JP2013518028A - Crucible for use in directional solidification furnace - Google Patents

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Abstract

方向性凝固炉は、溶融物を収容するためのルツボであって、壁と、開口を有する底とを有するルツボと、ルツボを支持するルツボ支持体と、ルツボを覆う蓋とを有するルツボアセンブリを含む。プレートは、底の開口の中に収められる。プレートは、底の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する。底は、添加剤を有するコンポジットを含むことができ、コンポジット底が、添加剤無しの同等の底と比較して高い熱伝導性を有する。A directional solidification furnace is a crucible for containing a melt, and includes a crucible having a wall, a bottom having an opening, a crucible support that supports the crucible, and a lid that covers the crucible. Including. The plate is stored in the bottom opening. The plate has a thermal conductivity higher than that of the bottom. The bottom can include a composite with additives, and the composite bottom has a higher thermal conductivity compared to an equivalent bottom without additives.

Description

本発明は、概して、方向性凝固炉に関し、およびより詳細には、凝固速度を改善するための方向性凝固炉に関する。   The present invention relates generally to directional solidification furnaces, and more particularly to directional solidification furnaces for improving solidification rates.

方向性凝固炉、例えば、図１に示すようなおよび概して１００で参照するような方向性凝固炉は、多結晶シリコンインゴットの製造にしばしば用いられている。図１の方向性凝固炉１００は、グラファイト支持壁を有するルツボ支持体１０３によって支持されているルツボ１０２を含み、該壁は、構造的な強固さをルツボに付与する。ルツボ１０２は、壁１０４(ルツボ支持壁)と底１０６を含む。ルツボ１０２は、典型的には、石英、または本質的に、不活性を維持しながら高温に耐え得る別の適切な材料から構成されている。   Directional solidification furnaces, such as those shown in FIG. 1 and generally referenced at 100, are often used in the manufacture of polycrystalline silicon ingots. The directional solidification furnace 100 of FIG. 1 includes a crucible 102 supported by a crucible support 103 having a graphite support wall, which provides structural rigidity to the crucible. The crucible 102 includes a wall 104 (crucible support wall) and a bottom 106. The crucible 102 is typically composed of quartz, or essentially another suitable material that can withstand high temperatures while remaining inert.

蓋１１２とともに、ルツボ１０２とルツボ支持体１０３は、内側アセンブリ１０５を形成する。この内側アセンブリ１０５は、底１０６の下に配置されている熱交換体１０７も含んでよい。加熱器１０８は、壁１０４のまわりおよび収容容器１１０内に配置されている。加熱器１０８は、適切には、ルツボ内で充填材料を溶融するのに必要な熱を適用するように構成されている放射加熱器であってよい。この実施形態の充填材料は、他材料が検討されるけれども、シリコンである。   Together with the lid 112, the crucible 102 and the crucible support 103 form an inner assembly 105. The inner assembly 105 may also include a heat exchanger 107 disposed below the bottom 106. The heater 108 is arranged around the wall 104 and in the receiving container 110. The heater 108 may suitably be a radiant heater that is configured to apply the heat necessary to melt the filler material in the crucible. The filler material in this embodiment is silicon, although other materials are contemplated.

側面断熱体１０９は、ルツボのまわりに配置されており、および例えば垂直移動によって、部分的に開放されてよい。シリコン充填物が溶融すると、冷媒が、熱交換体１０７に導入されてよく、および／または断熱体１０９は、シリコンの方向性凝固を支援するように持ち上げられてよい。加熱器１０８の熱出力は、より少ない熱を溶融物１１１に適用するように調整されてよい。加熱器１０８の位置は、ルツボ１０２からそれらを移動する（特に、ルツボ底１０６から離す）ことにより、ルツボに対しても調整できる。   The side insulation 109 is arranged around the crucible and may be partially opened, for example by vertical movement. As the silicon fill melts, a refrigerant may be introduced into the heat exchanger 107 and / or the insulation 109 may be lifted to assist in the directional solidification of the silicon. The heat output of the heater 108 may be adjusted to apply less heat to the melt 111. The position of the heater 108 can also be adjusted relative to the crucible by moving them away from the crucible 102 (especially away from the crucible bottom 106).

ルツボ１０２がシリコンで充填された後に、ルツボの周囲の領域は、外側の周囲環境から封止される。外側環境からルツボ１０２の分離を支援するように、ルツボは、炉の一部を形成する収容容器１１０内に配置されている。次いで、収容容器１１０内の圧力が減少される。収容容器１１０内の雰囲気の含有物もまた、監視および制御できる。   After the crucible 102 is filled with silicon, the area around the crucible is sealed from the outside ambient environment. In order to assist in the separation of the crucible 102 from the outside environment, the crucible is placed in a containment vessel 110 that forms part of the furnace. Next, the pressure in the storage container 110 is reduced. The atmosphere content within the containment vessel 110 can also be monitored and controlled.

次いで、ルツボ１０２および充填物は、シリコンを溶融するのに充分な温度まで加熱される。充填物が完全に溶融した後に、それは、方向性凝固構造を達成するように制御された速度で冷却される。加熱器１０８により適用される熱の量および位置の減少、ルツボ１０２の周囲の断熱体１０９の熱ベントの移動または開放、または熱交換体１０７（例えば、冷却プレート）を通過する冷媒の循環の任意の組み合わせにより、制御された冷却速度が実現される。これらのいずれの方法も、熱をルツボ１０２の表面から離れるように移動する。従って、ルツボ１０２の底１０６の冷却速度がルツボの壁１０４のそれよりも大きい場合に、主に軸方向の熱勾配を有する比較的平坦であり水平な凝固等温線が生じる。従って、インゴットは、ルツボ１０２のより低温側に最も近い領域で凝固して、ルツボのその側から離れるような方向に進行する。凝固する溶融物１１の最後の部分は、概してインゴットの頂である。   The crucible 102 and fill are then heated to a temperature sufficient to melt the silicon. After the fill is completely melted, it is cooled at a controlled rate to achieve a directional solidification structure. Any reduction in the amount and location of heat applied by the heater 108, movement or opening of a heat vent in the insulation 109 around the crucible 102, or circulation of refrigerant through the heat exchanger 107 (eg, a cooling plate). In combination, a controlled cooling rate is realized. Either of these methods moves heat away from the surface of the crucible 102. Thus, when the cooling rate of the bottom 106 of the crucible 102 is greater than that of the crucible wall 104, a relatively flat and horizontal solidification isotherm with a predominantly axial thermal gradient occurs. Thus, the ingot solidifies in the region closest to the lower temperature side of the crucible 102 and travels away from that side of the crucible. The last part of the melt 11 to solidify is generally the top of the ingot.

