JPH03252390A - Condition setting method for analyzing heat fluid in furnace - Google Patents

Condition setting method for analyzing heat fluid in furnace

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JPH03252390A
JPH03252390A JP5133790A JP5133790A JPH03252390A JP H03252390 A JPH03252390 A JP H03252390A JP 5133790 A JP5133790 A JP 5133790A JP 5133790 A JP5133790 A JP 5133790A JP H03252390 A JPH03252390 A JP H03252390A
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英夫 岡田
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Fumio Orito
文夫 折戸
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Abstract

PURPOSE:To simply set an analyzing condition and to improve accuracy by carrying out simulation using gas inflow temperature, speed, etc., in a furnace as boundary conditions and an analyzed mesh shape, pressure, etc., in the furnace as initial values and obtaining optimum conditions. CONSTITUTION:Gas inflow temperature and speed in a furnace under high- pressure gas, temperature of external wall, etc., are used as boundary conditions. An analyzed mesh shape, pressure in the furnace, heater power, etc., are set as initial values and simulation is carried out to obtain optimum conditions. In the operation, pressure in the furnace is changed and heater monitor temperature is fixed by the simulation to obtain correlation between heater power and gas inlet flow velocity. Simulation is done by changing the gas inlet flow velocity corresponding to the heater power and pressure in the furnace.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発閂は、高圧ガス雰囲気下でヒーターにより加熱する
炉内のガス流入温度、速度、外壁の温度等を境界条件と
し、解析メツシュ形状、炉内の圧力その他の物性値、ヒ
ーターパワー等を初期値として設定してシミュレーショ
ンを行い最適操業条件を求める炉内熱流体解析の解析条
件設定方式に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] This bolt is designed to analyze the mesh shape, This article relates to a method for setting analytical conditions for in-furnace thermo-fluid analysis, which involves setting the pressure and other physical property values in the furnace, heater power, etc. as initial values and performing a simulation to find the optimal operating conditions.

〔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。
GaAs single crystals are attracting attention as substrates for high-speed ICs and optical devices, and are being actively researched.

単結晶の作成方法としては、■−■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、円形ウェ
ハの作りやすいLEC法(液体封止チョクラルスキー法
)が主流である。
The mainstream method for producing single crystals is the LEC method (liquid-filled Czochralski method), which is one of the main methods for producing bulk crystals of ■-■ group compound semiconductors and is easy to produce large-diameter, circular wafers. be.

■−■族化合物半導体のバルク結晶成長は、■−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、より低転位の結晶を育成するため
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。単結晶引き上げ炉では
、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。
Bulk crystal growth of the ■-■ group compound semiconductor is performed under a complex thermal environment at high temperature and high pressure due to the properties of the ■-V group. In crystal growth, in order to grow crystals with lower dislocations, the thermal environment must be moderated to reduce thermal stress, and in order to further increase productivity, the temperature gradient must be increased to strengthen directional solidification. I have a request. Single crystal pulling furnaces use heat insulators and multi-stage heaters, making control extremely complex and difficult.

第10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−32はグラファ
イト、33はサブ上ヒータ−,34はメインヒーター、
35はサブ下ヒータ−,36はルツボ、37は結晶部、
38は融液部、39はB、O,,40は断熱フェルトを
示す。
FIG. 10 is a diagram showing an outline of the configuration of a single crystal pulling apparatus for the LEC method, in which 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 a crystal part,
38 is a melt part, 39 is B, O, and 40 is a heat insulating felt.

単結晶引き上げ炉内は、例えば不揮発性のAr(アルゴ
ン)ガスの高圧(10数気圧)雰囲気下におかれ、ヒー
ター(33〜35)によりルツボ内がGaAsの融点1
511° (K)以上になるように加熱される。そして
、引き上げ育成中の結晶形状を種々の計測値より算出し
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。この場合において
、引き上げ育成中の結晶形状の算出は、ロードセルを用
いて結晶重量を検出し、B20339による浮力、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。
The inside of the single crystal pulling furnace is placed under a high pressure (10-odd atmospheres) atmosphere of non-volatile Ar (argon) gas, for example, and the inside of the crucible is heated to a melting point of GaAs of 1 by heaters (33 to 35).
It is heated to 511° (K) or higher. Then, the heater power, pulling speed, rotational speed of the crucible 36 and the crystal 37, etc. are controlled while calculating the shape of the crystal being pulled and grown from various measured values. In this case, calculation of the crystal shape during pulling 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 due to B20339 and the surface tension of the melt.

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、複雑な炉
内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 inside the furnace. In order to achieve high-quality crystal growth and high productivity, it is essential to understand the thermal environment. However, as mentioned above, the inside of the furnace is filled with a high-temperature, high-pressure atmosphere and has a complicated internal structure, so it is not possible to directly observe the entire inside of the furnace during crystal growth. Therefore, computer simulation is an essential technique to achieve a desirable 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/融液を達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 the furnace, temperature distribution in the crystal, thermal convection in the melt,
Analysis of the solid-liquid interface shape and intracrystalline thermal stress analysis, which achieved the crystal/melt structure, have been carried out vigorously, and results have been achieved.

〔発明が解決しようとする課題二 しかし、上記種々の数値解析や計算機シミュレーション
による解析は、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いため、炉の操業条件
とは直接的につながっていなかった。したがって、それ
ぞれの解析結果から炉内熱環境を最適条件にするたt設
定をどのように変えたらよいのか、定量的な取り扱いが
判り難く、また、シミュレーション結果と実機との対応
が困難であるという問題がある。
[Problem to be solved by the invention 2 However, the above-mentioned various numerical analyzes and computer simulations are analyzes of each element alone, and do not involve relationships among the elements. It was not directly related to the conditions. Therefore, it is difficult to quantitatively understand how to change the t setting to optimize the thermal environment inside the reactor based on each analysis result, and it is also difficult to correlate the simulation results with the actual machine. There's a problem.

特に、単結晶の長尺化を実現するためには、多ゾーンヒ
ーターによる成長中の固液界面形状の制御技術の確立が
必要であり、この検討を効率よく行うたtには、単結晶
引き上げ炉内の熱移動の的確な把握が必要である。さら
に、結晶引き上げ実験には、多くの時間と労力を要する
ので、計算機シミュレーションが有効であるが、このシ
ミュレーションの精度を高めるためにも、単結晶引き上
げ炉内の熱移動の的確な把握が必要、不可欠である。
In particular, in order to increase the length of single crystals, it is necessary to establish a technology to control the shape of the solid-liquid interface during growth using a multi-zone heater. Accurate understanding of heat transfer within the furnace is necessary. Furthermore, since crystal pulling experiments require a lot of time and effort, computer simulations are effective, but in order to improve the accuracy of these simulations, it is necessary to accurately understand the heat transfer inside the single crystal pulling furnace. It is essential.

