KR20140033411A

KR20140033411A - 복합 활성 몰드 및 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20140033411A
Application number: KR1020137033289A
Authority: KR
Inventors: 글렌 베네트 쿡; 프랜틱 마줌더; 발람 수만; 나테산 벤카타라만
Original assignee: 코닝 인코포레이티드
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2014-03-18
Also published as: WO2012166445A1; CN103562442A; US20120299218A1; JP2014522369A; EP2714969A1

Abstract

본 발명은 용융 반도체 물질과 접하도록 형상화된 외부 표면, 및 이를 통하여 열을 전달하도록 열 전달 표면으로 형상화된 내부 표면을 갖는 쉘 물질, 및 상기 쉘 물질 내에 한정되고 상기 쉘 물질의 열 전달 표면을 통하여 쉘 물질로부터의 열을 제거하도록 형상화된 코어를 포함하는 기판 몰드에 관한 것이다. 상기 기판 몰드는 상기 용융 반도체 물질에 침지되도록 형상화되고, 상기 쉘 물질의 외부 표면은 그 위에 형성된 고형화된 용융 반도체 물질을 갖도록 형상화된다.

Description

복합 활성 몰드 및 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법 {COMPOSITE ACTIVE MOLDS AND METHODS OF MAKING ARTICLES OF SEMICONDUCTING MATERIAL}

본 출원은 2011년 5월 27일자에 출원된 미국 특허출원 제13/117,440호의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 전체적인 내용은 참조로서 본 발명에 모두 포함된다.

본 발명은, 일반적으로, 용융 반도체 물질로부터 고체 반도체 물질의 제품을 형성하기 위해 형상화된 기판 몰드 (substrate molds), 및 반도체 물질의 제품의 제조방법에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 그 위에 반도체 물질을 형성하기 위해 외부 표면을 갖는 쉘 (shell) 물질을 포함하는 기판 몰드에 관한 것이며, 여기서 상기 기판 몰드는 상기 쉘 물질로부터 열을 제거하기 위해 형상화된 쉘 물질 내에 코어를 더욱 포함한다.

실리콘 웨이퍼를 생산하기 위해 널리 사용된 두 가지의 기술은 고전적인 결정 성장 기술 - 플로트 영역 (float zone) 및 쵸크랄스키 (Czokralski)이다. 두 가지 방법들은 고 품질 단 또는 다-결정 실리콘 잉곳 (ingot)을 생산하기 위하여 사용될 수 있다. 상기 잉곳들은 원하는 두께의 웨이퍼를 제공하기 위해 와이어 쏘 (wire saw)로 절단된다. 그러나, 상기 와이어 쏘의 한계가 있는 두께에 기인하여, 상기 물질의 상당한 단편 (fraction)은 절단 동안 손실 (커프 로스 (kerf loss))된다. 상기 손실 물질의 양은 50% 이상일 수 있다. 따라서, 상기 쏘잉 단계 (sawing step)를 불필요하게 하는 원하는 최종 또는 최종에 근접한 실제 모양 (net shape)을 갖는 자립식 실리콘 막 (free standing silicon film)을 직접 형성시키는 것은 와이어 쏘잉에 기인한 물질 손실을 감소시킬 것이다.

화학적 기상 증착 (CVD) 및 플라즈마 화학적 기상 증착 (PCVD)과 같은 박막 증착 기술은 가능한 대안이다. 그러나, 이들 공정들은 비용이 고가이고 복잡하다. 또 다른 그룹의 공정들은 수직 리본 성장 공정 (vertical ribbon growth processes) 및 수평 리본 성장 공정을 포함하는, 리본 성장 공정이다. EFG법(Edge-Defined Film Fed Growth), 및 스트링 리본 (string ribbon) (SR)과 같은, 수직 리본 성장 공정은 낮은 풀 스피드 (pull speed) 및 낮은 처리량 (throughput)에서 작동한다. 몰드 웨이퍼 (MW) 및 기판상에 리본 성장 (RGS)과 같은 수평 리본 성장 공정은 높은 풀 스피드 및 처리량에서 작동한다. 리본 성장 기술은 150-600 미크론 두께인 실제 모양 실리콘 시트를 형성하는데 사용될 수 있다.

RGS 및 MW을 포함하는, 오늘날의 리본 성장 기술은 상대적으로 빠른 공정으로, 여기서 액체-고체 계면에서 상기 고형화 속도 (solidification rate) 및/또는 온도 구배는 상기 잉곳 성장 방법에서의 것보다 훨씬 더 높다. 이러한 빠른 리본 성장 공정에 있어서, 상기 처리량은 상기 풀 스피드를 증가시켜 증가될 수 있다. 그러나, 더 높은 풀 스피드에서 처리량의 증가는 통상적으로 더 빠른 성장 속도에서 더 높은 결함 밀도 (defect density)의 혼입에 기인하여 최종 태양 전지의 효율을 감소시켜 상쇄된다. 따라서, 반비례 관계는 상기 리본 기술의 처리량 및 이들 리본으로부터 제조된 태양 전지의 효율 사이에서 나타난다.

다양한 적용을 위하여, 전지 효율의 손상 없이 단위 면적당 저 비용을 제공하는 반도체 물질의 제품을 제조하는 공정을 제공하는 것이 바람직하다. 외부주조 (exocasting)의 공정은, 예를 들어, 실리콘 광기전력 기판 (photovoltaic substrate)과 같은 생산품이 용융 실리콘을 사용하여 이에 의해 제작되는 공정이다. 몰드, 예를 들어, 내화성 물질 (refractory material)을 포함하는 어떤 것은, 용융 실리콘에 넣어질 수 있다. 상기 용융 실리콘은 상기 몰드의 상대적으로 차가운 표면상에 고형화된다. 상기 몰드는 그 다음 상기 용융 실리콘으로부터 제거되고, 상기 고형화된 물질은 상기 몰드의 표면으로부터 탈착되며, 이에 의해 광기전력 전지용 웨이퍼와 같은 외부 주조된 생산품을 형성한다.

