KR101513111B1 - 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향성 응고를 이용하여 실리콘을 정제하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 장치는 고장 없이 실리콘의 방향성 응고를 위해 1회보다 많게 사용될 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 태양 전지에 사용하기 위한 실리콘 결정을 제조하기 위해 이용될 수 있다.

Description

실리콘의 방향성 응고를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF SILICON}

우선권의 주장

본 출원은 2010년 11월 17일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 12/947,936에 대한 우선권의 이점을 주장하며, 이 특허 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 원용되어 있다.

본 발명은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

태양 전지는 태양광을 전기 에너지로 변환하는 성능을 이용함으로써 독자적인 에너지원이 될 수 있다. 실리콘은 태양 전지의 제조에 이용되는 반도체 재료이지만, 실리콘을 이용하는 것은 실리콘을 태양 전지급(SG : solar grade)으로 정제(purification)하는 비용 때문에 한계가 있다.

태양 전지용 실리콘 결정을 제조하기 위해 이용되는 여러 기술이 알려져 있다. 이들 기술의 대부분은 실리콘을 용융액으로부터 응고시키는 동안 바람직하지 않은 불순물이 용융액에 잔류하게 되는 경향을 보이는 원리로 작동한다. 예컨대, 플로트 존 기술(float zone technique)은 단결정 잉곳(ingot)을 만들기 위해 이용될 수 있으며, 고체 상태의 재료에서 이동하는 액체 상태의 존을 이용하여, 불순물을 재료의 가장자리로 이동시킨다. 또 다른 예에서는, 단결정 잉곳을 만들기 위해 초크랄스키 기술(Czochralski technique)이 이용될 수 있으며, 용액의 밖으로 천천히 당겨지는 시드 결정을 이용하여, 불순물이 용액에 잔류되도록 하면서 실리콘의 단결정 기둥(column)의 형성을 가능하게 한다. 또 다른 예에서, 브리지만 기술 또는 열교환기 기술(Bridgeman or heat exchanger techniques)은 다결정 잉곳을 만들기 위해 이용될 수 있으며, 방향성 응고를 발생시키기 위해 온도 구배를 이용한다.

태양 전지용 실리콘 결정을 만들기 위한 여러 기술은 용융 상태의 제조 단계 동안 실리콘을 유지하기 위해 도가니를 이용한다. 불행히도, 대부분의 도가니는 예컨대 도가니가 용융된 실리콘을 응고시킬 때에 용융된 실리콘의 크기 또는 모양이 바뀌기 때문에 1회 사용 후에 폐기된다. 단결정 잉곳을 생성하는 방법은 석영 도가니를 이용하는 것을 포함할 수 있으며, 이 석영 도가니는 비용이 높고 깨지기 쉬운 재료이다. 다결정 잉곳을 생성하는 방법은 일반적으로 더 큰 도가니를 이용하며, 고가의 석영으로 인해, 이들 도가니는 퓨즈드 실리카(fused silica) 또는 기타 내화재(refractory material)와 같은 저렴한 재료로 구성되는 경우가 많다. 저렴한 재료로 구성함에도 불구하고, 퓨즈드 실리카 또는 기타 내화재로 구성되는 대형 도가니는 여전히 생산 비용이 높으며, 일반적으로 단지 1회만 사용될 수 있다. 이러한 도가니의 높은 비용과 제한된 수명의 조합은 실리콘 정제 장치 및 방법의 경제적인 효율을 제한한다.

현재의 에너지 수요 및 공급 한계의 관점에서, 본 발명의 발명자들은 금속 등급(MG : metallurgical grade) 실리콘(또는 태양 등급보다 더 많은 양의 불순물을 갖는 임의의 기타 실리콘)을 태양 등급 실리콘으로 정제하는 보다 비용이 저렴한 방법에 대한 필요성을 인지하였다.

본 발명은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 다른 것들 중에서도, 방향성 응고 몰드(directional solidification mold)를 제공한다. 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 내화재를 포함할 수 있다. 하나 이상의 내화재는 방향성 응고 몰드 내에서의 실리콘의 방향성 응고를 허용하도록 구성될 수 있다. 외측 자켓 및 절연층이 방향성 응고 몰드의 일부분을 둘러쌀 수 있다. 다양한 실시예에서, 절연층은 적어도 부분적으로 방향성 응고 몰드와 외측 자켓 사이에 배치된다. 본 발명의 발명자들은 이러한 몰드 구성이 고장 없이 실리콘의 방향성 응고를 위해 반복적으로 사용될 수 있다는 것을 발견하였다.

일부 실시예에서, 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 방향성 응고 몰드의 바닥은 탄화규소를 포함할 수 있다. 방향성 응고 몰드는 또한 상단층(top layer)을 포함할 수 있다. 상단층은 미끄럼면 내화물(slip-plane refractory)을 포함할 수 있다. 상단층은 방향성으로 응고된 실리콘 제품을 제거할 때에 방향성 응고 몰드의 일부분을 손상으로부터 충분히 보호하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 방향성 응고 몰드의 외측 자켓은 강철(steel) 또는 스테인레스강을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 절연층은 절연 브릭(insulating brick), 내화재, 내화재들의 혼합물, 절연 보드(insulating board), 세라믹 페이퍼, 고온 모직(high temperature wool), 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 본 발명은 또한 히터를 포함한다. 히터는 하나 이상의 가열 부재를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 부재는 가열 요소 또는 인덕션 히터(induction heater) 중의 어느 하나를 독립적으로 포함할 수 있다. 가열 요소를 포함하는 가열 부재는 탄화규소, 이규화몰리브덴(molybdenum disilicide), 그래파이트, 또는 이들의 조합과 같은 재료를 이용할 수 있다. 히터는 또한 절연 브릭, 내화물, 내화물들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 외측 자켓 또는 절연부가 히터의 일부분을 둘러쌀 수 있다. 히터의 외측 자켓은 강철 또는 스테인레스강을 포함할 수 있다. 히터의 절연부는 적어도 부분적으로 하나 이상의 가열 부재와 외측 자켓의 사이에 배치될 수 있다.

본 발명은 또한 실리콘을 정제하는 방법에 관한 것이다. 실리콘을 정제하는 방법은, 태양 전지로 제조하기 위한 하나 이상의 잉곳을 제조하는 방법이 될 수 있다. 실리콘을 정제하는 방법은, 하나 이상의 솔라 웨이퍼(solar wafer)로 절단하기 위한 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법이 될 수 있다. 상기 방법은 제1 실리콘을 제공하거나 받아들이는 단계 및 적어도 부분적으로 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 방향성 응고 장치를 제공하거나 수용하는 단계를 포함할 수 있다. 실리콘은 제1 용융 실리콘을 제공하도록 적어도 부분적으로 용융될 수 있다. 상기 방법은 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고하는 단계를 더 포함할 수 있다. 제1 실리콘은 방향성 응고 장치를 이용하여 방향성으로 응고될 수 있다. 방향성 응고 장치에서의 제1 용융 실리콘의 방향성 응고는 제2 실리콘을 제공할 수 있다. 방향성 응고를 위한 장치는 방향성 응고 몰드를 포함할 수 있다. 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 내화재를 포함할 수 있다. 실리콘의 방향성 응고는 방향성 응고 장치의 방향성 응고 몰드에서 발생할 수 있다. 내화재는 몰드 내에서의 실리콘의 방향성 응고를 허용하도록 구성될 수 있다. 외측 자켓 및 절연층은 몰드의 일부분을 둘러쌀 수 있다. 방향성 응고 몰드와 외측 자켓의 사이에 적어도 부분적으로 절연층이 배치된다. 또한, 방향성 응고 장치는 고장 없이 실리콘의 방향성 응고를 위해 반복적으로 사용될 수 있다.

하나의 구체적인 실시형태에서, 본 발명은 또한 실리콘의 정제를 위한 장치에 관련된다. 상기 장치는 방향성 응고 몰드를 포함한다. 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 내화재를 포함한다. 하나 이상의 내화재는 몰드 내에서의 실리콘의 방향성 응고를 허용하도록 구성된다. 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측면은 산화알루미늄을 포함한다. 방향성 응고 몰드의 바닥은 탄화규소 또는 그래파이트를 포함한다. 방향성 응고 몰드는 또한 상단층을 포함한다. 상단층은 미끄럼면 내화물을 포함한다. 상단층은 방향성으로 응고된 실리콘을 몰드로부터 제거할 때에 방향성 응고 몰드의 나머지를 손상으로부터 보호하도록 구성된다. 본 발명은 또한 외측 자켓을 포함한다. 외측 자켓은 강철 또는 스테인레스강을 포함한다. 본 발명은 또한 절연층을 포함한다. 절연층은 적어도 부분적으로 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측면과 외측 자켓의 하나 이상의 측면 사이에 배치된다. 절연층은 절연 브릭, 내화재, 내화재들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함한다. 실시예는 또한 상단 히터를 포함한다. 상단 히터는 하나 이상의 가열 부재를 포함한다. 하나 이상의 가열 부재는 가열 요소 또는 인덕션 히터 중의 하나를 독립적으로 포함한다. 가열 요소는 탄화규소, 이규화몰리브덴, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상단 히터는 또한 절연 브릭, 내화물, 내화물들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상단 히터는 또한 외측 자켓을 포함한다. 상단 히터의 외측 자켓은 강철 또는 스테인레스강을 포함한다. 하나 이상의 가열 부재와 상단 히터 외측 부재 사이에는 적어도 부분적으로 상단 히터의 절연부가 배치된다. 또한, 방향성 응고 몰드, 외측 자켓, 및 절연층은 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용되도록 구성된다.
본 발명의 일특징에 따라, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치는, 하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드, 외측 자켓, 및 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드와 상기 외측 자켓 사이에 배치되는 절연층을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓, 및 상기 절연층은 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용되도록 구성될 수 있다.
일실시예에서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 상기 방향성 응고 몰드의 바닥에 비하여 상이한 두께, 상이한 재료 조성, 또는 상이한 양의 재료를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 핫 페이스 내화물(hot face refractory)을 포함할 수 있으며, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥은 전도 내화물(conducting refractory)을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 산화알루미늄을 포함하고, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥은 탄화규소, 그래파이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 절연층의 하나 이상의 측벽은 상기 절연층의 바닥에 비하여 상이한 두께, 상이한 조성의 재료, 또는 상이한 양의 재료를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 절연층은 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽과 상기 외측 자켓의 하나 이상의 측벽 사이에 배치되며, 상기 절연층은 상기 방향성 응고 몰드의 바닥과 상기 외측 자켓의 바닥 사이에는 배치되지 않을 수 있다.
일실시예에서, 상기 외측 자켓은 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 장치는, 냉각액이 통과하도록 하고 상기 방향성 응고 몰드로부터 먼 쪽으로 열을 전달하기 위한 크기 및 형상을 갖는 하나 이상의 액체 콘딧(liquid conduit)을 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 하나 이상의 상기 액체 콘딧은 상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓 또는 상기 절연층의 바닥부에 인접하여 위치되거나 바닥부 내에 위치될 수 있다.
일실시예에서, 상기 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 미끄럼면 내화재(slip-plane refractory material)를 포함하는 상단층을 포함하며, 상기 상단층은 방향성으로 응고된 실리콘을 상기 방향성 응고 몰드로부터 제거할 때에 상기 방향성 응고 몰드의 나머지를 손상으로부터 보호하도록 구성될 수 있다.
일실시예에서, 상기 장치는 하나 이상의 가열 부재를 포함하는 상단 히터를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 가열 부재는 가열 요소 또는 인덕션 히터(induction heater)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 상단 히터는 절연부를 더 포함하며, 상기 절연부는 절연 브릭, 내화물, 내화물들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 상단 히터는 외측 자켓을 더 포함하며, 상기 절연부가 적어도 부분적으로 하나 이상의 가열 요소와 상기 상단 히터 외측 자켓 사이에 배치될 수 있다.
일실시예에서, 상기 상단 히터 외측 자켓은 스테인레스강을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 하나 이상의 솔라 웨이퍼(solar wafer)로 절단하기 위한 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법은, 제1 실리콘을 제공하거나 받아들이는 단계; 하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드, 외측 자켓, 및 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드와 상기 외측 자켓 사이에 배치되는 절연층을 포함하는 방향성 응고 장치를 제공하거나 수용하는 단계; 제1 용융 실리콘을 제공하기 위해 적어도 부분적으로 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계; 및 제2 실리콘을 제공하기 위해, 상기 방향성 응고 몰드에서 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방법은 상기 방향성 응고 몰드 위에 히터를 위치시키는 단계를 더 포함하되, 상기 히터를 위치시키는 단계는, 상기 방향성 응고 몰드 위에, 가열 요소 및 인덕션 히터로부터 선택된 하나 이상의 가열 부재를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방법은, 상기 방향성 응고 장치에 제1 용융 실리콘을 추가하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계는, 상기 방향성 응고 장치 외측에서 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계는, 방향성 응고 전에 상기 방향성 응고 장치 내측에서 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계는, 상기 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계는, 상기 방향성 응고 장치의 바닥을 하나 이상의 팬(fan)으로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따라, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치는, 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드로서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽이 산화 알루미늄을 포함하고, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥이 탄화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 방향성 응고 몰드가, 미끄럼면 내화물을 포함하는 상단층을 포함하며, 상기 상단층이, 방향성으로 응고된 실리콘을 상기 방향성 응고 몰드로부터 제거할 때에 상기 방향성 응고 몰드의 나머지를 손상으로부터 보호하도록 구성되는, 상기 방향성 응고 몰드; 강철을 포함하는 외측 쟈켓; 절연 브릭, 내화재, 내화재들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함하며, 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽과 상기 외측 자켓의 하나 이상의 측벽 사이에 배치되는 절연층; 상단 히터로서, 상기 상단 히터가, (ⅰ) 각각이 가열 요소 또는 인덕션 히터를 포함하는 하나 이상의 가열 부재와, (ⅱ) 절연 브릭, 내화물, 내화물들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함하는 절연부와, (ⅲ) 스테인레스강을 포함하는 외측 자켓을 포함하며, 상기 가열 요소가 탄화규소, 이규화몰리브덴, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 절연부가 적어도 부분적으로 상기 하나 이상의 가열 부재와 상기 상단 히터 외측 자켓 사이에 배치되는, 상기 상단 히터를 포함하며, 상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓 및 상기 절연층은 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용되도록 구성될 수 있다.

