KR101461454B1 - 캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 용매를 사용한 물질 정제 방법에 대한 것이다. 본 발명은 캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제 방법을 포함한다. 캐스케이드 공정에서, 실리콘이 정제 공정을 통해 이동함에 따라, 이는 반대 방향으로 상기 공정을 통해 이동하는 점점 더 순수한 용매 금속과 접촉하게 된다.

Description

캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제법 {METHOD OF PURIFYING SILICON UTILIZING CASCADING PROCESS}

관련 출원(들)의 교차 참조

본 출원은, 2009년 8월 21일 출원된 미국 가출원 제61/235,861호 및 2010년 3월 23일 출원된 미국 가출원 제12/729,561호의 혜택을 주장하며, 이들 출원은 원용에 의해 전체로서 본 명세서에 통합된다.

태양전지는, 태양광을 전기 에너지로 전환할 수 있는 그 능력을 사용함으로써 현재 에너지 공급원으로서 이용되고 있다. 실리콘(silicon)은 이러한 광전지에서 반도체 물질로서 거의 독점적으로 사용되고 있다. 현재, 태양전지의 사용에 있어서의 중대한 제약 요소는 실리콘을 솔라 등급(solar grade: SG)으로 정제하기 위해 소요되는 비용과 관계있다. 현재의 에너지 수요와 공급 제한의 상황을 고려할 때, 야금학적 등급 (metallurgical grade: MG)의 실리콘 (또는 솔라 등급보다 많은 불순물을 포함하는 임의의 다른 실리콘)을 솔라 등급 실리콘으로 정제하기 위해 원가 효율이 보다 높은 방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

금속 용매(metallic solvent)를 사용하여 물질을 정제하는 공정에서, 유용한 물질이 불순물과 함께 금속 용매에 남게 된다. 예를 들어, 용매 금속(solvent metal)을 사용하여 실리콘을 정제하는 공정에서, 유용한 실리콘은 부산물 내에 남게 된다. 실리콘을 분별 결정화하기 위한 시도를 반복하는 경우, 이에 비례하여 부산물 내의 실리콘 손실도 증가하게 된다. 여러 회사와 연구소들은, 다양한 습식 제련 및 열분해 제련 공정을 포함하는 야금학적 공정을 사용하여 향상된 등급의 야금학적 실리콘(UMG silicon)을 제조하기 위한 연구를 수행해 오고 있다. 이러한 공정들의 대다수는, 붕소의 양에 대하여 인의 양을 감소시키는 것이 어렵다는 제한점을 가진다. 결국, 이로 인해 최종 재료에 과량의 인이 포함되는 결과가 초래된다. 정제 후 UMG 실리콘에서 인의 양은 ppmw로 붕소보다 더 많게 되며, 인의 양은 통상 ppmw로 붕소보다 2 내지 3배 더 많다.

전통적으로, 대부분의 태양전지는 인 수준보다 붕소 수준이 높은 P-타입 반도체를 사용하여 제조된다. UMG 실리콘은 부울 (boule) 또는 다결정 잉곳(multicrystalline ingot)으로 방향성 고화된다. UMG 실리콘의 이러한 방향성 고화는, 붕소와 인의 분리 계수의 차이로 인해, 잉곳의 최상부에서 인 수준을 증가시킨다. 이러한 농도 전이로 인해 인 농도가 높은 영역과 인 농도가 낮은 영역 사이에서 P/N 전이가 형성될 수 있어, 수율을 감소시킬 뿐만 아니라 잉곳의 높이에 따른 저항도의 변화를 초래할 수 있다. UMG 실리콘으로부터 만들어지지 않은 대부분의 태양 전지는, 지멘스 공정에 의해 정제된 실리콘에 P-타입 붕소 함유 도판트를 부가함에 의해 제조된다.

본 발명은 금속 용매로 물질을 정제하는 방법을 제공한다. 본 발명의 구현예들은 정제된 물질에 있어 불순물 양의 감소, 및 보다 일정한 불순물 농도 등의 혜택과 장점을 포함한다. 상기 방법은 더 일정한 품질의 정제된 물질을 제공할 수 있어, 정제된 물질의 보다 완전한 이용이 구현 가능하다. 다른 혜택은 보다 우수한 품질의 제품을 생성하기 위해 사용될 수 있는 정제된 물질의 생산을 포함할 수 있다. 모액을 재순환시키는 구현예의 경우, 본 방법은 정제 대상 물질의 폐기량을 감소시키고, 금속 용매를 보다 효율적으로 이용할 수 있다.

또한, 본 발명은 실리콘 정제 방법을 제공한다. 상기 방법은, 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시키는 단계를 포함한다. 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시켜 제1 혼합물을 제공한다. 본 방법은, 또한 제1 혼합물을 용융시키는 단계를 포함한다. 제1 혼합물의 용융은 충분히 수행되어 제1 실리콘과 제2 모액의 제1 용융 혼합물을 제공한다. 또한, 본 방법은 제1 용융 혼합물을 냉각하는 단계를 포함한다. 제1 용융 혼합물의 냉각으로 제1 실리콘 결정 및 제3 모액이 형성된다. 본 방법은, 제1 실리콘 결정과 제3 모액을 분리하는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은 제1 실리콘 결정을 제1 모액과 접촉시키는 단계를 포함한다. 제1 실리콘 결정을 제1 모액과 접촉시키면 제2 혼합물이 제공된다. 또한, 본 방법은 제2 혼합물을 용융시키는 단계를 포함한다. 제2 혼합물의 용융이 충분히 수행되어 제1 실리콘 결정과 제1 모액의 제2 용융 혼합물을 제공한다. 본 방법은, 또한 제2 용융 혼합물을 냉각시키는 단계를 포함한다. 제2 용융 혼합물의 냉각에 의해 제2 실리콘 결정과 제2 모액이 제공된다. 또한, 본 방법은 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 분리하는 단계를 포함한다. 또한 본 방법은, 제2 실리콘 결정을 제1 용매 금속과 접촉시키는 단계를 포함한다. 제2 실리콘 결정을 제1 용매 금속과 접촉시키면 제3 혼합물이 제공된다. 또한 본 방법은, 제3 혼합물을 용융시키는 단계를 포함한다. 제3 혼합물의 용융을 충분히 수행하여, 제2 실리콘 결정과 제1 용매 금속의 제3 용융 혼합물을 제공한다. 또한 본 방법은, 제3 용융 혼합물을 냉각시키는 단계를 포함한다. 제3 용융 혼합물을 냉각시키면, 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 형성한다. 또한, 본 방법은 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 분리하는 단계를 포함한다. 또한, 본 방법은 용매 금속을 포함하는 제1 용매 금속 및 모액을 포함한다. 특정 구현예에서, 용매는 알루미늄일 수 있다. 본 방법은, 선택에 따라 임의의 결정화 패스를 다수회 반복하는 단계를 포함한다.

구체적인 구현예에서, 본 방법에서 제공된 바에 따르면, 상기 단계들 이전에 실리콘 A와 정제 물질(purifying material)을 접촉시키는 단계를 먼저 수행할 수 있다. 이러한 접촉을 충분히 수행하여 혼합물 A를 제공한다. 또한, 본 방법은 혼합물 A를 용융시키는 단계를 제공한다. 혼합물 A의 용융을 충분히 수행하여 용융 혼합물 A를 제공한다. 또한, 본 방법은 용융 혼합물 A를 냉각시키는 단계를 제공한다. 냉각이 충분히 수행되어 제1 실리콘과 제4 모액을 제공한다. 본 방법은 또한 제1 실리콘과 제4 모액을 분리하는 단계를 제공한다. 이러한 선택적인 단계들이 상기 단계들 이전에 사용되는 경우, 4중 패스 캐스케이드가 제공된다.

구체적인 구현예에서, 제1 실리콘 결정와 제1 모액을 접촉시키는 단계 내지 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 분리하는 단계는 독립적으로 선택적인 것이다. 본 방법은 선택에 따라 제1 실리콘 결정을 제1 모액과 접촉하는 단계를 포함한다. 제1 모액과 제1 실리콘의 이러한 선택적 접촉은 제2 혼합물을 제공한다. 또한, 본 방법은 선택에 따라 제2 혼합물을 용융시키는 단계를 포함한다. 선택에 따라 제2 혼합물을 용융시키는 것을 충분히 수행하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액의 제2 용융 혼합물을 제공한다. 또한, 본 방법은 선택에 따라 제2 용융 혼합물을 냉각하는 단계를 포함한다. 제2 용융 혼합물의 선택적 냉각은, 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 제공한다. 또한, 본 방법은 선택에 따라 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 분리하는 단계를 포함한다. 제1 실리콘 결정 및 제1 모액을 접촉시키는 단계로부터 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 분리하는 단계까지의 선택적 단계들은 생략될 수 있다. 상기 선택적 단계들이 모두 수행되지 않는다면, 이어서 제1 실리콘 결정과 제3 모액의 분리 단계 후에, 제1 실리콘 결정이 제1 용매 금속과 접촉한다.

구체적인 구현예에서, 본 발명의 방법은, 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계를 더 포함한다. 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계를 충분히 수행하여 용융된 제3 결정을 제공한다. 또한, 본 방법은 용융된 제3 결정을 방향성 고화(directionally solidifying)시키는 단계를 제공한다. 방향성 고화를 충분히 수행하여 고화된 실리콘을 제공한다. 또한, 본 방법은 적어도 일부의 고화된 실리콘을 제거하는 것을 제공한다. 또한, 본 방법은 선택에 따라, 방향성 고화가 다수회 반복될 수 있는 것을 제공한다.

또한, 본 발명은 실리콘, 인, 및 붕소를 포함하는 정제 실리콘을 포함한다. 인의 양은 ppmw 로 측정하였을 때 붕소의 양보다 적을 수 있다. 붕소의 양은 0.7 ppmw 미만일 수 있다. 추가로, 다른 금속성 불순물은 각각 1 ppmw 미만일 수 있다.

본 방법은, 제1 물질을 정제 물질과 접촉시키는 단계를 포함한다. 이러한 접촉은 제1 혼합물을 제공하기에 충분하다. 또한, 본 방법은 제1 혼합물을 용융시키는 단계를 포함한다. 제1 물질과 정제 물질의 혼합물의 용융으로 제1 용융 혼합물이 형성된다. 또한, 본 방법은 제1 용융 혼합물을 냉각하는 단계를 포함한다. 상기 냉각은, 제1 물질의 제1 결정과 제3 모액을 형성하기에 충분하다. 또한, 본 방법은 제2 물질을 포함하는 정제 물질의 사용을 포함한다. 또한, 본 방법은, 제2 물질보다 높은 융점을 가진 제1 물질의 사용을 포함한다. 또한, 본 방법은, 금속성인 제2 물질의 사용을 포함한다. 본 방법은, 선택에 따라, 제3 모액보다 더 적은 양의 불순물을 포함하는 정제 물질의 사용을 포함할 수 있다.

반드시 일정한 비례로 도시되지는 아니한 도면들에서, 유사한 번호는 여러개의 도에 있어 실질적으로 유사한 성분을 기재한 것이다. 상이한 문자 접미사를 가진 유사한 번호들은 실질적으로 유사한 성분의 다른 사례를 나타낸 것이다. 도면은 일반적으로, 한정으로서가 아니라 예시로서, 본 명세서에서 논의되는 다양한 구현예들을 도해한 것이다.
도 1은 일부 구현예에 따른, 3중 패스 캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제 방법의 블록 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 일부 구현예에 따른, 3중 패스 캐스케이드 공정을 이용한 물질 정제 방법의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 3은 일부 구현예에 따른, 3중 패스 캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제 방법의 블록 흐름도를 도시한 것이다.
도 4는 일부 구현예에 따른, 3중 패스 캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제 방법의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 5는 일부 구현예에 따른, 실리콘 정제를 위한 캐스케이드 공정의 1차 패스의 상세 내용을 도시한 것이다.
도 6은 일부 구현예에 따른, 3중 패스 캐스케이드 공정을 사용한 실리콘 정제 방법의 블록 흐름도를 도시한 것이다
도 7은, 일부 구현예에 따른, 4중 패스 캐스케이드 공정을 사용한 실리콘 정제 방법의 다이어그램을 도시한 것이다.

개시된 대상의 특정 청구항들에 대하여 상세히 언급하기로 하며, 이에 대한 예들은 수반된 도면에 도시되어 있다. 개시된 대상이 열거된 청구항들과 함께 기재되지만, 이들은 개시된 대상을 이들 청구범위로 한정하고자 하는 것이 아님은 이해될 것이다. 오히려, 개시된 대상은 청구범위에 의해 정의된 바의 여기에 지금 개시되는 대상의 범위 내에 포함될 수 있는 대안, 변경, 및 균등물을 포함하고자 하는 것이다.

본 명세서에서, "일구현예", "구현예", "예시적 구현예" 등에 대한 언급은, 기재된 구현예가 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 포함할 수 있으나, 모든 구현예가 상기 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 반드시 포함해야 하는 것은 아님을 지시하는 것이다. 더욱이, 이러한 어구는 반드시 동일 구현예를 지칭해야 하는 것도 아니다. 또한, 특별한 특징, 구조, 또는 특성이 일구현예와 관련하여 기재된 경우, 명시적으로 기재되었든 아니든, 다른 구현예들과 관련하여 이러한 특징, 구조, 또는 특성에 영향을 주는 것은 당해 기술 분야의 통상의 기술자의 지식 범위 내의 사항이다.

본 문서에서, 단수 명사는 하나 또는 그 이상의 것을 포함하도록 사용된 것이며, "또는" 이라는 용어는 달리 지시된 바 없으면, 비독점적(nonexclusive)인 "또는"을 지칭하기 위해 사용된 것이다. 또한, 여기 사용된 어구 또는 용어들은, 달리 정의된 바가 없다면, 한정이 아니라 단지 기재를 목적으로 한 것임은 이해되어야 한다.

여기에 기재된 제조 방법에서, 단계는, 시간적 또는 조작상의 순서가 명시적으로 기재된 경우를 제외하고는, 본 발명의 원리로부터 이탈하지 않는 임의의 순서로 수행될 수 있다. 한 청구항에서 처음 어떤 단계가 수행된 다음, 수개의 다른 단계들이 후속적으로 수행된다는 취지로 기재된 것은, 상기 첫번째 단계는 상기 다른 단계들보다 먼저 수행되지만, 상기 다른 단계들은, 이들 간의 순서가 추가로 기재된 것이 아니라면, 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "단계 A, 단계 B, 단계 C, 단계 D 및 단계 E"라고 기재된 청구항의 구성요소는, 단계 A가 제일 먼저 수행되고, 단계 E가 마지막에 수행되며, 단계 B, C, 및 D는 단계 A와 단계 E 사이에서 임의의 순서로 수행될 수 있음을 의미하며, 이러한 순서도 여전히 청구된 공정의 문헌적 범위 내에 속하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 주어진 단계 또는 단계들의 부분집합이 반복될 수 있다.

나아가, 특정 단계들은, 청구항에 명시적으로 이들이 별도로 수행되어야 함이 기재되지 않았다면, 동시에 수행될 수 있다. 예를 들어, 청구항에 기재된 X를 수행하는 단계와 청구항에 기재된 Y를 수행하는 단계는, 단일 조작 내에서 동시에 행해질 수 있으며, 그 결과적인 공정도 청구항의 공정의 문헌적 범위 내에 속하게 될 것이다.