이의 전체적인 내용이 본 발명의 참조로서 포함된, 공동 소유의 미국특허 제7,771,643호에 있어서, 개시된 외부주조 공정은 원하는 모양의 실리콘 막을 생산할 수 있다. 상기 공정에 있어서, 실리콘 또는 알루미나와 같은, 고온 세라믹 기판은, 용융 실리콘에 침지된다. 상기 기판의 초기 온도는 상기 실리콘의 용융 온도보다 더 낮다. 상기 용융 실리콘에 상기 기판의 침지에 뒤이어 즉시, 상기 기판 표면에 인접한 실리콘의 고형화는 일어난다. 고형화의 속도는 원칙적으로 상기 기판에 의한 고형화의 잠열 (latent heat)을 용융 실리콘으로부터 제거하는 속도에 의해 제어된다. 상기 고형화는 상기 기판 온도 증가 후 정지되고, 이의 열 용량은 소진된다. 이 시점 이후, 상기 고체 막의 재용융은 일어난다. 고형화 및 재용융의 동역학은 수학적 방법에 의해 예측될 수 있고, 원하는 막 두께는 미리결정된 시간 동안 액체 용융에 기판을 유지시켜 얻어질 수 있다. 상기 외부주조 공정은 상기 실리콘 막의 제어된 두께 및 높은 전체 처리량을 허용한다.

이러한 장점에도 불구하고, 상기 빠른 고형화 공정에서 성장된 상기 실리콘 입자 구조는, 예를 들어, 고효율 광기전력 모듈과 같은, 적어도 어떤 적용에 대해 이상적일 수 없다. 특히, 상기 빠른 고형화 공정은 수지상 결정의 (dendritic) 미세구조를 갖는 실리콘 막을 결과하고, 이것은 고효율 광기전력 모듈을 제작하는데 유해할 수 있다.

도 7-9에서 개략적으로 나타낸 바와 같은, 미국특허 제7,771,643호에서 개시된 외부주조 공정에 있어서, 기판 몰드 (200)는 용융 반도체 물질 (202)에 침지되고, 고형화 물질 (204)은 상기 기판 몰드 (200)의 표면상에 형성된다. 상기 용융 반도체 물질 (202)에 의한 고형화는, 상기 기판에 수직 (normal) 방향 (Vx) 및 상기 기판의 평면에 평행 방향 (Vy), 두 개의 방향에서 일어난다. 상기 기판 몰드 (200)로부터 먼 용융 반도체 물질 (202)의 벌크 온도는, 상기 용융 반도체 물질이, 예를 들어, 실리콘인 경우, 표준 공정에 있어서 약 1470℃이다. 상기 기판 몰드 (200) 및 상기 용융 반도체 물질 (202) 사이의 계면인, 용융 계면을 훨씬 웃도는 상기 기판 몰드 (200)의 온도는 통상적으로 약 400℃이다. 상기 고체-액체 계면 (206)은 약 1410℃ 내지 약 1414℃의 용융점 범위에 있다. 따라서, 상기 온도 구배는 기판 몰드 (200)에 평형 방향으로 매우 음 (negative)이다. 만약 상기 기판 (200) 및 상기 용융 반도체 물질 (202) 사이의 계면에서, 온도 구배, G (OC/cm)가 음이라면, 그 다음 상기 고형화 전면 (front)은 절대적으로 불안정하고 수지상 결정의 모폴로지를 유도한다. 영역 (region) (208)에서 고체-액체 계면 (206)의 단지 앞의 액체는 매우 과냉각되고, 따라서 상기 영역 (208)에서 계면 (206)에 인접한 액체의 온도 구배는 매우 음, 예를 들어, -500-1000℃이다. 따라서, 상기 방향에서 계면 모폴로지는 표준 외부주조 공정에서 거의 항상 수지상 결정이다.

한편, 만약 계면에서 온도 구배가 양이라면, 그 다음 상기 고체-액체 계면은 안정하고 평면이며, 만약 형성의 속도가 임계 속도 (critical velocity) 이하라면, V crit = aG이고, 여기서 a는 상기 물질 특성에 의존하는 파라미터이다. 도 8은 상기 x 및 y 구성요소들의 외부주조 공정의 온도 구배 및 고형화 속도에 따라, G>O에 대한 실리콘의 계산된 V crit을 나타낸다. 상기 평형 구성요소, Vy가 불안정한 영역 (G>O)에 떨어지기 때문에 (도 8에서 "NS"로 표시), 상기 계면 모폴로지는 수지상 결정이다. 한편, 상기 수직 구성요소가 안정한 영역 (G>O, Vx<Vcrit) (도 8에서 "S"로 표시) 내이기 때문에, 상기 계면 모폴로지는 평면이다.

상기 기판 몰드 (200)의 표면을 따라 수지상 결정 팁 (dendrite tip)의 형성 속도는 반대 방향 (opposite direction)을 제외하고, 상기 기판 침지 속도와 거의 동일하다. 고형화된 반도체 물질 (204)의 팁으로부터 떨어진 상기 기판 몰드 (200)에 수직 방향의 온도 구배는 항상 양이고, 따라서 상기 고체-액체 계면의 모양은 항상 그 방향에서 평면이다.

따라서, 상기 기판 몰드 (200)에 수직 방향에서 양 및 상기 기판 몰드에 평형 방향에서 음인, 두 개의 직교 방향에서 다른 온도 구배는 두 개의 뚜렷히 다른 모폴로지, 즉, 각각 평면 및 수지상 결정을 결정한다. 따라서, 상기 기판 몰드 (200)의 표면에 평형 방향에서 음의 온도 구배의 감소 및 바람직하게는 제거는 최적의 미세구조를 생성하기 위해 바람직할 것이다.

