単結晶製造装置および単結晶製造方法
【課題】停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる単結晶製造装置および単結晶製造方法を提供する。
【解決手段】第１の動力源の回転出力を利用して、先端に種結晶１７を有するワイヤーロープ１９を回転させるための第１の回転手段と、ワイヤーロープ１９の回転を減速して停止させるための第１の回転停止手段と、ワイヤーロープ１９の回転時に異常の発生を検出する異常発生検出手段と、第２の動力源の回転出力を利用してワイヤーロープ１９を回転させるための第２の回転手段と、ワイヤーロープ１９の回転を減速して停止させるための第２の回転停止手段と、異常を検出したとき、ワイヤーロープ１９を回転させるために利用する回転出力を、第１の動力源の回転出力から第２の動力源の回転出力へと切り替える切替手段とを備える単結晶製造装置。
【解決手段】第１の動力源の回転出力を利用して、先端に種結晶１７を有するワイヤーロープ１９を回転させるための第１の回転手段と、ワイヤーロープ１９の回転を減速して停止させるための第１の回転停止手段と、ワイヤーロープ１９の回転時に異常の発生を検出する異常発生検出手段と、第２の動力源の回転出力を利用してワイヤーロープ１９を回転させるための第２の回転手段と、ワイヤーロープ１９の回転を減速して停止させるための第２の回転停止手段と、異常を検出したとき、ワイヤーロープ１９を回転させるために利用する回転出力を、第１の動力源の回転出力から第２の動力源の回転出力へと切り替える切替手段とを備える単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法で単結晶を製造するための装置および方法に関し、特には、停電時や機械故障発生時などでも単結晶の回転を制御することができる単結晶製造装置および単結晶製造方法に関するするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、るつぼ中の原料物質の融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げて単結晶を育成するチョクラルスキー法（ＣＺ法、ＭＣＺ法）で単結晶を製造する場合、引き上げた結晶の回転の停止については制御がなされていなかった。そして、特に停電時や機械故障発生時などの異常発生時については、異常発生時用の対策を講じることなく、結晶の回転を急停止させていた。
【０００３】
しかしながら、本発明者が結晶回転の停止について検討したところ、異常発生時等に結晶回転を急停止させると、特に、ワイヤーロープの自転モーメントや自転角が大きい場合には、育成した結晶が懸吊されているワイヤーロープに過度の撚り締りや撚り戻りが発生し、最悪の場合には、ワイヤーロープの素線切れや破断が生じて引き上げた結晶が落下する恐れがあることが明らかとなった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのため、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる単結晶製造装置を開発する必要があった。また、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、育成した結晶の回転を安全に停止することができる単結晶製造方法を開発することが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の単結晶製造装置は、第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して、先端に種結晶を有するワイヤーロープを回転させるための第１の回転手段と、前記種結晶上に単結晶を成長させながら該種結晶および単結晶を引き上げるための引き上げ手段と、前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第１の回転停止手段とを具える単結晶製造装置において、該単結晶製造装置は、前記ワイヤーロープの回転時に異常の発生を検出する異常発生検出手段と、前記異常発生検出手段が異常の発生を検出した際に、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力を利用して、前記ワイヤーロープを回転させるための第２の回転手段と、前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第２の回転停止手段と、前記異常発生検出手段が異常を検出したとき、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から前記第２の動力源の回転出力へと切り替える切替手段とを更に備えることを特徴とする。このように、異常発生時に第２の動力源の回転出力を利用してワイヤーロープを回転させる機構を設ければ、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも結晶（ワイヤーロープ）の回転が急停止することがなく、必要に応じて結晶の育成を続けることができると共に、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【０００６】
ここで、本発明の単結晶製造装置において、前記第２の回転停止手段は、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させても良い。このようにすれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。
【０００７】
更に、本発明の単結晶製造装置は、引き上げた前記種結晶および前記単結晶の質量を測定する結晶質量測定手段と、引き上げた前記種結晶および前記単結晶を懸吊しているワイヤーロープの長さを測定するワイヤーロープ長測定手段と、前記結晶質量測定手段で測定した種結晶および単結晶の質量と、前記ワイヤーロープ長測定手段で測定したワイヤーロープの長さとを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよびワイヤーロープの自転角θを演算する演算手段とを更に備え、前記第２の回転停止手段は、前記ワイヤーロープが、前記自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、前記自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件で回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることが好ましい。このように、自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ以上の場合と、自転角θが４０°以上の場合との少なくとも一方に該当する場合に、ワイヤーロープの回転速度を０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で減少させれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。従って、例えば直径が４５０ｍｍである重量物のシリコンインゴットを製造する際にも、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。なお、ワイヤーロープの自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ未満（Ｍ＜２３．５Ｎ・ｍｍ）、且つ、ワイヤーロープの自転角θが４０°未満（θ＜４０°）の場合には、そもそも結晶回転停止時にワイヤーロープの素線切れ等は生じ難いので、任意の角減速度でワイヤーロープの回転速度を減少させて結晶（ワイヤーロープ）の回転を停止させることができる。
【０００８】
また、本発明の単結晶製造方法は、原料物質の融液に対しワイヤーロープの先端に設置した種結晶を接触させ、該種結晶を、第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して前記ワイヤーロープを回転させることで回転させると共に、引き上げ機構で引き上げる工程と、前記種結晶の引き上げ中に、異常発生検出手段で異常の発生の有無を検出する工程とを含む単結晶製造方法であって、前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出されなかった場合には、第１の回転停止手段で、前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させ、前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出された場合には、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力へと切り替え、その後、第２の回転停止手段で、前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする。このように、異常発生時に第２の動力源の回転出力を利用してワイヤーロープを回転させれば、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも結晶（ワイヤーロープ）の回転が急停止することがなく、必要に応じて結晶の育成を続けることができると共に、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【０００９】