また、生産性を向上させるためには、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り、大口径
ウェ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。しかも、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、結晶成長の可否も不明となる。特に、炉内では、先
に述べたように不揮発性ガス例えばAr(アルゴン)ガ
スの高圧(10数気圧)雰囲気下におかれるため、チャ
ンバー内の熱流をモデル化する上で最も重要なことは、
熱収支がとれた定量的な取り扱いをすることであり、L
EC法では、特有な高圧のAr流の取り扱いが重要であ
る。
In addition, in order to improve productivity, it is necessary to increase the size of the crucible in which a large amount of charging, ie, raw materials, is placed, and in order to meet the demand for large diameter wafers, it is also necessary to increase the size of the crucible. However, normally, the size of the entire furnace is fixed, and it is not possible to replace or transform the furnace due to various restrictions. Moreover, the heater that controls the temperature inside the furnace is
Because it is placed outside the crucible, if the crucible is made larger, the insulation part becomes thinner, which poses a safety problem for the furnace, and it becomes unclear whether crystal growth is possible. In particular, as mentioned above, the furnace is under a high-pressure (over 10 atmospheres) atmosphere of non-volatile gas, such as Ar (argon) gas, so the most important thing in modeling the heat flow inside the chamber is ,
It is a quantitative treatment with a heat balance, and L
In the EC method, handling of the unique high-pressure Ar flow is important.

不揮発性のArガスの高圧雰囲気下におかれた炉内の熱
バランスモデルについて簡単に説明する。
A heat balance model in a furnace placed in a high-pressure atmosphere of non-volatile Ar gas will be briefly explained.

第11図は炉内の熱バランスモデルを示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a heat balance model within the furnace.

第11図に示す熱バランスモデルは、単結晶弓き上げ炉
において代表温度の位置として第10図に示すように■
〜■の点を指定し、これらの点■〜[相]で熱収支をと
るためのモデル化を行ったものである。このモデルにお
いて、対流方向は、ガス3−ガス4→サブ上の上方−保
温筒上内・外の上方−保温筒外側と外壁との間→保温筒
上内・外の下方を通ってガス1−ガス2→ガス3に戻る
方向であることを示している。そして、各点0〜0間で
熱伝達(−)、熱輻射()、対流熱 伝達()がある。例えばルツボ底の位置■の点(Tc、
)では、メインヒーター(TX)との間で熱輻射(R)
、ペデスタル(T、d)との間で熱伝達(C,) 、ガ
ス2 (T、2)及びガス3 (T93)との間でそれ
ぞれ対流熱伝達(Cv)があって熱収支がとれているこ
とを示している。このようにAr流により熱量が移動し
、指定した複数の点(代表温度の位置)0〜0間で熱伝
達と熱輻射と対流熱伝達による熱収支があり、全体の熱
バランスモデルが形成される。このような熱バランスモ
デルにより熱流体解析を行い、単結晶引き上げ炉の最適
操業条件を見出すには、厖大な処理を繰り返し行わなけ
ればならないたt1有限要素法等によるコンピニータシ
ミュレーションを行う。
The heat balance model shown in Fig. 11 is based on
Points ~■ are specified, and modeling is performed to calculate the heat balance at these points ■~ [phase]. In this model, the convection direction is gas 3 - gas 4 → upper part of the sub - upper part of the upper inside and outside of the insulation cylinder - between the outside of the insulation cylinder and the outer wall → lower part of the upper inside and outside of the insulation cylinder, and gas 1 - This indicates that the direction is from gas 2 to return to gas 3. There is heat transfer (-), thermal radiation (), and convection heat transfer () between each point 0 and 0. For example, point ■ at the bottom of the crucible (Tc,
), heat radiation (R) is generated between the main heater (TX) and the main heater (TX).
, there is heat transfer (C,) between the gas 2 (T, d) and the pedestal (T, d), and convection heat transfer (Cv) between the gas 2 (T, 2) and the gas 3 (T93), and the heat balance is maintained. It shows that there is. In this way, the amount of heat is transferred by the Ar flow, and there is a heat balance between 0 and 0 at multiple specified points (representative temperature positions) through heat transfer, heat radiation, and convection heat transfer, forming an overall heat balance model. Ru. In order to perform thermo-fluid analysis using such a heat balance model and to find the optimal operating conditions for a single crystal pulling furnace, a comparator simulation using the t1 finite element method, etc., which requires a huge amount of repeated processing, is performed.

従来は、例えば結晶部と融液部における熱流体解析を行
う場合には簡便的に熱伝達と対流熱伝達による解析を行
い、また、炉内の熱流体解析を行う場合には熱伝達と熱
輻射による解析を行っている。しかも、これらを連成し
た解析は、行われず、十分な精度が得られていない。さ
らに、従来の計算機シミュレーションによる熱流体解析
では、初期値としてヒーターの温度分布を設定している
が、ヒーターの温度分布は、様々な炉内の条件によって
変わるた約正確に設定することは難しく、熱流体解析の
精度が悪い。すなわち、実機の操業条件との対応を定量
的に論することができない。
Conventionally, for example, when performing thermo-fluid analysis in the crystal and melt parts, analysis was performed using heat transfer and convective heat transfer, and when performing thermo-fluid analysis inside the furnace, heat transfer and heat transfer were used. We are conducting an analysis using radiation. Moreover, a coupled analysis of these has not been performed, and sufficient accuracy has not been obtained. Furthermore, in conventional thermal fluid analysis using computer simulation, the temperature distribution of the heater is set as an initial value, but the temperature distribution of the heater changes depending on various conditions inside the furnace, so it is difficult to set it accurately. The accuracy of thermal fluid analysis is poor. In other words, it is not possible to quantitatively discuss the correspondence with the operating conditions of the actual machine.

