KR101750635B1 - 방향성 고체화 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리 - Google Patents

방향성 고체화 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리 Download PDF

Info

Publication number
KR101750635B1
KR101750635B1 KR1020157008236A KR20157008236A KR101750635B1 KR 101750635 B1 KR101750635 B1 KR 101750635B1 KR 1020157008236 A KR1020157008236 A KR 1020157008236A KR 20157008236 A KR20157008236 A KR 20157008236A KR 101750635 B1 KR101750635 B1 KR 101750635B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
glass
molten liquid
molten
solidified
Prior art date
Application number
KR1020157008236A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150052180A (ko
Inventor
알랭 튀렌
Original Assignee
실리코르 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 실리코르 머티리얼즈 인코포레이티드 filed Critical 실리코르 머티리얼즈 인코포레이티드
Publication of KR20150052180A publication Critical patent/KR20150052180A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101750635B1 publication Critical patent/KR101750635B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/037—Purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Abstract

방법은 도가니(202) 내에서 용융 실리콘(206)을 형성하는 단계, 상기 용융 실리콘(206)의 최상부 부위에 고체화 실리콘(208)을 형성하는 단계, 상기 고체화 실리콘(208)을 유리(210)와 접촉시키는 단계, 상기 고체화 실리콘 및 유리를 용융시켜 상기 용융 실리콘(206) 위에 용융 유리(212)를 제공하기에 충분하도록 상기 고체화 실리콘(208) 및 유리(210)를 가열하는 단계, 및 상기 용융 액체의 바닥 부위로부터 상기 용융 액체의 최상부 부위 쪽으로 상기 용융 액체가 방향성 고체화되도록 하여 더 높은 순도를 갖는 고체 실리콘(214)을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

