KR101612030B1 - 제어 대기 내에서 실리카 도가니를 만드는 방법 - Google Patents

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로버트 조셉 쿨리치
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신에쯔 세끼에이 가부시키가이샤
헤래우스 크바르츠글라스 게엠베하 ＆ 컴파니 케이지
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Abstract

실리카 도가니는 환경 대기가 몰드 공동 내의 실리카 그레인을 통하여 흡인되는 타입의 상기 몰드 공동 내에서 만들어진다. 일 실시예에 있어서, 실리카 그레인 계층은 상기 몰드 공동 내에서 형성되고, 헬륨, 질소, 수소 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있는 가스가 상기 몰드 공동 내로 유입된다. 실질적으로 환경 대기가 상기 실리카 그레인을 통하여 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인 계층이 가열된다. 그 후에, 상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하는 동안 상기 실리크 그레인 계층의 적어도 일부는 용융된다. 상기 가스는 상기 몰드 공동 내의 공기를 방출하고 따라서 질소 화합물 및 오존이 감소된다.

Description

제어 대기 내에서 실리카 도가니를 만드는 방법{Method of making a silica crucible in a controlled atmosphere}
본 발명은 실리카 도가니(silica crucible)를 만드는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니를 형성하는 실리카 그레인을 가열 및 융합하는 동안 헬륨이나 수소와 같은 가스가 제공되는 방법에 관한 것이다.
단일의 크리스털 실리콘 물질을 생성하는 몇 가지 방법들이 있다. 하나의 프로세스는, CZ(Czochralski) 프로세스로서, 태양 전지들을 포함하는 반도체 응용을 위한 단일의 크리스털 실리콘 물질을 생성하기 위하여 광범위하게 채용되고 있다. 상기 CZ 프로세스에서, 용융된 실리콘은 용기 내에 보존되고, 단일의 맑은 시드 크리스털(seed crystal)의 단부는 용융된 실리콘 내에 잠긴다. 상기 시드 크리스털은 회전하는 동안 상방향으로 당겨진다. 결과적으로, 단일의 크리스털 실리콘 잉곳(ingot)은 상기 용융된 실리콘으로부터 성장한다.
그릇 모양으로 된 도가니는 일반적으로, 상기 CZ 프로세스 내에 상기 용융된 실리콘을 유지하기 위하여 사용된다. 상기 아크 용융 방법은 이러한 도가니를 만드는 일반적인 방법이다. 이 방법에서, 실리카 그레인은 회전하는 몰드의 그릇 형상의 공동 내에 형성되고 상기 도가니의 형상으로 만들어진다. 그 후에, 전극들의 세트가 상기 공동 내부로 하향되고, 상기 그레인을 용융하는 아크 프라즈마의 볼을 행성하기 위하여 높은 전압이 적용된다. 용융 후에는, 상기 도가니는 상기 몰드로부터 제거되고, 그 최종 형상으로 기계적으로 가공되고, 세정되며 출하를 위하여 포장된다.
도가니가 실리카의 일부를 가스로 승화시키기 위하여 가열이 필요하다. 또한, 전기 아크는 오존 및 질산화물(NOx)을 생성한다. 하나 또는 그 이상의 배기 팬들(exhaust fans)은 용융 과정 동안, 이러한 가스들을 배출하기 위하여 후드들과 조합되어 사용된다. 오존 및 NOx 모두는 환경에 해를 끼친다. 결과적으로, 이러한 가스들의 처리 및 배출은 정부의 규제를 더욱 강하게 받고 있다.
상기 용융 과정 동안, 공기 및 발생된 가스들은 용융 동안 상기 실리카 그레인 내에 가두어진다. 이에 따라 도가니는 그 내에 형성된 다양한 크기의 버블들을 갖게 된다. 상기 CZ 프로세스 동안, 상기 도가니의 내부 계층은 일반적으로, 상기 용융된 실리콘 내부로 용해된다. 용해 동안 상기 내부 계층 내에 존재하는 모든 버블들은 파티클들을 용해물 내부로 방사한다. 이러한 파티클들은 상기 맑은 구조의 실리콘 잉곳(ingot)이 형상되는 것을 방해한다. 결과적으로, 상기 내부 계층 내에서는, 도가니들이 가능한 적은 버블들을 갖도록 만드는 것이 바람직하다. 반면에, 최외곽의 도가니 계층은, 상기 CZ 프로세스에서 사용되는 가열 요소들로부터 복사(radiation)의 분산이 용이하도록 많은 버블들을 갖도록 형성된다.