実際にルツボの大型化を実現しようとすると、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炉内
構造を作成し、結晶引き上げの実験を繰り返し行うが、
精度が十分でないため、実験の繰り返し回数も多くなり
、時間と費用の損失が大きかった。
In order to actually increase the size of the crucible, we first perform the analysis described above to create a furnace structure that is compatible with the increased size of the crucible, and then repeat crystal pulling experiments.
Because the accuracy was not sufficient, experiments had to be repeated many times, resulting in a large loss of time and money.

本発明は、上記の課題を解決するものであって、計算機
シミュレーションにおける解析条件の設定が簡便に行え
、解析精度を上げることができる炉内熱流体解析の解析
条件設定方式を提供することを目的とするものである。
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and aims to provide an analysis condition setting method for in-reactor thermal fluid analysis that can easily set analysis conditions in computer simulation and improve analysis accuracy. That is.

〔課題を解決するた約の手段〕[A means of promise to solve problems]

そのために本発明は、高圧ガス雰囲気下でヒーターによ
り加熱する炉内のガス流入温度、速度、外壁の温度等を
境界条件とし、解析メツシュ形状、炉内の圧力その他の
物性値、ヒーターパワー等を初期値として設定してシミ
ュレーションを行い最適操業条件を求める炉内熱流体解
析の解析条件設定方式であって、模擬実験により炉内の
圧力を変えてヒーターモニター温度を一定にするヒータ
ーパワーとガス入口流速との関係を求め、初期値として
設定するヒーターパワー、炉内の圧力に対応してガス入
口流速を変えてシミュレーションを行うようにしたこと
を特徴とし、炉内の圧力を真空から操業時の圧力に変え
た時のヒーターパワーの差、及びガス入口温度とガス出
口温度との差からヒーターパワーとガス入口流速との関
係を求杓ることを特徴とする。さらには、炉内の温度分
布を求める熱流体解析、炉内の温度分布から結晶・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、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に分けて単結晶引上炉のシミュ
レーションを行うことを特徴とする。
To this end, the present invention uses the boundary conditions such as the gas inflow temperature, velocity, and temperature of the outer wall of the furnace heated by a heater in a high-pressure gas atmosphere, and the analysis mesh shape, pressure and other physical property values in the furnace, heater power, etc. This is an analysis condition setting method for in-furnace thermo-fluid analysis that sets initial values and performs simulation to determine optimal operating conditions.Heater power and gas inlet are used to maintain a constant heater monitor temperature by changing the pressure in the furnace through simulation experiments. The feature is that the simulation is performed by determining the relationship between the flow rate and the heater power set as an initial value, and by changing the gas inlet flow rate in accordance with the pressure in the furnace. It is characterized by determining the relationship between heater power and gas inlet flow rate from the difference in heater power when changing the pressure and the difference between gas inlet temperature and gas outlet temperature. In addition, we conduct thermal fluid analysis to determine the temperature distribution in the furnace, thermal analysis of the crystal/melt part from the temperature distribution in the furnace to determine the solid-liquid interface shape, and solid-liquid interface shape analysis to determine the shape of the solid-liquid interface and the crystal part. It is characterized by performing a simulation of a single crystal pulling furnace by separating it into a thermal stress analysis that determines the thermal stress within the crystal part from the temperature distribution.

〔作用〕[Effect]

本発明の炉内熱流体解析の解析条件設定方式では、模擬
実験により炉内の圧力を変えてヒーターモニター温度を
一定にするヒーターパワーとガス入口流速との関係を求
め、初期値として設定するヒーターパワー、炉内の圧力
に対応してガス入口流速を変えてシミュレーションを行
うので、ガス入口流速から炉内の対流を解き対流と輻射
を達成させてヒーターパワーから炉内の温度分布を解く
ことができ、ヒーターの温度分布を与える従来の方式よ
り高い精度で温度分布を解くことができる。
In the analysis condition setting method for in-furnace thermal fluid analysis of the present invention, the relationship between the heater power and the gas inlet flow velocity is determined by changing the pressure in the furnace to keep the heater monitor temperature constant through a simulation experiment, and the heater is set as an initial value. Since the simulation is performed by changing the gas inlet flow velocity according to the power and pressure in the furnace, it is possible to solve the convection in the furnace from the gas inlet flow velocity, achieve convection and radiation, and solve the temperature distribution in the furnace from the heater power. It is possible to solve the temperature distribution with higher accuracy than the conventional method that gives the temperature distribution of the heater.

しかも、単結晶引上炉の最適操業条件を求めるのにシミ
ュレーションを熱流体解析、固液界面形状解析、熱応力
解析に3分割することにより中間での収束判定を行うこ
とができ、従来の方式に比べて遥かに効率的な解析を行
うことができる。新規に炉内構造を設計する際には、ガ
ス入口流速をパラメータとして解析して実機と対応がと
れた炉内構造との比較検討を行うことができる。
Moreover, by dividing the simulation into three parts, thermal fluid analysis, solid-liquid interface shape analysis, and thermal stress analysis, in order to find the optimal operating conditions for a single crystal pulling furnace, it is possible to make a convergence judgment in the middle, compared to the conventional method. It is possible to perform much more efficient analysis than . When designing a new furnace internal structure, it is possible to analyze the gas inlet flow velocity as a parameter and compare it with the actual furnace internal structure.

〔実施例〕〔Example〕

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

第1図は本発明に係る炉内熱流体解析の解析条件設定方
式の1実施例を説胡するた約の図である。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating one embodiment of an analysis condition setting method for in-furnace thermal fluid analysis according to the present invention.