본 발명은 실리콘의 방향성 응고를 위한 종래의 장치 및 방법 이상의 장점을 제공한다. 일실시예에서, 본 발명은 장치의 재사용 가능성에 의해 경제적으로 보다 효율적인 실리콘 정제 방법을 제공할 수 있다. 예컨대, 본 발명은 하나 이상의 솔라 웨이퍼로 절단하기 위한 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 경제적으로 보다 효율적인 방법을 제공할 수 있다. 장치의 재사용 가능성은 폐기물(waste)을 감소시키는데 도움을 줄 수 있으며, 방향성 응고를 위해 대형의 도가니를 이용하는 보다 경제적인 방법을 제공할 수 있다. 대형 도가니의 효율적인 사용을 허용함으로써, 본 발명은 규모의 경제면에서 이득이 되는 방향성 응고 방법을 가능하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 일부 실시형태에서 제공되는 히터는 실리콘을 가열하거나, 실리콘의 온도를 유지하거나, 실리콘의 냉각을 제어하거나, 또는 이들의 조합을 위한 편리하고 효율적인 방법을 제공하여, 온도 구배 및 이에 대응하는 실리콘의 방향성 응고에 걸친 정밀한 제어를 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 장치 및 방법은 다른 것들 중에서도 태양 전지에 사용하기 위한 실리콘 결정을 제조하는데 이용될 수 있다.

도면(반드시 실척으로 그려지는 것은 아님)에서, 유사한 도면 부호는 여러 도면에 걸쳐 실질적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 뒷자리가 상이한 도면 부호는 실질적으로 유사한 구성요소의 상이한 예를 표시한다. 도면은 전반적으로 본 명세서에서 논의되는 여러 실시형태를 제한하려는 것이 아니라 예로서 예시하고 있다.
도 1은 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 몰드, 외측 자켓 및 절연층의 횡단면도이다.
도 2는 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 몰드, 외측 자켓 및 절연층의 횡단면도이다.
도 3은 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 히터의 횡단면도이다.
도 4는 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 몰드의 상단 상에 위치된 히터를 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 3D 투영도이다.
도 5는 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 히터의 등각 투영도이다.
도 6은 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 몰드의 등각 투영도이다.
도 7은 적어도 일 실시형태에 따라 구성된 바와 같은 본 발명의 장치 및 방법에 의해 생성된 실리콘 잉곳을 도시하는 도면이다.

이하에서는 그 예의 몇몇이 첨부 도면에 예시되어 있는 개시된 발명의 요지의 특정 청구항을 상세하게 참조하여 설명할 것이다. 개시된 발명의 요지가 첨부 도면과 관련하여 설명되지만, 이러한 설명은 개시된 발명의 요지를 이들 도면으로 한정하려는 것은 아니라는 것을 이해할 것이다. 반대로, 개시된 발명의 요지는 청구항에 의해 정해지는 바와 같은 현재 개시되고 있는 발명의 요지의 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포괄하는 것이다.

본 명세서에서의 "일 실시형태", "실시형태", "일례의 실시형태" 등에 대한 언급은, 기재된 실시형태가 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 포함할 수 있으나, 모든 실시형태가 상기한 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 반드시 포함할 필요는 없다는 것을 의미한다. 더욱이, 이러한 어구는 반드시 동일한 실시형태를 지칭해야 하는 것도 아니다. 또한, 특별한 특징, 구조, 또는 특성이 일 실시형태와 관련하여 기재된 경우, 명시적으로 기재되었든 아니든, 다른 실시형태들과 관련하여 이러한 특징, 구조, 또는 특성에 영향을 주는 것은 당해 기술 분야의 통상의 기술자의 지식 범위 내에 있는 사항이다.

본 명세서에서, 단수 명사는 하나 또는 그 이상의 개수를 포함하는 것으로 이용되며, "또는" 이라는 용어는 달리 지시된 바가 없으면, "비배타적 또는(nonexclusive OR)"을 지칭하기 위해 사용된 것이다. 또한, 여기에 사용된 어구 또는 용어들은, 달리 정의된 바가 없다면, 한정이 아니라 단지 기술(description)을 목적으로 하는 것임을 이해하여야 한다. 더욱이, 본 명세서에서 인용되는 모든 공개 문헌, 특허, 및 특허 명세서는 참고 문헌으로 개별적으로 원용되고 있기는 하지만 그 전체 내용이 본 명세서에 포함된다. 본 명세서와 참고 문헌으로 원용되는 이들 문헌 간에 일치하지 않는 부분의 경우에는, 인용된 참고 문헌에서의 부분이 본 명세서의 그 부분을 보조하는 것으로 간주되어야 하며, 그 차이가 너무 커서 해소할 수 없는 불일치를 보이는 경우에는, 본 명세서의 부분이 우선한다.

여기에 기재된 제조 방법에서, 단계는, 시간적 순서 또는 조작 상의 순서가 명시적으로 기재된 경우를 제외하고는, 본 발명의 원리로부터 이탈하지 않는 임의의 순서로 수행될 수 있다. 하나의 청구항에서 처음 어떤 단계가 수행된 다음, 수개의 다른 단계들이 후속적으로 수행된다는 취지로 기재된 것은, 상기 첫 번째 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 하위 단계들이 반복될 수 있다.

나아가, 특정 단계들은, 청구항에 명시적으로 이들이 별도로 수행되어야 하는 것으로 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 결과의 공정도 청구항의 공정의 문헌적 범위 내에 속하게 될 것이다.

본 발명은 방향성 응고를 이용하여 실리콘을 정제하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 장치는 실리콘의 방향성 응고를 위해 1회보다 많은 횟수로 이용될 수 있어서 이롭다. 본 발명의 장치 및 방법은 태양 전지에 사용하기 위한 실리콘 결정을 제조하기 위해 이용될 수 있다.

본 발명의 실시형태에서는 온도 구배를 제어함으로써, 우수하게 제어되는 방향성 응고가 달성될 수 있다. 본 발명에서, 방향성 결정화는 대략 바닥(bottom)에서부터 상단(top)으로 진행되므로, 요구된 온도 구배는 바닥에서는 더 낮은 온도를 갖고, 상단에서는 더 높은 온도를 갖는다. 온도 구배 및 대응하는 방향성 결정화에 걸친 높은 정도의 제어는 더욱 효과적인 방향성 응고를 가능하게 하여, 실리콘의 순도를 더 높게 한다는 점에서 이롭다.

정의

본 명세서에 설명된 바와 같이, "콘딧(conduit)"은 재료를 관통하는 튜브 형상의 구멍을 지칭하며, 여기서 재료는 반드시 튜브 형상일 필요는 없다. 예컨대, 한 덩어리의 재료를 관통하여 연장하는 구멍이 콘딧이 된다. 구멍은 직경보다 큰 길이를 갖는 것으로 될 수 있다. 콘딧은 재료에 튜브(파이프를 포함하는)를 넣음으로써 형성될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "방향성 응고"는 재료를 대략 하나의 지점에서 시작하여 결정화하고, 대략 선형 방향으로(예컨대, 수직으로, 수평으로, 또는 표면에 대하여 직각으로) 진행하며, 대략 또 다른 지점에서 종료하는 것을 지칭한다. 이 정의에서 이용되는 바와 같이, 지점은 점, 평면, 또는 링 모양이나 사발(bowl) 모양을 포함한 곡면일 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "팬(fan)"은 공기를 이동시킬 수 있는 어떠한 디바이스 또는 장치를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "가열 요소"는 전기가 그 재료를 통해 흐르도록 허용될 때에 열을 발생하는 한 덩어리의 재료를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "인덕선 히터"는 그 재료에서의 전기 전류의 유도를 통해 재료에 열을 추가하는 히터를 지칭한다. 일반적으로, 이러한 전기 전류는 가열될 재료에 인접해 있는 금속의 코일을 통해 교류 전류가 이동할 수 있도록 함으로써 발생된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "용융"은 고체에서 액체로의 상전이를 진행하고 있는 것을 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "오일"은, 주변 온도에서 액체 상태이고, 소수성을 나타내며, 300℃보다 높은 끓는점을 갖는 물질을 지칭한다. 오일의 예는 식물성 오일 및 석유계 오일을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "내화재"는 고온에서 화학적으로 및 물리적으로 안정한 재료를 지칭한다. 내화재의 예는 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화크롬, 탄화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "핫 페이스 내화물(hot face refractory)"은 내화재를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전도 내화물(conducting refractory)"은 열을 전도할 수 있는 내화재를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "측면" 또는 "측면들"은 하나 또는 그 이상의 측면을 지칭할 수 있으며, 다른 언급이 없다면 물체의 하나 또는 그 이상의 상단 또는 바닥과 대비되는 것으로서의 물체의 측면 또는 측면들을 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실리콘"은 원소 Si를 지칭하며, 임의의 순도의 Si를 지칭할 수 있지만, 일반적으로 적어도 50 중량% 순도(50% by weight pure), 바람직하게는 75 중량% 순도, 보다 바람직하게는 85 중량% 순도, 보다 바람직하게는 90 중량% 순도, 보다 바람직하게는 95 중량% 순도, 및 더더욱 바람직하게는 99 중량% 순도의 실리콘을 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "미끄럼면 내화물(slip-plane refractory)"은 고체 상태의 실리콘과 방향성 응고 몰드 간의 마찰을 감소시키고 점착성(sticking)을 감소시키는 내화재를 지칭한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "튜브"는 속이 빈 파이프 형상의 재료를 지칭한다. 튜브는 일반적으로 자신의 외부 형상과 대략적으로 부합하는 내부 형상을 갖는다. 튜브의 내부 형상은 둥근 형상, 정사각 형상, 또는 비대칭 형상을 포함한 임의의 개수의 측면을 갖는 형상을 포함한 어떠한 적합한 형상으로 되어도 된다.

바닥 몰드( bottom mold )

도 1은 본 발명의 실시형태를 도시하며, 장치(100)의 측단면도가 도시되어 있다. 장치(100)는 하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드(110)를 포함한다. 하나 이상의 내화재는 몰드 내에서의 실리콘의 방향성 응고를 허용하도록 구성된다. 장치(100)는 또한 외측 자켓(130)을 포함한다. 추가로, 장치(100)는 적어도 부분적으로 방향성 응고 몰드(110)와 외측 자켓(130) 사이에 배치된 절연층(120)을 포함한다. 장치(100)는 실리콘의 방향성 응고를 위해 1회보다 많은 횟수로 이용될 수 있다.

