KR101574247B1 - 고순도 실리콘의 연속주조 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 실리콘 제조를 위하여 플라즈마 융해 및 정련과 동시에 방향성 응고에 의한 정련을 하며 연속주조하는 장치와 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는 수냉 동제 도가니를 사용한다. 동제 도가니로 부터의 불순물 오염을 방지하기 위하여 플라즈마 토치를 이용하여 1차 융해로 도가니 라이닝이닝에 해당하는 실리콘 껍질을 도가니 내벽에 형성한다. 2차 융해는 저출력의 플라즈마 토치를 적용하여 중심부에서 융해 및 정련이 일어나게 하는 장치와 방법이다. 출탕은 개방된 도가니의 하부에서 직접냉각과 동시에 일어나며 더미봉과 응고한 실리콘에 진동을 가하여 건전 주조가 가능하도록 한다. 이 발명은 불순물의 오염을 방지하고 에너지의 손실을 막아 에너지 효율을 높이는 경제적인 고순도 다결정 실리콘의 연속정련 연속주조 장치와 방법에 관한 것이다.

플라즈마, 실리콘

Description

고순도 실리콘의 연속주조 장치 및 방법{Continuous casting equipment and method for high purity silicon}

본 발명은 고순도 실리콘 제조를 위하여 플라즈마 융해 및 정련과 동시에 방향성 응고에 의한 정련을 하며 연속주조하는 장치와 방법에 관한 것이다.

다결정 실리콘의 전력생산 효율 개선을 위하여 실리콘 주괴 자체의 고순도화가 필요하다. 특히 태양광급 고순도 실리콘의 수요 증가에 따라 고순도 실리콘의 기술적이고 경제적인 제조 공정에 개발이 집중되고 있다. 고순도 실리콘 주괴를 제조하기 위하여 실리콘에 일반적으로 함유되어 있는 전이금속 성분과 B와 P와 같은 성분의 제거가 필수적이다. 전이금속 성분의 불순물 원자는 대개 용융상태에서 고체로 응고할 때 성분의 분배계수가 아주 작고 편석이 잘 일어나므로 방향성응고 방법을 적용하여 효과적으로 제거할 수 있다. 그러나 B나 P와 같은 불순물 원자는 응고과정 중에 성분의 분배계수가 거의 1에 접근하여 편석이 아주 적기 때문에 별도의 야금학적 정련공정을 적용하여 제거하여야 한다. 지금까지 개발되고 있는 방법은 대부분 방향성응고와 야금학적 공정을 2단계에 걸쳐서 적용하고 있다. 방향성 응고공정이나 야금학적 공정을 적용하기 위해서는 필연적으로 용탕을 담고 정련하기 위한 도가니와 주형이 사용된다. 이 과정에서 화학적으로 반응성이 큰 용탕과 도가니 또는 주형과의 반응으로 불순물이 오염되기 쉽다. 특히 수냉 동제 도가니를 사용하는 경우 동과 그 합금 성분들이 용탕중에 혼입하여 순도에 영향을 미치게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 방법에서는 유도자장에 의한 부상융해 방법을 고안하여 사용하고 있다. 이는 여러 조각으로 나뉘어 고립된 여러개의 동제 시그멘트를 사이를 전기적으로 절연하고 유도 코일을 장착하여 원통형의 수냉 도가니를 설치하여 유도자기에 의하여 용탕을 부상시키는 방법이다. 이 방법은 장치가 복잡하고 부상하고 있는 용탕이 융해조건에 따라 불안정하며 부상력 때문에 주입시에 용탕의 유동이 좋지 않기 때문에 정밀한 응고과정의 제어가 불가능하고 건전한 주괴의 제조가 용이하지 못하다. 또한 유도가열에 따라 진공 분위기 이외의 정련효과를 얻기 어렵고 자기 교반으로 인하여 용탕상부에 부상한 불순물이 응집한 개재물이 다시 혼입할 가능성도 있다.

이러한 문제점을 고려하여 본 발명은 열원으로 야금학적 정련효과가 인정되고 있는 가스 플라즈마를 사용하고 수냉 동제 도가니에 불순물의 오염을 방지하기 위하여 원재료와 동일한 고순도 실리콘을 자연발생적 라이닝으로 형성시키는 것을 특징으로 한다. 또한 플라즈마 정련 후에 용탕이 중력에 의하여 순조롭게 유동하여 직접냉각으로 응고하게 한다. 따라서 본 발명은 주형없이 도가니 하부에서 용탕이 연속적으로 유동하여 연속적으로 주괴를 연속주조하고 동시에 방향성응고에 의한 정련효과를 얻을 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 고순도 실리콘 제조를 위하여 플라즈마 융해 및 정련과 동시에 방향성 응고에 의한 정련을 하며 연속주조하는 장치와 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 고순도 실리콘 제조를 위하여 수냉 동제 도가니의 내벽에 실리콘 라이닝을 적용하여 실리콘을 정련하는 장치와 방법에 관한 것이다.

