JP4486889B2 - 単結晶インゴットを成長させる方法及び結晶引上げ装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

（発明の背景）
本発明は、単結晶半導体材料を成長させる方法及び結晶引上げ装置、特に所望の欠陥特性を有する結晶又はインゴットを成長させる方法及び結晶引上げ装置に関する。

近年、固化温度からインゴットを冷却する際に、結晶引上げ装置（又は場合によってホットゾーンとも称する）内の単結晶シリコンに多くの欠陥が生じるということが認識されている。特に、インゴットが冷却される場合に、その温度以下では所定の濃度の真性点欠陥は臨界的に過飽和の状態となる特定の閾値温度(threshold temperature)まで、シリコン格子内に真性点欠陥、例えば結晶格子空孔又はシリコン自己格子間原子は溶解された状態で残される。その閾値温度以下まで冷却されると、反応又は凝集事象(reaction or agglomeration event)が起こり、凝集真性点欠陥が生じる。

シリコン内におけるこれら真性点欠陥の最初の濃度及び方は、インゴットが固化温度（例えば、約１４１０℃）から約１３００℃以上の温度（例えば、約１３２５℃、１３５０℃又はそれ以上の温度）へ冷却される際に決まる。即ち、これらの欠陥の最初の型及び最初の濃度は、比ｖ／Ｇ_０［ここで、ｖは成長速度であり、Ｇ_０はこの温度範囲での結晶の平均軸方向温度勾配である。］によって制御される。一般に、自己格子間原子が優勢な成長から空孔優勢な成長への遷移(transition)は、ｖ／Ｇ_０の臨界値の近くにて起こる。その値は、現在利用できる情報に基づけば、約２．１×１０^−５ｃｍ^２／ｓＫ［Ｇ_０は、上記規定の温度範囲内で軸方向温度勾配が一定である条件にて測定される。］と考えられる。従って、プロセス条件、例えば成長速度（これはｖに影響する）、並びにホットゾーンコンフィグレーション（これはＧ_０に影響する）を制御することによって、単結晶シリコン内における真性点欠陥が主として空孔（空孔が優勢）であるか（この場合、一般にｖ／Ｇ_０は臨界値よりも大きい）、又は主として自己格子間原子（自己格子間原子が優勢）であるか（この場合、一般にｖ／Ｇ_０は臨界値よりも小さい）を決めることができる。

結晶格子空孔の凝集に関連する欠陥、又は空孔型真性点欠陥には、Ｄ欠陥、フローパターン欠陥(ＦＰＤｓ)、ゲート酸化膜耐圧(ＧＯＩ(Gate Oxide Integrity))欠陥、クリスタルオリジネーテッドパーティクル欠陥（ＣＯＰ)(結晶由来パーティクル欠陥）、クリスタルオリジネーテッドライトポイント欠陥（ＬＰＤ)(結晶由来ライト点欠陥）、および、赤外線散乱技術（例えば走査赤外線鏡検法及びレーザー走査断層撮影法）によって観察されるある種のバルク欠陥等の観察可能な結晶欠陥が含まれる。過剰な空孔の領域には、酸化誘起積層欠陥(ＯＩＳＦ)(oxidation induced stacking faults)を生じるための核として作用する欠陥も存在する。この特定の欠陥は、過剰空孔の存在によって引き起こされる高温核形成酸素析出物(high temperature nucleated oxygen precipitate)であると考えられている。

シリコン自己格子間原子の凝集に伴う欠陥は、Ａ欠陥及びＢ欠陥（しばしば、Ａ型スワール欠陥(swirl defect)及びＢ型スワール欠陥とも称される）として、そのような観察可能な結晶欠陥を有する。Ａ欠陥は、自己格子間原子が関連する転位ループであると報告されている。Ｂ欠陥は、３次元的格子間原子の凝集であると報告されている。

単結晶シリコンの中に溶質(solute)として存在する点欠陥に加えて、多くの不純物、例えばドーパント及び酸素もチョクラルスキー法（Ｃｚ）シリコン中に溶質として存在しており、並びに、凝集した真性点欠陥（例えば、Ａ欠陥、Ｂ欠陥及びＤ欠陥並びにＯＳＦ核並びにＯＳＦ）又は場合によっては真性点欠陥と共同して凝集した欠陥の生成にも影響を及ぼし得る。凝集した欠陥は、チョクラルスキー法（Ｃｚ）シリコン中に独立の相として存在し、Ｄ欠陥、Ａ欠陥、Ｂ欠陥、ＯＳＦ核及びＯＳＦ、酸化物、窒化物、ケイ化物及びその他の析出物を含み得る。凝集した欠陥の生成及び分配は、メルト／結晶界面での成長条件、及びチョクラルスキー法（Ｃｚ）シリコン内の各部分の時間−温度（又は熱）履歴の関数である。

図３を参照すると、凝集欠陥の生成には、種々の物理的及び化学的プロセスが関与する。しかしながら、単純化の意味で、結晶内で所定の温度範囲での速度制御工程の組合せを特定することができる。例えば、それぞれが主たる役割を果たす温度範囲及び凝集欠陥の生成についてのいくつかの重要な工程を特定することができる。それらの工程には、以下の工程が含まれる：
１）点欠陥の併合(incorporation)：点欠陥の拡散と再結合との間の相互作用によるメルト／結晶界面に非常に近いところでの新しい点欠陥の分布の形成に関連する。メルト／結晶界面での結晶中の軸方向温度勾配（Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ）の大きさ及び結晶成長速度（平均的な意味での結晶引上げ速度、ｖ）を制御することによって、最初の点欠陥の型及び界面から短い距離の範囲内での濃度を制御することができるということが示されている。
２）外方拡散及び再結合：この相の間、真性点欠陥（シリコン自己格子間原子及び／又は結晶格子空孔）は結晶表面へ外方拡散したり、又はシリコン自己格子間原子及び結晶格子空孔が互いの方へ拡散して相互に再結合して消滅したりし得る。
３）核形成：優勢な点欠陥の十分な過飽和によって核形成（広い、生成）が起こる。空孔の凝集は、一般に、約１２７３°Ｋ〜約１４７３°Ｋ、約１２９８°Ｋ〜約１４４８°Ｋ、約１３２３°Ｋ〜約１４２３°Ｋ、又は約１３４８°Ｋ〜約１３９８°Ｋの範囲の温度で起こる。この温度範囲での冷却速度の制御が、凝集空孔欠陥の密度に影響を及ぼす。シリコン自己格子間原子の凝集は、一般に、約１３７３°Ｋ〜約１０７３°Ｋ又は約１３２３°Ｋ〜約１１７３°Ｋの範囲の温度で起こる。結合した空孔濃度の低下と共に、空孔の優勢な核形成が起こる温度は低下する。換言すれば、空孔濃度が低下すれば、核形成速度が低下し及び核形成が生じる温度も低下する。
４）成長：核形成に続いて安定な核形成の成長が生じる。
５）酸素析出物：空孔の存在下で、酸素は核形成して、約１３２３°Ｋ〜約９７３°Ｋの範囲で徐々に成長することができる。空孔の存在下で酸素析出物は増加する。即ち、結晶格子空孔及び酸素格子間原子は共に凝集して、酸素析出物核を生じたり、十分に大きい場合には酸素析出物を生じ得る。
６）不純物析出：他の不純物は、析出物の中でウェル(又は井戸(well))としての役割を果たすことができる。この工程のための温度範囲は、不純物の種類及び濃度に依存する。

図４は、結晶中の欠陥動力学のシーケンス的性質を示す成長中の結晶の模式図である。このシーケンスで、結晶セグメントは、初期点欠陥の併合（Ｉ）、拡散及び再結合（ＤＲ）、核形成（Ｎ）及び成長（Ｇ）を経る。酸素析出物（ＯＰ）は、核形成及び成長の間に生じる。結晶成長速度及びメルト／結晶界面での結晶の温度勾配は、初期点欠陥の併合に関して重要な役割を果たすということが明らかである。その後のプロセス、例えば核形成及び成長は、局部的冷却速度、即ち真性点欠陥の初期併合に続く結晶の熱履歴(thermal history)によって影響を受ける。成長の間、局部的冷却速度は、式：ｖ×Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}［式中、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}は、局部的温度勾配である。］によって与えられる。従って、結晶中の温度プロファイルは、すべての析出物の成長及び核形成速度を制御するために重要である。

多くの用途において、その後にスライスされてシリコンウエハとなるシリコン結晶の全体又は一部は凝集欠陥を実質的に有さないことが好ましい。欠陥を有さない又は欠陥が制御されたシリコン結晶を成長させるにはいくつかの方法（又はアプローチ）がある。１つの方法では、ｖ×Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}を制御して、真性点欠陥の最初の型及び濃度を決定する。続く熱履歴は拡散時間が長くなるように制御して、真性点欠陥の濃度を抑制し、結晶の全体又は一部に凝集真性点欠陥が生成することを防止する。例えば、米国特許第６,２８７,３８０号；同第６,２５４,６７２号；同第５,９１９,３０２号；同第６,３１２,５１６号；及び同第６,３２８,７９５号を参照されたい（これらの開示事項の全体は参照することにより本明細書に組み込まれる）。急速冷却されたシリコン（ＲＣＳ）成長プロセス(rapidly cooled silicon growth process)としばしば称されるもう１つ方法では、比ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}を制御して、真性点欠陥の最初の型及び濃度を決定する。凝集真性点欠陥の生成を防止するために目標核形成温度を通過させて結晶を急速冷却するように、その後の熱履歴を制御する。このアプローチは、凝集真性点欠陥の生成を防止するために目標核形成温度を通過して結晶を急速冷却する前に、真性点欠陥の濃度を低下させるように、核形成温度以上での冷却を長く行うことを含むこともある。例えば、2001年3月29日に、国際公開第WO01/21861号として刊行された国際出願PCT/US00/25525を参照されたい（その開示事項の全体は参照することにより本明細書に組み込まれる）。同様の方法で、成長条件ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}及び目標核形成温度を通過する冷却速度は、インゴットから得られる単結晶シリコンウエハ中の空孔に関連する凝集欠陥の寸法、及びある場合にはその密度、及び場合によっては残存する空孔濃度を制限するように制御される。例えば、2002年8月29日に、国際公開第WO02/066714号として刊行された国際出願PCT/US02/01127を参照されたい（その開示事項の全体は参照することにより本明細書に組み込まれる）。

しかしながら、シリコンが使用されることになる用途に応じて、上述のいずれかの欠陥を有するシリコンを製造することが許容されたり、又は場合によっては望まれたりし得る。即ち、全体又は一部がＤ欠陥、ＯＳＦ、ＯＳＦ核、Ｂ欠陥若しくはＡ欠陥又はそれらの組合せを含む材料を製造することが許容されたり、又は望まれたりすることがある。例えば、ある用途では、結晶の全体にＤ欠陥が生じる条件下で、シリコン結晶を成長させることがある。そのようなＤ欠陥を含む結晶からスライスされたシリコンウエハは、その後ウエハの表面領域からＤ欠陥を除くための熱アニーリングに付さたり、又はウエハの表面へのエピタキシャル層の析出によってＣＯＰが充填される際にウエハの表面にＤ欠陥が現されるエピタキシャル析出プロセスに付されたりし得る。他の用途では、結晶の全体にＢ欠陥が生成する条件下で、結晶を成長させることが望ましい場合もある。そのようなＢ欠陥を有する結晶からスライスされたシリコンウエハは、ラピッド・サーマル・アニーリング工程(rapid thermal anneals)に付されて、Ｂ欠陥を消滅させることもできる。例えば、2001年3月29日に、国際公開第WO01/21865号として刊行された国際出願PCT/US00/25524を参照されたい。

（発明の概要）
この発明は、所望の欠陥特性を有する単結晶シリコン結晶を成長させるための方法及び装置に関する。特に、本発明は、凝集欠陥の生成及び拡散の制御に関連のある種々の温度範囲での結晶セグメントの時間−温度履歴及びメルト／結晶界面の近くでの成長パラメータｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}を制御するための方法及び装置を提供する。

本発明の１つの要旨において、チョクラルスキー法によって単結晶シリコンインゴットを成長させるための結晶引上げ装置は、ハウジングと、半導体原材料メルトを収容するためのハウジング内のルツボとを有している。結晶引上げ装置は、ルツボを加熱するためのルツボに隣接する側方ヒータ、及びメルトの上側表面から成長するインゴットを上方に引上げるための引上げ機構を有している。メルトの上側表面の一部は、インゴットの成長中に露出した状態を保っており、一定の領域（又は面積）を有している。メルト熱交換器はインゴットを包囲するような寸法及び形状に形成され、メルトの露出する上側表面部分に隣接して設けられる。メルト熱交換器は、メルトの露出する上側表面部分に面するように設けられる熱源を有している。熱源は、メルトの上側表面での熱伝達を制御するために、メルトの上側表面の露出する部分の面積の少なくとも３０％の寸法でメルトに熱を輻射する面積を有している。メルト熱交換器は、上側表面の露出する部分における熱損失を低減することに適合化されている。

もう１つの要旨において、本発明の結晶引上げ装置において使用するためのリフレクタ・アッセンブリは、メルトの上方に設けられるカバーであって、インゴットがメルトから引き上げられる際にインゴットを包囲するような寸法及び形状の中央開口部を有するカバーを有する。結晶熱交換器は、前記カバーの少なくとも一部の内側に取り付けられており、メルトの上方に配されること、及びインゴットを実質的に包囲することに適合化されて、メルト／結晶界面に隣接する成長中のインゴットの第１のセグメントを冷却することができる。メルト熱交換器は、前記カバーの少なくとも一部の内側に取り付けられており、メルトの表面での熱伝達（又は熱移動）を制御するように、メルトの表面近くでインゴットを包囲することに適合化されている。

更にもう１つ要旨において、結晶引上げ装置に用いるリフレクタは、メルトの上方に配置される結晶熱交換器であって、メルト／結晶界面の近くで成長するインゴットの第１のセグメントを冷却するためにインゴットを実質的に包囲する寸法及び形状に形成された結晶熱交換器を有している。結晶熱交換器の上方には下側結晶ヒータが設けられており、インゴットの第２のセグメントを所定の温度に保つためにインゴットを実質的に包囲している。

