(57)【要約】  開示は、溶融半導体材料とかかわるように構成された外表面及びそれを通して熱を伝達するための伝熱面として構成された内表面を有する外殻材料、及び外殻材料内に定められ、外殻材料の伝熱面を通して外殻材料から熱を取り去るように構成されたコアを有する基板鋳型に関する。基板鋳型は溶融半導体材料内に浸漬されるように構成され、外殻材料の外表面は凝固した溶融半導体材料がその上に形成されるように構成される。
2014522369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料の製品を作製する方法において、前記方法が
外殻材料及び、前記外殻材料内に定められ、前記外殻材料から熱を取り去るように構成された、コアを有する基板鋳型を提供する工程、
前記基板鋳型を溶融半導体材料内に浸漬する工程、
前記溶融半導体材料を前記外殻材料の外表面上に凝固させる工程、及び
前記凝固半導体材料を前記基板鋳型から取り外す工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記外殻材料が、前記基板鋳型を浸漬する前記工程に先立ち、前記溶融半導体材料の加熱温度，Ｔ融液より低い加熱温度，Ｔ加熱に加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
基板鋳型において、
溶融半導体材料とかかわるように構成された外表面及び、それを通して熱を伝達するための、伝熱面として構成された内表面を有する外殻材料、及び
前記外殻材料内に定められ、前記外殻材料の前記伝熱面を通して前記外殻材料から熱を取り去るように構成されたコア、
を有し、
前記基板鋳型が前記溶融半導体材料内に浸漬されるように構成され、凝固した溶融半導体材料がその上に形成されるように前記外殻材料の前記外表面が構成されている、
ことを特徴とする基板鋳型。
【請求項４】
前記コア内に与えられたコア材料をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の基板鋳型。
【請求項５】
前記コア材料がシリカ、タングステン、炭化ケイ素及び酸化アルミニウムの内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４に記載の基板鋳型。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１１年５月２７日に出願された米国特許出願第１３/１１７４４０号の米国特許法第１２０条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書の内容に依存し、その内容の全体が本明細書に参照として含められる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は全般には溶融半導体材料から固体半導体材料製品を形成するように構成された基板鋳型及び半導体材料の製品を作製する方法に関し、さらに詳しくは、半導体材料をその上に形成するための外表面を有する外殻材料を有する基板鋳型に関し、基板鋳型はさらに外殻材料から熱を取り去るように構成されたコアを外殻材料内に有する。
【背景技術】
【０００３】
シリコンウエハを作製するための２つの広く用いられる方法−フローティングゾーン法及びチョクラルスキー法−は古典的な結晶成長法である。いずれの方法も高純度の単結晶または多結晶のシリコンインゴットを作製するために用いることができる。インゴットは所望の厚さのウエハを作製するためにワイアソーで切断することができる。しかし、ワイアソーの一定の厚さにより、切断中に材料がかなりの率で失われる（切り代）。失われる材料の量は５０％もの大きさになり得るであろう。したがって、鋸引き工程を不用にする、所望の最終またはほぼ最終の正味形状を有する自立シリコン膜の直接形成により、材料損が低減されるであろう。
【０００４】