본 발명은 캐스케이딩(cascading) 또는 캐스케이드 공정을 사용한 실리콘 정제 방법을 제공한다. 캐스케이딩은 물질의 역류식 흐름을 말한다. 캐스케이딩 역류 흐름은 실리콘 공급원료를 공정의 일방 단부 (즉, 개시점)에 끼워 넣고 정제된 실리콘을 공정의 타방 단부(즉, 종료점)에서 제거한다. 알루미늄 등의 용매 금속은 금속 공급원료가 이동하는 반대쪽 방향으로 공정을 통해 이동하는 바, 이는 공정의 종료점으로 들어가, 공정의 시작점을 향하는 방향으로 재사용되고, 개시점에서 공정을 탈출하며, 공정에 들어갈 때보다 탈출할 때, 보다 많은 불순물을 함유한다. 실리콘은 공정을 통해 진행함에 따라 점점 더 순순한 용매 금속과 접촉하게 되고, 그 불순물 수준이 감소된다. 임의의 적절한 개수의 캐스케이딩 단계는 여기에 기재된 방법의 구현예 내에 포함되는 것으로 고려된다. 모액은 동일한 단계에서 혹은 다른 단계들에서 재사용될 수 있고, 용매 금속으로 보충될 수도 있다.

본 발명의 구현예는 다른 방법보다 뛰어난 혜택과 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 장점들로서는, 최종 정제된 실리콘 내에서 달성되는 불순물의 수준이 보다 더 낮고, 더 일정하다는 것을 들 수 있다. 본 방법은, 어떤 다른 정제법에 의해 생성되는 것보다 더 높고 더 일정한 품질을 가지며, 유용한 물질의 백분율이 더 높은 정제된 실리콘 제품을 생성한다. 따라서, 본 방법에 의해 생산된 정제된 실리콘을 사용하는 경우, 물질의 폐기량이 감소될 수 있으며, 정제된 실리콘으로부터 더 효율적인 제품을 제조하할 수 있다. 모액을 재순환시키는 구현예의 경우, 모액 내에 여전히 존재하는 실리콘이 보존되며, 모액을 단순히 폐기시키는 경우에 비해 낭비되는 양이 감소된다. 본 발명에 의해 제조된 정제된 실리콘 내에서 붕소와 인은 보다 낮은 수준이며, 이로써 다른 용매 금속 공정에 의해 생산된 것보다 더 높은 평균 전지 효율을 제공할 수 있는 정제된 실리콘으로부터 전지와 웨이퍼를 만들어낼 수 있게 되며, 따라서, 정제된 실리콘이 다른 방법에 의해 생산된 물질보다 더 높은 가치를 가질 수 있다. 붕소 수준에 비해 인의 함량이 낮기 때문에, 수득되는 다중 결정성 잉곳 또는 부울에서 유리한 품질이 실현될 수 있는 바, 예를 들어, 일부 구현예에서는, P/N 접합점이 존재한다면 최상부 표면에 더 가까이 형성된다. P/N 접합이 존재하지 않거나, 혹은 이러한 접합이 실리콘의 최상부 표면에 보다 가까이 존재함으로써, 그 사용 전에 정제된 실리콘으로부터 제거되는 물질의 양을 감소시킬 수 있고, 이에 따라, 폐기되거나 재순환이 요구되는 물질의 양도 감소하게 된다. 인 보상(phosphorous compensation)이 감소된 UMG 실리콘은 결과적으로, 예컨대, 더 높은 효율의 태양 전지 등, 정제된 실리콘으로부터 유도된 보다 우수한 품질의 제품을 제공할 수 있다. 특정 구현예의 다른 이점들은, 하기 사항의 감소 또는 제거를 포함할 수 있다: 그 효율을 향상시키도록 수득한 정제 실리콘을 보상하는 것, 정제 실리콘과 다른 물질을 블랜딩하는 것, 및 정제 실리콘에 다른 도판트를 부가하는 것. 본 발명은 결정화를 사용한 실리콘 정제의 다른 방법에 비하여 더 효율적인 방식으로 실리콘의 결정화에 사용되는 용매를 활용할 수 있는 방법을 제공한다. 본 발명은 어떤 다른 실리콘 정제 방법보다도 더 신속하고, 더 저렴하며, 더 효율적이고/이거나 낭비를 줄일 수 있는 방법을 제공한다.

정의

여기서 사용된 바의, "혼합물"은 서로 물리적 접촉 상태에 있는 2종 이상의 물질의 조합을 말한다. 예를 들어, 혼합물의 구성 성분은, 화학적인 반응이 아니라, 물리적으로 배합될 수 있다.

여기서 사용된 바의 "용융"은 충분한 열에 노출되었을 때 고체로부터 액체로의 물질의 변화를 말한다.

여기서 사용된 바의 "정제"는 이물질 혹은 오염물질로부터 관심 대상인 화학 성분을 물리적 또는 화학적으로 분리해 내는 것을 말한다.

여기서 사용된 바의, "접촉함(contacting)"은 터치(touch), 접촉을 만드는 행위 혹은 물질을 바로 옆으로 가져오는 행위를 말한다.

여기서 사용된 바의, "결정화"는 용액으로부터, 물질의 결정 (결정성 물질)을 형성하는 공정을 포함한다. 이러한 공정은, 공급 스트림을 냉각시키거나 혹은 소망하는 생성물의 용해도를 저하시키는 침전제를 부가하여 결정을 형성함으로써, 액체 공급 스트림으로부터, 종종 지극히 순수한 형태로, 생성물을 분리한다. 순수한 고체 결정은, 이어서, 디캔팅(decantation), 여과, 원심분리, 혹은 다른 수단에 의해 남아있는 리커(ilquor)로부터 분리된다.

여기서 사용된 바의, "결정성"은 고체 내 원자의 규칙적, 기하학적 배열을 포함한다.

여기서 사용된 바의, "분리"는 다른 것으로부터 물질을 제거하는 (예를 들어, 혼합물로부터 고체 또는 액체를 제거하는) 공정을 말한다. 이러한 공정은, 예컨대 혼합물의 디캔팅, 혼합물로부터 하나 이상의 액체를 떠내는 것(skimming), 혼합물의 원심분리, 혼합물로부터의 고체의 여과, 또는 이들의 조합 등 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 기술을 사용할 수 있다.

여기서 사용된 바의, "모액(mother liquor)" 또는 "모액체(mother liquid)"는, 액체 내의 고체 용액의 혼합물로부터 고체(예를 들어, 결정)를 제거한 후에 수득되는 고체 또는 액체를 말한다. 제거의 철저함의 정도에 따라서, 모액은 이들 고체의 인정 불가한(unappreciable) 양을 포함할 수 있다.

여기서 사용된 바의, "실리콘"은 기호 Si 및 원자 번호 14를 가지는 화학적 원소를 말한다. 여기서 사용된 바의, "야금학적 등급의 실리콘" 또는 "MG 실리콘" 또는 "MG Si"는 비교적 순수한 (예컨대, 적어도 약 96.0 wt.%의) 실리콘을 말한다.

여기서 사용된 바의, "용융물"은 용융된 물질을 말하며, 여기서 용융이라 함은 고체 물질을, 이것이 액체로 바뀌는, (융점이라 불리는) 지점까지 가열하는 공정이다.

여기서 사용된 바의, "용매 금속"은 가열시, 실리콘을 효과적으로 녹여낼 수 있어, 결과적으로 용융 액체를 생성하는, 1종 이상의 금속 또는 그의 합금을 말한다. 적절한 예시적인 용매 금속은, 예컨대, 구리, 주석, 아연, 안티몬, 은, 비스무스, 알루미늄, 카드뮴, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 납, 이들의 합금과 이들의 조합을 포함한다.

여기서 사용된 바의, "합금"은 2종 이상이되 이들 중 하나 이상은 금속인, 원소의 균질 혼합물을 말하며, 수득한 물질은 금속 물성을 나타낸다. 수득한 금속 물질은 통상, 그의 성분과는 (때때로 현저하게 다른) 상이한 물성을 가진다.

여기서 사용된 바의, "액상선 (liquidus)"은, 그 이상에서는 주어진 성분이 액상에서안정한 상 평형도에서의 선을 말한다. 가장 일반적으로는, 상기 선은 전이 온도를 나타낸다. 액상선은, 성분에 따라서, 직선일 수 있거나 혹은 곡선일 수 있다. 액상선은, 가장 흔하게는, 금속 합금을 포함하는, 고용체 등의 2원 시스템에 적용된다. 액상선은 고상선(solidus)에 대비될 수 있다. 액상선과 고상선은 반드시 정렬하거나 겹치지는 않으며; 만일 액상선과 고상선 간에 간격이 존재하는 경우, 상기 간격 내에서, 성분은 액체로서 또는 고체로서 안정하지 않다.

여기서 사용된 바의, "고상선"은, 그 아래에서 주어진 물질이 고상에서 안정한 상 평형도 상의 선을 말한다. 가장 일반적으로, 이러한 선은 전이 온도를 나타낸다. 고상선은, 물질에 따라, 직선일 수 있거나 혹은 곡선일 수 있다. 고상선은 가장 흔하게는, 금속 합금을 포함한, 고용체 등의 2원 시스템에 적용된다. 고상선은 액상선에 대비될 수 있다. 고상선과 액상선은 반드시 정렬되거나 겹치지는 않는다. 만일 고상선과 액상선 사이에 간격이 존재하는 경우, 상기 간격 내에서, 상기 성분은 단독으로 고체 또는 액체로서 안정하지 않으며; 이는 예를 들어, 감람석 (포스터라이트(fosterite)-페얄라이트(fayalite)) 시스템의 경우에도 그러하다.

여기서 사용된 바의, "드로스(dross)"는 용융 금속조 내에서 부유하는 고체 불순물의 덩어리를 말한다. 이들은, 통상, 주석, 납, 아연, 또는 알루미늄 등의 저융점 금속 또는 합금의 용융에서, 혹은 금속(들)의 산화에 의해 나타나게 된다. 이들은 표면에서 떠냄으로써 제거될 수 있다. 납과 주석의 경우, 드로스는, 산화물을 용해시켜 슬래그를 형성하는 수산화나트륨 팰릿을 부가함에 의해 제거될 수 있다. 다른 금속의 경우, 염 플럭스(salt flux)를 부가하여 드로스를 분리할 수 있다. 드로스는 고체인 점에서, 합금 상에 떠다니는 (점성) 액체인, 슬래그와는 구별되는 것이다.

여기서 사용된 바의, "슬래그"는 금속을 정제하기 위해 광석을 제련하는 동안 발생하는 부산물을 말한다. 이들은 금속 산화물의 혼합물로 간주될 수 있으나; 이들은 금속 황화물 및 원소 형태의 금속원자를 포함할 수 있다. 슬래그는 일반적으로 금속 제련에서 폐기물 제거 기구로서 사용된다. 원래 철, 구리, 납, 알루미늄, 및 다른 금속 등의 금속 광석은 순수하지 않은 상태로 발견되며, 종종 다른 금속의 실리케이트와 함께 산화되고 혼합된다. 제련 동안, 광석은 고온에 노출되고, 이러한 불순물들은 용융 금속으로부터 분리되어 제거될 수 있다. 제거되는 화합물의 집합이 슬래그이다. 슬래그는 또한, 금속의 정제를 향상시키기 위한 설계에 의해 생성되는 다양한 산화물 및 다른 물질들의 블랜드일 수 있다.

여기서 사용되는 "불활성 가스"는, 보통 상황에서 반응성이 없는, 임의의 가스, 또는 가스의 조합을 말한다. 불활성 가스는 반드시 원소 가스일 필요는 없으며, 때때로 분자 가스이다. 희가스(noble gas)와 같이, 비반응성의 경향은 원자가, 즉 최외곽 전자 껍질에 기인하며, 이는 모든 비활성 가스에서 완전하다. 불활성 가스는, 희가스일 수 있으나, 반드시 그럴 필요는 없다. 예시적인 불활성 가스는, 예컨대, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 및 질소(N₂)를 포함한다.

여기 사용된 바의, "방향성 고화(directional solidification)"라는 것은 고화가 진행되는 부분에 대하여 공급 금속이 연속적으로 이용 가능한 용융 금속의 고화를 말한다.

여기서 사용된 바의, "폴리결정성 실리콘" 또는 "폴리-Si" 또는 "다결정성 실리콘"은 복수개의 실리콘 결정으로 이루어진 물질을 말한다.

여기서 사용된 바의, "단결정성 실리콘"은, 흠결 또는 불순물이 거의 없이 단일의 연속한 결정 격자 구조를 가지는 실리콘을 말한다.

여기서 사용된 바의, "잉곳"은 취급과 수송이 비교적 용이한 형상으로 주조된 물질의 덩어리를 말한다. 예를 들어, 그의 융점을 넘어서까지 가열되어 봉(bar) 또는 블록으로 성형된 금속을 잉곳이라 한다.

여기서 사용된 바의 "부울"은 합성적으로 생산된 단결정 잉곳을 말한다. 예를 들어, "쵸크랄스키" 또는 "CZ" 공정에서, 시드 결정을 사용하여 보다 큰 결정 또는 잉곳을 생성한다. 이러한 시드 결정을 순수한 용융 실리콘에 담그고 서서히 뽑아낸다. 용융 실리콘이 결정상 방식으로 시드 결정 위에서 자란다. 시드를 뽑아내면서 실리콘이 고정되고, 결국 더 큰 원형 보울이 생산된다.

여기서 사용된 바의 "선택에 따라" 라는 용어는, 어떤 것이 있거나 없는 것을 말한다. 예를 들어, 선택적 단계는, 수행되거나 혹은 수행되지 않는 단계이다.

알루미늄을 결정화 용매로 사용하여 실리콘을 정제하는 본 발명의 구현예는, 금속 용매를 사용하되 정제 대상 물질이 금속 용매의 융점보다 더 높은 융점을 가지는, 물질의 정제 등 보다 넓은 공정의 구체적인 구현예로서 이해되어야 한다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자들은 알루미늄을 용매로 사용한 실리콘 정제의 구체적인 구현예에 대한 모든 기재가 매우 다양한 물질과 용매에도 널리 적용될 수 있음을 이해할 것이다.

실리콘의 정제

도 1, 5, 및 6을 참조하면, 일부 구현예에 따라, 캐스케이드 공정을 이용한 실리콘 정제 방법의 블록 흐름도(100)이 나타나 있다. 제1 실리콘(102)는 제2 모액(104)와 접촉(106)하여 제1 혼합물(108)을 형성할 수 있다. 제1 혼합물(108)은 용융(110)되어 제1 용융 혼합물(112)를 형성할 수 있다. 이어서, 제1 용융 혼합물(112)는 제1 실리콘 결정(120)과 제3 모액(116)으로 냉각 및 분리(114)될 수 있다. 이어서, 제3 모액 (116)은 공정으로부터 제거되어, 다른 산업상의 용도로 판매(118)될 수 있거나, 혹은 이들의 전부 또는 일부는 제2 모액(104)와 함께 다시 재순환(144)될 수 있다. 제3 모액(116)이 유용성을 가지는 산업 분야의 일례로서, 주조용 알루미늄 실리콘 합금에서의 사용을 위한 알루미늄 주조 산업을 들 수 있다.

