KR102004873B1 - 방향성 응고 시스템 및 방법 - Google Patents

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실리코르 머티리얼즈 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 신속한 방향성 응고를 이용하여 물질을 정제시키기 위한 장치와 방법에 대한 것이다. 제시된 장치와 방법은 방향성 응고 동안 온도 구배와 냉각률에 대한 조절을 제공하고, 이는 보다 고순도의 물질을 가져온다. 본 발명의 장치와 방법은 태양 전지와 같은 태양열 분야에서의 이용을 위한 규소를 만드는 데에 이용될 수 있다.

Description

방향성 응고 시스템 및 방법{DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SYSTEM AND METHOD}
본 출원은 2011년 9월 16일에 출원된 미국 출원 제13/234,960호의 우선권을 주장하며, 이는 전체적으로 본원에 참고로 인용된다.
태양 전지는 태양광을 전기 에너지로 변환하는 태양 전지의 능력을 활용함으로써 가능한 에너지원이 될 수 있다. 규소는 반도체 물질이며 또한 태양 전지의 제조에 이용되는 원료 물질이며; 전지의 전기적 특성, 즉 변환 효율은 규소의 순도에 크게 의존한다. 몇몇의 기술들이 규소를 정제하는 데 이용되어 왔다. 가장 잘 알려진 기술은 '시멘스 과정'이라 불리는 기술이다. 이 기술은 규소 내에 존재하는 거의 모든 단일 불순물들을 제거할 수 있다. 그러나, 이 기술은 불순물을 제거하기 위해 규소를 기체상으로 만들 것과 고체상으로 재증착할 것을 요구한다. 본 특허에 설명된 기술은 규소를 액체상으로 용융시키고 '방향성 응고' 라 불리는 기술을 이용해 규소를 응고시킴으로써 매우 효율적으로 불순물을 제거할 수 있다. 이 기술은 매우 잘 알려져 있으나, 본 특허는 이 절차의 비용을 상당히 절감하도록 하는 방향성 응고를 이용하는 새로운 방법에 초점을 둔다.
태양 전지의 정제된 규소 결정을 만들기 위해 이용되는 기술들은 잘 알려져 있다. 이러한 기술들의 대부분은 규소 결정들이 용융된 규소 용액으로부터 응고되는 동안, 불필요한 불순물들이 용융된 용액 안에 남아있는 원리에 입각하여 동작한다. 제 1 예시 기술인, 플로트 존 기술은, 불순물 제거를 위해 몰드의 모서리 쪽으로 불순물을 압박하도록 움직이는 액체를 이용하여 규소 다결정 잉곳을 만드는 데 이용될 수 있다. 또 다른 예시 기술인, 초크랄스키(Czochralski) 기술은, 용융된 용액으로부터 천천히 빠져나오는 종 결정을 이용한 것으로, 용액에서 불순물이 빠져나가는 동안 규소의 다결정 컬럼의 형성을 허용하는, 규소 다결정 잉곳을 만드는 데에 이용될 수 있다. 나아가 브리지맨 또는 열 교환 기술들과 같은 예시 기술들은, 방향성 응고를 일으키는 제어된 냉각 속도와 온도 구배의 생성을 통해 규소 다결정 잉곳을 만드는 데 이용될 수 있다.
태양 전지를 위한 규소 결정들을 만드는 다양한 기술들은 용융 제조 단계 동안 규소를 고정하기 위해 몰드를 이용한다. 다결정 잉곳의 방향성 응고에 수반되는 한 가지 문제는, 몰드의 하단부로부터 윗부분까지 편평한 형태 혹은 오목한 부분과 액체-고체 경계부를 소량의 변형만을 가져오면서 연속적으로 진행을 유지시키는 것이다. 만약 액체-고체 경계부의 진행이 제어되지 않는다면, 불순물들이 잉곳에 붙을 수 있고, 응고된 규소의 다량은 낮은 성능 혹은 결과적으로 받아들여질 수 없는 성능으로 끝나버릴 수 있다.
본 몰드, 몰드 시스템, 및 관련 방법들은, 방향성 응고를 이용한 규소의 정제를 위한 수단들을 제공한다. 몰드, 몰드 시스템, 및 관련 방법들은 방향성 결정화 동안 온도 구배를 제어 가능하도록 하는데, 이는 태양 전지에 사용하기 위한 고순도의 규소를 결과적으로 만들 수 있도록 한다. 몰드는 외부 자킷과, 외부 자킷의 하단부를 라이닝하는 베이스와 외부 자킷의 벽면을 라이닝하는 벽면 단열 구조를 포함할 수 있다. 베이스는 열-전도 물질을 포함할 수 있다. 벽면 단열 구조는 제 1 두께를 갖는 몰드의 상단부로부터, 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 몰드의 하단부로 두께가 점점 가늘어질 수 있다. 벽면 단열 구조는 하나 또는 그 이상의 노출 층, 내화 벽돌들, 세라믹 섬유, 및 미공질 내화 층을 포함할 수 있다.
본원에 개시된 몰드, 몰드 시스템, 및 본원에 개시된 관련 방법을 더 잘 묘사하기 위하여, 무제한의 예시들이 이제 제공된다:
실시예 1에서, 방향성 응고를 위한 시스템은 외부 자킷, 외부 자킷의 하단부를 라이닝하고 열 전도 물질을 포함하는 베이스, 및 외부 자킷의 벽면을 라이닝하고 제 1 두께를 갖는 몰드의 테 부분으로부터, 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 몰드의 하단부로 두께가 점점 가늘어지는 벽면 단열 구조.
실시예 2에서, 실시예 2의 시스템은 임의적으로 벽면 단열 구조가 몰드의 테 부분으로부터 베이스와의 하단 경계부로 두께가 점점 가늘어지도록 구성된다.
실시예 3에서, 실시예 1 내지 2 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 제 2 두께가 제 1 두께보다 약 25 퍼센트 더 얇도록 구성된다.
실시예 4에서, 실시예 1 내지 3 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 벽면 단열 구조가 내화 벽돌층과, 실질적으로 연속적인 내화성 물질의 노출 층을 포함하도록 구성된다.
실시예 5에서, 실시예 1 내지 4 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 노출 층이 Al2O3의 층을 포함하도록 구성된다.
실시예 6에서, 실시예 1 내지 5 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은, 임의적으로, 노출 층이 약 98퍼센트 초과의 순수한 Al2O3이도록 구성된다.
실시예 7에서, 실시예 1 내지 6 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은, 임의적으로, 내화 벽돌층이 약 1430 ℃ 와 1540 ℃ 사이의 것이도록 구성된다.
실시예 8에서, 실시예 1 내지 7 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 노출 층이 몰드의 테 부분의 두꺼운 부분으로부터, 베이스의 하단부 경계부의 얇은 부분까지 두께가 점점 가늘어지고 내화 벽돌층이 몰드의 테 부분의 두꺼운 부분으로부터 베이스의 하단 경계부의 얇은 부분까지 두께가 점점 가늘어지게 구성된다.
실시예 9에서, 실시예 1 내지 8 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 벽면 단열 구조가 미공질 내화 층을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 10에서, 실시예 1 내지 9 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 미공질 내화 층이 균일한 두께를 가지도록 구성된다.
실시예 11에서, 실시예 1 내지 10 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 미공질 내화 층이 외부 자킷 벽면 및 외부 자킷 하단부의 일부를 따라서 실질적으로 균일한 두께를 제공하도록 구성된다.
실시예 12에서, 실시예 1 내지 11 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 벽면 단열 구조가 미공질 내화 층과 내화 벽돌층 사이에 세라믹 섬유 층을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 13에서, 실시예 1 내지 12 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 벽면 단열 구조가 미공질 내화 층과 외부 자킷 사이의 세라믹 섬유 층을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 14에서, 실시예 1 내지 13 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 베이스가 탄화 규소 층을 포함하도록 구성된다.
