KR20100061567A - 실리콘 결정을 얻기 위한 실리콘 분말의 가공 방법 - Google Patents

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6엔 실리콘 아이엔씨.
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Abstract

본 발명의 구현예는 실리콘으로부터 실리콘 결정을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시켜 실리콘을 함유하는 혼합물을 제공하는 단계, 상기 실리콘을 침지 상태에서 용융시켜 제1 용융액을 제공하는 단계, 상기 제1 용융액을 제1 가스와 접촉시켜 드로스 및 제2 용융액을 제공하는 단계, 상기 드로스 및 상기 제2 용융액을 분리하는 단계, 상기 제2 용융액을 냉각하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계, 및 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계를 포함한다.

Description

실리콘 결정을 얻기 위한 실리콘 분말의 가공 방법 {METHOD FOR PROCESSING SILICON POWDER TO OBTAIN SILICON CRYSTALS}
본 발명은 실리콘 결정을 얻기 위한 실리콘 분말의 가공 방법에 관한 것이다.
교차 참조
본 출원은 2007년 10월 3일에 출원된 미국 가특허출원 60/977,249에 근거한 우선권을 주장하며, 상기 가출원의 내용은 그 전체가 원용에 의해 본 출원에 포함된다.
실리콘 분말은 결정질 태양 전지의 제조시에, 다결정질 또는 단결정질 잉곳의 치수를 손질하기 위해 와이어 소(wire saw)나 밴드 소(band saw)를 사용할 때 발생될 수 있다. 또한, 실리콘 분말은, 반도체 웨이퍼 제조 공정중에서와 같이, 와이어 소에 의해 실리콘 블록 또는 불(boule)을 절단하여 웨이퍼로 만드는 과정에서 발생될 수도 있다. 연마 공정이나 분쇄 공정도 실리콘 분말을 발생시킬 수 있다. 실리콘 분말은 철, 물, 폴리에틸렌 글리콜 및 실리콘 카바이드와 같은 다양한 불순물과 혼합될 수 있기 때문에 일반적으로 스크랩(scrap)으로 간주된다.
상기 분말 중의 실리콘은 매우 높은 표면적을 갖기 때문에, 이산화규소를 형성하게 되는 산소와의 접촉을 막기 어렵다. 그러한 산화를 방지하는 데 도움을 주기 위해서 전통적으로 진공이나 불활성 가스 분위기가 이용되어 왔으나, 문제점은 남아있다. 진공 펌프는 분말을 교란시킬 수 있으며, 실리콘 분말이 용융될 경우, 높은 수준의 오염물을 제거하는 데에는 고비용의 정교한 처리 단계가 필요하다.
공정중에 발생되어 궁극적으로는 폐기시켜야 하는 실리콘 분말의 양은 취급하는 본래의 실리콘 양의 45%에 달할 수 있다. 상기 분말을 재활용하는 데 있어서 현재의 시도는 전형적으로 비용이 많이 들고, 태양 전지 실리콘용으로 요구되는 순도에 미치지 못하며, 시간 소모적이고, 또는 경제적으로 실용성이 없다.
본 발명의 목적은 실리콘 분말로부터 고순도의 실리콘 결정을 저렴하게 경제적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 구현예는 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 얻는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 실리콘 분말을 용매 금속(solvent metal)과 접촉시켜 실리콘을 함유하는 혼합물을 제공하는 단계, 상기 실리콘을 침지(submersion) 상태에서 용융시켜 제1 용융액을 제공하는 단계, 상기 제1 용융액을 제1 가스와 접촉시켜 드로스 및 제2 용융액을 제공하는 단계, 상기 드로스와 상기 제2 용융액을 분리하는 단계, 상기 제2 용융액을 냉각하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계, 및 상기 제1 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 실리콘 분말로부터 고순도의 실리콘 결정을 저렴하게 경제적으로 제조할 수 있다.
첨부된 도면(반드시 실 스케일 도면은 아님)에서, 유사한 번호는 여러 개의 도면 전체에 걸쳐 실질적으로 유사한 부분을 나타낸다. 상이한 접미어를 가진 유사한 번호는 실질적으로 유사한 부분의 상이한 경우를 나타낸다. 도면은 일반적으로 본 명세서에서 다루어지는 다양한 구현예를 예시하는 것으로서, 이로써 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
도 1은 몇몇 구현예에 따라, 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 얻는 방법의 블록 흐름도이다.