방향성 고체화 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리{REACTIVE COVER GLASS OVER MOLTEN SILICON DURING DIRECTIONAL SOLIDIFICATION}
본 출원은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 2012년 8월 31일자로 출원된 미국 가출원 제61/695,517호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 방향성 고체화(directional solidification) 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리에 관한 것이다.
태양 전지는 태양광을 전기 에너지로 변환하는 능력을 이용함으로써 실행가능한(viable) 에너지 공급원이 될 수 있다. 실리콘은 태양 전지의 제조에 사용되는 반도체 물질이다; 그러나, 실리콘 이용성의 제한은 솔라급(solar grade, SG)까지 이를 정제하는 비용과 연관이 있다.
태양 전지용으로 실리콘을 정제하기 위해 사용되는 몇 가지 기술이 알려져 있다. 이들 기술의 대부분은 실리콘이 용융 용액으로부터 고체화될 때 원하지 않는 불순물들은 상기 용융 용액 내에 남아있는 경향이 있다는 원리에 따라 작동된다. 예를 들면, 부유 구역 기술(float zone technique)은 단결정성 잉곳(ingot)을 제조하기 위해 사용될 수 있고, 고체 물질 내에서 불순물들을 물질의 가장자리로 이동시키는 이동 액체 구역을 이용한다. 다른 예에서, 초크랄스키(Czochralski) 기술을 사용하여 단결정성 잉곳을 제조할 수 있으며, 용액으로부터 천천히 당겨져 나오는 종자 결정(seed crystal)을 이용하여 실리콘의 단결정성 칼럼을 형성하면서 불순물들은 용액 내에 남겨두도록 한다. 또 다른 예에서, 브릿지맨(Bridgeman) 또는 열교환기 기술을 사용하여 다중결정성(multicrystalline) 잉곳을 제조할 수 있으며, 온도 구배를 사용하여 방향성 고체화를 일으킨다.
현재의 에너지 요구 및 공급의 제한의 관점에서, 본 발명자들은 금속급(metallurgical grade, MG) 실리콘(또는 솔라급보다 많은 양의 불순물을 갖는 임의의 다른 실리콘)을 솔라급 실리콘으로 정제하는 보다 비용 효과적인 방법에 대한 필요성을 인식하였다. 본 발명은 예컨대 방향성 고체화를 통해 실리콘을 정제하기 위해 사용될 수 있는 알루미나와 같은 내화 물질로부터 만들어진 도가니와 같은 용기를 개시한다. 실리콘은 상기 도가니 내에서 용융될 수 있거나, 용융 실리콘은 상기 도가니 내에서 방향성 고체화되어 상기 실리콘의 정제를 위해 제공될 수 있다. 라이닝(lining)이 상기 도가니의 내화 물질의 내표면에 증착되어서, 상기 도가니 내에 함유되어 있는 용융 실리콘이 붕소, 인 또는 알루미늄으로부터 오염되는 것과 같이 상기 내화 물질로부터 오염되는 것을 방지 또는 감소시킬 수 있다. 상기 라이닝은 콜로이드성 실리카에 의해 함께 결합된 실리콘 카바이드 입자를 포함하는 장벽(barrier) 라이닝을 포함할 수 있거나, 상기 라이닝은 콜로이드성 실리카 및 선택적으로는 하나 이상의 플럭스(flux) 물질을 포함하는 활성 정제 라이닝을 포함할 수 있다. 상기 라이닝은 각각의 방향성 고체화 사이클에 대하여, 특히 붕소, 인 및 알루미늄 오염물에 관하여 보다 정제된 최종 실리콘을 제공할 수 있다.
본 발명은 용융 실리콘 혼합물을 담기 위한 도가니를 개시하며, 상기 도가니는 용융 실리콘을 수용하기 위한 내부를 정의하는 적어도 하나의 내표면을 갖는 적어도 하나의 내화 물질 및 상기 내표면에 증착된 라이닝을 포함하고, 상기 라이닝은 콜로이드성 실리카를 포함한다.
본 발명은 또한 실리콘의 정제 방법을 개시하며, 상기 방법은 용융 도가니의 내부에서 제1 실리콘을 용융시켜 제1 용융 실리콘을 제공하는 단계로서, 상기 용융 도가니는 상기 용융 도가니의 내부를 정의하는 적어도 하나의 제1 내표면을 갖는 제1 내화 물질을 포함하고, 상기 제1 용융 실리콘을 방향성 고체화 주형 내에서 방향성 고체화시켜 제2 실리콘을 제공하는 단계로서, 상기 방향성 고체화 주형은 상기 방향성 고체화 주형의 내부를 정의하는 적어도 하나의 제2 내표면을 갖는 제2 내화 물질을 포함하며, 및 상기 제1 내표면 및 제2 내표면 중 적어도 하나의 적어도 일부를 콜로이드성 실리카를 포함하는 라이닝으로 코팅하는 단계를 포함한다.
상기 요약은 본 발명의 주제의 개요(overview)를 제공하기 위한 의도이다. 이는 본 발명의 배타적 또는 철저한 설명을 제공하기 위한 의도는 아니다. 본 발명에 관한 추가적인 정보를 제공하기 위하여 발명의 상세한 설명이 포함된다.
본 발명은 방향성 고체화를 이용한 실리콘의 정제 방법을 개시한다. 상기 방법은 유리의 최상부(top) 층을 실리콘을 포함하는 용융 액체에 첨가하여 상기 실리콘 및 유리가 용융되도록 보장하는 단계, 및 이후 상기 용융 액체가 상기 용융 액체의 바닥(bottom) 부위로부터 최상부 유리층 쪽으로 방향성 고체화하도록 하여 잉곳을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 유리 및 고체화 실리콘의 최상부 부위는 상기 잉곳으로부터 불순물을 제거하기 위해 제거될 수 있다. 본 발명의 방법은 태양 전지에 사용하기 위한 실리콘 결정을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
정의
단수 형태의 "한", "하나" 및 "상기"는 해당 문맥이 달리 명확하게 나타내지 않는 한 복수의 참조를 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, 일부 예에서, "제1", "제2", "제3" 등과 같은 용어는 "모액(mother liquor)", "결정", "용융 혼합물", "혼합물", "세정 용액", "용융 실리콘" 등과 같은 다른 용어들에 적용될 때 단순히 단계들 간의 차이의 일반 용어로서 사용되며, 달리 명확하게 나타내지 않는 한 그 자체로 단계들의 우선순위 또는 단계들의 순서를 나타내는 것은 아니다. 예를 들면, 일부 예에서, "제3 모액"은 구성요소(element)일 수 있지만, 제1 또는 제2 모액은 어느 것도 상기 예의 구성요소가 아닐 수 있다. 다른 예에서, 제1, 제2 및 제3 모액은 모두 해당 예의 구성요소일 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "도관(conduit)"은 물질을 통한 튜브 형태의 구멍을 나타낼 수 있으며, 상기 물질은 필수적으로 튜브 형태인 것은 아니다. 예를 들면, 물질의 블록을 통해 이어지는 구멍은 도관일 수 있다. 상기 구멍은 직경보다 길이가 더 길 수 있다. 도관은 물질 내의 튜브(파이프를 포함함)를 감쌈으로써(encasing) 형성될 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "접촉하는"은 접촉하거나, 접촉을 하거나, 또는 물질을 매우 근접하게 가져오는 행위를 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "도가니"는 물질이 용융되어 용융물이 될 때 상기 물질을 담을 수 있는 용기, 융융 물질을 수용하고 상기 물질을 그 용융된 상태로 유지할 수 있는 용기 및 융융 물질이 고체화 또는 결정화될 때 상기 용융 물질을 담을 수 있는 용기, 또는 이들의 조합과 같이 용융 물질을 담을 수 있는 용기를 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "방향성 고체화" 또는 "방향성으로 고체화하는" 등은 대략 한 위치에서 시작하여 대략 직선 방향으로(예컨대, 수직, 수평 또는 표면에 대해 직각으로) 진행하고 대략 다른 위치에서 종료되는 물질의 결정화를 나타낼 수 있다. 상기 정의에서 사용된 것과 같이, 위치는 점, 평면 또는 고리 또는 대접 형상을 포함하는 곡면일 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "드로스(dross)"는 용융 금속조(metal bath) 상에 떠있는 고체 불순물의 덩어리를 나타낼 수 있다. 이것은 대체로 주석, 납, 아연 또는 알루미늄과 같은 낮은 녹는점의 금속 또는 합금의 용융물 위에, 또는 상기 금속(들)을 산화시킴으로써 나타난다. 이것은 예컨대 이를 표면으로부터 걷어내 버림으로써 제거될 수 있다. 주석 및 납의 경우, 상기 드로스는 또한 산화물을 용해시켜 슬래그를 형성하는 수산화나트륨 펠렛을 첨가함으로써 제거될 수 있다. 다른 금속의 경우, 염 플럭스를 첨가하여 상기 드로스를 분리할 수 있다. 드로스는 고체화됨으로써 합금 위에 떠있는 (점성의) 액체인 슬래그와 구별된다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "팬(fan)"은 공기를 이동시킬 수 있는 임의의 장치 또는 기구를 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "플럭스"는 용융 금속조에 첨가되어 드로스 내에서와 같이 불순물의 제거에 도움을 주는 화합물을 나타낼 수 있다. 플럭스 물질은 상기 용융 금속조에 첨가되어서, 상기 플럭스 물질이 상기 용융 금속조 내의 하나 이상의 물질 또는 화합물과 반응하여 제거될 수 있는 슬래그를 형성할 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "용광로(furnace)"는 물질을 가열하기 위한 구획을 갖는 기계, 장치, 기구 또는 다른 구조를 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "가열 구성요소"는 열을 생성하는 물질의 한 부분을 나타낼 수 있다. 일부 예에서, 가열 구성요소는 상기 물질을 통해 전기가 흐르게 할 때 열을 생성할 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "인덕션(induction) 히터"는 상기 물질 내에서 전류의 유도를 통해 열을 물질에 부여하는 히터를 나타낼 수 있다. 상기 전류는 가열되기 위한 물질에 인접한 금속 코일을 통해 교류가 이동하도록 함으로써 생성될 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "잉곳"은 주조(cast) 물질의 덩어리를 나타낼 수 있다. 일부 예에서, 상기 물질의 형태는 상기 잉곳이 상대적으로 용이하게 운반되도록 한다. 예를 들면, 그 녹는점을 넘어 가열되고 막대 또는 블록 내에 성형된 금속은 잉곳으로 나타낸다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "라이닝"은 도가니의 표면의 적어도 일부에 도포되는 물질의 층을 나타낼 수 있다. 상기 라이닝은 상기 도가니의 내표면과 상기 도가니의 내부에 함유되는 용융 물질 사이의 장벽으로서 기능할 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "용융" 또는 "용융되는"은 충분한 열에 노출될 때 고체에서 액체로 변화하는 물질을 나타낼 수 있다. "용융물"이란 용어는 또한 그 상전이가 용융 액체로 되도록 진행된 물질을 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "용융물"은 용융된 물질을 나타낼 수 있으며, 용융은 고체 물질을 액체로 변하는 점(녹는점이라고 함)까지 가열하는 공정이다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "단결정성 실리콘"은 결함이나 불순물이 거의 없이 단일한 및 연속적인 결정 격자 구조를 갖는 실리콘을 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "다결정성 실리콘" 또는 "폴리-Si" 또는 "다중결정성 실리콘"은 다수의 단결정성 실리콘 결정을 포함하는 물질을 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "정제하는"은 외부의 또는 오염성 물질로부터 관심있는 화학 물질을 물리적 또는 화학적으로 분리하는 것을 나타낼 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "내화 물질"은 고온, 특히 실리콘의 용융 및 방향성 고체화와 관련된 고온에서 화학적 및 물리적으로 안정한 물질을 나타낼 수 있다. 내화 물질의 예는 알루미늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 크롬 옥사이드, 실리콘 카바이드, 흑연 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "측면(side)" 또는 "측면들"은 하나 이상의 측면을 나타낼 수 있으며, 달리 나타내지 않는 한, 물체의 하나 이상의 최상부 또는 바닥과 대조되는 물체의 측면 또는 측면들을 나타낸다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "실리콘"은 화학기호 Si를 갖는 원소를 나타낼 수 있으며, 임의의 순도의 Si를 나타낼 수 있지만, 일반적으로 적어도 50 중량%의 순도, 바람직하게는 75 중량%의 순도, 보다 바람직하게는 85 중량%의 순도, 보다 바람직하게는 90 중량%의 순도, 및 보다 바람직하게는 95 중량%의 순도, 및 보다 더 바람직하게는 99 중량%의 순도의 실리콘을 나타낸다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "분리하는"은 한 물질을 다른 것들로부터 제거하는(예컨대, 혼합물로부터 고체 또는 액체를 제거하는) 공정을 나타낼 수 있다. 상기 공정은 본 기술분야의 기술자에게 알려진 임의의 적합한 기술, 예컨대 상기 혼합물을 디캔트(decant)하거나, 상기 혼합물로부터 하나 이상의 액체를 걷어내거나, 상기 혼합물을 원심분리하거나, 상기 혼합물로부터 고체를 여과하거나, 또는 이들을 조합하는 것을 도입할 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "슬래그"는 금속을 정제하기 위한 광석 제련의 부산물을 나타낼 수 있다. 슬래그는 금속 옥사이드의 혼합물로 간주될 수 있다; 그러나, 슬래그는 금속 설파이드 및 금속 원자를 원소의 형태로 함유할 수 있다. 자연에서, 철, 구리, 납, 알루미늄 및 다른 금속과 같은 금속의 광석은 불순물이 섞인 상태로 발견되며, 종종 산화 및 다른 금속의 실리케이트와 혼합된다. 제련하는 동안, 광석이 고온에 노출될 때, 상기 불순물은 용융된 금속으로부터 분리되어 제거될 수 있다. 제거되는 화합물의 집합이 슬래그이다. 슬래그는 또한 예컨대 상기 금속의 정제를 향상시키기 위한 디자인에 의해 생성된 다양한 옥사이드 및 다른 물질의 블렌드(blend)일 수 있다.