更にもう１つ要旨において、結晶引上げ装置は、メルトの上側表面の露出する部分に隣接して設けられ、インゴットを包囲するような寸法及び形状の環状のメルト熱交換器(annular melt heat exchanger)を有するリフレクタを有している。熱交換器は、メルトの上側表面の露出する部分に面するように設けられる熱源であって、メルトの上側表面の露出する部分の５０ｍｍ以内に設けられる熱源を有している。熱源は、メルトの上側表面の露出する部分の面積の少なくとも４０％の寸法の面積を有しており、メルトの上側表面での熱伝達を制御する。メルト熱交換器は上側表面の露出する部分における熱損失を低減することに適合化されており、結晶熱交換器はメルトの上方に設けられるような寸法及び形状に形成されており、成長するインゴットの第１のセグメントを冷却するためにインゴットを実質的に包囲している。

本発明のもう１つ要旨は、単結晶インゴットを成長させる方法に関する。この方法は、ルツボ内で半導体原材料のメルトを形成すること、前記半導体原材料が単結晶シリコンインゴットへと固化するように、メルトの表面から半導体原材料を引き上げること、及び前記メルトの上側表面の露出する部分に面して設けられている熱源を用いて、該メルトの表面での熱伝達を選択的に制御することを含んでなる。前記熱源は、メルトの上側表面の露出する部分の面積の少なくとも３０％の寸法のメルトに熱を輻射する面積（又は領域）を有している。

単結晶インゴットを成長させるもう１つ方法は、メルトから成長するインゴットを上方へ引き上げることを含んでなる。引上げ装置は、ルツボに隣接してルツボを加熱する側方ヒータ、及びメルト表面の露出する部分の少なくとも３０％に面して該露出する部分を加熱するメルト熱交換器を有している。この方法は、側方ヒータ及びメルト熱交換器の温度を制御して、インゴット内の欠陥の生成を制御することを更に含んでなる。

単結晶インゴットを成長させる更にもう１つの方法は、メルト／インゴット界面において温度場を操作することによって、界面における軸方向温度勾配を制御することを含んでなる。

単結晶インゴットを成長させる更にもう１つの方法は、メルト熱交換器及び側方ヒータから輻射する熱を制御して界面形状を制御すること、並びに、下側ヒータから輻射する熱を制御して成長するインゴットの各セグメントの熱履歴を制御することを含んでなる。

本発明のその他の目的及び特徴については、以下の記載によって一部は指摘し、及び一部は明らかにすることになる。図面を参照するにあたって、図面全体を通じて、対応する部材には対応する参照符号を付している。

（好ましい態様についての詳細な説明）
図１を参照すると、新しい結晶引上げ装置ＣＰ(crystal puller)は、ハウジングＨ、及び該ハウジング内で半導体原材料（例えば、シリコン）のメルトＭを収容する石英ルツボＣＲを有してなる。ハウジングに取り付けられ、及びルツボに向かって延びるように適応している引上げ機構Ｐ（好適には、シャフト又は引っ張りワイヤである）は、メルトから固体単結晶インゴット又は結晶Ｃを連続的に引き上げることに適応している。ハウジングＨの成長チャンバーの中に好適に取り付けられているチューブ状のグラファイト・リフレクタＲ（又は熱遮蔽材(heat shield))は、好適にはグラファイト製であって、成長中の結晶を包囲する寸法及び形状の中央開口部を有している。カバーＧＣの中には環状のメルト熱交換器ＭＨＥが設けられており、露出するメルト表面ＭＳに面している。メルト熱交換器ＭＨＥは熱源、例えば電気ヒータを有している。メルト熱交換器ＭＨＥは、熱吸収構造(heat absorption structure)をも有している。カバーＧＣの中には結晶熱交換器ＣＨＥ（又は作動型の冷却ジャケット）も設けられており、成長中の結晶Ｃに面して結晶Ｃを包囲している。結晶熱交換器ＣＨＥは、メルト熱交換器ＭＨＥの上方であって、メルト／結晶界面Ｆのできるだけ近くに配置されて、結晶熱交換器ＣＨＥが界面近くの結晶セグメントを冷却する（又は前記結晶セグメントから熱を取り出す）ことが望ましい。結晶熱交換器ＣＨＥは常套の冷却流体（一般には水）によって冷却されるが、その他の熱伝達媒体を使用することもできる。結晶熱交換器ＣＨＥはヒータを有することもできる。１つの態様において、メルト熱交換器の温度（及び得られる熱伝達容量(heat transfer capacity)）は、その中を通る電流（又は電力）を調節することによって制御される。結晶熱交換器ＣＨＥの温度は、冷却媒体の温度及び流量を調節することによって適切に制御される。

リフレクタＲのカバーＧＣの内部には、断熱材ＩＮＳ(insulation)を充填し、又は少なくとも部分的に充填することができ、例えば、露出するメルト表面ＭＳ（メルトの露出する上側表面部分）と結晶の外側表面との間での輻射的熱移動を防止する。場合によって、メルト熱交換器ＭＨＥと開放メルト表面ＭＳとの間に適当な熱伝導率の断熱材ＩＮＳを配置して、メルト熱交換器ＭＨＥとメルト表面ＭＳとの間での熱移動を更に制御（例えば防止）することもできる。結晶熱交換器ＣＨＥと結晶Ｃとの間にも所望の熱伝導率の断熱材ＩＮＳが配置される。メルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥの温度を操作することに加えて、又はそれに代えて、断熱材ＩＮＳの熱伝導率を適切に選択して熱移動を制御することもできる。断熱材ＩＮＳの熱伝導率、厚さ及び材料は、所望する熱移動に対応するように選択することができる。メルト熱交換器ＭＨＥは、制御可能な半径方向及び／又は軸方向の出力プロファイルを有するように構成することができ、結晶熱交換器ＣＨＥも同様に、制御可能な軸方向及び／又は半径方向の冷却プロファイルを有するように構成することができる。図１からも理解できるように、本発明の引上げ装置におけるリフレクタＲの厚みは、常套の（又は従来の）リフレクタの厚みよりもかなり厚く設けられている。リフレクタＲは、その高さの大部分にわたって比較的一定の内側直径及び外側直径を有しており、少なくとも２００ｍｍ、３００ｍｍ、４００ｍｍ又は態様例によっては少なくとも５００ｍｍのリフレクタ厚みが設けられている。断熱材の実質的な部分は、リフレクタＲの厚みとほぼ同程度である。

露出するメルト表面ＭＳからの熱損失(heat loss)は、ルツボ温度Ｔ_ｃｒを著しく増加させることなく、Ｇ_ｌ,ｆ,ｚ（界面における負のメルト側温度勾配）を増加させるようにメルト熱交換器ＭＨＥを操作することによって、積極的に制御することができる。露出するメルト表面ＭＳの上方における環境、従ってメルトが「接する(see)」環境の有効温度を積極的に制御することによって、積極的制御を行わないシールド及びリフレクタを用いる従来技術の引上げ装置よりも、メルト表面からの熱損失をより有効に制御することができる。メルト表面が従来技術の引上げ装置のようなリフレクタ材料及び断熱材料によって単に被覆されている場合には、有効温度以上での積極的な制御はない。従って、この態様例では、メルト熱交換器ＭＨＥ内に設けられた作動型の熱源によって、開放したメルト表面ＭＳからの熱損失のより積極的な制御が達成される。

メルト熱交換器ＭＨＥの作動型（又は能動型）の熱源は、メルト表面をできるだけ覆うか又は対面するような寸法とすることができる。熱源は、露出するメルト表面ＭＳ（露出する上側表面）の面積の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも４０％、より好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも６０％、及び更により好ましくは７５％の寸法の面積を有している。露出するメルト表面の適切な面積には、結晶Ｃによって占められる部分は含まれないということに注意されたい。熱源はメルト表面の反対側に設けられ、１つの態様例では、熱源はメルト表面に対して全体として平行に延びて設けられている。熱源又はその一部が、本発明の範囲内において、メルト表面に対して相対的に角度付けされていてもよい。熱源は、特に熱源の下側表面は、メルト表面の近く、例えば１００ｍｍ以内、５０ｍｍ以内、及び場合によっては３０ｍｍ以内に設けられる。
メルト熱交換器ＭＨＥ熱源と露出するメルト表面ＭＳとの間の間隔は、メルトＭが消耗するにつれて変動し得るということに注意されたい。ルツボＣＲは、一般に、結晶が成長する間、その間隔の変動を減らすように、好適な手段によって上方へ移動させられるが、リフレクタＲ又はその要素も同様に動かすように意図することもできる。所望の生成物を製造するように、結晶引上げ装置ＣＰの構成部材は、所望の生成物を製造するために加えたり除いたりすることが必要ではないことが好ましい。しかしながら、結晶成長の間、各部材が必ずしも能動的であったり、作動状態にあったりしなくてもよい。

メルト熱交換器ＭＨＥを操作することによって、開放するメルト表面ＭＳからの熱損失を低減させる傾向があるが、結晶表面への熱移動を増加させる傾向も有している。それによって結晶温度が増大し、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ（メルト／結晶界面における負の結晶側温度勾配）が低下する。そのような増加は引上げ速度を低下させ、従って生産性を低下させ得る。結晶熱交換器ＣＨＥの操作は、メルト熱交換器ＭＨＥの効果を補償すべきであり、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚを増大させる役目を果たす。結晶熱交換器ＣＨＥの冷却能に応じて、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚの増大を比較的大きくして、生産性を著しく向上させることもできる。メルト熱交換器ＭＨＥと結晶熱交換器ＣＨＥとの間の熱移動経路は、メルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥをそれぞれ相対的に独立して操作（又は制御）することができるように、断熱されていることが好ましい。更に、結晶Ｃ上の結晶熱交換器ＣＨＥの利点（従って冷却効果）は、結晶熱交換器ＣＨＥとメルト熱交換器ＭＨＥとの間の熱移動を最小にすることによって有効に利用することができる。

従来の結晶引上げ装置と比較した場合の、本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおけるメルト側温度勾配の関数としてのルツボ温度の変動を、定性的に図５Ａに示す。図５Ｂは、同様の結晶引上げ装置についての側方ヒータ出力を示している。結晶セグメントにおいて所望の微小欠陥分布を達成するために重要なファクターには、メルト／結晶界面Ｆにおいて比ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}を制御すること、比ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向の変動を制御すること、及びセグメントの時間−温度又は熱履歴を制御することを含む。

（メルト／結晶界面における成長条件：全体的な温度場制御）
結晶成長は動力学的プロセスである。結晶の成長に合致するのに必要な条件には、以下のエネルギー収支がある：
界面において(＠interface)

［式中、Ｔは温度、αは熱伝導率、（−ΔＨ）は溶融のエンタルピー、ｖは引上げ速度、｛ｎ｝は界面に対して垂直な（従って法線方向の）単位ベクトル、及びｑは熱流束である。］
下付き文字ｓは固体（結晶）を意味し、下付き文字ｌは液体を意味し、下付き文字ｆは界面条件を意味し、並びにｎは法線方向を意味し、及び下付き文字ｆｕｓｉｏｎは溶融状態であることを意味する。上記の式（１）は、メルト側の伝導熱及び固化によって発生する熱の総和は、結晶Ｃを通る伝導によって移動するということを示している。この収支によって、結晶Ｃはたとえ高温であっても熱パイプ(heat-pipe)として作用しないこと、及び結晶を通る熱移動のモードは熱伝導であることが推測される。

このセクションでは、簡単のために、式（１）の１次元解析を行う。しかしながら、１次元解析は、多次元解析問題に意味深い見通しを提供する。１つの１次元解析では、式（１）は次のように表せる：
界面において(＠interface)

式（２）を再度書き換えると、次のように表せる：

式（３）が意味していることは、所定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}について、界面におけるメルト側温度勾配Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}が０に等しい場合に、最大の引上げ速度を達成することができるということである。実際の目的のためには、所定の結晶側温度勾配についての最大となる引上げ速度について、メルトＭは等温とすべきである。以下、本明細書において、特に示さない限り、勾配(gradient)という用語は軸方向の勾配を意味する。界面におけるｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の最大値は、Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}＝０と設定することによって得られる：

［式中、下付き文字ｍｘは最大値(maximum value)を意味する。］
従って、（ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）_ｍｘは一般に材料特性の関数であって、シリコンについてこの値は、０．５〜１の範囲の値である。この範囲の幅は、シリコンの融解熱について報告されている数値内での変動によって求められる。

式（３）は、界面における所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}について、無限の解を有している。このことは、界面において、所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}についてＧ_{ｌ，ｆ，ｚ}を変化させて、結晶を成長させる結晶引上げ装置の構成には、無限の変化（バリエーション）が存在するということを意味する。図６を参照して、ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}対Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}のグラフ上に解をプロットすることができる。一定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の点を結ぶと、一定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}のラインの群が示される。各ラインは、一定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}について式（３）によって与えられる直線を示している。各ラインの切片は（ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）_ｍｘを表しており、傾きは、

に等しい。このラインの傾きが小さくなると、温度勾配は大きくなる。引上げ速度は一定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}ラインに沿って変動する。一定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}ライン及びｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}軸の交点へ向かう移動は、増大する引上げ速度を示しており、この交点から遠ざかることは、引上げ速度を低下することを示している。このようにして引上げ速度を変化させることによって、ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の値が変化するということが明らかである。従って、欠陥制御された結晶の生産性又は引上げ速度は、この方法では向上させることができない。