ここで、本発明の単結晶製造方法においては、前記第２の回転停止手段で、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させても良い。このようにすれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。
【００１０】
また、本発明の単結晶製造方法においては、前記第２の回転停止手段で前記ワイヤーロープの回転を停止させる際に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、ワイヤーロープの自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件でワイヤーロープが回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させても良い。このように、自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ以上の場合と、自転角θが４０°以上の場合との少なくとも一方に該当する場合に、ワイヤーロープの回転速度を０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で減少させれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。従って、例えば直径が４５０ｍｍである重量物のシリコンインゴットを製造する際にも、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。なお、ワイヤーロープの自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ未満（Ｍ＜２３．５Ｎ・ｍｍ）、且つ、ワイヤーロープの自転角θが４０°未満（θ＜４０°）の場合には、そもそも結晶回転停止時にワイヤーロープの素線切れ等は生じ難いので、任意の角減速度でワイヤーロープの回転速度を減少させて結晶（ワイヤーロープ）の回転を停止させることができる。
【００１１】
更に、本発明の単結晶製造方法においては、前記角減速度は一定であることが好ましい。
【００１２】
なお、本発明において、「異常」には、停電や第１の動力源の故障といった第１の動力源の回転出力の異常の他、第１の回転手段の故障などの機械故障も含まれる。また、本発明において、ワイヤーロープの自転モーメントＭは、下記式（Ｉ）に従い算出することができ、ワイヤーロープの自転角θは、下記式（ＩＩ）に従い算出することができる。
Ｍ＝α×Ｗ×ｓｉｎ（ａｎ）・・・（Ｉ）
θ＝Ｍ×ｌ／（Ｇｒ×Ｉｐ）・・・（ＩＩ）
［式中、αは定数、Ｗは育成した結晶（種結晶＋単結晶）の質量、ａｎはワイヤーロープの撚り線角度、ｌはワイヤーロープの長さ、Ｇｒはワイヤーロープの横弾性係数、Ｉｐはワイヤーロープの断面二次極モーメントである。］
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の単結晶製造装置の一例の構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す単結晶製造装置のワイヤーロープの一部を正面から見た説明図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１に示す単結晶製造装置のワイヤーロープ回転機構の構成を説明する説明図である。
【図４】図１に示す単結晶製造装置を用いて単結晶を製造する際に、停電が発生した場合の制御フローを説明するフローチャートである。
【図５】図１に示す単結晶製造装置を用いて単結晶を製造する際に、第１モータの故障が発生した場合の制御フローを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここに、本発明の単結晶製造装置の一例は、例えば直径４５０ｍｍの円柱状のシリコンインゴットをチョクラルスキー法（ＣＺ法またはＭＣＺ法（磁場印加式チョクラルスキー法））により製造するための単結晶製造装置１０であり、図１に示すように、チャンバ１１内に、単結晶シリコンの原料物質となる多結晶シリコンを収容するためのるつぼ１２と、該るつぼ１２内の原料物質を加熱して融液１３とするためのヒーター１４と、るつぼ１２の下部に設けられてるつぼ１２を円周方向（図１では装置上方から見て時計回り）に回転させるるつぼ回転機構１５と、単結晶１６を育成するための種結晶１７を保持する種結晶保持器（シードチャック）１８が先端に取り付けられているワイヤーロープ１９と、該ワイヤーロープ１９をるつぼ１２の回転方向とは反対の方向（図１では装置上方から見て反時計回り）に回転させながら巻き取って単結晶１６、種結晶１７および種結晶保持器１８を回転させつつ引き上げる結晶回転・引き上げ機構２０とを有している。また、この単結晶製造装置１０は、停電検出機構、動作異常（停止や異常高温発生）検出機構およびレーザーセンサ等の、停電や機械故障の発生を検出する異常発生検出手段としての各種機構またはセンサ（図示せず）や、引き上げた種結晶１７および単結晶１６の質量を測定する結晶質量測定手段としての結晶質量センサ（図示せず）や、引き上げた種結晶１７および単結晶１６を懸吊しているワイヤーロープの長さを測定するワイヤーロープ長測定手段としてのエンコーダ（図示せず）も備えている。
【００１６】
ここで、ワイヤーロープ１９は、例えば図２（ａ）に示すような撚り線角度ａｎの同心撚り構造を有している。具体的には、ワイヤーロープ１９は、図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面を示すように、１本のコア素線２４（素線径：ｄ１）の周囲に６本の素線２５（素線径：ｄ２）を撚り合わせた構造を有している。
【００１７】
結晶回転・引き上げ機構２０は、ワイヤーロープ１９を巻き取って単結晶１６、種結晶１７および種結晶保持器１８を引き上げる、引き上げ手段としてのワイヤーロープ巻き取り器２１と、そのワイヤーロープ巻き取り器２１が内部に設置された筐体２２を回転させてワイヤーロープ１９を回転させる、図３に示すようなワイヤーロープ回転機構２３（図１には図示せず）とからなる。
【００１８】
ワイヤーロープ回転機構２３は、筐体２２の回転軸３０を介して筐体２２へ動力源の回転出力を伝達させることにより筐体２２を回転させるものである。そして、ワイヤーロープ回転機構２３は、図３に示すように、通常運転時用の動力機構と、異常発生時（例えば、停電時や機械故障発生時）用の動力機構との２系統の動力機構を有しており、これらの動力機構の動作は、コントローラ３１により制御されている。なお、ワイヤーロープ回転機構２３には、回転軸３０の回転速度を検出するための図示しないエンコーダが設けられている。
【００１９】
具体的には、ワイヤーロープ回転機構２３は、通常運転時用の動力機構として、第１モータ３３と、第１モータ３３と該第１モータ３３の回転出力が入力される第１入力プーリ３５との間に設けられた第１電磁クラッチ３４と、回転軸３０と一体となって回転する第１出力プーリ３７と、第１入力プーリ３５と第１出力プーリ３７との間に巻き掛けられた第１ベルト３６とを備えている。また、ワイヤーロープ回転機構２３は、異常発生時用の動力機構として、第２モータ３８と、第２モータ３８と該第２モータ３８の回転出力が入力される第２入力プーリ４０との間に設けられた第２電磁クラッチ３９と、回転軸３０と一体となって回転する第２出力プーリ４２と、第２入力プーリ４０と第２出力プーリ４２との間に巻き掛けられた第２ベルト４１と、停電時にもコントローラ３１、エンコーダ（図示せず）、第２モータ３８、第２電磁クラッチ３９等へ電力を供給し得る無停電電源装置（ＵＰＳ）４３とを備えている。
【００２０】
そして、このワイヤーロープ回転機構２３では、通常運転時には、第１の動力源としての第１モータ３３の回転出力が、第１のクラッチとしての第１電磁クラッチ３４、並びに、第１の回転手段としての第１入力プーリ３５、第１ベルト３６および第１出力プーリ３７を介して回転軸３０へと伝達され、異常発生時には、第２の動力源としての第２モータ３８の回転出力が、第２のクラッチとしての第２電磁クラッチ３９、並びに、第２の回転手段としての第２入力プーリ４０、第２ベルト４１および第２出力プーリ４２を介して回転軸３０へと伝達される。
【００２１】
ここで、この単結晶製造装置１０を用いて単結晶１６を製造する際のワイヤーロープ回転機構２３の制御の例を以下に説明する。
【００２２】
ワイヤーロープ回転機構２３は、るつぼ１２中の原料物質の融液１３に接触させた種結晶１７の引き上げ（ワイヤーロープ巻き取り器２１でのワイヤーロープ１９の巻き取り）が開始されると同時に、通常運転時用の動力機構、即ち第１モータ３３、第１電磁クラッチ３４、第１入力プーリ３５、第１ベルト３６および第１出力プーリ３７を用いて筐体２２を回転させ、それによりワイヤーロープ１９を例えば１０ｒｐｍで回転させる。なお、筐体２２およびワイヤーロープ１９の回転速度は、コントローラ３１で第１モータ３３の回転出力を調整することにより制御することができる。