도 2는 몇몇 구현예에 따라, 실리콘 분말로부터 정제된 실리콘 결정을 얻는 방법의 블록 흐름도이다.
이하의 상세한 설명은 첨부된 도면에 대한 참조를 포함하며, 이는 상세한 설명의 일부를 형성한다. 도면은 예시로서 본 발명이 실시될 수 있는 구체적 구현예를 나타낸다. 본 명세서에서 "실시예"로도 지칭되는 이러한 구현예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 구체적으로 설명된다. 구현예들은 조합을 이룰 수 있고, 다른 구현예들이 활용될 수 있으며, 또는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 구조적, 및 논리적 변경이 이루어질 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 제한적 의미로 해석되지 않아야 하고, 본 발명의 범위는 첨부하는 청구의 범위 및 그의 등가물에 의해 한정된다.
본 명세서에서, 부정관사("a" 또는 "an")는 하나 또는 하나 이상을 포함하는 데 사용되고, "또는"이라는 용어는 달리 지적되지 않는 한 배타적이 아닌 "또는"을 지칭하는 데 사용된다. 또한, 본 명세서에서 사용되고 달리 정의되지 않는 문구나 용어는 설명을 목적으로 하는 것이며 제한을 위한 것이 아님을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에서 참조되는 모든 출판물, 특허 및 특허 문헌은 원용에 의해 개별적으로 포함되더라도 그 내용 전체가 원용에 의해 포함된다. 본 명세서와 원용에 의해 그와 같이 포함되는 문헌들간에 용례(usage)가 일치되지 않는 경우에, 포함된 참조 문헌에서의 용례는 본 명세서의 용례를 보충하는 것으로 간주되어야 하고; 타협될 수 없는 불일치에 대해서는, 본 명세서의 용례가 지배한다.
본 명세서에 기재된 제조 방법에서, 공정 단계들은 일시적 또는 작업상 순서가 명시적으로 언급되어 있을 때를 제외하고는, 본 발명의 원리로부터 벗어나지 않으면서 임의의 순서로 수행될 수 있다. 청구의 범위에서, 우선 어느 한 단계가 실행된 다음 여러 개의 다른 단계가 계속해서 실행된다는 취지의 언급은, 상기 제1 단계가 다른 단계들 이전에 실행되지만, 다른 단계들 내에 어느 하나의 시퀀스가 추가로 언급되지 않는 한, 다른 단계들은 임의의 적합한 시퀀스로 실행될 수 있음을 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들면, "단계 A, 단계 B, 단계 C, 단계 D, 및 단계 E"를 언급하는 청구항의 엘리먼트가 의미하는 것은, 단계 A가 먼저 수행되고, 단계 E는 마지막으로 수행되며, 단계 B, C, D는 단계 A와 E 사이에서 임의의 순서로 수행될 수 있고, 여전히 그 순서는 청구된 방법의 문헌상의 범위 내에 포함된다는 것이다. 어느 주어진 단계 또는 여러 단계들의 서브-셋(sub-set)은 반복될 수도 있다.
또한, 특정한 단계들은 청구항에서 그러한 단계들이 분리되어 수행되는 것으로 명백히 언급되지 않는 한, 동시에 수행될 수 있다. 예를 들면, X를 행하는 청구항의 단계와 Y를 행하는 청구항의 단계는 단일 조작 내에서 동시에 실행될 수 있고, 그 결과 이루어지는 공정은 청구항의 방법의 문헌상의 범위 내에 포함될 것이다.