欠陥制御された結晶（例えば、Ｄ型以外の、完全な、半完全な及び急速冷却されたシリコンＲＣＳ）の生産性を向上させるためには、引上げ速度を増大させながら、ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の値を比較的一定に保つことが有用であると考えられる。図７は、図６に描いた一定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}のラインを示している。所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}について生産性（引上げ速度）を増大させることには、一定のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}のラインを越える移動が関連する。従って、所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}について、引上げ速度を増大させると、メルト／結晶界面Ｆにおけるメルト側温度勾配Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}が増大する。界面において高いメルト側温度勾配で操作すると、従来型の結晶引上げ装置では問題が生じる。この問題は、図８に示すように、メルトＭ、結晶Ｃ、ルツボＣＲ及び側方ヒータＳＨのみを有する結晶引上げ装置の模式図を用いると、説明することができる。メルト／結晶界面Ｆでは、温度はＴ_ｆに固定されており、シリコンについてのその温度は１６８５°Ｋである。図８Ａに示すように、界面におけるメルト側温度勾配Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}が増大すると、メルトＭは界面から離れてより高温になる。側方ヒータ出力Ｑ_ｓｈを増加することによって、メルト温度は一般に増加する。ルツボＣＲは石英製であって、より高い温度に鋭敏であって、最高ルツボ温度Ｔ_{ｃｒ，ｍｘ}を有している。ルツボＣＲに許容される最高温度は、界面における所定の閾値メルト側勾配［Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}］_,ｔｄを越える。従って、界面における最高許容メルト側温度勾配には、最高許容ルツボ温度Ｔ_{ｃｒ，ｍｘ}に基づいて上限が設けられる。従って、所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}については、最高許容ルツボ温度Ｔ_{ｃｒ，ｔｄ}によって引上げ速度も制限される。

（開放メルトからの熱損失の効果）
本発明において、新しい結晶引上げ装置ＣＰは、所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}について、いくつかのパラメータ間で動力学的に操作することによって、従来の結晶引上げ装置と比べて、より高い引上げ速度を達成することができる。新しい結晶引上げ装置ＣＰは、ルツボ温度における変化と比べて相対的に、界面におけるメルト側温度勾配の変化を遙かに大きくすることができる。このようにして、ルツボＣＲを最高許容ルツボ温度Ｔ_{ｃｒ，ｍｘ}以下に保ちながら、界面における非常に高いメルト側温度勾配を達成することができる。従って、新しい引上げ装置では、ルツボ温度における変化に対する、界面におけるメルト側温度勾配の変化（Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}及び平均勾配）の割合が増大する。図９は、結晶引上げ装置の構成についてのその割合と品質（無単位）との関係を示す。界面におけるメルト側温度勾配とルツボ温度との間の関係がより効率的になると、結晶Ｃの引上げ速度、従って生産性を向上することができる。

一般に、ルツボ温度が高くなると、メルトＭはより高温になり、露出するメルト表面ＭＳからの熱損失も大きくなる。その熱損失は、開放メルト表面ＭＳに対して垂直な熱流束(heat flux)の増加によって、従って、開放メルト表面ＭＳにおけるメルト側温度勾配によって測定することができる。開放した又は露出するメルト表面ＭＳにおける負のメルト側温度勾配は、Ｇ_{ｌ，ｍｓ，ｚ}で示される［ここで、ｍｓは露出するメルト表面ＭＳを示す］。結晶成長プロセスにおいて、ルツボ温度は、式（１）（又は１次元の意味で式（２））を満足するメルト／結晶界面Ｆにおける条件を形成するように側方ヒータ出力を操作することによって協同的に設定することができる。しかしながら、式（１）によって表わされるように、メルトＭから結晶Ｃへ入る熱は、開放したメルト表面ＭＳからの熱損失の総和と比べると全く無視できる程度である。準定常状態(quasi-steady-state)の熱収支は、開放したメルト表面ＭＳからの熱損失が増大すると、側方ヒータから（ルツボの側部を通して）メルトＭへ入る熱も増加するということを示している。要するに、熱収支によって、側方ヒータ出力及びルツボ温度が向上する結果が得られる。従って、メルト表面ＭＳからの熱損失は、ルツボ温度の上昇を制御又は制限するように低下することが好ましい。換言すれば、ルツボ温度の変動を最小に保つためには、ルツボ温度の変化に対する、露出するメルト表面ＭＳにおけるメルト側軸方向温度勾配の変化の割合を小さくすべきである（図９参照）。従って、所定のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}について、生産性（引上げ速度）を高めながらルツボ温度を制御するための条件は、次の式（５）で示される：
ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}＝一定で

［式中、ｔｄ１及びｔｄ２は２つの制限する閾値である。］
従って、露出するメルト表面ＭＳの温度勾配は、界面におけるメルト側温度勾配とルツボ温度との組合せを制御するように操作すべきである。換言すれば、露出するメルト表面ＭＳからの熱損失は、ルツボ温度の効率的な制御を達成し、並びにそのメルト／結晶界面Ｆにおけるメルト側温度勾配への影響を達成するように協同的に制御すべきである。ルツボ温度と側方ヒータ出力との間に直接的な関係があることを考慮すると、式（５）は次の式（６）のように書き換えられる：
ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}＝一定で

［式中、ｔｄ３及びｔｄ４はそれぞれ、界面メルト側温度勾配の側方ヒータ出力Ｑｓｈに対する感受性(sensitivity)を制限する閾値、及び開放表面のメルト側温度勾配の側方ヒータ出力Ｑｓｈに対する感受性を制限する閾値である。］
物理学的意味において、式（６）は、開放したメルト表面ＭＳからの熱損失が小さくなると、結晶Ｃを成長させるために必要とされるヒータ出力が小さくなり、それに対応してルツボ温度の上昇の程度も小さくなることを表している。

（メルト／結晶界面における成長条件：併合された点欠陥制御）
上述のように、成長中の結晶の最初の点欠陥の併合(incorporation)は、少なくとも部分的に比（ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）に依存する。実際に、界面の形状は、曲線をなしている。従って、（曲線状の）メルト／結晶界面Ｆにおける温度勾配の作用は、点欠陥の併合を理解することに向けられるべきである。

（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向の変動：定性的分析）
点欠陥の併合された場における半径方向の均一性は、少なくとも部分的に、界面の形状に依存する。任意の形状の界面について、プロセスをチューニング（例えば、その要素の中で、メルト熱交換器、結晶熱交換器を制御）して、所望のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}（ｒ）を達成することが望ましい。Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向の変動を理解するため、結晶引上げ装置の線対称な２次元モデルについて、式（１）が適用される。

下付き文字ｒ及びｚは、ｒ方向及びｚ方向を示す。下付き文字fusionはメルトの固化による熱流束を示しており、下付き文字ｎは法線方向熱流束（フラックス(flux))を示している。ｎが下付き文字として用いられていない場合には、界面に垂直な単位ベクトルを示すということに注意されたい。フラックス（ｑ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の半径方向均一性が高くなると、勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の半径方向均一性も高くなるということは明らかである。メルト側方についても同じことが当てはまる。

均一な点欠陥の併合のためには、勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の半径方向均一性が望ましいことがあるので、以下の議論はこの均一性を維持することに焦点が当てる。しかしながら、界面形状を放物線に近似させることができない場合、勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）は一般に半径方向に均一な点欠陥併合のために界面に沿って変動する。従って、新しい結晶引上げ装置ＣＰは、メルト／結晶界面Ｆにおいて又はその近くで局所的温度場を変化させて、所望の予め決められた勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}(ｒ))が達成されるように制御し又はチューニングすることができる。

（曲線状の界面についての勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の変動及び半径方向均一性の制御）
界面の形状、及び半径ｒの関数として変動するその曲線形状を推測的に予測することは困難である。ある場合には、界面を平均によって近似することはできない。従って、新しい結晶引上げ装置ＣＰは、勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の最適な半径方向制御が達成されて、効率的な成長プロセスを行うことができるように、界面の形状を操作及びチューニング（又は制御）することができる。例えば一定の引上げ速度について、界面の形状を操作及びチューニングする結晶引上げ装置の能力は、他の型の結晶の中でも、欠陥制御されたシリコンを製造する方法を可能とする。

メルト／結晶界面Ｆの形状は、界面における又は界面付近での温度場（局所的温度場）の関数として変化する。メルトに入る熱の大部分は、露出するメルト表面ＭＳを通って周囲へ移動する。従って、例えばメルト熱交換器ＭＨＥ熱源等を用いて、開放したメルト表面ＭＳを通る熱移動を制御すれば、メルトＭ及び結晶Ｃにおける温度場（従って、局所的温度場）を効果的に変化させることができる。局所的温度場は一般に、シリコンが固化する際における真性点欠陥の初期濃度及び型に影響を及ぼす。局所的温度場の範囲は一般に、固化温度（即ち約１４１０℃）から約１３００℃以上（例えば、約１３２５℃、１３５０℃又はそれ以上）の温度にわたる。作動型メルト熱交換器ＭＨＥは全体的な温度場（界面から離れた場）をも変化させることができる。メルト熱交換器ＭＨＥの温度は、メルト表面からの熱流束の大きさ及び向きに影響を及ぼす。メルト熱交換器ＭＨＥの温度は、その中を流れる電流（従って、出力）を制御することによって調節することができる。メルト熱交換器ＭＨＥ出力（及び従って温度）が増すと、メルト界面からの熱損失が減少する。メルト熱交換器ＭＨＥの操作を、たとえ比較的低い出力温度であっても行うと、側方ヒータ温度を低下させることができる。一般に、メルト熱交換器ＭＨＥ出力が増大すると、必要とされる側方ヒータ出力は低下する。メルトＭの界面から離れた部分は主として側方ヒータによって加熱されるので、側方ヒータ出力を低下させ（及びそれによって側方ヒータ温度を低下させ）ると、メルト温度が、メルトの少なくとも界面から離れた部分について低下することになる。更に、メルト熱交換器ＭＨＥを操作すると、メルト／結晶界面Ｆに下方への動きを生じさせる。界面の下方への動きは、結晶熱交換器ＣＨＥの操作によっても促進することができる。従って、メルト熱交換器ＭＨＥ出力及び結晶熱交換器ＣＨＥの温度を選択的に制御し又は操作することによって、メルト／結晶界面Ｆの形状を操作及び制御することができる。界面形状の操作によって、結晶Ｃの中への軸方向熱流束の均一性及び半径方向変動を制御することができる。

増大するメルト熱交換器ＭＨＥ出力の関数としての界面形状における変動の定性的なグラフを図１０に示している。上述のように、メルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを利用して、界面において比較的高い勾配（Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ）を維持することができる。結晶熱交換器ＣＨＥによって結晶表面からの半径方向の熱移動が向上してはいるものの、メルト熱交換器ＭＨＥを所望のように操作することによって、勾配（Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ))の制御を満足できるように維持することができる。新しい結晶引上げ装置ＣＰによって、比較的高い生産性（比較的高い引上げ速度）及び界面における勾配（Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ))の制御が可能となる。界面における勾配（Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ))の半径方向の変動を、新しい結晶引上げ装置ＣＰについてのものと、従来の結晶引上げ装置についてのものと比較して、図１１に示している。新しい結晶引上げ装置ＣＰは従来の結晶引上げ装置とくらべて遙かに良好に運転することができる。

メルト熱交換器ＭＨＥを操作することには、メルトＭの全体の温度を低下させる傾向がある。メルトＭはより等温的になり、それによってメルト／結晶界面Ｆのメルト側における均一な軸方向温度勾配が促進される。メルト熱交換器ＭＨＥは側方ヒータと組み合わせられて分配された熱源を形成し、半径方向均一性を向上することができる。新しい結晶引上げ装置ＣＰは、界面における比ｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚの変動及び半径方向均一性を制御することができ、そしてルツボＣＲの温度を制限することができる。メルト熱交換器ＭＨＥ出力は、比較的低い値から中程度の値の間に保たれるべきである。メルト熱交換器ＭＨＥ出力温度が著しく高くなると、メルトＭは非常に高温になる可能性があり、そして界面はメルトＭから離れて上方へ移動し始める。しかしながら、メルトＭが非常に高温になったとしても、メルト熱交換器ＭＨＥ出力を操作することによって、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ)の半径方向の変動及び界面形状を更に制御又は調整することができる。

熱（時間−温度）履歴
（急速冷却されたシリコン（ＲＣＳ）を製造するための結晶引上げ装置）
結晶Ｃの所定の部分又はセグメントについてのメルト／結晶界面Ｆにおける成長条件は、そのセグメントにおける最初の点欠陥併合に影響する。しかしながら、その後の欠陥動力学は、結晶セグメントの熱履歴の関数である。結晶Ｃ中の温度場は、結晶Ｃが成長するに従って変化する。尤も、簡単のためには、静止したメルト／結晶界面から一定の結晶Ｃ内の位置において、結晶Ｃが成長しても温度が大きく変化することはないと推測するのが妥当である。換言すれば、すべての結晶セグメントは、同じ温度場を通過すると考えることができる。従って、結晶セグメントの時間−温度パスは、温度場及び時間の関数としての引上げ速度の履歴(history)を把握することによって得ることができる。

新しい結晶引上げ装置は、例えば、いずれかの急速冷却されたシリコンＲＣＳ生成物を満足のいくように製造することができる装置である。図１の態様で成長させた結晶Ｃの軸方向温度プロファイルを、定性的に図１２Ａに示す。図１２Ａは、軸方向温度プロファイルについて、従来の結晶引上げ装置における結晶Ｃのものと、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備する新しい結晶引上げ装置によって成長させた結晶のものとの間での比較を提供している。結晶Ｃの効率的な冷却の結果、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける結晶Ｃ内での温度降下は、メルト／結晶界面Ｆの非常に近くにて、遙かに高い程度で生じている。図１２Ｂに示すように、引上げ速度と軸方向についての負の温度勾配との積（ｖＧ_ｓ,ｚ）によって与えられる結晶セグメントの局部的冷却速度は、新しい結晶引上げ装置ＣＰについては遙かに大きい。