실시예 15에서, 실시예 1 내지 14 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 시스템이 상부 히터를 더 포함하도록 구성된다.
실시예 16에서, 실시예 1 내지 15 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 상부 히터가 12개의 가열 요소들을 포함하도록 구성된다.
실시예 17에서, 실시예 1 내지 16 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 가열 요소들이 약 54 인치의 간격으로 동등하게 떨어져 위치하도록 구성된다.
실시예 18에서, 실시예 1 내지 17 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 상기 가열 요소들의 하부 모서리가 약 1.9 인치의 간격으로 용융물의 표면 위에 떨어져 위치되도록 구성된다.
실시예 19에서, 실시예 1 내지 18 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 가열 요소가 탄화 규소 가열 요소들을 포함하도록 구성된다.
실시예 20에서, 실시예 1 내지 19 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 시스템이 상부 히터에 배출 구멍을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 21에서, 실시예 1 내지 20 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 배출 구멍이 상부 히터의 중앙에 약 1 인치 지름의 구멍을 포함하고, 상부 히터 내 단지 하나의 배출 구멍만 존재하도록 구성된다.
실시예 22에서, 방향성 응고를 위한 몰드는 긴 측면과 짧은 측면을 포함하는 실질적으로 직사각형 모양의 벽면 구조, 실질적으로 직사각형 모양의 벽면 구조와 결합되어있는 열 전도 베이스를 포함하고, 상기 실질적으로 직사각형인 벽면은 주어진 양의 용융된 규소에 대해 지름이 실질적으로 몰드의 짧은 측면의 길이와 동등한 원통형의 몰드에 대한 벽면 접촉 면적보다 더 작은 벽면 접촉 면적을 제공하는 치수를 갖는다.
실시예 23에서, 실시예 22의 몰드는 임의적으로 직사각형 모양의 벽면 구조가 벽면 교차 부분에서 둥근 프로파일을 포함하도록 구성된다.
실시예 24에서, 실시예 22 내지 23 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 직사각형 모양의 벽면 구조와 하단부의 교차 부분이 둥근 프로파일을 포함하도록 구성된다.
실시예 25에서, 규소의 방향성 응고를 위한 시스템은 단열 벽 구조 및 열 전도 베이스를 포함하는 소정 부피의 용융 규소를 수용하기 위한 몰드, 바닥 표면 위에 몰드를 떨어지게 위치시키고 몰드와 바닥 사이에 공간을 형성하는 지지 구조, 공간 내의 공기가 움직이기 위한 하나 또는 그 이상의 유동성 통로 및 하나 또는 그 이상의 유동성 통로를 통한 흐름을 조절하기 위한 하나 이상의 밸브들을 포함한다.
실시예 26에서, 실시예 25의 몰드는 임의적으로, 시스템이 상부 히터를 더 포함하도록 구성된다.
실시예 27에서, 실시예 25 내지 26 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 공간 내에서 공기를 이동시키기 위한 팬을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 28에서, 실시예 25 내지 27 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 상기 공간 내의 열 전도 베이스에 열적으로 결합된 다수의 냉각 핀을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 29에서, 실시예 25 내지 28 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 열 전도 베이스가 다수의 냉각 핀에 결합된 금속 열 확산층을 포함하도록 구성된다.
실시예 30에서, 실시예 25 내지 29 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 열 전도 베이스가 탄화 규소 층을 포함하도록 구성된다.
실시예 31에서, 실시예 25 내지 30 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 하나 또는 그 이상의 밸브가 단열 벽 구조와 바닥과 몰드 사이의 공간 모두를 덮는 크기의 가동성 벽을 포함하도록 구성될 수 있다.
실시예 32에서, 실시예 25 내지 31 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 하나 또는 그 이상의 밸브가 단열 벽 구조, 몰드와 상부 히터 사이의 경계부, 및 바닥과 몰드 사이의 공간을 덮는 크기의 가동성 벽을 포함하도록 구성된다.
실시예 33에서, 규소의 방향성 응고를 위한 시스템은, 외부 자킷, 외부 자킷의 하단부를 라이닝하는 탄화 규소 층, 외부 자킷의 벽면을 라이닝하고, 외부 자킷의 벽면에 인접한 제 1 세라믹 섬유 층, 제 1 세라믹 섬유 층에 인접한 미공질 내화 층, 미공질 내화 층에 인접한 제 2 세라믹 섬유 층, 제 2 세라믹 섬유 층에 인접한 내화 벽돌층, 내화 벽돌층에 인접하고 복합 벽면 단열 구조의 노출된 내부 표면을 형성하는 실질적으로 연속적인 산화 알루미늄 층을 포함하고, 제 1 두께의 몰드의 테 부분으로부터, 제 1 두께보다는 더 얇은 제 2 두께의 탄화 규소 층과의 하단 경계부까지 점점 가늘어지는 복합 벽면 단열 구조, 탄화 규소 가열 요소 다수와 배출 구멍을 포함하는 몰드의 상부에 맞는 상부 히터, 냉각 작업 동안 규소의 표면으로부터 기체 제거를 위해 배출 구멍과 결합된 진공 펌프를 포함한다.
실시예 34에서, 실시예 33의 시스템은 임의적으로 외부 자킷이 스테인리스 강 외부 자킷을 포함하도록 구성된다.
실시예 35에서, 실시예 33 내지 34 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로 제 2 두께가 제 1 두께보다 약 25 퍼센트 더 얇도록 구성된다.
실시예 36에서, 실시예 33 내지 35 중 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로 실질적으로 연속적인 산화 알루미늄 층이 약 98 퍼센트 초과의 순수 Al2O3 층을 포함하도록 구성된다.
실시예 37에서, 방향성 응고 시스템은, 외부 자킷, 외부 자킷의 하단부를 라이닝하고 열 전도 물질을 포함하는 베이스, 외부 자킷의 벽면을 라이닝하고 제 1 두께인 몰드의 테 부분으로부터 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 가지는 베이스와의 하단 경계부까지 두께가 점점 가늘어지는 벽면 단열 구조(여기서 몰드는 직사각형 모양으로서, 벽면이 주어진 양의 용융된 규소에 대해 짧은 측면의 길이와 실질적으로 동등한 지름을 가지는 원통형의 몰드에 대한 벽면 접촉 면적보다 적은 벽면 접촉 면적을 제공하는 치수를 가진다), 제거 가능한 상부 히터, 바닥 표면 위에 몰드를 떨어져 위치시키고 바닥과 몰드 사이에 공간을 형성하는 지지 구조, 공간 내에서 공기가 움직이기 위한 하나 이상의 유동성 통로, 및 하나 혹은 그 이상의 유동성 통로를 통한 흐름을 조절하기 위한 하나 혹은 그 이상의 밸브들을 포함한다.
실시예 38에서, 실시예 37의 시스템은 임의적으로 몰드의 베이스가 몰드와 바닥 사이의 공간으로 연장되는 다수의 냉각 핀들에 결합된 금속 열 확산 층을 포함하도록 구성된다.
실시예 39에서, 방향성 응고를 위한 시스템은, 외부 자킷, 외부 자킷의 하단부를 라이닝하고, 열 전도 물질을 포함하는 베이스, 외부 자킷의 벽면을 라이닝하는 벽면 단열 구조, 및 외부 자킷의 바닥에 결합된 제거 가능한 열 스프레더를 포함한다.
실시예 40에서, 실시예 39의 시스템은 임의적으로 제 1 두께인 몰드의 테 부분으로부터 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 몰드의 바닥 부분까지 두께가 점점 가늘어지게 벽면 단열 구조가 구성된다.
실시예 41에서, 실시예 39 내지 40의 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로 제거 가능한 열 스프레더와 결합된 다수의 냉각 핀들을 더 포함하도록 구성된다.