본 발명자들은, 상기 형성된 웨이퍼에서 수지상 결정의 특색의 발생을 결과할 수 있는, 음의 온도 구배의 방향으로 상기 기판 표면을 따라 고형화 속도 구성요소를 감소 또는 제거하기 위한 방법을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 고형화된 물질이, 양의 온도 구배의 방향인, 상기 기판 몰드에 수직 방향으로만 실질적으로 형성되는 방법을 발견하였다. 본 발명자들은 상기 기판 몰드의 표면상에 초과 과냉각을 방지, 및 동시에 원하는 두께 및 원하는 시간 내의 고형화된 물질을 형성하기 위한 방법을 더욱 발견하였다. 따라서, 비록 전술된 하나 이상의 문제점이 특정 구현 예에서 해결될 수 없을지라도, 본 발명에 개시된 몰드 및 방법은, 적어도 몇몇 구현 예에 있어서, 하나 이상의 전술된 문제점을 해결할 수 있고, 이러한 구현 예는 본 발명의 범주 내인 것으로 의도된다.

본 발명의 다양한 대표적인 구현 예에 따르면, 반도체 물질의 고체 제품을 제조하는 방법은 제공된다. 상기 방법은 쉘 물질, 및 상기 쉘 물질 내에 한정되며 상기 쉘 물질로부터 열을 제거하기 위한 형상된 코어를 갖는 기판 몰드를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 용융 반도체 물질에 기판 몰드를 침지시키는 단계, 상기 쉘 물질의 외부 표면상에 상기 용융 반도체 물질을 고형화시키는 단계, 및 상기 기판 몰드로부터 고형화된 반도체 물질을 제거시키는 단계를 더욱 포함한다.

대표적인 구현 예는 또한 쉘 물질 및 코어 물질을 포함하는 기판 몰드에 관한 것이다. 상기 쉘 물질은 용융 반도체 물질을 열적으로 접촉하도록 형상화된 외부 표면 및 이를 통하여 열을 전달하기 위한 열 전달 표면으로 형상화된 내부 표면을 갖는다. 상기 쉘 물질 내에 한정된 코어는 상기 쉘 물질의 열 전달 표면을 통해 상기 쉘 물질로부터 열을 제거하도록 형상화된다. 본 발명에 따른 기판 몰드는 상기 용융 반도체 물질에 침지되도록 형상화일 수 있고, 상기 쉘 물질의 외부 표면은 그 위에 형성된 고형화된 용융 반도체 물질을 갖도록 형상화될 수 있다.

본 발명에 사용된 바와 같은, 상기 용어 "반도체 물질"은, 예를 들어, 실리콘, 게르마늄, 갈륨 비소, 이의 합금, 이의 화합물, 및 이의 혼합물과 같은 반도체 특성을 나타내는 물질을 포함한다. 다양한 구현 예에 있어서, 상기 반도체 물질은 (예를 들어, 고유한 또는 i-형 실리콘과 같은) 순수하거나 또는 (예를 들어, 각각 인 또는 붕소와 같은, n-형 또는 p-형 도펀트를 함유하는 실리콘과 같이) 도핑될 수 있다.

본 발명에서 사용된 바와 같은, 상기 문구 "반도체 물질의 제품"은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 어떤 모양 또는 형태의 반도체 물질을 포함한다. 이러한 제품의 예로는 매끄러운 또는 직조된 제품; 평평한, 곡선된, 굽은 또는 각진 제품; 및 대칭 또는 비대칭 제품을 포함한다. 반도체 물질의 제품은, 예를 들어, 시트 또는 튜브와 같은 형태를 포함할 수 있다.

본 발명에서 사용된 바와 같은, 상기 용어 "몰드" 또는 "기판 몰드"는 반도체 물질의 제품의 최종 모양에 영향을 미칠 수 있는 물리적 구조체를 의미한다. 비록 다양한 구현 예에 있어서, 접촉은 상기 몰드의 표면과 상기 용융 또는 고형화된 반도체 물질 사이에서 발생할 수 있지만, 용융 또는 고형화된 반도체 물질은 본 발명에 기재된 방법에서 몰드의 표면과 실질적으로 물리적인 접촉이 필요하지 않다.

본 발명에서 사용된 바와 같은, 상기 문구 "상기 몰드의 외부 표면" 및 "상기 쉘 물질의 외부 표면"은 침지시에 용융 반도체 물질에 노출될 수 있는 상기 몰드의 표면을 의미한다. 예를 들어, 튜브-모양의 몰드의 내부 표면은, 상기 몰드가 침지된 경우 만약 상기 내부 표면이 용융 반도체 물질과 접촉할 수 있다면, 외부 표면 일 수 있다.

본 발명에서 사용된 바와 같은, 상기 문구 "용융 반도체 물질과 접촉하도록 형상화된 외부 표면", "그 위에 형성된 고체화된 용융 반도체 물질을 갖도록 형상화된 외부 표면" 및 "상기 몰드의 외부 표면에 걸쳐 반도체 물질의 고체층을 형성" 및 이의 변형은, 상기 몰드의 외부 표면상에 또는 근처에 상기 용융 반도체 물질로부터 반도체 물질을 고형화 (또는 "냉동 (freezing)" 또는 "결정화"라 한다)시키는 것을 의미하는 것으로 의도된다.

몇몇 구현 예에 있어서, 상기 몰드의 외부 표면에 걸쳐 반도체 물질의 고체 층을 형성시키는 단계는 상기 몰드의 외부 표면을 코팅하는 입자의 층상에 반도체 물질을 고형화시키는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 구현 예에 있어서, 상기 몰드 및 상기 용융 반도체 물질 사이에 온도 차이 때문에, 상기 반도체 물질은 상기 반도체 물질이 몰드의 표면에 물리적으로 접촉하기 전에 고형화될 수 있다. 상기 반도체 물질이 상기 몰드에 물리적으로 접촉하기 전에 고형화된 경우, 몇몇 구현 예에 있어서, 상기 고형화된 반도체 물질은 상기 몰드 또는 상기 몰드를 코팅한 입자와 나중에 물리적으로 접촉이 있을 수 있다. 상기 반도체 물질은 상기 몰드의 외부 표면, 또는 만약 존재한다면, 상기 몰드의 표면을 코팅하는 입자와 접촉한 후에 물리적으로 고형화될 수 있다.