본 발명의 구현예는 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 얻는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 실리콘 제조 공정에 의해 발생된 폐 슬러리 또는 실리콘 스크랩으로부터 실리콘을 경제적으로 회수할 수 있게 한다. 또한, 상기 방법은 다양한 응용 분야에서 출발 제품으로서 사용하기에 바람직한 요구 수준에 상응하는 순도를 가진 실리콘을 생성하므로, 본 발명이 아니라면 폐기물로 처리되거나 현재의 수단 또는 종래의 수단으로 회수하기에는 과도한 비용이 드는 생성물을 회수할 수 있게 한다. 실리콘이 침지 상태에서 용매 금속과 함께 용융되기 때문에, 본 발명의 방법은 산소와의 반응을 최소화하거나 배제한다. 이것은 실리콘을 정제하는 데 있어서, 진공 또는 불활성 가스 분위기를 이용하는 것과 같은 고비용의 복잡한 단계를 배제할 수 있다. 본 발명의 방법은, 전자 등급 폴리실리콘의 수준에 근접하거나 또는 UMG(Upgraded Metallurgical Grade; 업그레이드된 야금학적 등급) 실리콘 소스의 수준을 능가하는 순도 수준을 가진 정제된 실리콘을 제공할 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 정제된 실리콘 또는 재생 실리콘을 얻는 방법은, 유일한 실리콘 소스로서 야금학적 등급의 실리콘으로부터 정제된 실리콘을 제공하는 제조 공정보다 적은 에너지 자원(예를 들면, 최대 90% 절감되는 전기)을 사용할 수 있다. 또한, 본 명세서에 기재된 정제된 실리콘 또는 재생 실리콘을 얻는 방법은, 폐기물로부터 매우 유용한 생성물의 회수 및 재생 방법을 제공한다.
정의
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "실리콘 분말"이란, 실리콘과 1종 이상의 실체적 불순물의 혼합물을 의미한다. 절단 또는 연마 공정으로부터의 통상적인 불순물 중 일부는, 실리콘 소스를 절단하는 데 사용되는 톱날이나 와이어로부터 도입될 수 있는 철, 알루미늄, 칼슘 및 구리이다. 그러한 불순물은 실리콘이 사용하는 데 있어서 상업적 또는 조제 표준에 적합하지 않게 한다는 점에서 실체적일 수 있다. 실리콘 분말은 결정질 태양 전지의 제조시, 예를 들면 다결정질 또는 단결정질 잉곳을 손질하기 위해 와이어 소 또는 밴드 소가 사용될 때 발생할 수 있다. 실리콘 웨이퍼의 제조와 같은 다른 제조 공정 또는 IC 후면 연마(back-grind) 공정은 실리콘 분말 또는 스크랩 실리콘을 발생시킬 수 있다. UMG(Upgraded Metallurgical Grade) 실리콘이란, 태양 전지 등급 실리콘을 제공하기 위해 야금학적 공정을 이용하여 정제된 야금학적 등급의 실리콘을 의미한다. 그러한 공정은 전형적으로는 전자 등급 실리콘에 대해 요구되는 것과 동등한 순도를 제공하지는 못한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "침지(submersion)" 또는 "침지하는(submerging)"이라는 용어는, 용액이나 혼합물의 구성 요소가 용액이나 혼합물의 표면에서 외부와 접촉하는 것을 부분적으로 또는 완전히 제한하는 것을 의미한다. 예를 들면, 어느 분말이 용액에 진입한 후, 그 분말이 용액이나 혼합물의 표면으로부터 실질적으로 격리된 상태로 유지되도록 용액 중에 침지될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "혼합물"이란, 서로 물리적 접촉 상태에 있는 2종 이상의 물질의 조합을 의미한다. 예를 들면, 혼합물의 성분들은 화학적으로 반응하지 않도록 물리적으로 조합될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "용융"이란, 어느 물질이 충분한 열에 노출될 때 고체로부터 액체로 변화되는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "정제"란, 목표로 하는 화학물질을 이물질 또는 오염 물질로부터 물리적으로 분리하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "접촉"이란, 맞닿는 작용, 접촉시키는 작용 또는 물질을 바로 이웃에 근접시키는 작용을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "결정화"는 용액으로부터 물질의 결정(결정질 물질)을 형성하는 공정을 포함한다. 