상기 내부 계층 내의 버블들을 최소화하기 위한 알려진 하나의 방법은, 가스가 침투할 수 있는 몰드를 사용하여, 용융 동안 상기 몰드의 외부로 강한 진공을 적용하는 것이다. 상기 목적은 가능한 한 많은 가스를 빼내어, 상기 실리카 그레인들이 갖혀진 가스 내에서 함께 용융될 수 있도록 하는 것이다. 초기에는, 상기 도가니 내의 가스들은, 상기 실리카 그레인을 통과하여 외부로 축 방향으로, 상기 진공 시스템 내부로 흐른다. 상기 도가니의 최내곽 계층이 가스 침투가 불가능한 지점으로 용융될 때, 가스의 유동은 상기 도가니의 상부 에지로부터, 상기 실리카 그레인을 통과하여 하방을 향해, 상기 진공 시스템 내부로 이어진다. 상기 최내곽 계층이 용융될 때, 매우 강한 진공이 적용되는 데 이것은, 상기 실리카 그레인로부터 가스들을 빼내고 따라서 버블들을 최소화하게 된다. 상기 용융된, 가스 침투가 불가능한 최내곽 계층이 형성될 때까지, 상기 진공은 그다지 강력하지 않다. 결과적으로, 상기 최내곽 계층은 상기 최내곽 계층의 바로 아래에 형성되는 계층보다 더 높은 버블 함유량을 갖는다. 상기 최내곽 계층 내에 버블들을 갖는 것은 위에서 설명한 바와 같은 문제점을 야기한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 다른 접근법들이 사용되었다. 몇몇 방법들은, 용융이 완료된 후에, 기계적 또는 화학적 처리들을 사용하여 상기 최내곽 계층을 제거한다. 다른 종래의 접근법은 용융 동안 헬륨 또는 다른 가스들을 상기 몰드 공동 내에 제공한다. 이것은 상기 도가니 내의 헬륨 버블들을 유발하지만, 상기 헬륨 버블들은 상기 글래스 내에서 신속히 확산되고, 용융이 완성되기 전에 파괴될 수 있다.
이상적으로, 파괴되는 헬륨 버블들만 남게 된다고 하더라도, 다른 버블들은 존재한다. 결과적으로, 최내곽 계층(상기 도가니의 내부 표면이 가스 침투가 불가능한 상태로 되기 전에 형성되는 계층)은, CZ 프로세스 동안 문제를 야기하는, 공기 및 다른 가스들로부터 형성되는 몇몇 버블들을 여전히 보유한다.
이러한 도가니 문제점들에 더하여, 상기 배기 팬들은 NOx 및 오존을 대기와 혼합하는데, 이것은 NOx 및 오존에 의하여 야기되는 환경 손상을 방지하기 위하여 상기 배기 팬들에 의하여 수집되는 가스들을 경제적이고 효과적으로 처리하는 것을 어렵게 만든다.
본 발명의 목적은 도가니를 형성하는 실리카 그레인을 가열 및 융합하는 동안 헬륨이나 수소와 같은 가스가 제공되도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 환경 대기가 몰드 공동 내의 실리카 그레인을 통하여 흡인되는 타입의 상기 몰드 공동 내에서 실리카 도가니를 만드는 방법으로서, 상기 몰드 공동 내에 실리카 그레인 계층을 형성하는 단계; 가스를 상기 몰드 공동 내로 유입시키는 단계; 상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 실질적으로 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계; 및 상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하는 동안, 상기 실리카 그레인 계층의 적어도 일부를 용융하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리카 글래스 도가니를 만드는 방법으로서, 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하도록 동작하는 포트들을 갖는 몰드의 공동 내에 실리카 그레인 계층을 형성하는 단계; 상기 포트들을 통하여 환경 대기를 실질적으로 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인을 가열하는 단계; 및 상기 포트들을 통하여 환경 대기를 흡인하는 동안 상기 실리카 그레인의 적어도 일부를 용융하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 공동 내에서 실리카 도가니를 만드는 방법으로서, 상기 몰드 공동 내에 실리카 그레인 계층을 형성하는 단계; 가스를 상기 몰드 공동에 유입시키는 단계; 상기 몰드 공동으로부터 환경 대기를 실질적으로 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인을 가열하는 단계; 및 그 후 상기 몰드 공동으로부터 환경 대기를 배기하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 방법의 실시예를 구현하기 위한 시스템을 도식적으로 도시한 도면이다.
도 2A 내지 2E는 본 방법의 실시예를 사용하여 도가니를 형상하는 시계열적인 단계들을 나타낸다.
도 3은 상기 CZ 프로세스를 모방하는, 진공 베이크 테스트 후에 본 발명의 실시예에 따라 만들어진 분할된 도가니의 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도가니를 제조할 수 있는 시스템은 도 1의 10으로 일반적으로 표시된다.