【００２３】
そして、異常（停電や、第１モータ３３の故障、第１電磁クラッチ３４の故障、第１ベルト３６の破断といった機械故障など）の発生が検出されることなく、単結晶１６の引き上げが終了した場合には、以下のようにしてワイヤーロープ１９の回転を停止させて、単結晶１６の回転を安全に停止させる。
【００２４】
まず、結晶質量センサで、引き上げた単結晶１６および種結晶１７の質量Ｗを測定すると共に、エンコーダで、種結晶１７および単結晶１６を懸吊しているワイヤーロープ１９の長さｌを求める。
【００２５】
次に、演算手段としても機能するコントローラ３１において、結晶の質量Ｗおよびワイヤーロープの長さｌを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよび自転角θを演算する。
ここで、結晶（種結晶＋単結晶）の質量：Ｗ、ワイヤーロープの有効断面積：Ａ（本例の場合、（ｄ１／２）２π＋６×（ｄ２／２）２π）、ワイヤーロープの撚り線角度：ａｎとすると、ワイヤーロープの引張応力σは、
σ＝Ｗ／Ａ
となり、ワイヤーロープの垂直荷重Ｗｎは、
Ｗｎ＝σ×Ａ×ｃｏｓ（ａｎ）
となり、ワイヤーロープの自転力Ｔは、
Ｔ＝Ｗｎ×ｔａｎ（ａｎ）
となる。
従って、ワイヤーロープの自転モーメントＭは、定数：α、モーメント半径：Ｒ（ワイヤーロープの半径：Ｄ／２）とすると、コントローラ３１において、下記式：
Ｍ＝α×Ｔ×Ｒ＝α×Ｗ×ｓｉｎ（ａｎ）
を用いて算出することができる。
また、ワイヤーロープの自転角θは、ワイヤーロープの横弾性率：Ｇｒ、ワイヤーロープの断面二次極モーメント：Ｉｐ、ワイヤーロープの長さ：ｌとすると、コントローラ３１において、下記式：
θ＝Ｍ×ｌ／（Ｇｒ×Ｉｐ）
を用いて算出することができる。
なお、ワイヤーロープの断面二次極モーメントＩｐは、素線径：ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）、ワイヤーロープの撚り構成により定まる定数：γとすると、下記式：
Ｉｐ＝γ×π×ｄ４／３２
で表すことができる。因みに、素線径ｄ１とｄ２とが異なる場合（ｄ１≠ｄ２の場合）には、ｄ２を用いて断面二次極モーメントＩｐを求めることができる。
【００２６】
そして、ワイヤーロープ１９が、自転モーメントＭ≧２３．５Ｎ・ｍｍと、自転角θ≧４０°との少なくとも一方を満たす条件で回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度となるように回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させ（コントローラ３１が第１の回転停止手段として機能し、第１モータ３３の回転出力を減少させ）、ワイヤーロープ１９の回転を停止させる。他方、ワイヤーロープ１９が、自転モーメントＭ＜２３．５Ｎ・ｍｍ、且つ、自転角θ＜４０°を満たす条件で回転している場合には、コントローラ３１が第１の回転停止手段として機能し、任意の角減速度で回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させてワイヤーロープ１９の回転を停止させる。なお、角減速度とは、負の加速度、即ち単位時間当たりの角速度の減少率である。
【００２７】
このように、ワイヤーロープ１９の自転モーメントＭおよび自転角θを考慮して結晶回転を停止すれば、ワイヤーロープ１９の素線切れが生じてワイヤーロープ１９の寿命が短縮されることを防止し得ると共に、ワイヤーロープ１９の破断を防止して安全に結晶回転を停止することができる。
【００２８】
一方、単結晶１６の引き上げ中に、異常発生検出手段としての各種センサで異常の発生が検出された場合には、切替手段および第２の回転停止手段としても機能するコントローラ３１を用いて、例えば以下のようにしてワイヤーロープ１９の回転を停止させて、単結晶１６の回転を安全に停止させることができる。
【００２９】
一例として、異常発生検出手段が停電の発生を検出した場合には、図４に示すように、まず、ワイヤーロープ回転機構２３への電力供給源が無停電電源装置（ＵＰＳ）４３に切り替わる（Ｓ１）。この際、第１モータ３３および第１電磁クラッチ３４には電力が供給されないので、第１モータ３３は停止すると共に、第１電磁クラッチ３４は解放される。
【００３０】
次に、ＵＰＳ４３からの電力で第２モータ３８を起動し、コントローラ３１が、エンコーダで検出した回転軸３０の回転速度（ワイヤーロープ１９の回転速度）を維持できる回転出力まで第２モータ３８の回転出力を増加させる（Ｓ２）。そして、第２モータ３８の回転出力が増加したら、第２電磁クラッチ３９を励磁して、第２モータ３８と第２入力プーリ４０とを連結する（Ｓ３）。
【００３１】
そして、コントローラ３１で第２モータ３８の回転出力を制御し、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度となるように回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させ、ワイヤーロープ１９の回転を停止させる（Ｓ４）。ここで、本発明においては、角減速度一定でワイヤーロープの回転速度を減少させることが好ましい。
【００３２】
また、他の例として、異常発生検出手段が第１モータ３３の故障の発生を検出した場合には、図５に示すように、まず、コントローラ３１が第１電磁クラッチ３４を解放させる（Ｓ１’）。
【００３３】
次に、コントローラ３１が第２モータ３８を起動し、エンコーダで検出した回転軸３０の回転速度（ワイヤーロープ１９の回転速度）を維持できる回転出力まで第２モータ３８の回転出力を増加させる（Ｓ２’）。そして、第２モータ３８の回転出力が増加したら、第２電磁クラッチ３９を励磁して、第２モータ３８と第２入力プーリ４０とを連結する（Ｓ３’）。
【００３４】
その後、第２モータ３８の回転出力を用いてワイヤーロープ１９を回転させつつ、単結晶１６の引き上げを続ける。そして、単結晶の引き上げが終了したら（Ｓ４’）、前述した通常運転時に単結晶１６の回転を停止させる場合と同様にして、ワイヤーロープ１９の回転を停止させて、単結晶１６の回転を安全に停止させる。具体的には、演算手段として機能するコントローラ３１で、結晶（単結晶＋種結晶）の質量Ｗおよびワイヤーロープの長さｌを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよび自転角θを演算し、自転モーメントＭ≧２３．５Ｎ・ｍｍと、自転角θ≧４０°との少なくとも一方を満たす条件でワイヤーロープが回転しているかを判断し（Ｓ５’）、Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍと、θ≧４０°との少なくとも一方を満たしている場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度となるように回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させ（コントローラ３１が第２モータ３８の回転出力を減少させ）、ワイヤーロープ１９の回転を停止させる（Ｓ６’）。他方、ワイヤーロープ１９が、自転モーメントＭ＜２３．５Ｎ・ｍｍ、且つ、自転角θ＜４０°を満たす条件で回転している場合には、コントローラ３１が任意の角減速度で回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させてワイヤーロープ１９の回転を停止させる。
【００３５】
このように、単結晶製造装置１０では、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、第２モータ３８等を利用してワイヤーロープ１９の回転速度を制御することができるので、ワイヤーロープ１９の素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した単結晶１６の回転を安全に停止することができる。
【００３６】
なお、本発明の単結晶製造装置は、上記一例に限定されることなく、適宜変更を加えることができる。具体的には、本発明の単結晶製造装置は、磁場印加器を備えていても良い。また、クラッチとしては、電磁クラッチ以外にも油圧クラッチを用いることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝６９．６Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝８６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５２ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００３９】
（実施例２）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝６９．６Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝８６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５８ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は殆ど発生していなかった。
