最適条件解析方式及び制御方式に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a single crystal pulling furnace capable of optimally controlling a temperature distribution in a furnace, a solid-liquid interface shape, a thermal stress of a crystal, and the like by simulation analysis. The optimal condition analysis method and control method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

GaAs単結晶は、高速IC用、光デバイス用基板として注
目され、研究が盛んに行われている。単結晶の作成方法
としては、III−V族化合物半導体のバルク結晶の主な
作成法の1つであり、大口径、円形ウエハが作りやすい
LEC法(液体封止チョクラルスキー法)が主流である。
GaAs single crystals have attracted attention as substrates for high-speed ICs and optical devices, and have been actively studied. As a method of forming a single crystal, it is one of the main methods of forming a bulk crystal of a group III-V compound semiconductor, and a large-diameter, circular wafer is easily formed.
The LEC method (liquid sealed Czochralski method) is the mainstream.

III−V族化合物半導体のバルク結晶成長は、III−V
族の性質から高温、高圧下の複雑な熱環境下で行われ
る。この結晶成長において、より低転位の結晶育成に
は、熱環境を緩やかにして熱応力を低減し、より生産性
を高めるためには、温度勾配を大きくして指向性凝固を
強めるという相反する要求がある。このため、炉内に保
温材をおいたり、多段階ヒータを採用したりしているた
め、コントロールが非常に複雑且つ困難になっている。
III-V compound semiconductor bulk crystal growth
Due to the nature of the family, it is performed in a complex thermal environment under high temperature and high pressure. In this crystal growth, in order to grow crystals with lower dislocations, in order to reduce the thermal stress by relaxing the thermal environment and to increase the productivity, the contradictory requirements of increasing the temperature gradient and strengthening the directional solidification are required. There is. For this reason, since a heat insulating material is placed in the furnace or a multi-stage heater is employed, control is extremely complicated and difficult.

第9図はLEC法の単結晶引き上げ装置の構成概要を示
す図であり、31は水冷リフレクター、32はグラファイ
ト、33はサブ上ヒーター、34はメインヒーター、35はサ
ブ下ヒーター、36はルツボ、37は結晶部、38は融液部、
39はB2O3、40は断熱フェルトを示す。炉内は、例えば不
揮発性のAr(アルゴン)ガスの高圧(10気圧)雰囲気下
におかれ、ヒーター(33〜35)によりGaAsの融点1511゜
(K)前後の高温に加熱される。そして、引き上げ育成
中の結晶形状を計測しながらヒーターパワー、引き上げ
速度、ルツボ36及び結晶37の回転速度等が制御される。
引き上げ育成中の結晶形状の計測は、ロードセルを用い
て結晶重量を検出し、B2O339により浮力、融液の表面張
力を補正しながら結晶重量の変化を測定することによっ
て行われる。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration outline of a single crystal pulling apparatus of the LEC method, 31 is a water-cooled reflector, 32 is graphite, 33 is a sub upper heater, 34 is a main heater, 35 is a sub lower heater, 36 is a crucible, 37 is the crystal part, 38 is the melt part,
39 indicates B 2 O 3 , and 40 indicates an insulating felt. The furnace is placed in a high-pressure (10 atm) atmosphere of, for example, a non-volatile Ar (argon) gas, and is heated to a high temperature of about 1511 ° (K), the melting point of GaAs, by a heater (33 to 35). Then, the heater power, the pulling speed, the rotation speed of the crucible 36 and the crystal 37, and the like are controlled while measuring the crystal shape during the pulling and growing.
The measurement of the crystal shape during the pull-up and growth is performed by detecting the crystal weight using a load cell, and measuring the change in the crystal weight while correcting the buoyancy and the surface tension of the melt with B 2 O 3 39.

LEC法による結晶成長には、数多くの条件が存在する
が、最も重要なものは、炉内の熱環境である。高品質な
結晶育成と高生産性の達成のためには、その熱環境の把
握が不可欠である。しかし、炉内は、先に述べたように
高温、高圧の雰囲気で満たされており、また、複雑なホ
ットゾーン構造をもっているため、結晶の育成中に炉内
全体を直接観測することはできない。そこで、望ましい
熱環境を達成するためには、計算機シミュレーションが
不可欠な技術であり、これまでにも多くの解析が試みら
れている。
There are many conditions for crystal growth by the LEC method, but the most important one is the thermal environment in the furnace. In order to grow high quality crystals and achieve high productivity, it is essential to understand the thermal environment. However, as described above, the inside of the furnace is filled with a high-temperature, high-pressure atmosphere and has a complicated hot zone structure, so that the entire inside of the furnace cannot be directly observed during crystal growth. Therefore, computer simulation is an indispensable technique to achieve a desired thermal environment, and many analyzes have been attempted so far.

例えば炉内温度分布、結晶内温度分布、融液内熱対
流、結晶/融液を連成した固液界面形状解析、結晶内熱
応力解析などが精力的に行われ、成果が上がっている。
For example, temperature distribution in a furnace, temperature distribution in a crystal, thermal convection in a melt, analysis of a solid-liquid interface shape coupled with a crystal / melt, analysis of a thermal stress in a crystal, and the like have been vigorously performed, and results have been obtained.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

しかし、従来も上記のように種々の数値解析或いは計
算機シミュレーションが行われているが、これらの解析
は、いずれも各要素単独での解析であり、各要素間が関
連をもった解析ではなく、炉の操作条件とは直接的につ
ながっていなかった。したがって、炉内熱環境を最適条
件にするため設定をどのように変えたらよいのか、その
方向が判り難く、また、その結果の確認にも時間を要す
るという問題がある。
However, conventionally, various numerical analyzes or computer simulations have been performed as described above, but each of these analyzes is an analysis of each element alone, and is not an analysis in which each element is related, It was not directly linked to the furnace operating conditions. Therefore, there is a problem that it is difficult to determine how to change the setting in order to optimize the thermal environment in the furnace, and that it takes time to confirm the result.