まず、チャンバー内の熱収支に及ぼすAr流の影響につ
いて考える。真空中におけるマクロな熱収支は、ホット
ゾーン外表面からのりフレフタ−チャンバー表面への輻
射による熱伝達で考えることができる。しかし、Arを
高圧にしてヒーターでチャンバー内を加熱すると、第1
1図の対流方向で示すように浮力を受けたArガスは、
上昇流となってホットゾーン上部より流出し、水冷リフ
レクタ−チャンバー上部において熱交換し、さらにチャ
ンバー側壁とホットゾーン外壁の間を下降することで熱
損失が生じる。つまり、炉内をArの高圧雰囲気下にす
ることで、対流熱伝達による損失が加わる。したがって
、炉内を真空からArの高圧雰囲気にすると、例えばメ
インヒーターの成るモニター点の温度を一定とするため
には対流熱伝達による損失分だけメインヒーターの電力
を増加させることが必要になる。つまり、電力の増加分
と炉内の圧力、対流熱伝達が密接に関係し熱バランスを
保っている。このことから、計算機シミュレーション解
析では、ガス入口の温度と流速、ヒーターパワー、外壁
の温度を与え、ガス入口の流速から対流を解き、熱輻射
と連成させることによって、ガス入口からガス出口まで
のモデルで温度分布を求めることができる。
First, consider the influence of the Ar flow on the heat balance within the chamber. The macroscopic heat balance in a vacuum can be considered as heat transfer by radiation from the outer surface of the hot zone to the surface of the glue flefter chamber. However, if the inside of the chamber is heated with a heater using Ar at high pressure, the first
As shown in the convection direction in Figure 1, the Ar gas receives buoyancy,
The heat flows upward and flows out from the upper part of the hot zone, exchanges heat at the upper part of the water-cooled reflector chamber, and then descends between the side wall of the chamber and the outer wall of the hot zone, causing heat loss. In other words, by placing the inside of the furnace in a high-pressure Ar atmosphere, loss due to convective heat transfer is added. Therefore, when the inside of the furnace is changed from a vacuum to a high-pressure Ar atmosphere, for example, in order to keep the temperature constant at the monitoring point where the main heater is located, it is necessary to increase the power of the main heater by the amount of loss due to convective heat transfer. In other words, the increase in power, the pressure inside the furnace, and convective heat transfer are closely related to maintain a thermal balance. For this reason, in computer simulation analysis, we give the gas inlet temperature and flow velocity, heater power, and outer wall temperature, solve the convection from the gas inlet flow velocity, and couple it with thermal radiation. Temperature distribution can be determined using the model.

周知のように流体による対流熱伝達の式を用いると、断
面積5(cut)を流速v (Cm / 5ac)で移
動する16気圧のArガス<p=6.12xlO−’g
/cIIl、 C,=0. 52 J/gK)により運
ばれる熱量q (W)は、ガス入口と出口との温度差Δ
T (K)が生じた場合、 q=ρC,vSΔT で表される。
As is well known, using the equation of convective heat transfer by a fluid, 16 atm Ar gas <p=6.12xlO-'g moving at a flow rate v (Cm/5ac) across a cross-sectional area 5 (cut)
/cIIl, C,=0. The amount of heat q (W) carried by 52 J/gK) is the temperature difference Δ between the gas inlet and outlet.
When T (K) occurs, it is expressed as q=ρC,vSΔT.

本発明では、上記の考察に基づき境界条件として炉内の
ガス入口の流速とガス温度、外壁の温度を、初期値とし
て有限要素法によりメツシュ分割し、メツシュの条件(
物性値等)とヒーターパワーを設定し、チャンバー内の
熱流体解析を行い、炉内の温度分布を求めるが、この場
合に、ヒーターパワー(対流熱伝達による損失分相当の
熱量q)に連動してガス入口の流速Vを求め、熱流体解
析の境界条件と初期値を設定する。そのだ杓に第1図に
示すような模擬実験を行う。
In the present invention, based on the above consideration, the boundary conditions are the flow rate and gas temperature at the gas inlet in the furnace, and the temperature at the outer wall, which are divided into meshes using the finite element method as initial values, and the mesh conditions (
The thermal fluid analysis inside the chamber is performed to determine the temperature distribution inside the furnace. to find the flow velocity V at the gas inlet, and set the boundary conditions and initial values for the thermal fluid analysis. Then, we conducted a mock experiment as shown in Figure 1.

この模擬実験では、後述するように有限要素法により炉
内をメツシュ分割して熱流体解析を行う前に、それに対
応して炉内の圧力とヒーターモニター温度等の条件を設
定する。この条件設定後、まず初めは炉内を真空にして
、ヒーターモニター温度が設定値になるようにヒーター
パワーを調整する。次に、炉内の圧力を熱流体解析しよ
うとする状態に設定し、同様にヒーターモニター温度が
設定値になるようにヒーターパワーを調整し、そのとき
のガス入口の温度とガス出口の温度を測定する。これら
の実験データから炉内を成る圧力にした時のガス入口の
温度とガス出口の温度との差ΔT1炉内を真空にした時
のヒーターパワー0゜と炉内を成る圧力にした時のヒー
ターパワーQ、1との差Q”Qp+  Qvを求め、上
記式よりガス入口流速v (am/5ec)を求める。
In this simulation experiment, as will be described later, before mesh-dividing the inside of the furnace and conducting thermal fluid analysis using the finite element method, conditions such as the pressure inside the furnace and the heater monitor temperature are set accordingly. After setting these conditions, first create a vacuum inside the furnace and adjust the heater power so that the heater monitor temperature reaches the set value. Next, set the pressure in the furnace to the state in which you are going to perform thermal fluid analysis, adjust the heater power so that the heater monitor temperature reaches the set value, and check the gas inlet temperature and gas outlet temperature at that time. Measure. From these experimental data, the difference between the temperature at the gas inlet and the temperature at the gas outlet when the pressure inside the furnace is set to the same value is ΔT1. The difference Q"Qp+Qv from the power Q, 1 is determined, and the gas inlet flow velocity v (am/5ec) is determined from the above equation.

さらに、炉内の圧力やヒーターモニター温度を変えて、
同様に実験データを取得し、それぞれの設定値に対応し
た流速Vを求めるようにしてもよい。
Furthermore, by changing the pressure inside the furnace and the heater monitor temperature,
Similarly, experimental data may be acquired and the flow velocity V corresponding to each set value may be determined.

本発明者等が第10図及び第11図に示すチャンバー内
の熱収支に及ぼすAr流の影響を調べたところ、メイン
ヒーターモニター温度を1285℃とする条件で、圧力
を一14psiと233psiに対して以下のような結
果を得た。
When the present inventors investigated the effect of Ar flow on the heat balance in the chamber shown in Figs. 10 and 11, they found that under the condition that the main heater monitor temperature was 1285°C, the pressure was -14 psi and 233 psi. The following results were obtained.

なお、サブ上ヒータ−、サブ下ヒーター電力を01断面
積5=104crl、p=6.12xlO−3g/cm
!、C,=0.52 J/gKとした。これより、Q=
5000W、ΔT=500℃、v=30cm/SeCが
求められる。
In addition, the sub-upper heater and sub-lower heater power are 01 cross-sectional area 5 = 104crl, p = 6.12xlO-3g/cm
! , C, = 0.52 J/gK. From this, Q=
5000W, ΔT=500°C, and v=30cm/SeC are required.