본 발명에 사용된 바와 같은, 상기 문구 "이를 통하여 열을 전달하도록 열 전단 표면으로 형상화된 내부 표면"은 상기 몰드의 코어를 부분적으로 한정하는 상기 몰드 또는 쉘 물질의 표면을 의미하는 것으로 의도되고, 상기 몰드 또는 쉘 물질의 외부 표면에 대하여 기판 몰드 내의 내부이고, 상기 몰드 또는 쉘 물질의 외부 표면으로부터 상기 코어물질로 열을 전달하도록 내부 표면을 허용하는 특성을 갖는다.

본 발명의 또 다른 목적 및 장점은 하기 상세한 설명에 부분적으로 설명될 것이고, 일부는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 본 발명의 실행에 의해 습득될 것이다. 본 발명의 목적 및 장점은 첨부된 청구항에서 특히 지적된 요소 및 조합의 수단에 의해 달성되고 인지될 것이다.

전술된 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 대표적이고 설명을 위한 것이지, 청구항을 제한하는 것은 아니다.

본 명세서의 일부를 구성하고 혼입된 첨부된 도면은, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 대표적인 구현 예를 설명하고, 본 발명에 기재된 원리를 설명하기 위해 제공된다.

도 1은 전형적인 구현 예에 따른 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법의 개략도이고;
도 2는 전형적인 구현 예에 따른 전형적인 기판 몰드 및 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법의 개략도이며;
도 3은 용융 실리콘에 침지 시간의 함수에 따라 상기 기판 몰드의 제1 코어 물질 및 쉘 물질의 다양한 출발 온도에서 실리콘 제품의 두께의 대표적인 계산된 그래프이고;
도 4는 용융 실리콘에 침지 시간의 함수에 따라 상기 기판 몰드의 제2 코어 물질 및 쉘 물질의 다양한 출발 온도에서 실리콘 제품의 두께의 대표적인 계산된 그래프이며;
도 5는 용융 실리콘에서 침지 시간의 함수에 따라 상기 기판 몰드 f의 제3 코어 물질 및 쉘 물질의 다양한 출발 온도에서 실리콘 제품의 두께의 대표적인 계산된 그래프이고;
도 6은 용융 실리콘에서 침지 시간의 함수에 따라 다양한 열 유속 (heat flux) 수준 및 다양한 출발 온도에서 실리콘 제품의 두께의 대표적인 계산된 그래프이며;
도 7은 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법의 개략도이고;
도 8은 실시 방법의 고형화 속도 및 온도 구배를 설명하는 그래프이고;
도 9는 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법의 개략도이다.

전술된 일반적인 설명 및 하기 상세한 설명은 대표적이고 오직 설명을 위한 것이지 청구항을 한정하는 것은 아니다. 다른 구현 예는 본 명세서의 이해 및 본 발명에서 개시된 구현 예의 실행으로부터 기술 분야의 당업자에게 명백해질 것이다.

본 발명의 다양한 대표적인 구현 예에 있어서, 기판 몰드는 (i) 용융 반도체 물질과 접촉하도록 형상화된 외부 표면, 및 이를 통하여 열을 전달하도록 열 전달 표면으로 형상화된 내부 표면을 갖는 쉘 물질, 및 (ii) 상기 쉘 물질의 열 전달 표면을 통해 상기 쉘 물질로부터 열을 제거하도록 형상화되고 상기 쉘 물질 내에 한정된 코어를 포함한다. 상기 기판 몰드는 용융 반도체 물질에서 침지될 형상일 수 있고, 상기 쉘 물질의 외부 표면은 그 위에 형성되는 고형화된 용융 반도체 물질을 갖도록 형상화된다.

본 발명의 또 다른 대표적인 구현 예에 있어서, 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법은 제공되고, 상기 방법은 (i) 쉘 물질 및 (ii) 상기 쉘 물질로부터 열을 제거하도록 형상화된 쉘 물질 내로 한정된 코어를 갖는 기판 몰드를 제공하는 단계, 용융 반도체 물질에 상기 기판 몰드를 침지시키는 단계, 상기 쉘 물질의 외부 표면상에 용융 반도체 물질을 고형화시키는 단계, 및 상기 기판 몰드로부터 고형화된 반도체 물질을 제거시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 대표적인 구현 예에 있어서, 본 발명의 방법에 따라 제조된 반도체 물질의 제품은 제공된다.

도 1은 구현 예에 따른 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 대표적인 방법의 개략적 예시이다. 상기 대표적인 방법은 외부주조 공정이고, 이것은 내부 몰드 공동 (cavity) 보다는, 몰드의 외부 표면에 걸쳐 제품을 주조한다. 도 2는 구현 예에 따른, 반도체 물질의 제품을 제조하기 위한 방법 및 대표적인 기판 몰드의 개략적 예시이다. 중공 (hollow)이 제공된, 기판 몰드 (100)는 쉘 물질 (10) 및 상기 쉘 물질 (10) 내부 및 내에 한정된 코어 (12)를 포함한다. 상기 쉘 물질 (10)은 본 발명에 한정된 코어 (12)의 외부이고, 상기 코어 (12)로부터 떨어져 접하는 외부 표면 (14) 및 상기 코어 (12) 쪽으로 접하는 내부 표면 (16)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 기판 몰드 (100)는 용융 반도체 물질 (20)에 침지된다. 예를 들어, 용융 실리콘과 같은 용융 반도체 물질 (20)은, 상기 실리콘과 선택적으로 비-반응성일 수 있는, 도가니 (crucible)와 같은, 용기 (50)에 실리콘을 용융시켜 제공될 수 있다. 상기 반도체 물질 (20)은 열 원 (22)에 의해 가열될 수 있다. 상기 기판 몰드 (100)가 용융 반도체 물질 (20) 내에 제공된 이후에, 상기 용융 반도체 물질 (20)은, 상기 용융 반도체 물질 (20)과 접촉하는, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14) 상에 고형화된 반도체 물질 (30)로서, 이하 기재되는 바와 같은, 냉각 공정 후에, 결국 고형화된다. 이후, 상기 기판 몰드 (100)는 용융 반도체 물질 (20)로부터 제거되고, 상기 고형화된 반도체 물질 (30)은 상기 기판 몰드 (100)으로부터 제거된다.