生産性を向上させるには、大量チャージすなわち原料
を入れるルツボの大型化が必要である。また、大口径ウ
エハの要求に応えるためにもルツボの大型化が必要とな
る。しかしながら、通常では炉全体の大きさが固定であ
り、種々の制約から入れ換え変形ができないという状況
にある。また、炉内の温度を制御するヒーターは、ルツ
ボの外側に配置されるため、ルツボを大型化すると、断
熱部分が薄くなってしまい、炉の安全性が問題となり、
また、結晶成長の可否も不明となる。
In order to improve the productivity, it is necessary to increase the size of the crucible for charging a large amount of charge, that is, the raw material. Further, in order to meet the demand for large-diameter wafers, it is necessary to increase the size of the crucible. However, usually, the size of the whole furnace is fixed, and there is a situation in which the deformation cannot be performed due to various restrictions. In addition, since the heater that controls the temperature inside the furnace is located outside the crucible, if the crucible is made larger, the heat insulation part becomes thinner, and the safety of the furnace becomes a problem.
In addition, the possibility of crystal growth is unknown.

実際にルツボの大型化を実現するためには、まず、上
記のような解析を行ってルツボの大型化に対応したホッ
トゾーンを作成し、さらに結晶引き上げの実験を繰り返
し行うことが必要であり、このために数百万円の費用、
半年程度の期間を要し、時間と費用のロスが多いので現
状である。
In order to actually increase the size of the crucible, it is necessary to first create a hot zone corresponding to the increase in the size of the crucible by performing the above-described analysis, and then repeat the crystal pulling experiment. This costs millions of yen,
It takes about half a year, and there is a lot of lost time and money.

本発明は、上記の課題を解決するものであって、シミ
ュレーションを使って効率よく且つ高精度で解析するこ
とができる単結晶引上炉の最適条件解析方式を提供する
ことを目的とし、さらには、このような解析結果を利用
して効率的に単結晶引上の制御が行える単結晶引上炉の
制御方式を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an optimal condition analysis method for a single crystal pulling furnace that can be analyzed efficiently and with high accuracy using a simulation. It is another object of the present invention to provide a control method of a single crystal pulling furnace capable of efficiently controlling a single crystal pulling by utilizing such an analysis result.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

そのために本発明は、ルツボに原料を入れ高圧ガスの
雰囲気下でヒーターにより前記原料を融点前後の高温に
加熱して単結晶を引上げ育成する単結晶引上炉の最適条
件解析方式であって、炉内の形状、境界条件、ヒーター
パワー等の設定を基にガスフローと輻射を考慮して炉内
の温度分布を求める熱流体解析手段と、前記炉内の温度
分布を境界条件として結晶・融液部の熱解析を行い前記
結晶・融液部における固液界面形状を求める固液界面形
状解析手段と、前記固液界面形状と結晶部の温度分布か
ら結晶部における熱応力を求める熱応力解析手段とを備
え、前記熱流体解析手段より前記炉内の温度分布を前記
固液界面形状解析手段に引き継ぎ、前記固液界面形状解
析手段より前記固液界面形状と結晶部の温度分布を前記
熱応力解析手段に引き継ぐようにしたことを特徴とす
る。また、これらの手段を用いた単結晶引上炉の制御方
式は、さらに、炉内の形状、境界条件、ヒーターパワー
等の設定を行う設定手段と、炉内の単結晶引上の運転状
況をモニタするモニタ手段と、前記設定手段で設定され
た条件を制御信号とし前記モニタ手段によるモニタ手段
を行いながら炉の単結晶引上制御を行う制御手段とを備
え、前記熱流体解析手段より前記炉内の温度分布を前記
固液界面形状解析手段に引き継ぎ、前記固液界面形状解
析手段より前記固液界面形状と結晶部の温度分布を前記
熱応力解析手段により引き継ぐようにし、前記熱流体解
析手段と前記固液界面形状解析手段と前記熱応力解析手
段における解析結果の評価により前記設定手段の設定条
件を逐次補正するように構成したことを特徴とする。
Therefore, the present invention is an optimal condition analysis method of a single crystal pulling furnace in which a raw material is put into a crucible, and the raw material is heated to a high temperature around its melting point by a heater under a high-pressure gas atmosphere to pull up and grow a single crystal. Thermal fluid analysis means for obtaining the temperature distribution in the furnace based on the settings of the shape, boundary conditions, heater power, etc. in the furnace, taking into account the gas flow and radiation, and crystallization / melting using the temperature distribution in the furnace as the boundary conditions A solid-liquid interface shape analyzing means for performing a thermal analysis of the liquid portion to obtain a solid-liquid interface shape in the crystal / melt portion; and a thermal stress analysis for obtaining a thermal stress in the crystal portion from the solid-liquid interface shape and the temperature distribution of the crystal portion. Means for transferring the temperature distribution in the furnace from the thermal fluid analysis means to the solid-liquid interface shape analysis means, and the solid-liquid interface shape analysis means for converting the solid-liquid interface shape and the temperature distribution of the crystal part to the heat distribution. Pull to stress analysis means It characterized in that as successor. In addition, the control method of the single crystal pulling furnace using these means further includes setting means for setting the shape of the furnace, boundary conditions, heater power, etc., and operating conditions for pulling the single crystal in the furnace. Monitoring means for monitoring, and control means for performing single crystal pull-up control of the furnace while performing monitoring means by the monitoring means using the condition set by the setting means as a control signal; and The temperature distribution of the inside is taken over by the solid-liquid interface shape analysis means, and the solid-liquid interface shape and the temperature distribution of the crystal part are taken over by the thermal stress analysis means from the solid-liquid interface shape analysis means. The setting conditions of the setting means are sequentially corrected by evaluating the analysis results of the solid-liquid interface shape analysis means and the thermal stress analysis means.