실시예 42에서, 실시예 39 내지 41의 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로, 외부 자킷이 실질적으로 원통형 모양이도록 구성된다.
실시예 43에서, 실시예 39 내지 42의 어느 하나 또는 어떤 조합의 시스템은 임의적으로 외부 자킷이 실질적으로 직사각형 모양이도록 구성된다.
이것들과 다른 예들 및 본 몰드의 특징, 몰드 시스템, 및 관련 방법은 이어지는 상세한 설명에서 부분적으로 개시될 것이다. 본 개관은 본 발명의 비제한적 예를 제공하나, 배타적이거나 또는 총 망라하는 설명을 제공하는 것으로 의도되지 않는다. 하기의 구체적인 설명은 본 몰드, 몰드 시스템, 및 방법에 대한 추가적인 정보를 제공하기 위해 포함된다.
도면에서, 같은 번호들은 여러 도면에 걸쳐 유사한 구성 요소를 설명하는 데 이용될 수 있다. 다른 문자 접미사를 갖는 같은 번호들은 유사한 구성 요소의 다른 도면을 표시하는 데 이용될 수 있다. 도면은 제한의 방법이 아닌, 예시의 방법으로 일반적으로 본 문헌에서 논의된 다양한 실시태양들을 묘사한다.
도 1은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 시스템의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 몰드의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 히터의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 히터의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른, 몰드를 사용하는 규소의 일련의 모델링된 냉각 프로파일이다.
도 6은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 직사각형 시스템의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 원통형 시스템의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 직사각형 시스템의 평면도이다.
도 9는 도 8의 시스템의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 시스템의 측면도이다.
도 11은 본 발명의 적어도 하나의 실시태양에 따른 시스템을 나타낸다.
다음의 상세한 설명에서, 참고 문헌은 첨부된 도면을 기반으로 한다. 도면은 설명의 일부분을 형성하고 제한이 아닌 묘사의 수단으로 제공된다. 본 도면의 실시태양은 본 발명을 통상의 기술자가 실시 가능하도록 충분히 상세하게 묘사된다. 다른 실시태양들이 이용될 수 있고 기계적, 구조적 또는 물질적인 변화가 본 특허 문서의 범위에서 벗어나지 않고 만들어질 수 있다.
이제 개시된 주제의 특정 예들을 상세하게 참고로 할 것이고, 그 중의 일부는 첨부된 도면에 묘사되어 있다. 개시된 주제가 첨부된 도면과 관련하여 대부분 묘사될 것인 반면, 이러한 묘사는 개시된 주제들을 도면들로 제한하려는 것은 아니라고 이해되어야 한다. 이에 반하여, 개시된 주제는 모든 대안, 수정, 균등물을 포함하고자 하며, 이는 청구항에 의해 정의되는 본 개시된 주제의 범주 내에 포함될 수 있다.
명세서에서 "하나의 실시태양", "실시태양", "실시예", 등은 묘사된 그 실시태양이 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 포함할 수 있지만, 그러나 모든 실시태양이 그 특별한 특징, 구조, 또는 특성을 필수적으로 포함하지는 않을 수 있음을 나타낸다. 나아가, 그러한 문구들은 반드시 동일한 실시태양을 지칭하지 않을 수 있다. 더불어, 특별한 특징, 구조, 특성이 실시태양과 라이닝되어 묘사되는 경우에는, 상세하게 묘사가 되었든 아니든, 다른 실시태양과 라이닝된 특징, 구조 또는 특성들에 영향을 주는 것은 당 업계의 통상의 기술자의 지식 범위 내에 있다고 본다.
이 문헌에서, "한" 또는 "하나"라는 용어는, 하나 또는 그 이상을 포함하도록 사용되며, "또는" 이라는 용어는, 별도의 표시가 없는 경우에는 비 배타적 "또는" 을 지칭하는데 사용된다. 또한 본원에서 쓰인 어법 또는 문법은, 달리 정의되지 않는 한 제한이 아닌 묘사의 수단으로 사용되어야 한다.
본 발명의 주제는, 몰드 전반의 액체-고체 경계부의 연속적인 진행을 유지하는 동안, 방향성 응고 기술을 이용하는 규소를 정제하기 위한 몰드, 몰드 시스템, 및 관련 방법과 관련된다. 방향성 응고 결과 정제된 규소는 태양 전지에 이용될 수 있다. 몰드 내에서 온도 구배를 제어함에 따라, 고도로 제어된 방향성 응고를 달성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 규소의 정제는 아래의 실시예에 가장 자세히 묘사되어 있으나, 묘사된 시스템들과 방법들은 사파이어와 같은 다른 물질의 방향성 응고와의 정제에도 이용될 수 있다.
방향성 결정화는 일반적으로 하단부부터 상단부로 진행되는데, 그러므로 원하는 온도 구배는 하단부에 저온과 상단부에 고온을 갖는다. 높은 수준의 온도 구배 제어와 대응하는 방향성 결정화는 유리하게, 고순도의 규소를 얻어내는 더 효과적인 방향성 응고가 가능하게 할 수 있다.
도 1은 규소 방향성 응고를 위한 몰드 시스템(100)의 특정한 실시태양을 묘사한다. 시스템은 몰드의 상단부(120)에 또는 근처에 위치한 상부 히터(110)를 포함할 수 있다. 상부 히터(110)는 제 1 두께 끝 부분에서 수직 구조 부재(103)의 구멍(102)과 체결되는 하나 이상의 체인(101)에 의해 지지될 수 있다. 이 실시예에서 체인(101)은, 상부 히터(110)가 크레인이나 다른 승강 시스템의 사용에 의해 이동될 수 있도록 고리(bridle)를 형성한다. 시스템(100)도, 예를 들어, 몰드(120) 위에 상부 히터(110)를 두면서, 포크나 가위 리프트 상에 몰드(120)을 배치하여, 또한 이동될 수 있다. 스크린 박스(106)는 외부 자킷으로부터 돌출된 상부 히터(110)의 가열 부재의 끝 부분을 둘러쌀 수 있는데, 이는 이러한 가열 부재들의 끝 부분의 안 또는 근처에 존재하는 열이나 전기로부터 사용자를 보호한다.
수직 구조 부재들(103)은 상부 히터(110)의 하단부 모서리로부터 상부 히터(110)의 상단부 모서리까지 연장될 수 있다. 수직 구조 부재들(103)은 외부 자킷 상부 히터(110)의 외부 표면에 위치될 수 있고 외부 표면에 수직 방향으로 바깥쪽으로 연장될 수 있다. 상부 히터는 또한 상부 히터(110)의 외부 자킷의 외부 표면에 위치하는 수평 구조 부재(104)를 포함할 수 있고, 외부 표면에 수직 방향으로 바깥쪽으로 연장될 수 있다.
상부 히터(110)는 히터의 외부 자킷의 일부를 형성하는 립(105)을 포함할 수 있다. 립은 외부 자킷으로부터 바깥쪽으로 돌출될 수 있으며, 임의의 존재하는 단열체의 두께를 덮을 수 있는 상부 히터(110)의 중심 축 쪽의 안쪽으로 연장될 수 있다. 다르게는 립(105)은 상부 히터(110)의 외부 자킷의 하단부 모서리를 덮기에 충분하게 안쪽으로만 연장될 수 있다.
