2014 Fiscal Year Research-status Report
高品位結晶育成のための融液流動制御と流れの直接測定
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26420151
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
岩本 光生 大分大学, 工学部, 准教授 (80232718)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | チョクラルスキー法 / 回転磁場印加 / 垂直磁場－電流印加 / 超音波パドップラー法 / 液体金属 / 導電性流体 / 数値解析 / 流れの測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は半導体用シリコン単結晶の育成や製鉄などで高品位結晶を育成する場合に重要となる液体金属の流れを，「回転磁場」や「静磁場－電流」印加により制御ための研究である。
液体金属は低い粘性と高い熱伝導率のため複雑な流れを呈するが，この流れの測定は融液が高温で光学的に不可視であるため難しい。このため本研究では試験流体として低融点金属のガリウムを用い，半導体用シリコン単結晶の育成方法であるチョクラルスキー法を模擬した装置を用い，結晶とルツボの温度差に起因する自然対流と，結晶棒の回転に起因する強制対流が共存する系に回転磁場を印加し，このときの流れを超音波ドップラー法により測定した。超音波ドップラー法では流体内にトレーサー粒子を混入し，流体に入射した超音波が粒子から跳ね返ってくるまでの時間で距離を，位相のずれから速度を求めることにより速度分布が得られる。本年度は初年度として，下記の実験のための装置の製作と性能確認を行った。
（１）回転磁場印加実験
水平磁場を印加するため２枚の希土類磁石を対向させて設置し，これをモーターで回転させることにより回転磁場の印加した。この磁場回転数・磁束密度を変化させ，このときの流れを超音波ドップラー法で測定した。この結果，回転磁場により十分な旋回流が得られること，これによる遠心力により軸方向流れの制御も可能なこと，また回転磁場は水平磁場に対し強い流れの制御効果が得られることが示された。
（２）垂直磁場－電流印加実験
ルツボ外周に置かれたソレノイドコイルにより融液に垂直磁場を印加した状態で，融液中央から外周のルツボ方向に電流を流すことにより回転磁場と同様な旋回流を生じさせる実験を行った。これにより，回転磁場より簡便なこの方法でも十分な旋回流が得られること，また中央電極付近が駆動力の中心となるため，回転磁場とは異なった流れとなることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は初年度として融液にチョクラルスキー法を模擬した磁場印加実験装置を製作し，融液（ガリウム）に「回転磁場印加」および「垂直磁場－電流印加」を行い，装置の動作確認と，超音波ドップラー法による流れの測定を行った。
１．回転磁場印加実験：製作した装置が正常に働くことを確認した。また回転磁場印加は従来のインバータと電磁石を用いた方法でなく，１対の希土類磁石をモーターで回転させることにより印加した。この利点は低い回転（1Hz以下）の回転磁場を印加することが可能なことであり，この方法でも十分な旋回流が生じることを確認した。さらに従来の水平磁場印加に対し，回転磁場により生じる旋回流の遠心力により，結晶品位に強い影響を及ぼす軸方向の流れが制御できることが分かった。また，磁場の回転方向を結晶回転と同方向や，反対方向にも変化させ，さらに磁石間距離を変化させ磁束密度も変化させた。これより流れに働く力は「磁束密度の２乗×回転数」で整理できることが分かった。
２．垂直磁場－電流印加実験：ルツボ外周に設置したソレノイドコイルに通電することにより垂直磁場を印加し，融液に磁場と垂直な方向に電流を印加し，これにより旋回流れを起こすことにより流れを制御するための装置（電磁石と電極以外は回転磁場印加装置を流用）を製作し，性能確認を行なった。実験では電流や磁場の強さを変え，そのときの流れを超音波ドップラー法で測定した。この結果，流れに働く力は「磁束密度×電流」で整理できることが分かった。
以上のように，装置の製作と性能確認，および基本的な流れの測定を行うことが出来たため，上記達成度とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究として，導電性流体への「回転磁場印加」および「垂直磁場－電流印加」がルツボ内流れに及ぼす影響を検討する。
１．３方向からの流れの測定：１年目の測定により，ルツボ内にはルツボと結晶の温度差に起因する自然対流と，結晶回転による強制対流と，また電磁場印加による流れが共存するため非軸対象の流れが生じており（ルツボ中央を横切る大きな渦が発生），それが回転するため周期的な流れと温度の変動が生じていることが分かった。しかし超音波ドップラー法による流れの測定では，超音波発信器から送信したパルス波の進行方向の１次元的な速度分布しか測定できない。このため３方向から流れを測定することにより，ルツボ内の立体的な流れと，その時間変化を測定する。
２．数値解析による検討：ルツボ内の流れの詳細，特に垂直磁場－電流印加実験では電極付近に強いローレンツ力が生じるため，これらを数値解析的に検討し，実験との比較を行う。これにより回転磁場印加などでの流れを予測するための基礎を確立する。
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Research Products
(6 results)