본 발명에서 사용된 것과 같이, "튜브"는 속이 빈 파이프 형태의 물질을 나타낼 수 있다. 튜브는 대략 그 외부 형태와 일치하는 내부 형태를 가질 수 있다. 튜브의 내부 형태는 원형, 정사각형, 또는 비-대칭 형태를 포함하는 임의의 수의 측면을 갖는 형태를 포함하는 임의의 적합한 형태일 수 있다.
방향성 고체화용 도가니
도 1은 실리콘의 방향성 고체화를 위해 사용될 수 있는 도가니(10)의 예를 보여준다. 상기 도가니(10)는 그 내부에서 방향성 고체화가 수행되는 용기로 사용될 수 있으며, 또한 방향성 고체화 주형으로 나타낼 수 있다. 상기 도가니(10)는 실리콘의 용융 또는 용융 실리콘의 방향성 고체화 또는 이들 모두를 제공하도록 형상화된 적어도 하나의 내화 물질(12)로부터 형성될 수 있다.
상기 도가니(10)는 바닥(14) 및 상기 바닥(14)으로부터 위쪽으로 연장되는 하나 이상의 측면(16)을 가질 수 있다. 상기 도가니(10)는 두꺼운 벽의 큰 대접과 유사한 형태일 수 있으며, 원형 또는 일반적으로 원형의 횡단면을 가질 수 있다. 상기 도가니(10)는 정사각형, 육각형, 팔각형, 오각형 또는 임의의 적합한 수의 가장자리를 갖는 임의의 적합한 형태를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 다른 횡단면 형상을 가질 수 있다.
상기 바닥(14) 및 측면(16)은 용융 실리콘(2)과 같은 용융 물질을 수용할 수 있는 도가니(10)의 내부를 정의한다. 상기 내부는 또한 상기 용융 물질을 형성하기 위해 용융될 수 있는 고체 실리콘(나타내지 않음)과 같은 고체 물질을 수용할 수 있다.
상기 내화 물질(12)은 임의의 적합한 내화 물질, 특히 실리콘을 용융 또는 방향성 고체화시키기 위한 도가니용으로 적합한 내화 물질일 수 있다. 상기 내화 물질(12)로 사용될 수 있는 물질의 예는 알루미늄 옥사이드(Al2O3, 알루미나로도 나타냄), 실리콘 옥사이드(SiO2, 실리카라도 나타냄), 마그네슘 옥사이드(MgO, 마그네시아로도 나타냄), 칼슘 옥사이드(CaO), 지르코늄 옥사이드(ZrO2, 지르코니아로도 나타냄), 크롬(Ⅲ) 옥사이드(Cr2O3, 크로미아로도 나타냄), 실리콘 카바이드(SiC), 흑연 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 도가니(10)는 하나의 내화 물질 또는 하나 이상의 내화 물질을 포함할 수 있다. 상기 도가니(10) 내에 포함되는 내화 물질 또는 물질들은 혼합될 수 있거나, 또는 이들은 상기 도가니(10)의 분리된 부분에 위치할 수 있거나, 또는 이들의 조합일 수 있다. 하나 이상의 내화 물질(12)은 층으로 배열될 수 있다. 상기 도가니(10)는 하나 이상의 내화 물질(12)의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 상기 도가니(10)의 측면(16)은 상기 바닥(14)과 상이한 내화 물질로부터 형성될 수 있다. 상기 바닥(14)과 비교하여 상기 도가니(10)의 측면(16)은 두께가 상이하거나, 상이한 조성의 물질을 포함하거나, 상이한 양의 물질을 포함하거나, 이들의 조합일 수 있다. 한 예에서, 상기 측면(16)은 알루미늄 옥사이드와 같은 가열면(hot face) 내화물일 수 있다. 상기 도가니(10)의 바닥(14)은, 예를 들면 실리콘 카바이드, 흑연, 강철, 스테인리스 스틸, 주철, 구리, 또는 이들의 조합과 같은 열전도성 물질을 포함할 수 있다. 한 예에서, 상기 측면(16)은 알루미늄 옥사이드(알루미나) 내화 물질을 포함하고, 상기 바닥(14)은 인 결합제(binder)를 갖는 실리콘 카바이드 내화물을 포함한다.
한 예에서, 상기 도가니(10)는 약 1 메트릭 톤(metric tonne) 이상의 용융 실리콘을 담을 수 있다. 한 예에서, 상기 도가니는 1.4 메트릭 톤 이상의 용융 실리콘을 담을 수 있다. 한 예에서, 상기 도가니는 약 2.1 메트릭 톤 이상의 용융 실리콘을 담을 수 있다. 한 예에서, 상기 도가니는 적어도 약 1, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0, 2.1, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 또는 5 메트릭 톤 이상의 용융 실리콘을 담을 수 있다.
상기 도가니(10)는, 예를 들면 상기 도가니 내에서 실리콘의 보다 효율적인 용융 또는 방향성 고체화를 제공할 수 있는 다른 특성들을 포함할 수 있다. 상기 도가니 내에 포함될 수 있는 구조 또는 특성의 예는 하나 이상의 절연층 또는 다른 구조, 하나 이상의 열전도층 또는 다른 구조, 하나 이상의 재킷(jacket), 및 층들을 함께 고정하거나 풀어지는 것을 방지 또는 감소시키기 위한 하나 이상의 앵커(anchor)를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 도가니 내에 포함될 수 있는 구조의 예는 그 전체가 인용에 의해 본 발명에 포함되는 2010년 11월 17일자로 출원되어 본 발명의 양수인에게 양도된 니콜(Nichol) 등의 미국 특허 출원 제12/947,936호(발명의 명칭: APPARATUS AND METHOD FOR DIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF SILICON)에 개시되어 있다.
최상부 히터
방향성 고체화를 위해 사용될 때, 상기 도가니(10)의 최상부에 최상부 히터가 또한 포함 및 위치하여 도가니 및 도가니 내부의 용융 실리콘에 열을 도입할 수 있다. 상기 최상부 히터는 대략 상기 도가니의 횡단면 형태와 일치하는 횡단면 형태를 가질 수 있다. 상기 최상부 히터에 의해 도가니에 열을 도입하면 상기 도가니 내의 용융 실리콘의 온도를 조절할 수 있게 된다. 상기 최상부 히터는 또한 가열없이 상기 도가니의 최상부에 위치할 수 있으며, 이에 따라 상기 최상부 히터가 상기 도가니로부터 열이 방출되는 것을 조절하기 위한 절연체로서 작용할 수 있다. 상기 도가니로부터의 열의 온도 또는 방출을 조절함으로써 원하는 온도 구배가 제공될 수 있고, 이에 따라 방향성 고체화가 보다 크게 조절되도록 할 수 있다. 최종적으로, 온도 구배를 조절하게 되면 결과물인 실리콘의 순도가 최대화되는 보다 효과적인 방향성 고체화를 허용할 수 있다.
도 2는 최상부 히터(100)의 예를 보여준다. 상기 최상부 히터(100)는 하나 이상의 가열 부재(102)를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 가열 부재(102) 각각은 독립적으로 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 하나 이상의 가열 부재(102) 각각은 독립적으로 가열 구성요소를 포함할 수 있고, 상기 가열 구성요소는 실리콘 카바이드, 몰리브덴 디실리사이드, 흑연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다: 또한, 다른 한편으로 상기 하나 이상의 가열 부재(102) 각각은 독립적으로 인덕션 히터를 포함할 수 있다. 한 예에서, 상기 하나 이상의 가열 부재는 대략 동일한 높이로 위치된다. 다른 예에서, 상기 하나 이상의 가열 부재는 상이한 높이로 위치된다.
한 예에서, 상기 가열 부재(102)는 특정한 이점을 가질 수 있는 실리콘 카바이드를 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 카바이드 가열 부재(102)는 산소의 존재 하에 고온에서 부식이 덜 될 수 있다. 진공 챔버를 이용함으로써 부식가능한 물질을 포함하는 가열 구성요소에 대한 산소 부식이 감소될 수 있다. 추가적으로, 실리콘 카바이드 가열 부재(102)는 수냉각 납(water-cooled lead)이 없이 사용될 수 있다. 한 예에서, 상기 가열 구성요소는 진공 챔버에서, 수냉각 납과 함께, 또는 이들 모두와 함께 사용된다. 한 예에서, 상기 가열 부재(102)는 진공 챔버 없이, 수냉각 납이 없이, 또는 이들 모두 없이 사용된다.
한 예에서, 상기 하나 이상의 가열 부재(102)는 인덕션 히터이다. 상기 인덕션 히터(102)는 하나 이상의 내화 물질 내에 주조될 수 있다. 이후, 상기 인덕션 가열 코일 또는 코일들을 함유하는 내화 물질은 상기 하부 주형에 걸쳐 위치될 수 있다. 상기 내화 물질은 알루미늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 크롬 옥사이드, 실리콘 카바이드, 흑연 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 적합한 물질일 수 있다. 다른 예에서, 상기 인덕션 히터(102)는 하나 이상의 내화 물질 내로 주조되지 않는다.
상기 하나 이상의 가열 부재(102)는 전기 시스템을 가질 수 있어서, 적어도 하나의 가열 부재(102)가 실패하면 임의의 남아있는 기능적 가열 부재(102)가 전기를 수용하고 열을 생성하는 것을 계속할 수 있다. 한 예에서, 각각의 가열 부재(102)는 그 자체의 회로를 갖는다.
상기 최상부 히터(100)는 절연물(104)을 포함할 수 있다. 상기 절연물(104)은 절연 브릭, 내화물 또는 내화물의 혼합물, 절연 보드, 세라믹 용지, 고온의 울, 또는 이들의 혼합물을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 적합한 절연 물질을 포함할 수 있다. 절연 보드는 고온의 세라믹 보드를 포함할 수 있다. 상기 절연 물질(104) 및 하나 이상의 가열 부재(102)의 바닥 가장자리는 대략 동일한 높이 일 수 있거나, 또는 상기 가열 부재(102)는 상기 절연 물질(104)의 바닥 가장자리의 높이 위쪽에 위치할 수 있거나, 또는 상기 절연 물질(104)의 바닥 가장자리는 상기 가열 부재(102)의 높이 위쪽에 위치할 수 있다. 상기 하나 이상의 가열 부재(102)가 인덕션 히터이고, 상기 절연 물질(104)이 내화 물질을 포함하며, 상기 하나 이상의 가열 부재(102)가 상기 내화 물질(104) 내에 감싸진(encased) 것과 같은 다른 배위(configuration)의 하나 이상의 가열 부재(102) 및 절연 물질(102)이 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 추가적인 절연 물질이 또한 선택적으로 포함될 수 있으며, 상기 추가적인 절연 물질은 내화 물질일 수 있거나, 또는 상기 추가적인 절연 물질은 다른 적합한 절연 물질일 수 있다.
상기 최상부 히터(100)는 외부 재킷(106)을 포함할 수 있다. 상기 외부 재킷(106)은 강철, 스테인리스 스틸, 구리, 주철, 내화 물질, 내화 물질의 혼합물 또는 이들의 조합을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아닌 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 상기 절연 물질(104)은 적어도 부분적으로는 상기 하나 이상의 가열 부재(102) 및 외부 재킷(106) 사이에 배치될 수 있다. 상기 외부 재킷(106)의 바닥 가장자리는 상기 절연 물질(104) 및 상기 하나 이상의 가열 부재(102)의 바닥 가장자리와 대략 평평할 수 있거나, 또는 상기 외부 재킷(106)의 바닥 가장자리는 상기 절연 물질(104) 또는 상기 하니 이상의 가열 부재(102)의 바닥 가장자리로부터 상쇄(offset)될 수 있거나, 이들 모두일 수 있다. 한 예에서, 상기 절연 물질(104)의 가장자리를 커버하는 상기 외부 재킷(106)의 일부는 적합한 내화물과 같이 상대적으로 낮은 전도성을 갖는 물질, 예컨대 알루미늄 옥사이드, 실리콘 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 칼슘 옥사이드, 지르코늄 옥사이드, 크롬 옥사이드, 실리콘 카바이드, 흑연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 최상부 히터 외부 재킷(106)은 상기 최상부 히터(100)에 강도 및 강성을 추가할 수 있는 부재와 같은 구조 부재를 포함할 수 있다. 상기 구조 부재는 강철, 스테인리스 스틸, 구리, 주철, 내화 물질, 내화 물질의 혼합물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 한 예에서, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)은 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 바깥으로부터 상기 최상부 히터(100)의 중심부로부터 멀어지는 방향으로 연장되고 상기 최상부 히터(100)의 원주 또는 둘레 주위로 수평으로 연장되는 하나 이상의 구조 부재를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 수평 구조 부재는, 예를 들면, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106) 바깥의 하부 가장자리, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106) 바깥의 상부 가장자리, 또는 상기 최상부 히터 외부 재킷(106) 바깥의 바닥 및 최상부 가장자리 사이의 임의의 위치에 위치될 수 있다. 한 예에서, 상기 최상부 히터(100)는, 하나는 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 바닥 가장자리에 위치하고, 하나는 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 상부 가장자리에 위치하며, 하나는 상기 최상부 히터 외부 재킷의 하부 및 상부 가장자리 사이에 위치하는 3개의 수평 구조 부재를 포함한다.