【００４０】
（実施例３）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１３．９Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝１７°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．７３ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４１】
（実施例４）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１３．９Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝１７°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度１．０５ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４２】
（実施例５）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１３．９Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝１７°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度１．５７ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４３】
（実施例６）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１６４．２Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝４６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．０５ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４４】
（実施例７）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１６４．２Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝４６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５２ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４５】
（実施例８）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝２３．０Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝２９°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５８ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４６】
（実施例９）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝２３．０Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝３８°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５８ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４７】
（比較例１）
単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝６９．６Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝８６°で回転しているシリコン単結晶の回転を急停止させたところ、ワイヤーロープが破断した。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の単結晶製造装置および単結晶製造方法によれば、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 単結晶製造装置
１１ チャンバ
１２ るつぼ
１３ 融液
１４ ヒーター
１５ るつぼ回転機構
１６ 単結晶
１７ 種結晶
１８ 種結晶保持器
１９ ワイヤーロープ
２０ 結晶回転・引き上げ機構
２１ ワイヤーロープ巻き取り器
２２ 筐体
２３ ワイヤーロープ回転機構
２４ コア素線
２５ 素線
３０ 回転軸
３１ コントローラ
３３ 第１モータ
３４ 第１電磁クラッチ
３５ 第１入力プーリ
３６ 第１ベルト
３７ 第１出力プーリ
３８ 第２モータ
３９ 第２電磁クラッチ
４０ 第２入力プーリ
４１ 第２ベルト
４２ 第２出力プーリ
４３ 無停電電源装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法で単結晶を製造するための装置および方法に関し、特には、停電時や機械故障発生時などでも単結晶の回転を制御することができる単結晶製造装置および単結晶製造方法に関するするものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、るつぼ中の原料物質の融液に種結晶を接触させ、該種結晶を回転させながら引き上げて単結晶を育成するチョクラルスキー法（ＣＺ法、ＭＣＺ法）で単結晶を製造する場合、引き上げた結晶の回転の停止については制御がなされていなかった。そして、特に停電時や機械故障発生時などの異常発生時については、異常発生時用の対策を講じることなく、結晶の回転を急停止させていた。
【０００３】
しかしながら、本発明者が結晶回転の停止について検討したところ、異常発生時等に結晶回転を急停止させると、特に、ワイヤーロープの自転モーメントや自転角が大きい場合には、育成した結晶が懸吊されているワイヤーロープに過度の撚り締りや撚り戻りが発生し、最悪の場合には、ワイヤーロープの素線切れや破断が生じて引き上げた結晶が落下する恐れがあることが明らかとなった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そのため、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる単結晶製造装置を開発する必要があった。また、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、育成した結晶の回転を安全に停止することができる単結晶製造方法を開発することが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の単結晶製造装置は、第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して、先端に種結晶を有するワイヤーロープを回転させるための第１の回転手段と、前記種結晶上に単結晶を成長させながら該種結晶および単結晶を引き上げるための引き上げ手段と、前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第１の回転停止手段とを具える単結晶製造装置において、該単結晶製造装置は、前記ワイヤーロープの回転時に異常の発生を検出する異常発生検出手段と、前記異常発生検出手段が異常の発生を検出した際に、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力を利用して、前記ワイヤーロープを回転させるための第２の回転手段と、前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第２の回転停止手段と、前記異常発生検出手段が異常を検出したとき、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から前記第２の動力源の回転出力へと切り替える切替手段とを更に備えることを特徴とする。このように、異常発生時に第２の動力源の回転出力を利用してワイヤーロープを回転させる機構を設ければ、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも結晶（ワイヤーロープ）の回転が急停止することがなく、必要に応じて結晶の育成を続けることができると共に、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【０００６】
ここで、本発明の単結晶製造装置において、前記第２の回転停止手段は、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させても良い。このようにすれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。
【０００７】