化学的気相成長法（ＣＶＤ）及びプラズマ化学的気相成長法（ＰＣＶＤ）は実行可能な代替方法である。しかし、これらのプロセスは高費用かつ複雑である。別のプロセス群は、垂直リボン成長プロセス及び水平リボン成長プロセスを含む、リボン成長プロセスである。エッジ規定融膜供給成長（ＥＦＤ）法及びストリングリボン（ＳＲ）法のような、垂直リボン成長プロセスは、低引上げ速度及び低スループットで動作する。モールドウエハ（ＭＷ）及び基板上リボン成長（ＲＧＳ）のような、水平リボン成長プロセスは、高い引張速度及びスループットで動作する。リボン成長技術は１５０〜６００μｍ厚の正味形状シリコンシートを形成するために用いることができる。
【０００５】
ＲＧＳ及びＭＷを含む、最近のリボン成長技術は、液−固界面における凝固速度及び温度勾配がインゴット成長法よりかなり高い、比較的高速のプロセスである。これらの高速リボン成長プロセスにおいては、引張速度を高めることでスループットを高めることができる。しかし、より高い引張速度におけるスループットの向上は、成長速度が高くなるほど導入欠陥密度が高くなることによる、得られる太陽電池の効率の低下によって相殺される。すなわち、リボン成長技術のスループットとこれらのリボンでつくられた太陽電池の効率の間には逆の相関が見られる。
【０００６】
様々な用途に対し、電池効率を落とさずに低い単位面積当たりコストを提供する、半導体材料の製品を作製するプロセスを提供することが望ましい。外部鋳造（エキソキャスティング）プロセスは、例えばシリコン太陽電池基板のような、製品が溶融シリコンを用いて作製されるプロセスである。鋳型、例えば耐熱材料を含む鋳型を溶融シリコン内に浸漬することができる。溶融シリコンは鋳型の比較的低温の表面上に凝固する。次いで、鋳型が溶融シリコンから取り出されて、凝固した材料が鋳型の表面から取り外され、よって、太陽電池のためのウエハのような、外部鋳造製品を形成される。
【０００７】
本明細書にその全体が参照として含められる、共通に所有される特許の、特許文献１に、所望の形状のシリコン膜を作製することができる外部鋳造プロセスが開示されている。このプロセスにおいては、シリカまたはアルミナのような、高温セラミック基板が溶融シリコン内に浸漬される。基板の初期温度はシリコンの溶融温度より低い。溶融シリコン内への基板の浸漬に続いて直ちに、基板表面に隣接するシリコンの凝固がおこる。凝固の速度は主として、基板による凝固潜熱の溶融シリコンからの取去り速度によって制御される。凝固は、基板温度が上がり、基板の熱容量が涸渇した後に停止する。この時点を過ぎると、固体膜の再溶融がおこる。凝固及び再溶融の動力学は数学的方法によって予測することができ、あらかじめ定められた時間、基板を融液内に保持することによって所望の膜厚を得ることができる。この外部鋳造プロセスにより、制御されたシリコン膜厚及び高い全体スループットが可能になる。
【０００８】
これらの利点にもかかわらず、この高速凝固プロセスにおいて発現するシリコン結晶粒構造は、例えば高効率太陽電池モジュールのような、少なくともいくつかの用途には理想的ではない。特に、高速凝固プロセスの結果、高効率太陽電池モジュールの開発に有害であり得る、樹枝状微細構造をもつシリコン膜が得られる。
【０００９】
特許文献１に開示されている外部鋳造プロセスにおいては、図７〜９に簡略に示されるように、基板鋳型２００が溶融半導体材料２０２内に浸漬され、凝固材料２０４が基板鋳型２００の表面上に形成される。溶融半導体材料２０２による凝固は、１つは基板に垂直な方向（Ｖｘ）であり、１つは基板の平面に平行な方向（Ｖｙ）である、２つの方向でおこる。基板鋳型２００から遠くの溶融半導体材料２０２のバルク温度は標準的プロセスにおいて、例えば溶融半導体材料がシリコンの場合、約１４７０℃である。基板鋳型２００の、基板鋳型２００と溶融半導体材料２０２の間の界面である、融液界面の上方遠くの温度は一般に約４００℃である。固−液界面２０６は約１４１０℃から約１４１４℃の融点範囲にある。したがって温度勾配は基板鋳型２００に平行な方向において大きく負である。基板鋳型２００と溶融半導体材料２０２の間の界面における温度勾配，Ｇ（℃/ｃｍ）が負であれば、凝固前線は無条件に不安定であって、樹枝状モルフォロジーに至る。領域２０８における固−液界面２０６の直前の液体は極めて過冷却され、したがってこの領域２０８において界面２０６に接する液体における温度勾配は大きく負であり、例えば−５００〜−１０００℃/ｃｍである。したがって、標準外部鋳造プロセスにおけるこの方向の界面モルフォロジーはほとんど必ず樹枝状である。