본 발명의 실시형태의 전체적인 3차원 형상은 원형의 형상을 갖는 두꺼운 벽의 대형 사발과 유사하게 될 수 있다. 이와 달리, 전체적인 형상은 정사각형 형상, 육각형 형상, 팔각형 형상, 오각형 형상, 또는 어떠한 적합한 개수의 에지를 갖는 임의의 적합한 형상을 갖는 대형 사발과 유사하게 될 수 있다. 다른 실시형태에서, 장치의 전체적인 형상은 실리콘의 방향성 응고에 적합한 어떠한 형상으로도 될 수 있다. 일 실시형태에서, 바닥 몰드는 약 1 메트릭톤(metric tonn) 또는 그 이상의 실리콘을 유지할 수 있다. 일 실시형태에서, 바닥 몰드는 약 1.4 메트릭톤 또는 그 이상의 실리콘을 유지할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 바닥 몰드는 약 2.1 메트릭톤 또는 그 이상의 실리콘을 유지할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 바닥 몰드는 대략 1.2, 1.6, 1.8, 2.0, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 또는 5 메트릭톤 또는 그 이상의 실리콘을 유지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 장치는 중앙의 수직축을 중심으로 대략 대칭을 이룬다. 장치에 포함된 재료 또는 장치의 형상이 중앙축을 중심으로 하는 면밀한 대칭성(close symmetry)에서 벗어나는 실시형태도 바람직한 실시형태로서 포함되며, 대칭에 대한 선호는 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이 임의적일 것이다. 일부 실시형태에서, 장치는 중앙의 수직축을 중심으로 대칭을 이루지 않는다. 다른 실시형태에서, 장치는 중앙의 수직축을 중심으로 부분적으로 대략적으로 대칭을 이루고 중앙의 수직축을 중심으로 부분적으로는 대칭을 이루지 않는다. 비대칭 특징부를 포함하는 실시형태에는, 전체적으로 또는 부분적으로 중앙축을 중심으로 대략적으로 대칭을 이루는 실시형태의 일부분인 것으로 설명되는 특징부를 포함하는 본 명세서에서 기술되는 임의의 적합한 특징부가 포함될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 방향성 응고 몰드(110)는, 본 명세서에서 드래프트(draft)로서 지칭되는, 방향성 응고 몰드의 바닥과 방향성 응고 몰드의 측면 사이에 90도보다 큰 내각을 갖는다. 드래프트는 몰드에서 응고된 실리콘의 조각이 실리콘 또는 방향성 응고 몰드를 깨뜨리지 않고서도 제거될 수 있도록 한다. 바람직한 실시형태에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 방향성 응고 몰드는 전술한 바와 같이 몰드로부터 실리콘의 제거를 허용하기에 충분한 드래프트를 갖는다. 그러나, 다른 실시형태에서, 방향성 응고는 드래프트를 갖지 않거나, 또는 반대의 드래프트를 갖는다. 드래프트를 갖지 않는 다른 실시형태에서, 장치는 고체 상태의 실리콘의 제거를 위해 몰드를 2개의 반부(half)로 용이하게 나누어질 수 있도록 하는 중간을 관통하는 절단부(cut)를 가질 것이다. 2개의 반부는 그 후 재결합되어 다시 전체적인 모양을 형성할 수 있으며, 장치가 재사용된다. 그러나, 2개의 반부로 쪼개질 수 있는 실시형태는 드래프트를 갖지 않는 실시형태로만 국한되지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 모든 실시형태는 고체 상태의 실리콘의 용이한 제거를 위해 반부로 분리되는 능력을 포함할 수도 있고, 또는 포함하지 않을 수도 있다.

도 1에 도시된 방향성 응고 몰드(110)는 내화재를 포함한다. 내화재로는 어떠한 적합한 내화재도 가능하다. 내화재는 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화크롬, 탄화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합이어도 된다. 방향성 응고 몰드는 한 가지 내화재를 포함할 수 있다. 방향성 응고 몰드는 하나보다 많은 내화재를 포함할 수 있다. 방향성 응고 몰드에 포함되는 내화재 또는 내화재들은 혼합되거나, 또는 방향성 응고 몰드의 별도의 부분에 위치되거나, 또는 혼합된 상태로 방향성 응고 몰드의 별도의 부분에 위치될 수도 있다. 하나 또는 그 이상의 내화재가 층으로 배열될 수도 있다. 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 내화재의 하나보다 많은 층을 포함할 수 있다. 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 내화재의 하나의 층을 포함할 수 있다. 내화물의 측면은 내화물의 바닥과는 상이한 재료로 될 수 있다. 방향성 응고 몰드의 측면은 방향성 응고 몰드의 바닥에 비하여 상이한 두께로 되거나, 상이한 조성의 재료를 포함하거나, 상이한 양의 재료를 포함하거나, 또는 이들의 조합으로 될 수 있다. 일 실시형태에서, 방향성 응고 몰드의 측면은 핫 페이스 내화물을 포함하고, 방향성 응고 몰드의 바닥은 전도 내화재를 포함한다. 방향성 응고 몰드의 측면은 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 방향성 응고 몰드의 바닥은 예컨대 탄화규소, 그래파이트, 강철, 스테인레스강, 주철(cast iron), 구리, 또는 이들의 조합과 같은 열전도 재료를 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 방향성 응고 몰드의 측면에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 외부 바닥의 높이로부터 위쪽으로 연장할 수 있고, 방향성 응고 몰드의 바닥에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 일측면의 내측에 대응하는 수직 위치로부터 바닥을 가로질러 대향 측면의 내부에 대응하는 수직 위치까지 수직으로 연장할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 방향성 응고 몰드의 측면에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 내부 바닥의 높이로부터 위쪽으로 연장할 수 있는 한편, 방향성 응고 몰드의 바닥에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 일측면의 외측에 대응하는 수직 위치로부터 방향성 응고 몰드의 바닥을 가로질러 방향성 응고 몰드의 대향 측면의 외측에 대응하는 수직 위치까지 수직으로 연장할 수 있다. 또 다른 예에서, 방향성 응고 몰드의 측면에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 바닥의 높이 위의 높이로부터 위쪽으로 연장할 수 있는 한편, 방향성 응고 몰드의 바닥에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 바닥을 가로질러 방향성 응고 몰드의 하나의 외부 측면에 대응하는 수직 위치로부터 방향성 응고 몰드의 다른 외부 측면에 대응하는 수직 위치까지 연장하고, 또한 방향성 응고 몰드의 바닥의 높이 위의 측면 위로 연장할 수 있다. 또 다른 예에서, 방향성 응고 몰드의 측면에 포함되는 재료 또는 재료들은 방향성 응고 몰드의 내부 바닥의 높이로부터 위쪽으로 연장할 수 있는 한편, 방향성 응고 몰드의 바닥에 포함되는 재료 또는 재료들은 외측 자켓의 측면의 내측면으로부터 외측 자켓의 내부 바닥을 가로질러 외측 자켓의 대향 측면의 내측면까지 수직으로 연장할 수 있거나, 또는 방향성 응고 몰드의 바닥에 포함되는 재료 또는 재료들은, 외측 자켓의 측면의 내측면과 방향성 응고 몰드의 외측면에 대응하는 수직 위치의 중간으로부터, 방향성 응고 몰드의 바닥을 가로질러, 외측 자켓의 대향 내측면과 방향성 응고 몰드의 대향 측면의 외측면에 대응하는 수직 위치의 중간까지 수직으로 연장할 수 있다.

도 1에 도시된 장치(100)의 절연층(120)은 절연재를 포함할 수 있다. 절연재는 어떠한 적합한 재료이어도 된다. 예컨대, 절연재는 절연 브릭, 내화재, 내화재들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합이어도 된다. 절연 보드는 고온 세라믹 보드를 포함할 수 있다. 절연층은 하나보다 많은 절연재를 포함할 수 있다. 절연층(120)에 포함되는 절연재 또는 절연재들은 혼성(blend) 또는 혼합될 수 있거나, 또는 절연층의 별도의 부분에 위치될 수도 있거나, 또는 혼합 또는 혼합된 상태로 절연층의 별도의 부분에 위치될 수도 있다. 하나 이상의 절연재가 층으로 배열될 수 있다. 일례에서, 절연층은 하나 이상의 절연재의 하나보다 많은 층을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 절연층은 하나 이상의 절연재의 하나의 층을 포함할 수 있다. 절연층의 측면은 절연층의 바닥과는 상이한 재료로 될 수 있다. 예컨대, 절연층의 측면은 절연층의 바닥에 비하여 상이한 두께로 되거나, 상이한 조성의 재료를 포함하거나, 또는 상이한 두께 및 상이한 조성의 재료로 될 수 있다. 일 실시형태에서, 절연층은 방향성 응고 몰드의 바닥과 외측 자켓 사이에 위치된다. 바람직한 실시형태에서, 절연층은 적어도 부분적으로는 방향성 응고 몰드의 측면과 외측 자켓의 측면 사이에 배치되며, 도 1에 도시된 바와 같이 방향성 응고 몰드의 바닥과 외측 자켓의 바닥 사이에는 절연층이 배치되지 않는다.

도 1에는 장치(100)의 외측 자켓의 측면과 장치의 방향성 응고 몰드의 측면 사이에 배치된 장치(100)의 절연층(120)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 절연층의 측면은 외측 자켓의 바닥의 내측면에 대응하는 높이로부터 위쪽으로 연장한다. 본 발명의 실시형태는 또한 절연층이 방향성 응고 몰드의 내측면의 바닥에 대응하는 높이로부터 위쪽으로 연장하는 절연층(120)의 구성을 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 절연층은 외측 자켓의 바닥의 내측면과 외측 자켓의 바닥의 내측면의 높이의 중간으로부터 위쪽으로 연장한다. 또 다른 실시형태에서, 절연층은 방향성 응고 몰드의 내측면의 바닥에 대응하는 높이의 위에서부터 위쪽으로 연장한다.

도 1에 도시된 장치(100)의 외측 자켓(130)은 절연층 및 방향성 응고 몰드를 둘러싸기 위해 어떠한 적합한 재료도 포함할 수 있다. 외측 자켓은 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 외측 자켓은 강철을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 외측 자켓은 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 외측 자켓의 상이한 부분이 상이한 재료, 상이한 두께의 재료, 상이한 조성의 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 외측 자켓은 구조 부재(structural member)를 포함할 수 있다. 구조 부재는 장치에 강도 및 강성도(rigidity)를 추가할 수 있으며, 어떠한 적합한 재료도 포함할 수 있다. 예컨대, 구조 부재는 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일례에서, 외측 자켓은, 장치의 중앙으로부터 멀어지는 방향으로 외측 자켓의 외측면으로부터 연장하고, 장치의 원주 또는 둘레 주위에 수평으로 연장하는 하나 이상의 구조 부재를 포함할 수 있다. 하나 이상의 수평 구조 부재가 예컨대 외측 자켓의 외측면의 상부 에지에 위치되거나, 외측 자켓의 외측면의 바닥 에지에 위치되거나, 외측 자켓의 외측면의 상단 에지와 바닥 에지 중간의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 일례에서, 장치는 3개의 수평 구조 부재를 포함하며, 그 중 하나가 외측 자켓의 상부 에지에 위치되고, 다른 하나가 외측 자켓의 바닥 에지에 위치되고, 나머지 하나가 외측 자켓의 상부 에지와 하부 에지 중간에 위치된다. 외측 자켓은, 외측 자켓의 외측면 상에, 외측 자켓의 외측면으로부터 장치의 중앙으로부터 멀어지는 방향으로 연장하고, 외측 자켓의 외측면의 바닥으로부터 외측 자켓의 외측면의 상단으로 수직으로 연장하는 하나 이상의 구조 부재를 포함할 수 있다. 일례에서, 외측 자켓은 8개의 수직 구조 부재를 포함할 수 있다. 수직 구조 부재는 외측 자켓의 원주 또는 둘레 주위에 균등하게 이격될 수 있다. 또 다른 예에서, 외측 자켓은 수직 구조 부재와 수평 구조 부재 둘 다를 포함한다. 외측 자켓은 외측 자켓의 바닥을 가로질러 연장하는 구조 부재를 포함할 수 있다. 바닥의 구조 부재는 외측 자켓의 바닥의 외측 에지로부터 외측 자켓의 바닥의 또 다른 에지까지 연장할 수 있다. 바닥의 구조 부재는 또한 부분적으로 외측 자켓의 바닥을 가로질러 연장할 수 있다. 구조 부재는 스트립(strip), 바(bar), 튜브, 또는 장치에 구조 지지부를 추가하기에 적합한 임의의 구조일 수 있다. 구조 부재는 용접, 납땜(brazing), 또는 임의의 다른 적합한 방법을 통해 외측 자켓에 부착될 수 있다. 구조 부재는 장치의 운송 및 물리적 조작을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 외측 자켓의 외측면의 바닥에 있는 구조 부재는, 특정한 지게차(fork-lift) 또는 기타 리프팅 기계가 장치를 들어올리거나 이동시키거나 또는 물리적으로 조작할 수 있도록, 충분한 크기, 강도, 배향, 간격 또는 이들의 조합의 튜브로 될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 외측 자켓의 외측면에 위치되는 것으로서 위에서 설명된 구조 부재는 이와 달리 또는 이에 추가하여 외측 자켓의 내측면에 위치될 수 있다.

도 1에는 절연층(120)의 상단 위에 연장하고 방향성 응고 몰드(110)의 상단을 부분적으로 덮고 있는 외측 자켓(130)이 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 절연층(120) 및 방향성 응고 몰드(110)에 대한 외측 자켓(130)의 광범위의 다양한 구조적 구성을 포괄한다. 실시형태는 방향성 응고 몰드(110)의 상단의 내측 테두리(rim)까지 완전히 연장하는 외측 자켓(130), 절연층(120)의 상단을 가로질러 단지 부분적인 경로로 연장하는 외측 자켓(130), 또는 절연층(120)의 임의의 부분을 가로질러 연장하지 않는 외측 자켓(130)을 포함할 수 있다. 또한, 실시형태는 외측 자켓(130)이 절연층의 외측면의 측면을 위에까지 전체적으로 연장하지 않는 구성을 포함한다. 외측 자켓이 방향성 응고 몰드 또는 절연층의 상단의 임의의 일부분 위에 연장하는 실시형태에서, 상단 위에 연장하는 외측 자켓의 일부분은 외측 자켓의 측면 및 바닥보다 큰 절연 특성을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 재료의 이러한 선택은 장치에서의 요구된 온도 구배의 형성이 이루어지게 할 수 있다.