도 1에 도시된 실시태양에서, 몰드(120)의 단열부(111)가 상부 히터(110)와 몰드(120) 사이로 연장될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 몰드(120)의 하나 이상의 단열 층(111)의 적어도 하나인 부분이 몰드의 외부 자킷의 높이 위로 연장될 수 있다. 상부 히터(110)와 유사하게, 몰드(120)는 수직 구조 부재(112)를 포함할 수 있다. 수직 구조 부재(112)는 몰드(120) 외부 자킷의 외부 표면에 위치할 수 있으며, 외부 표면에 수직 방향으로 바깥쪽으로 연장될 수 있다. 수직 구조 부재(112)는 몰드(120)의 하단부 모서리로부터 몰드(120)의 상단부 모서리까지 연장될 수 있다. 몰드(112)는 또한 하나 이상의 수평 구조 부재(113)를 포함할 수 있다. 수평 구조 부재(113)는 외부 자킷으로부터 바깥쪽으로 연장되어 몰드(120) 외부 자킷의 바깥쪽 표면에 나타난다. 수평 구조 부재(113)는 원통형 몰드(112)의 원주 주변 또는 원통형이 아닌 몰드의 하나 이상의 면을 따라 수평으로 연장될 수 있다. 몰드(112)는 교차-교차 하단부 구조 부재(114, 115)를 또한 포함할 수 있다. 하단부 구조 부재(114, 115)는 몰드(112)의 하단부를 가로질러 연장될 수 있다. 하단부 구조 부재(115)의 몇몇은 포크 또는 가위가 리프트 또는 다른 기계가 시스템(100)을 물리적으로 잘 조작할 수 있도록(예를 들어, 이동) 허용하는 모양과 크기를 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시태양에 따른 몰드(200)를 나타낸다. 몰드(200)는 측면 벽(201)과 바닥(202)를 포함하는 외부 자킷(210)을 포함하는데, 이는 하단부 물질(212)과 벽면 단열 구조(220)를 둘러싼다. 하나의 실시예에 따르면, 측면 벽(201)과 바닥(202)은 일체식으로 형성되어 있다. 다른 실시예에 따르면, 측면 벽(201)과 바닥(202)는 볼트로 라이닝되거나, 혹은 다른 방식으로 함께 기계적으로 라이닝되어 외부 자킷(210)을 형성한다.
몰드(200)는 용융된 규소의 양을 담기 위해 몰드(200) 내에 내부 부분(201)을 규정하고 있다. 하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)는 상당 수의 서로 인근에 위치하는 다른 물질들을 포함하는 복합체 구조이다. 복합 벽면 단열 구조(220)의 하나의 장점은, 복합체 구조 개개의 성분들의 기하학 구조 및 물질의 선택에 의해 온도 구배를 제어할 수 있는 능력을 포함한다. 복합 벽면 단열 구조(220)의 또다른 장점은 몰드의 비용을 절감할 수 있는 능력을 포함한다. 용융된 규소에서 멀리 떨어져 진행될 때 복합 구조가 저비용, 저 내열성 물질들이 적층되는 동안, 고비용, 고 내열성 물질들은, 용융된 규소가 접촉될 노출된 표면에 이용된다.
하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)는 제 1 두께(224)를 갖는, 몰드(200)의 테(222)로부터 제 1 두께(224)보다 더 얇은 제 2 두께(228)를 갖는 베이스(212)와 하단 경계부(226)까지 두께가 점점 가늘어진다. 하나의 실시예에서, 제 2 두께는 제 1 두께보다 약 25 퍼센트 더 얇다. 작동시에, 벽면 단열 구조(220)가 점점 가늘어지는 것은 방향성 응고 동안 규소의 액체-고체 경계부의 바람직한 진행을 제공하는 온도 구배를 제공한다. 하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)가 점점 가늘어 지는 것은 용융물의 표면을 액상으로 유지하기 위해 용융물의 상단부 근처에서 더 많은 단열성을 제공하는 반면, 몰드(200)의 하단부에서의 냉각을 촉진하기 위해 베이스(212)와의 하단 경계부 근처에서 더 적은 단열성을 제공한다. 온도 구배의 더 자세한 결과는 도 5를 참고하여 하기에서 논의된다.
하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)는 방향성 응고 작업에서 용융된 규소와 직접적으로 접촉될 노출 층(230)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 노출 층(230)은 용융된 규소를 수용하기 위해 실질적으로 연속적이다(조립된 벽돌 층 등과는 대조적). 우수한 열적 특성을 갖는 하나의 물질로서 Al2O3와 같은 형태의 산화 알루미늄을 포함한다. 하나의 실시예에서, 산화 알루미늄은 용융된 규소에서 노출 층(230)으로부터의 불순물을 최소화한, 순수한 Al2O3이다. Al2O3내의 결합 구조의 이온 환경으로 인하여, 알루미늄은 노출 층(230)에 머물게 되며, 불순물로서 용융물 내로 방출되지 않는다. 하나의 실시예에서, Al2O3는 98 퍼센트 초과의 순수한 Al2O3이다. 하나의 실시예에서, 노출 층(230)은 벽면 단열 구조(220)의 상부 표면(231) 위를 감싸고 있다. 이 형상의 특징은, 노출 층(230)과 같이 높은 내열성을 갖지 않을 수 있는 벽면 단열 구조(220) 내부의 안쪽 구조나 층들을 위한 보호를 포함하고 있다는 것이다.
하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)은 노출 층(230)과 경계부를 이루는 내화 벽돌층(232)을 더 포함한다. 하나의 실시예에서, 내화 벽돌층(232)은 Al2O3를 포함한다. 내화 벽돌(232)은 벽면 단열 구조(220)에 강도와 같은, 원했던 구조적 특징을 제공할 수 있다. 하나의 실시예에서, 내화 벽돌층은(232)는 1540 ℃ 혹은 그 이하로 기록되는 벽돌을 포함한다. 하나의 실시예에서, 내화 벽돌층(232)은 1430 ℃ 혹은 그 이하로 기록되는 벽돌 층을 포함한다. 내화 벽돌층(232)의 선택에 있어, 두께나 혹은 용융된 규소의 바람직한 구배에 필요한 열적 특성과, 비용, 강도, 인성과 같은 특성들의 조합을 고려하도록 한다.
하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)는 미공질 내화 층(236)을 더 포함한다. 하나의 실시예에서, 미공질 내화 층(236)은 1000 ℃ 혹은 그 이하로 기록된다. 미공질 내화 층(236)의 기공은 좋은 단열 특성을 제공한다. 세라믹 섬유 단열 층이 선택된 실시예에서 선택된 층들 사이에 더 포함된다. 하나의 실시예에서, 첫 세라믹 섬유 층(238)은 외부 자킷(210)과 미공질 내화 층(236) 사이에 포함되어 있다. 하나의 실시예에서, 제 2 세라믹 섬유 층(234)은 미공질 내화 층(236)과 내화 벽돌층(232) 사이에 포함되어 있다. 세라믹 섬유 층의 예들은 판, 유연한 직물, 또는 다른 구조들을 포함한다.
하나의 실시예에서, 벽면 단열 구조(220)내의 하나 이상의 층들은 벽면 단열 구조(220)의 테(222)로부터 벽면 단열 구조(220)가 베이스(212)와의 경계를 이루는 벽면 단열 구조(220)의 하단부(226)까지 점점 가늘어 진다. 도 2에서 보여지는 실시예에서, 노출 층(230)과 내화 벽돌(232) 층 모두 테(222)로부터 하단부(226)까지 점점 가늘어 지는 반면, 미공질 내화 층(236)은 일관된 두께(242)를 유지한다. 하나의 실시예에서, 미공질 내화 층(236)은 외부 자킷(210)을 따라, 또한 외부 자킷(210)의 하단부의 적어도 일부분 위의 코너 부분(240) 주위에서 일정한 두께(242)를 유지한다. 이러한 구성은, 규소 냉각률의 정확한 제어를 제공한다.