方向性凝固炉内で多結晶シリコンインゴットを製造する際の重大な懸念は、原料のシリコンからインゴットを生成するのに必要な時間である。インゴットが凝固する速度は、原料からインゴットを形成するのに必要な時間に直接的に影響を及ぼす。   A significant concern in producing a polycrystalline silicon ingot in a directional solidification furnace is the time required to produce the ingot from raw silicon. The rate at which the ingot solidifies directly affects the time required to form the ingot from the raw material.

この背景欄は、読み手に、本開示の様々な態様に関係し得る様々な技術態様を紹介することが意図され、該態様は、以下に記載および／または示される。この記載は、本開示の様々な態様のより良い理解を促進するように背景情報を読み手に提供するのに有益であると考えられる。従って、これらの記載は、この見方で読むべきであり、および従来技術の導入としてではないことを理解すべきである。   This background section is intended to introduce the reader to various technical aspects that may be related to various aspects of the disclosure, which are described and / or shown below. This description is believed to be helpful in providing the reader with background information so as to facilitate a better understanding of various aspects of the present disclosure. Accordingly, it should be understood that these descriptions are to be read in this light and are not as an introduction of the prior art.

本開示の第１の態様は、ルツボアセンブリを含む方向性凝固炉である。ルツボアセンブリは、溶融物を収容するためのルツボを含み、該ルツボは、壁と、開口を有する底とを含む。ルツボ支持体は、ルツボを支持し、および蓋は、ルツボを覆う。プレートは、底の開口の中に収められている。プレートは、底のそれよりも高い熱伝導率を有する。   A first aspect of the present disclosure is a directional solidification furnace that includes a crucible assembly. The crucible assembly includes a crucible for containing a melt, the crucible including a wall and a bottom having an opening. The crucible support supports the crucible and the lid covers the crucible. The plate is housed in the bottom opening. The plate has a higher thermal conductivity than that of the bottom.

本開示の別の態様は、ルツボアセンブリを含む方向性凝固炉である。ルツボアセンブリは、溶融物を収容するためのルツボを含み、ルツボは、壁とコンポジット底とを含む。ルツボ支持体は、ルツボを支持し、および蓋は、ルツボを覆う。コンポジット底は添加剤無しの同等の底よりも高い熱伝導率を有するように、コンポジット底は添加剤を含む。   Another aspect of the present disclosure is a directional solidification furnace that includes a crucible assembly. The crucible assembly includes a crucible for containing a melt, and the crucible includes a wall and a composite bottom. The crucible support supports the crucible and the lid covers the crucible. The composite bottom contains additives so that the composite bottom has a higher thermal conductivity than an equivalent bottom without additives.

本開示の更なる別の態様は、方向性凝固炉内でインゴットを製造する方法である。当該方法は、液体の溶融物を形成するように、炉のルツボ内でシリコン充填物を溶融することを含む。ルツボは、第１部分と第２部分とを有する底を含む。第１部分は、第２部分よりも高い熱伝導率を有する。次いで、ルツボの底を通して溶融物から熱を移動する。第２部分と比較して増加した速度で、底の第１部分を通して、熱を移動する。溶融物からの熱移動は、溶融物の凝固およびインゴットの製造をもたらす。   Yet another aspect of the present disclosure is a method of manufacturing an ingot in a directional solidification furnace. The method includes melting a silicon fill in a furnace crucible to form a liquid melt. The crucible includes a bottom having a first portion and a second portion. The first part has a higher thermal conductivity than the second part. Heat is then transferred from the melt through the bottom of the crucible. Heat is transferred through the first part at the bottom at an increased rate compared to the second part. Heat transfer from the melt results in solidification of the melt and production of ingots.

上述した態様に対して記載される特徴の様々な改良が存在する。更なる特徴も、同様に上述した態様に組み込まれてよい。これらの改良および付加的な特徴は、独立してまたは任意の組合せで存在してよい。例えば、いずれの説明される実施形態に対して以下に記載される様々な特徴を、任意の上述した態様に、単独でまたは任意の組み合わせで組み込んでよい。   There are various improvements to the features described for the embodiments described above. Additional features may be incorporated into the embodiments described above as well. These refinements and additional features may exist independently or in any combination. For example, the various features described below for any described embodiment may be incorporated into any of the above aspects, either alone or in any combination.