図１２Ｂに示すように、選ばれた欠陥の核形成温度を通る結晶冷却速度は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰについてはより高い。核形成温度は、温度曲線に対する核形成速度の最大値によって決定される。核形成温度を通る冷却速度が非常に大きい場合、あまり重要ではない核形成が一般に生じる。従って、図１２Ａ及び１２Ｂの核形成温度は、生成した核の数ではなく、核形成速度の理論的最大値を示しているに過ぎない。急速冷却シリコンＲＣＳ生成物の場合、微小欠陥の数は非常に少なくてよいが、すべての結晶セグメントは核形成速度の最大値を通る。新しい結晶引上げ装置ＣＰについての界面における勾配Ｇ_ｓ,ｆ,ｚは、従来技術の結晶引上げ装置よりもより効率的に制御することができる。従って、図１に示す新しい結晶引上げ装置ＣＰによって、実際に多用な種類の急速冷却シリコンＲＣＳ生成物を製造することができる。

図１の新しい結晶引上げ装置ＣＰは、主として界面条件の制御及び操作の問題に関する。従って、図２に示すように、この構成に追加の要素（例えばヒータ）を所望のように加えることにより、所定の結晶セグメントの時間−温度経路が制御及び操作される。

ある種の型の結晶は、対応する点欠陥種の核形成範囲以上で結晶Ｃの全体又は大部分を成長させ、その後、冷却チャンバー内でその結晶を急速冷却することによって製造される。同じく、ある種の結晶の製造装置は、点欠陥の核形成速度がその最大値に達する前に、高温ゾーンを通る結晶セグメントの滞留時間をより長くする（又は延長させる）ことに依存する。そのような滞留時間は点欠陥の著しい拡散を特徴とするので、しばしば「拡散時間(diffusion time)」とも称される。作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥのみを備えた新しい結晶引上げ装置内で成長する結晶において、軸方向温度降下は比較的大きい。換言すれば、メルト／結晶界面Ｆから離れた又は間隔をおいた結晶セグメントは、非常に急速に冷却され得る。従って、新しい結晶引上げ装置ＣＰについて何らかの修正(modification)を加えることによって、そのような結晶セグメントにおけるより高い温度を維持し又は冷却を緩和させることができる。

図２を参照すると、第２の態様の新しい結晶引上げ装置ＣＰによれば、一般に、設定温度以上で結晶Ｃを成長させ、拡散時間を延長させることができる。この第２の態様は、リフレクタＲ、メルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを含む第１の態様の要素を具備している。更に、チューブ状の下側結晶ヒータＬＨ及びチューブ状の上側結晶ヒータＵＨが設けられている。下側結晶ヒータＬＨは、結晶温度を必要とされる核形成温度以上に保つために、結晶熱交換器ＣＨＥの上方であって、カバーＧＣの内側に配置されている。図では、結晶熱交換器ＣＨＥと下側結晶ヒータＬＨとの間には殆ど間隔がないか又はごくわずかの間隔しかないように観察されるが、下側結晶ヒータＬＨと結晶熱交換器ＣＨＥとの間は離れていることが意図されている。下側結晶ヒータＬＨは、メルト熱交換器ＭＨＥと実質的に同様に電気的に加熱されるのが好ましく、その出力の制御はその中を通る電流を制御することによって行うことができる。下側結晶ヒータＬＨ及び上側結晶ヒータＵＨは制御可能な軸方向出力プロファイルを有するように構成することができ、メルト熱交換器ＭＨＥは制御可能な半径方向及び／又は軸方向出力プロファイルを有するように構成することができ、そして、上述したように、結晶熱交換器ＣＨＥは制御可能な軸方向及び／又は半径方向冷却プロファイルを有するように構成することができる。下側ヒータＬＨプロファイル及び温度は、結晶熱交換器ＣＨＥ及び目標の核形成温度範囲によって提供される冷却に典型的に依存する。

下側ヒータＬＨによって提供される熱は、延長された時間の間、界面から離れた結晶セグメントをより暖かく保って、点欠陥及びその他の不純物に延長された（又はより長い）拡散及び相互作用の時間をもたらすことができる。メルト／結晶界面Ｆからの核形成温度の軸方向位置が高ければ高いほど、拡散時間はより長くなる。更に、ある型の結晶には、点欠陥拡散及び消滅のためにより長い拡散時間と、その後の核形成温度を通る急速冷却に依存するものもある。
一般に、より長い拡散及び急速冷却は、結晶全体を核形成温度以下で成長させた後、結晶引上げ装置内に設けられた場合によって用いる冷却チャンバー（図示せず）へ移すことによって達成される。メルト／結晶界面Ｆと対応する核形成温度の軸方向位置との間の距離によって、結晶が依存する拡散時間の長さが決まる。

上側ヒータＵＨは、下側ヒータＬＨの上方に配置される。上側ヒータＵＨは、成長中の結晶の長くなった長さ、例えば長くなった拡散の間、分配された軸方向加熱のために用いられる。結晶引上げ装置ＣＰ及びリフレクタＲの、少なくとも部分的な実際の寸法的制限のために、非常に長さの長い下側ヒータＬＨを配置して、より長い結晶を成長させるために必要な軸方向分布加熱を提供できる可能性は低い。尤も、結晶成長の間、各要素は必ずしも操作することを要しない。

図１３を参照すると、作動型の（又は作動中の）メルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、上側ヒータＵＨ及び下側ヒータＬＨを用いることによって、所望する比較的フラットな軸方向温度プロファイルが結晶Ｃに存在し得る。図１３は、作動中のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰの中で成長する結晶Ｃにおける温度プロファイルと、従来の結晶引上げ装置内の結晶Ｃにおける温度プロファイルをも比較している。作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、上側ヒータＵＨ及び下側ヒータＬＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰでは、界面における勾配Ｇ_ｓ,ｆ,ｚの程度及び半径方向プロファイルは、第１の態様例の場合（図１１に示す）に匹敵する状態を保っている。

メルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、上側ヒータＵＨ及び下側ヒータＬＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰは、種々の型の結晶を成長させるために必要な結晶引上げ装置において、種々の温度場を形成することができ、多用途に用いることができる。所望する温度場に応じて、種々の熱源（メルト熱交換器ＭＨＥ、下側ヒータＬＨ、上側ヒータＵＨ）及び熱シンク（結晶熱交換器ＣＨＥ）をそれぞれ動作させたり、停止させたりすることができる。ヒータ（メルト熱交換器ＭＨＥ、下側ヒータＬＨ、上側ヒータＵＨ）の出力プロファイル及びその程度、並びに、結晶熱交換器ＣＨＥの冷却能の軸方向プロファイル及び程度はそれぞれ操作することができる。例えば、第２の態様例の結晶引上げ装置は、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨのスイッチをオフにすることによって、第１の態様例と同様の温度場を形成することができる。この新しい結晶引上げ装置ＣＰを用いることによって、種々の結晶型を製造することができる。

新しい結晶引上げ装置ＣＰの操作のモードは、作動型の熱源（各ヒータ）及び熱シンク（結晶熱交換器ＣＨＥ）によって、以下のように特定される。例えば、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び上側ヒータＵＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰとは、結晶熱交換器ＣＨＥ及び下側ヒータＬＨのスイッチをオフにした状態で、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び上側ヒータＵＨと共に結晶引上げ装置ＣＰを運転することを意味する。従って、新しい結晶引上げ装置ＣＰの運転は、結晶引上げ装置自体はＣＰと総称するものの、作動させる熱源及びシンクを特定することによって区別することができる。

（数値実験）
この新しい結晶引上げ装置ＣＰは、種々の数値実験を行うことによって検証することができる。この検討は、新しい結晶引上げ装置ＣＰの性能を従来の型の引上げ装置の性能と比較することによって行った。例えば、数値実験は、新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートし、その結果を分析することによって行った。

（モデル）
新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける成長プロセスの数値的シミュレーションに、結晶成長に関して許容できる定量的モデルを用いた。結晶成長に関して許容できるモデルには、雰囲気及びメルトＭに関する運動量収支(momentum balance)、並びに結晶引上げ装置のすべての要素に関するエネルギー収支が含まれる。結晶成長にはアルゴン雰囲気が典型的な雰囲気である。各相におけるエネルギー収支は、伝導、輻射及び対流によって規定される境界条件と組み合わせられる。エネルギー収支及び運動量収支によって形成される系の方程式は、輻射熱伝達を含む乱流について解くのは困難なことがある。ルツボの寸法が大きくなるに従って、浮力によって駆動されるメルトの流れ(buoyancy driven melt-flow)の乱流性が高くなる。このことは、今日のすべての結晶引上げ装置について実際に当てはまる。流体が乱流を呈する系であって、エネルギー転位のすべてのモードによってエネルギーが変換される多くの固体及び流体相を含む系についての直接的な数値シミュレーションは、コストが非常に高く、非実用的なことがある。従って、この数値シミュレーションに用いるのに許容できるモデルには、妥当な前提条件が含まれる。そのような前提条件には、以下の事項がある：
−系は軸対称である；
−系は準定常状態、即ち、擬似的な定常状態である；
−必要な場合には、運動量収支は有効な固体熱伝導によって近似する；
−２つの固体は完全接触する；
−開放縁部からのエネルギー移動は、輻射（又は輻射）及び対流によって起こる；
−固体／液体界面におけるエネルギー収支は、界面形状を予測する上で重要である；
−対流的熱移動係数によって、対流が程良く予測される；
−定温のDirichlet境界条件によって、計算範囲の境界がほぼ正確に示される；
−熱源及び熱シンクは、エネルギー生成速度プロファイル又は温度プロファイルのいずれかに割り当てられる。

準定常状態という前提は、計算時間をかなり節約する。結晶セグメントの熱履歴は、結晶内で安定状態の温度場を種々の長さで生じさせることによって得ることができる。結晶のすべてのセグメントはｒ及びｚが固定された温度場を通ると仮定することによって、更に簡単化することができる。この固定された温度場は、長い結晶、例えば８００ｍｍ以上のものについても計算することができる。従って、結晶長とは独立して温度場を固定することによって、問題はより簡略化される。しかしながら、結晶温度場が結晶長とは独立していると仮定することは必ずしも必要ではない。これらの温度場の間での補間によって、種々の結晶長に関する種々の疑似安定状態温度場をシミュレートすることができ、及び結晶セグメントの熱履歴を計算することができる。

メルトＭは固体と仮定することができるので、メルトＭ中のエネルギー収支を表す式は固体についての式と同じである。一般に、（メルトを含む）固体についてのエネルギー収支は、式(10)

［式中、Ｔは、上述の場合と同様に、いずれかの固体の温度、αは熱伝導率、ρは密度、Ｃ_ｐは熱容量、Ｓ_Ｈは容量発熱速度であって、熱が吸収される場合には負である。］によって与えられる。発熱項Ｓ_Ｈは、熱源及び熱シンクについてのみ存在する。固体移流(solid advection)は、固体が物理的に動く場合にのみ存在し、従って、成長しつつある結晶についてのみ当てはまる。従って、固体移流による熱移動の項｛ρＣ_ｐｖ｝・｛∇Ｔ｝は、結晶Ｃのエネルギー収支にのみ存在する。固体どうしの接触状態については、完全な接触と推定する。従って、２つの固体表面の間の法線（又は垂直）方向の流束収支は、接触状態にある２つの固体の間の境界を表している：

［式中、｛ｎ｝は、接触している表面に対して垂直な単位ベクトルである。下付き文字１及び２は、接触している２つの固体を表している。］
結晶引上げ装置内の開放系固体表面についての境界条件は、輻射熱流束と対流熱流束とによる法線方向伝導流束(normal conductive flux)の収支によって与えられる：

［式中、ｈは温度Ｔｇにおける気体雰囲気と固体との間の対流的熱伝導係数であり、εは輻射率であり、σはStefan-Boltzmann定数であり、Ｔ_ｅｆｆは固体が接触する雰囲気の有効温度である。］
灰色体(gray body)輻射熱移動と仮定して、固体の雰囲気の有効温度はGebhardtファクターの項で表される。外側冷却ジャケットによって完全に被覆されている結晶引上げ装置の外側境界は、一定の冷却水温度Ｔ_{ｃｏｏｌａｎｔ}であると仮定する。更に、その他の冷却体も冷却水温度であると仮定する：

メルト／結晶界面Ｆは、凝固温度での等温式によって規定される：

［式中、下付き文字ｓは結晶を表し、下付き文字ｌはメルトＭを表し、下付き文字ｍは溶融条件又は凝固条件を表している。］
気体、液体及び固体が互いに接触する状態で存在する三重点(tri-junction node)では、温度は凝固温度に等しいと規定される：

［式中、下付き文字ｓｌｇは三重点であることを表している。］
三重点は、メルト／結晶界面Ｆと外側の結晶表面との交点を規定する。三重点の空間的位置は決まっている。従って、融点における等温式によって規定されるメルト／結晶界面Ｆは、三重点に固定される。式（１）によって示されるように、
メルト／結晶界面Ｆを横切るエネルギー収支は、単位面積当たりの溶融による発熱速度及びメルト側からの伝導熱流束の総和と、界面を横切って結晶へ入る総伝導流束との間の釣り合いによって与えられる。
界面において(＠interface)

［式中、（−ΔＨ）は溶融のエンタルピーであり、ｖは引上げ速度であり、及びｑは熱流束である。また、下付き文字ｆは界面条件を意味し、並びに下付き文字ｎは法線方向を意味し、及び下付き文字ｆｕｓｉｏｎは溶融を意味する。］
式（１）のエネルギー収支の詳細は、上述した通りである。対称の条件によって、問題は２次元になる。

［式中、｛ｎ_ｒ｝は半径方向の単位ベクトルである。］

結晶引上げ装置内の温度場は、式（１０）〜式（１６）及び式（１）の同時解によって予測することができる。界面の形状は、三重点に固定された融点での等温式によって与えられる。