상기 최상부 히터 외부 재킷(106)은 상기 최상부 히터 외부 재킷(106) 바깥의 바닥으로부터 상기 최상부 히터 외부 재킷(106) 바깥의 최상부에 수직으로 최상부 히터(100)의 중심으로부터 멀어지는 방향으로 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 바깥을 향해 연장되는 최상부 히터 외부 재킷(106)의 바깥 상의 하나 이상의 구조 부재를 포함할 수 있다. 한 예에서, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)은 8개의 수직 구조 부재를 포함할 수 있다. 상기 수직 구조 부재는 상기 최상부 히터(100)의 원주 또는 둘레 주위에 균등하게 이격될 수 있다. 한 예에서, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)은 수직 및 수평 구조 부재를 모두 포함할 수 있다. 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)은 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 최상부를 가로질러 연장되는 구조 부재를 포함할 수 있다. 상기 최상부 상의 구조 부재는 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 최상부의 한 외부 가장자리로부터 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 최상부의 다른 가장자리로 연장될 수 있다. 상기 최상부 상의 구조 부재는 또한 상기 외부 재킷(106)의 최상부를 부분적으로 가로질러 연장될 수 있다. 상기 구조 부재는 스트립, 막대, 튜브, 또는 상기 최상부 히터에 구조적 지지를 추가하기 위한 임의의 적합한 구조일 수 있다. 상기 구조 부재는 용접, 납땜 또는 다른 적합한 방법을 통해 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)에 부착될 수 있다. 상기 구조 부재는 상기 장치의 운반 및 물리적 취급을 촉진하기 위해 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106) 바깥의 최상부 상의 구조 부재는 충분한 크기, 강도, 방향, 간격 또는 이들의 조합을 갖는 튜브일 수 있어서, 특정 지게차 또는 다른 들어올림(lifting) 장치가 상기 최상부 히터를 들어올리거나, 이동시키거나, 또는 달리 물리적으로 취급할 수 있다. 다른 예에서, 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 바깥 상에 위치하는 전술한 구조 부재는 대안적으로 또는 추가적으로 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 내부 위에 위치될 수 있다. 다른 예에서, 상기 최상부 히터(100)는 상기 최상부 히터의 구조 부재 또는 상기 최상부 히터(100)의 비-구조 부재에 부착된 체인을 포함하는 상기 최상부 히터(100)에 부착된 체인을 이용하여 크레인 또는 다른 들어올림 장치를 이용하여 이동될 수 있다. 예를 들면, 체인은 상기 최상부 히터 외부 재킷(106)의 상부 가장자리에 부착되어 상기 최상부 히터(100)를 들어올리거나 달리 이동시키기 위한 크레인용 브리들(bridle)을 형성할 수 있다.
냉각
전술한 것과 같이, 상기 도가니 내의 온도 구배를 조절함으로써 매우 조절된 방향성 고체화가 달성될 수 있다. 상기 온도 구배 및 대응하는 방향성 결정화에 대한 높은 조절 정도는 보다 효과적인 방향성 고체화를 허용하여 고순도의 실리콘을 제공할 수 있다. 한 예에서, 상기 방향성 고체화는 대략 상기 도가니의 바닥으로부터 최상부로 진행하여서, 바닥은 저온이고 최상부는 고온인 온도 구배를 갖게 할 수 있다. 최상부 히터(100)를 갖는 한 예에서, 상기 최상부 히터(100)는 도가니로부터 열의 진입 또는 손실을 조절하는 한 방법일 수 있다. 전도성 내화 물질이 또한 도가니 내에 사용되어 상기 도가니의 바닥으로부터 열 손실을 유도할 수 있다. 상기 도가니는 또한 도가니의 측면에 절연 물질을 포함하여 이로부터의 열 손실을 방지하고, 수직 열 구배의 형성을 조장하고, 및 수평 열 구배의 형성을 막을 수 있다. 한 예에서, 하나 이상의 팬이 사용되어 상기 도가니의 바닥을 가로질러, 예를 들면 도가니의 외부 재킷의 바닥을 가로질러 냉각 공기를 불어 넣어 상기 도가니의 바닥으로부터의 열 손실을 조절할 수 있다. 한 예에서, 팬을 사용하지 않는 주위 공기의 순환을 사용하여 도가니의 바닥을 포함하는 상기 도가니를 냉각시킬 수 있다.
한 예에서, 하나 이상의 열 전달 핀(fin)이 상기 도가니 외부 재킷의 바닥에 부착되어 공기 냉각을 촉진할 수 있다. 하나 이상의 팬이 상기 외부 재킷의 바닥을 가로질러 공기를 불어넣음으로써 상기 냉각 핀의 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 임의의 적합한 수의 핀이 사용될 수 있다. 하나 이상의 핀이 상기 핀의 표면적에 의해 촉진되어 장치의 바닥으로부터 열을 흡수하여 상기 열이 공기 냉각에 의해 제거되도록 할 수 있다. 예를 들면, 상기 핀은 구리, 주철, 강철 또는 스테인리스 스틸로 제조될 수 있다.
한 예에서, 적어도 하나의 액체 도관이 포함될 수 있으며, 상기 적어도 하나의 액체 도관은 냉각 액체가 상기 도관을 통해 통과하여 상기 도가니 밖으로 열을 전달하도록 형상화될 수 있다. 상기 냉각 액체는 임의의 적합한 냉각 액체일 수 있다. 상기 냉각 액체는 한 액체 또는 하나 이상의 액체의 혼합물일 수 있다. 사용될 수 있는 냉각 액체의 예로는 물, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 오일 및 오일의 혼합물 중 적어도 하나를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
한 예에서, 상기 적어도 하나의 액체 도관은 튜브를 포함할 수 있다. 상기 튜브는 구리, 주철, 강철, 스테인리스 스틸, 내화 물질, 내화 물질의 혼합물 또는 이들의 조합과 같은 열 전달을 위한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 액체 도관은 물질을 통한 도관을 포함할 수 있다. 상기 도관은 구리, 실리콘 카바이드, 흑연, 주철, 강철, 스테인리스 스틸, 내화 물질, 내화 물질의 혼합물 또는 이들의 조합을 포함하는 물질을 통한 것과 같은 임의의 적합한 물질을 통한 것일 수 있다. 상기 적어도 하나의 액체 도관은 튜브 및 물질을 통한 도관의 조합일 수 있다. 한 예에서, 상기 적어도 하나의 액체 도관은 상기 장치의 바닥에 인접하거나, 상기 장치의 바닥 내이거나, 또는 상기 장치의 바닥에 인접하고 상기 장치의 바닥 내인 것의 조합에 위치될 수 있다.
상기 액체 도관은 냉각 액체가 상기 방향성 고체화 주형 밖으로 열을 전달하도록 하는 다양한 배위를 포괄할 수 있다. 상기 냉각 액체를 이동시키기 위해 펌프가 사용될 수 있다. 상기 냉각 액체로부터 열을 제거하기 위해 냉각 시스템이 사용될 수 있다. 예를 들면, 파이프를 포함하는 하나 이상의 튜브가 사용될 수 있다. 상기 하나 이상의 튜브는 코일형일 수 있다. 상기 하나 이상의 튜브는 상기 외부 재킷의 바깥에 인접할 수 있다. 한 예에서, 상기 하나 이상의 튜브는 상기 외부 재킷의 바깥의 바닥에 인접할 수 있다. 상기 하나 이상의 튜브는 충분한 표면적 접촉이 일어나 상기 장치로부터 상기 냉각 액체로 열이 효율적으로 전달되도록 상기 외부 재킷과 접촉할 수 있다. 상기 하나 이상의 튜브는 튜브의 가장자리를 따르는 것을 포함하는 임의의 적합한 방식으로 상기 외부 재킷과 접촉할 수 있다. 상기 하나 이상의 튜브는 임의의 적합한 방법에 의해 상기 외부 재킷의 바깥에 용접, 납땜, 땜납 또는 부착될 수 있다. 상기 하나 이상의 튜브는 상기 외부 재킷의 바깥에 납작하게 붙어 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
한 예에서, 상기 적어도 하나의 액체 도관은 상기 도가니의 바닥을 통해 이어지는 하나 이상의 도관일 수 있다. 상기 도가니의 바닥을 통해 이어지는 도관은 상기 도가니 내에 포함되는 내화물 내에 감싸진 튜브일 수 있다. 상기 튜브는 상기 외부 재킷의 한 부분으로 들어가서, 상기 도가니의 바닥에서 내화 물질 또는 전도성 물질 또는 이들의 조합을 통해 이어지고, 상기 외부 재킷의 다른 부분으로 나올 수 있다. 상기 도가니의 바닥 내화물 또는 바닥 전도성 물질 내에 감싸진 튜브는 코일형이거나, 상기 도가니의 바닥을 나오기 전에 1회 이상 전진 및 후진하는 것을 포함하는 임의의 적합한 형태로 배열될 수 있다.
한 예에서, 상기 적어도 하나의 액체 도관은 내화 물질, 열-전도성 물질 또는 이들의 조합 내에 감싸진 튜브를 포함하며, 상기 물질은 상기 도가니가 그 위에 놓여지기에 충분히 큰 물질의 블록이다. 상기 도관은 임의의 적합한 물질을 통한 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 도관은 구리, 실리콘 카바이드, 흑연, 주철, 강철, 스테인리스 스틸, 내화 물질, 내화 물질의 혼합물 또는 이들의 조합을 포함하는 물질을 통한 것일 수 있다. 상기 냉각 액체는 상기 도가니가 그 위에 놓여지는 상기 내화 물질로부터 열을 제거하여 상기 도가니의 바닥으로부터 열을 제거할 수 있다.
일반사항
도 3은 도가니(124)의 최상부에 위치하는 최상부 히터(122)를 포함하는 실리콘의 방향성 고체화를 위한 장치(120)의 예를 예시한다. 체인(126)이 수직 구조 부재(130) 내의 구멍(128)을 통해 상기 최상부 히터(122)에 연결될 수 있다. 상기 체인(126)은 크레인을 사용함으로써 상기 최상부 히터(122)가 이동될 수 있게 할 수 있는 브리들을 형성할 수 있다. 상기 장치는 또한, 예를 들면, 도가니(124)를 시저 리프트(scissor lift) 상에 놓고 상기 도가니(124)에 대해 상기 최상부 히터(124)를 떠나게 함으로써 이동될 수 있다.
상기 수직 구조 부재(130)는 상기 최상부 히터(122)의 외부 재킷의 바닥 가장자리로부터 상기 최상부 히터(122)의 외부 재킷의 최상부 가장자리로 수직으로 연장될 수 있다. 상기 수직 구조 부재(130)는 상기 최상부 히터 외부 재킷의 바깥 상에 위치되고 상기 최상부 히터(122)의 중심으로부터 멀어지는 방향에 평행하게 상기 재킷으로부터 연장될 수 있다. 상기 최상부 히터(122)는 또한 상기 최상부 히터 외부 재킷의 바깥 상에 위치할 수 있고 상기 최상부 히터(122)의 중심으로부터 멀어지는 방향에 평행한 방향으로 상기 재킷으로부터 연장될 수 있는 하나 이상의 수평 구조 부재(132)를 포함할 수 있다. 상기 최상부 히터(122)는 또한 상기 최상부 히터(122)의 외부 재킷의 일부일 수 있는 립(lip)(134)을 포함할 수 있다. 상기 립(134)은 상기 최상부 히터(122)의 외부 재킷 바깥으로 돌출될 수 있다. 상기 립(134)은 상기 최상부 히터(122)의 중심축 쪽으로 안쪽으로 연장되어서, 임의의 적합한 정도까지 상기 최상부 히터(122)의 절연을 커버할 수 있다. 다른 한편으로, 상기 립(134)은 상기 최상부 히터(122)의 외부 재킷의 바닥 가장자리를 커버하기에 충분할 정도로만 안쪽으로 연장될 수 있다. 하나 이상의 스크린 박스(136)가 상기 최상부 히터(122)의 외부 재킷으로부터 돌출되는 가열 부재의 말단을 둘러싸서 이들 부재의 말단 내 또는 그 근처에 존재할 수 있는 열 및 전기로부터 사용자를 보호할 수 있다.
절연물(138)은 상기 최상부 히터(122) 및 도가니(124) 사이에 위치될 수 있다. 상기 도가니(124)의 하나 이상의 절연층의 적어도 일부는 상기 도가니(124)의 외부 재킷의 높이 이상으로 연장될 수 있다. 상기 도가니(124)는 하나 이상의 수직 구조 부재(140)를 포함할 수 있다. 상기 수직 구조 부재(140)는 상기 도가니(124)의 외부 재킷의 외표면에 위치되어서 상기 도가니(124)의 중심으로부터 멀어지는 방향에 평행하게 상기 외부 재킷 바깥으로 연장될 수 있다. 상기 수직 구조 부재(140)는 외부 재킷의 바닥 가장자리로부터 상기 외부 재킷의 최상부 가장자리로 수직으로 연장될 수 있다. 상기 도가니(124)는 또한 하나 이상의 수평 구조 부재(142)를 포함할 수 있다. 상기 수평 구조 부재(142)는 도가니(124)의 외부 재킷의 외표면에 위치되어서 상기 도가니(124)의 중심으로부터 멀어지는 방향에 평행하게 상기 외부 재킷 바깥으로 연장될 수 있다. 상기 수평 구조 부재(142)는 상기 도가니(124)의 원주 주변에 수평으로 연장될 수 있다. 상기 도가니(124)는 또한 바닥 구조 부재(144 및 146)를 포함할 수 있다. 상기 바닥 구조 부재(144 및 146)는 상기 도가니(124)의 중심으로부터 멀어지는 방향에 평행하게 상기 외부 재킷 바깥으로 연장될 수 있다. 상기 바닥 구조 부재(144 및 146)는 상기 도가니(124)의 바닥을 가로질러 연장될 수 있다. 상기 바닥 구조 부재(146)의 일부는 지게차 또는 다른 기계가 상기 장치를 들어올리거나, 달리 물리적으로 조작하는 것을 허용하는 형상일 수 있다.
실리콘의 정제 방법
도 4a 내지 도 4c는 실리콘을 방향성 고체화시키기 위한 공정의 다양한 단계에서의 예시적인 장치(200)의 횡단면도이다. 상기 장치(200)는 도가니(202) 위에 위치한 최상부 히터(204)를 갖는 방향성 고체화 도가니(202)를 포함할 수 있다. 실리콘을 포함하는 용융 액체(206)는 상기 도가니(202) 내의 내부 공간 내에 위치된다. 전술한 것과 같이, 상기 용융 실리콘(206)은 상기 용융 실리콘(206)으로부터 불순물을 제거하기 위해 방향성 고체화되는 실리콘을 포함한다.
도 4a는 실리콘 정제 공정의 제1 중간 단계를 보여준다. 도 4a의 중간 단계에 있어서, 상기 용융 실리콘(206)의 최상부 부위가 고체화되도록 하여 고체 실리콘층(208)을 형성한다. 상기 고체 실리콘층(208)의 최상부에 유리(210)가 상기 고체 실리콘층(208)과 접촉하여 위치된다. 아래에 보다 상세히 개시한 것과 같이, 상기 유리(210)는 방향성 고체화 도중에 상기 용융 실리콘(206)으로부터 추가적인 불순물을 흡수함으로써 상기 도가니(202) 내에서 실리콘의 추가적인 정제를 제공하도록 형상화된다.
상기 유리(210)는 상기 용융 실리콘(206)으로부터 붕소(B) 및 인(P)과 같은 원하지 않는 불순물의 흡수를 제공할 수 있는 임의의 유리 조성물을 포함할 수 있다. 상기 유리(210)로 사용될 수 있는 유리 조성물의 예는 전-융합(pre-fused) 실리카계 유리, 예를 들면 전-융합 실리카와 같은 전-융합 유리를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 4b는 실리콘 정제 공정의 제2 중간 단계를 보여준다. 도 4b의 중간 단계에 있어서, 상기 도가니(202)는 상기 고체 실리콘층(208)이 다시 용융 실리콘(206)으로 용융되고 도 4a에서의 유리(210)가 용융되어 상기 용융 액체(406)의 최상부에 용융 유리층(212)을 형성하도록 가열된다.
도 4c는 실리콘 정제 공정의 방향성 고체화 단계 동안의 장치를 보여준다. 상기 고체 실리콘층(208) 및 유리(210)를 가열 및 용융한 후, 상기 용융 실리콘(206)은 예를 들면 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것과 같은 방향성 고체화 방법을 이용하여 방향성 고체화될 수 있다. 방향성 고체화의 종래 알려진 방법과 마찬가지로, 상기 용융 실리콘(206)은 예를 들면 상기 용융 액체(202)의 최상부를 최상부 히터(204)로 가열하고 상기 도가니(202)의 바닥 벽을 조절된 방식으로 냉각함으로써(상기에 개시됨) 상기 도가니(202)의 바닥으로부터 최상부 쪽으로 형성된 잉곳(214)을 형성하도록 고체화된다. 도 4c는 예컨대 상기 고체 실리콘 잉곳(214)의 최상부에 위치한 용융 실리콘(206)을 이용하여 상기 도가니(202) 내에서 형성될 때의 잉곳(214)을 보여준다. 또한, 전술한 것과 같이, 상기 용융 유리층(212)은 상기 용융 실리콘(206)의 최상부에 남아있다.