모액 또는 용매 금속에 대한 실리콘 또는 실리콘 결정의 접촉은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 접촉 방식은 실리콘 또는 실리콘 결정을 모액에 부가하는 단계를 포함할 수 있고, 또한, 모액을 실리콘 또는 실리콘 결정에 부가하는 단계를 포함할 수 있다. 물질의 스플래시(splashing)을 방지하거나 물질의 손실을 방지하는 부가 방법은 접촉과 관련하여 고려된 방식에 포함된다. 접촉은 교반 (stirring) 또는 동요(agitation)와 함께 혹은 이들 없이 수행될 수 있다. 접촉은 동요 (agitation)을 만들어낼 수 있다. 접촉은 동요를 생성토록 고안될 수 있다. 접촉은 가열과 함께 혹은 가열 없이 이루어질 수 있다. 접촉은 열을 생성하거나, 혹은 흡열성이 있을 수 있거나, 혹은 어떠한 열 손실 혹은 열 생성도 가져오지 못할 수 있다.

선택적인 교반 또는 동요는 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 교반은 패들 또는 다른 교반 장치를 사용한 기계적 교반을 포함할 수 있다. 동요는 가스의 주입 및 버블링에 의한 동요를 포함할 수 있으며, 소용돌이 만들기(swirling) 또는 흔들기(shaking) 등, 용기의 물리적 동요를 포함할 수도 있다. 하나의 물질을 다른 것에 부가하는 것은, 동요를 유발할 수 있고, 부가 방식은 동요를 제공하도록 고안될 수 있다. 한 액체를 다른 액체에 주입하는 것도 동요를 제공할 수 있다.

모액 또는 용매 금속 내에서의 실리콘 또는 실리콘 결정의 혼합물의 용융은 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 방식으로 일어날 수 있다. 용융 방식은, 실리콘 또는 실리콘 결정의 소망하는 용융을 가져오도록 임의의 적절한 방법에 의해 혼합물에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 가열은 용융 혼합물이 달성된 후에도 계속될 수 있다. 용융 방식은 동요 없이 혹은 동요와 함께 수행될 수 있다. 용융 방식은 또한, 충분히 높은 온도, 예컨대 실리콘 또는 실리콘 결정의 융점 또는 그 이상의 온도에서 모액 또는 용매 금속에 대한 노출의 결과로서의 실리콘 또는 실리콘 결정의 용융을 포함할 수 있으며; 따라서, 혼합물을 생산하도록 모액 또는 용매 금속과 실리콘 또는 실리콘 결정을 접촉시키는 단계는, 용융 혼합물을 제공하도록 실리콘 또는 실리콘 결정의 혼합물을 용융시키는 단계와 합쳐질 수 있다. 혼합물의 용융 온도는 일정치 않거나 가변적이어서, 용융 물질의 조성의 변화에 따라 바뀔 수 있다.

혼합물에 열을 가하는 방법은, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방법을 포함한다. 이들 방법은, 예를 들어, 가열로(furnace)를 사용한 가열, 고온 가스를 혼합물에 주입함에 의한 가열, 또는 가스를 태워서 생성된 화염을 사용한 가열을 포함한다. 유도 가열이 사용될 수 있다. 가열 방법은 복사열일 수 있다. 가열 방법은, 가열 대상 물질을 통한 전기의 전도에 의할 수 있다. 또한 가열을 위한 플라즈마의 사용, 가열을 위한 발열 화학 반응의 사용, 또는 가열을 위한 지열 에너지의 사용도 포함된다. 실리콘 또는 실리콘 결정과 모액 또는 용매 금속의 혼합은, 실리콘의 불순물과 모액의 함량에 따라, 열을 생산하거나 열을 흡수할 수 있으며, 이는 일부 구현예에서, 유익한 가열 공급원의 적절한 조정을 가져올 수 있다.

선택에 따라, 냉각 전에, 염소 가스, 그 외 할로겐 가스, 또는 할라이드 함유 가스, 또는 임의의 적절한 가스 등의 가스가 용융 혼합물 내로 주입될 수 있다. 용융 혼합물의 냉각은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 가열 공급원의 제거에 의한 냉각, 예를 들어 용융 혼합물을 그 온도 아래의 온도 또는 실온에 노출함에 의한 냉각이 포함된다. 가열로가 아닌 용기 내로 부어 넣고 가열로 이하의 온도에서 냉각되도록 하는 냉각도 포함된다. 일부 구현예에서, 냉각은 신속할 수 있으나; 다른 구현예에서, 상기 냉각은 점진적으로 이루어질 수 있으며, 따라서, 용융 혼합물의 현재 온도보다 단지 점차적으로 낮아지는 냉각 공급원에 냉각 대상 용융 혼합물을 노출시키는 것이 유리할 수 있다. 용융 혼합물이 냉각됨에 따라 냉각 공급원의 온도가 점차 낮아지는데, 일부의 경우, 이러한 것은 용융 혼합물이 냉각되면서, 그의 온도에 대한 민감한 또는 일반적인 모니터링을 통해 달성될 수 있다. 수득한 결정화된 실리콘의 순도는, 가능한한 느리게 혼합물을 냉각함에 의해 향상될 수 있으며, 따라서, 점진적 냉각의 모든 적절한 방식이 본 발명에 의해 포함되는 것으로 고려된다. 또한, 냉장 메커니즘을 포함하는 보다 신속한 방식의 냉각도 포함된다. 용융 물질을 수용하고 있는 용기를, 물과 같이 용융 물질보다 차가운 액체 등의, 혹은 다른 용융 금속 등의, 혹은 주위 가스 또는 냉동 가스를 포함한 가스 등의 더 차가운 물질에 노출시키는 것도 포함된다. 용융 혼합물에 대한 더 차가운 물질의 부가는, 또 다른 더 차가운 모액의 부가 또는 더 차가운 용매 금속의 부가, 또는 후에 혼합물로부터 제거될 수 있거나 대안적으로는 상기 혼합물 내에 잔류할 수 있는, 다른 더 차가운 물질의 부가를 포함한다.

용융 혼합물의 냉각 및, 실리콘 결정과 모액의 후속하는 분리로부터 생성된 모액은, 선택에 따라 공정 중에 임의의 다른 선행하는 단계로 재순환될 수 있다. 일단 실리콘의 결정화가 모액으로부터 발생하면, 모액 내에 용해된 상태로 머무르는 것이 바람직한 불순물과 함께, 일반적으로 적어도 일부의 양의 실리콘이 모액에 용해된 상태로 남아 있게 될 것이다. 용융 혼합물을 모든 또는 대부분의 실리콘이 결정성인 지점까지 냉각시키는 것은, 일부의 경우에 있어, 가능하지 않을 수 있거나 혹은 수득한 실리콘 결정의 순도에 부정적인 영향을 주거나, 혹은 비효율적일 수 있다. 일부 구현예의 경우, 전체 미만의 혹은 다수 미만의 실리콘만이 용융 혼합물로부터 결정화될 수 있도록 함으로써 생산된 실리콘 결정의 순도가, 현저하게 또는 적어도 부분적으로 향상될 수 있다. 용매 금속을 가열하고 용융시키기 위해 필요한 에너지는, 고온의 모액을 이전 단계에서의 모액과 합치거나 혹은 고온의 모액을 재사용하는 것에 비해 경제적으로 비효율적인 것이다. 실리콘 결정의 특정 수율을 얻기 위해 용융 혼합물을 특정 온도까지 냉각하는 데에 필요한 에너지는, 이처럼 낮은 온도까지 모액을 냉각시키지 않은 채, 실리콘 결정의 더 낮은 수율을 수용하지만, 이어서 상기 모액을 재순환시키는 것에 비해 비효율적일 수 있다.

모액 내에 소망하는 혹은 원치 않는 물질을 유리하게 남기는 것은, 본 발명의 일부 구현예에 의해 포함되는 것으로 고려되며; 따라서, 일부 구현예에서, 모액을 동일한 결정화 단계에서 혹은 선행하는 결정화 단계에서 다시 사용하도록 재순환시키는 것은, 때때로 유용한 측면을 가진다. 모액이 단순히 버려지거나 혹은 부산물로서 판매되는 경우에 비하여, 모액을 재순환시킴으로써 모액의 혼합물 내에 여전히 존재하는 실리콘이 보존되고, 그 낭비되는 양을 줄일 수 있다. 일부 구현예에서, 실리콘 결정의 동일한 혹은 거의 동일한 순도는, 만일 모액이 재순환된 모액을 가지지 않는 경우보다, 혹은 심지어, 결정화가 일어나는 용매가 순수한 용매 금속인 경우보다, 재순환 모액을 사용하여 또는 그 안에 일부 재순환된 모액을 가지는 모액을 사용함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 모액의 재순환의 모든 정도와 변화는 본 발명의 범위 내에 포함된다.

실리콘 고체로부터 모액을 분리하는 것도 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 방법에 의해 일어날 수 있다. 소망하는 고체로부터 액체 용매를 배수시키거나 사이펀을 사용하여 뽑아 내는 임의의 변형예는 여기에 기재된 방법의 구현예들에 포함되는 것이다. 이들 방법은, 디캔팅(decantation), 또는 소망하는 고체로부터 모액을 따라 버리는 것을 포함한다. 디캔팅의 경우, 소망하는 고체들은 중력에 의해, 이들 스스로에 대한 혹은 용기의 면에 대한 접착성의 의해, 또는 선택적으로 고체를 가로막는 쇠살대(grate) 또는 메쉬형상의 디바이더(divider)의 사용에 의해, 혹은 고체를 제자리에 유지시키기 위한 물리적 압력의 적용에 의해 제자리에 유지될 수 있다. 분리 방법은 원심 분리를 포함한다. 또한, 진공의 사용과 함께 혹은 진공의 사용 없이 그리고 압력의 사용과 함께 혹은 압력의 사용 없이 임의의 필터 매체를 사용하는 여과도 포함된다. 또한, 산 또는 염기의 사용을 포함하는 용매의 용해 또는 화학적 변화 등의 화학적 수단도 포함된다.

도 1 및 도 6을 참조하면, 이어서, 제1 실리콘 결정(120)은 선택에 따라 제1 모액(122)와 접촉(106)하여, 제2 혼합물(138)을 형성할 수 있다. 제2 혼합물(138)은 선택에 따라 용융되어 제2 용융 혼합물(140)을 형성할 수 있다. 제2 용융 혼합물은 선택에 따라 제2 실리콘 결정(124) 및 제2 모액(104)으로 냉각 및 분리(114)될 수 있다. 제2 모액(104)는 이어서 다시 공정에 유도되어(136) 제1 실리콘(102)와 접촉할 수 있거나, 혹은 제2 모액(104)의 전부 또는 일부는 제1 모액(122)로 다시 재순환(142)될 수 있다. 제1 실리콘 결정을 접촉시키는 것으로부터 제2 실리콘 결정을 수득하는 것까지의 단계들은 선택적인 것으로, 이들은 생략될 수 있거나, 혹은 이들 단계는 (예컨대, 1회, 2회, 3회, 4회 등) 다수회 수행될 수 있다. 만일 이들 단계가 수행되지 않는 경우(121), 제1 실리콘 결정(120)은, 이어서 후속적으로 제1 용매 금속(126)과 접촉한다.

다른 구현예에서는, 제1 실리콘 결정을 접촉시키는 것으로부터 제2 실리콘 결정을 수득하는 것까지의 단계들이 수행된다. 이들 구현예에서, 단계(121)은 수행되지 않는다. 따라서, 제1 용융 혼합물(112)가 제1 실리콘 결정(120) 및 제3 모액(116)으로 냉각 및 분리(114)된 다음, 제1 실리콘 결정(120)은 제1 모액(122)와 접촉(106)하여 제2 혼합물(138)을 형성할 수 있다. 제2 혼합물(138)은 용융되어 제2 용융 혼합물(140)을 형성할 수 있다. 제2 용융 혼합물은, 제2 실리콘 결정(124)와 제2 모액(104)로 냉각 및 분리될 수 있다. 이어서, 제2 모액(104)는 제1 실리콘(102)과 접촉하기 위해 공정으로 다시 유도(136)될 수 있거나, 혹은 제2 모액(104)의 일부 또는 전부가 제1 모액(122)로 다시 재순환(142)될 수 있다.

다른 구현예에서, 제1 실리콘 결정을 접촉시키는 것으로부터 제2 실리콘 결정을 수득하는 것까지의 단계들은 독립적으로 수행되거나 수행되지 않는다. 따라서, 제1 용융 혼합물(112)가 제1 실리콘 결정(120) 및 제3 모액(116)으로 냉각 및 분리(114)된 다음, 제1 실리콘 결정(120)은, 선택에 따라, 제1 모액(122)와 접촉(106)하여 제2 혼합물(138)을 형성할 있거나, 혹은 대안적으로, 제1 실리콘 결정(120)은 제1 모액(122)과 접촉(106)하여 제2 혼합물(138)을 형성할 수 있다. 제2 혼합물(138)은 선택에 따라 용융되어 제2 용융 혼합물(140)을 형성할 수 있거나, 혹은 대안적으로, 제2 혼합물(138)은 용융되어 제2 용융 혼합물(140)을 형성할 수 있다. 제2 용융 혼합물은 선택에 따라 제2 실리콘 결정(124) 및 제2 모액(104)로 냉각 및 분리(114)될 수 있거나, 혹은 대안적으로, 제2 용융 혼합물은 제2 실리콘 결정(124) 및 제2 모액(104)로 냉각 및 분리(114)될 수 있다. 이어서, 제2 모액(104)는 제1 실리콘(102)와 접촉하기 위해 공정으로 다시 유도(136)될 수 있거나, 혹은 제2 모액(104)의 전부 또는 일부가 제1 모액(122)로 다시 재순환(142)될 수 있다.

제2 실리콘 결정(124)는, 제1 용매 금속(126)과 접촉(106)하여 제3 혼합물(128)을 형성할 수 있다. 제3 혼합물(128)은 용융(110)되어 제3 용융 혼합물(130)을 형성할 수 있다. 이어서, 제3 용융 혼합물(130)은 제3 실리콘 결정(132) 및 제1 모액(122)로 냉각 및 분리(114)될 수 있다. 이어서, 제1 모액(122)의 전부 또는 일부는 제1 실리콘 결정(120)과 접촉하기 위해 공정으로 다시 유도(134)될 수 있다. 제1 모액(122)의 일부 또는 전부는 제1 용매 금속(126)으로 다시 재순환(123)될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 제1 용매 금속(126)으로의 전부 또는 일부의 모액(122)의 배치식 또는 연속식 재순환(123)은, 모액을 사용한 희석으로 인해, 원소(126)이 완전히 순수한 것 미만의 용매 금속을 함유케 할 수 있으며; 모액의 재순환의 단계에 대한 모든 변형예는 본 발명의 범위 내에 포함된다. 제1 모액의 전부 또는 일부는 대안적으로 혹은 부가적으로, 다시 제2 모액으로 재순환(135)될 수 있다.

일부 구현예에서, 제1 실리콘 결정을 접촉시키는 것으로부터 제2 실리콘 결정을 얻는 것까지의 단계들은 수행되지 않는다. 따라서, 제1 용융 혼합물(112)가 제1 실리콘 결정(120)과 제3 모액(116)으로 냉각 및 분리(114)된 후, 제1 실리콘 결정(120)은 제1 용매 금속(126)과 (121) 접촉(106)하여 제3 혼합물(128)을 형성할 수 있다. 제3 혼합물(128)은 용융(110)되어 제3 용융 혼합물(130)을 형성한다. 이어서, 제3 용융 혼합물(130)은 제3 실리콘 결정(132) 및 제1 모액(122)로 냉각 및 분리(114)될 수 있다. 제1 모액(122)는 공정으로 다시 유도(134)되어 제1 실리콘 결정(120)와 접촉할 수 있다. 제1 모액(122)의 전부 또는 일부는 제1 모액으로 다시 재순환(123)될 수 있다.