結晶引上げプロセスの間、結晶の実質的にすべての部分が結晶の準定常状態での最終的長さについて計算される結晶内の温度場を通過すると仮定することができる。この仮定は、生成した後の結晶セグメントの熱履歴の検討においてかなり正確である。しかしながら、最初の点欠陥の併合は、メルト／結晶界面Ｆにおける勾配の小さな変化に非常に敏感である。従って、結晶成長プロセスの間を通じて、界面におけるｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}条件は一定であると推定することはできない。界面において所望のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}条件を維持するためには、プロセスの調整（プロセス・チューニング(process tuning))が望ましい。従って、成長中の結晶における温度場の正確なマッピングを行うために、種々の結晶長さでの温度場についていくつかのシミュレーションを行う必要がある。しかしながら、広い意味において、結晶Ｃの最終的長さについて結晶引上げ装置内の温度場をシミュレートすることによって、プロセスの基本的理解が得られる。最良の場合で、結晶セグメントは、引上げプロセスの間でのみ、この一定の温度場を通過すると推定することができる。結晶Ｃが完全に成長した後、各結晶セグメントは全体として独特の熱履歴に付される。従って、結晶中のセグメントの熱履歴は、続くセグメントの成長によって規定される結晶引上げの間、及びその成長プロセスの後での最終冷却の間の時間−場所履歴によって計算される。従って、結晶成長の間の結晶セグメントの冷却条件は、結晶成長後の条件と比べて、異なっている。結晶成長の間、いずれかのセグメントの冷却速度は、引上げ速度と局所的軸方向温度勾配との積（ｖＧ_ｓ,ｚ）によって与えられる。結晶の成長後、セグメントの冷却速度は、エネルギー収支計算によって最もよく計算される。

最後に、すべての数値実験は、特に断らない限り、０．５ｍｍ／分に等しい引上げ速度を用いて行っている。引上げ速度と共にＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}はある程度変化するが、０．５ｍｍ／分に等しい引上げ速度で計算されたＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}は、０．２ｍｍ／分〜０．８ｍｍ／分の範囲における引上げ速度でのＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}値を表すのに用いることができる。図１４は、引上げ速度の小さな変動による結晶のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}値の変化は無視できるということを示している。引上げ速度の変化による固化速度の多少の変化は、メルトからの伝熱速度における反対の変化によって補償されるので、この仮定は妥当である。

新しい結晶引上げ装置の性能
結晶引上げプロセスに関する種々の変数、例えばルツボ温度、界面における結晶側温度勾配及びメルト側温度勾配、メルト表面におけるメルト側温度勾配、ヒータ出力等の間の関係については上述した。このセクションでは、種々の数値実験の結果を提示して、本明細書での議論の妥当性を確認する。

従来の結晶引上げ装置
従来の結晶引上げ装置の典型的な構成及びその温度場を図１５に示す。（結晶引上げ装置内の温度場は、市販されている有限要素法のソフトウェアＭａｒｃを用いてシミュレートする。）この検討での従来型結晶引上げ装置は、欠陥制御された結晶の生産性に上限を有している。この従来型結晶引上げ装置は十分に熱絶縁されている。（作動型の加熱又は冷却ではない）受動型リフレクタはメルト表面との輻射的熱交換から結晶をシールドして、対応する核形成温度（この場合では、自己格子間原子の核形成温度、１１７３°Ｋである）の軸方向位置がメルト／結晶界面Ｆの上方の約９００ｍｍとなるように、上側ヒータ（上側熱交換器、又は）ＵＨが結晶を暖かい状態に保つ。従来の結晶引上げ装置を用いて成長させる比較的長い結晶中の軸方向温度プロファイルを図１６Ａに示す。界面における軸方向の負の結晶側温度勾配の対応する半径方向の変動を図１６Ｂに示す。

本発明の新しい結晶引上げ装置の構成
メルト−流束制御を伴わない構成：
十分に熱絶縁（断熱）してあって、メルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ及び下側ヒータＬＨを作動させない（不活性な状態にした）新しい結晶引上げ装置の性能を、従来の結晶引上げ装置と対比する。いずれの場合も（出力は約２０ｋｗに固定されている）上側ヒータＵＨが成長中の結晶に熱を供給して、自己格子間原子型核形成温度範囲以上に保っている。図１７は、十分に熱絶縁した新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける温度場を示している。図１８Ａは、十分に熱絶縁した新しい結晶引上げ装置ＣＰは、９００ｍｍ長の結晶を自己格子間原子型の核形成温度以上に保っていることを示している。十分に熱絶縁した新しい結晶引上げ装置ＣＰについてのＧ_ｓ,ｆ,ｚの半径方向の変動が大巾に低減していることがわかる（図１８Ｂ）。しかしながら、増大した伝導経路の結果として、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚの絶対値は非常に小さい。新しい結晶引上げ装置ＣＰに関して、固化による発熱速度の、メルトＭからの軸方向伝熱速度との割合は、比較的大きい。この比は、種々の半径位置においてｖ／Ｇ_ｌ,ｆ,ｚ（又はｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ）によって表される。図１８Ｃは、この値の半径方向についての変動を、絶縁した結晶引上げ装置及び従来の結晶引上げ装置について示している。図１８Ｃは、従来の結晶引上げ装置と、十分に熱絶縁した新しい結晶引上げ装置ＣＰとの直接の比較に用いるべきではない。

上側ヒータＵＨは、目標核形成温度以上に結晶Ｃを保つことに役立っている。従って、上側ヒータＵＨは、特に断らない限り、本明細書のすべてのシミュレーションについて作動型である（又は作動型として作用する）。

メルト熱交換器ＭＨＥ及び下側熱交換器ＬＨを作動させない場合の、結晶熱交換器ＣＨＥの作用を検討した。図１９は、結晶熱交換器ＣＨＥ及び上側ヒータＵＨを作動させた新しい結晶引上げ装置ＣＰ内で成長させている結晶Ｃの温度場を示している。図２０Ａ及び２０Ｂはそれぞれ、軸方向温度プロファイルと、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚの半径方向の変動とを示している。核形成温度付近でのその場の冷却速度を非常に大きくするように、作動中の結晶熱交換器ＣＨＥの存在下で、結晶Ｃは急速に冷却される。０．１３４Ｋｍｍ^２／ｓに等しい（界面における）目標のｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}について、約１．１ｍｍ／分の引上げ速度を達成することができる。しかしながら、界面におけるＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向の変動は非常に大きく、核形成温度以下での結晶Ｃの長さは１５０ｍｍ以下へ減少し得る。この構成（図２０Ｃ）についての比ｖ／Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}は非常に低い。Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の変化によって、併合された点欠陥濃度に大きな変化を生じさせることができる。点欠陥濃度を低減するために特定の結晶セグメントに許容されたこの予備的核形成拡散時間は、急激な軸方向温度プロファイルの結果として非常に短い（又は小さい）。この変化は、微小欠陥の生成を制御又は急冷するために、核形成温度付近のその場での非常に高い冷却速度を必要とし得る。多くの場合、そのようなその場での冷却速度は達成されない。従って、そのようなｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}に関する半径方向の変動について、欠陥感受性結晶を製造するための実際の解決策は、下側ヒータＬＨを作動させることによって点欠陥のための消滅時間及び予備的核形成拡散の増大を含むことができる。

作動する結晶熱交換器ＣＨＥ及び下側ヒータＬＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰ内の温度場を図２１に示す。図２２Ａは、軸方向温度プロファイルにおける下側ヒータＬＨの作用を示している。この場合でも、自己格子間原子型核形成温度以上の結晶Ｃの長さは約９００ｍｍである。急な軸方向温度勾配（図２２Ｂ）によって、臨界ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}にて、比較的高い引上げ速度、例えば約１ｍｍ／分が許容される。しかしながら、この作動する結晶熱交換器ＣＨＥ及び下側ヒータＬＨの構成は、ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向の変動を受けることもある。図２２Ｃから判るように、融解熱のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}への寄与は、以下に記載するが、メルト側伝導の寄与に比べて非常に低い。

上述の結晶引上げ装置の構成では、開放メルト表面ＭＳからの熱損失（又はメルト流束）の積極的な制御はない。従って、メルトＭからの熱損失は非常に高く、それによって大部分の実用的な結晶引上げ装置の操作に関して、側方ヒータ出力及びルツボ温度が非常に高くなり得る。図２３Ａ−Ｂは、種々の構成について、最高ルツボ温度Ｔ_{ｃｒ，ｍｘ}及び側方ヒータ出力Ｑ_ｓｈを示している。図示するように、側方ヒータ出力は約８０ＫＪ／ｓ〜約１６０ＫＪ／ｓの範囲であるが、出力は４０ＫＪ／ｓ以下、又は場合によっては０ＫＪ／ｓの場合であってもよく、これは本発明の範囲内である。図２４Ａ−Ｂから判るように、側方ヒータ出力Ｑ_ｓｈを増大させると、上述したように、開放メルト表面ＭＳからの熱損失（Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}の項で測定される）が増大する。従って、実際の操作にとっては露出するメルト表面流束の制御が望ましい。同様に、これまでに説明した構成について、十分に熱絶縁された新しい結晶引上げ装置ＣＰは例外として、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向の変動は比較的大きい（図２５）。メルト表面によって「観察される(seen)」雰囲気の有効温度を変えることによって、露出するメルト表面流束制御が達成される。新しい結晶引上げ装置ＣＰでは、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を制御し、それにより熱流束を制御することによって、流束制御が達成されている。

（メルト熱交換器ＭＨＥ制御）
露出するメルト表面ＭＳの雰囲気（又はメルト表面によって「観察される」雰囲気）の温度を増すと、開放されたメルト表面ＭＳからの熱損失を減らすことができる。メルト熱交換器ＭＨＥ温度を増すことによって、雰囲気温度を増すことができる。図２６は、作動型の（又は作動中の）メルト熱交換器ＭＨＥ、（約３００°Ｋに固定された）結晶熱交換器ＣＨＥ、（約１７．６ＫＷに固定された）下側ヒータＬＨ及び（約２０ＫＷに固定された）上側ヒータＵＨ（特に記載しない限り、すべてのシミュレーションにおいて上側ヒータＵＨは２０ＫＷに固定する）を備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰについて、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を約２１００°Ｋに固定した場合の温度場を示している。メルト熱交換器ＭＨＥ温度を変化させた場合のＧ_{ｌ，ｏｓ，ｚ}への影響を図２７に示している。メルト熱交換器ＭＨＥ温度を制御することによって、メルト表面からの熱損失が有効に抑制されるということが理解できる。その結果、側方ヒータ出力及びルツボ温度が低下する（図２８及び２９をそれぞれ参照）。メルト表面ＭＳからの熱損失を抑制することによって、ルツボ温度は実質的に操作不可能な領域から実質的に操作可能な領域へ移行するという傾向がある。ヒータに面する側のルツボ温度は、側方ヒータ出力とともに単調的に低下する。メルト側の最高ルツボ温度の部位及び程度はメルト熱交換器ＭＨＥ温度及び側方ヒータ出力の両者によって影響を受けるので、メルト熱交換器ＭＨＥ温度が上昇すると共に、メルト側温度が単調的に低下するという傾向はない。上昇するメルト熱交換器ＭＨＥ温度と、これと相応して低下する側方ヒータ出力は、メルト側ルツボ温度に対して反対の作用を有する。大部分の場合、メルト熱交換器ＭＨＥ温度は、メルト側ルツボ温度レベルを操作不可能な領域へ上昇させるのに十分な程は優勢ではない。メルト側ルツボ温度は、メルト熱交換器ＭＨＥ温度と側方ヒータ出力との組合せによって主として影響を受ける傾向があり、従ってあまり変動しない。しかしながら、メルト側温度は許容最高温度よりも低いことが望ましく、従って結晶Ｃの成長に支障を来すことはない。図３０に示すように、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を上昇させると、側方ヒータ出力（Ｑ_ＳＨ）を低下させること、例えば同時に低下させることが可能となる。本発明において、結晶成長の間にルツボＣＲ温度を低下させるために、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を上昇させることもできる。メルト熱交換器ＭＨＥ温度が、メルト側ルツボ温度が大部分の実用的操作には高過ぎる温度となる最高許容温度を越えて上昇することがないように注意することが必要である。

図３１Ａ−Ｄは、下側ヒータＬＨ出力を約１７．６ＫＷに固定し、結晶熱交換器ＣＨＥ温度を約３００°Ｋに固定し、上側ヒータＵＨ出力を約２０ＫＷに固定して、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を上昇させた場合の界面形状の変化を示している。メルト熱交換器ＭＨＥ温度が上昇すると、メルトＭの温度を保つのに必要とされる側方ヒータ出力は減少する。同時に、メルト／結晶界面が下側へ移動して、表面のより近くで結晶Ｃ内の半径方向熱流束の増加を生じるが、軸方向流束の著しい増加は伴わない。更に、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の上昇と共に、結晶縁部の近くを除いて、メルト側軸方向熱流束の半径方向均一性が向上する。従って、界面形状を制御することによって、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の変動又は半径方向均一性が制御される。メルト熱交換器ＭＨＥ出力を増大させ、側方ヒータ出力を低下させながら、界面の下側でメルトＭの温度が下がると、メルトＭから結晶Ｃへの軸方向熱流束は低下する。図３２は、メルト熱交換器ＭＨＥ温度が上がると、メルト側からの軸方向熱流束ｖ／Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}の寄与が低下することを示している。上述のように、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の上昇と共にメルト側軸方向熱流束の半径方向均一性が向上し、それによって溶融による熱流束のメルト側軸方向熱流束に対する割合が増大し、そのことがＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性の向上に寄与する。図３３Ａは、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を変化させることのＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}への効果を比較している。メルト熱交換器ＭＨＥから結晶Ｃへ或る程度の熱の漏れ(heat leak)があることに注意されたい。しかしながら、正味の効果は、結晶ＣにおけるＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}（ｒ）の程度及び半径方向均一性が向上することである（図３３Ｂ）。メルト熱交換器ＭＨＥ温度が上昇することによって半径方向均一性が補われるが、これは結晶熱交換器ＣＨＥによって導入される傾向がある。メルト熱交換器ＭＨＥ温度が少なくとも約１９５０°Ｋである場合、作動型（で運転中）のメルト熱交換器（ＭＨＥ）、結晶熱交換器（ＣＨＥ）、下側ヒータ（ＬＨ）及び上側ヒータ（ＵＨ）を備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰについてのＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性は、従来の引上げ装置についてのＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性と比べてより良好である。この新しい結晶引上げ装置ＣＰを用いることによって、より高いＧが許容され、従って同じか又はより高いｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}にて、より高い引上げ速度が許容される。変化するメルト熱交換器ＭＨＥ温度の関数としての結晶Ｃにおける軸方向温度プロファイルを図３３Ｃに示す。（作動型のメルト熱交換器（ＭＨＥ）、結晶熱交換器（ＣＨＥ）、下側ヒータ（ＬＨ）及び上側ヒータ（ＵＨ）を備えた）新しい結晶引上げ装置ＣＰの構成を設計する目的の１つに、メルト熱交換器ＭＨＥの効果とは無関係に、結晶セグメントの熱履歴を制御することがある。図３３Ｃから観察できるように、メルト熱交換器ＭＨＥ温度は熱履歴に多少の影響を及ぼす傾向がある。