【００１０】
他方で、界面における温度勾配が正であれば、固−液界面は安定であって、形成速度が臨界速度，Ｖ臨界＝ａＧ以下であれば平坦である。ここでａは材料特性に依存するパラメータである。図８はＧ＞０に対して計算されたシリコンのＶ臨界を凝固速度のｘ成分とｙ成分及び外部鋳造プロセスの温度勾配とともに示す。平行成分，Ｖｙは（図８に「ＮＳ」で示される）不安定領域（Ｇ＜０）に入るから、界面モルフォロジーは樹枝状である。他方で、垂直成分は（図８に「Ｓ」で示される）安定領域（Ｇ＞０，Ｖｘ＜Ｖ臨界）内にあるから、界面モルフォロジーは平坦である。
【００１１】
基板鋳型２００の表面に沿う樹枝状先端の形成速度は、対向方向を除いて、基板浸漬速度にほぼ等しい。凝固半導体材料２０４の先端から離れた基板鋳型２００に垂直な方向における温度勾配は常に正であり、したがって、固−液界面の形状はこの方向において必ず平坦である。
【００１２】
すなわち、基板鋳型２００に対して垂直な方向では正であり、基板鋳型に平行な方向では負である、直交する２つの方向において異なる温度勾配が２つの明瞭に異なるモルフォロジー、すなわち平坦モルフォロジー及び樹枝状モルフォロジーを規定する。したがって、基板鋳型２００の表面に平行な方向における負の温度勾配の低減、好ましくは排除、が最適微細構造の形成に好ましいであろう。
【００１３】
発明者等は今では、形成されるウエハに樹枝状構造を発生させ得る、負の温度勾配の方向への基板表面に沿う凝固速度成分を低減または排除するための方法を見いだしている。さらに、発明者等は、実質的に、正の温度勾配の方向である基板鋳型に垂直な方向だけに凝固材料が形成される方法を見いだした。発明者等はさらに、基板鋳型の表面における過剰な過冷却を防止し、同時に所望の厚さの凝固材料を所望の時間内に形成するための方法を見いだした。すなわち、本明細書に開示される鋳型及び方法は、少なくともいくつかの実施形態において、上述した問題の内の１つ以上を解決する。いくつかの実施形態においては上述した問題の内の１つ以上が解決されないかもしれないが、それでもそのような実施形態は本開示の範囲内にあるとされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第７７７１６４３号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示の様々な実施形態例にしたがえば、半導体材料の固体製品の作製方法が提供される。方法は外殻材料及び、外殻材料内に定められ、外殻材料から熱を取り去るように構成された、コアを有する基板鋳型を提供する工程を含む。方法はさらに、基板鋳型を溶融半導体材料内に浸漬する工程、溶融半導体材料を外殻材料の外表面上に凝固させる工程及び基板鋳型から凝固半導体材料を取り外す工程を含む。
【００１６】
実施形態例は、外殻材料及びコア材料を有する基板鋳型にも関する。外殻材料は溶融半導体材料に熱接触するように構成された外表面及び、それを通して熱を伝達するための、伝熱面として構成された内表面を有する。外殻材料内に定められるコアは外殻材料の伝熱面を通して外殻材料から熱を取り去るように構成される。本開示にしたがう基板鋳型は溶融半導体材料内に浸漬されるように構成することができ、外殻材料の外表面は凝固溶融半導体材料をその上に形成させるように構成することができる。
【００１７】
本明細書に用いられるように、語句「半導体材料」は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、これらの合金、これらの化合物及びこれらの混合物のような、半導体特性を示す材料を含む。様々な実施形態において、半導体材料は、（例えば真性シリコンまたはｉ型シリコンのような）純粋な材料とすることができ、あるいは（例えば、ｎ型またはｐ型の、それぞれリンまたはホウ素のような、ドーパントを含むシリコンのような）ドープされた材料とすることができる。