시스템(10)은 이하에서 보다 자세히 설명되는 바와 같이, 실리카 그레인을 가열하고 용융하는 동안 도가니를 형성하는 것으로 도시된다. 몰드(12)는 대칭의 축(14) 주위로의 회전을 위하여 장착되는 몰드(12)의 횡단면이 보여진다. 시스템(10)에서, 몰드(12)는 공칭 외부 직경이 609mm이고, 평균 벽 두께가 대략 12.0mm인 도가니를 만들 수 있는 크기를 갖는다. 여기에 설명된 실시예 및 예제들은 이러한 크기의 도가니를 위한 것이다. 물론, 본 발명은 다른 크기의 도가니들에 대해서도 동등하게 사용될 수 있다. 실리카 그레인(16)의 계층은 축(14)의 주위로 몰드(12)를 회전함에 의하여 생성되는 원심력의 결과로서 제 위치에 유지된다.
몰드(12)는 내부 몰드 표면(22)과 통하는 채널들(18, 20)과 같은 복수의 공기 채널을 포함한다. 채널(20)과 같은 각각의 공기 채널은, 실리카 그레인이 상기 몰드 공동으로부터 상기 공개 채널들로 빼내지는 것을 방지하는 다공성 그라파이트 플러그(24)를 포함한다. 상기 공기 채널들은, 보어(bore, 32)와 차례로 통하는 매니폴드(26, 28, 30)과 같은 매니폴드들(manifolds)과 통한다. 회전 유니언(rotary union, 34)은 또한 보어(32)와 통한다.
회전 유니언(34)은 이어서, 도관(36)을 통하여 3방향 밸브(38)로 연결된다. 삼방향 밸브의 일 가지(branch)는 진공 펌프(40)와 먼저 연결된 후, 공기로 발산하는 배기 가스 처리 시스템(42)으로 연결된다. 진공 펌프(40)는, 채널들(18, 20)과 같은, 상기 공기 채널들을 경유하여 상기 몰드 공동으로부터 공기를 당겨서, 궁극적으로 보어(32), 밸브(38) 및 배기 가스 처리 시스템(42)을 통과하도록 구성된다. 진공 펌프(40)는 또한, 적어도 시작 및 정지 시간을 제어할 수 있는, 프로그램 가능한 진공화 전력을 제공한다. 밸브(38)는 도관(36)을 통기하도록 하여 진공을 감소시키도록 하기 위하여 사용된다. 상기 통기는 대기, 또는 도시된 바와 같은 배기 팬(46)과 연결되는 도관(44)으로 연결될 수 있다. 상기 배기 핀은 후드(48)로부터 공기를 당겨서 그것을 외부로 배출한다. 상기 배기 팬의 속도는 제어될 수 있다. 그것은 도관(44)으로부터 또는 후드(48)로부터 당겨지는 가스들 내에 존재할 수 있는 불순물들을 여과하기 위한 필터들을 포함한다. 제2 배기 팬(50)은 공기를 제2 후드(52) 내로 당기고 여과 후에 대기 중으로 배출한다.
배기 후드들(48, 52)은 상기 몰드(12)의 상부 부분 및 각각의 원주 주위의 실드 판(56) 사이에서 형성되는 개구부(54) 근처에 위치하는 것으로 나타난다. 상기 실드 판은 당업계에서는 때때로, 냉각 판으로 불리지만, 그것의 두 개의 주요 기능들은 냉각과 연관되어 있지 않다. 첫째, 그것은 자외선을 상기 몰드 공동 내부로 반사하여, 상기 도가니가 형성되는 룸(room) 내부의 오존 및 NOx과 같은 문제되는 가스들의 형성을 방지하는 기능을 갖는다. 둘째로, 그것은 주변 대기로부터 상기 몰드 공동을 부분적으로 밀봉하여, 상기 공동 내로 펌핑되는 헬륨과 같은 가스의 높은 응집물을 보유하도록 허용한다. 바람직하게는, 본 방법은 실드 판(56)과 같은 실드 판의 사용 없이도 구현될 수 있다.
프로그램 가능한 전력 공급원(58)은, 도시된 바와 같은 실드 판(56) 내의 개구부들을 통과하여 연장되는, 전극들(60, 62)의 세트를 가로질러 전압을 제공한다. 알려진 바와 같이, AC 또는 DC 전력에 의해 구동될 수 있는 하나 또는 그 이상의 전극들이 존재할 수 있다. 충분한 전압이 상기 전극들을 가로질러 제공될 때, 뜨거운 아크 플라즈마(64) 형성된다. 상기 플라즈마는 이하에서 설명되는 방식으로, 실리카 그레인(16)을 용융하기에 충분히 뜨겁다.