更に、本発明の単結晶製造装置は、引き上げた前記種結晶および前記単結晶の質量を測定する結晶質量測定手段と、引き上げた前記種結晶および前記単結晶を懸吊しているワイヤーロープの長さを測定するワイヤーロープ長測定手段と、前記結晶質量測定手段で測定した種結晶および単結晶の質量と、前記ワイヤーロープ長測定手段で測定したワイヤーロープの長さとを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよびワイヤーロープの自転角θを演算する演算手段とを更に備え、前記第２の回転停止手段は、前記ワイヤーロープが、前記自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、前記自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件で回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることが好ましい。このように、自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ以上の場合と、自転角θが４０°以上の場合との少なくとも一方に該当する場合に、ワイヤーロープの回転速度を０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で減少させれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。従って、例えば直径が４５０ｍｍである重量物のシリコンインゴットを製造する際にも、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。なお、ワイヤーロープの自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ未満（Ｍ＜２３．５Ｎ・ｍｍ）、且つ、ワイヤーロープの自転角θが４０°未満（θ＜４０°）の場合には、そもそも結晶回転停止時にワイヤーロープの素線切れ等は生じ難いので、任意の角減速度でワイヤーロープの回転速度を減少させて結晶（ワイヤーロープ）の回転を停止させることができる。
【０００８】
また、本発明の単結晶製造方法は、原料物質の融液に対しワイヤーロープの先端に設置した種結晶を接触させ、該種結晶を、第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して前記ワイヤーロープを回転させることで回転させると共に、引き上げ機構で引き上げる工程と、前記種結晶の引き上げ中に、異常発生検出手段で異常の発生の有無を検出する工程とを含む単結晶製造方法であって、前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出されなかった場合には、第１の回転停止手段で、前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させ、前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出された場合には、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力へと切り替え、その後、第２の回転停止手段で、前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする。このように、異常発生時に第２の動力源の回転出力を利用してワイヤーロープを回転させれば、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも結晶（ワイヤーロープ）の回転が急停止することがなく、必要に応じて結晶の育成を続けることができると共に、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【０００９】
ここで、本発明の単結晶製造方法においては、前記第２の回転停止手段で、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させても良い。このようにすれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。
【００１０】
また、本発明の単結晶製造方法においては、前記第２の回転停止手段で前記ワイヤーロープの回転を停止させる際に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、ワイヤーロープの自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件でワイヤーロープが回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させても良い。このように、自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ以上の場合と、自転角θが４０°以上の場合との少なくとも一方に該当する場合に、ワイヤーロープの回転速度を０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で減少させれば、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生をより確実に防止することができる。従って、例えば直径が４５０ｍｍである重量物のシリコンインゴットを製造する際にも、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。なお、ワイヤーロープの自転モーメントＭが２３．５Ｎ・ｍｍ未満（Ｍ＜２３．５Ｎ・ｍｍ）、且つ、ワイヤーロープの自転角θが４０°未満（θ＜４０°）の場合には、そもそも結晶回転停止時にワイヤーロープの素線切れ等は生じ難いので、任意の角減速度でワイヤーロープの回転速度を減少させて結晶（ワイヤーロープ）の回転を停止させることができる。
【００１１】
更に、本発明の単結晶製造方法においては、前記角減速度は一定であることが好ましい。
【００１２】
なお、本発明において、「異常」には、停電や第１の動力源の故障といった第１の動力源の回転出力の異常の他、第１の回転手段の故障などの機械故障も含まれる。また、本発明において、ワイヤーロープの自転モーメントＭは、下記式（Ｉ）に従い算出することができ、ワイヤーロープの自転角θは、下記式（ＩＩ）に従い算出することができる。
Ｍ＝α×Ｗ×ｓｉｎ（ａｎ）・・・（Ｉ）
θ＝Ｍ×ｌ／（Ｇｒ×Ｉｐ）・・・（ＩＩ）
［式中、αは定数、Ｗは育成した結晶（種結晶＋単結晶）の質量、ａｎはワイヤーロープの撚り線角度、ｌはワイヤーロープの長さ、Ｇｒはワイヤーロープの横弾性係数、Ｉｐはワイヤーロープの断面二次極モーメントである。］
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の単結晶製造装置の一例の構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す単結晶製造装置のワイヤーロープの一部を正面から見た説明図であり、（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１に示す単結晶製造装置のワイヤーロープ回転機構の構成を説明する説明図である。
【図４】図１に示す単結晶製造装置を用いて単結晶を製造する際に、停電が発生した場合の制御フローを説明するフローチャートである。
【図５】図１に示す単結晶製造装置を用いて単結晶を製造する際に、第１モータの故障が発生した場合の制御フローを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を詳細に説明する。ここに、本発明の単結晶製造装置の一例は、例えば直径４５０ｍｍの円柱状のシリコンインゴットをチョクラルスキー法（ＣＺ法またはＭＣＺ法（磁場印加式チョクラルスキー法））により製造するための単結晶製造装置１０であり、図１に示すように、チャンバ１１内に、単結晶シリコンの原料物質となる多結晶シリコンを収容するためのるつぼ１２と、該るつぼ１２内の原料物質を加熱して融液１３とするためのヒーター１４と、るつぼ１２の下部に設けられてるつぼ１２を円周方向（図１では装置上方から見て時計回り）に回転させるるつぼ回転機構１５と、単結晶１６を育成するための種結晶１７を保持する種結晶保持器（シードチャック）１８が先端に取り付けられているワイヤーロープ１９と、該ワイヤーロープ１９をるつぼ１２の回転方向とは反対の方向（図１では装置上方から見て反時計回り）に回転させながら巻き取って単結晶１６、種結晶１７および種結晶保持器１８を回転させつつ引き上げる結晶回転・引き上げ機構２０とを有している。また、この単結晶製造装置１０は、停電検出機構、動作異常（停止や異常高温発生）検出機構およびレーザーセンサ等の、停電や機械故障の発生を検出する異常発生検出手段としての各種機構またはセンサ（図示せず）や、引き上げた種結晶１７および単結晶１６の質量を測定する結晶質量測定手段としての結晶質量センサ（図示せず）や、引き上げた種結晶１７および単結晶１６を懸吊しているワイヤーロープの長さを測定するワイヤーロープ長測定手段としてのエンコーダ（図示せず）も備えている。
【００１６】