【００１８】
本明細書に用いられるように、語句「半導体材料の製品」は本開示にしたがう方法を用いて作製されるいかなる形状または形態の半導体材料も含む。そのような製品の例には、表面が平滑であるか模様のある製品、平らであるか、湾曲しているか曲げられているかまたは角張った製品、及び対称であるかまたは非対称の製品がある。半導体材料の製品は、例えばシートまたはチューブのような、形態を有することができる。
【００１９】
本明細書に用いられるように、語句「鋳型」または「基板鋳型」は半導体材料の製品の最終形状に影響を与え得る物理的構造を意味する。本明細書に開示される方法において、溶融しているかまたは凝固した半導体材料が実際に鋳型の表面に物理的に接触する必要はないが、様々な実施形態において鋳型の表面と溶融しているかまたは凝固した半導体材料の間で接触がおこり得る。
【００２０】
本明細書に用いられるように、語句「鋳型の外表面」及び「外殻の外表面」は、浸漬時に溶融半導体材料にさらされ得る、鋳型の表面を意味する。例えば、チューブ形鋳型の内表面は、鋳型が浸漬されたときに内表面が溶融半導体材料に接触することができれば、外表面であり得る。
【００２１】
本明細書に用いられるように、語句「溶融半導体材料とかかわるように構成された外表面」、「凝固した溶融半導体材料をその上に形成させるように構成された外表面」及び「鋳型の外表面を覆う半導体材料の固体層を形成する」及びこれらの異形は、溶融半導体材料から半導体材料が鋳型の外表面上またはその近傍に凝固する（「凝結」するまたは「結晶化」するとも称される）ことを意味するとされる。
【００２２】
鋳型の外表面を覆う半導体材料の固体層を形成する工程は鋳型の外表面を被覆する粒子層上に半導体材料を凝固させる工程を含む。様々な実施形態において、鋳型と溶融半導体材料の間の温度差により、半導体材料は半導体材料が鋳型の表面に物理的に接触する前に凝固し得る。半導体材料が鋳型の表面に物理的に接触する前に半導体材料が凝固すると、凝固した半導体材料は、いくつかの実施形態において、引き続いて鋳型とまたは鋳型を被覆している粒子と物理的に接触することになる。半導体材料は、鋳型の表面に、または、存在すれば、鋳型の表面を被覆している粒子に、物理的に接触した後に、凝固することができる。
【００２３】
本明細書に用いられるように、語句「それを通して熱を伝達するための伝熱面として構成された内表面」は、鋳型のコアを部分的に定める鋳型または外殻の表面が鋳型または外殻の外表面に対して基板鋳型内部に有り、鋳型または外殻の外表面からコア材料への内表面による熱伝達を可能にすることを意味するとされる。
【００２４】
本開示のさらなる目的及び利点は、ある程度は以下の説明に述べられ、ある程度はその説明から明らかであろうし、あるいは本開示の実施によって習得され得る。本開示の目的及び利点は、添付される特許請求の範囲において指摘される要素または組合せによって、実現され、達成されるであろう。
【００２５】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも例示及び説明に過ぎず、特許請求の範囲の限定ではないことは当然である。
【００２６】
本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす、添付図面は本開示の実施形態例を示し、記述とともに、本明細書に述べられる原理の説明に役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は一実施形態例にしたがう半導体材料の製品の作製方法の略図である。
【図２】図２は、一実施形態例にしたがう、基板鋳型の一例及び半導体材料の製品の作製方法の略図である。
【図３】図３は、基板鋳型の外殻材料及び第１のコア材料の様々な出発温度におけるシリコン製品の厚さの、溶融シリコン内の浸漬時間の関数としての、代表的な計算値のグラフである。