상기 공정은, 액체 공급 스트림(feed stream)을 냉각하거나 원하는 생성물이 결정을 형성하도록 원하는 생성물의 용해도를 낮추는 침전제를 첨가함으로써, 액체 공급 스트림으로부터 생성물을, 종종 매우 순수한 형태로 분리한다. 그러면 경사분리, 여과, 원심분리 또는 그 밖의 수단에 의해 나머지 액으로부터 순수한 고체 결정이 분리된다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "결정질"이란, 고체 내의 원자의 규칙적인 기하학적 배열을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "경사분리(decanting, decantation)"란, 유체를 쏟아내어 침강물 또는 침전물을 남김으로써, 상기 침강물 또는 침전물로부터 유체를 분리하는 공정을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "여과(filtering, filtration)"란, 세라믹 또는 금속 멤브레인과 같은 다공질 시트를 통해 공급 스트림을 통과시킴으로써 고체는 걸러내고 액체는 흘러나가게 하여 액체로부터 고체를 분리하는 기계적 방법을 의미한다. 여과는 중력, 압력 또는 진공(흡입)에 의해 달성될 수 있다. 여과는 액체로부터 침강물 또는 침전물을 효과적으로 분리시킨다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "분리(separating)"란, 물질과 물질로부터 어느 하나의 물질을 제거하는 공정을 의미한다(예; 혼합물로부터 고체 또는 액체를 제거하는 공정). 상기 공정은 당업자에게 알려져 있는 임의의 기술, 예를 들면 혼합물의 경사분리, 혼합물로부터 하나 이상 액체의 스키밍(skimming), 혼합물의 원심분리, 혼합물로부터 고체의 여과, 또는 이러한 공정의 조합을 활용할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "여과"란, 필터를 통해 액체를 통과시켜 현탁되어 있는 고체를 필터 상에 걸러냄으로써 혼합물로부터 고체를 제거하는 공정을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "스키밍"이란, 혼합물로부터 하나 이상의 액체, 고체 또는 이들의 조합을 제거하는 공정을 의미하고, 여기서 상기 하나 이상의 액체는 혼합물의 상부에 부유(浮游)한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "교반(agitating)"이란, 혼합물을 난류력(turbulent force)에 의해 운동시키는 공정을 의미한다. 교반의 적합한 방법은 예를 들면 휘젓기, 혼합 및 진탕(shaking)을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "모액"이란, 액체 중 고체의 용액의 혼합물로부터 고체(예; 결정)을 제거한 후 얻어지는 고체 또는 액체를 의미한다. 모액은 이러한 고체를 감지될 수 있는 양으로 포함하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "실리콘"이란, 원소기호 Si이고 원자번호 14인 화학적 원소를 의미한다. 본 명세서에서 사용되는 용어로서 "야금학적 등급의 실리콘"이란, 비교적 순수한(예컨대, 약 96.0중량% 이상) 실리콘을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "용융체"란, 용융된 물질을 의미하며, 여기서 용융은 고체 물질이 액체로 바뀌는 온도(융점이라 함)까지 고체 물질을 가열하는 공정이다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "용매 금속"이란, 가열되면 실리콘을 효과적으로 용해시켜 용융 액체를 형성할 수 있는 하나 이상의 금속 또는 합금을 의미한다. 용매 금속의 적절한 예로는, 구리, 주석, 아연, 안티몬, 은, 비스무트, 알루미늄, 카드뮴, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 납, 이것들의 합금 및 조합이 포함된다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "합금"이란, 2종 이상의 원소의 균질한 혼합물로서, 그 중 적어도 하나는 금속이고, 얻어지는 물질은 금속의 성질을 가지는 것을 의미한다. 얻어지는 금속성 물질은 보통 그 성분의 성질과는 상이한 성질(때로는 현저히 상이함)을 가진다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "액상선(liquidus)"이란, 상평형도(phase diagram)에서의 선으로서, 이 선 상부에서는 주어진 물질이 액상인 상태에서 안정한 선을 의미한다. 