제1 실리콘 결정(120)을 생성하는 것은, 1차 패스로 불리울 수 있다. 제2 실리콘 결정(124)를 생성하는 것은, 2차 패스로 불리울 수 있다. 유사하게, 제3 실리콘 결정(132)를 형성하는 방법의 부분은 3차 패스로 불리울 수 있다. 본 발명의 방법의 범위 내에서 고려된 패스의 개수에는 제한이 없다.

모액으로부터 달성되는 결정화의 횟수를 증가시킴으로써, 모액으로부터 회수되는 실리콘의 양을 증가시킴으로써, 혹은 공정에서 다음 패스로 들어가기 전 실리콘 결정의 수율을 증가시킴으로써, 모액을 보다 효율적으로 사용하기 위해 반복 패스가 수행될 수 있으며, 본 발명의 방법에서 고려되는 패스의 반복 횟수에는 제한이 없다. 반복 패스가 수행된 경우, 개개의 모액은 당해 패스의 반복들에서 전체로 혹은 부분적으로 재사용될 수 있다. 반복 패스는 순차적으로 혹은 병렬 방식으로 수행될 수 있다. 반복 패스가 순차적으로 수행되는 경우, 이는 하나의 단일 용기 내에서 수행될 수 있거나 혹은 이는 여러개의 용기 내에서 순차적으로 수행될 수 있다. 만일 반복 패스가 병렬적으로 수행되는 경우, 여러개의 용기가 사용될 수 있어, 다수개의 결정화가 병렬적으로 일어나게 될 수 있다. "순차" 및 "병렬"이라는 용어는, 단계들이 수행되는 순서를 엄격하게 제한하고자 의도된 것이 아니며, 이보다는 단계들을 한번에 하나씩 혹은 거의 동일한 시간에 수행하는 것을 대략적으로 기재하고자 하는 것이다.

반복 패스, 예를 들어, 제1, 제2, 제3의 반복 혹은 임의의 패스의 반복은, 한 패스에서 모액의 전부 또는 일부를 재사용함에 의한 것을 포함하여, 감소하는 순도의 여러개의 모액을 보다 효율적으로 이용할 수 있다. 존재하는 모액을 보다 순수하게 만들기 위한 한 방법은, 상기 모액에 (상기 모액보다 더 순수한) 추가의 용매 금속을 부가하는 것일 수 있다. 상기 모액에, 예컨대 공정 중 더 늦은 결정화 단계로부터 유도된 것 등과 같이, 또 다른, 더 순수한 모액을 부가하는 것은, 그의 순도를 높이는 다른 방법이 될 수 있다. 특정 패스에서 사용된 바 있는 모액의 일부 또는 전부는, 폐기되거나 혹은 선행하는 패스에서 사용될 수 있거나, 혹은 동일 패스에서 선행하는 반복 중에 사용될 수 있다.

패스의 반복과 모액의 상응하는 재사용에 대한 하나의 가능한 이유는, 전체 공정의 전부 또는 일부에 대하여, 캐스케이딩 단계를 위한 물질 밸런스(mass balance)를 안정화시키는 것일 수 있다. 적절한 순도의 실리콘은 캐스케이드의 임의의 단계에서 부가될 수 있으며, 선행하는 패스로부터의 실리콘과 함께 혹은 이러한 실리콘 없이 부가될 수 있으며, 단계의 반복에서와 같이, 이를 행하는 하나의 가능한 이유는 캐스케이딩 단계의 물질 밸런스를 부분적으로 혹은 전체적으로 균형잡는 것일 수 있다.

모액은 반복 패스에 있어 모액 순도의 향상없이 전체적으로 사용될 수 있다. 대안적으로, 모액은 반복 패스에서 순도의 향상과 함께 부분적으로 재사용될 수 있는 바, 후속하는 단계로부터의 보다 순수한 용매 금속 또는 모액을 사용하여 모액의 순도를 향상시킨다. 예를 들어, 1차 패스는 2개의 다른 용기를 사용하여 병렬적으로 반복될 수 있고, 이 경우, 모액은 패스의 첫번째 사례(first instance)로부터 패스의 제1 반복까지 공정의 개시점을 향하여 흐르고, 실리콘은 패스의 첫번째 사례 및 패스의 반복된 사례 모두에 부가되며, 실리콘은 패스의 첫번째 사례 및 패스의 반복으로부터 제거되어 후속하는 패스로 계속 전달된다. 다른 실시예에서, 1차 패스는 2개의 다른 용기를 사용하여 병렬적으로 반복될 수 있고, 이 경우, 모액의 일부는 패스의 첫번째 사례로부터 패스의 제1 반복까지 공정의 개시점을 향하여 흐르고, 모액의 다른 일부는 패스의 반복에서 재사용되는 일 없이 이전 단계로 공정의 시작점을 향해 흐르며, 실리콘은 패스의 첫번째 사례 및 패스의 반복된 사례에 부가되고, 실리콘은 패스의 첫번째 사례 및 패스의 반복으부터 제거되어 후속하는 패스로 계속 전달된다.

또한, 1차 패스는 하나의 용기를 사용하여 순차적으로 반복될 수 있으며, 여기서는 제1 결정화 및 분리 후에, 당해 패스로부터 사용된 모액의 일부는 재사용을 위해 유지되고, 후속하는 패스로부터 일부의 모액이 부가되며, 반복 패스에서, 다른 결정화가 추가의 실리콘과 함께 수행된다. 반복 후에, 모액은 전체적으로 또 다른 이전 단계로 이동할 수 있다. 대안적으로, 반복 후에, 단지 일부의 모액이 또 다른 이전 단계까지 이동할 수 있되, 상기 모액의 나머지는 패스에서의 재사용을 위해 유지될 수 있다. 모액의 적어도 일부는 결국 이전 단계로 이동해야 하며, 그렇지 않으면, 당해 모액의 불순물이 용인될 수 없는 수준까지 쌓일 수 있으며, 캐스케이드의 물질 밸런스도 유지하기 힘들게 될 수 있다. 다른 실시예에서, 1차 패스는 하나의 용기를 사용하여 순차적으로 반복될 수 있으며, 여기서, 제1 결정화 및 분리 후에, 당해 패스로부터 사용된 모액 전부는 반복 패스에서의 재사용을 위해 유지되며, 반복된 패스에서는 다른 결정화가 추가의 실리콘을 사용하여 수행된다.

후속하는 패스는 선행하는 패스와 동일하거나 상이한 용기 내에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 1차 패스는 2차 패스와 동일한 용기 내에서 일어날 수 있다. 혹은, 1차 패스는 2차 패스와 상이한 용기 내에서 일어날 수 있다. 패스는 동일한 용기 내에서 반복될 수 있다. 예를 들어, 1차 패스의 제1 사례가 특정한 용기 내에서 일어난 다음, 1차 패스의 제1 반복이 동일한 용기 내에서 수행될 수 있다. 대규모 공정의 경제학에 의해, 복수회의 후속하는 혹은 동시적인 패스를 위해 동일한 용기를 재사용하는 것은 일부 구현예에서 유리하게 될 수 있다. 일부 구현예에서는, 용기에서 용기로 액체를 이동시키는 것이, 고체를 이동시키는 것보다, 경제적으로 유리할 수 있고, 따라서, 본 발명의 구현예는, 용기의 재사용에 대한 모든 변형예뿐만 아니라 상이한 용기의 사용에 대한 모든 변형예도 포함하는 것이다. 따라서, 후속하는 패스는 이전 패스와는 다른 용기에서 수행될 수 있다. 반복 패스는 당해 패스의 선행하는 수행과 동일한 용기에서 수행될 수 있다.

모액의 불순물은, 공정의 시작점을 향해 이동하면서, 붕소 및 다른 불순물에서 보다 높은 농도로 될 수 있다. 모액은, 결정화 (결정 형성)의 각 단계에서 필요한 경우, 재사용될 수 있어 공정 전체에 걸쳐 물질이 균형을 이룬다. 재사용의 횟수는 사용된 용매 금속(예컨대, 알루미늄) 대 실리콘 비율, 소망하는 화학, 및 시스템의 소망하는 처리량의 함수일 수 있다.

상기 언급한 단계 중 임의의 단계에서 결정을 형성한 후에, 용매 금속은 상기 결정으로부터, 산, 염기, 또는 다른 화학물질을 사용함으로써 용해될 수 있거나 혹은 그렇지 않으면 제거될 수 있다. 임의의 분말, 남아있는 용매 금속 혹은 이질적 오염원은 기계적 수단에 의해서도 제거될 수 있다. 염산(HCl)은 캐스케이드된 플레이크 또는 결정으로부터 용매 금속을 용해시켜 버리기 위해 사용될 수 있다. 사용된 HCl은 폴리알루미늄 클로라이드(PAC) 또는 알루미늄 클로라이드로서, 다른 것들 중, 폐수 혹은 음용수의 처리를 위해 판매될 수 있다. 플레이크로부터 알루미늄을 녹여 내기 위해, 다수개의 탱크와 함께 역류 시스템을 사용할 수 있으며, 이는 플레이크를 깨끗함에서 더러움으로, 그리고 산을 미사용에서 사용으로 반대 방향으로 이동시킨다. 플레이크로부터 느슨한 분말들을 뽑아 버리기 위해 백 하우스(bag house)가 사용될 수 있으며, V자 홈이 있는 (V-grooved) 슬롯과 진동을 사용하여, 산 침출(acid-leaching) 후에 플레이크로부터 분말 볼, 이질적 오염원, 또는 미용해 알루미늄을 분리할 수 있다.

결정 또는 플레이크는 추가로 용융될 수 있다. 가스 또는 슬래그는 용융 실리콘과 접촉할 수 있다. 약 0.5 내지 50 wt%의 슬래그가 실리콘에 부가될 수 있다. 예를 들어, 임의의 양의 SiO₂를 함유하는 슬래그가 사용될 수 있다. 플레이크는, 슬래그 부가를 포함할 수 있는, 가열로에서 용융될 수 있으며, 슬래그 부가는 플레이크 용융 전, 용융 중에 혹은 용융 후에 일어날 수 있다. 플레이크는 슬래그 부가를 사용하여 용융될 수 있다. 플레이크는 진공, 불활성 분위기, 혹은 표준 대기 하에서 용융될 수 있다. 아르곤이 가열로를 통해 펌핑되어 아르곤 블랭킷을 생성하거나, 혹은 진공 가열로가 사용될 수 있다. 플레이크는 대략 1410℃ 이상에서 용융될 수 있다. 용융 실리콘은 약 1450℃ 내지 약 1700℃ 사이에서 유지된다. 슬래그 또는 드로스는 슬래깅(slagging) 동안, 혹은 가열로에서 용융된 실리콘을 유지하는 동안, 혹은 가스 주입 중에, 욕조의 표면으로부터 제거될 수 있다. 이어서, 용융 실리콘는 방향성 고화를 위해 몰드 안으로 부어 넣어질 수 있다. 용융 실리콘은 우선, 세라믹 필터를 통해 여과될 수 있다.

이어서, 실리콘은 예를 들어, 방향성 고화될 수 있다. 냉각 후에, "최후 동결(last-to-freeze)" 실리콘의 일부가 제거될 수 있다. "최후 동결" 실리콘은, 샘플 잉곳 또는 부울에서 마지막으로 고화되어 가장 많은 불순물을 포함하는 실리콘을 말하며: 따라서, 실리콘의 이러한 부분의 제거는, 전체적으로 보다 순수한 실리콘을 생산에 도움을 줄 수 있다. 약 5 내지 약 30%의 최후 동결 실리콘이 제거될 수 있다. 실리콘이 동결되면서 실리콘에 온도 구배를 적용함에 의해 잉곳이 방향성 고화될 수 있다. 상기 실리콘은 대형의 1 내지 3톤의 잉곳으로 방향성 고화될 수 있다. 실리콘은 잉곳의 저부로부터 최상부까지 방향성 고화될 수 있다. 예를 들어, 잉곳의 최상부에 열을 제공되어 온도 구배를 형성하거나 이를 보조할 수 있고, 잉곳의 저부에 냉각을 제공하여, 온도 구배를 형성하거나 이를 보조할 수 있다. 저부로부터 최상부까지 방향성 고화시키고, 실리콘의 최상부의 약 1% 내지 약 30%, 혹은 약 5% 내지 약 30%를 제거함에 의해 고화 공정을 1회 이상 반복할 수 있다. 동결되기 전에, 잉곳의 최상부를 쏟아 버릴 수 (pour-off) 있다. 최후 동결 섹션은 천킹(chunking)에 의해 잘라서 제거될 수 있거나 혹은 부셔 버려질 수 있다. 최후 동결 실리콘은 임의의 패스에서 공정으로 다시 재순환될 수 있다. 방향성 고화된 잉곳의 측면부와 저부는 잘려져 공정으로 다시 재순환시킬 수 있다. 실리콘 표면은 연마 매질로 블라스트(blast)되거나 혹은 임의의 단계 사이에서 에칭될 수 있다. 각각의 부가적인 방향성 고화 단계는, 예를 들어, 각각의 원소 또는 화합물의 상이한 분리 계수때문에 실리콘을 추가로 정제한다. 상기 단계들 중 임의의 단계는 1회 이상 반복될 수 있다.

공급원료 또는 야금학적 등급의 실리콘은 예를 들어, 약 15ppmw 미만의 붕소, 약 10 ppmw 미만의 붕소, 혹은 약 6 ppmw 미만의 붕소를 포함할 수 있다. 용매금속은 알루미늄일 수 있다. 알루미늄은 P1020 알루미늄일 수 있고, 약 1.0 ppmw 미만, 약 0.6 ppmw 미만, 또는 약 0.4 ppmw 미만의 붕소 수준을 포함할 수 있다.