또한, 밑부분이 개방된 도가니를 이용하여 실리콘을 연속주조하는 장치와 방법에 관한 것이다.

또한, 동제 실리콘 도가니를 Si3N4로 코팅하는 방법에 관한 것이다.

또한, 도가니의 개방된 밑부분에 더미봉(dummy bar)을 밀봉하고 연속주조하는 장치와 방법에 관한 것이다.

아울러, 더미봉을 전진 후퇴 주기와 진폭을 제어하여 실리콘을 연속주조하는 장치와 방법에 관한 것이다.

수냉각되는 동제 또는 동합금제 도가니의 내벽이 고체 실리콘 라이닝으로 보 호되므로 도가니로부터 불순물 오염을 방지할 수 있다.

플라즈마 열원의 집중과 중앙부의 key hole 현상으로 안정된 실리콘 라이닝이 유지되며 가스 플라즈마 정련으로 B나 P 등의 제거가 용이하다.

저온상태인 실리콘 라이닝은 실리콘 자체의 열 및 전기 전도도가 낮아 플라즈마 아크의 중앙부에 집중을 용이하게 하고 열에 대한 절연효과가 크므로 냉각으로 인한 열손실이 작아 융해의 에너지 효율이 높다.

플라즈마 정련완료 즉시 재가열 없이 동일 장치내에서 동시에 직접 방향성응고를 수행할 수 있으므로 에너지 효율이 높고 생산성이 높으며 경제적이다.

본 발명에서는 도 1과 같은 수냉 동제 또는 동합금 도가니의 상부에 플라즈마 아크를 열원으로 융해 및 정련하고 도가니의 개방된 하부로 연속 주조하는 장치와 방법으로 구성되어 있다.

융해과정은 도가니의 벽면에 실리콘의 라이닝을 설치하기 위한 1차 융해와 고순도 실리콘의 정련 및 연속주조를 위한 본 융해인 2차 융해로 구성된다. 1차 융해할 때는 도가니에 금속 실리콘을 충분히 장입하고 플라즈마의 출력을 정상조업 상태 보다 5-50% 높이고 토치를 도가니 벽면부까지 회전하며 도가니 내에 용탕이 완전히 잡히도록 융해한다. 도가니에 용탕이 충진되도록 완전히 융해되면 융해를 일시 중단하고 도가니 내에서 그대로 응고시킨다. 실리콘은 응고 시에 수축하므로 응고 후에 고체 실리콘은 도가니 벽면에 밀착되어 있다. 2차융해를 위하여 도가니를 수냉하며 응고된 실리콘의 외곽 상부에 도가니의 외경부으로부터 두께5-10mm, 넓이는 직경의 5-30%정도가 되도록 단열 세라믹제의 중심부에 구멍이 뚫린 원형판을 설치하여 실리콘 라이닝에 플라즈마가 형성되지 않도록 한다. 융해는 이미 응고한 고체 실리콘의 중심부에 플라즈마 토치를 고정하거나 중심부만 제한적으로 회전하며 중심부만 다시 융해시키면서 융해와 정련을 시작한다. 이때 플라즈마는 정상 출력을 적용한다. 플라즈마의 특성상 열원은 중심부에 집중하고 key hole을 형성하여 도가니의 바닥 방향으로 깊고 좁은 용탕을 형성한다. 또한 실리콘은 열 및 전기의 전도도가 특히 저온에서는 낮으므로 수냉 도가니의 벽면에 접한 고체 실리콘 부분은 계속해서 고체상태의 껍질이 형성되고 냉각되는 금속제 도가니의 라이닝을 유지하게 된다. 이 라이닝이 실리콘 용탕과 도가니의 차단층이 되어 도가니로부터 불순물의 오염을 방지할 수 있다. 도가니의 중앙 상부 표면에 금속실리콘을 연속 장입하여 융해 및 정련을 계속하고 개방된 도가니의 하부로부터 출탕되며 연
속주조한다. 금속 실리콘의 장입속도와 플라즈마 토치의 출력을 제어하여 도가니의 내벽에 실리콘의 고체 라이닝 층이 도가니 내경 크기에 따라 내경의 1-20%에 해당하는 두께를 유지하도록 제어 한다.

도가니는 도 2와 같이 내경부의 표면을 Si₃N₄로 코팅하고 도가니의 바닥이 용탕이 나가는 탕구가 되도록 설계하여 용탕이 도가니 하부로 연속 주조될 수 있도록 한다. 처음에 융해를 시작할 때는 도가니의 하부에 용탕과 접촉하는 면에 Si₃N₄ 재료를 접합하여 제조한 더미봉(dummy bar)로 밀봉하고 융해를 시작하여 용탕이 형성되고 정련이 필요한 만큼 진행되면 더미봉을 주조 속도에 따라 하향 인출하여 연속 주조한다. 주조시 용탕의 안정적인 응고와 주조를 위하여 인출하는 더미봉 또는 응고한 실리콘 봉에, 실리콘 봉의 크기와 주조속도에 따라 일정주기와 진폭의 전진 후진의 진동을 준다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 융해로 내부 개략도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 플라즈마 융해로내 도가니를 나타낸 것이다.