図１は、既知の方向性凝固炉の部分的な概略断面図である。FIG. 1 is a partial schematic cross-sectional view of a known directional solidification furnace. 図２は、図１の方向性凝固炉に用いるルツボの第１の実施形態の平面図である。FIG. 2 is a plan view of the first embodiment of the crucible used in the directional solidification furnace of FIG. 図３は、図２の線３−３に沿って切り取られた図２のルツボの断面である。3 is a cross-sectional view of the crucible of FIG. 2 taken along line 3-3 of FIG. 図４は、図３の拡大部分である。FIG. 4 is an enlarged portion of FIG. 図５は、図１の方向性凝固炉に用いるルツボの第２の実施形態の平面図である。FIG. 5 is a plan view of a second embodiment of the crucible used in the directional solidification furnace of FIG. 図６は、図５の線６−６に沿って切り取られた図５のルツボの断面である。6 is a cross-sectional view of the crucible of FIG. 5 taken along line 6-6 of FIG. 図７は、図１の方向性凝固炉に用いるルツボの第３の実施形態の平面図である。FIG. 7 is a plan view of a third embodiment of a crucible used in the directional solidification furnace of FIG. 図８は、図７の線８−８に沿って切り取られた図７のルツボの断面である。FIG. 8 is a cross-sectional view of the crucible of FIG. 7 taken along line 8-8 of FIG. 図９は、図１の方向性凝固炉に用いるルツボの第４の実施形態の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a fourth embodiment of a crucible used in the directional solidification furnace of FIG. 図１０は、図９の線１０−１０に沿って切り取られた図９のルツボの断面である。10 is a cross-sectional view of the crucible of FIG. 9 taken along line 10-10 of FIG. 図１１は、図１０の拡大部分である。FIG. 11 is an enlarged portion of FIG. 図１２は、図２〜１１に示す任意のルツボを用いて方向性凝固炉内でインゴットを製造する方法を示すフローチャートである。FIG. 12 is a flowchart showing a method of manufacturing an ingot in a directional solidification furnace using the arbitrary crucible shown in FIGS.

様々な図における同様の参照記号は、同様の要素を示す。   Like reference symbols in the various drawings indicate like elements.

図２、３および４は、それぞれ、例えば、図１に示される炉１００のような任意の方向性凝固炉に用いるルツボ２００の第１の実施形態の平面図、断面および拡大図を示す。   2, 3 and 4 show a top view, a cross-section and an enlarged view, respectively, of a first embodiment of a crucible 200 for use in any directional solidification furnace, such as, for example, the furnace 100 shown in FIG.

ルツボ２００は、底２０６(概して「第２部分」）と、底から上方に延在している４つの壁２０４を有する。   Crucible 200 has a bottom 206 (generally a “second portion”) and four walls 204 extending upward from the bottom.

底２０６と壁２０４は、一体化して、ともに形成されてよくまたはともに結合されてよく、溶融物１１１(図１)は、そこに収容される。   The bottom 206 and the wall 204 may be integrally formed and joined together or the melt 111 (FIG. 1) is contained therein.

底２０６は、上表面２０８と、下表面２１０と、上表面と下表面との間で延在している開口２２０を有する。   The bottom 206 has an upper surface 208, a lower surface 210, and an opening 220 that extends between the upper and lower surfaces.

開口２２０は、４つの側面２２２により境界されているルツボ２００に形成されているボイドにより規定されている。   The opening 220 is defined by a void formed in the crucible 200 bounded by the four side surfaces 222.

他の実施形態において、開口２２０は、長方形以外の形状、例えば、円形、楕円または任意の他の適切な形状であってよく、およびそこに配置されるプレート２５０は、それに応じて成形される。   In other embodiments, the opening 220 may be a shape other than a rectangle, such as a circle, an ellipse, or any other suitable shape, and the plate 250 disposed therein is shaped accordingly.

開口２２０は、底２０６の断面を機械加工するまたはそうでなければ除去することによってルツボ２００に形成されてよい。   The opening 220 may be formed in the crucible 200 by machining or otherwise removing the cross section of the bottom 206.

他の実施形態において、開口２２０を、ルツボ２００の製造中に形成してよい。   In other embodiments, the opening 220 may be formed during manufacture of the crucible 200.

開口２２０は、底２０６の上表面２０８に隣接した長さＬおよび幅Ｗと、下表面２１０に隣接した長さＬ’および幅Ｗ’とを有する。   Opening 220 has a length L and width W adjacent to top surface 208 of bottom 206 and a length L ′ and width W ′ adjacent to bottom surface 210.

各々の側面２２２は、ルツボ２００の壁２０４から内側に離れるように傾斜し、長さＬは、長さＬ’よりも大きく、および幅Ｗは、幅Ｗ’よりも大きい。   Each side surface 222 is inclined inwardly away from the wall 204 of the crucible 200, the length L is greater than the length L ', and the width W is greater than the width W'.

いくらかの実施形態において、長さＬ、長さＬ’、幅Ｗ、および幅Ｗ’は、５０ｍｍ〜６３０ｍｍの間であってよい。   In some embodiments, the length L, length L ′, width W, and width W ′ may be between 50 mm and 630 mm.

図４から更に明らかにわかるように、側面２２２は、底２０６の下表面２１０に対して約４５°の角度がつけられている。   As can be seen more clearly from FIG. 4, the side 222 is angled approximately 45 ° with respect to the lower surface 210 of the bottom 206.

しかしながら、側面２２２は、実施形態の技術的範囲から逸脱せずに異なる角度に向けられてよい。   However, the side surfaces 222 may be oriented at different angles without departing from the scope of the embodiments.

例えば、いくらかの実施形態において、側面２２２は、底２０６の下表面２１０に対して約３５°の角度がつけられてよい。   For example, in some embodiments, the side 222 may be angled approximately 35 ° with respect to the bottom surface 210 of the bottom 206.

４つの側面２５２を有するプレート２５０（概して、「第１部分」）は、開口２２０内に配置するための寸法にされている。本発明の実施形態は、ルツボ２００の底２０６にプレート２５０を配置することを開示しており、付加的なプレートを、壁２０４のいずれかまたは全ての中に配置できる。更に、いくらかの実施形態において、プレート２５０を、用いなくてよく、および代わりに、プレート２５０に類似したプレートを、壁２０４のいずれかまたは全ての中に配置してよい。   A plate 250 (generally “first portion”) having four side surfaces 252 is dimensioned for placement within the opening 220. Embodiments of the present invention disclose placing a plate 250 on the bottom 206 of the crucible 200, and additional plates can be placed in any or all of the walls 204. Further, in some embodiments, the plate 250 may not be used, and instead, a plate similar to the plate 250 may be placed in any or all of the walls 204.