또한, 가스 파이프(66)는 실드 판(56) 내의 개구부를 통과하여 연장된다. 상기 가스 파이프는, 가스 파이프(66)를 통하여 상기 몰드 공동 내부로 가스를 공급하기 위하여, 헬륨, 질소 및 수소, 또는 둘 또는 세 개의 혼합물 중에서 선택하도록 동작하는 가스 공급 컨트롤러(68)로 연결된다.
도 2A 내지 2E 및 아래의 표 1을 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 관한 설명이 이루어진다. 표 1은, 프로세스의 각각의 단계 동안, 진공(펌프), 가스 공급(헬륨 및/또는 질소), 배기(팬들) 및 전기 전력으로 불리는 4개의 프로세스 변수들의 상태들을 보여주는 동기화 표이다.
표 1에 따라 구현되는 프로세스가 시작되기 전에, 실리카 그레인(16)은 회전 몰드(12) 내로 침전되고, 알려진 방법과 같이, 도 1에 도시된 도가니 형상 내에서 형성된다. 그 후 즉시, 4개의 프로세스 변수들 각각은 표 1의 대기 단계(Standby)에 표시된 바와 같이 해제된다.
그 다음, 표 1의 단계 1에서, 헬륨은 파이프(66)를 통하여 상기 몰드 공동 내로 공급된다. 이것은 상기 몰드 공동 내의 공기를 헬륨으로 치환하고, 또한 상기 실리카 그레인들 사이의 공기를 헬륨으로 대체한다. 실리카 그레인이 상기 몰드 내로 도입되고 도 1 및 도 2A에 도시된 바와 같은 형태로 형성되는 동안, 헬륨 내의 적심(soaking)의 시작될 수도 있고 또는, 상기 그레인이 그와 같이 형상된 후 그것이 시작될 수 있다. 표 1의 마지막 행은 헬륨 적심이 50초간 지속되는 단계 1에서, 대응되는 단계의 지속 기간을 초 단위로 제공한다. 또한, 펌프(40)는, 상기 실리카 그레인들 사이의 헬륨에 의한 공기의 대체를 향상시키는 약간의 진공화를 제공하기 위하여, 낮은 레벨에서 선택적으로 시작될 수 있다.
다음으로, 단계 2에서, 전력 공급원(58)은 상기 몰드 공동 내에서 저전력 아크 및 대응되는 상대적으로 낮은 열을 생성하기 위하여 활성화된다. 이 단계 동안, 상기 그레인은 상기 그레인을 소산시키기에 충분히 높은 온도로 가열된다. 선택적으로, 상기 그레인은 그 후에 소결된다. 초기에, 실리카는 소산된다(즉, 가스의 방출을 시작할 수 있는 지점까지 가열된다). 그 후에 선택적인 소결이 시작된다(즉, 상기 실리카 그레인들은 용융 없이 점착성 덩어리를 형성하기 시작한다). 단계 2에서의 실리카의 소산 및 소결의 시작은 30초간 지속된다. 이 단계 동안, 상기 몰드 공동 내의 헬륨 응집이 유지되는 한, 상기 배기는 선택적으로 낮은 레벨에 있을 수 있다.
그 다음, 단계 3에서, 진공 펌프(40)는 중간 레벨로 변환되고, 전력 공급원(58)은 저위에서 고위로 전력이 점프된다. 이 단계 동안, 최내곽 계층(70)은 가스의 침투가 불가능한 장벽을 생성하기 위하여 용융된다. 이상에서 설명된 바와 같이, 상기 형성된 그레인의 상부(71)에서만 발생되는, 상기 실리카 그레인 내로의 가스 유동으로 인하여, 실리카 그레인(16)의 잔유물 내의 진공은 증가된다. 실리카 가스, 오존 및 NOx를 제거하기 위하여 충분한 헬륨을 공급하는 동안, 배기는 선택적으로 그 단계에서 시작될 수 있다. 계층(70)은 두께가 대략 0.3mm 정도일 수 있다.
단계 4에서, 버블 방지 계층(72)은 계층(70) 바로 아래에서 용융된다. 이를 수행하기 위하여, 전력 및 진공은 표 1에 표시된 바와 같이 높은 레벨을 갖는다. 이러한 상태는 약 15초간 지속된다. 계층 70의 형성으로부터 비롯되는 높은 진공으로 인하여, 계층(72)은 실질적으로 비워진다. 또한, 헬륨 가스의 유동은 계속되어, 실리카 그레인(16)의 상부(71)로의 가스 흡인은 주로 헬륨이 된다. 이러한 계층(72)은 두께가 약 2.0mm일 수 있다. 그것은 강력한 CZ 프로세스 동안 용해되는 계층(70)을 갖는 계층이다.