도 1에 도시된 장치(100)의 상단 에지는 방향성 응고 몰드(110) 및 절연층(120)이 대략 동등한 높이에 있는 것으로 도시되어 있으며, 외측 자켓의 상단이 절연층의 상단 위에 연장하고 방향성 응고 몰드의 상단 위에 부분적으로 연장하는 것으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 다른 구성의 외측 자켓의 상단, 절연층의 상단, 방향성 응고 몰드 역시 모든 적합한 배열을 포함하는 본 발명의 실시형태로서 포함된다. 예컨대, 절연층이 방향성 응고 몰드의 상단 에지 위의 높이까지 수직으로 연장할 수 있다. 이와 달리, 방향성 응고 몰드가 절연층의 상단 에지 위의 높이까지 수직으로 연장할 수 있다. 절연층이 방향성 응고 몰드의 상단 에지 위에 부분적으로 또는 전체적으로 연장할 수 있다. 또는, 방향성 응고 몰드가 절연층의 상단 에지 위에 부분적으로 또는 완전하게 연장할 수 있다.

도 1에 도시된 장치(100)는 특정한 상대적 두께의 방향성 응고 몰드(110), 절연층(120) 및 외측 자켓(130)을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 어떠한 적합한 상대적 두께의 방향성 응고 몰드(110), 절연층(120) 및 외측 자켓(130)도 포괄한다.

도 1의 장치(100)는 실리콘을 방향성으로 응고시키기 위해 1회보다 많게 사용될 수 있다. 1회보다 많게 사용될 수 있게 함에 있어서, 본 장치는 2회의 연속 사용의 사이에 전혀 어떠한 수리 없이 또는 최소의 수리로 방향성 응고를 위해 재사용될 수 있다. 최소의 수리는 방향성 응고 몰드의 내측면의 일부분인 코팅을 약간 수리하거나 전체적으로 다시 도포하는 것, 예컨대 슬립 평면 내화물 코팅을 포함한 상단 층을 수리하는 것을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시형태는 또한 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용될 수 있는 장치를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시형태는 실리콘의 방향성 응고를 위해 3회, 4회, 5회, 6회, 12회 또는 그 이상의 횟수로 사용될 수 있는 장치를 포함한다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 본 장치는 단지 바닥 몰드를 포함한다. 다른 실시형태에서, 본 발명은 바닥 몰드 및 상단 히터 둘 다를 포함한다.

도 2는 본 발명의 실시형태를 도시하고 있다. 장치(200)의 측단면도가 도시되어 있다. 장치(200)는 하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드(201)를 포함한다. 하나 이상의 내화재는 몰드 내에서의 실리콘의 방향성 응고를 허용하도록 구성된다. 본 장치(200)는 또한 외측 자켓(203)을 포함한다. 또한, 본 장치는 적어도 부분적으로 방향성 응고 몰드(201)와 외측 자켓(203) 사이에 위치되는 절연층(202)을 포함한다. 본 장치(200)는 실리콘의 방향성 응고를 위해 1회보다 많게 사용될 수 있다.

도 2에 도시된 방향성 응고 몰드(201)는 하나 이상의 내화재를 포함한다. 방향성 응고 몰드의 측면은 핫 페이스 내화물(220)을 포함한다. 도 2에서, 방향성 응고 몰드의 핫 페이스 내화물(220)은 외측 자켓의 바닥의 내측면으로부터 위쪽으로 연장하며, 전술한 바와 같이 방향성 응고 몰드의 다양한 구성의 측면이 본 발명의 실시형태로서 포괄된다. 핫 페이스 내화물(220)로는 어떠한 적합한 내화재도 가능하다. 예컨대, 핫 페이스 내화물(220)은 산화알루미늄이어도 된다.

본 발명의 바닥 몰드 장치를 구성함에 있어서, 내화재는 젖은 시멘트(wet cement)를 도포하는 것과 유사한 방식으로 도포될 수 있다. 젖은 내화물을 원하는 형상으로 조작하고, 그 후 내화재를 건조시키고 굳어지게 하기 위해 트롤(trawl), 또는 거푸집(forms)을 포함한 기타 적합한 도구가 이용될 수 있다.

도 2에 도시된 방향성 응고 몰드(201)의 바닥은 도전성 내화물(230)을 포함한다. 도 2에서, 방향성 응고 몰드의 전도 내화물(230)은, 방향성 응고 몰드의 측면의 외측면에 대응하는 수직 위치와 방향성 응고 몰드의 측면의 내측면에 대응하는 대응하는 수직 위치의 중간에서, 방향성 응고 몰드의 바닥을 가로질러, 방향성 응고 몰드의 대향 측면의 외측면에 대응하는 수직 위치와 방향성 응고 몰드의 대향 측면의 외측면에 대응하는 수직 위치의 중간까지, 수직으로 연장하며, 전술한 바와 같이, 방향성 응고 몰드의 다양한 구성의 측면이 본 발명의 실시형태로서 포괄된다. 전도 내화재(230)는 어떠한 적합한 재료도 가능하다. 예컨대, 전도 내화재는 탄화규소를 포함할 수 있다. 장치의 바닥에 전도 재료를 배치함으로써, 방향성 응고 몰드 내에 있는 용융 상태의 실리콘의 바닥의 냉각이 용이하게 된다. 몰드의 바닥의 용이한 냉각은 방향성 응고 몰드의 바닥과 상단 사이에 온도 구배를 형성하고 제어하는데 도움을 주어, 바닥에서 시작하여 상단에서 종료하는 원하는 방향성 응고가 몰드 내에서 발생할 수 있게 된다.

다른 실시형태에서, 방향성 응고 몰드의 바닥은 내화물(230)로서 탄화규소, 그래파이트 구리, 강철, 스테인레스강, 그래파이트, 주철 또는 이들의 조합을 포함한 어떠한 적합한 열전도 재료도 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 실시형태와 같이, 이러한 실시형태는 상단층(210)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 이러한 실시형태는 상단층(210)을 포함하지 않는다.

도 2에는 외측 에지에 부속물 부재(appendage member)(231)를 갖는 전도 내화물(230)이 도시되어 있다. 전도 내화물(230)의 부속물 부재(231)는 전도 내화물을 핫 페이스 내화물(220)에 위치된 수용 슬롯(232) 내에 고정한다. 핫 페이스 내화물을 전도 내화물에 고정하는 것은 전도 내화물이 본 장치로부터 헐거워지는 것을 방지한다. 일 실시형태에서는, 부속물 부재(231) 및 수용 슬롯(232)이 포함된다. 또 다른 실시형태에서는, 부속물 부재(231) 및 수용 슬롯(232)이 포함되지 않는다. 다른 실시형태에서는, 전도 내화물을 고정하는 다른 수단이 포함된다.

도 2에 도시된 방향성 응고 몰드(201)는 또한 상단층(210)을 포함한다. 상단층은 하나 이상의 미끄럼면 내화재를 포함한다. 미끄럼면 내화재는 어떠한 적합한 내화재도 포함할 수 있다. 미끄럼면 내화재는 퓨즈드 이산화규소, 이산화규소, 산화알루미늄, 질화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함한다. 상단층(210)은 방향성을 갖는 상태로 응고된 실리콘을 몰드로부터 제거할 때에 방향성 응고 몰드의 나머지 부분을 손상으로부터 보호하기 위한 것이다. 예컨대, 도 2에서의 방향성 응고 몰드(201)의 나머지 부분은 핫 페이스 내화물(220) 및 전도 내화물(230)이다. 상단층(210)은 도 2에 도시된 바와 같이 그 전반에 걸쳐 대략적으로 일정한 두께 및 조성으로 될 수 있다. 다른 실시형태에서, 상단층은 변화될 수 있는 두께 또는 조성을 가질 수 있다. 이와 달리, 상단층의 몇몇 부분은 대략적으로 일정한 두께 및 조성으로 될 수 있고, 상단층의 다른 부분은 변화될 수 있는 두께 또는 조성을 가질 수 있다. 고체 상태의 실리콘을 제거할 때에 방향성 응고 몰드의 나머지 부분을 손상으로부터 보호함에 있어서, 그리고 고체 상태의 실리콘의 제거를 용이하게 함에 있어서, 실리콘을 제거할 때에 상단층이 부분적으로 또는 전체적으로 손상될 수 있다. 상단층은 본 장치의 하나 이상의 사용 도중에 교체되거나 수리될 수 있다. 상단층은 어떠한 적합한 방식으로도 도포될 수 있다. 상단층은 스프레이로서 도포되거나, 또는 브러싱(brushing)될 수 있다. 또 다른 예에서, 상단층은 트롤을 이용하여 도포될 수 있고, 또한 젖은 시멘트처럼 스프레드될 수 있다. 도포 후에, 상단층은 건조 및 굳어짐이 허용될 수 있다. 일부 실시형태에서, 상단층을 위한 결합제(binder)로서 콜로이달 실리카(colloidal silica)가 이용될 수 있으며, 이 결합제는 미끄럼면 내화물 스프레이를 위한 용도로도 이용된다. 상단층은 건조를 위해 그리고 사용을 준비하기 위해 이용되기 전에 가열될 수 있다.

도 2에 도시된 장치(200)의 절연층(202)은 적어도 부분적으로 방향성 응고 몰드(201)의 측면과 외측 자켓(203)의 측면 사이에 위치된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 특정 실시형태의 절연층은 외측 자켓의 바닥의 내측면으로부터 위쪽으로 연장한다. 전술한 바와 같이, 다양한 구성의 절연층이 본 발명의 실시형태로서 포괄된다. 도 2에 도시된 절연층(202)은 2개의 층, 즉 내측 층(240)과 외측 층(250)을 포함한다. 이들 층(240, 250)은 어떠한 적합한 절연재도 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 외측 절연층(250)은 세라믹 페이퍼 및 고온 세라믹 보드를 포함한다. 일 실시형태에서, 외측 절연층(250)은 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 고온 세라믹 보드, 또는 이들의 조합을 포함한다. 일 실시형태에서, 내측 절연층(240)은 절연 브릭 또는 내화재를 포함하며, 여기서 내화재는 캐스터블 내화재(castable refractory material)를 포함할 수 있다.

도 2에 도시된 장치(200)의 외측 자켓(203)은 어떠한 적합한 재료도 포함한다. 예컨대, 외측 자켓(203)은 강철 또는 스테인레스강을 포함한다. 도 2에서, 외측 자켓은 외측 절연층(250) 위에 연장하고 또한 부분적으로 내측 절연층(240)의 상단 위에 연장하는 것으로 도시되어 있으며, 전술한 바와 같이 다양한 구성의 절연층이 본 발명의 실시형태로서 포괄된다.

도 2에 도시된 장치(200)는 앵커(anchor)(260)를 포함한다. 앵커는 본 장치의 내화물층을 고정하여 내화물층이 헐거워지는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 도 2에서, 앵커(260)는 핫 페이스 내화물(220)을 내측 절연층(240)에 고정하고, 장치를 안정하게 하는데 도움을 줄 수 있다. 다른 실시형태에서, 앵커는 외측 자켓에 픽스(fix)될 수 있으며, 임의의 개수의 층을 관통하여 연장하여 이들을 고정할 수 있다. 다른 실시형태에서, 앵커는 임의의 적합한 층에서 출발하여 임의의 적합한 층에서 종료될 수 있다. 앵커는 어떠한 적합한 재료도 포함할 수 있다. 예컨대, 앵커는 강철, 스테인레스강, 또는 주철을 포함할 수 있다. 앵커는 어떠한 적합한 형상으로도 될 수 있고, 어떠한 적합한 방향으로도 될 수 있다. 본 발명의 장치를 앵커(260), 부속물(231) 및 슬롯(232), 이들의 조합, 또는 다른 고정 수단으로 고정함으로써, 본 장치는 더 긴 수명을 가질 수 있고, 최소의 손상으로 더욱 다양한 처리를 견뎌낼 수 있다. 또한, 본 장치를 앵커(260), 부속물(231) 및 슬롯(232), 이들의 조합, 또는 다른 고정 수단으로 고정하는 것은, 본 장치가 뒤집어 진 경우에 층들이 장치의 밖으로 떨어져 나오는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.

상단 히터

일 실시형태에서, 본 발명은 또한 상단 히터를 포함한다. 상단 히터는 바닥 몰드의 상단에 위치될 수 있다. 상단 히터의 바닥의 형상은 바닥 몰드의 상단의 형상과 대략적으로 부합한다. 상단 히터는 바닥 몰드의 상단에 열을 가하여 그 안의 실리콘을 가열할 수 있다. 바닥 몰드에 열을 가하는 것은 바닥 몰드에서의 실리콘의 용융을 야기할 수 있다. 또한, 바닥 몰드에 열을 가하는 것은 바닥 몰드에서의 실리콘의 온도의 제어를 가능하게 할 수 있다. 또한, 상단 히터는 가열하지 않는 상태로 바닥 몰드의 상단 상에 위치되어, 바닥 몰드의 상단으로부터 열의 방출을 제어하기 위한 절연부로서 작용할 수 있다. 바닥 몰드의 상단의 온도 또는 열의 방출을 제어함으로써, 요구된 온도 구배가 더욱 용이하게 달성될 수 있으며, 이것은 보다 고도로 제어된 방향성 응고(more highly controlled directional solidification)를 가능하게 할 수 있다. 궁극적으로, 온도 구배를 통한 제어는 더욱 효과적인 방향성 응고를 가능하게 할 수 있으며, 이것은 그 결과의 실리콘의 순도가 최대화되게 한다. 일 실시형태에서는, 노 챔버(furnace chamber) 내부의 온도를 모니터하기 위해 B 타입 서모커플(type B thermocouple)을 이용할 수 있다.