〔作用〕[Action]

本発明に係る単結晶引上炉の最適条件解析方式では、
熱流体解析手段、固液界面形状解析手段、熱応力解析手
段の3ブロックに分けて段階的に、しかも次段に解析デ
ータを引き継いで炉内や結晶の温度、固液界面形状、結
晶の熱応力のシミュレーションを行うので、各ステップ
での評価によりシミュレーション条件の修正を行うこと
ができ、単結晶引上炉のスケールアップや高品質、高生
産の追従を効率的に行うことができる。
In the optimal condition analysis method of the single crystal pulling furnace according to the present invention,
Temperature and temperature of furnace and crystal, solid-liquid interface shape, heat of crystal Since the simulation of the stress is performed, the simulation conditions can be corrected by the evaluation at each step, and the scale-up of the single crystal pulling furnace and the follow-up of high quality and high production can be efficiently performed.

また、この解析手段を利用した単結晶引上炉の制御方
式では、解析結果の評価により条件設定手段の設定条件
を逐次補正し、この条件により制御手段がモニタ手段に
よるモニタを行いながら炉の単結晶引上制御を行うの
で、効率的に高品質の単結晶を製造することができる。
Further, in the control method of the single crystal pulling furnace using the analysis means, the setting conditions of the condition setting means are sequentially corrected by evaluating the analysis results, and the control means monitors the furnace by the monitoring means based on the conditions. Since the crystal pulling control is performed, a high-quality single crystal can be efficiently manufactured.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

第1図は本発明に係る単結晶引上炉の最適条件解析方
式の1実施例を説明するための図である。
FIG. 1 is a view for explaining one embodiment of an optimum condition analysis method for a single crystal pulling furnace according to the present invention.

本発明に係る単結晶引上炉の最適条件解析方式では、
結晶育成をまず、ルツボ形状(径)やヒーター長、炉内
構造をケース設定しさらにホットゾーン外壁の温度やガ
ス入口流速を境界条件としてヒーターパワーを設定し、
炉内の温度分布を求める熱流体解析部1、炉内の温度分
布から結晶・融液部の温度に注目し境界条件として炉内
の温度分布を引き継いで結晶・融液部の熱解析を行い固
液界面形状を求める固液界面形状解析部2、そして、固
液界面形状解析部2で得られた固液界面形状と結晶部の
温度分布から結晶部内の熱応力を求める熱応力解析部3
の3ブロックに分けて評価するようにシミュレーション
システムを構成している。データ入力部4は、ケース設
定や境界条件、ヒーターパワー等のデータを入力するも
のである。このような構成によりそれぞれのブロックで
段階的に解析結果の評価を行い、その段階での条件が満
足できなければデータ入力部4に戻って再設定の上繰り
返してシミュレーションを行う。そして、それぞれの段
階において最適条件が得られるようにデータ入力部4へ
のフィードバックを行うことによって最終的に熱応力解
析部3から最適なコントロール条件を得るようにしたも
のである。
In the optimal condition analysis method of the single crystal pulling furnace according to the present invention,
For crystal growth, first set the crucible shape (diameter), heater length, and furnace structure, set the heater power using the hot zone outer wall temperature and gas inlet flow velocity as boundary conditions,
Thermo-fluid analysis unit 1 for obtaining temperature distribution in the furnace, focuses on the temperature of the crystal / melt part from the temperature distribution in the furnace, and takes over the temperature distribution in the furnace as a boundary condition to perform thermal analysis of the crystal / melt part A solid-liquid interface shape analysis unit 2 for obtaining a solid-liquid interface shape, and a thermal stress analysis unit 3 for obtaining a thermal stress in a crystal part from the solid-liquid interface shape obtained by the solid-liquid interface shape analysis unit 2 and a temperature distribution of the crystal part.
The simulation system is configured so as to be divided into three blocks for evaluation. The data input unit 4 inputs data such as case settings, boundary conditions, and heater power. With such a configuration, the analysis result is evaluated step by step in each block, and if the conditions at that stage cannot be satisfied, the process returns to the data input unit 4, resets, and repeats the simulation. Then, the feedback to the data input unit 4 is performed so that the optimal condition is obtained at each stage, so that the optimal control condition is finally obtained from the thermal stress analysis unit 3.

上記構成のシステムは、最終的に、炉内の熱環境の最
適設計を行うものであり、歪みの少ない結晶を育成する
ことである。つまり、炉が壊れないで高品質の結晶を引
き上げる条件を如何に導き出すかである。そのために、
炉内の温度分布や結晶近傍の温度分布が重要となる。
The system having the above-described configuration finally performs an optimal design of the thermal environment in the furnace, and grows a crystal with less distortion. In other words, how to derive conditions for pulling high-quality crystals without breaking the furnace. for that reason,
The temperature distribution in the furnace and the temperature distribution near the crystal are important.

例えば与えられた容器の中で設定されたルツボ形状が
採用できるか否か或いはどれだけルツボを大きくできる
かの検討や、そのために、ヒーターや断熱材からなるホ
ットゾーンの形状効果の検討、多分割したヒーターの配
置やパワー比の最適化を行う。この場合、得られた解析
結果が設定した判断基準に納まればその境界条件が合っ
ているということで温度的に問題がないことになる。例
えばルツボの直径を2インチ大きくすると、外周部の断
熱材の厚みが1インチ薄くなるので、このようなルツボ
形状の変更の下においてヒーターで炉内を加熱した場合
に外周部の温度が異常に上昇することがないか、すなわ
ち炉の安全性を確認し、ルツボの位置やヒーターの長さ
等を決定する。
For example, consider whether the crucible shape set in a given container can be adopted or how large the crucible can be, and for that purpose, examine the effect of the shape of the hot zone composed of heaters and heat insulating materials, multi-division Optimize heater arrangement and power ratio. In this case, if the obtained analysis result satisfies the set criterion, the boundary condition is met, and there is no problem in terms of temperature. For example, if the diameter of the crucible is increased by 2 inches, the thickness of the heat insulating material on the outer peripheral portion is reduced by 1 inch. Therefore, when the inside of the furnace is heated by a heater under such a change in the crucible shape, the temperature of the outer peripheral portion becomes abnormal. Check that the furnace does not rise, that is, the safety of the furnace, and determine the position of the crucible, the length of the heater, and the like.