단계 5에서, 용융은 더 깊은 버블 방지 계층(76)(CZ 프로세스 동안에는 용융이 이루어지지 않았던 계층) 내로 계속된다. 이 단계 동안, 헬륨 공급은 꺼지고, 질소 공급이 켜지며, 전력(및 따라서 열)은 중간 정도로 줄어든다. 버블 방지 계층(76)은 용해물로 용해되지 않기 때문에, 대략 1.0 내지 3.0mm의 두께를 갖는 이러한 계층은, 계층(72)만큼 순수할 필요는 없다. 결과적으로, 상기 도가니의 성능은 이러한 계층이 공기 버블들을 포함하는지에 영향을 받지 않는다. 상기 플라즈마 아크가 켜질 때에는 상기 몰드 공동으로부터 공기(보다 정확하게는 산소)를 배출하는 것이 바람직하기 때문에, 질소 공급이 이러한 단계에서 켜진다. 산소가 존재하지 않으면, 오존 및 NOx와 같은 환경적으로 바람직하지 않은 가스들의 형성이 최소화된다. 제1 단계에서, 헬륨은 상기 도가니로부터 공기를 방출하고, 따라서 상기 그레인 내에서 공기 대신에 헬륨으로 치환하는 유리한 효과와 더불어, 이러한 가스들의 형성도 최소화된다. 단계 5에서 헬륨은 계속하여 공기를 치환할 수 있지만, 질소는 더욱 저렴하고, 헬륨 대기 내에서 상기 도가니를 형성하는 주요 잇점들은 실질적으로 충족된다.
단계 6에서, 계층(78)이 형성된다. 상기 CZ 프로세스에서는, 히터들로부터 복사를 발산하기 위하여 버블들을 포함한다. 이러한 버블들은 상기 진공을 감소시킴에 의하여 형성되고 따라서 계층(78) 내에서 용융되는 실리카 내에 가스를 남기게 된다. 진공은 도관(36)을 밸브(38)에 의하여 도관(44)과 통기함에 의하여 감소된다. 이것은 상기 통기된 가스들을, 대기 중으로가 아니라 팬(46)과 그와 관련된 필터 어셈블리로 보낸다. 이는 보다 많은 가스들을 처리하는 결과를 낳는다. 계층(78)은 약 5.0 및 8.0mm 사이의 두께이다.
단계 7은 냉각 동안 상기 배기 팬들이 계속하여 구동되는 냉각 단계이다.
단계 8에서, 상기 프로세스는 대기 상태로 돌아간다.
이러한 실시예는 최내곽 계층(70)이 제거되어야 하는 것(몇몇 다른 프로세스들에서는 반드시 수행되어야 함)을 요구하지 않는다. 이것은, 계층(70)이 풍부한 헬륨 대기에서 형성되기 때문이다. 결과적으로, 계층(70) 내에서 형성되는 모든 버블들은 주로, 용융이 완료되기 전에 파괴되는 헬륨 버블들이다. 종래의 시스템은, 상기 아크를 점화하고 가스를 공급하기 전에, 상기 진공 펌프 및 배기 팬들을 시작한다. 결과적으로, 계층(70) 내의 실리카 그레인은 헬륨으로 포화되고 이 상태가 유지되는 기회를 갖지 못한다.
하나의 변형으로서, 공급된 헬륨 가스는 상기 실리카 도가니 내에서 쉽게 확산되는 헬륨과 유사한 수소 가스로 대체되거나 이와 혼합될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 수증기가 파이프(66)를 통하여 공급되는 하나 이상의 가스들 내부에 주입된다. 수증기의 존재 내에서의 용융은 상기 완료된 도가니 내에서 버블 특성을 향상시키고, 상기 몰드 공동 내에 공급된 가스의 겉보기 밀도를 증가시킨다.
단계 1 단계 2 단계 3 단계 4 단계 5 단계 6 단계 7 단계 8
대기중 적심 소산 스킨 제1 투명 계층 제2 투명 계층 불 투명 계층 냉각 대기중
배기 팬들
(46,50)		 꺼짐 꺼짐 꺼짐 꺼짐 켜짐 켜짐 켜짐 켜짐 꺼짐
가스공급 헬륨 꺼짐 켜짐 켜짐 켜짐 켜짐 꺼짐 꺼짐 꺼짐 꺼짐
질소 꺼짐 꺼짐 꺼짐 꺼짐 꺼짐 켜짐 켜짐 꺼짐 꺼짐
진공 펌프
(40)		 꺼짐 꺼짐 꺼짐 중간 높음 높음 낮음 꺼짐 꺼짐
전력 플라즈마
(64)		 꺼짐 꺼짐 낮음 점프 높음 중간 중간 꺼짐 꺼짐
지속기간
(초)		 --- 50 30 20 15 200 500 250 ---
표 2는 아래에서 다른 실시예를 나타낸다. 헬륨 가스가 사용되지 않는다는 것만 제외하고는 표 1에 참조된 실시예와 유사하다.