【図４】図４は、基板鋳型の外殻材料及び第２のコア材料の様々な出発温度におけるシリコン製品の厚さの、溶融シリコン内の浸漬時間の関数としての、代表的な計算値のグラフである。
【図５】図５は、基板鋳型の外殻材料及び第３のコア材料の様々な出発温度におけるシリコン製品の厚さの、溶融シリコン内の浸漬時間の関数としての、代表的な計算値のグラフである。
【図６】図６は、様々な出発温度及び様々な熱流束レベルにおけるシリコン製品の厚さの、溶融シリコン内の浸漬時間の関数としての、代表的な計算値のグラフである。
【図７】図７は半導体材料の製品の作製方法の略図である。
【図８】図８は一方法例の温度勾配及び凝固速度を示すグラフである。
【図９】図９は半導体材料の製品の作製方法の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも例示及び説明に過ぎず、特許請求の範囲の限定ではないことは当然である。当業者には、他の実施形態が本明細書の考察及び本明細書に開示される実施形態の実施から明らかであろう。
【００２９】
本開示の様々な実施形態例において、（ｉ）溶融座半導体材料とかかわるように構成された外表面及びそれを通して熱を伝達するための伝熱面として構成された内容面を有する外殻材料、及び（ii）外殻材料内に定められ、外殻材料の伝熱面を通して外殻材料から熱を取り去るように構成されたコア、を有する基板鋳型が提供される。基板鋳型は溶融半導体材料内に浸漬されるように構成され、外殻材料の外表面は凝固した溶融半導体材料がその上に形成されるように構成される。
【００３０】
本開示の別の実施形態例において、半導体材料の製品の作製方法が提供され、方法は、（ｉ）外殻材料及び（ii）外殻材料内に定められ、外殻材料から熱を取り去るように構成されたコアを有する基板鋳型を提供する工程、基板鋳型を溶融半導体材料内に浸漬させる工程、外殻材料の外表面上に溶融半導体材料を凝固させる工程、及び鋳型基板から凝固半導体材料を取り外す工程を含む。
【００３１】
本開示のまた別の実施形態例において、本開示の方法にしたがって作製された半導体材料の製品が提供される。
【００３２】
図１は一実施形態にしたがう半導体材料を作製する方法の一例の略図である。この方法例は、金型の内部キャビティ内ではなく、鋳型の外表面上に製品を鋳造する、外部鋳造プロセスである。図２は、一実施形態にしたがう、基板鋳型の一例及び半導体材料の製品の作製方法の略図である。中空であって、外殻材料１０及び、外殻材料１０内に定められ、外殻材料の内側にあるコア１２、を有する基板鋳型１００が提供される。外殻材料１０はその中に定められるコア１２の外部にあり、コア１２から離れる側を向く外表面１４及びコア１２を向く内表面１６を有する。
【００３３】
図１に示されるように、基板鋳型１００は溶融半導体材料２０内に浸漬される。例えば溶融シリコンのような、溶融半導体材料２０は、必要に応じてシリコンと非反応性とすることができる、るつぼのような、容器５０内でシリコンを溶融することによって提供することができる。半導体材料２０は加熱源２２によって加熱することができる。基板鋳型１００が溶融半導体材料２０内に沈められた後、溶融半導体材料は最終的に、以下で説明されるような冷却過程後に、溶融半導体材料３０にかかわる外殻材料１０の外表面１４上に凝固半導体材料３０として凝固する。その後、基板鋳型１００は溶融半導体材料から取り出され、凝固半導体材料３０が基板鋳型１００から取り外される。
【００３４】
外殻材料１０の内表面１６はそれを通して熱を伝達するための伝熱面として構成される。外殻材料１０内に定められるコア１２は、外殻材料１０の伝熱面１６を通して外殻材料１０から熱を取り去るように構成される。すなわち、以下で説明されるように、例えばコア材料１８をコア内に挿入することによって冷却がおこるときに、熱は外殻材料１０から外殻材料１０の内側の伝熱面１６を通ってコア１２に伝達される。
【００３５】