Figure 2013518028
Figure 2013518028

プレート２５０は、プレート２５０に隣接したルツボ２００の底２０６の厚さＴ２と実質的に同じ厚さである厚さＴ１を有する。いくらかの実施形態において、Ｔ１は、５ｍｍ〜２５ｍｍの間に相当してよく、およびＴ２は、５ｍｍ〜２５ｍｍの間に相当してよい。他の実施形態において、プレート２５０の厚さＴ１は、底２０６の厚さＴ２よりも大きくまたは小さくてよい。図４からわかるように、プレート２５０は、開口２２０の側面２２２に対応する傾斜プロファイルを備えた４つの側面２５２を有し、プレートは、開口の側面を備えたレジストリ内にある。開口の傾斜側面２２２は、第１角度を形成し、該第１角度は、プレート２５０の４つの側面２５２の傾斜プロファイルにより形成されている第２角度に対して補完的である。従って、開口２２０の側面２２２とプレート２５０の側面２５２の配置は、プレートの側面を開口の側面に対して押す溶融物１１１の重量をもたらす。結合剤は、開口２２０の側面２２２内のプレート２５０を更に固定するのに用いてよく、溶融物１１１は、開口とプレートとの間を通過することができない。 The plate 250 has a thickness T 1 that is substantially the same thickness as the thickness T 2 of the bottom 206 of the crucible 200 adjacent to the plate 250. In some embodiments, T 1 may correspond between 5 mm and 25 mm, and T 2 may correspond between 5 mm and 25 mm. In other embodiments, the thickness T 1 of the plate 250 may be greater or less than the thickness T 2 of the bottom 206. As can be seen from FIG. 4, the plate 250 has four sides 252 with an inclined profile corresponding to the side 222 of the opening 220, and the plate is in a registry with the sides of the opening. The inclined side surface 222 of the opening forms a first angle that is complementary to the second angle formed by the inclined profile of the four side surfaces 252 of the plate 250. Accordingly, the arrangement of the side surface 222 of the opening 220 and the side surface 252 of the plate 250 results in the weight of the melt 111 pushing the side of the plate against the side of the opening. The binder may be used to further secure the plate 250 in the side 222 of the opening 220 and the melt 111 cannot pass between the opening and the plate.

いくらかの実施形態において、結合剤は、鋳込成形シリカ化合物２５６である。図４に示される結合２５４の寸法と、そこに含まれる鋳込成形シリカ化合物２５６の量は、説明のためにとても強調されている。ルツボ２００の使用の前に、プレート２５０と底２０６の下表面２１０との間の結合２５４は、テープまたは他材料により封止できる。流体状態の鋳込成形シリカ２５６は、底２０６の上表面２０８に隣接した結合２５４内に注入される。次いで、流体鋳込成形シリカ２５６の溶媒は蒸発し、およびシリカが結合フィラーとして残る。ルツボ２００は、結合２５４における鋳込成形シリカ２５６を固化するのに燃やすことができる。   In some embodiments, the binder is cast silica compound 256. The dimensions of the bond 254 shown in FIG. 4 and the amount of cast silica compound 256 contained therein are highly emphasized for purposes of illustration. Prior to use of the crucible 200, the bond 254 between the plate 250 and the lower surface 210 of the bottom 206 can be sealed with tape or other material. Fluid state cast silica 256 is injected into bond 254 adjacent top surface 208 of bottom 206. The solvent of the fluid cast silica 256 then evaporates and the silica remains as a bound filler. The crucible 200 can be burned to solidify the cast silica 256 at the bond 254.

図５および６は、それぞれ、図１に示される炉１００のような任意の方向性凝固炉内で用いるルツボ３００の第２の実施形態の平面図および断面図を示す。ルツボ３００は、底３０６（概して、「第２部分」）と、底から上方に延在している４つの壁３０４を有する。底３０６および壁３０４は、一体化して、ともに形成またはともに結合でき、溶融物１１１（図１）は、そこに収容される。底３０６は、上表面３０８と下表面３１０を有する。凹部３２０は、上表面３０８に向かって下表面３１０から上方に延在しているが、底３０６の上表面３０８を通過しない。   FIGS. 5 and 6 show a plan view and a cross-sectional view, respectively, of a second embodiment of a crucible 300 for use in any directional solidification furnace such as the furnace 100 shown in FIG. The crucible 300 has a bottom 306 (generally a “second portion”) and four walls 304 extending upward from the bottom. The bottom 306 and the wall 304 can be integrally formed or bonded together, and the melt 111 (FIG. 1) is contained therein. The bottom 306 has an upper surface 308 and a lower surface 310. The recess 320 extends upward from the lower surface 310 toward the upper surface 308, but does not pass through the upper surface 308 of the bottom 306.

４つの側面３５２を有するプレート３５０（概して、「第１部分」）は、凹部３２０内に配置するための寸法にされている。他の実施形態において、凹部３２０とプレート２５０は、長方形でなくてよく、および代わりに、円形、楕円形、または任意の他の適切な形状であってよい。本発明の実施形態は、ルツボ３００の底３０６の凹部３２０にプレート３５０を配置することを開示するが、一方で、付加的なプレートは、壁３０４のいずれかまたは全ての中に配置されてよい。更に、プレート３５０を用いなくてよく、および代わりに、プレートは、壁３０４のいずれかまたは全ての中に配置されてよい。   A plate 350 (generally “first portion”) having four side surfaces 352 is dimensioned for placement in the recess 320. In other embodiments, the recesses 320 and the plate 250 may not be rectangular and instead may be circular, elliptical, or any other suitable shape. While embodiments of the present invention disclose placing a plate 350 in a recess 320 in the bottom 306 of the crucible 300, additional plates may be placed in any or all of the walls 304. . Further, the plate 350 may not be used and, alternatively, the plate may be placed in any or all of the walls 304.