상기 쉘 물질 (10)의 내부 표면 (16)은 이를 통하여 열을 전달하기 위해 열 전달 표면으로서 형상화된다. 상기 쉘 물질 (10) 내에 한정된 코어 (12)는 상기 쉘 물질 (10)의 열 전달 표면 (16)을 통해 상기 쉘 물질 (10)로부터의 열을 제거하도록 형상화된다. 따라서, 하기에 기재될 것과 같이, 예를 들어, 코어 (12) 내에 코어 물질 (18)을 삽입시켜 냉각이 발생한 경우, 열은 상기 쉘 물질 (10)의 내부의, 열 전달 표면 (16)을 통해 상기 쉘 물질 (10)으로부터 상기 코어 (12)로 전달된다.

적어도 하나의 구현 예에 따르면, 상기 쉘 물질 (10)의 온도는 초기 온도 T_initial에서 개시하고, 그 다음 상기 용융 반도체 물질 (20)에 침지시키기 전에 가열된 온도 T_heat로 가열된다. 상기 쉘 물질 (10)의 가열된 온도 T_heat는 상기 용융 반도체 물질 (20)의 가열된 온도 T_melt 보다 더 높을 수 있다. 상기 용융 반도체 물질 (20)이 실리콘인 경우, 예를 들어, T_melt는 1410 ℃ 내지 약 1414 ℃의 범위에 있다. 후속 작동에 있어서, 상기 기판 몰드 (100)는 상기 용융 반도체 물질 (20)에 침지되고, 상기 쉘 물질 (10) 상에서 고형화되고 유지되는 상기 용융 반도체 물질 (20)이 없는 조건인, 이상적인 초기 조건은 달성될 수 있다. 이러한 구현 예에 있어서, 이상적인 초기 조건은, 상기 기판 몰드 (100)가 용융 반도체 물질 (20)에 침지된 이후에, 상기 용융 반도체 물질이 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14)상에서 초기에 고형화되지 않는 조건이다. 상기 쉘 물질 (10)의 온도가 용융 반도체 물질 (20)의 온도 T_melt보다 더 높은 온도 T_heat로 가열되기 때문에, 그 다음 용융 반도체 물질 (20)은, 상기 기판 몰드 (100)가 용융 반도체 물질 (20)에 초기에 침지된 경우, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14) 상에서 고형화되지 않는다.

선택적 대표적인 구현 예에 있어서, 상기 쉘 물질 (10)은 용융 반도체 물질 (20)에서 침지되기 전에 예열되지 않는다. 상기 기판 몰드 (100)는 상기 용융 반도체 물질 (20)의 고형화 점으로 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 근처의 용융 물질의 온도를 감소시키고, 상기 반도체 물질의 적어도 일부를 즉시 고형화하기 위하여 용융 반도체 물질 (20)로부터 충분한 열을 제거시키기 위한 충분한 시간 동안 침지된다. 상기 기판 몰드 (100)가 침지됨에 따라, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14)상에 즉시 고형화하는 반도체 물질은 평면 방향으로 수지상 결정의 모폴로지 및 수직 방향으로 평면 모폴로지로 형성되고, 이것은 공지의 외부 주조 공정에서 일반적으로 일어난다.

또 다른 대표적인 구현 예에 있어서, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14)의 온도는, 예를 들어, 상기 용융 반도체 물질의 온도 T_melt 이하일 수 있지만, 이상적인 초기 조건을 달성하고, 여기서 초기 고형화 없이, 쉘 물질 (10) 상에서 고형화 및 유지되는 상기 용융 반도체 물질 (20)은 없다. 예를 들어, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14)의 온도가 상기 용융 반도체 물질의 온도 T_melt 약간 이하이므로, 상기 용융 반도체 물질 (20)의 초기 고형화를 결과하기 위한 온도 구배는 충분하지 않다. 따라서, 상기 이상적인 초기 조건은 상기 쉘 물질 (10)의 예열 또는 상기 용융 반도체 물질 (20)의 초기 고형화 이후에 재용융 조건의 요구 없이, 상기 용융 반도체 물질 (20)의 온도 T_melt, 예를 들어, 온도 T_melt 약간 이하에 근접한 온도에서 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14)를 제공하여 단순히 달성될 수 있다.

이후에, 공지의 외부 주조 공정에 대비하여, 상기 기판 몰드 (100)는 웨이퍼 형성을 위한 이상적인 초기 조건이 달성될 때까지 상기 용융 반도체 물질 (20)에 침지되어 머무른다. 상기 이상적인 초기 조건은, 상기 고형화된 반도체 물질 (30)이 재용융하고, 상기 기판 몰드 (100)의 온도가 용융 반도체 물질 (20)의 온도 T_melt와 평형을 이룰 수 있는 온도에 도달하기 위한 충분한 시간 동안, 상기 기판 몰드 (100)가 침지되어 머무른 이후에 발생한다. 상기 초기에 고형화된 반도체 물질 (30)은, 예를 들어, 초기에, 미리-침지된, 상기 쉘 물질 (12)의 온도 및 상기 쉘 물질 (12)의 두께에 의존하여, 예를 들어, 5-30 초 내에서 재용융될 수 있다. 반도체 물질 (20)이 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14) 상에 유지되지 않는 경우, 상기 웨이퍼의 형성을 위한 이상적인 초기 조건은 달성된다. 상기 재용융 공정의 하나의 대표적인 구현 예의 추가적인 설명에 대하여, 참조는 미국특허 제7,771,643호에 기재되었다.