표 2에 보여진 바와 같이, 질소는 상기 아크가 켜지기 바로 전에 공급되고, 상기 아크가 활성화되는 한 계속된다. 이것은, 버블들의 존재가 크게 문제되지 않거나, 버블 방지 최내곽의 계층이 헬륨을 요구하지 않는 다른 방법들에 의하여 형성되는 응용들에 사용되는 도가니들에 대하여 잘 작동한다. 질소를 공급하고, 밸브(38)를 통하여 도관(44)과 통기함에 의하여 진공이 감소된 후에도 그 공급을 계속하는 것은, 결국 오존 및 NOx 레벨의 감소로 이어진다. 진공을 상기 도관(44)을 통하여 팬(46) 및 그와 관련된 필터 어셈블리로 통기하는 것은, 형성되는 통기된 가스들의 효과적인 처리를 제공한다. 일단 오존 및 NOx가 룸 공기에 의하여 엷어지면(이러한 가스들이 후드들(48, 52)과 같은 후드들을 통하여 진공화될 때 발생됨), 처리가 더욱 어려워진다.
단계 1 단계 2 단계 3 단계 4 단계 5 단계 6 단계 7 단계 8
대기중 정화 소산 스킨 제1 투명 계층 제2 투명 계층 불 투명 계층 냉각 대기중
배기 팬들
(46,50)		 꺼짐 꺼짐 꺼짐 꺼짐 켜짐 켜짐 켜짐 켜짐 꺼짐
가스공급 질소 꺼짐 낮음 낮음 높음 높음 높음 높음 꺼짐 꺼짐
진공 펌프
(40)		 꺼짐 꺼짐 꺼짐 높음 높음 높음 낮음 꺼짐 꺼짐
전력 플라즈마
(64)		 꺼짐 꺼짐 낮음 점프 높음 중간 중간 꺼짐 꺼짐
지속기간
(초)		 --- 50 30 20 15 200 500 250
제1 예제에서, 천연 석영 그레인은 그레인(16)의 형성시에, 상기 몰드(12) 공동 내에서 형성된다. 프로그램 가능한 전력 공급원(58)은 1000kVA의 용량을 가지며, 팬들(46, 50)은 각각 800m3/hr의 진공화 용량을 갖는다.
이러한 단계들의 시퀀스 및 타이밍은 다음의 표 3에서와 같이 나타난다. 이러한 예제는 헬륨 및 질소가 모두 사용되는 표 1의 실시예와 어느 정도 대응된다. 이러한 제1 예제에 대하여, 전체 헬륨 소비는 5.0 입방 미터이고, 전체 질소 소비는 30.0 입방 미터이다. 여기서, 각각의 단계 별 각각의 가스의 소비 및 총합은 표 3에 표시되어 있다. 이러한 예제에서 형성되는 도가니의 일부에 대한 진공 베이크 테스트의 결과(CZ 프로세스를 모방함)는 도 3의 사진에서와 같이 보여진다. 보여지는 바와 같이, 상기 사진의 상부인, 최내곽 계층 내에는 버블들 또는 버블들의 성장은 존재하지 않는다. 2.0mm를 상회하는 버블 방지 계층을 지시하는, 도 3의 치수 상의 각각의 선들 사이는 0.5mm이다.
단계 1 단계 2 단계 3 단계 4 단계 5 단계 6 단계 7 단계 8
대기중 적심 소산 스킨 제1 투명 계층 제2 투명 계층 불 투명 계층 냉각 대기중
배기 팬들
(46,50)		 5% 5% 5% 5% 80% 100% 100% 50% 50%
가스공급 헬륨 0 100 200 200 200 0 0 0 0
질소 0 0 0 0 0 200 200 0 0
진공 펌프
(40)		 0% 0% 0% 30% 100% 100% 15% 0% 0%
전력 플라즈마
(64)		 0% 0% 5% 점프 100% 80% 80% 0% 0%
지속기간
(초)		 --- 50 25 15 25 40 500 250 ---
헬륨(m3) 5.00 1.39 1.39 0.83 1.39 0.00 0.00 0.00
질소(m3) 30.00 0.00 0.00 0.00 0.00 2.22 27.78 0.00
표 4에 도시된 제2 예제는 질소만이 사용되는 표 2의 실시예와 어느 정도 대응된다. 이러한 예제에 대하여, 상기 도가니를 만드는 데에 사용되는 시스템은 제1 예제와 마찬가지이다. 질소 가스의 전체 소비는 32.43 입방 미터이다. 오존 및 NOx의 눈에 띄는 감소가 관찰된다.