도 3은 상단 히터(300)를 도시하고 있다. 상단 히터는 하나 이상의 가열 부재(310)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 부재의 각각은 어떠한 적합한 재료를 독립적으로 포함할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 가열 부재의 각각은 가열 요소를 독립적으로 포함할 수 있고, 여기서 가열 요소가 탄화규소, 이규화몰리브덴(molybdenum disilicide), 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있거나, 또는 하나 이상의 가열 부재의 각각이 이와 달리 인덕션 히터를 독립적으로 포함할 수 있다. 일 실시형태에서, 하나 이상의 가열 부재는 대략 동일한 높이로 위치된다. 또 다른 실시형태에서, 하나 이상의 가열 부재는 상이한 높이에 위치된다.

일례에서, 가열 요소는 어떠한 장점을 갖는 탄화규소를 포함한다. 예컨대, 탄화규소 가열 요소는 산소의 존재 시에 고온에서 부식되지 않는다. 진공 챔버를 이용함으로써 부식 가능한 재료를 포함하는 가열 요소에 대해 산소 부식(oxygen corrosion)이 감소될 수 있지만, 탄화규소 가열 요소는 진공 챔버 없이도 부식을 방지할 수 있다. 또한, 탄화규소 가열 요소는 수냉식 리드(water-cooled lead) 없이 이용될 수 있다. 일 실시형태에서, 가열 요소는 진공 챔버 내에서 이용되거나, 수냉식 리드와 함께 이용되거나, 또는 진공 챔버 내에서 이용됨과 아울러 수냉식 리드와 함께 이용된다. 또 다른 실시형태에서, 가열 요소는 진공 챔버 없이 이용되거나, 수냉식 리드 없이 이용되거나, 또는 진공 챔버도 없고 수냉식 리드도 없이 이용된다.

일 실시형태에서, 하나 이상의 가열 부재는 인덕션 히터이다. 인덕션 히터는 하나 이상의 내화재 내로 주조(cast)될 수 있다. 그리고나서, 유도 가열 코일 또는 코일들을 포함하는 내화재가 바닥 몰드 위에 위치될 수 있다. 내화재는 어떠한 적합한 재료도 포함할 수 있다. 예컨대, 내화재는 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화크륨, 탄화규소, 그래파이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 인덕션 히터는 하나 이상의 내화재 내에 주조되지 않는다.

일 실시형태에서, 하나 이상의 가열 부재는, 하나 이상의 가열 부재가 고장나면, 임의의 나머지 기능의 가열 부재가 전기를 수신하고 열을 발생하는 것을 지속한다. 일 실시형태에서, 각각의 가열 부재는 자신의 회로를 갖는다.

상단 히터는 절연부를 포함할 수 있으며, 예컨대 도 3에 도시된 상단 히터(300)는 절연부(320)를 포함한다. 절연부는 어떠한 적합한 절연재도 포함할 수 있다. 절연부는 하나 이상의 절연재를 포함할 수 있다. 예컨대, 절연부는 절연 브릭, 내화물, 내화물의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 절연 보드는 고온 세라믹 보드를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 절연재의 바닥 에지와 하나 이상의 가열 부재(310)는 대략 동일한 높이에 있다. 하나 이상의 가열 부재와 절연부의 다른 구성도 본 발명의 실시형태로서 포괄된다. 예컨대, 하나 이상의 가열 부재가 인덕션 히터를 포함할 수 있고, 절연부가 내화재를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 가열 부재가 내화재로 감싸여질 수 있다. 이러한 실시형태에서, 추가의 절연재 또한 필요한 경우에 포함될 수 있으며, 추가의 절연재는 내화재일 수도 있고, 또는 또 다른 적합한 절연재일 수도 있다. 또 다른 예에서, 하나 이상의 가열 부재는 인덕션 히터를 포함할 수 있으며, 가열 부재는 도 3에 도시된 바와 같이 위치될 수 있거나, 또는 유사하게 내화재로 감싸여지지 않는 또 다른 구성으로 위치될 수 있다. 또 다른 예에서, 하나 이상의 가열 부재가 절연부의 바닥 에지의 높이 위에 위치될 수 있다. 또 다른 예에서, 절연부의 바닥 에지가 하나 이상의 가열 부재의 높이 위에 위치될 수 있다. 하나 이상의 가열 부재가 상이한 높이로 위치되는 실시형태에서, 절연부의 에지는 가열 부재들의 높이의 중간에 위치될 수도 있고, 또는 전술한 바와 같이 다른 구성으로 될 수도 있다.

상단 히터는 외측 자켓을 포함할 수 있으며, 예컨대 도 2에 도시된 상단 히터(300)는 외측 자켓(330)을 포함한다. 외측 자켓은 어떠한 적합한 재료도 포함할 수 있다. 예컨대, 외측 자켓은 강철 또는 스테인레스강을 포함할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 외측 자켓은 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함한다. 절연부(320)는 적어도 부분적으로는 하나 이상의 가열 부재와 외측 자켓 사이에 위치된다. 도 3에서, 외측 자켓(330)의 바닥 에지는 절연부의 바닥 에지 및 하나 이상의 가열부와 대략적으로 평행한 것으로 도시되어 있다. 그러나, 하나 이상의 가열 부재 및 절연부에 대해 전술한 바와 같이, 다양한 구성의 외측 자켓, 절연부 및 하나 이상의 가열 부재가 본 발명의 실시형태로서 포괄된다. 예컨대, 외측 자켓의 에지가 절연부의 에지와 하나 이상의 가열 부재 아래에 연장할 수 있다. 또 다른 예에서, 외측 자켓의 에지가 절연부의 에지 아래에 연장하거나, 하나 이상의 가열 요소 아래에 연장하거나, 또는 절연부의 에지 및 하나 이상의 가열 요소 아래에 연장할 수 있다. 일례에서, 외측 자켓은 절연부의 바닥 에지 아래에 연장하고, 절연부의 바닥 에지를 전체적으로 또는 부분적으로 덮는 상태로 연속적으로 가로지를 수 있다. 일부 실시형태에서, 절연부의 에지를 덮는 외측 자켓의 부분은 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화크롬, 탄화규소, 그래파이트 또는 이들의 조합 등의 적합한 내화물과 같은 비교적 낮은 전도율을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 외측 자켓은 절연부의 바닥 에지 또는 하나 이상의 가열 부재의 높이 아래에 연장하지 않는다. 또 다른 실시형태에서, 외측 자켓은 하나 이상의 가열 부재의 높이 아래에 연장하지만, 여전히 절연부의 바닥 에지 위에 있다. 하나 이상의 가열 부재가 상이한 높이에 위치되는 실시형태에서, 외측 자켓은 가열 요소들의 높이들의 중간에 있는 높이까지 연장할 수도 있고, 또는 전술한 바와 같이 임의의 다른 구성으로 될 수도 있다.

일부 실시형태에서, 상단 히터 외측 자켓은 구조 부재를 포함할 수 있다. 구조 부재는 상단 히터에 강도 및 강성도를 추가할 수 있다. 구조 부재는 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일례에서, 상단 히터 외측 자켓은, 상단 히터의 중앙으로부터 멀어지는 방향으로 상단 히터 외측 자켓의 외측면으로부터 연장하고, 상단 히터의 원주 또는 둘레 주위에 수평으로 연장하는 하나 이상의 구조 부재를 포함할 수 있다. 하나 이상의 수평 구조 부재는 예컨대 상단 히터 외측 자켓의 외측면의 하부 에지에 위치되거나, 상단 히터 외측 자켓의 외측면의 상단 에지에 위치하거나, 상단 히터 외측 자켓의 외측면의 바닥 에지와 상단 에지의 중간에 있는 임의의 위치에 위치될 수 있다. 일례에서, 상단 히터는 3개의 수평 구조 부재를 포함하며, 그 중 하나가 상단 히터 외측 자켓의 바닥 에지에 위치되고, 다른 하나가 상단 히터 외측 자켓의 하부 에지에 위치되며, 나머지 하나가 상단 히터 외측 자켓의 하부 에지와 상부 에지의 중간에 위치된다. 상단 히터 외측 자켓은, 상단 히터의 중앙으로부터 멀어지는 방향으로의 상단 히터 외측 자켓의 외측면에 대하여 상단 히터 자켓의 외측면의 바닥으로부터 상단 히터 외측 자켓의 외측면의 상단으로 수직으로 연장하는 하나 이상의 구조 부재를, 상단 히터 외측 자켓의 외측면 상에 포함할 수 있다. 일례에서, 상단 히터 외측 자켓은 8개의 수직 구조 부재를 포함할 수 있다. 수직 구조 부재는 상단 히터의 원주 또는 둘레 주위에 균등하게 이격될 수 있다. 또 다른 예에서, 상단 히터 외측 자켓은 수직 구조 부재와 수평 구조 부재 둘 다를 포함한다. 상단 히터 외측 자켓은 상단 히터 외측 자켓의 상단을 가로질러 연장하는 구조 부재를 포함할 수 있다. 상단 위의 구조 부재는 상단 히터 외측 자켓의 상단의 하나의 외측 에지로부터 상단 히터 외측 자켓의 상단의 또 다른 에지까지 연장할 수 있다. 상단 위의 구조 부재는 또한 부분적으로 외측 자켓의 상단을 가로질러 연장할 수 있다. 구조 부재는 스트립(strip), 바(bar), 튜브, 또는 상단 히터에 구조 지지부를 추가하기에 적합한 임의의 구조일 수 있다. 구조 부재는 용접, 납땜(brazing), 또는 임의의 다른 적합한 방법을 통해 상단 히터 외측 자켓에 부착될 수 있다. 구조 부재는 장치의 운송 및 물리적 조작을 용이하게 하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 상단 히터 외측 자켓의 외측면의 상단 위의 구조 부재는, 특정한 지게차(fork-lift) 또는 기타 리프팅 기계가 상단 히터를 들어올리거나 이동시키거나 또는 물리적으로 조작할 수 있도록, 충분한 크기, 강도, 배향, 간격 또는 이들의 조합의 튜브로 될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 상단 히터 외측 자켓의 외측면 상에 위치되는 것으로서 위에서 설명된 구조 부재는 이와 달리 또는 이에 추가하여 상단 히터 외측 자켓의 내측면에 위치될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 상단 히터는 상단 히터의 구조 부재 또는 상단 히터의 구조 부재가 아닌 부재(non-structural member)에 부착된 체인을 포함한 상단 히터에 부착된 체인을 사용하여 크레인 또는 기타 리프팅 장치를 이용하여 이동될 수 있다. 예컨대, 상단 히터를 들어올리고 다른 방식으로 이동시키기 위해 크레인용 브라이들(bridle)을 형성하도록 상단 히터 외측 자켓의 상부 에지에 4개의 체인이 부착될 수 있다.