底３０６の部分３６０は、ルツボ内に配置されている溶融物からプレート３５０を分離する。部分３６０は、溶融物がプレート３５０を破損、擦り切れまたは腐食するのを防ぐ。いくらかの実施形態によれば、部分３６０は、１ｍｍ〜２０ｍｍの間の厚さＴ部分を有してよく、一方で、プレート３５０は、１ｍｍ〜２０ｍｍの間の厚さＴプレートを有してよく、および底３０６は、１ｍｍ〜２０ｍｍの間の厚さＴ底を有してよい。更に、プレートの厚さＴプレートと部分の厚さＴ部分は、均一であるように示されるが、厚さは変更できる。プレート３５０は、底３０６の部分３６０により溶融物１１１から遮断される場合に、プレートは、置換する前に、複数回用いることができる。 A portion 360 of the bottom 306 separates the plate 350 from the melt disposed in the crucible. Portion 360 prevents melt from damaging, fraying or corroding plate 350. According to some embodiments, the portion 360 may have a thickness T portion between 1 mm and 20 mm, while the plate 350 may have a thickness T plate between 1 mm and 20 mm. , And bottom 306 may have a thickness T bottom between 1 mm and 20 mm. Further, the plate thickness T plate and the portion thickness T portion are shown to be uniform, but the thickness can vary. If the plate 350 is shielded from the melt 111 by the portion 360 of the bottom 306, the plate can be used multiple times before being replaced.

プレート３５０は、接着剤または締め具のような任意の結合メカニズムにより底３０６に取り付けられている。いくらかの実施形態において、プレート３６０を凹部３２０に留めるのに、鋳込成形シリカを用いる。他の実施形態において、凹部３２０とプレート３５０との間の摩擦適合は、凹部内にプレートを確保する。   Plate 350 is attached to bottom 306 by any coupling mechanism, such as an adhesive or fastener. In some embodiments, cast silica is used to retain the plate 360 in the recess 320. In other embodiments, the friction fit between the recess 320 and the plate 350 secures the plate within the recess.

Figure 2013518028
Figure 2013518028

他の実施形態において、プレート３５０は、ルツボ３００の底３０６よりも大きい熱伝導率を有する任意の材料から作られている。例えば、プレート３５０は、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、グラファイト、またはＭｇＯとＳｉＣ、ＳｉＯ２とＡｌＮ、ＳｉＯ２とＭｇＯ、およびＳｉＯ２とＴｉＯ２の複合材から作ることができる。更に、プレート３５０が部分３６０により溶融物１１１から遮断されている場合に、別の方法で溶融物と接触するのに適していない材料をその構成に用いることができる（例えば、ＴｉＯ２）。 In other embodiments, the plate 350 is made of any material having a thermal conductivity greater than the bottom 306 of the crucible 300. For example, the plate 350 can be made of MgO, AlN, SiC, graphite, or a composite of MgO and SiC, SiO 2 and AlN, SiO 2 and MgO, and SiO 2 and TiO 2 . In addition, if the plate 350 is shielded from the melt 111 by the portion 360, a material that is otherwise not suitable for contacting the melt can be used in its construction (eg, TiO 2 ).

Figure 2013518028
Figure 2013518028

Figure 2013518028
Figure 2013518028

図７および８は、それぞれ、図１に示される炉１００のような任意の方向性凝固炉内に用いるルツボ４００の第３の実施形態の平面図および断面図を示す。ルツボ４００は、底４０６（概して、「第２部分」）と、底から上方に延在している４つの壁４０４を有する。底４０６と壁４０４は、一体化して、ともに形成またはともに結合されてよく、溶融物１１１（図１）は、そこに収容される。底４０６は、上表面４０８と下表面４１０を有する。   FIGS. 7 and 8 show a top view and a cross-sectional view, respectively, of a third embodiment of a crucible 400 for use in any directional solidification furnace such as the furnace 100 shown in FIG. Crucible 400 has a bottom 406 (generally a “second portion”) and four walls 404 extending upward from the bottom. The bottom 406 and the wall 404 may be integrally formed and bonded together, and the melt 111 (FIG. 1) is contained therein. The bottom 406 has an upper surface 408 and a lower surface 410.

底４０６は、増加した熱伝導率の部分４５０（概して、「第１部分」）を有する。本発明の実施形態は、ルツボ４００の底４０６内に部分４５０を配置することを開示するが、一方で、付加的な部分は、壁４０４のいずれかまたは全ての中に配置されてよい。更に、部分４５０を用いなくてよく、および代わりに増加した熱伝導率の部分は、壁４０４のいずれかまたは全ての中に配置されている。   The bottom 406 has an increased thermal conductivity portion 450 (generally a “first portion”). While embodiments of the present invention disclose disposing the portion 450 within the bottom 406 of the crucible 400, additional portions may be disposed in any or all of the walls 404. Further, the portion 450 may not be used, and instead the portion of increased thermal conductivity is located in any or all of the walls 404.

部分４５０は、材料とともに混ぜられる１以上の付加的材料４５２を含み、底４０６は、それから作られて複合材を形成する。図７に示されるいくらかの付加的な材料４５２は、明瞭さのためにかなり減らされており、付加的な材料の相対的な寸法は、同様に、明瞭さのためにかなり拡大されている。付加的な材料４５２は、底４０６がそれから作られている材料よりも大きい熱伝導率を有する。従って、増加した熱伝導率を有する底４０６の部分４５０の熱伝導率は、概して、底の残りとルツボ４００の壁４０４との熱伝導率よりも大きい３倍〜１０倍の範囲である。底の製造中に底４０６がそれから作られる材料と混合できる任意の材料から、部分４５０内の付加的な材料４５２を選択してよい。例えば、付加的な材料４５２は、ＭｇＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、またはＴｉＯ２のいずれか１つまたは組合せであってよい。 Portion 450 includes one or more additional materials 452 that are mixed with the material, and bottom 406 is made therefrom to form a composite. Some additional material 452 shown in FIG. 7 has been significantly reduced for clarity, and the relative dimensions of the additional material are likewise significantly enlarged for clarity. The additional material 452 has a greater thermal conductivity than the material from which the bottom 406 is made. Accordingly, the thermal conductivity of the portion 450 of the bottom 406 having increased thermal conductivity is generally in the range of 3 to 10 times greater than the thermal conductivity of the rest of the bottom and the wall 404 of the crucible 400. The additional material 452 in the portion 450 may be selected from any material that can be mixed with the material from which the bottom 406 is made during manufacture of the bottom. For example, the additional material 452 may be any one or combination of MgO, SiC, AlN, or TiO 2 .