ここで、ワイヤーロープ１９は、例えば図２（ａ）に示すような撚り線角度ａｎの同心撚り構造を有している。具体的には、ワイヤーロープ１９は、図２（ｂ）に図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面を示すように、１本のコア素線２４（素線径：ｄ１）の周囲に６本の素線２５（素線径：ｄ２）を撚り合わせた構造を有している。
【００１７】
結晶回転・引き上げ機構２０は、ワイヤーロープ１９を巻き取って単結晶１６、種結晶１７および種結晶保持器１８を引き上げる、引き上げ手段としてのワイヤーロープ巻き取り器２１と、そのワイヤーロープ巻き取り器２１が内部に設置された筐体２２を回転させてワイヤーロープ１９を回転させる、図３に示すようなワイヤーロープ回転機構２３（図１には図示せず）とからなる。
【００１８】
ワイヤーロープ回転機構２３は、筐体２２の回転軸３０を介して筐体２２へ動力源の回転出力を伝達させることにより筐体２２を回転させるものである。そして、ワイヤーロープ回転機構２３は、図３に示すように、通常運転時用の動力機構と、異常発生時（例えば、停電時や機械故障発生時）用の動力機構との２系統の動力機構を有しており、これらの動力機構の動作は、コントローラ３１により制御されている。なお、ワイヤーロープ回転機構２３には、回転軸３０の回転速度を検出するための図示しないエンコーダが設けられている。
【００１９】
具体的には、ワイヤーロープ回転機構２３は、通常運転時用の動力機構として、第１モータ３３と、第１モータ３３と該第１モータ３３の回転出力が入力される第１入力プーリ３５との間に設けられた第１電磁クラッチ３４と、回転軸３０と一体となって回転する第１出力プーリ３７と、第１入力プーリ３５と第１出力プーリ３７との間に巻き掛けられた第１ベルト３６とを備えている。また、ワイヤーロープ回転機構２３は、異常発生時用の動力機構として、第２モータ３８と、第２モータ３８と該第２モータ３８の回転出力が入力される第２入力プーリ４０との間に設けられた第２電磁クラッチ３９と、回転軸３０と一体となって回転する第２出力プーリ４２と、第２入力プーリ４０と第２出力プーリ４２との間に巻き掛けられた第２ベルト４１と、停電時にもコントローラ３１、エンコーダ（図示せず）、第２モータ３８、第２電磁クラッチ３９等へ電力を供給し得る無停電電源装置（ＵＰＳ）４３とを備えている。
【００２０】
そして、このワイヤーロープ回転機構２３では、通常運転時には、第１の動力源としての第１モータ３３の回転出力が、第１のクラッチとしての第１電磁クラッチ３４、並びに、第１の回転手段としての第１入力プーリ３５、第１ベルト３６および第１出力プーリ３７を介して回転軸３０へと伝達され、異常発生時には、第２の動力源としての第２モータ３８の回転出力が、第２のクラッチとしての第２電磁クラッチ３９、並びに、第２の回転手段としての第２入力プーリ４０、第２ベルト４１および第２出力プーリ４２を介して回転軸３０へと伝達される。
【００２１】
ここで、この単結晶製造装置１０を用いて単結晶１６を製造する際のワイヤーロープ回転機構２３の制御の例を以下に説明する。
【００２２】
ワイヤーロープ回転機構２３は、るつぼ１２中の原料物質の融液１３に接触させた種結晶１７の引き上げ（ワイヤーロープ巻き取り器２１でのワイヤーロープ１９の巻き取り）が開始されると同時に、通常運転時用の動力機構、即ち第１モータ３３、第１電磁クラッチ３４、第１入力プーリ３５、第１ベルト３６および第１出力プーリ３７を用いて筐体２２を回転させ、それによりワイヤーロープ１９を例えば１０ｒｐｍで回転させる。なお、筐体２２およびワイヤーロープ１９の回転速度は、コントローラ３１で第１モータ３３の回転出力を調整することにより制御することができる。
【００２３】
そして、異常（停電や、第１モータ３３の故障、第１電磁クラッチ３４の故障、第１ベルト３６の破断といった機械故障など）の発生が検出されることなく、単結晶１６の引き上げが終了した場合には、以下のようにしてワイヤーロープ１９の回転を停止させて、単結晶１６の回転を安全に停止させる。
【００２４】
まず、結晶質量センサで、引き上げた単結晶１６および種結晶１７の質量Ｗを測定すると共に、エンコーダで、種結晶１７および単結晶１６を懸吊しているワイヤーロープ１９の長さｌを求める。
【００２５】
次に、演算手段としても機能するコントローラ３１において、結晶の質量Ｗおよびワイヤーロープの長さｌを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよび自転角θを演算する。
ここで、結晶（種結晶＋単結晶）の質量：Ｗ、ワイヤーロープの有効断面積：Ａ（本例の場合、（ｄ１／２）２π＋６×（ｄ２／２）２π）、ワイヤーロープの撚り線角度：ａｎとすると、ワイヤーロープの引張応力σは、
σ＝Ｗ／Ａ
となり、ワイヤーロープの垂直荷重Ｗｎは、
Ｗｎ＝σ×Ａ×ｃｏｓ（ａｎ）
となり、ワイヤーロープの自転力Ｔは、
Ｔ＝Ｗｎ×ｔａｎ（ａｎ）
となる。
従って、ワイヤーロープの自転モーメントＭは、定数：α、モーメント半径：Ｒ（ワイヤーロープの半径：Ｄ／２）とすると、コントローラ３１において、下記式：
Ｍ＝α×Ｔ×Ｒ＝α×Ｗ×ｓｉｎ（ａｎ）
を用いて算出することができる。
また、ワイヤーロープの自転角θは、ワイヤーロープの横弾性率：Ｇｒ、ワイヤーロープの断面二次極モーメント：Ｉｐ、ワイヤーロープの長さ：ｌとすると、コントローラ３１において、下記式：
θ＝Ｍ×ｌ／（Ｇｒ×Ｉｐ）
を用いて算出することができる。
なお、ワイヤーロープの断面二次極モーメントＩｐは、素線径：ｄ（＝ｄ１＝ｄ２）、ワイヤーロープの撚り構成により定まる定数：γとすると、下記式：
Ｉｐ＝γ×π×ｄ４／３２
で表すことができる。因みに、素線径ｄ１とｄ２とが異なる場合（ｄ１≠ｄ２の場合）には、ｄ２を用いて断面二次極モーメントＩｐを求めることができる。
【００２６】
そして、ワイヤーロープ１９が、自転モーメントＭ≧２３．５Ｎ・ｍｍと、自転角θ≧４０°との少なくとも一方を満たす条件で回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度となるように回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させ（コントローラ３１が第１の回転停止手段として機能し、第１モータ３３の回転出力を減少させ）、ワイヤーロープ１９の回転を停止させる。他方、ワイヤーロープ１９が、自転モーメントＭ＜２３．５Ｎ・ｍｍ、且つ、自転角θ＜４０°を満たす条件で回転している場合には、コントローラ３１が第１の回転停止手段として機能し、任意の角減速度で回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させてワイヤーロープ１９の回転を停止させる。なお、角減速度とは、負の加速度、即ち単位時間当たりの角速度の減少率である。
【００２７】
このように、ワイヤーロープ１９の自転モーメントＭおよび自転角θを考慮して結晶回転を停止すれば、ワイヤーロープ１９の素線切れが生じてワイヤーロープ１９の寿命が短縮されることを防止し得ると共に、ワイヤーロープ１９の破断を防止して安全に結晶回転を停止することができる。
【００２８】
一方、単結晶１６の引き上げ中に、異常発生検出手段としての各種センサで異常の発生が検出された場合には、切替手段および第２の回転停止手段としても機能するコントローラ３１を用いて、例えば以下のようにしてワイヤーロープ１９の回転を停止させて、単結晶１６の回転を安全に停止させることができる。
【００２９】
一例として、異常発生検出手段が停電の発生を検出した場合には、図４に示すように、まず、ワイヤーロープ回転機構２３への電力供給源が無停電電源装置（ＵＰＳ）４３に切り替わる（Ｓ１）。この際、第１モータ３３および第１電磁クラッチ３４には電力が供給されないので、第１モータ３３は停止すると共に、第１電磁クラッチ３４は解放される。
【００３０】
次に、ＵＰＳ４３からの電力で第２モータ３８を起動し、コントローラ３１が、エンコーダで検出した回転軸３０の回転速度（ワイヤーロープ１９の回転速度）を維持できる回転出力まで第２モータ３８の回転出力を増加させる（Ｓ２）。そして、第２モータ３８の回転出力が増加したら、第２電磁クラッチ３９を励磁して、第２モータ３８と第２入力プーリ４０とを連結する（Ｓ３）。
【００３１】
そして、コントローラ３１で第２モータ３８の回転出力を制御し、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度となるように回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させ、ワイヤーロープ１９の回転を停止させる（Ｓ４）。ここで、本発明においては、角減速度一定でワイヤーロープの回転速度を減少させることが好ましい。
【００３２】
また、他の例として、異常発生検出手段が第１モータ３３の故障の発生を検出した場合には、図５に示すように、まず、コントローラ３１が第１電磁クラッチ３４を解放させる（Ｓ１’）。
【００３３】
次に、コントローラ３１が第２モータ３８を起動し、エンコーダで検出した回転軸３０の回転速度（ワイヤーロープ１９の回転速度）を維持できる回転出力まで第２モータ３８の回転出力を増加させる（Ｓ２’）。そして、第２モータ３８の回転出力が増加したら、第２電磁クラッチ３９を励磁して、第２モータ３８と第２入力プーリ４０とを連結する（Ｓ３’）。