また、高品質の結晶を引き上げる条件の評価の指標と
して固液界面形状や結晶の熱応力が判断材料となる。欠
陥を少なくするには、結晶中の温度勾配を緩くすること
が必要であり、結晶近傍のこのような情報としてルツボ
内の温度分布が重要になる。このルツボ内の温度分布が
炉内の温度分布を基にして求められる。
In addition, the shape of the solid-liquid interface and the thermal stress of the crystal can be used as an index for evaluating the conditions for pulling up a high-quality crystal. In order to reduce the number of defects, it is necessary to moderate the temperature gradient in the crystal, and the temperature distribution in the crucible becomes important as such information near the crystal. The temperature distribution in the crucible is obtained based on the temperature distribution in the furnace.

各ブロックにおける解析を詳述する。 The analysis in each block will be described in detail.

第2図は検討モデルの例を示す図、第3図はメッシュ
分割例を示す図、第4図は炉内ガスフローの例を示す
図、第5図は炉内温度分布の例を示す図、第6図はルツ
ボ位置と結晶・融液部中心軸の温度相関の例を示す図、
第7図は結晶・融液部の温度分布と固液界面形状の例を
示す図、第8図は熱応力分布の例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the study model, FIG. 3 is a diagram showing an example of mesh division, FIG. 4 is a diagram showing an example of gas flow in the furnace, and FIG. 5 is a diagram showing an example of temperature distribution in the furnace. FIG. 6 is a diagram showing an example of the temperature correlation between the crucible position and the central axis of the crystal / melt portion;
FIG. 7 is a diagram showing an example of the temperature distribution and the solid-liquid interface shape of the crystal / melt portion, and FIG. 8 is a diagram showing an example of the thermal stress distribution.

第2図において、11はAr雰囲気、12はサブ上ヒータ
ー、13はグラファイト、14と22は断熱フェルト、15はメ
インヒーター、16はサブ下ヒーター、17はGaAs結晶、18
はB2O3、19はGaAs融液、20はルツボ、21はルツボ支持軸
を示す。
In FIG. 2, 11 is an Ar atmosphere, 12 is a sub upper heater, 13 is graphite, 14 and 22 are adiabatic felts, 15 is a main heater, 16 is a sub lower heater, 17 is a GaAs crystal, 18
Denotes B 2 O 3 , 19 denotes a GaAs melt, 20 denotes a crucible, and 21 denotes a crucible support shaft.

熱流体解析では、第2図に示す検討モデルに対して有
限要素法により第3図に示すように炉内をメッシュ分割
することによって、形状任意性を考慮できるようにし、
例えばヒーター長を任意に選べるようにしている。メッ
シュには、種々の物質の物性値が定義され、メッシュに
よりヒーター長や位置、ルツボ位置、結晶の成長量を変
えてシミュレーションを行う。そして、ルツボ形状
(径)やヒーター長、炉内構造をケース設定し、ホット
ゾーン外壁の温度、ガス入口流速を境界条件として与
え、ヒーターパワーを入力することによって第4図に示
すような炉内Arガスフローや第5図に示すような等温線
1、2、……による炉内温度分布を求めている。この結
果より各要因を解析し、条件の変更の可否、結晶引き上
げの可能性等を評価する。また先に述べたように与えら
れた境界条件が設定した判断基準に納まれば境界条件が
合っているということで温度的に問題がないことにな
る。
In the thermal fluid analysis, the interior of the furnace is divided into meshes as shown in FIG. 3 by the finite element method with respect to the study model shown in FIG.
For example, the length of the heater can be arbitrarily selected. Physical properties of various substances are defined in the mesh, and simulation is performed by changing the heater length, position, crucible position, and crystal growth amount according to the mesh. Then, the crucible shape (diameter), heater length, and furnace internal structure are set in a case, the temperature of the outer wall of the hot zone, the gas inlet flow velocity are given as boundary conditions, and the heater power is input as shown in FIG. The temperature distribution in the furnace is determined by the Ar gas flow and the isotherms 1, 2,... As shown in FIG. From this result, each factor is analyzed, and the possibility of changing the conditions, the possibility of crystal pulling, and the like are evaluated. As described above, if the given boundary condition meets the set criterion, there is no problem in terms of temperature because the boundary condition is met.

炉内は、高圧(例えば10気圧)のAr(アルゴン)ガス
の雰囲気下にあるので、ヒーターで炉内が加熱される
と、ガスが対流しその流れが重要になる。また、高温で
の輻射は、ヒーターの形状等が変わると4乗で効いてく
る。したがって、このガスフローと輻射を考慮した連成
で温度分布を解くようにしている。このように熱流体解
析は、マクロ的な温度分布を解析するものであり、高
温、高圧下における熱伝達は、輻射と気体による解析が
重要となる。気体部には、例えば熱連成したNavier−St
okes方程式を適用し、構造部材には、各表面間の輻射を
考慮した熱伝導方程式を適用することによって計算を行
うことができる。このとき、多段階ヒーターの設計、設
定と、結晶引き上げ位置の設定をよくしないと結晶引き
上げが困難になる。なお、結晶と融液との固液界面は、
熱バランス状態に応じて実際には動くが、この段階で
は、図示のようにメッシュ分割によりフラットと仮定し
ている。
Since the inside of the furnace is under an atmosphere of high-pressure (for example, 10 atm) Ar (argon) gas, when the inside of the furnace is heated by a heater, the gas is convected and the flow becomes important. Radiation at high temperature is effective to the fourth power when the shape of the heater is changed. Therefore, the temperature distribution is solved by coupling taking into consideration the gas flow and radiation. As described above, the thermal fluid analysis is for analyzing a macroscopic temperature distribution. For heat transfer under high temperature and high pressure, analysis using radiation and gas is important. In the gas part, for example, a thermally coupled Navier-St
The calculation can be performed by applying the okes equation and applying the heat conduction equation to the structural member in consideration of radiation between the surfaces. At this time, the crystal pulling becomes difficult unless the design and setting of the multi-stage heater and the setting of the crystal pulling position are improved. The solid-liquid interface between the crystal and the melt is
It actually moves according to the heat balance state, but at this stage, it is assumed that the mesh is flat as shown in the figure.