図９、１０および１１は、それぞれ、図１に示す炉１００のような任意の方向性凝固炉に用いるルツボ５００の第４の実施形態の平面図、断面図および拡大図を示す。ルツボ５００は、底５０６（概して、「第２部分」）と、底から上方に延在している４つの壁５０４とを有する。底５０６と壁５０４は、一体化して、ともに形成またはともに結合されてよく、溶融物１１１（図１）は、そこに収容される。底５０６は、上表面５０８と下表面５１０とを有する。開口５２０は、上表面５０８と下表面５１０との間で延在している。   9, 10 and 11 show a top view, a cross-sectional view and an enlarged view, respectively, of a fourth embodiment of a crucible 500 for use in any directional solidification furnace such as the furnace 100 shown in FIG. Crucible 500 has a bottom 506 (generally a “second portion”) and four walls 504 extending upwardly from the bottom. The bottom 506 and the wall 504 may be integrally formed and bonded together, and the melt 111 (FIG. 1) is contained therein. The bottom 506 has an upper surface 508 and a lower surface 510. Opening 520 extends between upper surface 508 and lower surface 510.

開口５２０は、４つの側面５２２により境界されているルツボ５００内に形成されているボイドにより規定されている。開口５２０は、底５０６の部分を機械加工するまたはそうでなければ除去することによりルツボ５００内に形成できる。他の実施形態において、底の部分を除去せずに開口を形成するように、開口５２０は、ルツボ５００の製造中に形成できる。   Opening 520 is defined by a void formed in crucible 500 bounded by four side surfaces 522. Opening 520 can be formed in crucible 500 by machining or otherwise removing a portion of bottom 506. In other embodiments, the opening 520 can be formed during manufacture of the crucible 500 so as to form the opening without removing the bottom portion.

底５０６の部分５３０は、開口５２０の側面５２２から内側におよび壁５０４から離れるように延在している。部分５３０は、底表面５１０から測定される厚さＴ３を有し、該厚さＴ３は、底５０６の厚さＴ４よりも少ない。部分５３０は、底５０６から外側に延在しており、およびレッジ（または棚、ledge）構造を形成している。 A portion 530 of the bottom 506 extends inwardly from the side 522 of the opening 520 and away from the wall 504. Portion 530 has a thickness T 3 that is measured from the bottom surface 510, said thickness T 3 is less than the thickness T 4 of the bottom 506. Portion 530 extends outward from bottom 506 and forms a ledge structure.

プレート５５０（概して、「第１部分」）は、開口５２０内に配置される寸法にされている。他の実施形態において、開口５２０およびプレート５５０は、長方形でなくてよく、および代わりに、円形、楕円形、または任意の他の適切な形状であってよい。本発明の実施形態は、ルツボ５００の底５０６内にプレート５５０を配置することを開示しており、一方で、付加的なプレートは、壁５０４のいずれかまたは全ての中に配置されてよい。更に、プレート５５０を用いなくてよく、および代わりに、プレートは、壁５０４のいずれかまたは全ての中に配置されてよい。   Plate 550 (generally “first portion”) is dimensioned to be disposed within opening 520. In other embodiments, the apertures 520 and the plate 550 may not be rectangular and instead may be circular, elliptical, or any other suitable shape. Embodiments of the present invention disclose placing a plate 550 within the bottom 506 of the crucible 500, while additional plates may be placed in any or all of the walls 504. Further, the plate 550 may not be used and, alternatively, the plate may be placed in any or all of the walls 504.

Figure 2013518028
Figure 2013518028

プレート５５０は、プレートの残りから外側に、その周囲に沿って延在しているリップ部分５５２を有する。リップ部分は、底５０６の側面５２２から延在している部分５３０の幅Ｗ２に概ね相当する幅Ｗ１を有する。使用中、リップ部分５５２は、底５０６の部分５３０の直接上に配置されている。従って、リップ部分５５２および底５０６の部分５３０は、一体にラップ結合を形成している。従って、プレート５５０と底５０６とのラップ結合は、プレートを底と接触させるように押す溶融物１１１の重量をもたらす。溶融物１１１が、開口とプレートとの間を通過できないように、開口５２０内にプレート５５０を更に固定するのに、結合剤を用いることができる。いくらかの実施形態において、結合剤は、鋳込成形シリカ化合物５５６である。ルツボ５００の使用の前に、プレート５５０と、底５０６の下表面５１０との間の結合５５４は、テープまたは他材料により封止できる。流体状態の鋳込成形シリカ５５６は、底５０６の上表面５０８に隣接した結合５５４内に注入される。次いで、流体鋳込成形シリカ５５６の溶媒は蒸発し、およびシリカは結合フィラーとして残る。従って、ルツボ５００は、結合５５４の鋳込成形シリカ５５６を固化するように燃やすことができる。   Plate 550 has a lip portion 552 that extends outward from the rest of the plate along its periphery. The lip portion has a width W1 that generally corresponds to the width W2 of the portion 530 that extends from the side 522 of the bottom 506. In use, the lip portion 552 is disposed directly above the portion 530 of the bottom 506. Accordingly, the lip portion 552 and the portion 530 of the bottom 506 integrally form a lap joint. Thus, the lap connection of the plate 550 and the bottom 506 results in the weight of the melt 111 that pushes the plate into contact with the bottom. A binder can be used to further secure the plate 550 in the opening 520 so that the melt 111 cannot pass between the opening and the plate. In some embodiments, the binder is cast silica compound 556. Prior to use of the crucible 500, the bond 554 between the plate 550 and the lower surface 510 of the bottom 506 can be sealed with tape or other material. Fluid state cast silica 556 is injected into bond 554 adjacent top surface 508 of bottom 506. The solvent of the fluid cast silica 556 then evaporates and the silica remains as a bound filler. Accordingly, the crucible 500 can be burned to solidify the cast silica 556 of the bond 554.