모액은 세라믹 발포체 필터로 여과될 수 있거나, 혹은 공정 중 임의의 단계에서 가스 주입될 수 있다. 붕소 또는 인 등의 오염물이 낮은 세라믹 물질은, 용융 실리콘을 유지 및 용융하기 위해 사용될 수 있는 물질의 예이다. 가스로서, 예를 들어, 산소, 아르곤, 물, 수증기, 수소, 질소, 염소, 또는 이들 화합물을 포함하는 그 외 가스들 혹은 이들의 조합이 사용될 수 있다. 상기 가스는 란스(lance), 회전형 디개서(degasser), 혹은 다공성 플러그(porous plug)를 통해 용융 실리콘 내로 주입될 수 있다. 100% 산소 가스가 용융 실리콘 내로 주입될 수 있다. 1 가스는 약 30분 내지 약 12 시간 동안 주입될 수 있다. 가스는, 슬래깅 전, 슬래깅 후, 혹은 슬래깅 동안 주입될 수 있다. 상기 가스는, 30 내지 40 L/분에서 란스를 통해 용융 실리콘으로 4시간 동안 주입되는 100% 산소일 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 일부 구현예에 따라 3중 패스 캐스케이드를 이용한 제1 물질의 정제 방법의 다이어그램(200)이 나타나 있다. 특정 구현예에서, 제1 물질은 실리콘이고, 용매 금속은 알루미늄이다. 실리콘(216)은 1차 패스(204) 정제 공정의 개시점으로 공급될 수 있다. 실리콘(216)은 후속적으로 혹은 동시에 1차 패스 (202) 공정의 제1 반복으로 공급될 수 있다. 1차 패스 (202) 및 (204)는 동일한 가열로 내에서 순차적으로 수행될 수 있고, 여기서 소정의 백분율의 모액(224)는 다시 동일한 가열로 내로 위치되거나 혹은 여기에 남아있고, 소정의 백분율의 모액(214)는 제거된다. 대안적으로, 1차 패스(202) 및 (204)는 다른 가열로 내에서 수행될 수 있다. 단일 패스로부터 수득한 플레이크는 (202) 및 (204) 각각으로부터 제거되어 (218)로 합쳐질 수 있거나, 혹은 공정(202)로부터 수득한 플레이크는 공정(204)로 공급될 수 있고, 공정(204)로부터 수득한 플레이크는 플레이크(218)이 될 수 있다. 수득된 단일 패스 플레이크(218)은 2차 패스 (208) 및 (206) 공정으로 공급될 수 있으며, 그 결과, 2차 패스 플레이크(220)이 수득된다. 2차 패스 (206) 및 (208)은 동일 가열로에서 수행될 수 있다. 순차적으로, 일부 백분율의 모액(224)는 가열로에서 재용융될 수 있고, 일부 백분율의 모액(224)는 단일 패스(204)로 보내어질 수 있다. 2차 패스(206) 및 (208)은 상이한 가열로에서 수행될 수 있다. 도 2 및 도 4는, 플레이크(218)이 2차 패스의 제1 사례 (208) 및 2차 패스의 제1 반복 (206)으로 동시에 들어갈 뿐만 아니라, 2차 패스 플레이크(220)이 공정 단계(202) 및 (204) 모두로부터 떠나서 3차 패스(210)으로 들어가는 것을 도시하지만; 상기 단계들은 연속적으로 일어날 수 있다. 이어서, 2차 패스 플레이크(220)은 3차 패스 플레이크(222)를 생성하도록 3차 패스(210) 정제 공정으로 공급될 수 있다. 새로운 용매 금속(212)가 3차 패스(210)에서의 공정에서 출발하여, 실리콘과 반대 방향으로, 모액(224)에서 공정을 통해 공급되어, 결과적으로, 유용한 부산물로서 판매될 수 있는 과공융(hypereutectic)액 또는 공융(eutectic)액 또는 모액(214)를 제공한다. 이러한 방법으로, 모액(224) 내의 용매 금속은 순도가 감소되어, 순도가 증가하는 실리콘(218), (220), (222)와 반대 방향으로 시스템을 통해 흐른다.

앞서 기재된 방법에 의해 정제된 실리콘은 광전 장치에서의 사용을 위해 적절할 수 있고, ppmw로 인의 함량보다 더 적은 붕소를 포함할 수 있다. 다른 구현예에서는, 상기 방법에 의해 정제된 실리콘은 광전 장치에서의 사용을 위해 적절할 수 있으며, ppmw로 인보다 더 많은 붕소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 만일 붕소 수준이 충분히 낮을 경우, UMG에서 인 수준보다 더 높은 붕소 수준을 가지는 것이 유리한데, 이는 지멘스 공정으로부터의 폴리실리콘과 UMG를 블랜딩하는 것을 가능케 하고, 더 높은 수율 및 전지 효율의 달성을 가능케 하기 때문이다. 지멘스 공정으로부터의 폴리실리콘은 통상 붕소 및 인 수준이 약 0.1 ppmw 미만이다. 붕소 및 인 수준이 UMG 보다 낮은 폴리실리콘과 UMG를 블랜딩하는 것은 블랜드된 UMG/폴리실리콘에서 평균 인 및 붕소 수준을 감소시킨다. 따라서, 인 보다 높은 수준의 붕소를 포함한 UMG 실리콘으로부터 제조된 다결정성 잉곳의 경우, 인 보다 낮은 수준의 붕소를 포함한 UMG 실리콘으로부터 제조된 다결정성 잉곳에 비해, P/N 접합이 상기 다결정성 잉곳 내에서 표면에 더 가까운 곳에 존재할 수 있다. 만일 붕소 수준이 충분히 낮고, 인 수준이 붕소 수준보다 낮다면, P/N 접합을 전혀 가지지 않을 수도 있다. 붕소보다 더 높은 수준의 인을 가지는 UMG 실리콘은, P/N 접합을, 다결정성 잉곳에서 최상부 표면으로부터 더 깊숙이 그리고 더 멀리 가지는 경향이 있으며, 이는 잉곳으로부터의 유용한 물질의 수율을 제한한다. 이는 일부 구현예에서, 만일 붕소 함량이 약 0.7 ppmw보다 낮다면, 유리할 수 있는데, 왜냐하면 보다 높은 최소 저항이, UMG 또는 블랜드된 UMG로부터 성장한 다결정성 잉곳의 저부에서 그리고 저부 근방에서 얻어질 수 있기 때문이다. 붕소 및/또는 인의 수준이 0.7 ppmw 보다 높은 UMG 실리콘은, 통상, 전지 효율을 향상시키기 위해 웨이퍼의 저항을 증가시키도록 보상된다. 붕소 및/또는 인의 수준이 0.3 ppmw 보다 높은 UMG 실리콘은, 전지 효율을 증가시키기 위해 웨이퍼의 저항을 증가시키도록 보상될 수 있다. 보상은 평균 전지 효율을 향상시키지만, 감소된 캐리어 이동도 및, Auger 재결합 등의 메카니즘을 통해 증가된 재결합으로 인해 UMG가 지멘스 공정으로부터의 폴리실리콘에 필적할만한 전지 효율을 갖지 못하게 한다. 또한, 붕소보다 더 낮은 수준의 인을 포함한 정제된 실리콘은, 폴리실리콘과의 블랜딩없이 태양 전지로 가공될 수 있다. 일부 구현예에서는, 이러한 공정으로부터 제조된 솔라 실리콘의 경우, 붕소 또는 인 등의 임의의 도판트를 부가하지 않는 것이 가능하다. ppmw 로 인보다 적은 붕소를 포함하고, 붕소는 0.7 ppmw 미만이며, 다른 금속성 불순물은 1 ppmw 미만인 야금학적 공정으로부터 제조된 정제 UMG 실리콘은 태양전지를 제조하기 위해 사용될 수 있다.

인 수준이 약 0.2 ppmw이고, 붕소 수준이 약 0.5 ppmw이며, 다른 불순물은 1 ppmw 미만인 야금학적 공정으로부터 제조된 정제 UMG 실리콘은, 15.0 내지 15.5%의 평균 전지 효율을 생산할 수 있다. 현재 표준 전지 공정을 사용하여, 인 수준이 약 0.40 ppmw, 붕소 수준이 약 0.45 ppmw, 및 그 외 불순물이 0.2 ppmw인 야금학적 공정으로부터 제조된 정제 UMG 실리콘은, 최적화된 전지 구성과 함께 15.5 내지 16.3%의 평균 전지 효율을 제공할 수 있다. 인 수준이 2.5 ppmw이고 붕소 수준이 1.0 ppmw이며, 다른 금속은 글로우 방전 질량 분광계(GDMS)에 대하여 검출 한계 미만인 UMG 실리콘, UMG 용의 특수 공정 없는 표준 전지 라인은 14.3 내지 15.0%의 효율을 가진 전지를 생산할 수 있다. 따라서, 결과적인 허용 가능한 저항도와 충분히 높은 캐리어 이동도로 인해 양호한 평균 전지 효율을 얻을 수 있기 때문에 인 수준이 붕소 수준보다 낮은 게 유리할 수 있다.

다른 금속

본 발명은 금속성 정제 물질로부터의 결정화를 사용하여 제1 물질을 정제하기 위한 방법을 포함한다. 정제 대상 물질로서 실리콘을, 그리고 정제 물질로서 알루미늄 또는 다른 금속 용매를 언급하고 있는 전술한 바의 논의 내용은, 금속성 정제 물질로부터의 결정화를 사용하여 제1 물질을 정제하는 데에 적용될 수 있음은, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 인정될 수 있다. 도 3을 참조하면, 일부 구현예에 따라 캐스케이드 공정을 이용한 물질 정제 방법의 블록 흐름도(300)이 나타나 있다. 제1 물질(302)는 정제 물질(304)와 접촉(306)하여 제1 혼합물(308)을 형성한다. 정제 물질(304)는 일부 구현예에서는 제2 모액일 수 있다. 제1 혼합물(308)은 용융(310)되어 제1 용융 혼합물(312)를 형성할 수 있다. 이어서, 제1 용융 혼합물(312)는 제1 물질의 제1결정(320)과 제3 모액(316)으로 냉각 및 분리(314)될 수 있다. 이어서, 제3 모액(316)은 공정으로부터 제거될 수 있고, 다른 산업에서의 사용을 위해 판매(318)될 수 있거나, 혹은 그의 전부 또는 일부는, 제2 모액일 수 있는 정제 물질(304)와 함께 다시 재순환(344)될 수 있다. 제3 모액(316)이 유용한 산업의 예로서, 주조를 위한 금속 합금에서의 사용을 위한 금속 주조 공업을 들 수 있다.

당해 기술 분야의 통상의 기술자는, 실리콘 정제의 구체적인 구현예와 관련하여 도 1의 기재에서 앞서 기술한 다양한 방식과 기술들 전부가, 도 3에 나타낸 바와 같이 금속성 용매를 사용하여 제1 물질을 정제하는 일반적 개념에 동등하게 적용될 수 있고; 따라서, 이들 논의는 도 3에 대한 기재의 일부로 적용 가능한 것으로서 여기에 통합된다. 이에, 제1 물질의 접촉 또는 제1 물질의 결정은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방식으로 일어날 수 있다. 유사하게, 선택적인 교반 또는 동요 단계는 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 제1 물질의 혼합물 또는 제1 물질 결정의 용융은 당해 기술 분야에 공지된 임의의 적절한 방식으로 일어날 수 있다. 혼합물에 열을 가하는 방법은, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방법을 포함한다. 용융 혼합물의 냉각은 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방식으로 수행될 수 있다. 용융 혼합물의 냉각 및 이어지는 제1 물질의 결정과 모액의 분리로부터 얻게 되는 모액은, 공정 내에서 임의의 선행하는 단계로 선택에 따라 재순환되도록 고려된다. 모액의 재순환의 모든 정도와 변경은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 제1 물질 고체로부터의 모액의 분리는, 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 공지된 임의의 적절한 방법에 의해 일어날 수 있다.

일구현예에서, 제1 물질의 제1 결정(320)은, 이어서 제1 모액(322)와 선택에 따라 접촉(306)하여 제2 혼합물(338)을 형성할 수 있다. 제2 혼합물(338)은 선택에 따라 용융되어 제2 용융 혼합물(340)을 형성할 수 있다. 제2 용융 혼합물은 선택에 따라, 제1 물질의 제2 결정(324)과 제2 모액(304)로 냉각 및 분리(314)될 수 있다. 이어서, 제2 모액(304)는 제1 물질(302)와 접촉하는 공정으로 다시 유도(336)되거나, 혹은 제2 모액(304)의 전부 또는 일부가 제1 모액(322)로 다시 재순환(342)될 수 있다. 제1 물질의 제1 결정을 접촉시키는 것으로부터 제1 물질의 제2 결정을 수득하는 것까지의 단계들은 선택적인 것으로, 이들은 수행되지 않을 수 있거나, 혹은 이들 단계는 (예컨대, 1, 2, 3, 4회) 다수회 수행될 수 있다. 만일 이들 단계가 수행되지 않는다면(321), 이어서 제1 물질의 제1 결정(320)은 후속적으로 제1 용매 금속(326)과 접촉된다.

다른 구현예에서, 제1 물질의 제1 결정을 접촉하는 것으로부터 제1 물질의 제2 결정을 수득하는 것까지의 단계들이 수행된다. 이들 구현예에서, 단계(321)은 수행되지 않는다. 따라서, 제1 용융 혼합물(312)가 제1 물질의 제1 결정(320) 및 제3 모액(316)으로 냉각 및 분리(314)된 후에, 제1 물질의 제1 결정(320)은 제1 모액(322)와 접촉(306)하여 제2 혼합물(338)을 형성할 수 있다. 제2 혼합물(338)은 용해되어 제2 용융 혼합물(140)을 형성할 수 있다. 제2 용융 혼합물은 제1 물질의 제2 결정(324)와 제2 모액(304)로 냉각 및 분리(314)될 수 있다. 이어서, 제2 모액(304)는 제1 물질(302)를 접촉하는 공정에 다시 유도(336)될 수 있거나, 혹은 제2 모액(304)의 전부 또는 일부는 제1 모액(322)으로 다시 재순환(342)될 수 있다.

다른 구현예에서, 제1 물질의 제1 결정을 접촉시키는 것으로부터 제1 물질의 제2 결정을 수득하는 것까지의 단계는 독립적으로 수행되거나 수행되지 않는다. 따라서, 제1 용융 혼합물(312)가 제1 물질의 제1 결정(320)과 제3 모액(316)으로 냉각 및 분리(314)된 다음, 제1 물질의 제1 결정(320)은 선택에 따라 제1 모액(322)와 접촉(306)하여 제2 혼합물(338)을 형성할 수 있거나, 혹은 대안적으로 제1 물질의 제1 결정(320)은 제1모액(322)와 접촉(306)하여 제2 혼합물(338)을 형성할 수 있다. 제2 혼합물(338)은 선택에 따라 용융되어 제2 용융 혼합물(340)을 형성할 수 있거나, 혹은 대안적으로, 제2 혼합물(338)은 용융되어 제2 용융 혼합물(340)을 형성할 수 있다. 제2 용융 혼합물은 선택에 따라 제1 물질의 제2 결정(324)과 제2 모액(304)으로 냉각 및 분리(314)될 수 있거나, 혹은 대안적으로 제2 용융 혼합물은 제1 물질의 제2 결정(324) 및 제2 모액(304)로 냉각 및 분리(314)될 수 있다. 이어서, 제2 모액(304)는 제1 물질(302)과 접촉하는 공정에서 다시 유도(336)될 수 있거나, 혹은 제2 모액(304)의 전부 또는 일부가 제1 모액(322)로 다시 재순환(342)될 수 있다.

제1 물질의 제2 결정(324)은 제2 물질(326)과 접촉(306)하여 제3 혼합물(328)을 형성할 수 있다. 제3 혼합물(328)은 용융(310)되어 제3 용융 혼합물(330)을 형성할 수 있다. 제3 용융 혼합물(330)은 제1 물질의 제3 결정(332)과 제1 모액(322)로 냉각 및 분리(314)될 수 있다. 이어서, 상기 제1 모액(322)의 전부 또는 일부는, 제1 물질의 제1 결정(320)과 접촉하는 공정에 다시 유도(334)될 수 있다. 제1 모액(322)의 전부 또는 일부는 제2 물질(326)으로 다시 재순환(323)될 수 있다. 본 발명의 일부 구현예에서, 제2 물질(326)으로 모액(322)의 전부 또는 일부를 다시 배치식 혹은 연속식으로 재순환(323)시키는 것은, 모액을 사용한 희석때문에, 원소(326)으로 하여금 완전히 순수한 것 미만의 제2 물질이 포함하게 할 수 있는 바; 모액의 재순환 단계의 모든 변형예는 본 발명의 범위 내에 포함된다. 제1 모액의 전부 또는 일부는 대안적으로 혹은 추가적으로, 제2 모액일 수 있는, 정제 물질(304)로 다시 재순환(335)될 수 있다.