このようにしてガス入口流速が決まれば、それに基づい
て炉内の対流を解き各点の流速を決めることができる。
Once the gas inlet flow velocity is determined in this way, the convection within the furnace can be solved based on it and the flow velocity at each point can be determined.

したがって、発熱源のヒーターパワーとガス入口流速か
ら温度分布を求めるので、従来境界条件として設定して
いたヒーターの温度分布も含めて炉内の温度分布を求め
ることができる。
Therefore, since the temperature distribution is determined from the heater power of the heat generating source and the gas inlet flow rate, it is possible to determine the temperature distribution in the furnace, including the temperature distribution of the heater, which was conventionally set as a boundary condition.

次に、本発明に係る炉内熱流体解析の初期値設定方式を
適用した単結晶引き上げ炉の最適条件解析を説明する。
Next, an analysis of optimal conditions for a single crystal pulling furnace to which the initial value setting method for in-furnace thermal fluid analysis according to the present invention is applied will be described.

これは、本出願人が既に出願(特願平1−149240
号)だ解析法を利用したものである。
This applicant has already filed an application (Patent Application No. 1-149240).
This method utilizes the analysis method (No. 1).

第2図はシステムの構成概要を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an outline of the system configuration.

第2図に示す単結晶引き上げ炉の最適条件解析方式は、
ケーススタデイとして、炉内の圧力、サブ上ヒータ−パ
ワー、サブ下ヒータ−パワー、ルツボ位置、ヒーター形
状、B2O3厚等を設定し、さらに境界条件としてホッ
トゾーン外壁の温度やガス入口流速、温度を、初期値と
してヒーターパワー、炉内の圧力、解析メツシュ形状等
の物性値をそれぞれ設定してシミ5レーシヨン解析を行
う。
The optimal condition analysis method for the single crystal pulling furnace shown in Figure 2 is as follows:
As a case study, we set the pressure inside the furnace, sub-upper heater power, sub-lower heater power, crucible position, heater shape, B2O3 thickness, etc., and also set the temperature of the hot zone outer wall, gas inlet flow rate, and temperature as boundary conditions. , physical property values such as heater power, pressure in the furnace, analysis mesh shape, etc. are set as initial values, and stain 5 ration analysis is performed.

このシミュレーション解析は、熱流体解析部l。This simulation analysis was carried out by the Thermal Fluid Analysis Department.

固液界面形状解析部2、熱応力解析部3の3ブロツクに
分けて評価するように構成したことを特徴とするもので
あり、熱流体解析部1では、ガス入口流速から対流を解
き熱輻射と達成させて炉内の温度分布を末的1固液界面
形状解析部2では、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t1熱
応力解析部3では、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
末的る。データ入力部4は、ケース設定や境界条件、ヒ
ーターパワー等の初期値データを入力するものである。
The feature is that the evaluation is divided into three blocks: a solid-liquid interface shape analysis section 2 and a thermal stress analysis section 3.The thermal fluid analysis section 1 solves convection from the gas inlet flow velocity and calculates thermal radiation. Finally, the solid-liquid interface shape analysis section 2 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 analyze the temperature distribution in the furnace.・Thermal analysis of the melt part is performed to determine the solid-liquid interface shape t1 The thermal stress analysis unit 3 calculates the thermal stress in the crystal part from the solid-liquid interface shape obtained by the solid-liquid interface shape analysis part 2 and the temperature distribution of the crystal part. In the end. The data input section 4 is used to input initial value data such as case settings, boundary conditions, and heater power.

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
ればデータ人力部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。
With such a configuration, the analysis results are evaluated step by step for each block, and if the conditions at that stage are not satisfied, the process returns to the data manual section 4 to reset and repeat the simulation. Then, by feeding back to the data input section 4 so that the optimum conditions are obtained at each stage, the optimum control conditions are finally obtained from the thermal stress analysis section 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
上げる条件を実際に結晶成長を行わずに如何に導き出す
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 configured as described above is ultimately intended to optimally design the thermal environment within the furnace, and to grow crystals with less distortion. In other words, the question is how to derive conditions for growing high-quality crystals without destroying the furnace, without actually growing the crystals. For this reason, the temperature distribution inside 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間頴かないことになる。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
必要なヒーターパワー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, it is necessary to consider whether or not the crucible shape set in a given container can be adopted, or how large the crucible can be made, and to do so, consider the shape effect of the hot zone consisting of a heater and heat insulating material, and consider multi-division. Optimize the heater placement and power ratio. In this case, if the obtained analysis result satisfies the set criteria, it means that the boundary conditions are met and there will be no temperature slowdown. For example, if the diameter of the crucible is increased by 2 inches, the thickness of the insulation material around the outer periphery will be reduced by 1 inch, so if the heater is used to heat the inside of the furnace under such a change in crucible shape, the heater power required will become abnormal. Will it never rise?
In other words, confirm the safety of the furnace and decide on the crucible position, heater length, etc.

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 are used as indicators for evaluating the conditions for pulling high-quality crystals. In order to reduce defects, it is necessary to make the temperature gradient in the crystal gentler, and the temperature distribution in the crucible becomes important as such information in the vicinity of the crystal. The temperature distribution inside the crucible is determined based on the temperature distribution inside 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 detailed.

第3図は検討モデルの例を示す図、第4図はメツシュ分
割例を示す図、第5図は炉内ガスフローの例を示す図、
第6図は炉内温度分布の例を示す図、第7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8
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9図は熱応力分布の例を示す図である。
Fig. 3 is a diagram showing an example of a study model, Fig. 4 is a diagram showing an example of mesh division, Fig. 5 is a diagram showing an example of gas flow in the furnace,
Figure 6 is a diagram showing an example of the temperature distribution inside the furnace, Figure 7 is a diagram showing an example of the temperature correlation between the crucible position and the central axis of the crystal/melt part, and Figure 8 is a diagram showing an example of the temperature distribution in the furnace.
The figure shows an example of the temperature distribution of the crystal/melt part and the shape of the solid-liquid interface, and FIG. 9 shows an example of the thermal stress distribution.

第3図において、11はAr雰囲気、12はサブ上ヒー
タ−,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−,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. 3, 11 is an Ar atmosphere, 12 is a sub-upper heater, 13 is graphite, 14 and 22 are insulating felts, 15 is a main heater, 16 is a sub-lower heater, 17
18 is a GaAs crystal, 18 is B2O3, 19 is a GaAs melt, 20 is a crucible, and 21 is a crucible support shaft.