図２〜１１の上述したルツボの底の増加した熱伝導率は、個々の底を通過する増加した熱流束（すなわち、熱エネルギーの流れ）をもたらす。ルツボの底を通過する増加した熱流束は、ルツボ内に収容されている溶融物の凝固速度の増加をもたらす。いくらかの実施形態において、凝固速度は、従来のルツボに示されている凝固速度の２倍または３倍増加できる。   The increased thermal conductivity of the crucible bottoms described above in FIGS. 2-11 results in increased heat flux (ie, thermal energy flow) through the individual bottoms. The increased heat flux that passes through the bottom of the crucible results in an increase in the solidification rate of the melt contained in the crucible. In some embodiments, the solidification rate can be increased by a factor of two or three times that shown in conventional crucibles.

溶融物の凝固速度の増加は、溶融物を冷却しおよび凝固したインゴットを成形するのに必要な時間を減少させる。溶融物を形成するのに必要な時間の短縮は、上述したそれらに類似したルツボを用いて方向性凝固炉内でインゴットを製造できる速度（すなわち、生産量）を増加する。   Increasing the solidification rate of the melt reduces the time required to cool the melt and form a solidified ingot. The shortening of the time required to form the melt increases the speed (ie, output) at which ingots can be produced in a directional solidification furnace using crucibles similar to those described above.

図１２は、図２〜１１に示す任意のルツボを用いて、方向性凝固炉内でインゴットを製造するための例示的な方法６００を示す。上述したように、炉は、第１部分（例えば、プレート２５０、プレート３５０、部分４５０、またはプレート５５０）と第２部分（例えば、底２０６、底３０６、底４０６、または底５０６）を備えた底を有するルツボを含む。第１部分は、第２部分よりも高い熱伝導率を有する。例示的な実施形態において、第１部分は、第２部分の熱伝導率の少なくとも２倍である熱伝導率を有する。   FIG. 12 shows an exemplary method 600 for manufacturing an ingot in a directional solidification furnace using any of the crucibles shown in FIGS. As described above, the furnace includes a first portion (eg, plate 250, plate 350, portion 450, or plate 550) and a second portion (eg, bottom 206, bottom 306, bottom 406, or bottom 506). Includes a crucible with a bottom. The first part has a higher thermal conductivity than the second part. In an exemplary embodiment, the first portion has a thermal conductivity that is at least twice that of the second portion.

ルツボは、まず、シリコン充填物により充填される。従って、方法６００は、シリコン充填物の溶融によりブロック６１０で開始して、液体溶融物を形成する。ブロック６２０において、熱は、ルツボの少なくとも底を通して溶融物から移動する。第２部分を通して移動する速度と比較して増加した速度で、第１部分を通して、熱は移動する。溶融物からの熱移動は、溶融物を凝固させてインゴットにする。   The crucible is first filled with a silicon filling. Accordingly, the method 600 begins at block 610 with the melting of the silicon fill to form a liquid melt. At block 620, heat is transferred from the melt through at least the bottom of the crucible. Heat travels through the first part at an increased speed compared to the speed traveling through the second part. Heat transfer from the melt solidifies the melt into an ingot.

本発明は、様々な特定の実施形態に関して説明されるが、一方で、本発明は、特許請求の範囲の精神および技術的範囲内における改良を行うことができるということが認識される。   While the invention will be described in terms of various specific embodiments, it will be appreciated that the invention can be improved within the spirit and scope of the appended claims.

本開示またはその実施形態の要素を導入する場合に、冠詞「a」、「an」、「the」および「said」は、１以上の要素であることを意味することが意図される。用語「comprising」、「including」および「having」は、包含的であり、および記載された要素以外の追加的な要素であってよいことを意味することが意図される。特定の方向（例えば、「頂（top）」、「底（bottom）」、「側面（side）」など）を示唆する用語の使用は、記載の便宜のためであり、および記載される用品の任意の特定の方向を必要とするものではない。   In introducing elements of the present disclosure or embodiments thereof, the articles “a”, “an”, “the” and “said” are intended to mean one or more elements. The terms “comprising”, “including” and “having” are intended to be inclusive and mean that there may be additional elements other than the listed elements. The use of terms that suggest a particular direction (eg, “top”, “bottom”, “side”, etc.) is for convenience of description and is intended for the articles described It does not require any particular direction.

様々な変化は、本開示の技術的範囲から逸脱せずに、上記の構成および方法で為されてよいので、上記に含まれるおよび添付図面に示される全ての事柄は、説明するためであると解釈されるべきであり、制限する意味であるとして解釈されるべきではない。   Various changes may be made in the above configurations and methods without departing from the scope of the present disclosure, so that all matters contained above and shown in the accompanying drawings are for illustrative purposes. It should be interpreted and should not be construed as limiting.