少なくとも１つの実施形態にしたがえば、外殻１０の温度は初期温度，Ｔ初期にあり、次いで，溶融半導体材料２０内への浸漬に先立ち、加熱温度，Ｔ加熱まで加熱される。外殻材料１０の加熱温度，Ｔ加熱は溶融半導体材料２０の加熱温度，Ｔ融液より高くすることができる。例えば、溶融半導体材料がシリコンである場合、Ｔ融液は約１４１０℃から約１４１４℃の範囲にある。引き続く作業において、基板鋳型１００は溶融半導体材料２０内に浸漬され、溶融半導体材料２０が全く凝固せずに外殻材料１０上に維持される条件である、理想初期条件が達成され得る。この実施形態において、理想初期条件は、基板鋳型１００の溶融半導体材料２０内への浸漬後、外殻材料１０の外表面１４上に溶融半導体材料が初期には凝固しない条件である。外殻材料１０の温度は、溶融半導体材料２０の温度，Ｔ融液より高い温度，Ｔ加熱に加熱されているため、基板鋳型が溶融半導体材料２０内に浸漬されたばかりのときには、溶融半導体材料２０は外殻材料１０の外表面１４上に凝固しない。
【００３６】
別の実施形態例において、外殻材料１０は、溶融半導体材料２０内への浸漬に先立ち、予備加熱されない。基板鋳型１００は、外殻材料１０の外表面に非常に近接している溶融材料の温度が溶融半導体材料２０の凝固点まで下がり、半導体材料の少なくとも一部を直ちに凝固させるに十分な熱を溶融半導体材料２０から取り去るに十分な時間、浸漬される。基板鋳型１００が浸漬されるにつれて、外殻材料１０の外表面１４上に直ちに凝固する半導体材料は、平面方向では樹枝状モルフォロジー、垂直方向では平坦モルフォロジーをもって形成され、これは一般に既知の外部鋳造プロセスにおいておこる。
【００３７】
別の実施形態例において、外殻材料１０の外表面１４の温度は、例えば、溶融半導体材料の温度，Ｔ融液より若干低いが、それでも、溶融半導体材料２０が全く凝固せず、初期凝固無しに、外殻材料１０上に維持される、理想初期条件を達成することができる。例えば、外殻材料１０の外表面１４の温度が溶融半導体材料の温度，Ｔ融液より若干低いから、溶融半導体材料２０の初期凝固がおこるには温度勾配が十分ではない。したがって、理想初期条件は、外殻材料１０の予備加熱または溶融半導体材料２０の初期凝固後の再溶融条件も必要とせずに、溶融半導体材料２０の温度，Ｔ融液に近い、例えば温度，Ｔ融液より若干低い、温度にある外殻材料１０の外表面１４を提供することでしか達成され得ない。
【００３８】
その後、既知の外部鋳造プロセスとは対照的に、基板鋳型１００は、ウエハ形成に対する理想初期条件が達成されるまで、溶融半導体材料２０内に浸漬されたままである。理想初期条件は、凝固半導体材料３０が再溶融し、基板鋳型１００が鋳型１００の温度と溶融半導体材料２０の温度，Ｔ融液と平衡し得るような温度に達するに十分な時間、鋳型１００が浸漬されておかれた後に得られる。初期に凝固した半導体材料は、例えば、外殻材料１０の初めの浸漬前温度及び外殻材料１０の厚さに依存して、例えば５〜３０秒以内に再溶融し得る。外殻材料１０の外表面１４上に半導体材料２０が維持されていない場合に、ウエハの形成のための理想初期条件が達成された。再溶融過程の一実施形態例のさらなる説明については、特許文献１を参照されたい。
【００３９】
上述の実施形態例のいずれかにしたがって理想初期条件が達成されてしまうと、基板鋳型１００のコア１２内から基板鋳型１００を冷却することにより、一層制御された態様で凝固を開始させることができる。コア１２にコア材料１８を挿入することによって冷却がおこり得る。コア材料１８は、熱の取り去りを制御するため、様々な予備加熱温度で挿入することができる。一実施形態において、コア材料は、理想初期条件の達成後、外殻材料１０の温度より低い温度を有することができる。この実施形態において、例えば、コア材料１８は、溶融半導体材料２０内への浸漬に先立つ外殻材料１０の加熱温度，Ｔ加熱より低い温度を有する。コア材料１８は、コア材料１８がコア１２に挿入されるときに、外殻材料１０の加熱温度，Ｔ加熱より低い温度にあるから、基板鋳型１００が溶融半導体材料２０内に浸漬された後、外殻材料１０とコア材料１８の間の温度勾配によって、外殻材料１０からコア材料１８に熱が伝達される。外殻材料１０の温度が溶融半導体材料２０の温度，Ｔ融液より低い温度まで下がると、凝固過程が開始される。基板鋳型１００が溶融半導体材料２０内に浸漬されて直ぐに凝固過程が外殻材料１０の外表面１４上で始まることはないから、外殻材料１０の外表面１４の平面に沿う凝固半導体材料の形成が回避され、凝固方向は外殻材料の外表面１４の法線方向に制限される。別の実施形態において、外殻材料１０の温度より低い温度を有するコア材料１８は溶融半導体材料２０内への基板鋳型１００の浸漬に先立ってコア１２内に与えられる。