熱流体解析では、第3図に示す検討モデルに対してを限
要素法により第4図に示すように炉内をメツシュ分割す
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。メツシ
ュには、種々の物質の物性値が定義され、メツシュによ
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。したがって、このシミュレ
ーションでは、境界条件として、外壁の温度、ガス入口
流速と温度を設定し、初期値として、境界条件とは別に
ルツボ形状(径)やヒーター長、炉内構造等の物性値に
よるメツシュの条件、ヒーターパワーを設定する。これ
らの設定により第5図に示すような炉内Arガスフロー
や第6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 thermo-fluid analysis, by using the finite element method to divide the inside of the furnace into a mesh as shown in Fig. 4 for the study model shown in Fig. 3, it is possible to take into account the arbitrary shape of the furnace. We are making it possible for you to choose. The physical property values of various substances are defined in the mesh, and simulations are performed by changing the length and position of the heater, the crucible position, and the amount of crystal growth using the mesh. Therefore, in this simulation, we set the outer wall temperature, gas inlet flow rate, and temperature as boundary conditions, and set the mesh as initial values based on physical property values such as the crucible shape (diameter), heater length, and furnace internal structure, in addition to the boundary conditions. conditions and heater power. With these settings, the Ar gas flow in the furnace as shown in FIG. 5 and the temperature distribution in the furnace according to isothermal lines 1.2, . . . as shown in FIG. 6 are determined. Based on these results, each factor will be analyzed to evaluate whether the conditions can be changed, the possibility of crystal pulling, etc. Furthermore, as mentioned above, if the given boundary conditions meet the set criteria, the boundary conditions are met and there is no problem in terms of temperature.

熱流体解析の収束判定は、例えば固液界面部が融点近傍
になることで行い、パワーを変えたとき、ガス入口流速
も模擬実験データに基づいて変えてシミュレーション解
析を繰り返し行う。ガス入口流速Vの決定は、v=f(
Tつ)により行う。
The convergence of the thermo-fluid analysis is determined, for example, when the solid-liquid interface reaches the vicinity of the melting point, and when the power is changed, the gas inlet flow velocity is also changed based on the simulation experiment data, and the simulation analysis is repeated. Determination of the gas inlet flow velocity V is as follows: v=f(
T).

炉内は、高圧(例えば10数気圧)の不活性ガス例えば
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
ると距離の4乗で効いてくる。そこで、ヒーターパワー
を変えたときは、それに連動しガス入口流速を変えて対
流を解き、対流と輻射を考慮した達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−3takes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
のようにメツシュ分割によりフラットと仮定している。
The inside of the furnace is under a high-pressure (for example, tens of atmospheres) atmosphere of inert gas, such as Ar (argon) gas, so when the inside of the furnace is heated by a heater, the gas convects and its flow becomes important. Furthermore, radiation at high temperatures becomes effective as the fourth power of the distance if the shape of the heater changes. Therefore, when the heater power is changed, the gas inlet flow velocity is changed accordingly to solve the convection, and the temperature distribution is solved by taking convection and radiation into account. In this way, thermal fluid analysis analyzes macroscopic temperature distribution, and for heat transfer under high temperature and high pressure, analysis using radiation and gas is important. Calculations can be performed by applying, for example, the thermally coupled Navier-3takes equation to the gas part, and applying a heat conduction equation that takes into account radiation between each surface to the structural member. At this time, the design and setting of the multi-stage heater,
If the crystal pulling position is not properly set, it will be difficult to pull the crystal. The solid-liquid interface between the crystal and the melt actually moves depending on the heat balance state, but at this stage it is assumed to be flat due to mesh division as shown.

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8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、結晶部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, thermal analysis of the crystal/melt part is carried out using the temperature data obtained in the thermo-fluid analysis as a boundary condition, and the solid-liquid interface shape is analyzed from the temperature distribution as shown in FIG. The solid-liquid interface shape is obtained from the temperature distribution as an isotherm of the melting point temperature, and the heater power is set to obtain the desired solid-liquid interface shape. In order to stabilize crystal growth, it is necessary that the flat solid-liquid interface shape remains constant over time, but in reality it is preferable to make the temperature gradient gentle and create a downwardly convex shape. However, if the crystal growth conditions change,
Since the way heat is transferred changes, it becomes impossible to control the raising of the crystal part in a constant manner. For example, a heat conduction equation is applied to the crystal part, and a thermo-fluid analysis that takes convection in the melt into account is applied to the melt part, thereby giving a restrictive condition that makes the solid-liquid interface the melting point. Able to solve boundary problems.

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
7図であるが、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
より低い温度に反転するような融液内温度分布になるよ
うな場合には、結晶成長が中断されるので、このような
評価についても行うことが必要となる。
Figure 7 shows an example of the temperature correlation between the crystal and melt center axes when the crucible position is changed using the results of furnace thermal analysis. Changing the position changes the temperature gradient of the crystal part and the temperature of the melt part. This shows that it is also important to set the crucible position appropriately. In particular, although unidirectional solidification is the basis, if the temperature distribution in the melt reverses to a temperature lower than the melting point in the melt below the solid-liquid interface, crystal growth will be interrupted. Therefore, it is necessary to conduct such evaluations as well.

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Oとして固液界面からの温度差
1.2、・・・・・による等混線で温度勾配や温度分布
を示したのが第8図である。
Furthermore, when the power of the sub-upper heater, main heater, and sub-lower heater is changed, the temperature gradient and temperature distribution will also change. FIG. 8 shows the temperature gradient and temperature distribution using equimixture lines due to a temperature difference of 1.2, . . . from the solid-liquid interface, with the solid-liquid interface being O.

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
、その地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。
In this way, by analyzing the shape of the solid-liquid interface, we can determine whether the temperature gradient of the crystal near the solid-liquid interface is suitable for high-quality crystal pulling from the temperature distribution of the crystal/melt part, how the state of the melt part is, and the temperature distribution of the solid-liquid interface. The optimal shape and homogeneous growth of crystals can be analyzed and evaluated.