하나의 실시예에서, 베이스(212)는 탄화 규소 물질을 포함한다. 탄화 규소는 고 내열성의, 고 열전도성의 바람직한 특징을 가진다. 그것은 용융된 규소로부터 몰드(200)의 하단부까지 열을 전도시키며, 스스로 녹거나 규소를 오염시키지 않는다. 몰드의 하단부로부터 열이 흘러나오면서, 방향성 응고를 시작하기 위해, 벽면 단열 구조(220)는 두께, 물질의 선택과 같은 선택을 설계하게 되며, 점점 가늘어 지는 것과 함께 작동하여 상부 몰드의 하단부로부터 상부까지 액체-고체 경계부의 연속적인 진행을 공급한다.
도 3은 응고가 의도된대로 몰드의 하단부로부터 상부로 진행되는 동안, 용융된 규소의 상부 표면의 액체 상태로의 유지를 더 촉진시킬 수 있는 상부 히터(300)를 묘사하였다. 상부 히터(300)는 하나 이상의 가열 부재들(310)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 부재들 각각은 독립적으로 임의의 적절한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 가열 부재들(310) 각각은 독립적으로 가열 부재들을 포함할 수 있는데, 가열 부재는 탄화 규소, 이규화 몰리브덴, 흑연, 구리, 또는 그들의 조합을 포함할 수 있으며; 및 하나 이상의 가열 부재들 각각은 대안적으로 독립적으로 유도 히터를 포함할 수 있다. 하나의 실시태양에서, 하나 이상의 가열 부재들(310)은 대략 같은 높이로 배치되어 있다. 다른 실시태양에서, 하나 이상의 가열 부재들은 다른 높이로 배치되어 있다.
하나의 실시예에서, 상부 히터(300)는 12 가열 부재들(310)을 포함하고 있다. 하나의 실시예에서, 12 가열 부재들(310)은 일정 거리(312)에 걸쳐 대략적으로 동등하게 떨어져 있다. 하나의 실시예에서, 거리(312)는 약 54인치이다. 가열 부재들의 배치와 가열 부재들의 수와 같은 변수는 공정 중 규소에서 생성된 온도 구배에 중요하다. 온도 구배의 작은 변동은 방향성 응고 과정 중의 규소의 액체-고체 경계부의 일부분의 바람직하지 못한 진행을 불러올 수 있다. 예를 들면, 용융된 규소의 표면이 응고하여 잉곳 내의 용융된 내부를 포획하는 것은 바람직하지 못했던 것이다. 규소의 포획된 용융 부분은 결과적인 규소 물질의 성능에 악영향을 주는 바람직하지 못한 수준의 불순물을 포함할 수 있다.
다수의 가열 부재(310) 및 가열 부재(310)의 측방향 이격에 더불어, 하나의 실시예에서, 가열 부재(310)의 몇몇은 용융물의 표면 위에 약 1.9 인치의 거리(314)가 있도록 자리 잡고 있다. 하나의 실시예에서, 가열 부재(310)의 지름은 대략 2 인치이다. 선택된 가열 부재(310)의 수와 가열 부재(310)의 측방향 이격에 관하여, 가열 부재(310)의 지름 그리고 용융물의 표면 위 거리와 같은 선택된 치수는 방향성 응고 동안 규소의 액체-고체 경계부의 일부분의 바람직한 진행을 제공한다는 것이 본 발명의 개시에서 발견되어 왔다.
하나의 실시예에서, 배출 구멍(302)은 상부 히터(300)에서 가열 부재(310)와 용융된 규소의 표면으로부터 산소와 같은 기체를 제거하기 위해 제공된다. 하나의 실시예에서, 진공 펌프(나타내지 않음)는 배출 구멍(302)을 통해 원치 않는 기체를 제거하기 위해 배출 구멍(302)과 결합되어 있다. 하나의 실시예에서, 약 1 에서 2 인치 사이의 지름 크기의 배출 구멍(302) 오직 하나만이 상부 히터(300)에서 이용된다. 하나의 실시예에서, 하나의 배출 구멍(302)은 대략 지름이 1 인치이다. 적절한 치수의 배출 구멍과 같은 변수가 규소 용융물 표면의 원하지 않은 냉각을 불러옴 없이 원하지 않는 기체를 효과적으로 제거할 수 있다는 점이 밝혀져 왔다.
하나의 실시예에서, 가열 요소들은 특정 장점들을 가지는 탄화 규소를 포함한다. 예를 들면, 탄화 규소 가열 요소들은 산소가 존재하는 고온에서 부식되지 않는다. 진공 챔버를 이용함으로서, 부식 가능한 물질을 포함한 가열 요소에 대한 산소 부식이 감소될 수 있으나, 탄화 규소 가열 요소들은 진공 챔버 없이 부식을 피할 수 있다. 더불어, 탄화 규소 가열 요소들은, 모서리에 냉각부가 있고 가열 요소부의 중앙에 뜨거운 부분이 있는 다수개의 작동부를 가져서, 물-냉각 리드를 쓰지 않고 이용될 수 있다. 하나의 실시태양에서, 가열 요소들은 진공 챔버에서 물-냉각 리드와 함께 혹은 둘 다와 함께 이용된다. 또 다른 실시태양에서, 가열 요소는 진공 챔버 없이 물-냉각 리드 없이 이용되고, 혹은 둘 다 없이 이용된다.
하나의 실시태양에서, 하나 이상의 가열 부재(310)는 유도 가열기이다. 유도 가열기는 하나 이상의 내화 물질들로 주조될 수 있다. 유도 가열 코일 또는 코일들을 함유하는 내화성 물질은 몰드 위에 자리잡을 수 있다. 내화성 물질은 임의의 적합한 물질일 수 있다. 예를 들면, 내화성 물질은 산화 알루미늄, 산화 규소, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 지르코늄, 산화 크롬, 탄화 규소, 흑연, 혹은 그것들의 조합을 포함할 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 유도 가열기는 하나 이상의 내화성 물질로 주조되지 않는다.
상부 히터는 단열부를 포함할 수 있고, 예를 들면 도 4에 나타난 상부 히터(300)는 단열부(316)를 포함하고 있다. 단열부는 임의의 적절한 단열 물질을 포함 가능하다. 단열부는 하나 이상의 단열성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단열부는 단열성 벽돌, 내화물, 내화물의 혼합물, 단열성 판, 세라믹 종이, 고온의 울, 단열 물질의 주조물, 혹은 그것들의 혼합물을 포함할 수 있다. 단열성 판은 고온의 세라믹 판을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 단열부(316)는 가열 부재(310) 주변부의 변형을 막기 위해 가열 부재(310) 주변에서 주조되어 가열 부재를 더 튼튼하고, 열적 충격으로부터 저항성 있게 한다. 하나의 적절한 주조 물질로서 모간 써멀 세라믹스,인크(Morgan Thermal Ceramics,Inc.)의 카올라이트®3300(Kaolite®3300)이 포함된다.
상부 히터는 외부 자킷을 포함할 수 있는데, 예를 들면 도 3에 제시된 상부 히터(300)는 외부 자킷(304)을 포함한다. 외부 자킷은 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 외부 자킷은 강이나 스테인리스 강이 포함될 수 있다. 또 다른 실시태양에서, 외부 자킷은 강, 스테인리스 강, 구리, 주철, 내화 물질, 내화 물질의 혼합물, 또는 그것들의 조합을 포함한다. 단열부(316)는 하나 이상의 가열 부재들과 외부 자킷 사이에 최소한 부분적으로 배치된다. 도 4에서, 외부 자킷(304)의 하부 모서리는 단열부의 하부 모서리와 대략적으로 같이 보여진다.