【００４０】
外殻材料１０は所望のプロセスに適するいずれかの材料とすることができる。例えば、外殻材料１０は、シリカのような、ただしこれには限定されない、耐熱材料を含むことができる。
【００４１】
コア材料１８は外殻材料から熱を伝達するに適するいずれかの材料を含むことができる。例えば、コア材料は、シリカ、タングステン、炭化ケイ素及び酸化アルミニウムまたはこれらの組合せのような、ただしこれらには限定されない、適切な熱伝導度、熱容量及び厚さをもつ固体材料を含むことができる。コア材料は、別の例として、伝熱流体または伝熱ガスを含むことができる。
【００４２】
外殻材料１０またはコア材料１８のいずれも、外殻材料１０の外表面１４上への溶融半導体材料の凝固をおこさせるための熱流束の操作を可能にする特性を有することができる。例えば、材料の厚さ、熱伝導度、熱容量、材料の形状、及び材料が加熱される時間長は全て、熱流束に影響を与え得る特性の例である。一例として、外殻材料１０及びコア材料１８は同じ材料、例えばシリカで作製することができるが、それぞれが異なる厚さを有することができ、例えば薄い外殻材料１０及び厚いコア材料１８とすることができる。材料１０と１８の厚さを変える結果、加熱された溶融半導体材料２０の非常に近くにある、外殻材料１０の温度がより厚いコア材料１８の温度に比較して高められている場合に、温度勾配により外殻材料１０からコア材料１８への熱伝達がおこり得る。
【００４３】
図３〜５は、本開示の少なくとも１つの実施形態例にしたがう、溶融シリコン内の浸漬時間の関数として作成された、外殻材料及び、それぞれ、タングステン、炭化ケイ素及び酸化アルミニウムのコア材料の様々な出発温度における、シリコン製品の厚さの計算値のグラフである。図３〜５の曲線４０２，５０２及び６０２のそれぞれは、外殻材料１０及びコア材料１８のいずれの予備加熱温度も４００℃である場合の凝固材料の厚さを示す。曲線４０２，５０２及び６０２は凡例において、それぞれがコア及び外殻の温度である、参照，４００℃/４００℃により定められる。
【００４４】
図３〜５の曲線４０４，４０５及び６０４のそれぞれは、外殻材料１０の予備加熱温度が１４００℃であり、コア材料１８の予備加熱温度が４００℃である場合の凝固材料の厚さを示す。対応する凡例は、コア温度及び外殻温度をそれぞれ示すための参照，４００℃/１４００℃を含む。
【００４５】
図３〜５の曲線４０６，５０６及び６０６のそれぞれは、外殻材料１０の予備加熱温度が１４００℃であり、コア材料１８の予備加熱温度が１００℃である場合の凝固材料の厚さを示す。外殻材料１０の温度が１４００℃にある場合、凝固材料としてのシリコンの所望の厚さを所望の時間で、例えば、約２００μｍ以上のような、約１００μｍ以上を、約２０秒以内に、形成することができる。対応する凡例は、コア温度及び外殻温度をそれぞれ示すための参照，１００℃/１４００℃を含む。
【００４６】
基板鋳型１００は、少なくともいくつかの実施形態例において、コア材料１８によって能動的に冷却することができる。実施形態において、コア材料１８と外殻材料１８の間の熱流束をそのような能動冷却によって制御することができる。例えば、コア材料１８が伝熱流体である場合、温度、コア１２内の伝熱流体の流量及びコア１２の設計形状の関数である、熱伝達係数の１つ以上を制御することによって、熱流束（Ｎ/ｃｍ２）を制御することができる。熱流束は伝熱流体の入り温度によって直接に変えることができる。熱流束はほぼｈ(Ｔ−Ｔｆ)であり、ここで、Ｔは入り流体の温度であり、ｈは流量、温度及びコア設計形状の関数である。
【００４７】