상기 이상적인 초기 조건이 전술한 대표적인 구현 예들의 어떤 것에 따라 달성될 때, 고형화는 상기 기판 몰드 (100)의 코어 (12) 내로부터 기판 몰드 (100)를 냉각시켜 더욱 제어된 방식으로 시작될 수 있다. 냉각은 상기 코어 (12) 내에 코어 물질 (18)을 삽입시켜 발생시킬 수 있다. 상기 코어 물질 (18)은 열 제거를 제어하기 위해 다양한 예열 온도에서 삽입될 수 있다. 하나의 구현 예에 있어서, 상기 코어 물질 (18)은 상기 이상적인 초기 조건이 달성된 이후에 쉘 물질 (10)의 온도보다 더 낮은 온도를 가질 수 있다. 상기 구현 예에 있어서, 예를 들어, 상기 코어 물질 (18)은 용융 반도체 물질 (20)에 침지하기 전에 쉘 물질 (10)의 온도 T_heat보다 더 낮은 온도를 갖는다. 상기 코어 물질 (18)이 상기 쉘 물질 (10)의 가열된 온도 T_heat보다 더 낮은 온도이므로, 상기 코어 물질 (18)이 상기 코어 (12)에 삽입된 경우, 상기 기판 몰드 (100)가 용융 반도체 물질 (20)에 침지된 후에, 열은 쉘 물질 (10) 및 코어 물질 (18) 사이의 온도 구배에 기인하여 상기 쉘 물질 (10)로부터 코어 물질 (18)로 전달된다. 상기 쉘 물질 (10)의 온도가 상기 용융 반도체 물질 (20)의 용융 온도 T_melt 이하로 감소하는 경우, 상기 고형화 공정은 시작한다. 상기 고형화 공정은, 상기 기판 몰드 (100)가 용융 반도체 물질 (20)에 침지되자마자, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14) 상에서 시작되지 않으므로, 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14)의 평면을 따라 고형화된 반도체 물질의 형성은 회피되고, 상기 고형화 방향은 상기 쉘 물질의 외부 표면 (14)의 수직 방향으로 제한된다. 선택적 구현 예에 있어서, 상기 쉘 물질 (10)의 온도보다 더 낮은 온도를 갖는 코어 물질 (18)은 상기 용융 반도체 물질 (20)로 기판 몰드 (100)를 침지시키기 전에 코어 (12) 내에 제공된다.

상기 쉘 물질 (10)은 상기 기재된 공정을 위해 적절한 어떤 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 쉘 물질 (10)은 실리카와 같은, 내화성 물질을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 코어 물질 (18)은 상기 쉘 물질로부터 열 전달하기 위해 적절한 어떤 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 코어 물질은 실리카, 텅스텐, 탄화규소, 및 산화 알루미늄, 또는 이의 어떤 조합과 같은, 적절한 전도성, 열 용량 및 두께의 고체 물질을 포함할 수 있고, 이에 제한되지는 않는다. 상기 코어 물질 (18)은 또 다른 예로서, 열 전달 유체 또는 열 전달 가스를 포함할 수 있다.

상기 쉘 물질 (10) 또는 상기 코어 물질 (18)의 하나는 상기 쉘 물질 (10)의 외부 표면 (14) 상에 상기 용융 반도체 물질의 고형화를 유발시키기 위해 열 유속의 조작 (manipulation)을 허용하는 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 두께, 상기 전도성, 상기 물질의 열 용량, 상기 물질의 모양 및 상기 물질이 가열된 시간의 길이는 상기 열 유속에 영향을 미칠 수 있는 특징의 모든 예들이다. 예로서, 상기 쉘 물질 (10) 및 코어 물질 (18)은 동일한 물질, 예를 들어, 실리카로부터 제조될 수 있지만, 다른 두께, 예를 들어, 얇은 쉘 물질 (10) 및 두꺼운 코어 물질 (18)을 각각 가질 수 있다. 상기 물질들 (10 및 18)의 변화하는 두께는, 가열된 용융 반도체 물질 (20) 바로 근접해 있는, 상기 쉘 물질 (10)의 온도가, 더 두꺼운 코어 물질 (18)의 온도와 비교하여 상승된 경우, 온도 구배에 기인하여, 상기 쉘 물질 (10)로부터 코어 물질 (18)로 열 전달을 결과할 수 있다.

도 3-5는 쉘 물질 및 텅스텐, 탄화규소, 및 산화 알루미늄의 각각 코어 물질의 다양한 출발 온도에서, 본 발명의 적어도 하나의 대표적인 구현 예에 따른 용융 실리콘에서 침지 시간의 함수에 따라 형성된, 실리콘 제품의 두께의 계산된 그래프이다. 도 3-5에서 각각의 곡선들 (402, 502 및 602)은 상기 쉘 물질 (10) 및 상기 코어 물질 (18) 모두의 예열 온도가 400℃인 경우 고형화된 물질의 두께를 예시한다. 상기 곡선들 (402, 502, 및 602)은, 각각 코어 및 쉘 온도인, 주요 기준 400℃/400℃로 한정된다.

도 3-5에서 각각의 곡선들 (404, 504 및 604)은 상기 쉘 물질 (10)의 예열 온도가 1400℃이고, 상기 코어 물질 (18)의 예열 온도가 400℃인 경우, 고형화된 물질의 두께를 예시한다. 상응하는 핵심은 각각의 상기 코어 및 쉘 온도를 나타내는 기준 400℃/1400℃를 함유한다.