일부 구현예에서, 제1 결정의 제1 물질을 접촉시키는 것으로부터 제1물질의 제2 결정을 수득하는 것까지의 단계들은 수행되지 않는다. 따라서, 제1 용융 혼합물(312)가 제1 물질의 제1결정(320) 및 제3 모액(316)으로 냉각 및 분리(314)된 후, 제1 물질의 제1 결정(320)은 제2 물질(326)과 (321) 접촉(306)하여 제3 혼합물(328)을 형성할 수 있다. 제3 혼합물(328)은 용융(310)되어 제3 용융 혼합물(330)을 형성할 수 있다. 제3 용융 혼합물(330)은 이어서, 제1 물질의 제3 결정(332) 및 제1 모액(322)으로 냉각 및 분리(314)될 수 있다. 이어서, 제1 모액(322)는, 제1 물질의 제1 결정(320)과 접촉하는 공정으로 다시 유도(334)될 수 있다. 제1 모액(322)의 전부 또는 일부는 제1 모액으로 다시 재순환(323)될 수 있다.

제1 물질의 제1 결정(320)을 생성하는 것은, 1차 패스라 불리울 수 있다. 반복된 단일 패스를 수행하여, 공정 내에서 다음 패스로 들어가기 전 제1 물질의 제1 결정의 수율을 증가시킬 수 있거나 혹은 모액을 보다 효율적으로 사용할 (예컨대, 모액으로부터 달성되는 결정화 횟수를 증가시킬) 수 있으며, 본 발명의 방법의 범위 내에서 패스의 반복 회수에 대한 제한은 없다. 만일 반복된 패스가 수행되는 경우, 개개의 모액은 전체로 혹은 부분적으로 당해 패스의 반복에서 재사용될 수 있다. 제1 물질의 제2 결정(324)을 형성하는 것은 2차 패스로 불리울 수 있다. 유사하게는, 제1 물질의 제3 결정(332)를 형성하는 방법의 부분은 3차 패스라 불리울 수 있다. 본 발명의 방법에서 고려되는 바의 패스의 수에 대한 제한은 없다.

당해 기술 분야의 통상의 기술자는, 실리콘의 정제에 관하여 후속하거나 병렬적으로 반복되는 혹은 복수개의 패스에 관한 상기 기재 내용은 금속성 용매로 제1 물질을 정제하는 것에 일반적으로 적용되는 것을 인정할 것이며; 따라서, 상기 기재는 여기서 적용 가능한 것으로 포함된다. 이에, 본 발명의 방법은, 후속의 또는 병렬적인 반복 단일 패스 혹은, 제2 또는 제3의 혹은 임의의 패스의 반복 패스가 선택적으로 보다 순수한 모액으로부터 제1 물질을 결정화함에 의해 제1 물질의 추가로 정제된 결정을 생성할 수 있거나, 혹은 감소하는 순도의 모액을 더 효율적으로 활용할 수 있게 하는 것을 제공한다. 분리 단계(314)는 생략될 수 있거나, 혹은 특정 패스의 모든 반복이 종료될 때까지는 단지 부분적인 분리가 일어날 수 있고; 따라서 제1 물질의 제1 결정(320)이 분리 단계(314) 없이 생성될 수 있다. 분리 단계(314)는 특정 패스의 각각의 반복을 위해 사용되어 제1 물질의 결정의 복수개의 병렬적 혹은 순차적 배치(batch)를 제공할 수 있다. 제1 물질은 동시적 또는 순차적으로 반복된 패스의 임의의 부분으로부터 제거될 수 있다. 모액은 전체적으로 혹은 부분적으로, 반복 패스에서 모액의 순도 향상과 함께 혹은 이러한 향상 없이, 재사용될 수 있다. 본 발명의 구현예는 패스의 각각의 반복을 통해 제1 물질을 실어 나르는 것을 포함한다. 동일 또는 상이한 용기가 패스의 반복을 위해 사용될 수 있다. 동일 또는 상이한 용기가 상이한 패스를 위해 사용될 수 있다. 모액은 각 단계에서 여러번 재사용될 수 있다. 적절한 순도의 제1 물질은 임의의 단계에서 부가될 수 있으며, 모액은, 공정 전체를 통한 물질의 균형 맞추기 등 제1 물질의 결정화의 각 단계에서 요구되는 바에 따라 재사용될 수 있다. 재사용의 횟수는 사용된 제2 물질 대 제1 물질의 비율, 소망하는 화학, 및 시스템의 소망하는 처리량의 함수일 수 있다.

제1 물질의 결정을 형성한 후에, 산, 염기, 또는 그 외 화학물질을 사용함으로써 제2 물질이 용해될 수 있거나, 그렇지 않으면 결정으로부터 제거될 수 있다. 임의의 분말, 남아있는 용매 금속, 또는 이질적 오염원은 기계적 수단에 의해서도 제거될 수 있다. 부산물은 다양한 산업 분야로 판매될 수 있다. 제1 물질의 결정에서 제2 물질이 용해되어 나오게 하기 위해, 역류 시스템이 다중 탱크와 함께 사용될 수 있으며, 이는 결정을 깨끗함으로부터 더러움으로, 제2 물질을 제거하기 위한 산 또는 그 외 다른 적절한 화학 물질을 미사용으로부터 사용으로, 역방향으로 이동시킨다.

제1 물질의 결정은 추가로 용융될 수 있다. 제1 물질은 이어서, 방향성 고화될 수 있다. 냉각 후에, 최종 결정화된 제1 물질이 제거될 수 있다. 모액은 세라믹 발포체 필터로 여과될 수 있거나, 혹은 공정의 임의의 단계에서 주입될 수 있다. 임의의 적절한 세라믹 물질이 용융된 모액 또는 혼합물 또는 용융 제1 물질을 유지하기 위해 사용될 수 있다. 가스는, 모액으로, 혹은 용융 제1 물질로, 혹은 제2 원소로 주입될 수 있다.

도 2를 참조하면, 일부 구현예에 따라, 3중 패스 캐스케이드를 이용하여 제1 물질을 정제하는 방법의 다이어그램(200)을 보여주고 있다. 제1 물질(216)은 1차 패스(204) 정제 공정의 개시점으로 공급될 수 있다. 제1 물질(216)은 후속적으로 혹은 동시에, 1차 패스(202) 공정의 제1 반복으로 공급될 수 있다. 1차 패스(202) 및 (204)는 동일한 가열로에서 순차적으로 수행될 수 있고, 여기서, 소정의 백분율의 모액(224)는 동일한 가열로 내에 다시 위치되거나 혹은 여기에 남겨지고, 소정의 백분율의 모액(214)는 제거된다. 대안적으로, 1차 패스(202) 및 (204)는 상이한 가열로 내에서 수행될 수 있다. 단일 패스로부터 수득한 결정은 (202) 및 (204) 각각으로부터 제거되어 (218)로 합쳐질 수 있다. 제1 물질의 수득된 단일 패스 고체(218)은 2차 패스(208) 및 (206) 공정으로 공급될 수 있고, 이는 결과적으로 제1 물질의 2차 패스 고체(220)을 제공한다. 2차 패스(206) 및 (208)은 동일한 가열로에서 수행될 수 있다. 순차적으로, 일부 백분율의 모액(224)는 가열로 내에 재용융될 수 있고, 일부 백분율의 모액(224)는 단일 패스(204)로 보내어질 수 있다. 2차 패스(206) 및 (208)은 상이한 가열로에서 수행될 수 있다. 도 2는, 2차 패스의 제1 사례(208) 및 2차 패스의 제1 반복(206)에 병렬적으로 들어가는 고체 (218)뿐만 아니라, 공정 단계(202) 및 (204)를 둘 다 떠나 3차 패스(210)으로 들어가는 2차 패스 고체(220)을 도시하고 있으나; 상기 단계들은 연속적으로 일어날 수 있다. 2차 패스 고체(220)은 이어서, 3차 패스 고체(222)를 생산하기 위해 3차 패스(210) 정제 공정으로 공급될 수 있다. 새로운 제2 물질 (212)가 제3 공정(210)에서의 공정에서 시작하여, 모액 (224) 내의 공정을 통해 제1 물질과 반대 방향으로 공급되어, 결과적으로 공융액(eutectic liquor) 또는 모액(214)을 제공하며, 이들은 유용한 부산물로서 판매될 수 있다. 이러한 방법으로, 모액(224) 내의 제2 물질은 순도가 감소하고, 시스템을 통해 순도가 증가하는 제1 물질(218), (220), (222)과 반대 방향으로 흐르게 된다.

당해 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명의 구현예의 복잡성으로 인해, 그리고 발명의 본성으로 인해, 순차적 후속 단계로부터의 모액이 선행하는 단계에서 사용되어 실리콘을 정제한다는 것을 인식할 것이다. 반-연속적 본성의 많은 공정에서와 같이, 정상 상태(steady-state)에 도달하는 것은 공정의 시작 후 바로 일어나지 않는다. 따라서, 처음 캐스케이드 공정을 시작함에 있어, 나중 단계들로부터의 모액을 생성하여 캐스케이스의 제1 단계에서 사용하기 위해, 여러개의 초기 결정화 단계들이 수행될 수 있다.

전술한 상세한 설명에서 개시된 대상은 특정의 바람직한 구현예에 관련하여 기술되었고, 많은 상세 내용들이 설명의 목적으로 기재되어 있으나, 당해 기술 분야의 통상의 기술자로서는, 개시된 대상이 부가적인 구현예에 의해 영향받을 가능성이 크며, 여기 기재된 일부 상세 내용은 개시된 대상의 기본 원리로부터 이탈하는 일 없이 상당한 정도로 변경될 수 있음을 명백히 알게 될 것이다.

구현예

본 발명은 하기 예시적 구현예를 포함한다:

구현예 1은 제1물질을 정제하기 위한 방법을 제공하는 바, 이는

(a) 제1 혼합물을 제공하기에 충분하게, 제1 물질을 정제물질과 접촉시키는 단계;

(b) 제1 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제1 혼합물을 용융시키는 단계; 및

(c) 제1 물질의 제1 결정과 제3 모액을 형성하기에 충분하게, 상기 제1 용융 혼합물을 냉각시키는 단계를 포함하되,

상기 정제 물질은 제2 물질을 포함하고;

상기 제1 물질은 상기 제2 물질보다 높은 융점을 가지며;

상기 제2 물질은 금속성인 것을 특징으로 한다.

구현예 2는, 상기 구현예 1의 방법으로서, 상기 정제 물질이 상기 제3 모액보다 적은 양의 불순물을 가지는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 3은, 상기 구현예 1 내지 2 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 정제 물질은 상기 제1 물질을 상기 제1 물질의 상기 제1 결정보다 더 높은 순도로 결정화시킴으로부터 생성되는 모액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 4는, 상기 구현예 1 내지 3 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 정제 물질은, 상기 제1 물질의 결정화로부터 생성되되, 여기에 추가의 제2 물질이 부가된, 모액을 포함하여 상기 정제 물질은 상기 제3 모액보다 적은 양의 불순물을 가지는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 5는 상기 구현예 1 내지 4 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 정제 물질은, 상기 제1 물질을 결정화함으로부터 생성되되, 여기에 상기 제1 물질을 상기 제1 물질의 상기 제1 결정보다 더 높은 순도까지 결정화함으로부터 생성되는 추가의 모액이 부가된, 모액을 포함하여, 상기 정제 물질은 상기 제3 모액보다 더 적은 양의 불순물을 가지는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 6은, 상기 구현예 1 내지 5 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 정제 물질은 제2 모액을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 7은, 상기 구현예 1 내지 6 중 어느 하나의 방법으로서, 선택에 따라 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 8은, 상기 구현예 7의 방법으로서, 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액을 선택에 따라 분리하는 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 9는, 상기 구현예 1 내지 8 중 어느 하나의 방법으로서, 선택에 따라 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계를 더 포함하되, 단계 (a) 내지 (c) 및 선택에 따라 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액의 분리 단계가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 10은, 상기 구현예 9의 방법으로서, 최종 반복 후, 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액의 분리 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다

구현예 11은, 상기 구현예 9 내지 10 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 반복이 순차적인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 12는, 상기 구현예 9 내지 10 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 반복이 대략 동시적인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 13은, 상기 구현예 1 내지 12 중 어느 하나의 방법으로서, 하기를 더 포함하는 방법을 제공한다:

(a) 제2 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제1 물질의 상기 제1 결정을 제1 모액과 접촉시키는 단계;

(b) 제2 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제2 혼합물을 용융시키는 단계;

(c) 상기 제2 용융 혼합물을 냉각시켜 상기 제1 물질의 제2 결정과 제2 모액을 형성하는 단계; 및

(d) 선택에 따라, 상기 제1 물질의 상기 제2 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 단계.

구현예 14는, 상기 구현예 13의 방법으로서, 상기 제1 물질의 상기 제2 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 상기 선택적 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 15는, 상기 구현예 13 내지 14 중 어느 하나의 방법으로서, 선택에 따라 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계를 더 포함하되, 단계 (a) 내지 (c) 및 선택에 따라 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액의 분리 단계는 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 16은, 상기 구현예 15의 방법으로서, 마지막 반복 후에, 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액의 분리 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 17은, 상기 구현예 15 내지 16 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 반복이 순차적인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 18은, 상기 구현예 15 내지 16 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 반복이 대략 동시적인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다

구현예 19는, 상기 구현예 13 내지 18 중 어느 하나의 방법으로서, 하기를 더 포함하는 방법을 제공한다:

(a) 제3 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제2 결정을 상기 제2 물질과 접촉시키는 단계;

(b) 제3 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;

(c) 상기 제3 용융 혼합물을 냉각시켜 상기 제1 물질의 제3 결정과 제1 모액을 형성하는 단계; 및

(d) 상기 제1 물질의 상기 제3 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계.

구현예 20은, 상기 구현예 1 내지 19 중 어느 하나의 방법으로서, 하기를 더 포함하는 방법을 제공한다:

(a) 제3 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제1 물질의 상기 제1 결정을 상기 제2 물질과 접촉시키는 단계;

(b) 제3 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;

(c) 상기 제3 용융 혼합물을 냉각시켜, 상기 제1 물질의 제3 결정과 제1 모액을 형성하는 단계; 및

(d) 상기 제1 물질의 상기 제3 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계.