また別の実施形態例において、コア材料１８は、能動冷却装置４０と連結された、銅のような、熱伝導性材料とすることができる。冷却装置は、コア材料１８と外殻材料１２の間の熱流束を制御するために熱伝導性材料の温度を変えるように制御することができる。あるいは、コア材料はペルティエ効果によって冷却される合金とすることができる。
【００４８】
能動冷却プロセスにより、溶融半導体材料の凝固の制御及び、望ましい場合、凝固材料３０の形成において有益であり得る、低速凝固が可能になる。材料が凝固してしまうと、基板鋳型１００は溶融半導体材料２０から引き出され、凝固材料、例えば、シリコンウエハのような、ウエハが基板鋳型１００の外表面１４から取り外される。
【００４９】
図６は、本開示の少なくとも１つの実施形態例にしたがう、溶融シリコン内の浸漬時間の関数として作成された、様々な出発温度及び様々な熱流束レベルにおけるシリコン製品の厚さの計算値のグラフである、曲線３０２は（融液と平衡に達している）１４７０℃の初期温度及び１００Ｗ/ｃｍ２の定熱流束で出発する基板鋳型１００を示す。この場合、ほぼ２.５秒が経過するまで凝固は始まらない。これは、この時間内では熱流束が基板鋳型１００の外殻材料１０の顕熱の低減に用いられるという事実による。基板鋳型１００の表面がシリコンの融点，１４１０℃より低くなると、融液内への凝固が始まる。その後、ほぼ一定の速度で再凝固過程がおこる。曲線３０４は１４２０℃の初期温度で出発する基板鋳型１００を示す。この場合、凝固は１４７０℃の初期温度におけるより早く始まる。冷却熱流束が一定に保たれる限り、凝固はほぼ一定の速度で続くであろう。
【００５０】
曲線３０６及び３０８は可変熱流束の使用を示す。曲線３０６は、１４７０℃の初期温度において目標厚さ、例えば１００μｍに達するまでは１００Ｗ/ｃｍ２の一定の熱流束の下にあり、続いて瞬時に、例えば冷却流体流を遮断することで、熱流束を止めた凝固に対応する。この時点以降はシリコン膜の再溶融がおこるであろう。
【００５１】
曲線３０８は、１４７０℃の初期温度において目標厚さ、例えば１２５μｍに達するまでは１００Ｗ/ｃｍ２の一定の熱流束の下にあり、続いて冷却熱流束を１５Ｗ/ｃｍ２に設定した凝固に対応する。すなわち、冷却熱流束を選ぶことにより、厚さ対時間曲線の形状（すなわち勾配）を制御することができ、これにより、プロセス条件変動による厚さ変化を小さくすることができる。
【００５２】
別途に示されない限り、本明細書及び特許請求の範囲に用いられる全ての数値は、明示されていてもいなくても、全ての場合において語「約」で修飾されていると理解されるべきである。本明細書及び特許請求の範囲に用いられる精確な数値が別の実施形態をなすことも当然である。実施例に開示される数値の確度を保証するため努力した。しかし、いかなる測定値もそれぞれの測定法に見られる標準偏差から生じるいくらかの誤差を本来的に含み得る。
【００５３】
本明細書に用いられるように、‘the’，‘a’または‘an’の使用は「少なくとも１つ」を意味し、そうではないことが明白に示されていない限り、「ただ１つ」に限定されるべきではない。したがって、例えば、‘the shell material(外殻材料)’または‘shell material’は少なくとも１つの‘shell material’を意味するとされる。
【００５４】
当業者には他の実施形態が本明細書の考察及び本明細書に開示される開示の実施から思い浮かぶであろう。本明細書及び実施例はただの例示とみなされるべきであり、本開示の真の範囲及び精神は特許請求の範囲に示されているとされる。
【符号の説明】
【００５５】
１０    外殻材料
１２    コア
１４    外殻材料の外表面
１６    外殻材料の内表面（伝熱面）
１８    コア材料
２０    溶融半導体材料
２２    加熱源
３０    凝固半導体材料
４０    能動冷却装置
５０    容器
１００    基板鋳型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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