Claims (5)

1. 고순도 실리콘 제조를 위하여 플라즈마 융해 및 정련 후 방향성 응고에 의한 정련을 하며 연속주조하는 방법에 있어서,

   도가니의 벽면에 실리콘의 라이닝을 설치하기 위한 1차 융해와 고순도 실리콘의 정련 및 연속주조를 위한 본 융해인 2차 융해로써 융해과정이 이루어지고,

   상기 1차 융해로서, 수냉 동제 도가니를 사용하고, 이 동제 도가니로부터의 불순물 오염을 방지하기 위하여 플라즈마 토치를 이용하여, 도가니 라이닝에 해당하는 실리콘 껍질을 도가니 내벽에 형성하는 단계;

   상기 2차 융해로서, 상기 1차 융해에서의 플라즈마 토치보다 낮은 출력의 플라즈마 토치를 적용하여 중심부에서 융해 및 정련이 일어나게 하는 단계;

   개방된 도가니의 하부로 출탕되는 더미봉과 응고한 실리콘에 진동을 가하여 주조를 수행하는 단계를 포함하는 고순도 다결정 실리콘의 연속정련 연속주조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 도가니는 내경부의 표면을 Si₃N₄로 코팅하고 도가니의 바닥이 용탕이 나가는 탕구가 되도록 설계하여 용탕이 도가니 하부로 연속 주조되도록 하고,

   초기에 융해를 시작할 때는 도가니의 하부에 용탕과 접촉하는 면에 Si₃N₄ 재료를 접합하여 제조한 더미봉(dummy bar)로 밀봉하고 융해를 시작하여 용탕이 형성되고 정련이 필요한 만큼 진행되면 더미봉을 주조 속도에 따라 하향 인출하여 연속 주조하며,

   주조시 용탕의 안정적인 응고와 주조를 위하여 인출하는 더미봉 또는 응고한 실리콘 봉에, 실리콘 봉의 크기와 주조속도에 대응하는 일정주기와 진폭의 전진 후진의 진동을 가하면서 주조를 수행하는 단계를 더 포함하는 고순도 다결정 실리콘의 연속정련 연속주조방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 1차 융해 시, 상기 도가니에 금속 실리콘을 충분히 장입하고 플라즈마의 출력을 정상조업 상태 시 보다 5-50% 높이고 토치를 도가니 벽면부까지 회전하며 도가니 내에 용탕이 완전히 잡히도록 융해하고,

   상기 도가니에 용탕이 충진되도록 완전히 융해되면 융해를 일시 중단하고 도가니 내에서 그대로 응고시키며,

   여기에서, 상기 실리콘은 응고 시에 수축하므로 응고 후에 고체 실리콘은 도가니 벽면에 밀착되도록 하고,

   2차 융해를 위하여 도가니를 수냉하며 응고된 실리콘의 외곽 상부에 도가니의 외경부로부터 두께 5-10mm, 넓이는 직경의 5-30%정도가 되도록 단열 세라믹제의 중심부에 구멍이 뚫린 원형판을 설치하여 실리콘 라이닝에 플라즈마가 형성되지 않도록 하는 단계를 더 포함하는 고순도 다결정 실리콘의 연속정련 연속주조방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 융해는 이미 응고한 고체 실리콘의 중심부에 플라즈마 토치를 고정하거나 중심부만 제한적으로 회전하며 중심부만 다시 융해시키면서 융해와 정련을 시작하고, 이때 플라즈마는 정상 출력을 적용하며,

   플라즈마의 특성상 열원은 중심부에 집중하고 키홀(key hole)을 형성하여 도가니의 바닥 방향으로 깊고 좁은 용탕을 형성하고,

   상기 수냉 도가니의 벽면에 접한 고체 실리콘 부분은 계속해서 고체상태의 껍질이 형성되고 냉각되는 금속제 도가니의 라이닝이 유지되도록 하며,

   도가니의 중앙 상부 표면에 금속실리콘을 연속 장입하여 융해 및 정련을 계속하고 개방된 도가니의 하부로부터 출탕되며 연속주조하는 단계를 더 포함하는 고순도 다결정 실리콘의 연속정련 연속주조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   금속 실리콘의 장입속도와 플라즈마 토치의 출력을 제어하여 도가니의 내벽에 실리콘의 고체 라이닝 층이 도가니 내경 크기에 따라 내경의 1-20%에 해당하는 두께를 유지하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 고순도 다결정 실리콘의 연속정련 연속주조방법.

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