メルト熱交換器ＭＨＥ温度よりも、むしろメルト熱交換器ＭＨＥ出力を操作することによって、メルト表面の雰囲気の有効温度を変化させることができる。実際に、温度よりも出力を制御することの方が容易である。従って、以下においては、有効メルト熱交換器ＭＨＥ出力を変化させることに基づいたいくつかの例について述べる。

例：完全な及び半完全なシリコン
作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＵＨ及び上側ヒータＵＨを備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰを使用することによって、対応する種の著しい核形成（生成及び成長を含む広い意味での核形成）が生じる前に、点欠陥を拡散及び消滅させるのに十分な時間を提供しながら、ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}（ｒ）をその臨界値により近い値に保つことができるようになる。新しい結晶引上げ装置ＣＰは、従来の結晶引上げ装置において達成し得る生産性と比べて、より高い生産性を達成することができる。メルト熱交換器ＭＨＥ出力／温度を操作又は制御することによって、メルト−フラックス制御を達成することができる。また、結晶熱交換器ＣＨＥを操作及び制御することによっても、界面におけるＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の程度を制御することができる。下側ヒータＵＨ及び上側ヒータＵＨを操作及び制御することによって、自己格子間原子型の核形成温度範囲以上での延長した拡散及び消滅時間を提供することができる。

（固定したメルト熱交換器ＭＨＥ出力）
以下の数値実験では、下側ヒータＵＨ出力を約２．８ＫＷに固定し、上側ヒータＵＨ出力を約２０ＫＷに固定し、及び結晶熱交換器ＣＨＥ温度を約１１７３°Ｋに固定した。メルト熱交換器ＭＨＥ出力を約２７ｋＷとして（作動中のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＵＨ及び上側ヒータＵＨを備えた）新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場を図３４に示す。予想した通り、メルト熱交換器ＭＨＥ出力が増大すると、Ｇ_{ｆ，ｏｓ，ｚ}は低下している（図３５）。その結果、側方ヒータ出力及びヒータ側最高ルツボ温度は低下し、閾値ルツボ温度以下で操作を行うことができた（図３６及び３７）。メルト側の最高ルツボ温度の部位及び程度はメルト熱交換器ＭＨＥ及び側方ヒータの両者によって影響を受けるので、メルト熱交換器ＭＨＥ出力を増大させながらメルト側温度が単調的に低下する傾向はない。メルト熱交換器ＭＨＥ出力を増大させることと、（メルト熱交換器ＭＨＥ出力を増大させながら）側方ヒータ出力を低下させることとは、メルト側ルツボ温度について反対の作用を示す。メルト熱交換器ＭＨＥ出力を結晶Ｃ成長に対して有害なレベルまで増大させるべきではない。種々のメルト熱交換器ＭＨＥ出力についての界面形状を図３８Ａ−Ｄに示す。メルト熱交換器ＭＨＥ出力を増大させるにつれて、側方ヒータ出力を低下させ、そして、界面はメルトＭの方へ向かって下側へ移動する。界面の湾曲の度合いが増すと、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の上昇の程度は低下し、結晶Ｃ表面により近付く。正味の効果は、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性の向上である。メルト側からの軸方向熱流束の対応する低下を、ｖ／Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}の項について図３９に示す。メルト熱交換器ＭＨＥ出力を変化させた場合のＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向変動を図４０Ａに示す。界面において、非常に高いＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}値が得られている。Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性によって、臨界ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}で約０．６ｍｍの引上げ速度が許容される（図４０Ｂ）。結晶セグメントの時間−温度履歴へのメルト熱交換器ＭＨＥの影響は、図４０Ｃに示すように無視し得る。

（メルト熱交換器ＭＨＥ）
完全なシリコン結晶生成物を含む結晶Ｃは、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を制御することによって有効に製造することができる。種々のパラメータ間の関係は、メルト熱交換器ＭＨＥ出力制御を伴う結晶引上げ装置の場合に示された関係と同様である。従って、このセクションでは、メルト熱交換器ＭＨＥについての種々の固定した温度で得られる結果を、特定のパラメータ、例えばＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}及びＴ_{ｃｒ，ｍｘ}との関係でのみ論ずることとする。

作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＵＨ及び上側ヒータＵＨを備えた新しい結晶引上げ装置ＣＰに関して、種々のメルト熱交換器ＭＨＥ温度にて、いくつかの数値実験を行った。下側ヒータＵＨ出力は約２．２８ＫＷに固定し、結晶熱交換器ＣＨＥ温度は約９００°Ｋに固定し、上側ヒータＵＨ出力は約２０ＫＷに固定した。

メルト側及びヒータ側の両方についての最高ルツボＣＲ温度へのメルト熱交換器ＭＨＥ温度の影響を図４１に示す。予想した通り、メルト熱交換器ＭＨＥ温度が上昇すると、ルツボ温度は低下する。この場合には、メルト熱交換器ＭＨＥ温度及び側方ヒータ出力の累積的作用によって、メルト側ルツボ温度の正味の低下が生じている。１７００°Ｋ以上のメルト熱交換器ＭＨＥ温度にて結晶成長を達成することができる。メルト熱交換器ＭＨＥ温度の関数として、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向変化を図４２Ａに示す。１７００°Ｋ以上のメルト熱交換器ＭＨＥ温度にて、この結晶引上げ装置ＣＰにおけるＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性は、図４２Ｂに示すように、従来の結晶引上げ装置についての場合よりも良好である。臨界ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}で０．６８ｍｍ／分に近い引上げ速度を達成することができる。結晶セグメントの時間−温度経路によって、自己格子間原子型核形成温度範囲以上の延長された拡散時間が許容される（図４２Ｃ）。この方法によって、長い結晶、例えば（クラウン部及びテーパー部を含めて）少なくとも９００ｍｍの長さの結晶を成長させることができる。

（完全な断熱）
前のセクションで述べたように、十分に熱絶縁された新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける半径方向均一性ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}は、これまでに検討した場合よりも良好である。フラット及び放物線状の界面形状の場合、半径方向均一性によって、併合された点欠陥場の均一性が向上し、必要とされる拡散時間が短くなる。しかしながら、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}における半径方向均一性を向上させるコストは、その大きさ（図１７及び１８Ａ−Ｃ）を減らすことによって、従って引上げ速度及び生産性を減らすことによって賄われる傾向がある。

（引上げ速度の効果）
上記の数値実験は、０．５ｍｍ／分に等しい引上げ速度にて行われた。引上げ速度が増大すると、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}は増大し、Ｇ_{ｌ，ｆ，ｚ}は低下して、界面Ｆにおける発熱速度の増大によって必要とされる熱移動が許容される。より高い引上げ速度は、側方ヒータ出力を少なくとも部分的に低下することによって達成される。側方ヒータ出力を低下させると、メルトＭ温度が低下し、メルト内の温度変化が減少する。以下の結果は、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を１９００°Ｋに等しくし、結晶熱交換器ＣＨＥ温度を９００°Ｋに等しくし、下側ヒータＵＨ出力を約２．２８ＫＷに等しくし、上側ヒータＵＨ出力を約２０ＫＷに等しくすることによって得られた。

メルト表面ＭＳにおける負のメルト側勾配の半径方向変化Ｇ_{ｌ，ｏｓ，ｚ}を、引上げ速度の関数として図４３に示す。結晶表面の非常に近くの領域を除いて、メルト熱交換器ＭＨＥは熱をメルトＭに移動させ、それによって側方ヒータ出力が低下し（図４４）、ルツボＣＲ温度も低下する（図４５）。側方ヒータ出力が低下すると、ヒータ側及びメルト側の最高ルツボＣＲ温度が低下し、一方、メルト熱交換器ＭＨＥ温度は保持される。側方ヒータ出力が低下すると、メルトＭ温度は低下する。従って、図４６に示すように、メルト／結晶界面Ｆよりも下側の勾配は低下する。溶融に伴う熱流束の相対的寄与は、引上げ速度の増大と共に増大する（図４７）。この変化は、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}（ｒ）の半径方向均一性を向上させる。図４８及び４９に示すように、ヒータ出力の低下によって、結晶Ｃの温度が低下し、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}が増大する。ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}とｖとの間の非直線的な関係を図５０に示す。非直線性は、ｖの変化に伴ってＧ_{ｓ，ｆ，ｚ}が変化する結果として生じる。軸方向プロファイルに続く結晶セグメントの変化は、引上げ速度によってはあまり大きくない（図５１）。従って、その場での冷却速度は引上げ速度によって直線的に変化すると推論するのが妥当である。引上げ速度の変化に伴う界面形状の変化を図５２Ａ−Ｄに示す。

例：急速冷却シリコンＲＣＳ
急速冷却シリコンＲＣＳは、結晶Ｃを成長させながら、対応する核形成温度を通過する結晶セグメントのその場での高い冷却速度に依存する。一般に１４７３°Ｋ〜１１７３°Ｋの範囲で変化するが、点欠陥核形成温度を通過する急速冷却によって、より低い温度にて高い残存点欠陥の濃度が一般に生じる。１３２３°Ｋ以下では、急速冷却によって、点欠陥とその他の不純物、例えば酸素との相互作用が可能となる。結晶セグメントは、１５２３°Ｋ〜９７３°Ｋの広い温度範囲を通って急速冷却されることが好ましい。ｖＧ_ｓ，ｚによって与えられる局所的冷却速度は、微小欠陥及びその他の析出物の核形成及び成長を制御するのに十分である。完全な結晶Ｃの成長の後、結晶Ｃのある部分は核形成温度範囲以上に留まる。結晶Ｃの連続した引上げによって、結晶セグメントの必要とされる冷却速度が維持される。しかしながら、より高い引上げ速度を適用することもできる。すべての型の急速冷却シリコンＲＣＳを製造する方法は、本質的に同じである。急速冷却シリコンＲＣＳを製造するための主たる特徴は、メルト／結晶界面Ｆで必要とされるｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}条件を維持し、必要とされる冷却速度を達成することである。

新しい結晶引上げ装置ＣＰにおいて行われる急速冷却シリコンＲＣＳプロセスの有利な特徴は、非常に高い引上げ速度及び結晶Ｃの大部分におけるより高い局部的冷却速度であって、これは少なくとも結晶熱交換器ＣＨＥの操作によって達成されることが好ましい。この急速冷却シリコンＲＣＳ方法では、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨは必ずしも運転する必要はない。メルト熱交換器ＭＨＥを運転して、最高ルツボ温度を最高許容温度以下に維持する。従って、この態様では、メルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥのみを作動させて新しい結晶引上げ装置ＣＰを運転する。冷却速度を最大にするためには、結晶熱交換器ＣＨＥを３００°Ｋに維持する。そのように高い冷却速度でルツボ温度を制御するには、メルト熱交換器ＭＨＥは比較的高い出力（４０．５ＫＷ）に保たれる。

広範囲の急速冷却シリコンＲＣＳ生成物を考慮すると、広範囲の引上げ速度を適用することができる。Ｄ型急速冷却シリコンＲＣＳを製造するためには非常に高い引上げ速度が適用され、一方、完全ＲＣＳを製造するためには中程度の引上げ速度が適用される。中程度の引上げ速度（０．５ｍｍ／分）及びより高い引上げ速度（２．５ｍｍ／分）で、急速冷却シリコンＲＣＳ型生成物を製造するための((運転中の)作動型メルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを備えた）新しい結晶引上げ装置ＣＰにおいてシミュレートした温度場を、それぞれ図５３Ａ及び５３Ｂに示す。メルト熱交換器ＭＨＥは、０．５ｍｍ／分〜２．５ｍｍ／分の範囲のすべての引上げ速度について、メルトＭの中へかなりの熱を移動させており、それによって必要とされる側方ヒータ出力は減少している。更に、引上げ速度の増大は、Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の上昇及びＧ_{ｌ，ｆ，ｚ}の低下をもたらし、それによって側方ヒータ出力の出力を更に低下させている（図５５）。従って、引上げ速度の増大に伴って、ルツボ温度は低下する傾向がある（図５６）。図５６は更に、すべての引上げ速度について、ルツボ温度は制御可能な領域にあることを示している。Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}の半径方向均一性は、溶融の増大した作用の結果（図５９）として、引上げ速度の増大（図５７及び５８）と共に向上している。引上げ速度の増大に伴う界面形状の変化を図６０Ａ〜Ｃに示す。引上げ速度の変化による界面形状及び位置の変化は、メルト温度を低下させ及び界面付近での結晶温度を低下させることによって影響を受けるということに注意されたい。図６１から判るように、結晶Ｃの冷却速度は非常に高い。２．５ｍｍ／分〜０．５ｍｍ／分の範囲の引上げ速度について、１４７３°Ｋにおける典型的な冷却速度は、２２．５°Ｋ／分〜４．５°Ｋ／分の範囲で変化する。自己格子間原子型及び酸素析出物範囲についても同様の冷却速度が達成される。図６２に示すように、比ｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}は引上げ速度について非直線状に変化する。結果は、完全なシリコン結晶をこの方法で比較的高い引上げ速度にて成長させることができ、その他のシリコン生成物は実質的により高い速度にて成長させることができるということを示している。例えば、急速冷却シリコンＲＣＳのその場での冷却速度によって核形成及び粒子成長について十分な制御を行うことができるので、引上げ速度及び冷却速度を変えることによって、Ｄ欠陥型ＲＣＳから完全なＲＣＳまで広範な生成物を製造することができる。