냉각

전술한 바와 같이, 장치에서의 온도 구배를 제어함으로써, 고도로 제어된 방향성 응고가 달성될 수 있다. 온도 구배 및 대응하는 방향성 결정화를 통한 높은 정도의 제어는 더욱 효과적인 방향성 응고를 가능하게 하여, 고순도의 실리콘을 제공할 수 있다. 본 발명에서, 방향성 결정화가 대략적으로 바닥에서부터 상단으로 진행하므로, 원하는 온도 구배는 바닥에서는 낮은 온도를 갖고, 상단에서는 높은 온도를 갖는다. 상단 히터를 갖는 실시형태에서, 상단 히터는 방향성 응고 몰드의 상단으로부터의 열의 진입 또는 손실을 제어하기 위한 한 가지 방법이 된다. 일부 실시형태는 장치의 바닥으로부터 열손실을 유도하기 위해 방향성 응고 몰드에 전도 내화재를 포함하는 한편, 일부 실시형태는 방향성 응고 몰드의 측면으로부터의 열손실을 방지하며 수직 열 구배의 형성을 촉진하고 수평 열 구배의 형성을 촉진하기 위해 방향성 응고 몰드의 측면 상에 절연재를 포함한다. 본 발명을 이용하는 일부 방법에서는, 장치의 바닥으로부터의 열손실을 제어하기 위해, 장치의 바닥을 가로질러, 예컨대 외측 자켓의 바닥을 가로질러, 팬(fan)이 바람을 일으킬 수 있다. 본 발명을 이용하는 일부 방법에서는, 본 장치의 바닥을 포함한 본 장치를 냉각시키기 위해 팬을 이용하지 않는 주변 공기의 순환이 이용된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 하나 이상의 열전달 핀(fin)이 본 장치의 공냉을 가능하게 하기 위해 외측 자켓의 바닥에 부착될 수 있다. 팬이 외측 자켓의 바닥을 가로질러 바람을 일으킴으로써 냉각 핀의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 어떠한 적합한 개수의 핀도 이용될 수 있다. 하나 이상의 핀은 본 장치의 바닥으로부터 열을 흡수할 수 있고, 열을 핀의 표면적에 의해 가능하게 되는 공냉에 의해 제거할 수 있다. 예컨대, 핀은 구리, 주철, 강철 또는 스테인레스강으로 구성될 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 하나 이상의 액체 콘딧이 포함된다. 하나 이상의 액체 콘딧은 냉각액이 콘딧을 통과할 수 있도록 구성되어, 열을 방향성 응고 몰드에서 먼 쪽으로 전달한다. 냉각액은 어떠한 적합한 냉각액도 가능하다. 냉각액은 하나의 액체이어도 된다. 냉각액은 하나보다 많은 액체의 혼합물이어도 된다. 냉각액은 물, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 오일, 오일들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 하나 이상의 액체 콘딧은 튜브를 포함한다. 튜브는 어떠한 적합한 재료도 포함할 수 있다. 예컨대, 튜브는 구리, 주철, 강철, 스테인레스강, 내화물, 내화물들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 하나 이상의 액체 콘딧은 소정의 재료를 통과하는 콘딧을 포함할 수 있다. 콘딧은 임의의 적합한 재료를 통과할 수 있다. 예컨대, 콘딧은 구리, 탄화규소, 그래파이트, 주철, 강철, 스테인레스강, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료를 통과할 수 있다. 하나 이상의 액체 콘딧은 소정의 재료를 통과하는 콘딧과 튜브의 조합으로 될 수 있다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 액체 콘딧은 본 장치의 바닥에 인접하여 위치될 수 있다. 하나 이상의 액체 콘딧은 본 장치의 바닥 내에 위치될 수 있다. 하나 이상의 액체 콘딧의 위치는 장치의 바닥에 인접한 동시에 장치의 바닥 내에 있게 되는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에 포함된 액체 콘딧은 냉각액을 방향성 응고 몰드로부터 먼 쪽으로 전달할 수 있도록 하는 다양한 구성을 포괄한다. 냉각액을 이동시키기 위해 펌프가 사용될 수 있다. 냉각액으로부터 열을 제거하기 위해 냉각 시스템이 사용될 수 있다. 예컨대, 파이프를 포함하는 하나 이상의 튜브가 사용될 수 있다. 하나 이상의 튜브는 둥근 형태, 정사각 형태 또는 평탄한 형태를 포함한 어떠한 적합한 형상으로도 될 수 있다. 튜브는 고리 모양으로 감겨질 수 있다. 튜브는 외측 자켓의 외측면에 인접하게 될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 튜브는 외측 자켓의 외측면의 바닥에 인접하게 될 수 있다. 튜브는 충분한 표면적 접촉이 발생하여 장치로부터 냉각액으로의 효율적인 열전달이 이루어질 수 있도록 외측 자켓에 접촉할 수 있다. 튜브는 튜브의 에지를 따라서 접촉이 이루어지는 것을 포함한 어떠한 적합한 양상으로도 외측 자켓과 접촉할 수 있다. 튜브는 외측 자켓의 외측면에 어떠한 적합한 방법에 의해서도 용접되거나, 납땜되거나, 솔더링(soldering)되거나, 부착될 수 있다. 튜브는 열전달의 효율을 향상시키기 위해 외측 자켓의 외측면에 대해 평탄화될 수 있다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 액체 콘딧은 바닥 몰드의 바닥을 통과하여 연장하는 하나 이상의 콘딧이다. 바닥 몰드의 바닥을 통과하여 연장하는 콘딧은 방향성 응고 몰드에 포함되는 내화물로 감싸여진 튜브이어도 된다. 튜브는 외측 자켓의 하나의 부분에 진입하고, 방향성 응고 몰드의 바닥에 있는 내화재 또는 전도성 재료 또는 이들의 조합을 통해 연장하고, 외측 자켓의 또 다른 부분을 빠져나올 수 있다. 방향성 응고 몰드의 바닥 내화물 또는 바닥 전도 재료로 감싸여진 튜브는 고리 모양으로 감겨질 수 있거나, 또는 장치의 바닥을 빠져나오기 전에 1회 이상 전후로 이동하는 것을 포함한 어떠한 적합한 형상으로도 배열될 수 있다.

또 다른 실시형태에서, 하나 이상의 액체 콘딧은 내화재, 열전도성 재료, 또는 이들의 조합으로 감싸여진 튜브를 포함하며, 여기서 재료는 장치가 위에 배치되도록 하기에 충분한 정도로 큰 재료의 덩어리이다. 콘딧은 임의의 적합한 재료를 통과할 수 있다. 예컨대, 콘딧은 구리, 탄화규소, 그래파이트, 주철, 강철, 스테인레스강, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 재료를 통과할 수 있다. 냉각액은 바닥 몰드가 그 위에 위치하는 내화재로부터 열을 제거할 수 있으며, 이에 의해 장치의 바닥으로부터 열을 제거한다.

개괄

도 4는 바닥 몰드(420)의 상단 위에 위치된 상단 히터부를 포함하는 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치(400)의 구체적인 실시형태를 도시한다. 상단 히터는 수직 구조 부재(403)의 구멍(402)을 통해 상단 히터(410)에 연결되는 체인(401)을 포함한다. 체인(401)은 상단 히터가 크레인의 사용에 의해 이동될 수 있도록 하는 브라이들을 형성한다. 장치는 또한 예컨대 상단 히터를 하반부 위에 유지하면서 장치의 하반부를 시저 리프트(scissor lift) 상에 위치시킴으로써 이동될 수 있다. 본 장치는 어떠한 적합한 양상으로도 이동될 수 있다. 수직 구조 부재(403)는 상단 히터(410)의 외측 자켓의 바닥 에지로부터 상단 히터(410)의 스테인레스강 외측 자켓의 상단 에지까지 수직으로 연장한다. 수직 구조 부재는 상단 히터 외측 자켓의 외측면 상에 위치되고, 상단 히터의 중앙으로부터 멀어지는 방향에 평행한 자켓으로부터 연장한다. 상단 히터는 또한 수평 구조 부재(404)를 포함하며, 이 수평 구조 부재는 상단 히터 외측 자켓의 외측면 상에 위치되고, 상단 히터의 중앙으로부터 멀어지는 방향에 평행을 이루는 방향으로 자켓으로부터 연장한다. 상단 히터는 또한 상단 히터의 외측 자켓의 일부분인 립(lip)(405)을 포함한다. 립은 상단 히터의 외측 자켓으로부터 먼 쪽으로 돌출한다. 립은 상단 히터의 절연부를 어떠한 적합한 정도까지 덮도록 상단 히터의 중앙축을 향해 안쪽으로 연장할 수 있다. 이와 달리, 립은 상단 히터의 외측 자켓의 하단 에지를 덮기에 충분한 정도로만 안쪽으로 연장할 수 있다. 스크린 박스(screen box)(406)가 상단 히터의 외측 자켓으로부터 돌출하는 가열 부재의 끝부분을 둘러싸서, 이들 부재의 끝부분 및 그 부근에 제공될 수 있는 열과 전기로부터 사용자를 보호한다.

도 4에 도시된 구체적인 실시형태에서, 바닥 몰드(420)로부터의 절연부(411)는 상단 히터(410)와 바닥 몰드(420) 사이에 있다. 바닥 몰드의 하나 이상의 절연층의 적어도 일부분이 바닥 몰드의 외측 자켓의 높이 위에서 연장한다. 바닥 몰드는 수직 구조 부재(412)를 포함한다. 수직 구조 부재(412)는 바닥 몰드의 외측 자켓의 외측 표면 상에 있으며, 바닥 몰드의 중앙으로부터 멀어지는 방향에 평행한 외측 자켓으로부터 멀어지도록 연장한다. 수직 구조 부재(412)는 외측 자켓의 바닥 에지로부터 외측 자켓의 상단 에지까지 수직으로 연장한다. 바닥 몰드는 또한 수평 구조 부재(413)를 포함한다. 수평 구조 부재(413)는 바닥 몰드의 외측 자켓의 외측 표면 상에 있으며, 바작 몰드의 중앙으로부터 멀어지는 방향에 평행한 외측 자켓으로 멀어지도록 연장한다. 수평 구조 부재(413)는 바닥 몰드의 원주 주위에 수평으로 연장한다. 바닥 몰드는 또한 바닥 구조 부재(414, 415)를 포함한다. 바닥 구조 부재(414, 415)는 바닥 몰드의 중앙으로부터 멀어지는 방향에 평행한 외측 자켓으로부터 멀어지도록 연장한다. 바닥 구조 부재는 바닥 몰드의 바닥을 가로질러 연장한다. 바닥 구조 부재(415)의 몇몇은 이들이 지게차 또는 기타 기계로 하여금 장치를 들어올리거나 또는 물리적으로 취급하게 할 수 있도록 하는 형성으로 된다.

도 5는 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치의 실시형태의 일부분인 상단 히터(500)의 바닥 쪽에서 본 도면이다. 이 구체적인 실시형태에서, 외측 자켓은 상단 히터의 바닥 에지에 있는 절연층(520)의 일부분 위에 연장한다. 가열 부재(530)는 동일한 높이에 있으며, 상단 히터(510) 및 절연부(520)의 외측 자켓의 바닥 에지는 가열 요소의 높이 아래에 있다.

도 6은 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치(600)의 실시형태의 방향성 응고 몰드의 내측면 쪽으로 본 도면이다. 이 구체적인 실시형태에서, 외측 자켓(610)의 에지는 절연층(620)의 에지 위에 연장하지 않는다. 외려, 절연층(620)이 방향성 응고 몰드(630)의 상단 에지 위에 연장한다. 방향성 응고 몰드의 상단 에지는 절연부(620)와 외측 자켓(610)의 상단 에지의 높이 아래에 있다. 실시형태의 전체적인 3차원 형상은 두꺼운 벽을 갖는 대형 사발의 형상과 유사하다.

도 7은 본 발명의 장치 및 방법의 실시형태에 의해 생성된 실리콘 잉곳(700)을 도시하고 있다. 잉곳은 잉곳의 바닥(701)이 위쪽으로 향하고, 잉곳의 상단(702)이 아래쪽으로 향하는 상태로 도시되어 있다. 본 발명의 실시형태에서의 방향성 결정화에 의해 생성된 후, 잉곳(700)은 잉곳의 상단(702)에 있는 최종 동결 부분(last-to-freeze portion)에서 불순물의 최대량을 갖는다. 그러므로, 일부 실시형태에서, 잉곳(700)의 전체 순도를 증가시키기 위해 잉곳의 상단(702)이 예컨대 띠톱(band saw)을 이용하여 제거된다.

사용 방법

본 발명은 전술한 장치를 이용하여 실리콘을 정제하는 방법을 제공하며, 여기서 이 장치는 본 발명의 어떠한 실시형태로도 이루어질 수 있다. 실리콘을 정제하는 방법은 하나 이상의 솔라 웨이퍼로 절단하기 위한 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법이 될 수 있다. 이 방법은 제1 실리콘을 제공하거나 받아들이는 단계를 포함한다. 제1 실리콘은 어떠한 적합한 등급의 순도의 실리콘을 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 실리콘을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 제1 실리콘을 완전히 용융시키는 단계를 포함할 수 있다. 제1 실리콘을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계는, 제1 실리콘을 완전하게 용융시키는 단계, 제1 실리콘을 거의 완전하게 용융시키는 단계(중량당 약 99%, 95%, 90%, 85% 또는 80%의 용융 중의 어느 하나 이상으로), 또는 제1 실리콘을 부분적으로 용융시키는 단계(중량당 약 90% 이하의 용융 미만으로)를 포함할 수 있다. 제1 실리콘을 용융시키는 단계는 제1 용융 실리콘을 제공한다. 이 방법은 방향성 응고 장치를 제공하거나 수용하는 단계를 포함한다. 방향성 응고 장치는 전술한 것과 실질적으로 유사할 수 있다. 이 방법은 제1 용융 실리콘을 제공하기 위해 제1 실리콘을 방향성으로 응고하는 단계를 포함한다. 방향성 응고에서는, 실리콘의 응고가 대략적으로 방향성 응고 몰드의 바닥에서 시작하여 대략적으로 방향성 응고 몰드의 상단에서 종료한다. 방향성 응고는 제2 실리콘을 제공한다. 제2 실리콘의 최종 동결 부분은 제1 실리콘보다 높은 농도의 불순물을 포함한다. 최종 동결 부분 이외의 제2 실리콘의 부분은 제1 실리콘보다 낮은 불순물 농도를 포함한다.

제2 실리콘은 실리콘 잉곳일 수 있다. 실리콘 잉곳은 태양 전지의 제조를 위해 솔라 웨이퍼로 절단하는데 적합할 수 있다. 실리콘 잉곳은 예컨대 띠톱, 와이어 톱(wire saw), 또는 임의의 적합한 절단 장치를 이용하여 솔라 웨이퍼로 절단될 수 있다.

일부 실시형태에서, 본 방법은 진공 상태, 불활성 분위기, 또는 주변 공기(ambient air)에서 수행된다. 본 방법을 진공 상태에서 또는 불활성 분위기에서 수행하기 위해, 대기압 미만으로 될 수 있거나 또는 주변 공기보다 높은 농도의 불활성 가스를 갖는 분위기로 채워질 수 있는 챔버에 장치가 위치될 수 있다. 일부 실시형태에서는, 장치로부터 산소를 방출시키기 위해 장치에 또는 장치를 유지하고 있는 챔버에 아르곤이 펌핑될 수 있다.