가장 통상적으로, 이 선은 전이온도를 나타낸다. 액상선은 물질에 따라서 직선일 수도 있고, 곡선일 수도 있다. 액상선은 매우 흔히 금속 합금을 포함하는 고용체와 같은 2원 시스템에 적용된다. 액상선은 고상선(solidus)과 반대일 수 있다. 액상선과 고상선은 반드시 정렬되거나 중첩되지는 않으며; 액상선과 고상선 사이에 갭이 존재할 경우, 이 갭 내에서 물질은 액체나 고체 중 어느 하나로서 안정하지 않다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "고상선"은 상평형도에서의 선으로서, 이 선 하부에서 주어진 물질이 고상인 상태로 안정한 선을 의미한다. 가장 통상적으로, 이 선은 전이온도를 나타낸다. 고상선은 물질에 따라서 직선일 수도 있고, 곡선일 수도 있다. 고상선은 매우 흔히 금속 합금을 포함하는 고용체와 같은 2원 시스템에 적용된다. 고상선은 액상선과 반대일 수 있다. 고상선과 액상선은 반드시 정렬되거나 중첩되지는 않는다. 고상선과 액상선 사이에 갭이 존재할 경우, 이 갭 내에서 물질은 액체나 고체 중 어느 하나로서 안정하지 않고; 그러한 것은, 예를 들면, 감람석(olivine)(포스터라이트-페이어라이트(fosterite-fayalite)) 시스템의 경우이다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "발생하다(evolve)" 또는 "가스를 발생하다"라 함은 액체나 고체가 특정 조건(전형적으로는 고온) 하에서 화학 반응을 진행하거나 분해되어 가스를 방출하게 되는 공정을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "드로스"란, 용융 금속조(metal bath) 상에 부유하는 고체 불순물 덩어리를 의미한다. 이것은 보통 주석, 납, 아연 또는 알루미늄과 같은 저융점 금속이나 합금이 용융될 때, 또는 금속(들)의 산화에 의해 나타난다. 이것은 예를 들면 표면으로부터 스키밍함으로써 제거될 수 있다. 주석 및 납에 있어서, 드로스는 산화물을 용해시켜 슬래그(slag)를 형성하는 수산화나트륨 펠릿을 첨가함으로써 제거될 수도 있다. 다른 금속에 있어서, 드로스를 분리하기 위해 염 플럭스(salt flux)를 첨가할 수 있다. 드로스는 고체라는 점에서, 합금 표면에 부유하는 (점성) 액체인 슬래그와는 구별된다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "슬래그"란, 금속을 정제하기 위한, 제련 광석의 부산물을 의미한다. 슬래그는 금속 산화물의 혼합물로 간주될 수 있지만, 금속 황화물 및 원소 형태의 금속 원자를 함유할 수 있다. 슬래그는 일반적으로 금속 제련에서 폐기물 제거 메커니즘으로서 이용된다. 자연에서, 철, 구리, 납, 알루미늄 및 기타 금속과 같은 금속의 광석은 불순물을 함유한 상태로 발견되며, 흔히 산화되고 다른 금속의 규산염과 함께 혼입된다. 제련시, 광석이 고온에 노출되면, 이러한 불순물은 용융 금속으로부터 분리되어 제거될 수 있다. 제거되는 화합물을 포집한 것이 슬래그이다. 슬래그는 또한, 예를 들면 금속의 정제를 강화하기 위해, 설계에 의해 생성되는 다양한 산화물과 다른 물질들의 블렌드일 수도 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "불활성 가스"란, 정상적 환경 하에서 반응성이 없는 임의의 가스 또는 가스들의 조합을 의미한다. 희가스와 달리, 불활성 가스는 반드시 원소 상태인 것은 아니며, 보통은 분자 상태의 가스이다. 희가스와 마찬가지로, 비반응성에 대한 경향은 원자가에 기인하고, 최외곽 전자 셸은 모든 불활성 가스에서 완전히 채워져 있다. 불활성 가스의 예는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 및 질소(N2)를 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "회전식 가스제거기(rotary degasser)"란, 용융 금속으로부터 불순물을 제거하는 장치로서, 가스제거기 샤프트, 임펠러 블록 및 커플링을 포함하는 장치를 의미한다. 상기 샤프트는 바람직하게는 가스가 통과할 수 있도록 되어 있는 중공 상태이다. 임펠러 블록은 가스제거기 샤프트에 연결되어 있으며, 전형적으로는 내열성 물질로 형성되고, 블록이 회전될 때 용융 금속을 변위시키는 하나 이상의 금속-전달 리세스(metal-transfer recess)를 가진다. 