固液界面形状解析では、熱流体解析で得られた温度デ
ータを境界条件として引き継いで結晶・融液部の熱解析
を行い第7図に示すような温度分布から固液界面形状を
解析する。固液界面形状は、温度分布から融点温度の等
温線として得られ、所望の固液界面形状となるようにヒ
ーターパワーの設定を行う。結晶育成の安定化には、フ
ラットな固液界面形状が時系列で一定になっている必要
があるが、実際には温度勾配を緩くして下に凸の形状と
する方が望ましい。しかし、結晶の成長条件が変わる
と、熱の伝わり方が変わるため、結晶引き上げの制御方
法も一定にすることができなくなる。結晶部には、例え
ば熱伝導方程式を適用し、融液部には、融液中の対流を
考慮した熱流体解析を適用することによって、固液界面
が融点になる制限条件を付与して自由境界問題を解くこ
とができる。
In the solid-liquid interface shape analysis, the temperature data obtained by the thermo-fluid analysis is taken over as a boundary condition, the thermal analysis of the crystal / melt portion is performed, and the solid-liquid interface shape is analyzed from the temperature distribution as shown in FIG. The solid-liquid interface shape is obtained as an isotherm of the melting point temperature from the temperature distribution, and the heater power is set so as to have a desired solid-liquid interface shape. In order to stabilize crystal growth, it is necessary that the shape of the flat solid-liquid interface is constant in a time series. However, it is actually preferable that the temperature gradient is moderated to make the shape convex downward. However, when the crystal growth conditions change, the way of conducting heat changes, so that the method of controlling crystal pulling cannot be fixed. For the crystal part, for example, the heat conduction equation is applied, and for the melt part, by applying the thermo-fluid analysis considering the convection in the melt, the solid-liquid interface is given a limiting condition that makes the melting point free. Boundary problems can be solved.

ルツボ位置を変えた場合における結晶・融液部中心軸
の温度相関の例を炉内熱解析の結果を使って示したのが
第6図である、この例から明らかなようにルツボ位置を
変えると、結晶部の温度勾配や融液部の温度が変わって
くる。このことからルツボの位置を適正に設定すること
も重要であることが判る。特に一方向凝固が基本である
にもかかわらず、固液界面より下の融液部において融点
から融点よりも低い温度に反転するようなプロファイル
になるような場合には、システムとして成り立たなくな
るので、このような評価についても行うことが必要にな
る。また、サブ上ヒーターやメインヒーター、サブ下ヒ
ーターのパワーを変えた場合にも、温度勾配や温度分布
が変わってくる。固液界面を0として固液界面からの温
度差1、2、……による等温線で温度勾配や温度分布を
示したのが第7図である。このように固液界面形状解析
により結晶・融液部の温度分布から固液界面近傍におけ
る結晶の温度勾配が高品質の結晶引き上げにとってどう
か、融液部の状態がどうか、その他固液界面の最適形状
や結晶の均質育成を解析し評価を行うことができる。
FIG. 6 shows an example of the temperature correlation of the central axis of the crystal / melt when the crucible position is changed using the results of thermal analysis in the furnace. As is clear from this example, the crucible position is changed. Then, the temperature gradient of the crystal part and the temperature of the melt part change. From this, it is understood that it is also important to appropriately set the position of the crucible. In particular, even though the unidirectional solidification is fundamental, in the case of a profile in which the melting point below the solid-liquid interface reverses from the melting point to a temperature lower than the melting point, the system cannot be established, It is necessary to perform such an evaluation. Further, when the power of the upper sub heater, the main heater, and the lower sub heater is changed, the temperature gradient and the temperature distribution also change. FIG. 7 shows the temperature gradient and the temperature distribution by isothermal lines based on the temperature difference 1, 2,... From the solid-liquid interface with the solid-liquid interface being 0. In this way, the solid-liquid interface shape analysis shows whether the temperature gradient of the crystal in the vicinity of the solid-liquid interface is suitable for high-quality crystal pulling, the state of the melt part, and the other optimal solid-liquid interface. It can analyze and evaluate the uniform growth of shapes and crystals.

熱応力解析では、固液界面形状解析で得られた固液界
面形状における温度分布を用いて熱応力解析を行うもの
である。これに対して高品質な結晶を得るためには、応
力が小さく均一な状態が望ましい。つまり、最終的に
は、歪みの少ない結晶をつくることであるが、そのため
に例えば第8図に示すような剪断熱応力分布や熱履歴を
基に熱応力解析を行うことが必要であり、熱応力の低減
が必要である。なお、この解析において、熱応力と結晶
欠陥の関係については多くの研究が行われているので、
高品質な結晶を得る評価の1つとして確立している。
In the thermal stress analysis, thermal stress analysis is performed using the temperature distribution in the solid-liquid interface shape obtained by the solid-liquid interface shape analysis. On the other hand, in order to obtain a high-quality crystal, a uniform state with small stress is desirable. In other words, the ultimate goal is to produce a crystal with less distortion. For this purpose, it is necessary to perform thermal stress analysis based on the shear adiabatic stress distribution and thermal history as shown in FIG. 8, for example. It is necessary to reduce the stress. In this analysis, many studies have been conducted on the relationship between thermal stress and crystal defects.
It has been established as one of the evaluations to obtain high quality crystals.