상부 히터는 본 발명의 범위 내에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 외부 자킷(304)의 모서리 부분은 하나 이상의 가열 부재(310) 및 단열부(316)의 모서리 아래에서 연장될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 외부 자킷(304)의 모서리부는 단열부(316)의 모서리 아래에서, 하나 이상의 가열 부재들 아래에서 또는 그들의 조합 으로 연장될 수 있다. 하나의 실시예에서, 외부 자킷(304)은 단열체(316)의 하부 모서리로 연장될 수 있고 단열체의 하부 모서리 아래에서 완전히 또는 부분적으로 덮으면서 계속 연장될 수 있다. 몇몇 실시태양에서, 단열체의 모서리를 덮는 외부 자킷(304)의 부분은 적절한 내화 물질인 산화 알루미늄, 산화 규소, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 지르코늄, 산화 크롬, 탄화 규소, 흑연, 또는 그들의 조합과 같은 상대적으로 낮은 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 외부 자킷(304)은 단열부의 하부 모서리 부분 아래 또는 하나 이상의 가열 부재들의 높이 아래로 연장되지는 않는다. 또 다른 실시태양에서, 외부 자킷(304)은 하나 이상의 가열 부재(310)의 높이 아래로 연장되지만, 여전히 단열부(316)의 하부 모서리 윗 부분에 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 기구의 온도 구배를 제어함으로써, 고도로 제어된 방향성 응고가 이루어질 수 있다. 온도 구배와 대응하는 방향성 결정화에 대한 고도의 제어는 더 효율적인 방향성 응고를 가능하게 하여, 고순도의 규소를 제공할 수 있다. 본 발명에서, 방향성 결정화는 대략 아래에서 위로 진행되므로, 바람직한 온도 구배는 하단부의 저온부와 상단부의 고온부가 된다. 상부 히터의 실시태양에서, 상부 히터는 방향성 응고 몰드의 상단부로부터 열의 손실 또는 유입을 제어하는 하나의 방법이다.
도 5는 위에 기술된 상부 히터(300)와 몰드(200)와 같은 실시태양과 유사한 상부 히터(554)와 몰드(550)를 이용한 방향성 응고의 열적 모델을 보여준다. 몰드(550)에 포함된 규소가 보여지는데, 규소는 윗부분에 묘사된 바와 같이 액체 부분(502), 고체 부분(504), 그리고 몰드(550)에서 윗부분으로 진행되는 액체-고체 경계부(506)를 갖는다.
도 5의 그래프(510)은 방향성 응고 작업의 2시간 동안의 규소를 보여준다. 도 5의 그래프(520)은 방향성 응고 작업의 7시간 동안의 규소를 보여준다. 액체-고체 경계부(506)는 액체 부분(502)으로 윗부분으로 진행됨을 보여준다. 도 5의 그래프(530)는 방향성 응고 작업에서의 15시간의 규소를 보여준다. 액체-고체 경계부(506)는 여전히 액체 부분(502)의 상부로 진행되며, 액체 부분(502)의 상부 표면(508)은 바람직하게 여전히 액체 상태이고, 여기서 불순물이 수집되고, 예를 들면, 얻어진 잉곳으로부터 절단되거나 또는 고체 부분의 벌크(504)가 생성되도록 하기 위해 적절한 시간이 지나면 액체 부분(502)을 스키밍하여 나중에 제거될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 몰드(600)를 보여준다. 몰드(600)의 평면도는 긴 측면 벽(602) 및 짧은 측면 벽(604)을 포함하는 벽면 구조(601)를 보여준다. 하나의 실시예에서, 긴 측면 벽(602)과 짧은 측면 벽(604) 모두는 내화성 물질과 같은 단열 물질로부터 형성된다. 상기 실시태양에서 논의된 바와 같이, 예를 들면, 내화성 물질은 실질적으로 Al2O3의 형태의 산화 알루미늄을 포함한다.
다수의 가열 요소(606)들은 방향성 응고 과정 동안 몰드(600)를 덮기 위해 직사각형의 상부 히터 내에 포함된 구조를 보여준다. 직사각형의 상부 히터의 하나의 실시예는 상기 도 3과 도 4에 묘사된 상부 히터와 유사한 방법으로 이용될 수 있다. 몰드(600)의 구조와 이에 상응하는 실질적으로 직사각형 모양의 상부 히터는 방향성 응고 과정의 효율성과 확장성 개선의 유리함을 보여준다.
가열 요소(606)는 상기 실시태양에 묘사된 바와 같이 탄화 규소 가열 요소를 포함할 수 있다. 탄화 규소는 전기 전도성, 그리고 고 내열성과 같은 바람직한 성질을 포함하여 가열 요소 자체를 용융시키거나 또는 다른 방식으로 손상시키지 않고서 저항성 가열을 제공할 수 있다. 가열 요소(606)는 흔히 직선 세그먼트에서 제조된다. 한 가열 요소(606)의 공통 직선 크기는 흔히 2 미터 길이이다.
실질적으로 직사각형 모양의 몰드는 긴 쪽의 벽면(602)의 길이(603)를 증가시킴으로써 몰드(600)의 용량을 증가시키는 능력을 제공한다. 짧은 쪽 벽면(604)의 폭(605)은 표준 크기로 유지되며(예를 들면, 선택된 예에서의 2미터), 추가적인 가열 요소(606)가 증가된 길이(603)에 맞추기 위해 몰드와 상부 히터 구조에 추가될 수 있다. 이러한 구조는 제조 공정을 확장하는 쉬운 방법을 제공하며, 적은 공정 비용과 시간으로 규소 잉곳을 더 크게 만들 수 있게 된다. 하나의 실시예에서, 직사각형 모양의 몰드는 5-6 톤의 단일 배치 사이즈를 제공하는데, 원통형 몰드는 비슷한 크기의 가열 요소들을 이용하여(도 7에 제공된 바와 같이) 대략 1.4 톤의 배치 크기를 제공한다.
이에 더하여, 몰드(600)의 실질적으로 직사각형인 모양은 가열 요소(606)의 면적 패턴에 더 잘 맞는다. 원형 상단 부분으로 디자인된 원통형 몰드는 직선 가열 요소(606)를 수용하기가 더 어렵다. 도 7은 원통형 몰드(610) 안의 용융된 규소 표면의 덜 일정한 열 제어를 보여주는 갭(612)을 나타낸다.
이에 더하여, 몰드(600)의 실질적으로 직사각형 모양은 방향성 응고 과정 동안 몰드(600)의 측면 벽면과 잉곳이 가지는 접촉의 양을 조절하는 능력을 제공한다. 몇몇 공정에서, 몰드의 측면 벽면의 오염은 잉곳의 질을 감소시킨다. 하나의 실시예에서, 몰드의 산화 알루미늄 내화 벽으로부터 알루미늄의 오염을 보여준다. 실질적으로 직사각형의 구조로 몰드(600)를 더 길게 만듦으로써, 잉곳은 몰드의 하단부와 증가된 접촉을 만들어내게 되며, 몰드(600)의 측면 벽면과 감소된 접촉을 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 몰드(600)의 하단부는 규소 탄화물과 같은, 규소의 오염에 더 적고 덜 연속적인 결과를 보여주는 물질로부터 만들어진다.
예를 들어, 2 미터 지름의 원통형 몰드는 π(r2)=π(d/2)2=π의 접촉 면적을 제공한다. 벽면 접촉 면적이 규소의 제공된 부피(원통형 몰드의 경우 πㆍh),(직사각형 몰드의 경우 xㆍyㆍh)에 대해 용융된 규소의 높이(h)와 직접 관련이 있기 때문에, π와 같거나 더 큰 표면적(xㆍy)을 갖는 실질적으로 직사각형 모양의 몰드는 원통형 몰드의 벽면 접촉 면적보다 작은 벽면 접촉 면적을 갖게 될 것이다. 한 치수가 2미터를 가지는 실질적으로 직사각형 모양의 몰드에서, π/2 미터보다 더 큰 제 2 치수는 2미터와 같은 지름의 원통형 몰드보다 더 작은 접촉 면적을 제공한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시태양에 따른 몰드(700)을 보여준다. 몰드(700)의 상단부는 긴 측면 벽면(702) 및 짧은 측면 벽면(704)를 포함하는 벽면 구조(701)를 보여준다. 하나의 실시예에서, 긴 측면 벽면(702)과 짧은 측면 벽면(704) 둘 다 내화성 물질과 같은 단열 물질로부터 형성된다. 위의 실시태양에서 논의된 바와 같이, 하나의 실시예에서, 내화 물질은 실질적으로 Al2O3의 형태인 산화 알루미늄을 포함한다. 방향성 응고 과정 동안 몰드(700)를 덮기 위한 직사각형 모양의 상부 히터 내에 포함된 구조의 다수의 가열 요소(706)들이 나타나 있다. 도 8의 몰드는 코너부(708)의 둥근 프로파일을 포함하고 있다.