블록은 바람직하게는, 가스제거기 샤프트의 중공부 및 각각의 금속-전달 리세스에 형성된 가스 방출 개구부와 연통되는 하나 이상의 가스 입구를 포함한다. 각각의 가스 방출 개구부는 가스 입구 중 하나와 연통된다. 상기 커플링은 가스제거기 샤프트를 구동축에 연결시키며, 2개 이상의 커플링 부재로 형성된다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "와류(vortex)"란, 폐쇄된 유선(streamline)을 구비한 회전형, 때로는 난류형 흐름(또는 임의의 나선 운동)을 의미한다. 중심 주위로 빠르게 선회하는 매질 또는 매스의 형상은 와류를 형성한다. 그것은 원형 운동 상태로 흐른다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "방향성 응고"란, 공급 금속이, 응고되는 부분에 대해 연속적으로 이용될 수 있도록, 용융 금속이 응고되는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "다결정질 실리콘" 또는 "폴리-Si" 또는 "다중결정질 실리콘"이란, 다중의 작은 실리콘 결정으로 이루어지는 물질을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "단결정질 실리콘"이란, 결점이나 불순물이 거의 없는 단일 연속적 결정 격자를 가진 실리콘을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "잉곳"이란, 취급과 수송이 비교적 용이한 형상으로 주조된 물질의 매스를 의미한다. 예를 들면, 융점보다 높은 온도로 가열되어 봉이나 블록으로 성형된 금속을 잉곳이라 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어로서 "불(boule)"이란, 합성 방식으로 제조된 단결정 잉곳을 의미한다. 예를 들면, 초크랄스키 즉 "CZ" 공정에서, 보다 큰 결정 또는 잉곳을 생성하기 위해 시드(seed) 결정이 사용된다. 이 시드 결정은 순수한 용융 실리콘에 침지되어 서서히 추출된다. 용융 실리콘은 결정질 형태로 시드 결정 상에서 성장한다. 시드가 추출됨에 따라, 실리콘은 정착되고, 궁극적으로는 커다란 원형 불이 제조된다.
도 1을 참조하면, 몇몇 구현예에 따른, 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 얻는 방법의 블록 흐름도(100)가 도시되어 있다. 실리콘 분말(102)은 용매 금속과 접촉하여 혼합물(106)을 제공할 수 있다. 상기 혼합물(106) 중의 실리콘은 침지 상태에서 용융되어(108) 제1 용융액(110)을 제공할 수 있다. 제1 용융액(110)은 제1 가스와 접촉하여 드로스와 제2 용융액(114)을 제공하고, 이어서 이것들은 드로스(118) 및 제2 용융액(120)으로 분리될 수 있다(116). 제2 용융액(120)은 냉각되어(122) 실리콘 결정과 제1 모액(124)을 형성하고, 이어서 이것들은 제1 모액(130) 및 실리콘 결정(128)으로 분리될 수 있다(126).
처리용 실리콘 분말(102)은 몇 가지 소스로부터 생성될 수 있다. 실리콘 분말(102)은 태양 전지 패널의 제조, 반도체 웨이퍼 또는 성형되는 잉곳으로부터의 스크랩 또는 폐기되는 실리콘일 수 있다. 종종, 실리콘 분말(102)은 슬러리의 일부이다. 슬러리는 물, 폴리에틸렌 글리콜(PEG), 실리콘 카바이드, 철, 알루미늄, 칼슘, 구리 및 기타 오염물을 포함할 수 있다. 실리콘 분말(102)은 슬러리로부터 제거되고(예: 분리), 초과량의 수분을 제거하기 위해 건조된다. 상기 분말은 원심분리, 침강 또는 다른 공정에 의해 슬러리로부터 분리될 수 있다. 슬러리에 물을 첨가하면 비중을 낮추어 침강이나 원심분리를 향상시키는 데 도움을 줄 수 있다. 실리콘 분말(102)은, 예를 들면 산처리를 거치거나 하여 오염물을 제거하기 위해 추가로 처리될 수 있다. 예를 들면, 실리콘 분말의 표면으로부터 철과 같은 금속을 용해시키기 위해 염화수소산을 사용할 수 있다. 상기 분말의 표면으로부터 이산화규소를 용해시키거나 분말의 표면을 용해시키기 위해, 플루오르화수소산, 염화수소산, 질산 또는 이것들의 조합을 사용할 수 있다. 대안적으로, 상기 분말의 표면을 용해시키기 위해, 수산화칼륨, 수산화나트륨 또는 이것들의 조합을 사용할 수 있다. 상기 분말은 또한, 철 및 그 밖의 자성(magnetic) 원소를 제거하기 위해 자석식 분리 공정으로 처리될 수도 있다.