以上のように3ブロックに分けてその結果を有機的に
次のブロックに引き継ぎながら順次解析できるようにす
ると、途中での解析結果の評価によりそのステップまで
のシミュレーションを繰り返すことによって多分割ヒー
ターの効果等を種々分析することも容易にできる。例え
ば結晶・融液部の温度分布を見ると、ヒーターパワーの
設定を変えて繰り返しシミュレーションを行うことによ
ってヒーターパワーの配分をどのように変更すると温度
分布がどのように変化するかを解析することができる。
したがって、固液界面となるべきところが1500゜(K)
となった場合ににおいてここを融点の1511゜(K)にな
るようなヒーターパワーの配分を求めることもブロック
単位で戻って繰り返し行えばよいので、無駄な時間もな
く容易に行うことができる。また、メインヒーターのパ
ワーを変えた場合、サブ上ヒーターのパワーを変えた場
合、サブ下ヒーターのパワーを変えた場合のそれぞれに
応じた温度分布の変化も比較的短い時間で解析すること
ができる。
As described above, if the analysis can be sequentially performed while dividing the results into three blocks and organically passing the results to the next block, the effect of the multi-split heater can be obtained by repeating the simulation up to that step by evaluating the analysis results in the middle. Can be easily analyzed. For example, looking at the temperature distribution in the crystal / melt part, it is possible to analyze how the distribution of heater power changes when the heater power is changed by repeatedly performing simulations with different heater power settings. it can.
Therefore, the solid-liquid interface should be 15001 (K)
In such a case, the distribution of the heater power to obtain the melting point of 1511 ゜ (K) can be obtained by repeating the process by returning the block unit, so that it can be easily performed without wasted time. In addition, when the power of the main heater is changed, when the power of the sub-upper heater is changed, and when the power of the sub-lower heater is changed, the change of the temperature distribution according to each can be analyzed in a relatively short time. .

上記の手段は、そのまま単結晶引上炉の制御にも利用
できる。この場合には、既に上記の解析により炉の最適
設計がなされた後になるので、炉内の条件、境界条件、
ヒーターパワーの条件のうち炉の形状や境界条件は固定
データとなり、結晶の引き上げ速度やルツボ及び結晶の
回転速度、ヒーターパワー等が結晶引上に伴う変数とな
る。したがって、これらの変数を結晶引き上げの育成と
共に逐次補正すればよい。
The above means can also be used for controlling the single crystal pulling furnace as it is. In this case, since the optimum design of the furnace has already been made by the above analysis, the conditions in the furnace, boundary conditions,
Among the heater power conditions, the furnace shape and boundary conditions are fixed data, and the crystal pulling speed, the rotation speed of the crucible and the crystal, the heater power, and the like are variables associated with crystal pulling. Therefore, these variables may be corrected sequentially with the growth of crystal pulling.

そこで、単結晶引上炉の制御を行うための全体の構成
としては、基本的に炉内の条件、境界条件、ヒーターパ
ワーの設定を行う条件設定部、炉内の単結晶引上の運転
状況をモニタするモニタ部、及び条件設定手段で設定さ
れた条件を制御信号としモニタ手段によるモニタを行い
ながら炉の単結晶引上制御を行う制御部を上記熱流体解
析部1、固液界面形状解析部2、熱応力解析部3に接続
すればよい。
Therefore, the overall configuration for controlling the single crystal pulling furnace is basically a condition setting section for setting the conditions in the furnace, boundary conditions, heater power, and operating conditions of the single crystal pulling furnace in the furnace. A thermo-fluid analysis unit 1, a solid-liquid interface shape analysis, wherein a monitor unit for monitoring the temperature and a control unit for controlling the single crystal pulling up of the furnace while monitoring the condition by using the condition set by the condition setting unit as a control signal. Section 2 and thermal stress analysis section 3 may be connected.

熱流体解析部1、固液界面形状解析部2、熱応力解析
部3には、それぞれの段階において評価、判断を行うた
めの基準が設定される。例えば炉内の特定位置における
温度や固液界面の位置等について基準値を設定し、熱流
体解析部1や固液界面形状解析部2における解析結果と
比較することによって評価、判断を行い、条件設定部の
条件を逐次補正する。例えばルツボの位置も結晶引き上
げ速度に対応して変えるようにする。モニタ部では、先
に述べたように例えばロードセルを用いた結晶重量の検
出、熱電対を用いた各点の温度検出、モータに取り付け
たエンコーダやモータ駆動電流によるルツボ及び結晶の
回転速度検出等を行う。そして、制御部では、条件設定
部において設定された条件を満足するようにモニタ部に
おける検出データをフィードバックしてヒーターパワー
の制御やルツボ及び結晶の回転制御を行う。このような
制御系を構成することによって、熱流体解析部1、固液
界面形状解析部2、熱応力解析部3により解析された高
品質の結晶を効率よく作成することができる。なお、モ
ニタ部の検出データを各解析部にもフィードバックし、
解析結果の評価、判断の基礎データとして用いるように
してもよいことは勿論である。
In the thermal fluid analysis unit 1, the solid-liquid interface shape analysis unit 2, and the thermal stress analysis unit 3, criteria for performing evaluation and judgment at each stage are set. For example, a reference value is set for the temperature at a specific position in the furnace, the position of the solid-liquid interface, and the like, and the evaluation and judgment are performed by comparing the analysis results with the thermo-fluid analysis unit 1 and the solid-liquid interface shape analysis unit 2 to determine a condition. The conditions of the setting unit are sequentially corrected. For example, the position of the crucible is changed according to the crystal pulling speed. As described above, for example, the monitor unit detects the weight of a crystal using a load cell, detects the temperature of each point using a thermocouple, detects the rotation speed of a crucible and a crystal using an encoder attached to a motor and a motor drive current, and the like. Do. The control section feeds back the detection data in the monitor section so as to satisfy the conditions set in the condition setting section, and controls the heater power and the rotation of the crucible and the crystal. By configuring such a control system, a high-quality crystal analyzed by the thermal fluid analysis unit 1, the solid-liquid interface shape analysis unit 2, and the thermal stress analysis unit 3 can be efficiently created. In addition, the detection data of the monitor section is also fed back to each analysis section,
Of course, the analysis result may be used as basic data for evaluation and judgment.