일부 실시형태에서, 본 방법은 방향성 응고 몰드 위에 전술한 상단 히터를 위치시키는 단계를 포함한다. 방향성 응고 몰드를 포함하는 바닥 몰드는 용융된 실리콘이 추가되기 전에 사전 가열될 수 있다. 상단 히터는 바닥 몰드를 사전 가열하기 위해 이용될 수 있다. 바닥 몰드를 사전 가열하는 것은 몰드의 벽 상에서의 실리콘의 과도하게 신속한 응고를 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 상단 히터는 제1 실리콘을 용융시키기 위해 이용될 수 있다. 상단 히터는 실리콘이 용융된 후에 실리콘에 열을 전달하기 위해 이용될 수 있다. 상단 히터는 실리콘이 방향성 응고 몰드에서 용융되는 때에는 용융된 후에 실리콘에 열을 전달할 수 있다. 상단 히터는 실리콘의 상단의 열을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 상단 히터는 바닥 몰드의 상단에서의 열손실의 양을 제어하기 위해 절연체로서 이용될 수 있다. 제1 실리콘은 노에서와 같이 장치의 외부에서 용융되고, 그 후 장치에 추가될 수 있다. 일부 실시형태에서, 장치의 외부에서 용융되는 실리콘은 장치에 추가된 후에 상단 히터를 이용하여 원하는 온도로 추가로 가열될 수 있다.

인덕션 히터를 포함하는 상단 히터를 포함하는 실시형태에서, 실리콘은 바닥 몰드에 추가되기 전에 용융되는 것이 바람직할 것이다. 이와 달리, 상단 히터는 인덕션 히터뿐만 아니라 가열 요소를 포함할 것이다. 유도 가열은 용융 실리콘에 더욱 효과적인 것이 될 수 있다. 유도는 용융 실리콘의 혼합을 야기할 수 있다. 일부 실시형태에서는, 너무 많은 혼합이 불순물의 분리(segregation)를 향상시킬 수 있지만 최종적인 실리콘 잉곳에서 바람직하지 않은 다공성(porosity)을 생성할 수 있음에 따라, 혼합의 양을 최적화하기 위해 파워가 충분히 조정될 수 있다.

방향성 응고는 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열의 제거를 포함할 수 있다. 열의 제거는 어떠한 적합한 양상으로도 발생할 수 있다. 예컨대, 열의 제거는 방향성 응고 장치의 바닥을 가로질러 팬의 바람을 일으키는 것을 포함할 수 있다. 열의 제거는 팬을 사용하지 않고 주변 공기로 하여금 장치의 바닥을 냉각시키는 것을 포함할 수 있다. 열의 제거는 장치의 바닥에 인접한 튜브를 통해, 장치의 바닥을 통해 연장하는 튜브를 통해, 장치가 그 위에 위치하는 재료를 통해 연장하는 튜브를 통해, 또는 이들의 조합으로 냉각액을 이동시키는 단계를 포함할 수 있다. 장치의 바닥으로부터의 열의 제거는, 대략적으로 방향성 응고 몰드의 바닥에서부터 몰드의 상단으로의 용융 실리콘의 방향성 응고를 야기하는 열구배가 장치에서 이루어지도록 한다.

장치의 바닥으로부터의 열의 제거는 방향성 응고의 전체 지속기간 동안 수행될 수 있다. 복수의 냉각 방법이 이용될 수 있다. 예컨대, 장치의 바닥이 액체 냉각될 수 있고, 또한 팬으로 냉각될 수 있다. 방향성 응고의 일부분에 대해서는 팬 냉각이 이루어질 수 있고, 또 다른 부분에 대해서는 액체 냉각이 이용될 수 있으며, 이때 이들 2가지 냉각 방법 간에는 어떠한 적합한 양의 중첩 기간이 있거나 또는 중첩 기간이 없을 수도 있다. 액체로 이루어지는 냉각은 방향성 응고의 일부분에 대해 발생할 수 있으며, 또 다른 부분에 대해서는 주변 공기 냉각이 단독으로 이용되며, 이때 이들 2가지 냉각 방법 간에는 어떠한 적합한 양의 중첩 기간이 있거나 또는 중첩 기간이 없을 수도 있다. 냉각된 덩어리의 재료 상에 장치를 설치함에 의한 냉각은 방향성 응고의 어떠한 적합한 지속기간 동안 발생할 수 있으며, 이때 냉각은 어떠한 적합한 양의 중첩 기간을 가지면서 다른 냉각 방법들과의 어떠한 적합한 조합으로 이루어질 수 있다. 바닥의 냉각은 상단에 열이 추가되고 있는 동안, 예컨대 상단의 온도를 증가시키거나, 상단의 온도를 유지하거나, 또는 특정한 속도의 상단의 냉각을 가능하게 하기 위해 상단에 열이 추가되는 동안에, 수행될 수 있다. 본 장치의 상단을 가열하고, 바닥을 냉각시키고, 어떠한 적합한 양의 상단을 가열하고 또한 바닥을 냉각시키는 모든 적합한 구성 및 방법은 이들의 시간적 중첩 유무를 불문하고 본 발명의 실시형태로서 포괄된다.

방향성 응고는 실리콘을 적어도 약 1450℃로 가열하기 위해 상단 히터를 이용하는 단계와, 실리콘의 상단의 온도를 대략 10 내지 16 시간에 걸쳐 대략 1450℃에서 1410℃로 천천히 냉각시키는 단계를 포함한다. 방향성 응고는 실리콘을 적어도 약 1450℃로 가열하기 위해 상단 히터를 이용하는 단계와, 실리콘의 상단의 온도를 대략 14 시간 동안 대략 1425℃와 1460℃ 사이에서 대략 일정하게 유지하는 단계를 포함한다. 방향성 응고는 상단 히터를 턴오프하는 단계와, 실리콘을 대략 4 내지 12 시간 동안 냉각되도록 하는 단계와, 상단 히터를 방향성 응고 몰드로부터 제거하는 단계를 포함한다.

일 실시형태에서, 방향성 응고는 실리콘을 적어도 약 1450℃로 가열하기 위해 상단 히터를 이용하는 단계와, 실리콘의 상단의 온도를 대략 14시간 동안 대략 1425℃와 1460℃ 사이에서 대략 일정하게 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 실시형태는 상단 히터를 턴오프하는 단계와, 실리콘을 대략 4 내지 12 시간 동안 냉각되도록 하는 단계와, 상단 히터를 방향성 응고 몰드로부터 제거하는 단계를 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 방향성 응고는 실리콘을 적어도 약 1450℃로 가열하기 위해 상단 히터를 이용하는 단계와, 실리콘의 상단의 온도를 대략 10 내지 16시간에 걸쳐 대략 1450℃에서 1410℃로 천천히 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 실시형태는 상단 히터를 턴오프하는 단계와, 실리콘을 대략 4 내지 12 시간 동안 냉각되도록 하는 단계와, 상단 히터를 방향성 응고 몰드로부터 제거하는 단계를 포함한다.

본 방법은 방향성 응고 장치로부터 제2 실리콘을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 실리콘은 어떠한 적합한 방법에 의해서도 제거될 수 있다. 예컨대, 실리콘은 장치를 뒤집어서 제2 실리콘이 방향성 응고 몰드의 바깥으로 떨어져 나오도록 함으로써 제거될 수 있다. 또 다른 예에서, 방향성 응고 장치는 2개의 반부를 형성하도록 중간부가 갈라져서, 제2 실리콘을 몰드로부터 용이하게 제거될 수 있도록 한다.

본 방법은 방향성으로 응고된 제2 실리콘으로부터 어떠한 적당한 부분을 제거하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 적당한 부분의 제거는 실리콘 잉곳의 전체적인 순도를 증가시킨다. 예컨대, 본 방법은 방향성으로 응고된 제2 실리콘으로부터 최종 동결 부분의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 방향성으로 응고된 실리콘의 최종 동결 부분은 잉곳의 상단이며, 그 이유는 잉곳의 상단이 바닥에서 상단으로의 방향성 응고 동안에 지향되는 방향이기 때문이다. 가장 큰 불순물 농도는 일반적으로 응고된 실리콘의 최종 동결 부분에서 발생한다. 그러므로, 최종 동결 부분을 제거하는 것은 응고된 실리콘으로부터 불순물을 제거할 수 있으며, 이로써 제1 실리콘보다 낮은 불순물 농도를 갖는 다듬어진 제2 실리콘(trimmed-second silicon)로 된다. 실리콘의 일부분의 제거는 고체 상태의 실리콘을 띠톱으로 절단하는 단계를 포함할 수 있다. 실리콘의 일부분의 제거는 샷 블래스팅(shot blasting) 또는 에칭을 포함할 수 있다. 샷 블래스팅 또는 에칭은 또한 일반적으로 최종 동결 부분뿐만 아니라 제2 실리콘의 어떠한 외측 표면을 세정하거나 제거하기 위해 이용될 수도 있다.

실시형태

본 발명은 이하의 일례의 실시형태를 제공한다:

(실시형태 1) 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에 있어서,

하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드;

외측 자켓; 및

적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드와 상기 외측 자켓 사이에 배치되는 절연층

을 포함하는 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 2) 실시형태 1의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓, 및 상기 절연층은 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용되도록 구성되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 3) 실시형태 1 또는 2의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드는 적어도 약 1.4 메트릭톤의 실리콘을 수용하는 용량을 갖는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 4) 실시형태 1 내지 3 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 하나 이상의 내화재는 산화알루미늄, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화지르코늄, 산화크롬, 탄화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 5) 실시형태 1 내지 4 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 상기 방향성 응고 몰드의 바닥에 비하여 상이한 두께, 상이한 재료 조성, 또는 상이한 양의 재료를 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 6) 실시형태 1 내지 5 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 핫 페이스 내화물을 포함하며, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥은 전도 내화물을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 7) 실시형태 1 내지 6 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 산화알루미늄을 포함하고, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥은 탄화규소, 그래파이트 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 8) 실시형태 1 내지 7 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 절연층은 절연 브릭, 내화재, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 9) 실시형태 1 내지 8 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 절연층의 하나 이상의 측벽은 상기 절연층의 바닥에 비하여 상이한 두께, 상이한 재료 조성, 또는 상이한 양의 재료를 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 10) 실시형태 1 내지 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 절연층은 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽과 상기 외측 자켓의 하나 이상의 측벽 사이에 배치되며, 상기 절연층은 상기 방향성 응고 몰드의 바닥과 상기 외측 자켓의 바닥 사이에는 배치되지 않는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 11) 실시형태 1 내지 10 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 외측 자켓은 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 12) 실시형태 1 내지 11 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드로부터 방향성으로 응고된 실리콘의 제거를 허용하기에 충분한 드래프트(draft)를 더 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 13) 실시형태 1 내지 12 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 외측 자켓은 하나 이상의 구조 부재를 포함하며, 상기 구조 부재는 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 14) 실시형태 1 내지 13 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 냉각액을 통과하도록 하고 상기 방향성 응고 몰드로부터 먼 쪽으로 열을 전달하기 위한 크기 및 형상을 갖는 하나 이상의 액체 콘딧을 더 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 15) 실시형태 1 내지 14 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 물, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 오일, 오일들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택되는 냉각액을 더 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 16) 실시형태 14 또는 15의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 하나 이상의 상기 액체 콘딧은 구리, 주철, 강철, 스테인레스강, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 17) 실시형태 14 내지 16 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 하나 이상의 상기 액체 콘딧은 상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓 또는 상기 절연층의 바닥부에 인접하여 위치되거나 바닥부 내에 위치되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 18) 실시형태 1 내지 17 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 미끄럼면 내화재를 포함하는 상단층을 포함하며, 상기 상단층은 방향성으로 응고된 실리콘을 상기 방향성 응고 몰드로부터 제거할 때에 상기 방향성 응고 몰드의 나머지를 손상으로부터 보호하도록 구성되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 19) 실시형태 18의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 상단층은 그 전반에 걸쳐 실질적으로 일정한 두께 및 조성을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 20) 실시형태 18 또는 19의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 하나 이상의 미끄럼면 내화재는 퓨즈드(fused) 이산화규소, 이산화규소, 산화알루미늄, 질화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 21) 실시형태 18 내지 20 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 상단층은 실리콘의 제1 방향성 응고와 실리콘의 제2 방향성 응고 사이에서 교체되거나 수리되도록 구성되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 22) 실시형태 1 내지 21 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 하나 이상의 가열 부재를 포함하는 상단 히터를 더 포함하며, 상기 하나 이상의 가열 부재는 가열 요소 또는 인덕션 히터를 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 23) 실시형태 22의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 가열 요소는 탄화규소, 이규화몰리브덴, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 24) 실시형태 22 또는 23의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 하나 이상의 가열 부재에 파워를 공급하도록 구성된 전기 시스템을 더 포함하며, 상기 전기 시스템은 상기 가열 요소 중의 어느 하나가 고장나면, 나머지 가열 요소가 계속해서 전기를 수신하고 열을 발생하도록 상기 가열 부재에 연결되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 25) 실시형태 22 내지 24 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 상단 히터는 절연부를 더 포함하며, 상기 절연부는 절연 브릭, 내화물, 내화물들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 26) 실시형태 22 내지 25 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 상단 히터는 외측 자켓을 더 포함하며, 상기 절연부가 적어도 부분적으로 하나 이상의 가열 요소와 상기 상단 히터 외측 자켓 사이에 배치되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 27) 실시형태 26의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 상단 히터 외측 자켓은 하나 이상의 구조 부재를 더 포함하며, 상기 구조 부재는 강철, 스테인레스강, 구리, 주철, 내화재, 내화재들의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 28) 실시형태 26 또는 27의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 상기 상단 히터 외측 자켓은 스테인레스강을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 29) 실시형태 1 내지 28 중의 어느 하나의 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서, 제1 반부가 방향성으로 응고된 실리콘을 제거하기에 충분한 정도로 수직 심(vertical seam)을 따라 제2 반부로부터 분리될 수 있도록 구성되며,