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9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 thermal stress analysis, thermal stress analysis is performed using the temperature distribution at the solid-liquid interface shape obtained by solid-liquid interface shape analysis. On the other hand, in order to obtain high quality crystals, it is desirable that the stress be low and uniform. That is, in the end,
The goal is to create crystals with less distortion, but to do so, it is necessary to perform thermal stress analysis based on the shear heat stress distribution and thermal history, as shown in Figure 9, and it is necessary to reduce thermal stress. . In addition, in this analysis, many studies have been conducted on the relationship between thermal stress and crystal defects, so this analysis has been established as one of the evaluation methods for obtaining high-quality crystals.

以上のように3ブロツ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於ることも
ブロック単位で戻って繰り返ヮ行えばよいので、無駄な
時間もなく容易に行うことができる。さらに、ケースス
タデイとして、炉内の圧力を変えた場合、サブ上ヒータ
ーのパワーやサブ下ヒーターのパワーを変えた場合、ヒ
ーターの形状を変えた場合、ルツボ位置を変えた場合、
B、03の厚みを変えた場合等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、最適
操業条件となる最適圧力、最適パワーヒーターを効率よ
く求とることができる。なお、ヒーターの形状やルツボ
位置、B2O3の厚み等は、メツシュ形状のみを変えれ
ばよい。
As described above, if the results are divided into three blocks and can be analyzed sequentially while organically handing over the results to the next block, the effects of the multi-segment heater can be improved by repeating the simulation up to that step by evaluating the analysis results in the middle. etc. can be easily analyzed in various ways. For example, when looking at the temperature distribution in the crystal/melt part, it is possible to analyze how changing the heater power distribution changes the temperature distribution by repeatedly performing simulations while changing the heater power settings. can. Therefore, the point where the solid-liquid interface should be is 1500° (
K), this is the melting point of 1511° (
Finding the distribution of heater power to achieve K) can be done easily by going back and repeating the process block by block, without wasting any time. Furthermore, as a case study, if you change the pressure inside the furnace, if you change the power of the upper sub-heater or the power of the lower sub-heater, if you change the shape of the heater, or if you change the crucible position,
Changes in temperature distribution depending on changes in the thicknesses of B and 03 can also be analyzed in a relatively short time, and the optimum pressure and optimum power heater that provide the optimum operating conditions can be efficiently determined. Note that the shape of the heater, the position of the crucible, the thickness of B2O3, etc. need only be changed in the mesh shape.

上記の手段は、そのまま単結晶引き上げ炉の制御にも利
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。
The above means can also be used as is to control a single crystal pulling furnace. In this case, since the optimal design of the furnace has already been made through the above analysis, the furnace shape and boundary conditions among the furnace conditions, boundary conditions, and heater power conditions are fixed data, and the crystal pulling rate is The rotational speed of the crucible and crystal, the heater power, etc. are variables associated with crystal pulling.

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。
Therefore, these variables may be corrected sequentially as the crystal is grown.

そこで、単結晶引き上げ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、炉内の単結晶引き上げ
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き上げ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 a single crystal pulling furnace basically consists of a condition setting section that sets the conditions inside the furnace, boundary conditions, and heater power, and a condition setting section that monitors the operating status of single crystal pulling inside the furnace. The thermo-fluid analysis section 1, solid-liquid interface shape analysis section 2, It may be connected to the thermal stress analysis section 3.

熱流体解析部1、固液界面形状解析a2、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。
Standards for evaluation and judgment at each stage are set in the thermal fluid analysis section 1, solid-liquid interface shape analysis a2, and thermal stress analysis section 3. For example, standard values are set for the temperature at a specific position in the furnace, the position of the solid-liquid interface, etc., and evaluation and judgment are performed by comparing with the analysis results in the thermo-fluid analysis section 1 and the solid-liquid interface shape analysis section 2. Correct the conditions in the setting section one by one. For example, the position of the crucible is changed in accordance with the crystal pulling speed. As mentioned earlier, the monitor section detects the weight of the crystal using a load cell, detects the temperature at each point using a thermocouple, and detects the rotational speed of the crucible and crystal using an encoder attached to the motor and motor drive current, etc. conduct. Then, the control section controls the heater power and the rotation of the crucible and crystal by feeding back the detection data from the monitor section so as to satisfy the conditions set by the condition setting section. By configuring such a control system, high-quality crystals analyzed by the thermal fluid analysis section 1, the solid-liquid interface shape analysis section 2, and the thermal stress analysis section 3 can be efficiently created. It goes without saying that the detection data of the monitor section may also be fed back to each analysis section and used as basic data for evaluation and judgment of analysis results.

なお、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
、炉内を真空から操業時の圧力に変えヒーターモニター
温度を一定とした場合のヒーターパワーの差、及びガス
入口温度とガス出口温度との差からガス入口流速の関係
を求めるようにしたが、さらに操業時の圧力付近で圧力
を変化させたり、ヒーターモニター温度を変えて同様の
模擬実験を行うようにしてもよい。また、単結晶引き上
げ炉の最適条件解析は、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。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
ョン条件を設定変更するように構成してもよい。また、
単結晶引き上げ炉の制御系に組み込むようにしてもよい
Note that the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above example, the relationship between the gas inlet flow rate is determined from the difference in heater power when the furnace interior is changed from vacuum to operating pressure and the heater monitor temperature is kept constant, and the difference between the gas inlet temperature and the gas outlet temperature. However, a similar simulation experiment may be performed by changing the pressure near the operating pressure or changing the heater monitor temperature. In addition, the optimum condition analysis for a single crystal pulling furnace is characterized by using thermal fluid analysis, solid-liquid interface shape analysis, and thermal stress analysis as independent units of analysis, and connecting these in a subordinate manner. This means is shown as an example. For example, in the above example, the results of thermal fluid analysis, solid-liquid interface shape analysis, and thermal stress analysis were evaluated and the simulation conditions were changed to set the optimal conditions for the thermal environment inside the reactor. For this evaluation, parameters for evaluation and simulation condition change may be set in each analysis section, or a learning function may be added to automatically change simulation condition settings. Also,
It may also be incorporated into the 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人力し、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。
Since the temperature of the heater and the pressure inside the furnace are constantly monitored, this data and the data detected by the load cell described earlier on the crystal weight are manually input to this system and configured to feed back to the temperature control of the heater. Good too. In this case, changes in the solid-liquid interface shape affect the diameter of the grown crystal.