하나의 실시예에서, 둥근 코너부의 추가는 코너부에서의 응력 집중을 감소시킨다. 방향성 응고 과정 동안, 열 팽창 또는 규소 수축과 같은 힘들은, 몰드(700)를 변형시킬 수 있다. 둥근 코너부(708)의 추가는 위의 실시태양에서 논의된 바와 같이 산화 알루미늄 등과 같은 취약한 내화 물질들을 빈번하게 포함하는 몰드에서의 균열 또는 다른 손상을 줄일 수 있다.
도 9는 도 8의 몰드(700)의 측면도를 보여준다. 둥근 코너부(708)에 더하여, 하나의 실시태양에서, 몰드(700)는 직사각형 모양의 벽면 구조(701)와 베이스(703)의 교차 부분에서 둥근 프로파일(710)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 몰드(700)의 높이(707)는 약 40 센티미터이고, 몰드(700)내부의 잉곳 높이는 약 33 센티미터이다.
도 10은 본 발명의 실시태양에 따른 방향성 응고 시스템(800)을 보여준다. 몰드(801)는 벽면 구조(802)와 베이스(804)에 의해 규정된다. 몰드(801)는 용융된 규소(803)의 부피를 포함하고, 방향성 응고 과정에서 용융된 규소(803)를 냉각하도록 되어있다. 시스템(800)은 온도 구배와 용융된 규소(801)의 냉각률을 제어하기 위하여 또한 상부 히터(820)을 포함한다. 상부 히터(820)는 다수의 가열 요소(822)들과 함께 나타나 있는데, 다른 실시태양들에서 상기 묘사한 상부 히터들과 유사하다. 위에서 묘사된 실시예들과 유사하게, 벽면 구조(801)의 한 구성에서는, 몰드(801)의 테 부분으로부터 하단부(804)와의 경계부까지 두께가 점점 가늘어진다.
지지 구조(810)는 공간(811)을 형성하도록 바닥 표면(812) 위 일정 거리를 두고 몰드(801)를 지지하고 있는 것을 보여준다. 하나의 실시예에서, 공기 또는 다른 냉각 매체의 흐름은 공간(811)내의 몰드(801)의 베이스(804)에서의 냉각률을 제어하기 위해 제어된다. 하나의 실시예에서, 하나 이상의 유동적 경로가 공간(811) 내에서 공기 혹은 다른 냉각 매체를 움직이게 하기 위해서 제공된다. 도 8에서, 제 1 유동적 경로(840)와 제 2 유동적 경로(842)가 보여지고 있다. 두 유동적 경로들(예를 들면, 도입구와 배출구)이 선택된 실시예에서 이용됨에도 불구하고, 다른 실시예들에서는 두 유동적 경로 이상 또는 단지 하나의 유동적 경로가 포함되어 있다. 하나의 유동적 경로는 도입구와 배출구를 동시에 사용하게 될 수 있다.
도 10은 팬이나 다른 활동성 있는 공기 또는 다른 냉각 매체의 이동장치와 같은 순환 장치(838)를 포함한다. 또한 도 10에서 보여지는 것은 제 1 밸브(830)와 제 2 밸브(834)들이다. 제 1 밸브(830)는 공간(832)을 조정하고 몰드(801) 밑의 공간(811)으로 계량된 접근성을 제공하는 방향(831)으로 움직여질 수 있다. 이와 유사하게, 제 2 밸브(834)는 공간(836)을 조정하고 몰드(801) 밑의 공간(811)으로 계량된 접근성을 제공하는 방향(835)으로 움직일 수 있다. 작동시에, 하나 이상의 밸브, 예를 들면 밸브(830 및 834)는 순환과 공간(811) 내 냉각 조건을 바꾸기 위해 움직여진다. 하나의 실시예에서 순환 장치(838)의 비율은 또한 밸브(830)와 밸브(834)와 같은 하나 이상의 밸브와 함께 다양해질 수 있다.
하나의 실시예에서, 다수의 냉각 구조(예를 들어, 핀)는 공간(811) 내에 위치하고, 몰드(801)의 베이스(804)와 결합되어 있다. 냉각 구조는 몰드의 베이스(804)로부터 열을 멀리 전도하는 능력을 증가시킨다. 그러나, 공간(811)이 밸브(830, 834)에 의해 닫혀 있다면, 베이스(804)에서의 냉각이 덜 일어날 것이다.
하나의 실시예에서, 금속 열 확산층(806)이 베이스(804) 내에 더 포함되어 있다. 하나의 실시예에서, 베이스(804)는 용융된 규소(803)와 접촉하는 탄화 규소 층을 포함하고 있으며, 금속 열 확산 층(806)은 용융된 규소(803)로 부터 떨어져서 위치하고 있다. 작동시에, 강 판과 같은 금속 열 확산 층(806)은 탄화 규소보다 열을 더 빠르게 전도하며, 베이스(804)에서 냉각 과정을 증진시키도록 한다. 하나의 실시예에서, 금속 열 확산 층(806)은 대략 3 센티미터의 두께인 층을 포함하고 있다. 두꺼운 금속 열 확산 층(806)은 베이스(804)에서 열을 전도시키고, 도 5의 예시 프로파일과 같은 바람직한 방향성 프로파일에서의 방향성 응고를 촉진시키기 위한 적합한 경로를 제공한다.
도 10에서 나타난 바와 같이, 하나의 실시예에서 밸브(830)와 밸브(834)는, 몰드(801)의 벽(802)을 덮는 단열성 벽과 임의적으로 몰드(801) 밑에 인접한 공간(811)을 덮는 단열성 벽을 포함한다. 몰드(801)의 벽면(802)에 인접한 추가적인 덮음은 벽면(802)에서 용융된 규소(803)에 대하여 더 단열하게 되고, 베이스(804)에서 의 응고 이전에 벽면에서의 부적절한 응고를 막아준다. 하나의 실시예에서, 밸브(830)와 밸브(834)의 단열성 벽은 또한 몰드(801)와 상부 히터(820) 사이의 경계부(824)를 또한 덮고 있다. 이러한 구조는, 이 경계부(824)에서의 열 손실에 대하여 추가적인 보호를 제공한다. 밸브 물질의 예들로서 내화 물질 또는 위의 실시태양에 묘사된 것과 같은 다른 단열물질들이 포함된다.
작동시에, 밸브(830)와 밸브(834)는 다양한 방법으로 제어가 가능하다. 하나의 실시예에서 밸브(830)와 밸브(834)는 방향성 응고 과정 동안 한번 설정된 조정가능한 공간(832, 804)을 제공한다. 하나의 실시예에서, 하나 이상의 밸브(830, 834)는 연속적으로 경로(840, 842)를 열기 위해 방향(831, 835)에서 연속적인 비율로 움직이도록 설정된다. 밸브(830, 834)의 움직임은 각각의 밸브에서 같은 비율일 수 있으며, 또는 다른 비율로 작동될 수도 있다. 밸브(830, 834)의 비율은 일직선일 수도 있고, 방향성 응고 과정 동안 다양한 비율일 수도 있다.