실리콘 분말(102)은 용매 금속 또는 용융 실리콘과 접촉하여(104) 혼합물(106)을 형성할 수 있다. 혼합물(105)에서, 분말 중의 실리콘은 침지 상태에서 용융될 수 있고(108), 따라서 실리콘 분말(102)이 산소화 분위기에 접촉하는 것을 제한하거나 방지할 수 있다. 그러한 산소와의 접촉을 제한함으로써, 실리콘 분말(102) 중의 실리콘은 불필요한 생성물인 이산화규소를 형성하도록 반응하는 기회를 적게 가진다. 용융시 실리콘 분말(102)을 침지시킴으로써, 예를 들면 진공이나 불활성 가스 분위기를 사용해야 하는 것과 같은 고비용의 복잡한 단계가 불필요해진다. 또한, 실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시키기 전에, 실리콘 분말은 산처리, 자석식 분리, 진공 용융, 건조 또는 이러한 공정의 조합에 의해 전처리될 수 있다. 하나 이상의 이러한 단계는 철과 같은 오염물의 제거를 촉진할 수 있다.
실리콘 분말(102)은, 회전식 가스제거기, 용융 금속 펌프, 회전로(rotary furnace)를 이용하거나 유도 전류에 의해 와류 내로 공급하거나 함으로써 용매 금속 또는 용융 실리콘과 접촉시킬 수 있다(104). 실리콘 분말(102)은 실질적으로 건조되어 와류 내에 지속적으로 공급될 수 있고, 그럼으로써 산소와의 접촉이 제한될 수 있다. 실리콘 분말(102)은 예를 들면 믹서를 고전단용으로 설정함으로써 전단되어 개별적 알맹이(grain)로 만들어질 수 있다. 용융(108)은 용융조에 침지된 상태에서 일어날 수 있다. 용융조는, 분말에 대해 더 많은 전단을 더 용이하게 인가하고 용융조의 증가된 점도로 인해 조 내에 분말이 침지된 상태로 유지되도록, 액상선 온도보다 낮은 온도 및 고상선 온도보다 높은 온도일 수 있다. 퍼니스 내화물은, 예를 들면 재료 중에 인이나 붕소를 거의 또는 전혀 함유하지 않음으로써 오염물이 적을 수 있다. 용융 실리카(fused silica)가 허용가능한 내화물의 일례일 수 있다. 마찬가지로, 회전식 가스제거기 또는 용융 금속 펌프가 사용될 경우에, 그러한 장치는 오염을 최소화하기 위해 인이나 붕소가 거의 없는 상태로 제조될 수 있다.
혼합물(106)은 용융체 난류를 이용하여 침지 상태로 유지될 수 있다. 용융(108)은 고상선 온도보다 높은 온도로 유지되는 혼합 조건에서 일어날 수 있다. 접촉 단계(104) 및 용융 단계(108)는, 예를 들면, 동시에 또는 거의 동시에 이루어질 수 있다. 용융체에 산소가 접촉하는 것을 방지하기 위해 용융체의 표면에 염 플럭스 또는 슬래그를 사용할 수 있다.
용매 금속은, 가열되면 실리콘을 효과적으로 용해시켜 용융액을 형성할 수 있는 임의의 적합한 금속, 금속들의 조합, 또는 합금을 포함할 수 있다. 용매 금속으로서 적합한 예는, 실리콘, 구리, 주석, 아연, 안티몬, 은, 비스무트, 알루미늄, 카드뮴, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 납, 이것들의 합금 및 조합을 포함한다. 특정한 용매 금속 중 하나는 알루미늄 또는 그의 합금이다.
실리콘 분말(102) 및 용매 금속은, 제1 용융액(110)이 효과적으로 형성될 수 있다면(용융 단계(108) 후에), 각각 임의의 적합한 양 또는 비율로 존재할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 분말(102)은 약 20중량% 내지 약 50중량%의 양으로 사용될 수 있고, 알루미늄 또는 그의 합금은 용매 금속(103)으로서 약 50중량% 내지 약 80중량%의 양으로 사용될 수 있다. 실리콘 폐스트림을 활용할 경우, 실리콘 분말(102)은 약 20% 내지 약 90%, 또는 그 이상으로 존재할 수 있다. 그 경우에, 알루미늄이나 그의 합금은 용매 금속으로서, 예를 들면 약 10% 미만 내지 약 80%의 비율로 사용될 수 있다. 실리콘 분말(102)은 실리콘의 유일한 소스로서, 또는 공정에 첨가되는 실리콘의 소정 퍼센트로서 사용될 수 있다. 공정에서 사용되는 실리콘의 양과 형태를 변경함으로써, 얻어지는 정제된 실리콘의 화학적 성질이 변화되거나 조절될 수 있다.