点欠陥を最初に併合させて、結晶セグメントが冷却期間を通過すると、その冷却期間の間に、十分に過飽和の対応する点欠陥が著しい核形成を開始するように形成され、及び析出物が成長する。核形成速度は、過飽和及び冷却速度の関数である。核形成温度は最大核形成速度によって規定される。冷却の時間的尺度が核形成の時間的尺度よりも遙かに小さい場合、著しい核形成を有効に防止したり又は核形成をクエンチしたりすることができる。核形成前の結晶セグメントにおける点欠陥濃度は最初の併合に依存し、及び拡散時間として規定される核形成温度以上での滞留時間に依存する。この拡散時間の間、空孔及び自己格子間原子は相互に混じり合って消滅し、及び表面へ拡散してゆく。従って、核形成温度自体は、これらの条件によってシフトさせることができる。空孔は１４７３°Ｋ〜１３２３°Ｋの範囲で凝集し、一方、自己格子間原子は１２２３°Ｋ〜１１７３°Ｋの範囲で凝集する。空孔核形成温度は、酸素などの不純物の代わりの核形成が空孔によって促進されて生成し得る非常に低い値へ押し下げられることがある。従って、析出物の生成は、広い温度範囲にて生じ得る。対応する核形成温度の前及びその間に冷却速度を変化させることによって、微小欠陥及び析出物の寸法及び密度に影響を及ぼすことができる。急速冷却を用いて凝集欠陥の生成を抑制又は制御することができる（国際出願ＰＣＴ／ＵＳ００／２５５２５を参照）。従って、メルト／結晶界面Ｆにおいてｖ／Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}条件を制御することに加えて、結晶セグメントの時間−温度履歴を制御することが重要になる。結晶Ｃが成長すると、結晶Ｃの温度場は変化する。しかしながら、簡単のために、固定されたメルト／結晶界面Ｆから一定の結晶Ｃの部位にて、結晶Ｃが成長する場合であっても、温度はほとんど変化しないと推測することは妥当である。換言すれば、すべての結晶セグメントは、十分に長い結晶の同じ温度場を通過するのである。従って、十分に長い結晶の温度場及び時間の関数として、引上げ速度の履歴を単に知ることによって、結晶セグメントの温度履歴又は時間−温度経路が得られる。これらの所望の特性は、本発明が解決しようとする問題点を呈する。

併合した点欠陥場を効果的に制御するため、勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の半径方向プロファイルを変化させるか又は制御すべきである。本発明では、そのような制御は、界面にて又はその近くで、局部的温度場をチューニングすることによって達成され、それはメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び／又は上側ヒータＵＨを操作することによって制御することができる。

新しい結晶引上げ装置ＣＰは、ルツボ温度、界面形状、界面における局部的温度場、界面における温度勾配、並びに、成長後の各結晶セグメントの冷却履歴又は熱履歴を制御することに適応している。上述のように、ルツボＣＲ及びメルトＭに入る熱の大きな割合が、メルト表面ＭＳからその周囲（又は雰囲気）へ移動する。表面からのこの熱の移動を最小にすることによって、側方ヒータの出力要求が低減する。メルト熱交換器ＭＨＥの操作によって、メルト表面ＭＳを通してメルトＭの中へ熱を移動させることによって、側方ヒータ出力は更に低減する。側方ヒータ出力が低下すると、ルツボＣＲ温度も低下する。メルトの開放表面ＭＳからメルトＭの中へ移動する熱の割合を変えることによって、温度場を制御することができる。一般に、メルト熱交換器ＭＨＥへの電流を制御することによって、メルト熱交換器ＭＨＥ温度及び出力が制御される。１つの態様では、メルト熱交換器ＭＨＥは、開放メルト表面ＭＳの大部分を覆う十分に熱絶縁された熱シールド又はリフレクタＲ内で、メルト表面に面するように配置される。上述のように、リフレクタＲは、結晶Ｃに面する内側表面、結晶引上げ装置ＣＰの外側領域に面する外側表面、及びメルトＭに面する底部側表面を有する環状又はチューブ状のリングの形態であることが好適である。メルト熱交換器ＭＨＥから結晶Ｃ表面への熱漏れを防止するため、リフレクタＲは、断熱材ＩＮＳによって全体的に充填されるか又は少なくとも部分的に充填されることが望ましい。図１及び２の結晶引上げ装置ＣＰの構成は、半径方向の熱移動を低下させることによって、結晶Ｃの内側の温度勾配を低下させている。それによって界面における半径方向均一性が達成されるが、勾配を低下させる結果として、生産性が影響を受け得る。結晶Ｃに面するように配置されている結晶熱交換器ＣＨＥによれば、より高い引上げ速度が許容される。このアレンジメントは、結晶Ｃと結晶熱交換器ＣＨＥとの間の半径方向熱移動が増すことによって、結晶Ｃ内の温度勾配をかなり増大させる。しかしながら、温度勾配の半径方向変化が増大し、温度の軸方向の急激な低下の結果、ある種の結晶については、凝集前の拡散時間が減少する。

最先端の微小欠陥を有さない結晶は、外周部側を多少なりともＩリッチ(I-rich)条件とし、中央部側を多少なりともＶリッチ(V-rich)条件とした条件下で、結晶のすべてのセグメントを目標温度以上に保ちながら結晶全体を成長させ、その後、結晶Ｃを冷却チャンバーへ移動させてクエンチすることによって製造することができる。成長プロセスの初めの部分で成長させたセグメントは、その後に成長させたセグメントと比べて、相互消滅のためのより長い拡散時間が許容される。結晶のかなりの部分（好ましくは結晶全体）は目標温度以上に保持される。しかしながら、結晶熱交換器ＣＨＥが存在することによって、結晶Ｃ温度は格段に低下する。そのような条件下では、結晶Ｃのわずかな部分だけがこの温度以上に留まる。結晶Ｃ全体の目標温度以上での成長を要求するプロセスを可能にするためには、リフレクタＲ内で、下側ヒータＬＨが結晶熱交換器ＣＨＥよりも上方に配置されることが望ましい。新しい結晶引上げ装置ＣＰを用いて成長させることができる結晶Ｃの長さをより長くするために、上側ヒータＵＨは下側ヒータＬＨ及びリフレクタＲの上方に配される。説明したアレンジメントによれば、ルツボＣＲ温度を最高許容温度以下に保ちながら、かなりの長さの結晶Ｃを目標温度以上で比較的高い引上げ速度にて成長させることができる。

所定の引上げ速度のためには、メルト熱交換器ＭＨＥ温度又は出力が増大すると、側方ヒータ出力が低下し、それによってメルト／結晶界面Ｆから離れてメルトＭ温度が降下する。従って、メルト／結晶界面ＦはメルトＭの中へ下方へ移動する。そのような動きは勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）を低下させるが、結晶熱交換器ＣＨＥの操作によって勾配を高く保つことができる。従って、メルト熱交換器ＭＨＥ出力を用いることによって、界面のまわりに取り付けた局部的温度場を操作、制御又はチューニングし、並びに同様に（界面から遠い部分も含めて）全体の温度場を制御（又はチューニング）することができる。温度場を制御する能力は、欠陥制御されたシリコン結晶を製造する上で望ましいものである。

引上げ速度が増すと、固化による界面での発熱速度が増す。この熱は、結晶側の熱伝導速度とメルト側の熱伝導速度との間で釣り合わされるので、メルト側熱伝導速度は小さくなり、結晶側熱伝導速度は大きくなる。従って、側方ヒータ出力はルツボ温度と共に低下することができる。結晶表面とより低温の周囲との間での熱移動は、結晶Ｃの外周部において非常に高い軸方向及び半径方向温度勾配を形成する。一般に、固化の寄与が増大すると、結晶の中央部側における勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）は、外周部側における勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）と比べてより高くなる。結晶Ｃの中央部における勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）が外周部における勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）よりも低いことを考慮すると、引上げ速度が増すと共に、勾配（Ｇ_{ｓ，ｆ，ｚ}）の半径方向均一性が向上する傾向にある。

作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰは、比較的高い引上げ速度にてより完全なシリコンを製造することができる。中央部の空孔コア及び外周部の完全な領域によって規定される半完全なシリコンは、それよりも多少なりとも高い引上げ速度にて製造することができる。

従来の結晶引上げ装置では、生成物の引上げ速度及び軸方向温度勾配によって与えられる結晶セグメントのその場での冷却速度はあまり高くない。これらの比較的低い冷却速度によれば、典型的な欠陥制御された結晶を全体として目標核形成温度以上で成長させた後、それらを独立した冷却チャンバーの中へ迅速に移すことによって冷却することができる。しかしながら、新しい結晶引上げ装置ＣＰにおいて、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨが動作していない場合に、結晶セグメントのその場での局部的冷却速度は非常に大きい。１４７３°Ｋから１１７３°Ｋの範囲を通る冷却速度は、５〜２０°Ｋ／分程度の高さであってよい。多くの場合、これらの冷却速度は核形成反応を完全に又は部分的にクエンチするのに十分である。従って、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥ、並びに、典型的に作動型でない（動作していない）下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおいて、急速冷却シリコンＲＣＳとして知られる別の型の欠陥制御生成物を製造することができる。

新しい結晶引上げ装置ＣＰは、各結晶セグメントの熱履歴及び成長条件を（満足できる程度に）十分に制御することができる。融通性の高い成長条件及び後成長条件によって、高い生産速度で多様な結晶を成長させることができる。

本発明の要素又はその好ましい態様を導入する場合、「a」（１つの）、「an」（１つの）、「the」（その）、及び「said」（前記の）という冠詞等は、１つ又はそれ以上の要素があることを意図するものである。「comprising」（有してなる）、「including」（含む）及び「having」（有する）という用語は、包含する関係であることを意図するものであって、記載した事項以外の追加的な要素が存在してもよいことを意味する。

上述した構成について、本発明の範囲から離れることなく、種々の変更を加えることができるが、本明細書の記載に含まれる又は添付の図面に示される事項のすべては、説明を目的とするものであって、限定する意味のものではない。