순환 장치(838), 밸브(830,834), 상부 히터(820), 점점 가늘어지는 벽면 구조(802), 금속 열 확산부(806),및 핀(808)과 같은 변수를 이용함으로써, 용융 규소를 위한 냉각 프로파일(803)과 그 비율은 정확하게 제어될 수 있다. 냉각 프로파일과 그 비율의 제어는 불순물 분리의 효율성 증가와 같은 많은 장점을 제공한다. 위에 기술된 구조와 방법들을 이용함으로써, 규소에 대해 더 적은 방향성 응고 단계를 수행하게 되고, 규소의 더 큰 배치들이 더 빠른 진행률로 고순도의, 더 큰 잉곳을 만들도록 수행될 수 있다.
도 11은 몰드(902)와 제거 가능한 열 확산부(910)를 포함하는 시스템(900)을 보여준다. 몰드(902)는 테(904) 및 바닥부(906)을 포함한다. 몇몇 방향성 응고 과정에서, 몰드(902)에 의해 생겨나게 되는 더 큰 열적 구배가 휘어짐, 그리고 몰드(902)의 하단부에 위치한 열 확산 구조에 대해 손상을 야기할 수 있다. 만약 일체식 열 확산부를 갖는 휘어진 몰드에 대한 수리가 필요하다면, 전체 몰드는 수리되는 동안 생산이 중지되어야 한다. 도 11에 묘사된 실시예의 구조에서, 휘어지거나 손상된 제거 가능한 열 확산부(910)는 수리를 위해 제거될 수 있으며, 예비 제거 가능한 열 확산부(910)가 휘어지거나 손상된 제거 가능한 열 확산부(910)가 수리되는 동안 모드(902)를 생산이 가능하도록 유지하기 위해 신속하게 부착될 수 있다.
제거 가능한 열 확산부(910)의 밑면도에서, 하나의 실시예에서, 다수의 냉각 핀(914)이 포함되어 있다. 하나의 실시예에서, 포크 리프트 혹은 다른 운송 시스템을 위한 슬롯과 같은 운송 시스템이 제거 가능한 열 확산부(910)에 포함되어 있다. 부착점(912)은 제거 가능한 열 확산부(910)를 몰드(902)의 하단부(906)에 결합시키는 데 이용될 수 있다. 결합시키는 방법의 예들은 래치, 체결 하드웨어, 혹은 다른 체결 시스템을 이용하는 방법을 포함한다. 체결 하드웨어의 예로는 볼트, 스크류, 넛츠, 리벳, 또는 다른 적절한 체결구로서 제거 가능한 열 확산부(910)가 몰드의 바닥(906)으로부터 별도로 제거될 수 있는 것들을 포함하지만, 이것들로 제한되지는 않는다. 하나의 실시예에서, 제거 가능한 열 확산부(910)가 절단 혹은 다른 방법으로 희생적인 체결부를 파괴시킴으로 인해 제거되고 새로운 희생적 체결구를 사용하여 제거 가능한 열 확산부(910)을 재부착시키는 데 리벳과 같은 희생적인 체결구가 이용된다. 희생적인 체결구를 이용하는 구조는 용접 일체형 열 확산부보다 제거하고 또한, 몰드(902)의 하단부(906)에 대하여 제거 가능한 열 확산부(910)를 단단히 고정시키기가 더 쉽다.
휘거나 손상된 제거 가능한 열 확산부(910)를 빠르게 대체할 능력에 더하여, 제거 가능한 열 확산부(910)가 몰드(902)에 대하여 선택된 수의 부착점(912)에만 부착되기 때문에, 제거 가능한 열 확산부(910)는, 몰드(902)와는 독립적으로, 열적 응력 하에서 팽창되거나 수축할 일정량의 자유를 허용하여 휘어짐의 원인을 줄여준다. 선택된 실시예들에서, 부착점(912)은 홈이 파이거나, 과도한 사이즈의 개구로서 제거 가능한 열 확산부(910)가 몰드(902)와는 독립적으로 체결구(랫치, 체결 하드웨어 등)에 대하여 팽창이나 수축의 움직임을 더 자유롭게 할 수 있도록 하는 것을 포함한다.
제거 가능한 열 확산부(910)와 다양한 모양의 몰드(902)는 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들면, 실질적으로 원통형의 몰드와 상응하는 열 확산부가 이용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 위에 묘사된 바와 같이, 직사각형 제거 가능한 열 스프레더는 몰드(600, 700,혹은 801)와 유사한 직사각형 몰드에 결합될 수 있다.
본 주제의 다양한 실시태양이 묘사되었지만, 위의 실시태양들이 총 망라하고자 하는 것은 아니다. 몰드 전반에 걸쳐 고체-액체 경계부의 일관된 진행을 유지하면서, 방향성 응고 기술을 이용하여 규소의 정제를 달성하도록 구성된 임의의 배치가 제시된 특정 실시태양을 대체할 수 있음을 당 업계의 통상의 기술자에 의해 인식될 것이다. 상기 실시태양 및 다른 실시태양들의 조합은, 상기 설명을 연구하는 때에 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 출원은 본 발명의 주제의 임의의 적용 또는 변형을 수용하도록 의도된 것이다. 또한 상기 설명은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것을 의도한 것으로 이해되어야 한다.

Claims (43)

  1. 외부 자킷;
    외부 자킷 내부의 하단부를 라이닝하고, 용융물과 직접적으로 접촉하도록 위치한 벽면 물질보다 열 전도성이 더 높은 열 전도 물질을 포함하는, 용융물과 직접적으로 접촉하도록 위치한 베이스; 및
    외부 자킷 내부의 벽면을 라이닝하고, 제 1 두께를 갖는 몰드의 상단부로부터, 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 몰드의 하단부로 두께가 점점 가늘어지는, 용융물과 직접적으로 접촉하도록 위치한 벽면 단열 구조
    를 포함하는 몰드를 포함하는, 방향성 응고를 위한 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벽면 단열 구조가 몰드의 상단부로부터 베이스와의 하단 경계부로 두께가 점점 가늘어지는 것인 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제 2 두께가 제 1 두께보다 25 퍼센트 얇은 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 벽면 단열 구조가 내화 벽돌층과, 연속적인 내화성 물질의 노출 층을 포함하는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상부 히터를 더 포함하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상부 히터가 다수의 탄화 규소 가열 요소를 포함하는 것인 시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상부 히터에 배출 구멍을 더 포함하는 것인 시스템.
  8. 긴 측면과 짧은 측면을 포함하는 직사각형 모양의 벽면 구조;
    벽면 물질보다 열 전도성이 더 높은 물질을 포함하고, 상기 직사각형 모양의 벽면 구조와 결합되어 있고, 용융물과 직접적으로 접촉하도록 위치한 열 전도 베이스
    를 포함하고, 상기 직사각형 모양의 벽면은, 몰드의 짧은 측면의 길이와 동등한 지름을 갖는 원통형의 몰드에 대한 벽면 접촉 면적보다 더 작은, 주어진 양의 용융된 규소에 대한 벽면 접촉 면적을 제공하도록 몰드의 짧은 측면의 길이를 조절함으로써 치수화되고, 상기 직사각형 모양의 벽면 구조는 용융물과 직접적으로 접촉하도록 위치하고, 상기 직사각형 모양의 벽면 구조는 제 1 두께를 갖는 몰드의 상단부로부터, 제 1 두께보다 얇은 제 2 두께를 갖는 열 전도 베이스와의 하단 경계부로 두께가 점점 가늘어지는, 방향성 응고를 위한 몰드.
  9. 제8항에 있어서, 상기 직사각형 모양의 벽면 구조가 벽면 교차 부분에서 둥근 프로파일을 포함하는 것인 몰드.
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