【００３４】
その後、第２モータ３８の回転出力を用いてワイヤーロープ１９を回転させつつ、単結晶１６の引き上げを続ける。そして、単結晶の引き上げが終了したら（Ｓ４’）、前述した通常運転時に単結晶１６の回転を停止させる場合と同様にして、ワイヤーロープ１９の回転を停止させて、単結晶１６の回転を安全に停止させる。具体的には、演算手段として機能するコントローラ３１で、結晶（単結晶＋種結晶）の質量Ｗおよびワイヤーロープの長さｌを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよび自転角θを演算し、自転モーメントＭ≧２３．５Ｎ・ｍｍと、自転角θ≧４０°との少なくとも一方を満たす条件でワイヤーロープが回転しているかを判断し（Ｓ５’）、Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍと、θ≧４０°との少なくとも一方を満たしている場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度となるように回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させ（コントローラ３１が第２モータ３８の回転出力を減少させ）、ワイヤーロープ１９の回転を停止させる（Ｓ６’）。他方、ワイヤーロープ１９が、自転モーメントＭ＜２３．５Ｎ・ｍｍ、且つ、自転角θ＜４０°を満たす条件で回転している場合には、コントローラ３１が任意の角減速度で回転軸３０（ワイヤーロープ１９）の回転速度を減少させてワイヤーロープ１９の回転を停止させる。
【００３５】
このように、単結晶製造装置１０では、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、第２モータ３８等を利用してワイヤーロープ１９の回転速度を制御することができるので、ワイヤーロープ１９の素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した単結晶１６の回転を安全に停止することができる。
【００３６】
なお、本発明の単結晶製造装置は、上記一例に限定されることなく、適宜変更を加えることができる。具体的には、本発明の単結晶製造装置は、磁場印加器を備えていても良い。また、クラッチとしては、電磁クラッチ以外にも油圧クラッチを用いることができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。
【００３８】
（実施例１）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝６９．６Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝８６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５２ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００３９】
（実施例２）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝６９．６Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝８６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５８ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は殆ど発生していなかった。
【００４０】
（実施例３）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１３．９Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝１７°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．７３ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４１】
（実施例４）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１３．９Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝１７°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度１．０５ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４２】
（実施例５）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１３．９Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝１７°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度１．５７ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４３】
（実施例６）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１６４．２Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝４６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．０５ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４４】
（実施例７）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝１６４．２Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝４６°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５２ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４５】
（実施例８）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝２３．０Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝２９°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５８ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４６】
（実施例９）
図１に示す単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝２３．０Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝３８°で回転しているシリコン単結晶の結晶回転速度を角減速度０．５８ｒａｄ／ｓ２で減少させ、結晶の回転を停止させた。結晶の回転停止後にワイヤーロープの状態を目視で観察したところ、素線切れ等は発生していなかった。
【００４７】
（比較例１）
単結晶製造装置において、停電発生時に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ＝６９．６Ｎ・ｍｍ、ワイヤーロープの自転角θ＝８６°で回転しているシリコン単結晶の回転を急停止させたところ、ワイヤーロープが破断した。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の単結晶製造装置および単結晶製造方法によれば、チョクラルスキー法による単結晶の製造において、停電時や機械故障発生時などの異常発生時でも、ワイヤーロープの素線切れや破断の発生を防止しつつ、育成した結晶の回転を安全に停止することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 単結晶製造装置
１１ チャンバ
１２ るつぼ
１３ 融液
１４ ヒーター
１５ るつぼ回転機構
１６ 単結晶
１７ 種結晶
１８ 種結晶保持器
１９ ワイヤーロープ
２０ 結晶回転・引き上げ機構
２１ ワイヤーロープ巻き取り器
２２ 筐体
２３ ワイヤーロープ回転機構
２４ コア素線
２５ 素線
３０ 回転軸
３１ コントローラ
３３ 第１モータ
３４ 第１電磁クラッチ
３５ 第１入力プーリ
３６ 第１ベルト
３７ 第１出力プーリ
３８ 第２モータ
３９ 第２電磁クラッチ
４０ 第２入力プーリ
４１ 第２ベルト
４２ 第２出力プーリ
４３ 無停電電源装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して、先端に種結晶を有するワイヤーロープを回転させるための第１の回転手段と、
前記種結晶上に単結晶を成長させながら該種結晶および単結晶を引き上げるための引き上げ手段と、
前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第１の回転停止手段と