본 기술분야에 알려진 것과 같이, 상기 용융 실리콘(206) 내의 실리콘이 고체화하여 실리콘 잉곳(214)을 형성할 때, 붕소, 인 및 알루미늄과 같은 불순물은 상기 용융 용액 내에 남아 있어서 방향성 고체화가 진행할 때 상기 불순물의 농도는 상기 용융 실리콘(206) 내에서 증가한다. 불순물의 농도가 증가하면 상기 용융 실리콘(206) 및 용융 유리층(212) 사이의 불순물에 대해 큰 대규모-전달 추진력이 생기게 된다. 상기 용융 유리층(212)이 충분한 기간 동안 상기 도가니(202)의 최상부에서 상기 용융 실리콘(206)과 접촉을 유지하면, 최종 잉곳(214) 내에서의 불순물의 양은 상기 용융 유리층(212)을 형성하는 최상부 유리층(210)을 이용하지 않는 종래 방향성 고체화 방법과 비교하여 현저히 감소될 수 있다. 상기 방향성 고체화는 소정의 기간 동안 중단되어서 상기 용융 실리콘(206)이 소정의 기간 동안 상기 용융 실리콘층(212)과 접촉하고 있을 수 있다. 한 예에서, 용융 실리콘(206)은 적어도 14시간 동안 상기 용융 유리층(212)과 접촉을 유지하며, 24시간 또는 그 이상까지 접촉을 유지할 수 있다.
상기 용융 실리콘(206)이 소정의 기간 동안 상기 용융 유리층(212)과 접촉하도록 한 후, 상기 방향성 고체화가 계속하도록 두어서 상기 용융 실리콘(206)의 전부가 상기 실리콘 잉곳(214)의 일부로서 고체화되고, 또한 상기 용융 유리층(212)도 고체화되어서 불순물 유리층(216)을 형성하도록 할 수 있다. 상기 유리층(210)이 전-융합 실리카와 같은 실리카를 포함하는 한 예에서, 상기 용융 유리층(212) 내의 실리카(SiO2)의 일부는 원래의 상기 용융 실리콘(206) 내로부터 상기 용융 유리층(212) 내로 확산된 알루미늄 불순물의 존재로 인해 알루미나(Al2O3)로 변환될 수 있다.
도 5는 실리콘을 정제하기 위한 예시적인 방법(300)의 순서도이다. 상기 방법(300)은, (302)에서, 예컨대 금속급(MG) 실리콘을 용융시킴으로써 실리콘을 포함하는 용융 액체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 한 예에서, 상기 용융 액체는 적어도 약 1,400℃와 같은, 예를 들면 약 1,400℃ 내지 약 1,600℃의 고체상선 온도(solidus temperature) 이상의 온도로 MG 실리콘과 같은 실리콘을 가열함으로써 형성된다.
(304)에서, 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성된다. 상기 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 최상부 부위를 냉각시킴으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성될 수 있다. 상기 최상부 부위는 상기 용융 액체의 최상부 부위를 상기 용융 액체의 최상부 부위가 천천히 냉각되어서 고체화하도록 상대적으로 적은 열로 가열함으로써 고체화될 수 있다. 상기 최상부 고체화 부위는 상기 용융 액체의 최상부 부위에서 형성될 수 있고, 바닥 부위는 용융 액체로 남아있다. 상기 용융 액체의 바닥 부위, 예컨대 상기 최상부 고체화 부위 아래의 부위는 상기 용융 액체의 최상부 부위는 어는점 이하로 냉각되면서 상기 바닥 부위를 녹는점 이상의 온도에서 유지하기 위해 상기 용융 액체의 바닥 부위를 가열함으로써 용융 액체로 유지될 수 있다. 한 예에서, 상기 고체화 실리콘층은 약 0.5 ㎝까지 두께의 고체화 실리콘과 같은 약 1 ㎝까지 두께의 고체화 실리콘을 갖는다.
(306)에서, 상기 고체화 실리콘층은 유리층과 같은 유리와 접촉한다. 한 예에서, 상기 유리는 전-융합 실리카와 같은 전-융합 유리를 포함한다. (308)에서, 상기 고체화 실리콘층 및 유리는 상기 고체화 실리콘 및 유리를 용융시키기에 충분하도록 가열된다. 한 예에서, 상기 고체화 실리콘 및 유리는 적어도 약 1,400℃와 같은, 예를 들면 약 1,400℃ 내지 약 1,600℃의 고체상선 온도 이상의 온도로 가열된다.
(310)에서, 상기 용융 액체는 상기 용융 액체의 바닥 부위로부터 상기 용융 액체의 최상부 부위 쪽으로 방향성 고체화되어 고체 실리콘 잉곳과 같은 고체 실리콘을 형성한다. 상기 고체 실리콘 잉곳이 형성될 때, 상기 용융 액체 내에서 붕소, 인 및 알루미늄 중 적어도 하나와 같은 불순물의 농도는 증가되고, 상기 용융 액체 및 용융 유리 사이의 추진력은 증가되어서, 상기 용융 액체 내의 실리콘을 정제하도록 상기 불순물이 상기 용융 액체로부터 상기 용융 유리로 전달된다. 한 예에서, 상기 방향성 고체화는 상기 용융 액체의 바닥 부위를 냉각시키는 것과 같이 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행된다. 상기 냉각은 약 14시간 내지 약 24시간과 같이 적어도 약 14시간의 기간에 걸쳐 방향성 고체화를 수행한다.
한 예에서, 상기 제1 용융 실리콘은 대략 상기 방향성 고체화 주형의 바닥에서 출발하고, 대략 상기 방향성 고체화 주형의 최상부에서 나와 고체화되어 상기 제2 실리콘을 형성할 수 있다. 상기 방향성 고체화는 상기 제2 실리콘의 마지막으로 응고되는(last-to-freeze) 부위가 상기 제2 실리콘의 초기 응고된 부위보다 더 큰 농도의 불순물을 포함하도록 할 수 있다. 상기 마지막으로 응고되는 부위 이외의 제2 실리콘 부위는 상기 제2 실리콘의 마지막으로 응고되는 부위보다 낮은 농도의 불순물을 포함할 수 있다. 상기 제2 실리콘은 실리콘 잉곳일 수 있다. 상기 실리콘 잉곳은, 예컨대 태양 전지를 제조하기 위한 솔라 웨이퍼(solar wafer)로 절단되기에 적합할 수 있다.
한 예에서, 방향성 고체화는 상기 방향성 고체화 주형 위에 최상부 히터를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방향성 고체화 주형은 용융 실리콘이 첨가되기 전에 예열될 수 있다. 상기 최상부 히터는 상기 방향성 고체화 주형을 예열하기 위해 사용될 수 있다. 상기 방향성 고체화 주형을 예열하면 상기 방향성 고체화 주형의 벽에 실리콘이 과량으로 신속하게 고체화되는 것을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 상기 최상부 히터는 상기 제1 실리콘을 용융하여 상기 제1 용융 실리콘을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 상기 최상부 히터는 열을 상기 제1 용융 실리콘에 전달하기 위해 사용될 수 있다. 상기 최상부 히터는 상기 실리콘이 상기 방향성 고체화 주형 내에서 용융될 때 상기 제1 용융 실리콘에 열을 전달할 수 있다. 상기 최상부 히터는 상기 제1 용융 실리콘의 최상부의 열을 조절하기 위해 사용될 수 있다. 상기 최상부 히터는 상기 방향성 고체화 주형의 최상부에서의 열 손실의 양을 조절하기 위한 절연체로 사용될 수 있다. 상기 제1 실리콘은 용광로 내의 용융 도가니 내에서와 같은 장치 바깥에서 용융된 후, 상기 방향성 고체화 주형에 첨가될 수 있다. 일부 예에서, 상기 장치 바깥에서 용융되는 실리콘은 상기 방향성 고체화 주형에 첨가된 후 상기 최상부 히터를 이용하여 원하는 온도로 추가로 가열될 수 있다.
한 예에서, 상기 최상부 히터는 인덕션 히터를 포함할 수 있고, 상기 실리콘은 상기 방향성 고체화 주형에 첨가되기 전에 용융될 수 있다. 다른 한편으로, 상기 최상부 히터는 인덕션 히터뿐만 아니라 가열 구성요소를 포함할 수 있다. 인덕션 가열은 용융 실리콘에 대해 보다 효과적일 수 있다. 인덕션은 상기 용융 실리콘의 혼합을 유발할 수 있다. 어떤 예에서, 너무 많이 혼합하면 불순물의 분리를 개선할 수 있지만, 최종 실리콘 잉곳에서 원하지 않는 공극(porosity)을 생성할 수도 있기 때문에, 혼합의 양을 최적화하기에 충분하도록 동력이 조정될 수 있다.
상기 방향성 고체화는 상기 방향성 고체화 주형의 바닥으로부터 열을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열의 제거는 임의의 적합한 방식으로 일어날 수 있다. 예를 들면, 상기 열의 제거는 상기 방향성 고체화 주형의 바닥을 가로질러 팬을 돌리는 것, 팬을 사용하거나 사용하지 않고 주위 공기로 상기 방향성 고체화 주형의 바닥을 냉각시키는 것, 상기 장치의 바닥에 인접한 튜브를 통하거나, 상기 장치의 바닥을 통해 이어지는 튜브를 통하거나, 상기 장치가 위치하는 물질을 통해 이어지는 튜브를 통하거나, 또는 이들의 조합을 통해 냉각 액체를 넣어주는 것 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 방향성 고체화 주형의 바닥으로부터 열을 제거하면 상기 방향성 고체화 주형 내에 열 구배가 확립되도록 하여 대략 상기 방향성 고체화 주형의 바닥으로부터 상기 방향성 고체화 주형의 최상부로 상기 제1 용융 실리콘의 방향성 고체화를 더 잘 조절할 수 있게 한다.
상기 방향성 고체화 주형의 바닥으로부터의 열의 제거는 상기 방향성 고체화의 전체 기간 동안 수행될 수 있다. 다수의 냉각 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 방향성 고체화 주형의 바닥은 액체 냉각 및 팬을 이용한 냉각일 수 있다. 팬 냉각은 상기 방향성 고체화의 일부 동안 일어날 수 있고, 액체 냉각은 다른 일부 동안 일어날 수 있으며, 상기 2가지 냉각 방법 사이에 임의의 적합한 양이 중첩되거나 없을 수 있다. 액체를 이용한 냉각은 상기 방향성 고체화의 일부 동안 일어날 수 있고, 다른 부분에 대해서는 주위 공기 냉각만이 일어날 수 있으며, 상기 2가지 냉각 방법 사이에 임의의 적합한 양이 중첩되거나 없을 수 있다. 냉각된 물질의 블록 위에 상기 방향성 고체화 주형을 설치하는 냉각이 또한 다른 냉각 방법과 임의의 적합한 양의 중첩으로 임의의 적합한 조합을 포함하는 상기 방향성 고체화의 임의의 적합한 기간 동안 일어날 수 있다. 열이 상기 최상부에 가해지면서, 예를 들면, 상기 최상부의 온도를 증가시키거나, 상기 최상부의 온도를 유지하거나, 또는 상기 최상부의 냉각이 특정한 속도가 되도록 하기 위해 열이 상기 최상부에 가해지면서, 상기 방향성 고체화 주형의 바닥의 냉각이 수행될 수 있다. 상기 방향성 고체화 주형의 최상부를 가열하고, 상기 방향성 고체화 주형의 바닥을 냉각하는 모든 적합한 배위 및 방법 및 이들의 조합은 임의의 적합한 양이 시간적으로 중첩되거나 없이 본 발명의 예로서 포괄된다.
상기 방향성 고체화는 상기 실리콘을 적어도 약 1,200℃로 가열하기 위하여 최상부 히터를 사용하고, 상기 실리콘의 최상부의 온도를 약 10 내지 약 16시간에 걸쳐 천천히 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방향성 고체화는 상기 실리콘을 포괄적으로 약 1,200℃ 및 약 1,600℃ 사이로 가열하기 위하여 최상부 히터를 사용하고, 상기 실리콘의 최상부의 온도를 대략 약 14시간 동안 일정하게 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방향성 고체화는 상기 최상부 히터를 끄는 단계, 상기 실리콘을 약 2 내지 약 60시간 동안 냉각되도록 하는 단계, 및 이후 상기 방향성 고체화 주형으로부터 상기 최상부 히터를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. (212)에서, 상기 제2 실리콘은 상기 방향성 고체화 주형으로부터 제거될 수 있다. 상기 실리콘은 임의의 적합한 방법에 의해 제거될 수 있다. 예를 들면, 상기 실리콘은 상기 방향성 고체화 주형을 뒤집고, 상기 제2 실리콘이 상기 방향성 고체화 주형으로부터 떨어지도록 함으로써 제거될 수 있다. 다른 예에서, 상기 방향성 고체화 기구는, 실질적으로 가운데를 나눔으로써 2개의 절반을 형성할 수 있는 것과 같이, 2 이상의 부분으로 분리되고, 상기 제2 실리콘이 상기 방향성 고체화 주형으로부터 제거되도록 할 수 있다.
(312)에서, 방향성 고체화 후, 상기 고체화 실리콘의 일부가 제거되어 정제된 고체 실리콘을 제공할 수 있다. (314)에서, 상기 유리의 적어도 일부가 제거되어 정제된 고체 실리콘을 제공할 수 있다. 상기 유리는 예컨대 상기 고체화 실리콘 잉곳으로부터 붓거나 달리 제거됨으로써 용융 형태일 수 있다. 상기 유리는 또한 고체 형태일 수 있고, 예컨대 상기 실리콘 잉곳으로부터 유리를 절단함으로써 제거될 수 있다.
상기 제2 실리콘 또는 유리, 또는 이들 모두의 일부를 제거하면 결과물인 실리콘 잉곳의 전제적인 순도가 증가하게 된다. 예를 들면, 상기 방법은 상기 방향성 고체화된 제2 실리콘으로부터 상기 마지막으로 응고되는 섹션(section)의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방향성 고체화된 실리콘의 마지막으로 응고되는 섹션은 바닥으로부터 최상부 쪽으로 고체화되는 동안의 방향인 상기 제2 실리콘 잉곳의 최상부일 수 있다. 용융 또는 고체 형태 중 하나인 상기 유리는 상기 마지막으로 응고되는 섹션의 최상부에 있을 수 있다. 가장 큰 농도의 불순물은 일반적으로 상기 고체화 실리콘 및 전술한 것과 같이 상기 유리 내의 마지막으로 응고되는 섹션에서 일어날 수 있다. 따라서, 상기 마지막으로 응고되는 섹션 또는 유리, 또는 이들 모두를 제거하면 상기 고체화 실리콘으로부터 불순물을 제거할 수 있고, 그 결과 상기 제1 실리콘보다 불순물의 농도가 낮은 손질된(trimmed) 제2 실리콘으로 된다. 상기 실리콘 또는 유리, 또는 이들 모두의 일부를 제거하는 것은 상기 고체 실리콘을 띠톱, 실톱, 또는 임의의 적합한 절단 장치로 절단하는 것을 포함할 수 있다. 상기 실리콘 또는 유리, 또는 이들 모두의 섹션을 제거하는 것은 숏 블라스팅(shot blasting) 또는 에칭(etching)을 포함할 수 있다. 숏 블라스팅 또는 에칭은 또한 일반적으로 상기 마지막으로 응고되는 부위만이 아니라 상기 제2 실리콘의 임의의 외표면을 청소 또는 제거하기 위해 사용될 수 있다. 상기 실리콘 또는 유리, 또는 이들 모두의 일부를 제거하는 것은, 예컨대 상기 도가니로부터 남아있는 액체를 부음으로써, 마지막으로 응고되는 액체 부위를 제거하는 것을 포함할 수 있다.
상기 단계들 중 하나 이상은 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2), 수증기(H2O), 염산 가스(HCl), 염소(Cl2), 암모니아(NH3) 및 헬륨(H) 중 적어도 하나와 같은 불활성 대기 내에서 수행될 수 있다. 상기 방법은 배치 모드(batch mode) 또는 연속 모드(continuous mode)에서 수행될 수 있다.