なお、本発明は、熱流体解析、固液界面形状解析、熱
応力解析をそれぞれ独立した解析の単位とし、これらを
従属接続したところに特徴を有するものであり、各解析
の手段は例として示したものである。したがって、本発
明は、上記の実施例に限定されるものではなく、種々の
変形が可能である。例えば上記の実施例では、熱流体解
析、固液界面形状解析、熱応力解析のそれぞれの結果を
評価してシミュレーション条件の変更を加え、炉内熱環
境の最適条件を設定するようにしたが、この評価のため
に、各解析部にそれぞれ評価及びシミュレーション条件
変更のパラメータを設定し、或いは学習機能を付加する
ことにより自動的にシミュレーション条件の設定入力変
更を行うようにフィードバックするように構成してもよ
い。また、単結晶引上炉の制御系に組み込むようにして
もよい。
In addition, the present invention is characterized in that the thermofluid analysis, the solid-liquid interface shape analysis, and the thermal stress analysis are independent analysis units, and these are connected in a cascade manner. It is a thing. Therefore, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, in the above embodiment, the results of the thermal fluid analysis, the solid-liquid interface shape analysis, and the evaluation of the thermal stress analysis were evaluated, simulation conditions were changed, and optimal conditions for the furnace thermal environment were set. For this evaluation, it is configured to set the parameters of the evaluation and the simulation condition change in each analysis unit, or to add a learning function to automatically perform the feedback so as to automatically change the setting input of the simulation condition. Is also good. Further, it may be incorporated in a control system of a single crystal pulling furnace.

ヒーターの温度、炉内の圧力は、常時モニタしている
ので、このデータ及び先に述べたロードセルによる結晶
重量の検出データを本システムに入力し、ヒーターの温
度制御にフィードバックするように構成してもよい。こ
の場合、固液界面形状の変化は、育成される結晶の径に
影響を与える。すなわち、固液界面形状が下に凸になっ
ている場合には浮力が大きくなるので、ロードセルで検
出される結晶重量は、見掛け上で軽くなる。そこで、結
晶重量の変化から固液界面形状を求め、結晶の径を計算
してヒーターの温度の制御にフィードバックすることに
より、径の補正を行うようにしてもよい。
Since the temperature of the heater and the pressure in the furnace are constantly monitored, this data and the detection data of the crystal weight by the load cell described above are inputted to the present system and fed back to the temperature control of the heater. Is also good. In this case, the change in the shape of the solid-liquid interface affects the diameter of the grown crystal. That is, when the solid-liquid interface shape is convex downward, the buoyancy is increased, and the crystal weight detected by the load cell is apparently light. Therefore, the diameter of the solid-liquid interface may be determined from the change in the weight of the crystal, and the diameter of the crystal may be calculated and fed back to the control of the temperature of the heater to correct the diameter.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、そ
れぞれの解析を各要素単独で行うのでなくブロック分け
して各ブロック段階で評価をしながら解析結果を引き継
いで次のブロックの解析を行うように構成したので、そ
れぞれのブロック評価により効率よく且つ高精度に単結
晶引上炉の最適条件解析を行うことができる。また、従
来では困難であった多分割ヒーターを活用し、望ましい
熱環境を推定することも容易に行えるようになった。こ
のことにより、GaAs単結晶の高生産、高品質という相反
する目的の最適化、ルツボ形状の変更(スケールアッ
プ)、ヒーター形状の変更を容易に行うことができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, instead of performing each analysis individually, each block is divided and evaluated at each block stage, and the analysis result is taken over and the next block is analyzed. With such a configuration, the optimum condition analysis of the single crystal pulling furnace can be efficiently and accurately performed by the respective block evaluations. In addition, it has become possible to easily estimate a desired thermal environment by using a multi-segment heater which has been difficult in the past. This makes it possible to easily optimize the conflicting objectives of high production and high quality of the GaAs single crystal, change the crucible shape (scale up), and change the heater shape.