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、見掛は上で軽くなる。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温
度の制御にフィードバックすることにより、径の制御性
向上を行うようにしてもよい。
That is, when the solid-liquid interface shape is convex downward, the buoyancy becomes large, so the weight of the crystal detected by the load cell appears to be lighter at the top. Therefore, the controllability of the diameter may be improved by determining the solid-liquid interface shape from the change in crystal weight, calculating the crystal diameter, and feeding it back to the control of the heater temperature.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説肋から胡らかなように、本発明によれば、熱流
体解析において、ヒーターパワーを設定すると共に、そ
のヒーターパワーに対応して模擬実験データより得られ
る関係からガス入口流速を決定し、炉内の対流を解くの
で、対流熱伝達と熱輻射も考慮して高精度の熱流体解析
を行うことができる。また、単結晶引き上げ炉内の多分
割ヒーターによる炉内温度分布も高精度で推定すること
ができる。さらには、分割したシミュレーション解析に
より単結晶引き上げ炉の最適条件解析を行うことにより
、従来では困難であった多分割ヒ−ターを活用した単結
晶引き上げ装置においても、望ましい熱環境を効率よく
高精度で推定することも行える。
As is clear from the above explanation, according to the present invention, in thermo-fluid analysis, the heater power is set and the gas inlet flow velocity is determined from the relationship obtained from the simulated experiment data corresponding to the heater power. , since convection within the furnace is solved, it is possible to perform highly accurate thermal fluid analysis by taking convective heat transfer and thermal radiation into consideration. Moreover, the temperature distribution inside the single crystal pulling furnace due to the multi-segment heater can also be estimated with high accuracy. Furthermore, by analyzing the optimal conditions for a single crystal pulling furnace using divided simulation analysis, we are able to efficiently and precisely create the desired thermal environment even in single crystal pulling equipment that utilizes multi-segmented heaters, which was difficult in the past. It can also be estimated by

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

第1図は本発明に係る炉内熱流体解析の解析条件設定方
式の1実施例を説明するた約の図、第2図は単結晶引き
上げ炉の最適条件解析方式の1例を説明するための図、
第3図は検討モデルの例を示す図、第4図はメツシュ分
割例を示す図、第5図は炉内ガスフローの例を示す図、
第6図は炉内温度分布の例を示す図、第7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8
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9図は結晶断面における剪断応力分布の例を示す
図、第10図はLEC法の単結晶弓き上げ装置の概要を
示すズ、第11図は炉内の熱バランスモデルを示す図で
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。 第 図 3図 第 7図
Fig. 1 is a schematic diagram for explaining an example of an analysis condition setting method for in-furnace thermal fluid analysis according to the present invention, and Fig. 2 is a diagram for explaining an example of an optimum condition analysis method for a single crystal pulling furnace. diagram,
Fig. 3 is a diagram showing an example of a study model, Fig. 4 is a diagram showing an example of mesh division, Fig. 5 is a diagram showing an example of gas flow in the furnace,
Figure 6 is a diagram showing an example of the temperature distribution inside the furnace, Figure 7 is a diagram showing an example of the temperature correlation between the crucible position and the central axis of the crystal/melt part, and Figure 8 is a diagram showing an example of the temperature distribution in the furnace.
The figure shows an example of the temperature distribution in the crystal/melt part and the shape of the solid-liquid interface, Figure 9 shows an example of the shear stress distribution in the crystal cross section, and Figure 10 shows a single crystal bow lifting device using the LEC method. FIG. 11 is a diagram showing a heat balance model in the furnace. 1...Thermo-fluid analysis section, 2...Solid-liquid interface shape analysis section,
3...Thermal stress analysis section, 4...Data input section. Figure 3 Figure 7

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)高圧ガス雰囲気下でヒーターにより加熱する炉内
のガス流入温度、速度、外壁の温度等を境界条件とし、
解析メッシュ形状、炉内の圧力その他の物性値、ヒータ
ーパワー等を初期値として設定してシミュレーションを
行い最適操業条件を求める炉内熱流体解析の解析条件設
定方式であって、模擬実験により炉内の圧力を変えてヒ
ーターモニター温度を一定にするヒーターパワーとガス
入口流速との関係を求め、初期値として設定するヒータ
ーパワー、炉内の圧力に対応してガス入口流速を変えて
シミュレーションを行うようにしたことを特徴とする炉
内熱流体解析の解析条件設定方式。
(1) The boundary conditions are the gas inflow temperature, speed, outer wall temperature, etc. in the furnace heated by a heater in a high-pressure gas atmosphere,
This is an analysis condition setting method for in-furnace thermo-fluid analysis in which the analysis mesh shape, pressure and other physical property values in the furnace, heater power, etc. are set as initial values and the optimum operating conditions are determined by simulation. Calculate the relationship between heater power and gas inlet flow rate to keep the heater monitor temperature constant by changing the pressure of An analysis condition setting method for in-furnace thermal fluid analysis.
(2)炉内の圧力を真空から操業時の圧力に変えた時の
ヒーターパワーの差、及びガス入口温度とガス出口温度
との差からヒーターパワーとガス入口流速との関係を求
めることを特徴とする請求項1記載の炉内熱流体解析の
解析条件設定方式。
(2) The relationship between heater power and gas inlet flow rate is determined from the difference in heater power when the pressure inside the furnace is changed from vacuum to operating pressure, and the difference between gas inlet temperature and gas outlet temperature. An analysis condition setting method for in-furnace thermal fluid analysis according to claim 1.
(3)炉内の温度分布を求める熱流体解析、炉内の温度
分布から結晶・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、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に分けて単
結晶引上炉のシミュレーションを行うことを特徴とする
請求項1記載の炉内熱流体解析の解析条件設定方式。
(3) Thermofluid analysis to determine the temperature distribution in the furnace; solid-liquid interface shape analysis to determine the solid-liquid interface shape by thermally analyzing the crystal/melt part from the temperature distribution in the furnace; 2. The method for setting analysis conditions for in-furnace thermal fluid analysis according to claim 1, wherein the simulation of the single crystal pulling furnace is performed separately in a thermal stress analysis for determining thermal stress in the crystal part from temperature distribution.
(4)炉内の圧力、ルツボ位置、ヒーター形状等のケー
ス毎にヒーターパワーを変えてシミュレーションを繰り
返し行い最適操業条件を求めることを特徴とする請求項
3記載の炉内熱流体解析の解析条件設定方式。
(4) Analysis conditions for in-furnace thermofluid analysis according to claim 3, characterized in that the simulation is repeated by changing the heater power for each case of the in-furnace pressure, crucible position, heater shape, etc. to determine the optimal operating conditions. Setting method.
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