상기 방법(300)은 적어도 약 1,000 ㎏의 실리콘을 제공할 수 있다. 정제된 고체 실리콘은 솔라 패널의 제조에 사용될 수 있다. 상기 제2 실리콘 잉곳의 일부, 예컨대 마지막으로 응고되는 부위 또는 유리, 또는 이들 모두를 제거한 후, 상기 실리콘 잉곳은 예를 들면, 띠톱, 실톱 또는 임의의 적합한 절단 장치를 이용하여 하나 이상의 솔라 웨이퍼로 절단될 수 있다.
구현예 :
본 명세서에 개시된 방법을 보다 잘 예시하기 위하여, 구현예들의 비제한적인 목록이 이하에 제공된다:
구현예 1은 (a) 실리콘으로부터 용융 액체를 형성하는 단계, (b) 상기 용융 액체의 최상부 부위에 고체화 실리콘을 형성하는 단계, (c) 상기 고체화 실리콘을 유리와 접촉시키는 단계, (d) 상기 고체화 실리콘 및 유리를 용융시키기에 충분하도록 상기 고체화 실리콘 및 유리를 가열하는 단계, 및 (e) 상기 용융 액체의 바닥 부위로부터 상기 용융 액체의 최상부 부위 쪽으로 상기 용융 액체가 방향성 고체화되도록 하여 고체 실리콘을 제공하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.
구현예 2는 구현예 1의 방법을 포함하며, 실리콘을 정제하기 위한 방법이다.
구현예 3은 구현예 1 또는 구현예 2 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 알루미늄, 붕소 및 인 중 적어도 하나로부터 실리콘을 정제하기 위한 방법이다.
구현예 4는 구현예 1 내지 구현예 3 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 용융 액체를 형성하는 실리콘은 금속급(MG) 실리콘을 포함한다.
구현예 5는 구현예 1 내지 구현예 4 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 용융 액체는 고체상선 온도 이상의 온도에서 형성된다.
구현예 6은 구현예 1 내지 구현예 5 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 용융 액체는 적어도 약 1,400℃의 온도에서 형성된다.
구현예 7은 구현예 1 내지 구현예 6 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 용융 액체는 약 1,400℃ 내지 약 1,600℃의 온도에서 형성된다.
구현예 8은 구현예 1 내지 구현예 7 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 상기 용융 액체의 최상부 부위를 냉각시킴으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에서 형성된다.
구현예 9는 구현예 1 내지 구현예 8 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 상기 용융 액체의 바닥 부위를 가열하여 상기 바닥 부위를 용융 액체로 유지함으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성된다.
구현예 10은 구현예 1 내지 구현예 9 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 상기 용융 액체의 최상부 부위를 상기 용융 액체의 최상부 부위가 천천히 냉각되어서 고체화하도록 상대적으로 적은 열로 가열함으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성된다.
구현예 11은 구현예 1 내지 구현예 10 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성되고, 상기 바닥 부위는 용융 액체로 남아있다.
구현예 12는 구현예 1 내지 구현예 11 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성되어서, 상기 용융 액체의 바닥 부위는 녹는점 이상을 유지하고, 상기 용융 액체의 최상부 부위는 어는점 이하로 냉각된다.
구현예 13은 구현예 1 내지 구현예 12 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 약 1 ㎝까지의 두께를 갖는다.
구현예 14는 구현예 1 내지 구현예 13 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘은 약 0.5 ㎝까지의 두께를 갖는다.
구현예 15는 구현예 1 내지 구현예 14 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 유리는 전-융합 유리를 포함한다.
구현예 16은 구현예 1 내지 구현예 15 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 유리는 전-융합 실리카계 유리를 포함한다.
구현예 17은 구현예 1 내지 구현예 16 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘 및 유리는 고체상선 온도 이상의 온도로 가열된다.
구현예 18은 구현예 1 내지 구현예 17 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘 및 유리는 적어도 약 1,400℃의 온도로 가열된다.
구현예 19는 구현예 1 내지 구현예 18 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체화 실리콘 및 유리는 약 1,400℃ 내지 약 1,600℃의 온도로 가열된다.
구현예 20은 구현예 1 내지 구현예 19 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 방향성 고체화는 적어도 약 10시간의 기간에 걸쳐서 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행된다.
구현예 21은 구현예 1 내지 구현예 20 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 방향성 고체화는 적어도 약 14시간의 기간에 걸쳐서 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행된다.
구현예 22는 구현예 1 내지 구현예 21 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 방향성 고체화는 약 14 내지 약 24시간의 기간에 걸쳐서 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행된다.
구현예 23은 구현예 1 내지 구현예 22 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, (f) 상기 고체 실리콘의 일부를 제거하여 정제된 고체 실리콘을 제공하는 단계를 추가로 포함한다.
구현예 24는 구현예 1 내지 구현예 23 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, (g) 상기 유리의 적어도 일부를 제거하여 정제된 고체 실리콘을 제공하는 단계를 추가로 포함한다.
구현예 25는 구현예 1 내지 구현예 24 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 적어도 약 1,000 ㎏의 실리콘을 제공한다.
구현예 26은 구현예 1 내지 구현예 25 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 고체 실리콘은 솔라 패널의 제조에 사용된다.
구현예 27은 구현예 1 내지 구현예 26 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 단계들 중 어느 하나 이상은 불활성 대기 하에 수행된다.
구현예 28은 구현예 1 내지 구현예 27 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 단계들 중 어느 하나 이상은 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2), 수증기(H2O), 염산 가스(HCl), 염소(Cl2), 암모니아(NH3) 및 헬륨(H) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 대기 하에 수행된다.
구현예 29는 구현예 1 내지 구현예 28 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 상기 단계들 중 어느 하나 이상은 아르곤(Ar), 수소(H2) 및 질소(N2) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 대기 하에 수행된다.
구현예 30은 구현예 1 내지 구현예 29 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 배치 모드에서 수행된다.
구현예 31은 구현예 1 내지 구현예 30 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함하며, 연속 모드에서 수행된다.
구현예 32는 구현예 1 내지 구현예 31 중 하나 또는 임의의 조합의 방법을 포함한다.
전술한 상세한 설명은 상기 상세한 설명의 일부를 형성하는 부속하는 도면에 대한 참조물을 포함한다. 상기 도면은 예시의 형태로 본 발명이 실행될 수 있는 특정한 구현예를 보여준다. 상기 구현예는 본 명세서에서 "실시예"로도 나타낸다. 이러한 실시예는 나타내거나 개시된 것 이외의 구성요소들을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 또한 단지 상기 구성요소들만이 나타나거나 개시된 실시예를 제공하는 것을 고려한다. 아울러, 본 발명자들은 또한 본 명세서에 나타내거나 개시된 특정 실시예(또는 그의 하나 이상의 측면)에 관해, 또는 다른 실시예(또는 그의 하나 이상의 측면)에 관해 나타내거나 개시된 구성요소들의 임의의 조합 또는 순열(또는 그의 하나 이상의 측면)을 이용한 실시예를 제공하는 것을 고려한다.
본 명세서 및 인용에 의해 포함된 임의의 문서들 사이에 용법이 일치하지 않는 경우에는, 본 명세서에서의 용법이 제어한다.
본 명세서에서, 특허 문서에서 일반적인 것처럼, "적어도 하나" 또는 "하나 이상"의 임의의 다른 사례(instance) 또는 용법과 독립적으로 하나 또는 하나 이상을 포함하기 위해 "한" 또는 "하나"란 용어가 사용된다. 본 명세서에서, "또는"이란 용어는 비배타적임을 나타내기 위해 사용되며, 달리 나타내지 않는 한, "A 또는 B"는 "B가 아닌 A", "A가 아닌 B" 및 "A 및 B"를 포함한다. 본 명세서에서, "포함하는(including)" 및 "-하는(in which)"이란 용어는 "포함하는(comprising)", "-하는(wherein)"이란 해당 용어와 일반적인 영어의 등가체로서 사용된다. 또한, 하기 특허청구범위에서, "포함하는" 및 "포함하는"이란 용어는 확장가능하며(open-ended), 즉 청구항 내에서 이러한 용어 뒤에 나열된 것들 이외의 구성요소들을 포함하는 시스템, 장치, 물건, 조성물, 제형 또는 공정도 여전히 상기 청구항의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다. 또한, 하기 특허청구범위에서, "제1", "제2" 및 "제3" 등의 용어는 단지 라벨(label)로서 사용되며, 그 대상체에 대한 수치적 요구사항을 부여하기 위한 의도는 아니다.
본 명세서에 개시된 방법 실시예는 적어도 부분적으로는 기계 또는 컴퓨터에 의해 실행될 수 있다. 일부 실시예는 전자 장치가 상기 실시예에서 개시된 것과 같은 방법을 수행하도록 형상화된 작동가능한 지침서로 표현된 컴퓨터 판독성 매체 또는 기계 판독성 매체를 포함할 수 있다. 이러한 방법의 실행은 마이크로코드, 어셈블리 언어(assembly language) 코드, 상위 레벨 언어 코드 등과 같은 코드를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 다양한 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 판독성 지침서를 포함할 수 있다. 상기 코드는 컴퓨터 프로그램 제품의 일부를 형성할 수 있다. 또한, 한 예에서, 상기 코드는, 예컨대 실행하는 동안 또는 다른 시간에 하나 이상의 휘발성, 비-일시성, 또는 비-휘발성의 실제 컴퓨터 판독성 매체에 실제로 저장될 수 있다. 상기 실제 컴퓨터 판독성 매체의 예로는 하드 디스크, 제거가능한 마그네틱 디스크, 제거가능한 광학 디스크(예컨대, 콤팩트 디스크 및 디지털 비디오 디스크), 마그네틱 카세트, 메모리 카드 또는 스틱, 임의 접근 기억장치(random access memory, RAM), 읽기용 기억장치(read only memory, ROM) 등을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 내용은 예시를 위한 것으로서, 제한을 하려는 의도는 아니다. 예를 들면, 전술한 실시예(또는 그의 하나 이상의 측면)는 서로 조합되어 사용될 수 있다. 다른 구현예는, 예컨대 전술한 내용을 리뷰한 후 본 기술분야의 통상의 기술을 가진 자에 의해 사용될 수 있다. 요약서는 개시된 기술의 본성을 독자가 신속하게 파악하도록 하기 위하여 미국 37 C.F.R.§1.72(b)에 부합되게 제공된다. 상기 요약서는 특허청구범위의 범위 또는 의미를 해석 또는 제한하기 위해 사용되지는 않을 것이라는 이해와 함께 제출된다. 또한, 전술한 발명의 상세한 설명에서, 다양한 특성들이 상기 개시를 간소화하기 위해 함께 분류될 수 있다. 이것은 청구되지 않은 개시된 특성들이 임의의 청구항에 필수적인 것을 의도하는 것으로 해석되어서는 안된다. 오히려, 진보적인 대상 문제는 특정 개시된 구현예의 모든 특성들 이내에 있을 수 있다. 따라서, 다음의 특허청구범위는 이로써 실시예 또는 구현예로서 발명의 상세한 설명 내로 포함되고, 각각의 청구항은 그 자체로 별개의 구현예로서 기초하며, 이러한 구현예는 서로 다양한 조합 또는 순열로 조합될 수 있음이 고려된다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 참조하여, 이러한 특허청구범위가 표제된 동등물의 전체 범위와 함께 결정되어야 한다.
하기 도면에서, 몇 가지 측면에 걸쳐서 유사한 구성요소를 개시하기 위하여 유사한 숫자가 사용될 수 있다. 유사한 구성요소의 상이한 측면을 나타내기 위하여 상이한 글자 접미어(suffix)를 갖는 유사한 숫자가 사용될 수 있다. 하기 도면은 일반적으로 예의 형태이지만 한정하지는 않는 방식으로 본 발명에서 논의된 다양한 실시예를 예시한다.
도 1은 실리콘의 정제에 사용될 수 있는 도가니의 예의 횡단면도이다.
도 2는 실리콘의 방향성 고체화에 사용될 수 있는 예시적인 히터의 횡단면도이다.
도 3은 실리콘의 방향성 고체화를 위한 예시적인 장치의 3차원 투사도로서, 예시적인 방향성 고체화 주형의 최상부에 위치하는 예시적인 히터를 포함한다.
도 4a 내지 도 4c는 실리콘의 방향성 고체화를 위한 예시적인 장치의 횡단면도이다.
도 5는 실리콘을 정제하는 예시적인 방법의 순서도이다.