실시예들 및 예제들에서, 공동 압력은 상기 배기 팬들의 속도를 제어함에 의하여 제어될 수 있고, 따라서 대략 하나의 대기에서 판(56) 아래의 공동내의 압력을 유지하기 위하여, 후드(48, 52)를 통한 가스 배기의 비율 및 가스 파이프(66)를 통한 가스 공급의 비율이 제어될 수 있다. 그러나, 본 발명은 다른 공동 압력들로 구현될 수도 있다.
단계 1 단계 2 단계 3 단계 4 단계 5 단계 6 단계 7 단계 8
대기중 정화 소산 스킨 제1 투명 계층 제2 투명 계층 불 투명 계층 냉각 대기중
배기 팬들
(46,50)		 5% 5% 5% 20 100% 100% 100% 50% 5%
가스공급 질소 0 30 30 100 200 200 200 0 0
진공 펌프
(40)		 0% 0% 0% 100% 100% 100% 15% 0% 0%
전력 플라즈마
(64)		 0% 0% 5% 점프 100% 80% 80% 0% 0%
지속기간
(초)		 50 25 15 25 40 500 250 ---
질소(m3) 30.00 0.42 0.21 0.42 1.39 2.22 27.78 0.00
선호되는 실시예에서, 본 발명의 원리가 설명되고 도시되었지만, 이러한 원리가 손상되지 않으면서도, 배치 및 상세에 있어서 변형이 이루어질 수 있음은 자명할 것이다. 다음의 청구항의 사상 및 범주 내에서 다양한 수정 및 변형을 청구한다.

Claims (50)

  1. 환경 대기가 몰드 공동 내의 실리카 그레인을 통하여 흡인되는 타입의 상기 몰드 공동 내에서 실리카 도가니를 만드는 방법으로서,
    상기 몰드 공동 내에 실리카 그레인 계층을 형성하는 단계;
    가스를 상기 몰드 공동 내로 유입시키는 단계;
    상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계; 및
    상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하는 동안, 상기 실리카 그레인 계층의 적어도 일부를 용융하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후, 상기 몰드 공동으로부터 적어도 상대적으로 적은 양의 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후 25 초 이상 경과한 후 시작되는, 상기 몰드 공동으로부터 더 많은 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 상기 전기적 전력이 평균 피크 전력의 20%를 초과한 후에, 상기 몰드 공동으로부터 더 많은 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후, 상기 몰드 공동으로부터 적어도 상대적으로 적은 양의 환경 대기를 배기하는 단계는,
    상기 전기적 전력이 평균 피크 전력의 20%의 이하에 있는 한, 상기 몰드 공동으로부터 적어도 상대적으로 적은 양의 환경 대기를 배기하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가스를 유입시킨 후에 상기 몰드 공동으로부터 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인을 가열하는 단계는, 상기 가스를 유입시킨 후 50초가 경과된 후에 시작되는 방법.
  8. 청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 가스를 상기 몰드 공동 내로 유입시키는 단계는, 상기 몰드 공동으로부터 상기 환경 대기를 방출하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 헬륨을 포함하는 방법.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 가스는 수소를 포함하는 방법.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 가스는 수소 및 헬륨의 혼합물을 포함하는 방법.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 가스는 질소를 포함하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 실리카 그레인을 통하여 상기 환경 대기를 흡인하는 단계는 완전한 진공화를 포함하고,
    상기 방법은 상기 전기적 전력이 평균 피크 전력의 20%를 초과할 때까지, 적어도 5%의 완전한 진공화를 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 소산(calcining )하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 소결(sintering)하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 청구항 16은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 용융하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  17. 청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하는 단계는, 상기 실리카 그레인을 통하여 상대적으로 높은 부피의 환경 대기를 흡인하는 단계를 포함하고,
    상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하지 않는 단계는, 상기 실리카 그레인을 통하여 더 작은 부피의 환경 대기를 흡인하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 삭제
  19. 실리카 글래스 도가니를 만드는 방법으로서,
    그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하도록 동작하는 포트들을 갖는 몰드의 공동 내에 실리카 그레인 계층을 형성하는 단계;
    상기 포트들을 통하여 환경 대기를 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인을 가열하는 단계; 및
    상기 포트들을 통하여 환경 대기를 흡인하는 동안 상기 실리카 그레인의 적어도 일부를 용융하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후, 상기 몰드 공동으로부터 적어도 상대적으로 적은 양의 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후 25 초 이상 경과한 후 시작되는, 상기 몰드 공동으로부터 더 많은 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 방법은, 상기 전기적 전력이 평균 피크 전력의 20%를 초과한 후에, 상기 몰드 공동으로부터 더 많은 환경 대기를 배기하는 단계를 더 포함하는 방법.