상기 제1 반부와 상기 제2 반부가 상기 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치를 형성하도록 결합될 수 있고, 상기 실리콘의 방향성 응고 장치가 재사용될 수 있는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

(실시형태 30) 실리콘을 정제하는 방법에서,

제1 실리콘을 제공하거나 받아들이는 단계;

제1 용융 실리콘을 제공하기 위해 상기 제1 실리콘을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계; 및

제2 실리콘을 제공하기 위해, 상기한 실시형태 1 내지 29 중의 어느 하나의 실시형태의 방향성 응고 장치에서 상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계

를 포함하는 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 31) 실리콘을 정제하는 방법에서,

제1 실리콘을 제공하거나 받아들이는 단계;

하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드;

외측 자켓; 및

적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드와 상기 외측 자켓 사이에 배치되는 절연층

을 포함하는 방향성 응고 장치를 제공하거나 수용하는 단계;

제1 용융 실리콘을 제공하기 위해 상기 제1 실리콘을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계; 및

제2 실리콘을 제공하기 위해, 상기 방향성 응고 몰드에서 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계

를 포함하는 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 32) 실시형태 31의 실리콘을 정제하는 방법에서, 하나 이상의 솔라 웨이퍼로 절단하기 위한 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법이 되는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 33) 실시형태 31 또는 32의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 방향성 응고 몰드 위에 히터를 위치시키는 단계를 더 포함하되, 상기 히터를 위치시키는 단계는, 상기 방향성 응고 몰드 위에 가열 요소 및 인덕션 히터로부터 선택된 하나 이상의 가열 부재를 위치시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 34) 실시형태 31 내지 33 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 방향성 응고 장치에 제1 용융 실리콘을 추가하는 단계를 더 포함하며,

상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계는, 상기 방향성 응고 장치 외측에서 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 35) 실시형태 31 내지 34 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계는, 방향성 응고 전에 상기 방향성 응고 장치 내측에서 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 36) 실시형태 31 내지 35 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계는, 상기 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 37) 실시형태 31 내지 36 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 방향성 응고 장치로부터 제2 실리콘을 제거하는 단계를 더 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 38) 실시형태 33 내지 37 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 가열 요소는 탄화규소, 이규화몰리브덴, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 39) 실시형태 33 내지 38 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계는,

실리콘을 적어도 약 1450℃로 가열하기 위해 상단 히터를 이용하는 단계; 및

실리콘의 상단부의 온도를 대략 10 내지 16시간에 걸쳐 대략 1450℃에서 1410℃로 천천히 냉각시키는 단계

를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 40) 실시형태 33 내지 39 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계는,

실리콘을 적어도 약 1450℃로 가열하기 위해 상단 히터를 이용하는 단계; 및

실리콘의 상단의 온도를 대략 14시간 동안 대략 1425℃와 1460℃ 사이에서 대략 일정하게 유지하는 단계

를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 41) 실시형태 33 내지 40 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계는,

상단 히터를 턴오프하는 단계;

실리콘을 대략 4 내지 12시간 동안 냉각되도록 하는 단계; 및

상기 상단 히터를 상기 방향성 응고 몰드로부터 제거하는 단계

를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 42) 실시형태 36 내지 41 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계는, 상기 방향성 응고 장치의 바닥을 하나 이상의 팬(fan)으로 냉각시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 43) 실시형태 36 내지 42 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 상기 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계는, 상기 방향성 응고 장치의 바닥을 냉각액으로 냉각시키는 단계를 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 44) 실시형태 37 내지 43 중의 어느 하나의 실리콘을 정제하는 방법에서, 방향성으로 응고된 제2 실리콘으로부터 최종 동결 부분의 적어도 일부분을 제거하는 단계를 더 포함하는, 실리콘을 정제하는 방법.

(실시형태 45) 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에서,

내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드로서, 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽이 산화 알루미늄을 포함하고, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥이 탄화규소, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 방향성 응고 몰드가, 미끄럼면 내화물을 포함하는 상단층을 포함하며, 상기 상단층이, 방향성으로 응고된 실리콘을 상기 방향성 응고 몰드로부터 제거할 때에 상기 방향성 응고 몰드의 나머지를 손상으로부터 보호하도록 구성되는, 상기 방향성 응고 몰드;

강철을 포함하는 외측 쟈켓;

절연 브릭, 내화재, 내화재들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함하며, 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽과 상기 외측 자켓의 하나 이상의 측벽 사이에 배치되는 절연층;

상단 히터로서, 상기 상단 히터가, (ⅰ) 각각이 가열 요소 또는 인덕션 히터를 포함하는 하나 이상의 가열 부재와, (ⅱ) 절연 브릭, 내화물, 내화물들의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 페이퍼, 고온 모직, 또는 이들의 조합을 포함하는 절연부와, (ⅲ) 스테인레스강을 포함하는 외측 자켓을 포함하며, 상기 가열 요소가 탄화규소, 이규화몰리브덴, 그래파이트, 또는 이들의 조합을 포함하며, 상기 절연부가 적어도 부분적으로 상기 하나 이상의 가열 부재와 상기 상단 히터 외측 자켓 사이에 배치되는, 상기 상단 히터

를 포함하며,

상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓 및 상기 절연층은 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용되도록 구성되는,

실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.

실시예

(실시예 1)

고온 모직 절연부 및 강철 쉘(steel shell)로 절연된 상단 히터에 탄화규소 저항 요소(silicon carbide resistance element)가 이용된다. 장치의 내화물 라이닝된 사전 가열된 바닥부(refractory-lined preheated bottom section)에 용융된 실리콘(1.4톤)을 쏟아부었다. 장치는 실리콘을 냉각 후에 떼어낼 수 있도록 하기 위한 드래프트를 포함하는 산화알루미늄 내화물 벽을 갖는다. 내화물의 벽을 산화알루미늄 내화물의 얇은 미끄럼면으로 코팅하고, 그리고나서 Si₃N₄ 분말의 제2 층으로 코팅한다. 방향성 응고 몰드의 바닥을 탄화규소 내화물로 구성하였으며, 강철 쉘의 외측면을 외측 쉘의 바닥 상에 공기를 송풍하는 팬으로 냉각하였다. 히터를 14시간 동안 1450℃로 설정하였고, 그 후 히터 요소를 턴오프하였다. 6시간 후에 상단 히터부를 제거하고, 실리콘을 실온까지 냉각되도록 한다. 몰드를 뒤집어 젖힌다. 1.4톤 잉곳을 절반으로 절단하고, 잉곳의 상단 25%를 잘라내어 불순물을 제거한다. 그레인(grain)이 약 1∼2cm의 폭과 3∼10cm의 높이로 되어, 브리지만 프로세스(Bridgeman process)로부터의 표준 잉곳과 유사한 수직 방향의 기둥(column)을 형성한다.

(실시예 2)

고온 모직 절연부 및 강철 쉘로 절연된 상단 히터에 탄화규소 저항 요소가 이용된다. 장치의 내화물 라이닝된 사전 가열된 바닥부에 용융된 실리콘(0.7톤)을 쏟아부었다. 장치는 실리콘 잉곳을 제거하기 위한 중앙의 분할 라인을 포함하는 산화알루미늄 내화물 벽을 갖는다. 내화물의 벽을 얇은 SiO₂ 내화물의 미끄럼면으로 코팅하였다. 방향성 응고 몰드의 바닥을 그래파이트로 구성하였고, 강철 쉘의 외측면을 외측 쉘의 바닥 상에 공기를 송풍하는 팬으로 냉각하였다. 히터를 12시간 동안 1450℃로 설정하고, 그 후 히터 요소를 턴오프하였다. 6시간 후에 상단 히터부를 제거하고, 실리콘을 실온까지 냉각되도록 한다. 몰드를 분할 라인에서 벌렸다. 0.7톤 잉곳을 절반으로 절단하고, 잉곳의 상단 15%를 잘라내어 불순물을 제거한다. 그레인이 약 1cm의 폭과 3∼10cm의 높이로 되어, 브리지만 프로세스로부터의 표준 잉곳과 유사한 수직 방향의 기둥을 형성한다.

모든 출판물, 특허 및 특허 출원이 원용에 의해 본 명세서에 포함된다. 전술한 명세서에서는, 개시된 발명의 대상을 특정의 바람직한 실시형태에 관련하여 설명하고, 예시를 목적으로 많은 상세한 사항을 제시하였지만, 개시된 발명의 대상은 추가의 실시형태를 포함할 수 있으며, 본 명세서에 상세히 기재된 특정 내용은 개시된 발명의 대상의 기본 원리를 벗어나지 않고 상당히 변경될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (22)

1. 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치에 있어서,
   하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드;
   외측 자켓; 및
   적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드와 상기 외측 자켓 사이에 배치되는 절연층
   을 포함하며,
   상기 외측 자켓이 상기 절연층 위로 연장되어 상기 방향성 응고 몰드의 상단을 적어도 부분적으로 덮으며,
   상기 절연층이 상기 방향성 응고 몰드의 적어도 일부, 상기 외측 자켓의 내측 측면의 일부, 및 상기 외측 자켓의 내측 바닥면의 적어도 일부와 접촉하되, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥과 상기 외측 자켓의 내측 바닥면 사이에는 상기 절연층이 배치되어 있지 않고, 또한, 상기 방향성 응고 몰드가 상기 외측 자켓의 내측 바닥면의 적어도 일부와 접촉하고 있는,
   실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 방향성 응고 몰드, 상기 외측 자켓, 및 상기 절연층은 실리콘의 방향성 응고를 위해 2회보다 많게 사용되도록 구성되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 상기 방향성 응고 몰드의 바닥에 비하여 상이한 두께, 상이한 재료 조성, 또는 상이한 양의 재료를 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 핫 페이스 내화물(hot face refractory)을 포함하며, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥은 전도 내화물(conducting refractory)을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽은 산화알루미늄을 포함하고, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥은 탄화규소, 그래파이트 또는 이들의 조합을 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 절연층의 하나 이상의 측벽은 상기 절연층의 바닥에 비하여 상이한 두께, 상이한 조성의 재료, 또는 상이한 양의 재료를 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 절연층은 적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드의 하나 이상의 측벽과 상기 외측 자켓의 하나 이상의 측벽 사이에 배치되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   냉각액이 통과하도록 하고 상기 방향성 응고 몰드로부터 먼 쪽으로 열을 전달하기 위한 크기 및 형상을 갖는 하나 이상의 액체 콘딧(liquid conduit)을 더 포함하는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 방향성 응고 몰드는 하나 이상의 미끄럼면 내화재(slip-plane refractory material)를 포함하는 상단층을 포함하며, 상기 상단층은 방향성으로 응고된 실리콘을 상기 방향성 응고 몰드로부터 제거할 때에 상기 방향성 응고 몰드의 나머지를 손상으로부터 보호하도록 구성되는, 실리콘의 방향성 응고를 위한 장치.
10. 하나 이상의 솔라 웨이퍼(solar wafer)로 절단하기 위한 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 있어서,
    제1 실리콘을 제공하거나 받아들이는 단계;
    방향성 응고 장치를 제공하거나 수용하는 단계;
    제1 용융 실리콘을 제공하기 위해 적어도 부분적으로 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계; 및
    제2 실리콘을 제공하기 위해, 상기 방향성 응고 몰드에서 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계
    를 포함하되,
    상기 방향성 응고 장치는,
    하나 이상의 내화재를 포함하는 방향성 응고 몰드;
    외측 자켓; 및
    적어도 부분적으로 상기 방향성 응고 몰드와 상기 외측 자켓 사이에 배치되는 절연층
    을 포함하고,
    상기 외측 자켓이 상기 절연층 위로 연장되어 상기 방향성 응고 몰드의 상단을 적어도 부분적으로 덮으며, 상기 절연층이 상기 방향성 응고 몰드의 적어도 일부, 상기 외측 자켓의 내측 측면의 일부, 및 상기 외측 자켓의 내측 바닥면의 적어도 일부와 접촉하되, 상기 방향성 응고 몰드의 바닥과 상기 외측 자켓의 내측 바닥면 사이에는 상기 절연층이 배치되어 있지 않고, 또한, 상기 방향성 응고 몰드가 상기 외측 자켓의 내측 바닥면의 적어도 일부와 접촉하고 있는,
    하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 방향성 응고 장치에 제1 용융 실리콘을 추가하는 단계를 더 포함하며,
    상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계는, 상기 방향성 응고 장치 외측에서 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함하는,
    하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계는, 방향성 응고 전에 상기 방향성 응고 장치 내측에서 상기 제1 실리콘을 용융시키는 단계를 포함하는, 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법.
13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 제1 용융 실리콘을 방향성으로 응고시키는 단계는, 상기 방향성 응고 장치의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계를 포함하는, 하나 이상의 실리콘 잉곳을 제조하는 방법.
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