도 3-5에서 각각의 곡선들 (406, 506 및 606)은 상기 쉘 물질 (10)의 예열 온도가 1400℃이고, 상기 코어 물질 (18)의 예열 온도가 100℃인 경우, 고형화된 물질의 두께를 예시한다. 상기 쉘 물질 (10)의 온도는 1400℃인 경우, 상기 고형화된 물질로서 실리콘의 원하는 두께는, 원하는 시간, 예를 들어, 약 20 초 이하에서, 약 200 미크론 이상과 같은, 약 100 미크론 이상으로 형성될 수 있다. 상응하는 핵심 (keys)은 각각의 상기 코어 및 쉘 온도를 나타내는 기준 100℃/1400℃를 함유한다.

상기 기판 몰드 (100)는, 적어도 몇몇 대표적인 구현 예에 있어서, 상기 코어 물질 (18)에 의해 적극적으로 냉각될 수 있다. 구현 예에 있어서, 상기 코어 물질 (18) 및 상기 쉘 물질 (12) 사이의 열 유속은 이러한 적극적 냉각에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 코어 물질 (18)이 열 전달 유체인 경우, 상기 열 유속 (N/㎠)은 하나 이상의, 온도의 함수인, 열 전달 계수, 상기 코어 (12) 내에 상기 열 전달 유체의 유량 (flow rate), 및 상기 코어 (12)의 설계를 제어하는 제어될 수 있다. 상기 열 유속은 상기 열 전달 유체의 전체 온도에 의해 직접적으로 변화될 수 있다. 상기 유속은 대략 h (T-Tf)이고, 여기서 T는 전체 유체의 온도이고, h는 유량, 온도 및 코어 설계의 함수이다.

또 다른 대표적인 구현 예에 있어서, 상기 코어 물질 (18)은 구리와 같은, 전도성 물질일 수 있고, 이것은 활성 냉각 장치 (40)과 연결된다. 상기 냉각 장치 (40)는 상기 코어 물질 (18) 및 상기 쉘 물질 (12) 사이의 열 유속을 제어하기 위하여 전도성 물질의 온도를 변화시키도록 제어될 수 있다. 선택적으로, 상기 코어 물질 (18)은 Peltier 효과에 위해 냉각된 합금일 수 있다.

활성 냉각 공정은, 조절될 수 있고, 원하는 경우, 느리게 일어나도록 상기 용융 반도체 물질 (20)의 고형화를 허용하고, 이것은 고형화된 물질 (30)의 형성에 유리할 수 있다. 상기 물질이 고형화된 즉시, 상기 기판 몰드 (100)는 상기 용융 반도체 물질 (20)로부터 추출되고, 상기 고형화된 물질, 예를 들어, 실리콘 웨이퍼와 같은, 웨이퍼는 기판 몰드 (100)의 외부 표면 (14)으로부터 제거된다.

도 6은 다양한 출발 온도 및 다양한 열 유속 수준에서, 적어도 하나의 대표적인 구현 예에 따라 용융 실리콘에서 침지 시간의 함수에 따라, 형성된 실리콘 제품의 두께의 계산된 그래프이다. 곡선 (302)는 (상기 용융과 평형인) 1470℃의 초기 온도 및 100 W/㎠의 일정한 열 유속으로 출발하는 상기 기판 몰드 (100)를 예시한다. 이 경우에 있어서, 상기 고형화는 대략 2.5 초까지 시작하지 않는다. 이는, 상기 시간 내에서, 상기 열 유속이 상기 기판 몰드 (100)의 쉘 물질 (10)의 현열 (sensible heat)을 감소시키는데 활용되기 때문이다. 상기 기판 몰드 (100)의 표면이 실리콘의 용융점, 1410℃ 이하로 되면, 상기 용융에서 고형화는 개시한다. 이후에, 상기 재고형화 (resolidification) 공정은 거의 일정한 속도로 발생한다. 그래프 (304)는 1420℃의 초기 온도로 출발하는 기판 몰드 (100)을 예시한다. 이 경우에 있어서, 고형화는 1470℃의 초기 온도에서보다 더 빨리 시작한다. 상기 냉각 열 유속이 일정하게 유지되는 한, 고형화는 거의 일정한 속도로 계속될 것이다.

그래프들 (306 및 308)은 다양한 열 유속의 사용을 예시한다. 그래프 (306)는, 상기 표적 두께, 예를 들어, 100 미크론에 도달될 때까지의 1470℃의 초기 온도에서 100 W/㎠의 일정한 열 유속 하의 고형화에 상응하고,^,상기 열 유속의 즉시 정지, 예를 들어, 냉각 유체 흐름의 멈춤을 수반한다. 이 시점으로부터, 상기 실리콘 막의 재용융이 있을 것이다.

그래프 (308)는, 표적 두께, 예를 들어, 125 미크론에 도달할 때까지, 1470℃의 초기 온도에서 100 W/㎠의 일정한 열 유속에서의 고형화에 상응하고, 상기 냉각 열 유속을 15 W/㎠로의 설정을 수반한다. 따라서, 상기 냉각 열 유속을 선택하여, 상기 두께 대 시간 곡선의 모양 (즉, 기울기)은 제어될 수 있고, 이것은 공정 조건 변동에 기인한 작은 두께 가변성 (variability)을 유도할 수 있다.

별도의 언급이 없다면, 명세서 및 청구항에 사용된 모든 숫자는 모든 경우에 있어서 표기가 없더라도 용어 "약"에 의해 변경될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한 본 명세서 및 청구항에 사용된 정확한 숫자 값은 부가적인 구체 예를 형성하는 것으로 이해될 수 있다. 실시 예에서 개시된 숫자 값의 정확도를 보장하기 위해 노력하였다. 그러나, 어떤 측정된 숫자 값은 이의 각각 측정 기술에서 발견된 표준 편차로부터 결과하는 어떤 오류를 근본적으로 함유할 수 있다.