구현예 21은, 상기 구현예 1 내지 20 중 어느 하나 방법으로서, 상기 제1 물질은 실리콘인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 22는, 상기 구현예 1 내지 21 중 어느 하나 방법으로서, 상기 제2 물질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 23은, 상기 구현예 1 내지 22 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제2 물질은 그의 고체 상태에서 합금인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 24는, 상기 구현예 1 내지 23 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제2 물질은 그의 고체 상태에서 알루미늄의 합금인 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 25는, 상기 구현예 6 내지 24 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제2 모액은, 상기 제3 모액의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 26은, 상기 구현예 13 내지 25항 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 모액은, 상기 제2 모액의 적어도 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 27은, 상기 구현예 19 내지 26 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 모액의 적어도 일부가 다시 재순환되어 상기 제2 물질과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 28은, 상기 구현예 19 내지 27 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 모액의 적어도 일부가 다시 재순환되어 상기 제2 모액과 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 29는, 상기 구현예 19 내지 28 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 물질의 상기 제3 결정으로부터 상기 제2 물질의 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 30은, 상기 구현예 1 내지 29 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 물질의 결정으로부터, 분말, 상기 제2 물질, 오염물, 또는 이들의 일부 조합을 기계적으로 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 31은, 상기 구현예 19 내지 30 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 제1 물질의 상기 제3 결정을 용융시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 32는, 상기 구현예 31의 방법으로서, 가스, 슬래그 용융 제1 물질, 또는 이들의 일부 조합을 상기 제1 물질의 상기 용융된 제3 결정에 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 33은, 상기 구현예 31 내지 32 중 어느 하나의 방법으로서, 잉곳을 형성하기에 충분하게, 상기 제1 물질의 상기 용융된 제3 결정으로부터 상기 제1 물질을 방향성 고화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 34는, 상기 구현예 33의 방법으로서, 상기 잉곳의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 35는, 상기 구현예 34의 방법으로서, 방향성 고화시키거나 혹은 상기 잉곳의 적어도 일부를 제거하는 상기 단계들을 1회 이상 반복하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 36은, 상기 구현예 1 내지 35 중 어느 하나의 방법으로서, 단계 (a) 내지 (c) 및, 상기 제1 물질의 상기 제1 결정과 상기 제3 모액의 분리가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 37은, 상기 구현예 13 내지 36 중 어느 하나의 방법으로서, 단계 (a) 내지 (c) 및, 상기 제1 물질의 상기 제2 결정과 상기 제2 모액의 분리가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 38은, 상기 구현예 1 내지 37 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 모액의 하나 이상이 세라믹 발포체 필터 및 또는 염소 함유 가스 주입으로 클리닝되는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 39는, 상기 구현예 31 내지 38 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 용융된 제1 물질을 세라믹 발포체 필터 또는 염소 함유 가스 주입으로 클리닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 40은, 상기 구현예 29 내지 39 중 어느 하나의 방법으로서, 제거는 산, 염기 또는 다른 화학 물질을 사용한 용해, 반응, 혹은 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 41은, 상기 구현예 32 내지 40 중 어느 하나의 방법으로서, 상기 가스는 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 42는,

(a) 제1 혼합물을 제공하기에 충분하게, 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시키는 단계;

(b) 제1 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제1 혼합물을 용융시키는 단계;

(c) 상기 제1 용융 액체를 냉각시켜 제1 실리콘 결정과 제3 모액을 형성하는 단계;

(d) 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계;

(e) 제2 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제1 실리콘 결정 및 제1 모액을 접촉시키는 단계;

(f) 제2 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제2 혼합물을 용융시키는 단계;

(g) 상기 제2 용융 액체를 냉각시켜 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 형성하는 단계;

(h) 상기 제2 실리콘 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 단계;

(i) 제3 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제2 실리콘 결정을 제1 용매 금속과 접촉시키는 단계;

(j) 제3 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;

(k) 상기 제3 용융 액체를 냉각시켜 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계;

(l) 상기 제3 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계;

(m) 용융된 제3 결정을 제공하기에 충분하게, 상기 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계;

(n) 고화된 실리콘을 제공하기에 충분하게, 상기 용융된 제3 결정을 방향성 고화시키는 단계;

(o) 상기 고화된 실리콘의 일부를 제거하는 단계를 포함하되,

상기 모액들과 상기 제1 용매 금속이 용매 금속을 포함하고,

상기 용매 금속은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 정제 방법을 제공한다.

구현예 43은 구현예 42의 방법으로서, 단계 (n) 전에, 상기 용융된 제3 결정을 하나 이상의 가스 또는 슬래그 용융 실리콘과 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 44는, 구현예 42 내지 43 중 어느 하나의 방법으로서, 단계 (m) 내지 (o)를 1회 이상 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

구현예 45는,

(a) 혼합물 A를 형성하기에 충분하게, 실리콘 A와 제3 모액을 접촉시키는 단계;

(b) 용융 혼합물 A를 제공하기에 충분하게, 상기 혼합물 A를 용융시키는 단계;

(c) 상기 용융 혼합물 A를 냉각시켜, 제1 실리콘과 제4 모액을 형성하는 단계;

(d) 상기 제1 실리콘과 상기 제4 모액을 분리하는 단계;

(e) 제1 혼합물을 형성하기에 충분하게, 상기 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시키는 단계;

(f) 제1 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제1 혼합물을 용융시키는 단계;

(g) 상기 제1 용융 혼합물을 냉각시켜 제1 실리콘 결정과 제3 모액을 형성하는 단계;

(h) 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계;

(i) 제2 혼합물을 형성하기에 충분하게, 상기 제1 실리콘 결정 및 제1 모액을 접촉시키는 단계;

(j) 제2 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제2 혼합물을 용융시키는 단계;

(k) 상기 제2 용융 액체를 냉각시켜, 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 형성하는 단계;

(l) 상기 제2 실리콘 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 단계;

(m) 제3 혼합물을 형성하기에 충분하게, 상기 제2 실리콘 결정을 제1 용매 금속과 접촉시키는 단계;

(n) 제3 용융 혼합물을 제공하기에 충분하게, 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;

(o) 상기 제3 용융 액체를 냉각시켜 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계;

(p) 상기 제3 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계;

(q) 용융된 제3 결정을 제공하기에 충분하게, 상기 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계;

(r) 고화된 실리콘을 제공하기에 충분하게, 상기 용융된 제3 결정을 방향성 고화시키는 단계;

(s) 상기 고화된 실리콘의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하고,

상기 모액들과 상기 제1 용매 금속은 용매 금속을 포함하고,

상기 용매 금속은 알루미늄을 포함하고,

단계 (a) 내지 (d)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,

단계 (e) 내지 (h)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,

단계 (i) 내지 (l)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,

단계 (m) 내지 (p)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,

단계 (q) 내지 (s)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하는 것을 특징으로 하는 실리콘 정제 방법을 제공한다.

구현예 46은, 실리콘; 인; 및 붕소를 포함하되, 상기 인의 양은, ppmw로 측정된 붕소의 양보다 적고, 상기 붕소의 양은 0.7 ppmw 미만이며, 다른 금속성 불순물의 양은 각각 1 ppmw 미만인 것을 특징으로 하는 정제 실리콘을 제공한다.

구현예 47은, 상기 구현예 46의 정제 실리콘으로서, 상기 다른 금속성 불순물은, 마그네슘, 티타늄, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 몰리브덴, 카드뮴, 주석, 텅스텐, 납, 및 우라늄 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정제 실리콘을 제공한다.

구현예 48은, 상기 구현예 46 내지 47 중 어느 하나의 정제 실리콘으로서, 광전 디바이스에서의 사용을 위한 정제 실리콘을 제공한다.

실시예 1

단일 패스 모액 A를 MG-Si 또는 다른 실리콘 공급원료와 혼합하였다. 용융 혼합물 SP (단일 패스: Single Pass) B를 냉각시켜 실리콘 결정 "SP 플레이크 B" 및 SP 모액 B를 성장시켰다. SP 모액 B와 SP 플레이크 B는 분리되었다. SP 모액 B는 알루미늄 주조 공장, 다이-캐스트 및 2차 제련 공업에 부산물로서 판매되었다. 혼합물은 약 40% 실리콘 및 60% 알루미늄이었다. 상기 혼합물은 대략 액상선 온도까지 용융되었다. 혼합물을 약 950℃ 이상까지 가열하였다. 상기 혼합물을 약 720℃까지 냉각하였다. 혼합물은 32 중량%의 플레이크를 생산하였다. 냉각은 약 15시간에 걸쳐 수행되었다. 약 2200 kg 이상이 배치 사이즈로서 사용되었다.

2중 패스(DP: double pass) 모액 B는 MG-Si 또는 다른 실리콘 공급원과 혼합되었다. 용융 혼합물 SP A를 냉각시켜 실리콘 결정 SP 플레이크 A 및 SP 모액 A를 성장시켰다. SP모액 A 및 SP 플레이크 A는 분리되었다.

SP A 플레이크 및/또는 SP B 플레이크 및 DP 모액 A를 혼합하였다. 용융 혼합물 3 "DP B"를 냉각시켜 실리콘 결정 DP 플레이크 B와 DP 모액 B를 성장시켰다. DP 모액 B 및 DP 플레이크 B를 분리하였다.

SP A 플레이크 및/또는 SP B 플레이크 및 모액 TP를 혼합하였다. 용융 혼합물 4 "DP A"를 냉각하여, 실리콘 결정 DP 플레이크 A 및 DP 모액 A를 성장시켰다. DP 모액 A 및 DP 플레이크 A를 혼합하였다.

DP A 플레이크 및/또는 DP B 플레이크 및 알루미늄을 혼합하였다. 용융 혼합물 5 "TP"는 온도를 서서히 떨어뜨려 실리콘 결정 TP 플레이크 A와 TP 모액으로 성장시켰다. TP 모액과 TP 플레이크를 분리하였다.

HCl을 사용하여 TP 플레이크로부터 알루미늄을 녹여 버리고, 플레이크는 물 및 HCl과 함께 플라스틱 바구니 내에 위치시키고, 점차로 더 강한 HCl과 반응시켜 상기 알루미늄을 폴리알루미늄 클로라이드로 용해시켰다. 폴리알루미늄 클로라이드는 폐수 또는 음용수 처리를 위한 부산물로서 판매되었다. 반응은, HCl과 알루미늄간의 발열 반응으로부터의 열을 사용하여 50 내지 90℃ 사이에서 수행하였다. HCl 반응 후, 플레이크를 수세하였다. 플레이크를 건조하여 미량의 세정수를 모두 제거하였다.

임의의 분말 또는 임의의 남아있는 알루미늄 및/또는 이질적 오염물을 기계적으로 제거하였다. 플레이크를 스크린 또는 그레이트(grate) 위에서 진동시키고, 백 하우스를 이용하여 플레이크로부터 실리콘 파우더를 뽑아 내었다. 일련의 그레이트를 사용하여 분말 볼(powder ball), 내화성 오염물, 또는 그 외 이질적 물체를 분리하였다. 분말화 실리콘은 부산물로서 판매되었다.

플레이크는 슬래그와 함께 용융 실리콘으로 용융되었다. 슬래그는, 실리콘의 7 중량%에서, NaCO₃+CaO+SiO₂ 의 혼합물이었다. 부어 넣기 전에 욕조의 표면으로부터 슬래그를 떠 내었다. 실리콘은 세라믹 발포체 필터를 통해 부어 넣었다.

1.5톤 잉곳은 저부로부터 최상부까지 방향성 고화되었다. 최상부 히터를 사용하고, 측면 절연체보다 더 열적으로 전도성인 저부를 몰드에서 사용하였다. 팬을 사용하여 몰드의 저부를 냉각시켰다. 최상부는 다이아몬드 코팅 날을 구비한 띠톱(band saw) 또는 회전톱을 사용하여 잘라 버렸다. 최상부는, 아직 액체인 동안 쏟아내 버려질 수 있다. 최상부 또는 최종 동결 실리콘은 기계적 블로우로부터의 천킹으로, 혹은 열 퀀칭에 의해 부셔 버릴 수 있다. 잉곳을 Al₂O₃ 매질로 블라스팅하여 표면을 클리닝할 수 있다. 최종 동결 실리콘의 최상부를 잘라내 버렸다. 방향성 고화 및 최종 동결부 제거 공정은 2회 반복하였다.

일구현예에서, 상기 공정은 붕소 수준이 0.75 미만이고, 알루미늄 수준이 1.0 미만이고, 인 수준이 0.8 미만이고, 다른 금속성 원소 수준이 총 1 ppmw 미만인 정제 실리콘을 생산할 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 공정은, 붕소 수준이 0.5 미만이고, 알루미늄 수준이 0.5 미만이고, 인 수준이 0.5 미만이고, 금속 수준은 0.25 ppmw 미만이며, 다른 원소 수준은 총 1 ppmw 미만인 정제 실리콘을 생산할 수 있다. 인 또는 다른 N-타입 도판트를 부가하여 실리콘의 저항도를 0.30 ohm·cm 이상까지 올릴 수 있다. 상기 공정을 사용하여 1개월 당 20톤 이상을 생산할 수 있다. 다른 금속성 불순물은, 마그네슘, 티타늄, 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 아연, 몰리브덴, 카드뮴, 주석, 텅스텐, 납 및 우라늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

공정으로부터의 실리콘, 예를 들어, 최종 동결 실리콘, 유출분, 또는 스크랩(scrap) 등은 동일한 단계 또는 선행하는 단계에서의 공정에 다시 위치시킴으로써 공정에서 재순환될 수 있다.

상기 공정으로부터 생산된 실리콘은 SIMS (2차 이온 질량 분광학)를 사용하여 시험하였으며, Ca <0.0001, Al<0.01, P 0.172, B 0.623, C 5.205 및 O 3.771 ppmw를 가졌다. 실리콘을 GDMS로 시험하였으며, B 0.77, Al 0.22, P 0.26 ppmw를 가졌고, 모든 다른 시험된 원소는 검출 한계 미만이었다. 정제된 실리콘에서 인 수준은 ppmw로 붕소보다 낮았다.

실시예 2

SP 모액 A는 MG-Si 또는 다른 실리콘 공급원과 혼합되었다. 용융 혼합물 "SP B"의 온도를 떨어뜨려 실리콘 결정 "SP 플레이크 B" 및 SP 모액 B를 성장시켰다. SP 모액 B 및 SP 플레이크 B는 분리되었다.

DP 모액은 MG-Si 또는 다른 실리콘 공급원과 혼합되었다. 용융 혼합물 "SP A"를 냉각시켜 실리콘 결정 "SP 플레이크 A" 및 SP 모액 A를 성장시켰다. SP 모액 A 및 SP 플레이크 A를 분리하였다.

SP A 플레이크 및/또는 SP B 플레이크는 알루미늄과 함께 혼합되었다. 용융 혼합물 "DP"의 온도를 서서히 떨어뜨려 실리콘 결정 "DP 플레이크 A" 및 DP 모액을 성장시켰다. DP 모액과 DP 플레이크를 분리하였다.

HCl을 사용하여 DP 플레이크로부터 알루미늄을 녹여 내었다. 분말 및 임의의 잔류 알루미늄 및/또는 이질적 오염물을 기계적으로 제거하였다. 플레이크는 슬래그와 함께 용융시키고, 산소를 사용하여 가스를 용융 실리콘 내로 주입시켰다.

실리콘을 방향성 고화시켰다. 최종 동결 실리콘의 최상부를 잘라 버렸다. 방향성 고화 및 최종 동결 실리콘 제거는 2회 반복하였다. 일구현예에서, 이러한 공정은, SIMS로 측정하였을 때, P 0.29, B 1.2 및 Al 0.01 ppmw 미만인 정제 실리콘을 생산하였다. 다른 구현예에서, 이 공정은 SIMS로 측정하였을 때, P 0.40, B 0.88 및 Al 0.01 ppmw 미만인 정제 실리콘을 생산하였다.

2회의 방향성 고화와 함께 이러한 공정은, SIMS로 측정하였을 때, P 0.40, B 0.40 및 Al 0.86 ppmw 의 정제 실리콘을 생산하였다. 상기 공정은, 단지 2회의 방향성 고화를 사용하여 GDMS의 검출 한계 미만으로 알루미늄 수준을 감소시킬 수 있다.