  23. 제20항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 전극들의 세트에 전기적 전력를 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후, 상기 몰드 공동으로부터 적어도 상대적으로 적은 양의 환경 대기를 배기하는 단계는,
    상기 전기적 전력이 평균 피크 전력의 20%의 이하에 있는 한, 상기 몰드 공동으로부터 적어도 상대적으로 적은 양의 환경 대기를 배기하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제19항에 있어서,
    상기 몰드 공동 내로 가스를 유입시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 청구항 25은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제24항에 있어서,
    상기 가스를 상기 몰드 공동 내로 유입시키는 단계는, 상기 몰드 공동으로부터 상기 환경 대기를 방출하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 실리카 그레인을 가열하는 단계는, 상기 가스를 유입시킨 후 50초가 경과된 후에 시작되는 방법.
  27. 청구항 27은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제25항에 있어서,
    상기 가스를 상기 몰드 공동 내로 유입시키는 단계는, 상기 몰드 공동으로부터 공기를 방출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 가스는 헬륨을 포함하는 방법.
  29. 청구항 29은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제24항에 있어서,
    상기 가스는 수소를 포함하는 방법.
  30. 청구항 30은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제24항에 있어서,
    상기 가스는 수소 및 헬륨의 혼합물을 포함하는 방법.
  31. 청구항 31은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제24항에 있어서,
    상기 가스는 질소를 포함하는 방법.
  32. 청구항 32은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제19항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 소산(calcining )하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  33. 청구항 33은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제19항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 소결(sintering)하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  34. 청구항 34은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제19항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 용융하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
  35. 제19항에 있어서,
    상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하는 단계는, 상기 실리카 그레인을 통하여 상대적으로 높은 부피의 환경 대기를 흡인하는 단계를 포함하고,
    상기 실리카 그레인을 통하여 환경 대기를 흡인하지 않는 단계는, 상기 실리카 그레인을 통하여 더 작은 부피의 환경 대기를 흡인하는 단계를 포함하는 방법.
  36. 삭제
  37. 몰드 공동 내에서 실리카 도가니를 만드는 방법으로서,
    상기 몰드 공동 내에 실리카 그레인 계층을 형성하는 단계;
    가스를 상기 몰드 공동에 유입시키는 단계;
    상기 몰드 공동으로부터 환경 대기를 흡인하지 않는 동안 상기 실리카 그레인을 가열하는 단계; 및
    그 후 상기 몰드 공동으로부터 환경 대기를 배기하는 단계를 포함하는 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 환경 대기는 가열에 반응하는 실리카 그레인으로부터 발산되는 가스 형태의 부산물들을 포함하는 방법.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후에 상기 실리카 그레인을 통하여 상기 가스를 흡인하는 단계를 포함하는 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    상기 실리카 그레인을 용융하는 단계를 더 포함하고,
    상기 실리카 그레인을 통하여 상기 가스를 흡인하는 단계는, 상기 실리카 그레인의 최내곽 계층을 용융하기 전에 상기 실리카 그레인을 통하여 상대적으로 작은 부피의 가스를 흡인하는 단계와, 상기 최내곽 계층을 용융한 후에 상기 실리카 그레인을 통하여 더 큰 부피의 가스를 흡인하는 단계를 포함하는 방법.
  41. 제39항에 있어서,
    상기 실리카 그레인 계층의 가열을 시작한 후 25 초 이상 경과한 후 시작되는, 상기 실리카 그레인을 통하여 상기 가스를 흡인하는 단계를 더 포함하는 방법.
  42. 제37항에 있어서,
    상기 실리카 그레인을 가열하는 단계는, 상기 가스를 유입시킨 후 50초가 경과된 후에 시작되는 방법.
  43. 청구항 43은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제37항에 있어서,
    상기 가스를 상기 몰드 공동에 유입시키는 단계는 상기 몰드 공동으로부터 환경 대기를 방출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  44. 제37항에 있어서,
    상기 가스는 헬륨을 포함하는 방법.
  45. 청구항 45은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제37항에 있어서,
    상기 가스는 수소를 포함하는 방법.
  46. 청구항 46은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제37항에 있어서,
    상기 가스는 수소 및 헬륨의 혼합물을 포함하는 방법.
  47. 청구항 47은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제37항에 있어서,
    상기 가스는 질소를 포함하는 방법.
  48. 청구항 48은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
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    상기 실리카 그레인 계층을 가열하는 단계는 상기 실리카 그레인을 소산(calcining )하는 동안 전극들의 세트에 전기적 전력을 적용하는 단계를 포함하는 방법.
  49. 청구항 49은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
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