図１は、新しい結晶引上げ装置の１つの態様についての模式的断面図である。 図２は、（メルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ、及び上側ヒータＵＨを具備する）新しい結晶引上げ装置のもう１つの態様についての模式的断面図である。 図３は、欠陥の動力学についての模式図である。 図４も、欠陥の動力学についての模式図である。 図５Ａは、メルト／結晶界面で負のメルト側温度勾配の最高ルツボ温度の変動を用いて、メルト熱交換器（ＭＨＥ）を用いる場合の結晶引上げ装置と、用いない場合の結晶引上げ装置との間での比較を示している。図５Ａは、従来の結晶引上げ装置と新しい結晶引上げ装置との最高ルツボ温度を比較するグラフである。 図５Ｂは、メルト／結晶界面で負のメルト側温度勾配の最高ルツボ温度の変動を用いて、メルト熱交換器（ＭＨＥ）を用いる場合の結晶引上げ装置と、用いない場合の結晶引上げ装置との間での比較を示している。図５Ｂは、従来の結晶引上げ装置と新しい結晶引上げ装置とのヒータ出力を比較するグラフである。 図６は、メルト／結晶界面における種々のＧ_ｓ,ｆ,ｚについて、比ｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚとｖＧ_ｌ,ｆ,ｚとの関係を示すグラフである。 図７は、一定の比ｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚについて界面におけるパラメータの変動の定量的グラフである。 図８は、従来の結晶引上げ装置の模式図である。図８Ａはメルト／結晶界面におけるメルト側温度勾配へのルツボ温度の依存性を示すグラフである。 図９は、結晶引上げ装置構成の品質の関数として、界面及び開放表面におけるメルト側温度勾配とルツボ温度との間の関係を示すグラフである。 図１０は、界面形状のメルト熱交換器（ＭＨＥ）出力への可能性ある品質的依存性を示すグラフである。 図１１は、作動型のメルト熱交換器（ＭＨＥ）及び結晶熱交換器（ＣＨＥ）を具備する新しい結晶引上げ装置並びに従来型の結晶引上げ装置について、界面におけるＧ_ｓ,ｆ,ｚの半径方向の分布を示すグラフである。 図１２Ａは、作動型のメルト熱交換器（ＭＨＥ）及び結晶熱交換器（ＣＨＥ）を具備する新しい結晶引上げ装置と、従来型の結晶引上げ装置との間での、結晶の軸方向温度プロファイルの比較を示すグラフである。 図１２Ｂは、作動型のメルト熱交換器（ＭＨＥ）及び結晶熱交換器（ＣＨＥ）を具備する新しい結晶引上げ装置と、従来型の結晶引上げ装置との間での、結晶の局部的温度勾配（Ｇ_ｓ，ｚ＝−∂Ｔｓ／∂ｚ）の比較を示すグラフである。 図１３は、新しい結晶引上げ装置について、熱源及び熱シンクの異なる動作状態についての軸方向温度プロファイルと、従来型の結晶引上げ装置についての軸方向温度プロファイルとの比較を示すグラフである。 図１４は、従来型の結晶引上げ装置における引上げ速度ｖと勾配Ｇ_ｓ,ｆ,ｚとの相対的な変化を示すグラフである。 図１５は、従来型の結晶引上げ装置におけるベースラインの温度場をシミュレートした図である。 図１６Ａは、成長中の従来型結晶における軸方向温度プロファイルのグラフである。 図１６Ｂは、メルト／結晶界面における軸方向の負の結晶側温度勾配（Ｇ_ｓ,ｆ,ｚ）の半径方向位置の関数としてのグラフである。 図１７は、作動型の上側ヒータ（ＵＨ）、並びに、作動型でないメルト熱交換器（ＭＨＥ）、結晶熱交換器（ＣＨＥ）及び下側ヒータ（ＬＨ）を具備する、十分に断熱された新しい結晶引上げ装置における温度場をシミュレートした図である。 図１８Ａは、従来型結晶引上げ装置における軸方向温度プロファイルと、作動型の上側ヒータ（ＵＨ）を具備する断熱された新しい結晶引上げ装置における軸方向温度プロファイルとを示すグラフである。 図１８Ｂは、界面におけるＧ_ｓ,ｆ,ｚについて、従来型結晶引上げ装置と作動型の上側ヒータ（ＵＨ）を具備する断熱された新しい結晶引上げ装置とを比較するグラフである。 図１８Ｃは、従来型結晶引上げ装置と、作動型の上側ヒータ（ＵＨ）を具備する断熱された本発明の新しい結晶引上げ装置との間での、ｑ_{ｆｕｓｉｏｎ,,ｚ}／ｑ_ｉ,ｆ,ｚの比の半径方向変化を示すグラフである。 図１９は、作動型の結晶熱交換器ＣＨＥ及び上側ヒータＵＨ、並びに作動型でない下側ヒータＬＨ及びメルト熱交換器ＭＨＥを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートした図である。 図２０Ａは、従来型結晶引上げ装置と、作動型の上側ヒータ（ＵＨ）を具備する断熱された本発明の新しい結晶引上げ装置と、作動型の結晶熱交換器ＣＨＥ及び上側ヒータＵＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置との間で、軸方向温度プロファイルについて対比するグラフである。 図２０Ｂは、従来型結晶引上げ装置と、作動型の上側ヒータ（ＵＨ）を具備する断熱された本発明の新しい結晶引上げ装置と、作動型の結晶熱交換器ＣＨＥ及び上側ヒータＵＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置との間で、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚについての対比を示すグラフである。 図２０Ｃは、従来型結晶引上げ装置と、作動型の上側ヒータＵＨを具備する断熱された本発明の新しい結晶引上げ装置と、作動型の結晶熱交換器ＣＨＥ及び上側ヒータＵＨを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ととの間での、ｑ_{ｆｕｓｉｏｎ,,ｚ}／ｑ_ｉ,ｆ,ｚの比の変化を示すグラフである。 図２１は、作動型の結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨ、並びに作動型でない及びメルト熱交換器ＭＨＥを具備する本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートした図である。 図２２Ａは、従来型結晶引上げ装置と、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置との間で、軸方向温度プロファイルについて対比するグラフである。 図２２Ｂは、従来型結晶引上げ装置と、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置との間で、Ｇ_ｓ,ｆ,ｚについての対比を示すグラフである。 図２２Ｃは、従来型結晶引上げ装置と、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置との間での、ｑ_{ｆｕｓｉｏｎ,,ｚ}／ｑ_ｉ,ｆ,ｚの比の変化を示すグラフである。 図２３Ａは、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置及び従来型結晶引上げ装置についての最高ルツボ温度を示す棒グラフである。 図２３Ｂは、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置及び従来型結晶引上げ装置についての側方ヒータ出力を示す棒グラフである。 図２４Ａは、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置についての側方ヒータ出力を示す棒グラフである。 図２４Ｂは、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置についてのメルト表面からの熱損失（Ｇ_{ｌ,ｏｓ,ｚ}の項）を示す棒グラフである。 図２５は、種々の構成の本発明の新しい結晶引上げ装置についての界面におけるＧ_ｓ,ｆ,ｚの半径方向変化を示す棒グラフである。 図２６は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備し、メルト熱交換器ＭＨＥは２１００°Ｋに等しく、上側ヒータＵＨ出力は２０ＫＷに等しくした本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートした図である。 図２７は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰについての開放したメルト表面における、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の熱移動への影響を示すグラフである。 図２８は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰについての、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の最高ルツボ温度への影響を示すグラフである。 図２９は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の側方ヒータ出力への影響を示すグラフである。 図３０は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ及び下側ヒータＬＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、側方ヒータ出力のメルト熱交換器ＭＨＥ温度に対する感受性を示すグラフである。 図３１Ａ〜Ｄは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、界面形状のメルト熱交換器ＭＨＥによる影響を示すグラフである。 図３２は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の上昇とｖ／Ｇ_ｌ,ｆ,ｚの減少の関係を示すグラフである。 図３３Ａは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの中で成長中の結晶の界面におけるメルト熱交換器ＭＨＥ温度のＧ_ｓ,ｆ,ｚへの影響を示すグラフである。 図３３Ｂは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおけるＧ_ｓ,ｆ,ｚの半径方向変化を示すグラフである。 図３３Ｃは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの、種々の温度での結晶成長の軸方向温度プロファイルを示すグラフである。 図３４は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備し、メルト熱交換器ＭＨＥ出力は２７．０２ＫＷに等しくした本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートした図である。 図３５は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力のＧ_{ｌ,ｏｓ,ｚ}への影響を示すグラフである。 図３６は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力の最高ルツボ温度への影響を示すグラフである。 図３７は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力と側方ヒータ出力との関係を示すグラフである。 図３８Ａ〜Ｄは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力の関数としての界面形状の変化をシミュレートしたグラフである。 図３９は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、Ｇ_ｌ,ｆ,ｚの半径のメルト熱交換器ＭＨＥ出力への依存性を示すグラフである。 図４０Ａは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力のＧ_ｓ,ｆ,ｚへの影響を示すグラフである。 図４０Ｂは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力のＧ_ｓ,ｆ,ｚの相対的均一性への影響を示すグラフである。 図４０Ｃは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ出力の結晶セグメントの時間−温度履歴への影響を示すグラフである。 図４１は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の最高ルツボ温度への影響を示すグラフである。 図４２Ａは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ温度のＧ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ)への影響を示すグラフである。 図４２Ｂは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ温度のＧ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ)の相対的均一性への影響を示すグラフである。 図４２Ｃは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、メルト熱交換器ＭＨＥ温度の結晶セグメントの時間−温度履歴への影響を示すグラフである。 図４３は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、引上げ速度のメルト熱交換器ＭＨＥとメルトとの間での熱移動への影響を示すグラフである。 図４４は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備し、メルト熱交換器ＭＨＥは１９００°Ｋに固定し、下側ヒータＬＨ出力は２．２８ＫＷに固定し、上側ヒータＵＨ出力は２０ＫＷに固定した本発明の新しい結晶引上げ装置について、引上げ速度の側方ヒータ出力への影響を示すグラフである。 図４５は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備し、メルト熱交換器ＭＨＥは１９００°Ｋに固定した本発明の新しい結晶引上げ装置について、増加する引上げ速度の最高ルツボ温度への影響を示すグラフである。 図４６は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備し、メルト熱交換器ＭＨＥは１９００°Ｋに固定した本発明の新しい結晶引上げ装置について、引上げ速度のメルト側軸方向温度勾配への影響を示すグラフである。 図４７は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、引上げ速度の上昇に伴う固化によって生じる熱の増加する寄与を示すグラフである。 図４８は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置について、引上げ速度のＧ_ｓ,ｆ,ｚ(ｒ)の均一性及び程度への影響を示すグラフである。 図４９は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置について、引上げ速度の関数としてのＧ_ｓ,ｆ,ｚの相対的変化を示すグラフである。 図５０は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置におけるｖとｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚとの間の非直線的な関係を示すグラフである。 図５１は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置において、成長中の結晶における準安定状態の温度プロファイルの、引上げ速度の関数としてのグラフである。 図５２Ａ〜Ｄは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ、結晶熱交換器ＣＨＥ、下側ヒータＬＨ及び上側ヒータＵＨを具備し、メルト熱交換器ＭＨＥ温度を１９００°Ｋに固定した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、引上げ速度の関数としての界面形状の変化をシミュレートしたグラフである。 図５３Ａは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備し、引上げ速度を０．５ｍｍ／分とし、メルト熱交換器ＭＨＥ出力は４０．５３ＫＷに固定し、結晶熱交換器ＣＨＥ温度は３００°Ｋに固定した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートした図である。 図５３Ｂは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備し、引上げ速度を２．５ｍｍ／分に等しくした本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰの温度場をシミュレートした図である。 図５４は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰについての、各引上げ速度での開放表面における軸方向の負のメルト側温度勾配の半径方向変化を示すグラフである。 図５５は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける引上げ速度の関数としての側方ヒータ出力を示すグラフである。 図５６は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおいて、引上げ速度が増すと最高ルツボ温度が低下する関係を示すグラフである。 図５７は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、引上げ速度の関数としてのＧ_ｓ,ｆ,ｚの半径方向変化を示すグラフである。 図５８は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、増大する引上げ速度の関数としてのＧ_ｓ,ｆ,ｚの相対的半径方向変化を示すグラフである。 図５９は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおいて、引上げ速度の増大に伴う、固化によって生じる熱の（ｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚの項で測定した）結晶中の伝熱への寄与の増加の相対的効果を示すグラフである。 図６０Ａ〜６０Ｃは、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、引上げ速度の関数としての界面形状の変化をシミュレートしたグラフである。 図６１は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、成長する結晶中の軸方向温度プロファイルのグラフである。 図６２は、作動型のメルト熱交換器ＭＨＥ及び結晶熱交換器ＣＨＥを具備した本発明の新しい結晶引上げ装置ＣＰにおける、引上げ速度の関数としてのｖ／Ｇ_ｓ,ｆ,ｚのグラフである。

Claims (17)

1. チョクラルスキー（Ｃｚ）法に従って単結晶シリコンインゴットを成長させる結晶引上げ装置であって、
   ハウジング；
   上側表面を有する半導体原材料メルトを収容するためのハウジング内のルツボ；
   前記ルツボを加熱するための該ルツボに隣る側方ヒータ；
   前記メルトの上側表面から成長するインゴットを上方に引き上げるための引上げ機構であって、インゴットが成長する間、前記メルトの上側表面の一部は露出しており、その露出する上側表面は所定の領域を有している引上げ機構；並びに
   前記メルトの上側表面の露出する部分に隣接して設けられ、前記インゴットを包囲する寸法及び形状の環状メルト熱交換器であって、該熱交換器はメルトの上側表面の露出する部分に面して設けられる熱源を有し、該熱源はメルトの上側表面での熱伝達を制御するために、メルトの上側表面の露出する部分の面積の少なくとも３０％の寸法のメルトに熱を輻射する面積を有しており、メルト熱交換器は上側表面の露出する部分における熱損失を低減することに適合化されており、
   メルト／結晶界面の近くの成長中のインゴットの第１の部分を冷却するために、メルトの上方に設けられて、実質的にインゴットを包囲する寸法及び形状の結晶熱交換器を更に有する結晶引上げ装置。
2. 前記熱源が、メルトの上側表面の露出する部分の面積の少なくとも５０％の寸法の面積を有している請求項１記載の結晶引上げ装置。
3. 前記熱源が、メルトの露出する表面の５０ｍｍ以内に設けられるように適合化されている請求項１記載の結晶引上げ装置。
4. 結晶熱交換器の上方に設けられており、インゴットの第２のセグメントを所定の温度に維持するために該インゴットを実質的に包囲するように適応している下側結晶ヒータを更に有する請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載の結晶引上げ装置。
5. 前記下側結晶ヒータの上方に設けられて、インゴットを実質的に包囲して、該インゴットの第３のセグメントを所定の温度に維持する上側結晶ヒータを更に有する請求項４記載の結晶引上げ装置。
6. 単結晶シリコンインゴットを成長させる方法であって、
   ルツボ内で半導体原材料のメルトであって、表面を有するメルトを形成する工程；
   前記メルトの上側表面の露出する部分の面積の少なくとも３０％の寸法でメルトに熱を輻射するような領域を有する熱源を、前記メルトの上側表面の露出する部分に面するように配置する工程；
   前記半導体原材料が単結晶シリコンインゴットへと固化するように、メルトの表面から前記原材料を引き上げる工程；並びに
   前記熱源を利用してメルトの表面における熱伝達を選択的に制御する工程
   を有してなり、
   結晶熱交換器を用いて、メルト／結晶界面の上方の位置でインゴットから熱を除くことを更に含んでなる単結晶シリコンインゴットを成長させる方法。
7. 熱伝達を選択的に制御する工程は、メルト表面の１００ｍｍ以内に熱源を配置することによってメルト表面に熱を適用すること、及びメルト表面における熱伝達の制御を協同的に行い、インゴットの中の欠陥を選択的に制御することを含んでなる請求項６記載の方法。
8. メルト／結晶界面は所定の形状を有しており、熱伝達を選択的に制御する工程はメルト熱交換器から輻射する熱を変化させて該メルト／結晶界面の形状を制御することを含んでなる請求項７記載の方法。
9. 前記熱を除く工程は、結晶熱交換器内の冷却流体の温度を制御してインゴットから所定の速度で熱を除去し、インゴットを所定の温度以上に保つことを含んでなる請求項６〜８のうちのいずれか１つに記載の方法。
10. 結晶熱交換器の上方のインゴットの一部を前記所定の速度よりも高い速度にて冷却して、インゴット内に欠陥が生じたり及び／又は欠陥が成長したりすることを制御する請求項９記載の方法。
11. 結晶熱交換器の上方に設けられた下側結晶ヒータを用いて、インゴットのメルト／結晶界面から離れたセグメントを加熱することを更に含む請求項６〜１０のうちのいずれか１つに記載の方法。
12. 前記下側結晶ヒータの上方に設けられた上側結晶ヒータを用いて、インゴットのメルト／結晶界面から離れたセグメントを加熱することを更に含む請求項１１記載の方法。
13. 結晶引上げ装置の構成要素を加えたり除いたりする工程を含まない請求項６記載の方法。
14. 前記制御する工程は、ルツボの温度が所定の温度以下に保たれるように、メルト側ヒータ出力を所定の範囲で制御することを含んでなる請求項６記載の方法。
15. 前記制御する工程は、ルツボの温度が低下するように側方ヒータ温度を下げること、及び同時に、メルト表面からの熱損失を減らすことを含んでなる請求項１４記載の方法。
16. 所望の軸方向温度勾配を選択することを更に含んでなり、前記制御する工程は該所望の軸方向温度勾配を保つようにメルト熱交換器の温度を選択することを更に含む請求項６記載の方法。
17. 前記制御する工程は、メルト／結晶界面における温度場を操作して、界面形状に影響を与えることを含む請求項１６記載の方法。

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