본 발명에 사용된 바와 같은, 용어들의 "단수" 또는 "복수"는 특별히 구분없이 사용하며, 비록 "단수"일지라도, 특별한 언급이 없는 한, 적어도 하나 또는 하나 이상을 의미한다. 따라서, 예를 들어, "상기 쉘 물질" 또는 "쉘 물질"은 적어도 하나의 쉘 물질을 의미하는 것으로 의도된다.

다른 구현 예는 본 발명에 개시된 상세한 설명 및 실시 예를 고려하여 기술분야에 당업자에게 명백해질 것이다. 이것은 본 명세서 및 실시 예가 청구항에 의해 나타낸 개시의 진정한 범주 및 사상을 갖는, 단지 예로서 고려되는 것으로 의도된다.

10: 쉘 물질 12: 코어
14: 외부 표면 16: 내부 표면
18: 코어 물질 20: 용융 반도체 물질
22: 열 원 30: 고형화된 반도체 물질
40: 활성 냉각 장치 50: 용기
100: 기판 몰드

Claims

쉘 물질 및 상기 쉘 물질로부터 열을 제거하도록 형상화되고 쉘 물질 내로 한정된 코어를 갖는 기판 몰드를 제공하는 단계,
상기 기판 몰드를 용융 반도체 물질에 침지시키는 단계,
상기 쉘 물질의 외부 표면상에 용융 반도체 물질을 고형화시키는 단계, 및
상기 기판 몰드로부터 고형화된 반도체 물질을 제거시키는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 침지 단계는 이상적인 초기 조건이 달성될 때까지 유지되고, 상기 이상적인 초기 조건은 상기 쉘 물질의 외부 표면상에 고형화 및 유지된 상기 용융 반도체 물질이 없는 것인 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 방법은 상기 기판 몰드를 침지하기 전에 가열된 온도 T_heat로 상기 쉘 물질을 가열시키는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 상기 가열된 온도 T_heat는 상기 용융 반도체 물질의 가열된 온도 T_melt보다 더 높은 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 용융 반도체 물질은 상기 용융 반도체 물질로 상기 기판 몰드를 침지시킨 이후에 상기 기판 몰드에 초기에 고형화되지 않는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 방법은 상기 용융 반도체 물질의 일부가 상기 쉘 물질의 외부 표면상에 고형화되고, 그 다음 이상적인 초기 조건을 달성하기 위하여 용융 반도체 물질로 전체적으로 재용융되기까지 상기 용융 반도체 물질에서 침지된 상기 기판 몰드를 유지시키는 단계를 더욱 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 방법은 상기 이상적인 초기 조건이 달성된 후에 상기 코어로부터 기판 물질을 적극적으로 냉각시키는 단계를 더욱 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 6에 있어서, 상기 기판 몰드를 적극적으로 냉각시키는 단계는 상기 코어내에 코어 물질을 도입시키는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 코어 물질을 도입시키는 단계는 상기 쉘 물질의 온도보다 낮은 온도를 갖는 코어 물질을 제공하는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 코어 물질을 도입시키는 단계는 상기 기판 몰드를 침지시키는 단계 전에 상기 쉘 물질의 온도보다 낮은 온도를 갖는 코어 물질을 제공하는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 기판 몰드를 적극적으로 냉각시키는 단계는 상기 코어 물질 및 쉘 물질 사이에 열 유속을 제어하는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 제공된 코어 물질은 열 전달 유체이고, 상기 열 유속을 제어하는 단계는 상기 열 전달 유체의 유량을 제어하는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 열 유속을 제어하는 단계는 상기 용융 반도체 물질의 고형화된 부분의 두께가 변화되도록 가변적으로 상기 열 유속을 제어하는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 열 유속을 제어하는 단계는 실질적으로 일정한 속도로 상기 쉘 물질의 외부 표면에 상기 용융 반도체 물질을 고형화시키기 위하여 실질적으로 일정하게 상기 열 유속을 제어하는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 쉘 물질은, 상기 기판 몰드를 침지하기 전에, 상기 용융 반도체 물질의 가열된 온도 T_melt보다 낮은 가열된 온도 T_heat로 가열되는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 용융 반도체 물질을 고형화시키는 단계는 상기 쉘 물질의 외부 표면에 실질적으로 수직 방향으로 오직 상기 용융 반도체 물질을 고형화시키는 단계를 포함하는 반도체 물질의 제품의 제조방법.
용융 반도체 물질과 접하도록 형상화된 외부 표면, 및 이를 통하여 열을 전달하도록 열 전달 표면으로 형상화된 내부 표면을 갖는 쉘 물질; 및
상기 쉘 물질 내에 한정되고 상기 쉘 물질의 열 전달 표면을 통하여 쉘 물질로부터의 열을 제거하도록 형상화된 코어를 포함하는 기판 몰드로서,
여기서 상기 기판 몰드는 상기 용융 반도체 물질에 침지되도록 형상화되고, 상기 쉘 물질의 외부 표면은 그 위에 형성된 고형화된 용융 반도체 물질을 갖도록 형상화된 기판 몰드.
청구항 16에 있어서,
상기 기판 몰드는 상기 코어에 제공된 코어 물질을 더욱 포함하는 기판 몰드.
청구항 17에 있어서,
상기 코어 물질은 열 전달 유체를 포함하는 기판 몰드.
청구항 17에 있어서,
상기 코어 물질은 실리카, 텅스텐, 탄화 규소, 및 산화 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는 기판 몰드.
청구항 17에 있어서,
상기 코어 물질은 열 전달 가스를 포함하는 기판 몰드.
청구항 17에 있어서,
상기 코어 물질은 활성 냉각 장치와 연결된 전도성 물질을 포함하고, 상기 활성 냉각 장치는 상기 코어 물질 및 쉘 물질 사이에 열 유속을 제어하기 위해 상기 전도성 물질의 온도를 변화시켜 제어되는 열 전달 유체를 포함하는 기판 몰드.
청구항 17에 있어서,
상기 코어 물질은 전기적으로 연결된 합금을 포함하는 기판 몰드.