また、熱流体解析、固液界面形状解析、熱応力解析を
連結して1本にすると、装置としても大型になり、処理
にも時間がかかるため、解析の柔軟性にもかける。しか
し、本発明のように3つに分割すると、それぞれの手段
もコンパクトに構成でき、また、それぞれの処理段階で
評価を行い、その結果に基づいて解析の修正、変更を迅
速に行うことができるので、無駄なく柔軟性の高い解析
を行うことができ、単結晶引上炉の制御系にも直接使用
することができる。
In addition, when the thermal fluid analysis, the solid-liquid interface shape analysis, and the thermal stress analysis are connected to form a single unit, the apparatus becomes large in size and the processing takes time, so that the analysis flexibility is also increased. However, when divided into three as in the present invention, each means can be configured compactly, and evaluation can be performed at each processing stage, and analysis can be corrected and changed quickly based on the results. Therefore, highly flexible analysis can be performed without waste, and it can be directly used for a control system of a single crystal pulling furnace.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明に係る単結晶引上炉の最適条件解析方式
の1実施例を説明するための図、第2図は検討モデルの
例を示す図、第3図はメッシュ分割例を示す図、第4図
は炉内ガスフローの例を示す図、第5図は炉内温度分布
の例を示す図、第6図はルツボ位置と結晶・融液部中心
軸の温度相関の例を示す図、第7図は結晶・融液部の温
度分布と固液界面形状の例を示す図、第8図は結晶断面
における剪断応力分布の例を示す図、第9図はLEC法の
単結晶引き上げ装置の概要を示す図である。 1……熱流体解析部、2……固液界面形状解析部、3…
…熱応力解析部、4……データ入力部。
FIG. 1 is a view for explaining one embodiment of an optimum condition analysis method for a single crystal pulling furnace according to the present invention, FIG. 2 is a view showing an example of a study model, and FIG. 3 is an example of mesh division. Fig. 4, Fig. 4 shows an example of the furnace gas flow, Fig. 5 shows an example of the furnace temperature distribution, and Fig. 6 shows an example of the temperature correlation between the crucible position and the crystal / melt central axis. FIG. 7 is a diagram showing an example of the temperature distribution of the crystal / melt portion and the shape of the solid-liquid interface, FIG. 8 is a diagram showing an example of the shear stress distribution in the cross section of the crystal, and FIG. It is a figure which shows the outline of a crystal pulling apparatus. 1 ... thermal fluid analysis part 2 ... solid-liquid interface shape analysis part 3 ...
... thermal stress analysis section, 4 ... data input section.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 矢島 文和 茨城県牛久市東猯穴町1000番地 三菱モ ンサント化成株式会社筑波工場内 (56)参考文献 特開 昭62−101037(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00 H01L 21/00 - 23/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Fumikazu Yajima 1000 Higashi-Anana-cho, Ushiku-shi, Ibaraki Mitsubishi Tsunami Corporation (56) References 58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) C30B 1/00-35/00 H01L 21/00-23/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ルツボに原料を入れ高圧ガスの雰囲気下で
ヒーターにより前記原料を融点前後の高温に加熱して単
結晶を引上げ育成する単結晶引上炉の最適条件解析方式
であって、 炉内の形状、境界条件、ヒーターパワー等の設定を基に
ガスフローと輻射を考慮して炉内の温度分布を求める熱
流体解析手段と、 前記炉内の温度分布を境界条件として結晶・融液部の熱
解析を行い前記結晶・融液部における固液界面形状を求
める固液界面形状解析手段と、 前記固液界面形状との結晶部の温度分布から結晶部にお
ける熱応力を求める熱応力解析手段と を備え、前記熱流体解析手段より前記炉内の温度分布を
前記固液界面形状解析手段に引き継ぎ、前記固液界面形
状解析手段により前記固液界面形状と結晶部の温度分布
を前記熱応力解析手段に引き継ぐようにしたことを特徴
とする単結晶引上炉の最適条件解析方式。
1. An optimal condition analysis method for a single crystal pulling furnace in which a raw material is put into a crucible and heated by a heater under a high-pressure gas atmosphere to a high temperature near its melting point to pull up and grow a single crystal. Thermo-fluid analysis means for determining the temperature distribution in the furnace in consideration of gas flow and radiation based on the settings of the internal shape, boundary conditions, heater power, etc., and crystal / melt using the temperature distribution in the furnace as boundary conditions Solid-liquid interface shape analysis means for performing a thermal analysis of the crystal part and the solid-liquid interface shape in the crystal / melt part, and a thermal stress analysis for obtaining the thermal stress in the crystal part from the temperature distribution of the crystal part with the solid-liquid interface shape Means for transferring the temperature distribution in the furnace from the thermal fluid analysis means to the solid-liquid interface shape analysis means, and the solid-liquid interface shape analysis means converts the solid-liquid interface shape and the temperature distribution of the crystal part to the heat distribution. Pull to stress analysis means An optimal condition analysis method for a single crystal pulling furnace characterized by being connected.
【請求項2】ルツボに原料を入れ高圧ガスの雰囲気下で
ヒーターにより前記原料を融点前後の高温に加熱して単
結晶を引上げ育成する単結晶引上炉の制御方式であっ
て、炉内の形状、境界条件、ヒーターパワー等の設定を
行う設定手段と、 前記設定手段で設定された炉内の形状、境界条件、ヒー
ターパワーを基にガスフローと輻射を考慮して炉内の温
度分布を求める熱流体解析手段と、 前記炉内の温度分布を境界条件として結晶・融液部の熱
解析を行い前記結晶・融液部における固液界面形状を求
める固液界面形状解析手段と、 前記固液界面形状と結晶部の温度分布から結晶部におけ
る熱応力を求める熱応力解析手段と、 炉内の単結晶引上の運転状況をモニタするモニタ手段
と、 前記設定手段で設定された条件を制御信号とし前記モニ
タ手段によるモニタを行いながら炉の単結晶引上制御を
行う制御手段と を備え、前記熱流体解析手段により前記炉内の温度分布
を前記固液界面形状解析手段に引き継ぎ、前記固液界面
形状解析手段より前記固液界面形状と結晶部の温度分布
を前記熱応力解析手段に引き継ぐようにし、前記熱流体
解析手段と前記固液界面形状解析手段と前記熱応力解析
手段における解析結果の評価により前記設定手段の設定
条件を逐次補正するように構成したことを特徴とする単
結晶引上炉の制御方式。
2. A method for controlling a single crystal pulling furnace in which a raw material is put into a crucible and heated in a high-pressure gas atmosphere with a heater to a high temperature around its melting point to pull up and grow a single crystal. Setting means for setting the shape, boundary conditions, heater power, etc., and the temperature distribution in the furnace in consideration of gas flow and radiation based on the shape, boundary conditions, heater power in the furnace set by the setting means. A thermal-fluid analysis means for obtaining; a solid-liquid interface shape analysis means for performing a thermal analysis of a crystal / melt portion with the temperature distribution in the furnace as a boundary condition to obtain a solid-liquid interface shape in the crystal / melt portion; Thermal stress analysis means for determining the thermal stress in the crystal part from the liquid interface shape and the temperature distribution of the crystal part; monitor means for monitoring the operating condition of pulling the single crystal in the furnace; and controlling the conditions set by the setting means Monitor as a signal Control means for controlling the pulling of the single crystal of the furnace while monitoring by means of a step, wherein the thermal fluid analysis means takes over the temperature distribution in the furnace to the solid-liquid interface shape analysis means, and the solid-liquid interface shape analysis Means to carry over the solid-liquid interface shape and the temperature distribution of the crystal part to the thermal stress analysis means, and evaluate the analysis results in the thermal fluid analysis means, the solid-liquid interface shape analysis means, and the thermal stress analysis means. A method for controlling a single crystal pulling furnace, wherein a setting condition of a setting means is sequentially corrected.
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