を具える単結晶製造装置において、
該単結晶製造装置は、
前記ワイヤーロープの回転時に異常の発生を検出する異常発生検出手段と、
前記異常発生検出手段が異常の発生を検出した際に、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力を利用して、前記ワイヤーロープを回転させるための第２の回転手段と、
前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第２の回転停止手段と、
前記異常発生検出手段が異常を検出したとき、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から前記第２の動力源の回転出力へと切り替える切替手段と
を更に備えることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記第２の回転停止手段は、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
引き上げた前記種結晶および前記単結晶の質量を測定する結晶質量測定手段と、
引き上げた前記種結晶および前記単結晶を懸吊しているワイヤーロープの長さを測定するワイヤーロープ長測定手段と、
前記結晶質量測定手段で測定した種結晶および単結晶の質量と、前記ワイヤーロープ長測定手段で測定したワイヤーロープの長さとを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよびワイヤーロープの自転角θを演算する演算手段と、
を更に備え、
前記第２の回転停止手段は、前記ワイヤーロープが、前記自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、前記自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件で回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
原料物質の融液に対しワイヤーロープの先端に設置した種結晶を接触させ、該種結晶を、第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して前記ワイヤーロープを回転させることで回転させると共に、引き上げ機構で引き上げる工程と、
前記種結晶の引き上げ中に、異常発生検出手段で異常の発生の有無を検出する工程と、
を含む単結晶製造方法であって、
前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出されなかった場合には、第１の回転停止手段で、前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させ、
前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出された場合には、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力へと切り替え、その後、第２の回転停止手段で、前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させる
ことを特徴とする、単結晶製造方法。
【請求項５】
前記第２の回転停止手段で、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項４に記載の単結晶製造方法。
【請求項６】
前記第２の回転停止手段で前記ワイヤーロープの回転を停止させる際に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、ワイヤーロープの自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件でワイヤーロープが回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項４に記載の単結晶製造方法。
【請求項７】
前記角減速度は一定であることを特徴とする、請求項５または６に記載の単結晶製造方法。
【請求項１】
第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して、先端に種結晶を有するワイヤーロープを回転させるための第１の回転手段と、
前記種結晶上に単結晶を成長させながら該種結晶および単結晶を引き上げるための引き上げ手段と、
前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第１の回転停止手段と
を具える単結晶製造装置において、
該単結晶製造装置は、
前記ワイヤーロープの回転時に異常の発生を検出する異常発生検出手段と、
前記異常発生検出手段が異常の発生を検出した際に、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力を利用して、前記ワイヤーロープを回転させるための第２の回転手段と、
前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させるための第２の回転停止手段と、
前記異常発生検出手段が異常を検出したとき、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から前記第２の動力源の回転出力へと切り替える切替手段と
を更に備えることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記第２の回転停止手段は、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
引き上げた前記種結晶および前記単結晶の質量を測定する結晶質量測定手段と、
引き上げた前記種結晶および前記単結晶を懸吊しているワイヤーロープの長さを測定するワイヤーロープ長測定手段と、
前記結晶質量測定手段で測定した種結晶および単結晶の質量と、前記ワイヤーロープ長測定手段で測定したワイヤーロープの長さとを用いてワイヤーロープの自転モーメントＭおよびワイヤーロープの自転角θを演算する演算手段と、
を更に備え、
前記第２の回転停止手段は、前記ワイヤーロープが、前記自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、前記自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件で回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項４】
原料物質の融液に対しワイヤーロープの先端に設置した種結晶を接触させ、該種結晶を、第１のクラッチを介して伝達される第１の動力源の回転出力を利用して前記ワイヤーロープを回転させることで回転させると共に、引き上げ機構で引き上げる工程と、
前記種結晶の引き上げ中に、異常発生検出手段で異常の発生の有無を検出する工程と、
を含む単結晶製造方法であって、
前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出されなかった場合には、第１の回転停止手段で、前記第１の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させ、
前記種結晶の引き上げ中に前記異常発生検出手段で異常の発生が検出された場合には、前記ワイヤーロープを回転させるために利用する回転出力を、前記第１の動力源の回転出力から、第２のクラッチを介して伝達される第２の動力源の回転出力へと切り替え、その後、第２の回転停止手段で、前記第２の動力源の回転出力を利用して回転させている前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させる
ことを特徴とする、単結晶製造方法。
【請求項５】
前記第２の回転停止手段で、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項４に記載の単結晶製造方法。
【請求項６】
前記第２の回転停止手段で前記ワイヤーロープの回転を停止させる際に、ワイヤーロープの自転モーメントＭ：２３．５Ｎ・ｍｍ以上（Ｍ≧２３．５Ｎ・ｍｍ）と、ワイヤーロープの自転角θ：４０°以上（θ≧４０°）との少なくとも一方を満たす条件でワイヤーロープが回転している場合には、０．５３ｒａｄ／ｓ２以下の角減速度で前記ワイヤーロープの回転を減速して停止させることを特徴とする、請求項４に記載の単結晶製造方法。
【請求項７】
前記角減速度は一定であることを特徴とする、請求項５または６に記載の単結晶製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−３７６８０（Ｐ２０１１−３７６８０Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８７８５１（Ｐ２００９−１８７８５１）
【出願日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【出願人】（３０２００６８５４）株式会社ＳＵＭＣＯ (1,197)
【Ｆターム（参考）】
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