Claims (35)

  1. (a) 실리콘으로부터 용융 액체를 형성하는 단계;
    (b) 상기 용융 액체의 최상부(top) 부위에 고체화 실리콘층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 고체화 실리콘층의 최상부에 유리를 위치시키는 단계;
    (d) 상기 고체화 실리콘층이 다시 용융 실리콘으로 용융되고 상기 유리가 용융되기에 충분하도록 상기 고체화 실리콘층 및 유리를 가열하여, 상기 유리가 상기 용융 액체의 최상부에 용융 유리층을 형성하는 단계; 및
    (e) 상기 용융 액체의 바닥(bottom) 부위로부터 상기 용융 유리층 쪽으로 상기 용융 액체가 방향성 고체화되도록 하여 고체 실리콘을 제공하는 단계;
    를 포함하는 실리콘을 정제하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    알루미늄, 붕소 및 인 중 적어도 하나로부터 실리콘을 정제하기 위한 방법인 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 용융 액체를 형성하는 실리콘은 금속급(MG) 실리콘을 포함하는 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 용융 액체는 고체상선 온도(solidus temperature) 이상의 온도에서 형성되는 방법.
  6. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 용융 액체는 적어도 1,400℃의 온도에서 형성되는 방법.
  7. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 용융 액체는 1,400℃ 내지 1,600℃의 온도에서 형성되는 방법.
  8. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 최상부 부위를 냉각시킴으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에서 형성되는 방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 바닥 부위를 가열하여 상기 바닥 부위를 용융 액체로 유지함으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성되는 방법.
  10. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 최상부 부위를 상기 용융 액체의 최상부 부위가 천천히 냉각되어서 고체화하도록 상대적으로 적은 열로 가열함으로써 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성되는 방법.
  11. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성되고, 상기 바닥 부위는 용융 액체로 남아있는 방법.
  12. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 상기 용융 액체의 최상부 부위에 형성되어서, 상기 용융 액체의 바닥 부위는 녹는점 이상을 유지하고, 상기 용융 액체의 최상부 부위는 어는점 이하로 냉각되는 방법.
  13. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 1 ㎝까지의 두께를 갖는 방법.
  14. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체화 실리콘층은 0.5 ㎝까지의 두께를 갖는 방법.
  15. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 유리는 전-융합 유리를 포함하는 방법.
  16. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 유리는 전-융합(pre-fused) 실리카계 유리를 포함하는 방법.
  17. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 상기 고체화 실리콘층 및 유리는 고체상선 온도 이상의 온도로 가열되는 방법.
  18. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 상기 고체화 실리콘층 및 유리는 적어도 1,400℃의 온도로 가열되는 방법.
  19. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (d)에서 상기 고체화 실리콘층 및 유리는 1,400℃ 내지 1,600℃의 온도로 가열되는 방법.
  20. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 상기 방향성 고체화는 적어도 10시간의 기간에 걸쳐서 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행되는 방법.
  21. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 상기 방향성 고체화는 적어도 14시간의 기간에 걸쳐서 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행되는 방법.
  22. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (e)에서 상기 방향성 고체화는 14 내지 24시간의 기간에 걸쳐서 상기 용융 액체를 냉각시킴으로써 수행되는 방법.
  23. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (e) 이후에, (f) 상기 고체 실리콘의 일부를 제거하여 정제된 고체 실리콘을 제공하는 단계;를 추가로 포함하는 방법.
  24. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계 (e) 이후에, (g) 상기 고체 실리콘으로부터 상기 유리의 적어도 일부를 분리하여 정제된 고체 실리콘을 제공하는 단계;를 추가로 포함하는 방법.
  25. 청구항 24에 있어서,
    상기 단계 (g)에서 상기 고체 실리콘으로부터 상기 유리의 적어도 일부를 분리하는 단계는 상기 고체 실리콘으로부터 상기 용융 유리층의 적어도 일부를 분리하는 단계;를 포함하는 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 고체 실리콘으로부터 상기 유리의 적어도 일부를 분리하는 단계는 상기 고체 실리콘으로부터 상기 용융 유리층의 일부를 붓는 단계;를 포함하는 방법.
  27. 청구항 24에 있어서,
    상기 단계 (g)에서 상기 고체 실리콘으로부터 상기 유리의 적어도 일부를 분리하는 단계는 상기 용융 유리층을 고체화하여 고체화 유리층을 제공한 다음, 상기 고체 실리콘으로부터 상기 고체화 유리층을 절단하는 단계;를 포함하는 방법.
  28. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    적어도 1,000 ㎏의 실리콘을 제공하는 방법.
  29. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 고체 실리콘은 솔라 패널의 제조에 사용되는 방법.
  30. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계들 중 어느 하나 이상은 불활성 대기 하에 수행되는 방법.
  31. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계들 중 어느 하나 이상은 아르곤(Ar), 질소(N2), 수소(H2), 수증기(H2O), 염산 가스(HCl), 염소(Cl2), 암모니아(NH3) 및 헬륨(H) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 대기 하에 수행되는 방법.
  32. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 단계들 중 어느 하나 이상은 아르곤(Ar), 수소(H2) 및 질소(N2) 중 적어도 하나를 포함하는 불활성 대기 하에 수행되는 방법.
  33. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    배치 모드에서 수행되는 방법.
  34. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
    연속 모드에서 수행되는 방법.
  35. 삭제
KR1020157008236A 2012-08-31 2013-08-30 방향성 고체화 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리 KR101750635B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201261695517P 2012-08-31 2012-08-31
US61/695,517 2012-08-31
PCT/US2013/057465 WO2014036373A1 (en) 2012-08-31 2013-08-30 Reactive cover glass over molten silicon during directional solidification