Claims (20)

ルツボアセンブリを含む方向性凝固炉であって：
該ルツボアセンブリが：
溶融物を収容するためのルツボであって、壁と、開口を有する底とを有するルツボ；
ルツボを支持するルツボ支持体、
ルツボを覆う蓋；および
底の開口の中に収められるプレートであって、底の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有するプレート
を含む方向性凝固炉。 A directional solidification furnace including a crucible assembly comprising:
The crucible assembly is:
A crucible for containing a melt, the crucible having a wall and a bottom having an opening;
A crucible support for supporting the crucible,
A directional solidification furnace comprising a lid covering the crucible; and a plate housed in an opening in the bottom, the plate having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity of the bottom. 開口が、底を通り抜けて伸び、および第１角度の傾斜壁を有し、およびプレートが、第１角度に対して補完的な第２角度の傾斜壁を有する、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directionality of claim 1, wherein the opening extends through the bottom and has a first angled inclined wall and the plate has a second angled inclined wall complementary to the first angle. Solidification furnace. 開口が、底を通り抜けて伸び、および４つの側面を有する底のボイドにより規定されており、底の部分が、レッジ構造を形成するように側面から内側に延在している、請求項１に記載の方向性凝固炉。   2. The opening of claim 1 wherein the opening extends through the bottom and is defined by a bottom void having four sides, the bottom portion extending inwardly from the side to form a ledge structure. The directional solidification furnace described. プレートが、底の厚さに実質的に等しい厚さを有する、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, wherein the plate has a thickness substantially equal to the thickness of the bottom. プレートが、結合剤により底に固定されている、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace according to claim 1, wherein the plate is fixed to the bottom with a binder. プレートが、底の熱伝導率の少なくとも２倍の熱伝導率を有する、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, wherein the plate has a thermal conductivity at least twice that of the bottom. ルツボ支持体の底の下に配置されている熱交換体を更に含む、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, further comprising a heat exchanger disposed below the bottom of the crucible support. ルツボが、グラファイトから作られている、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace according to claim 1, wherein the crucible is made of graphite. ルツボ支持体のまわりに取り外し可能に配置されている１以上の移動可能な加熱器を更に含む、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, further comprising one or more movable heaters removably disposed about the crucible support. ルツボのまわりに配置されている取り外し可能な断熱体を更に含む、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, further comprising a removable insulator disposed about the crucible. ルツボ壁が、一体に結合されている４つの壁を含んでおり、および液体溶融物が、そこに収容される、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, wherein the crucible wall includes four walls joined together, and the liquid melt is contained therein. 底が、上表面と下表面を有し、開口が、底を通り抜けて伸びず、下表面に配置されておりおよび下表面の凹部の一部分を形成する、請求項１に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 1, wherein the bottom has an upper surface and a lower surface, and the opening does not extend through the bottom, is disposed on the lower surface and forms a portion of a recess in the lower surface. . プレートが、凹部に配置されており、底によってルツボ内の溶融物から分離されている、請求項１２に記載の方向性凝固炉。   13. A directional solidification furnace according to claim 12, wherein the plate is disposed in the recess and separated from the melt in the crucible by the bottom. ルツボアセンブリを含む方向性凝固炉であって：
該ルツボアセンブリが：
溶融物を収容するためのルツボであって、壁とコンポジット底を含むルツボ；
ルツボを支持するルツボ支持体および、
ルツボを覆う蓋；
を含み、ならびに
コンポジット底が添加剤無しの同等の底よりも高い熱伝導率を有するように、コンポジット底が添加剤を含む、方向性凝固炉。 A directional solidification furnace including a crucible assembly comprising:
The crucible assembly is:
A crucible for containing a melt comprising a wall and a composite bottom;
A crucible support for supporting the crucible, and
A lid covering the crucible;
A directional solidification furnace in which the composite bottom contains additives such that the composite bottom has a higher thermal conductivity than an equivalent bottom without additives. 添加剤が、ＭｇＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮおよびＴｉＯ２を含む群から選択されている、請求項１４に記載の方向性凝固炉。 Additives, MgO, SiC, is selected from the group comprising AlN and TiO 2, directional solidification furnace according to claim 14. ルツボ壁の少なくとも一部分が壁の添加剤無しの部分よりも高い熱伝導率を有するように、ルツボ壁の少なくとも一部分が添加剤を含む、請求項１４に記載の方向性凝固炉。   The directional solidification furnace of claim 14, wherein at least a portion of the crucible wall includes an additive such that at least a portion of the crucible wall has a higher thermal conductivity than a portion of the wall without the additive. 添加剤が、ＭｇＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮおよびＴｉＯ２を含む群から選択されている、請求項１６に記載の方向性凝固炉。 Additives, MgO, SiC, is selected from the group comprising AlN and TiO 2, directional solidification furnace according to claim 16. 方向性凝固炉におけるインゴットの製造方法であって：
炉のルツボ内のシリコン充填物を溶融して液体溶融物を形成し、ルツボが、底を含み、底の少なくとも第１部分が、底の第２部分よりも高い熱伝導率を有し；および
ルツボの少なくとも底を通して溶融物から熱を移動し、熱が、第２部分と比較して更に増加した速度で、底の第１部分を通して移動する、
ことを含み、
溶融物からの熱移動が、溶融物の凝固およびインゴットの製造をもたらす、
インゴットの製造方法。 A method for producing an ingot in a directional solidification furnace comprising:
Melting the silicon charge in the furnace crucible to form a liquid melt, the crucible including a bottom, wherein at least a first portion of the bottom has a higher thermal conductivity than a second portion of the bottom; and Transferring heat from the melt through at least the bottom of the crucible and transferring heat through the first portion of the bottom at a further increased rate compared to the second portion;
Including
Heat transfer from the melt results in solidification of the melt and production of ingots,
Ingot manufacturing method. シリコン充填物を溶融する前に、シリコン充填物をルツボに充填することを更に含む、請求項１７に記載の方法。   The method of claim 17, further comprising filling the crucible with a silicon fill prior to melting the silicon fill. 底の第２部分の熱伝導率の少なくとも２倍の熱伝導率を有する底の第１部分を通って、熱を移動する、請求項１７に記載の方法。   18. The method of claim 17, wherein heat is transferred through the first portion of the bottom having a thermal conductivity at least twice that of the second portion of the bottom.
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