실시예 3

도 7은, 4개의 가열로를 사용하여 수행되어 0.52 ppmw 미만의 붕소를 가진 4차 패스 실리콘 플레이크(722)를 생산하는 4차 패스 캐스케이드로서의 본 발명의 구현예를 보여준다. 단일 패스 가열로는 보유 용량이 10,000kg이다. 1차 패스(704)를 위하여, 2,200 kg의 용융 60% 알루미늄 및 40% 실리콘 (2차 패스로부터 모액 (724) 850 kg, 1차 패스의 제1 반복(702)으로부터 재사용 모액(703) 850 kg, 실리콘(716) 500 kg) 을, 용융 혼합물을 담을 수 있는 용기로 쏟아 붓고, 여기서 상기 용융 혼합물을 대략 16시간 동안 냉각되도록 하여, 이로써 실리콘의 1차 패스 플레이크(718) 약 704 kg을 생산한다. 염소 함유 선택적 가스를, 냉각 전에 상기 용융 혼합물에 부가할 수 있다. 액체 모액(741)의 약 50%는, 톱 몰드(saw mould)로 부어 넣어 부산물로서 알루미늄 주조 합금을 제조하기 위해 판매된다. (1차 패스(704)로부터의) 모액(724)의 나머지 50% 또는 850 kg은 액체 형태로 다시 부어 넣거나, 혹은 1차 패스의 제1 반복(702)을 위해 다시 동일한 단일 패스 가열로로 고체 톱으로서 부가된다. 또한, 액체 또는 고체로서 850 kg의 2차 패스 모액(742)가 1차 패스의 제1 반복(702)를 위한 단일 패스 가열로로, 500kg의 실리콘(716)과 함께 부가된다. 이로부터, 용융조가 냉각되어 플레이크를 성장시켰을 때, 대략 704 kg의 단일 패스 실리콘 플레이크(718)이 생산된다. 각각 2,200kg 배치(batch)에 대하여, 500kg의 야금학적 등급의 실리콘 또는 스크랩 실리콘(716)이 가열로 내로 부가된다. 상기 스크랩 실리콘, 다른 공정으로부터 정제된 실리콘, 또는 야금학적 실리콘에서 붕소 수준은 대략 5 ppmw 미만이어야 한다. 이러한 단계는, 각각의 완전한 사이클에서 (예를 들어, 1차 패스 (704) 및 1차 패스의 제1 반복(702)와 같이) 2회 수행되어, 공정에 있어 모액과 플레이크 간에 균형잡힌 양을 가지게 된다.

이어서, 2차 패스(708)을 위해, 보유 용량 10,000 kg의 이중 패스 가열로 내에, 단일 패스 플레이크(718) 704kg을, 모액 1,496kg, 2중 패스 가열로부터의 50% 모액 (약 748kg (724), 2차 패스(708)로부터), 및 3중 패스 가열로 내에서 2회 사용된 3차 패스 가열로부터의 50% 모액 (약 748kg, (743))과 함께 용융시킨다. 이는 2차 패스 플레이크(720) 704kg을 생산한다. 모액은 액체 또는 고체 형태로 가열로에 부가될 수 있다. 1,496kg 모액의 절반은 (724) (2차 패스(708)로부터)로 2차 패스의 제1 반복(706)을 위해 사용되고, 모액(742)의 나머지 반은 1차 패스의 제1 반복(702)에서 모액의 순도를 향상시키기 위해 사용된다. 2차 패스의 반복(706) 후, 모액 (707)의 절반이 2차 패스(708)에서 재사용되고, (2차 패스의 반복(706)으로부터의) 나머지 반(724)는 1차 패스 (704)에서 사용된다. 스크랩 실리콘이 단일 패스 플레이크 (718) 대신 가열로로 부가될 수 있고, 그의 붕소 수준은 2.1 ppmw 미만이어야 한다. 1차 패스에서와 같이, 이 단계는 각각의 완전한 사이클 내에서 (예컨대, 2차 패스(708), 및 2차 패스의 제1 반복(706)과 같이) 2번 수행되나, 물질 밸런스 및 모액의 사용 횟수를 조정하기 위해 1회 이상 사용될 수 있다.

다음, 2,200kg의 보유 용량을 가진 3중 패스 가열로가 사용된다. 3차 패스(712)의 경우, 이중 패스 플레이크(720) 704kg을, 4중 패스 모액(724) 1,496kg과 함께 용융시킨다. 이로써, 3중 패스 플레이크(730) 704kg, 및 1회 사용된 3중 패스 모액(724) 1,496kg이 생산된다. (3차 패스(712)로부터의) 3중 패스 모액(724)는, 이중 패스 플레이크(720) 704kg과 함께 3중 패스의 제1 반복(710)을 위해 동일한 가열로 내에서 완전히 재사용된다. 이로써, 3중 패스 플레이크(703) 704kg과 2회 사용된 3중 패스 모액((3차 패스의 제1 반복(710)으로부터의) (724) 및 (743)) 1,496kg이 생산된다. 이중 패스 플레이크(720)을 사용하는 대신, 붕소 수준이 1.3 ppmw 미만인 스크랩 실리콘이 사용될 수 있다.

이어서, 2,200kg의 보유 용량을 가진 4중 패스 가열로가 사용된다. 3중 패스 플레이크(730) 1,210 kg이 붕소 함량 0.80 ppmw 미만의 알루미늄(712) 990kg 과 함께 용융된다. 이로써, 4중 패스 모액(724) 및 4중 패스 플레이크(722)가 생산된다. 이 단계를 위해, 0.80 ppmw 미만의 붕소를 가진 스크랩 실리콘을 3중 패스 플레이크 대신 사용할 수 있다.

각각의 단계는 모액을 혹은 소정의 백분율의 모액을 1회 이상 재사용함으로써 수행될 수 있다. 당해 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하기로는, 단계의 반복 회수의 조정에 의해, 재순환된 모액량의 조절에 의해, 그리고 각각의 단계에 부가되는 실리콘의 양과 공급원의 조정에 의해, 캐스케이드(700)의 물질 밸런스가 고르게 균형잡힐 수 있다. 모액은 단계에서 사용되지 않을 수 있고 하부 단계로 건너뛸 수 있다. 스크랩 실리콘, 야금학적 실리콘, 또는 다른 방법에 의해 정제된 실리콘이 실리콘 유닛을 위해 플레이크 대신 상기 공정의 임의의 단계에서 부가될 수 있다. 플레이크 생성 단계는 2회 이상 수행될 수 있으며, 본 실시예는, 사이클에서 4회 패스 및 7회 결정화를 나타내고 있다. 본 공정은 상이한 배치 크기를 가진 상이한 크기의 가열로 내에서 수행될 수 있다. 실리콘 대 알루미늄 비율은 각각의 단계에서 20 내지 70%로 조정될 수 있다.

4중 패스 플레이크(722)는 HCl 및 물 속에서 처리될 수 있고, 알루미늄 수준은 대략 1000 내지 3500 ppmw 까지 감소된다. 생산된 폴리알루미늄 클로라이드는 정수용 부산물로서 판매될 수 있다. 이어서, 4중 패스 플레이크는 가열로 내에서 용융되고, 여기서 이들은 슬래그와 반응한다. 선택에 따라, 방향성 고화 전에, 용융 실리콘이 여과될 수 있거나 혹은 그 내부에 가스가 주입될 수 있다. 선택에 따라, 용융 알루미늄 실리콘 혼합물 또는 모액을 여과할 수 있다.

이어서, 용융 실리콘은 방향성 고화되고, 최종 동결된 섹션은 제거된다. 이어서, 실리콘은 다시 방향성 고화되고, 최종 동결 실리콘의 일부는 제거된다. 염소를 포함한 가스 또는 화합물이, 결정 성장 전에 임의의 패스에 부가될 수 있다. 결과적으로, 이러한 공정은 0.45 ppmw 미만의 B, 0.60 ppmw 미만의 P 및 0.50 ppmw 미만의 Al을 가진 정제된 실리콘을 제공하게 된다. 이러한 실리콘은, 15.5% 이상의 높은 효율을 가진 광전지를 제조하기 위한 잉곳 및 웨이퍼을 만들기 위해 사용될 수 있다. 이러한 실리콘은 다른 스크랩 실리콘 또는 다른 방법을 사용하여 정제된 실리콘과 블랜드되어 광전성 잉곳, 웨이퍼 및 전지를 만드는 공급 원료가 될 수 있다. 본 실시예의 방식으로 정제된 실리콘의 순도의 예들을 하기 표에서 정리한다.

Claims (45)

1. 다음을 포함하는 실리콘의 정제방법으로서,
   (a) 제1 혼합물을 제공하기 위해 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시키는 단계;
   (b) 제1 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 혼합물을 용융시키는 단계; 및
   (c) 제1 실리콘 결정과 제3 모액을 형성하기 위해 상기 제1 용융 혼합물을 냉각시키는 단계;
   (d) 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계;
   (e) 제2 혼합물을 제공하기 위해, 상기 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 접촉시키는 단계;
   (f) 제2 용융 혼합물을 제공하기 위해, 상기 제2 혼합물을 용융시키는 단계;
   (g) 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 형성하기 위해 상기 제2 용융 혼합물을 냉각시키는 단계;
   (h) 상기 제2 실리콘 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 단계;
   (i) 제3 혼합물을 제공하기 위해, 상기 제2 실리콘 결정과 제1 용매 금속을 접촉시키는 단계;
   (j) 제3 용융 혼합물을 제공하기 위해, 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;
   (k) 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하기 위해 상기 제3 용융 혼합물을 냉각시키는 단계; 및
   (l) 상기 제3 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계를 포함하고,
   상기 모액과 상기 제1 용매 금속은 용매 금속을 포함하며,
   상기 제2 모액과 제1 실리콘을 접촉하기 이전에, 상기 제2 모액과 상기 제3 모액의 적어도 일부를 조합하는 것을 추가적으로 포함하는, 실리콘의 정제 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 모액과 상기 제1 실리콘 결정을 접촉시키기 이전에, 상기 제1 모액과 상기 제2 모액의 적어도 일부를 조합하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘의 정제 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1 모액은 상기 제2 모액과 비교하여 상기 용매 금속을 더 포함하는 것인, 실리콘의 정제방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3 실리콘 결정으로부터 상기 용매 금속의 적어도 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제3 실리콘 결정으로부터 분말, 상기 용매 금속, 오염물, 또는 이들의 일부 조합을 기계적으로 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제6항에 있어서,
   가스, 슬래그 용융 제1 물질, 또는 이들의 일부 조합을 상기 용융된 제3 실리콘 결정에 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제6항에 있어서,
   잉곳을 형성하기 위해 상기 용융된 제3 실리콘 결정으로부터 실리콘을 방향성 고화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 잉곳의 일부를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 잉곳의 적어도 일부를 방향성 고화시키고, 제거하는 상기 단계들은 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 있어서,
    단계 (a) 내지 (d)가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항에 있어서,
    단계 (e) 내지 (h)가 1회 이상 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 모액들 중 하나 이상 또는 상기 용융 혼합물 혹은 이들의 조합이 세라믹 발포체 필터 또는 염소 함유 가스 주입을 사용하여 클리닝되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제7항에 있어서,
    상기 용융된 제3 실리콘 결정을 세라믹 발포체 필터 또는 염소 함유 가스 주입으로 클리닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제1항에 있어서,
    상기 용매 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제4항에 있어서,
    제거는, 산, 염기 또는 다른 화학물질을 사용한, 용해 또는 반응 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제7항에 있어서,
    상기 가스는 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. (a) 제1 혼합물을 제공하기 위해 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시키는 단계;
    (b) 제1 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 혼합물을 용융시키는 단계;
    (c) 상기 제1 용융 액체를 냉각시켜 제1 실리콘 결정과 제3 모액을 형성하는 단계;
    (d) 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계;
    (e) 제2 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 실리콘 결정 및 제1 모액을 접촉시키는 단계;
    (f) 제2 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제2 혼합물을 용융시키는 단계;
    (g) 상기 제2 용융 액체를 냉각시켜 제2 실리콘 결정과 상기 제2 모액을 형성하는 단계;
    (h) 상기 제2 실리콘 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 단계;
    (i) 제3 혼합물을 제공하기 위해 상기 제2 실리콘 결정을 제1 용매 금속과 접촉시키는 단계;
    (j) 제3 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;
    (k) 상기 제3 용융 액체를 냉각시켜 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계;
    (l) 상기 제3 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계;
    (m) 용융된 제3 결정을 제공하기 위해 상기 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계;
    (n) 고화된 실리콘을 제공하기 위해 상기 용융된 제3 결정을 방향성 고화시키는 단계; 및
    (o) 상기 고화된 실리콘의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하되,
    상기 모액들과 상기 제1 용매 금속은 용매 금속을 포함하고,
    상기 용매 금속은 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 정제 방법.
19. 제18항에 있어서,
    단계 (n) 전에, 상기 용융된 제3 결정을 하나 이상의 가스 또는 슬래그 용융 실리콘과 접촉시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제18항에 있어서,
    단계 (m) 내지 (o)를 1회 이상 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. (a) 혼합물 A를 형성하기 위해 실리콘 A를 제3 모액과 접촉시키는 단계;
    (b) 용융 혼합물 A를 제공하기 위해 상기 혼합물 A를 용융시키는 단계;
    (c) 상기 용융 혼합물 A를 냉각시켜, 제1 실리콘과 제4 모액을 형성하는 단계;
    (d) 상기 제1 실리콘과 상기 제4 모액을 분리하는 단계;
    (e) 제1 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 실리콘을 제2 모액과 접촉시키는 단계;
    (f) 제1 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 혼합물을 용융시키는 단계;
    (g) 상기 제1 용융 혼합물을 냉각시켜, 제1 실리콘 결정과 제3 모액을 형성하는 단계;
    (h) 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제3 모액을 분리하는 단계;
    (i) 제2 혼합물을 제공하기 위해 상기 제1 실리콘 결정 및 제1 모액을 접촉시키는 단계;
    (j) 제2 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제2 혼합물을 용융시키는 단계;
    (k) 상기 제2 용융 액체를 냉각시켜, 제2 실리콘 결정과 제2 모액을 형성하는 단계;
    (l) 상기 제2 실리콘 결정과 상기 제2 모액을 분리하는 단계;
    (m) 제3 혼합물을 제공하기 위해 상기 제2 실리콘 결정을 제1 용매 금속과 접촉시키는 단계;
    (n) 제3 용융 혼합물을 제공하기 위해 상기 제3 혼합물을 용융시키는 단계;
    (o) 상기 제3 용융 액체를 냉각시켜 제3 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계;
    (p) 상기 제3 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계;
    (q) 용융된 제3 결정을 제공하기 위해 상기 제3 실리콘 결정을 용융시키는 단계;
    (r) 고화된 실리콘을 제공하기 위해 상기 용융된 제3 결정을 방향성 고화시키는 단계;
    (s) 상기 고화된 실리콘의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하고,
    상기 모액들과 상기 제1 용매 금속은 용매 금속을 포함하고,
    상기 용매 금속은 알루미늄을 포함하고,
    단계 (a) 내지 (d)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,
    단계 (e) 내지 (h)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,
    단계 (i) 내지 (l)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,
    단계 (m) 내지 (p)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고,
    단계 (q) 내지 (s)는 0회, 1회, 또는 2회 반복하고, 및
    상기 제3 모액과 상기 실리콘 A를 접촉하기 이전에, 상기 제3 모액과 상기 제4 모액의 적어도 일부를 조합하는 단계를 추가로 포함하는 실리콘 정제 방법.
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