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150052180A KR20150052180A (ko) 2015-05-13
KR101750635B1 true KR101750635B1 (ko) 2017-06-23

Family

ID=49165866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157008236A KR101750635B1 (ko) 2012-08-31 2013-08-30 방향성 고체화 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리

Country Status (8)

Country Link
US (1) US20150225247A1 (ko)
EP (1) EP2890636B1 (ko)
JP (1) JP6055100B2 (ko)
KR (1) KR101750635B1 (ko)
CN (1) CN104718160B (ko)
BR (1) BR112015004076A2 (ko)
TW (1) TWI499558B (ko)
WO (1) WO2014036373A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI628145B (zh) * 2013-01-29 2018-07-01 希利柯爾材料股份有限公司 用於純化矽之覆蓋助熔劑及方法
CN105364001B (zh) * 2015-10-16 2017-10-27 沈阳工业大学 液态金属冷却定向凝固叶片表面除锡方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006282499A (ja) * 2005-03-07 2006-10-19 Nippon Steel Corp 高純度シリコンの製造方法
JP2010524825A (ja) * 2007-04-27 2010-07-22 フライベルガー・コンパウンド・マテリアルズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング ポリクリスタルシリコンまたはマルチクリスタルシリコンの製造装置および方法、それらによって製造されるポリクリスタルシリコンまたはマルチクリスタルシリコンのインゴットおよびウエハ、ならびにそれらの太陽電池製造ための使用

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1180968A (en) * 1912-09-18 1916-04-25 Carborundum Co Process for purifying silicon.
US4124410A (en) * 1977-11-21 1978-11-07 Union Carbide Corporation Silicon solar cells with low-cost substrates
DE3338335A1 (de) * 1983-10-21 1985-05-09 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Verfahren zum herstellen von grossflaechigen siliziumkristallkoerpern fuer solarzellen
CA2232777C (en) * 1997-03-24 2001-05-15 Hiroyuki Baba Method for producing silicon for use in solar cells
JPH10324515A (ja) * 1997-03-24 1998-12-08 Kawasaki Steel Corp 太陽電池用シリコンの製造方法
JP4850501B2 (ja) * 2005-12-06 2012-01-11 新日鉄マテリアルズ株式会社 高純度シリコンの製造装置及び製造方法
CN101302012A (zh) * 2007-05-08 2008-11-12 黄东 太阳能电池用光伏硅提纯工艺
US20100140558A1 (en) * 2008-12-09 2010-06-10 Bp Corporation North America Inc. Apparatus and Method of Use for a Top-Down Directional Solidification System
CN101774584B (zh) * 2009-01-09 2011-12-21 华南师范大学 太阳能级硅的提纯方法
CN101665253B (zh) * 2009-09-29 2010-10-13 包头市山晟新能源有限责任公司 多晶硅提纯方法及用于多晶硅提纯的坩埚、提纯设备

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006282499A (ja) * 2005-03-07 2006-10-19 Nippon Steel Corp 高純度シリコンの製造方法
JP2010524825A (ja) * 2007-04-27 2010-07-22 フライベルガー・コンパウンド・マテリアルズ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング ポリクリスタルシリコンまたはマルチクリスタルシリコンの製造装置および方法、それらによって製造されるポリクリスタルシリコンまたはマルチクリスタルシリコンのインゴットおよびウエハ、ならびにそれらの太陽電池製造ための使用

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014036373A1 (en) 2014-03-06
TW201412641A (zh) 2014-04-01
EP2890636A1 (en) 2015-07-08
JP6055100B2 (ja) 2016-12-27
CN104718160B (zh) 2017-03-08
BR112015004076A2 (pt) 2017-07-04
CN104718160A (zh) 2015-06-17
EP2890636B1 (en) 2016-06-22
TWI499558B (zh) 2015-09-11
US20150225247A1 (en) 2015-08-13
KR20150052180A (ko) 2015-05-13
JP2015532635A (ja) 2015-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101697027B1 (ko) 실리콘 용융물의 정제용 내화 도가니의 표면용 라이닝 및 용융 및 추가적인 방향성 고체화를 위하여 상기 도가니(들)를 이용하는 실리콘 용융물의 정제 방법
EP2640874B1 (en) Apparatus and method for directional solidification of silicon
JP5959084B2 (ja) シリコンの制御された方向性凝固
KR101750635B1 (ko) 방향성 고체화 도중의 용융 실리콘 위의 반응성 커버 유리
TWI532889B (zh) 用於純化矽之耐火表面之襯裡
JP6387018B2 (ja) シリコン精製のためのカバーフラックスおよび方法
TWI532888B (zh) 用於純化矽之作為耐火表面之襯裏

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200212

Year of fee payment: 4