제1 용융액(110)은 제1 가스와 접촉하여(112) 제2 용융액/드로스 혼합물(114)을 제공하고, 이 혼합물은 드로스(118)와 제2 용융액(120)으로 분리될 수 있다(116). 제1 가스는 불활성가스일 수 있다. 제1 가스는 염소 또는 염소/불활성 가스 혼합물, 예를 들면 염소/아르곤 또는 염소/질소 혼합물일 수 있다. 알루미늄과 같은 용융된 용매 금속을 사용함으로써, 제1 가스는 다른 경우에 순수한 용융 실리콘 중에서 가능하거나 실용적인 것보다 낮은 온도에서 주입될 수 있으므로, 실리콘 카바이드와 같은 오염물의 제거를 증대시킬 수 있다. 대안적으로, 제1 용융액(110)으로부터 실리콘 카바이드 및 인을 제거하기 위해 염 플럭스를 이용할 수 있다. 염 플럭스는, 실리콘 카바이드를 제거하기 위해 드로싱 공구(drossing tool) 또는 회전로에 의해 용융조 표면에 첨가되거나 용융조 내에 혼합될 수 있다.
사용되는 제1 가스는 제1 용융액(110)을 수용하는 베시클(vesicle) 내에 직접 도입될 수 있다. 제1 가스는, 예를 들면, 산소, 수증기, 수소 및 불활성 가스 혼합물 또는 그의 조합을 포함할 수 있다. 그러한 상황에서, 염소(Cl2), 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 수소(H2), 육불화황(SF6), 포스겐(COCl2), 사염화탄소(CCl4), 수증기(H2O), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 사염화규소(SiCl4), 및 사불화규소(SiF4) 중 하나 이상을 제1 용융액(110)을 수용하는 베시클 내에 직접 도입할 수 있다. 대안적으로, 사용되는 제1 가스는, 효과적으로 제1 가스를 발생시킬 수 있는 전구체로서 제1 용융액(110)을 수용하는 베시클 내에 도입될 수 있다. 전구체 자체는 고체, 액체 또는 염 플럭스일 수 있다. 전형적으로는, 액체 또는 고체 전구체가 제1 용융액의 비교적 높은 온도에서 화학 반응하거나 분해되어 제1 가스를 방출할 것이다.
특정한 구현예에서, 제1 가스는 100중량%의 염소(Cl2)를 포함한다. 또 다른 특정한 구현예에서, 제1 가스는 염소(Cl2) 및 질소(N2)를 포함한다. 또 다른 특정한 구현예에서, 제1 가스는 염소(Cl2) 및 질소(N2)를 약 1:20의 비율로 포함한다.
제1 가스와 접촉함과 동시에 또는 그 이전에, 붕소 및 다른 불순물을 상기 액으로부터 제거하는 것을 촉진하기 위해 용융액(110)을 공기 또는 산소를 함유하는 가스와 같은 초기 가스와 접촉시킬 수 있다. 접촉(112)은 주입(injection)을 포함할 수 있다.
일 구현예에서, 제1 용융액(110)은 제1 가스와 접촉(112)하기 전에 냉각될 수 있다. 특정적으로, 제1 용융액(110)은 제1 가스와 접촉(112)하기 전에 액상선 온도(예를 들면, 액상선 온도와 약 25℃, 약 200℃, 또는 약 500℃ 이내의 차이) 근방까지 냉각될 수 있다. 보다 특정적으로, 제1 용융액(110)은 제1 가스와 접촉(112)하기 전에 약 1,000℃ 미만의 온도로 냉각될 수 있다. 보다 특정적으로, 제1 용융액(110)은 제1 가스와 접촉(112)하기 전에, 예를 들면, 약 750℃ 내지 약 1,300℃, 약 950℃ 내지 약 1,000℃의 온도로 냉각될 수 있다. 상기 온도는 혼합물(106) 중 실리콘의 양에 의존한다.
분리 공정(116)은 용융액의 표면으로부터 드로스(118)를 제거하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 드로스(118)는 예를 들면 스키머(skimmer)를 이용하여 제2 용융액(120)으로부터 제거될 수 있다. 전형적으로는, 드로스(118)는 제2 용융액(120)의 표면 상에 위치한 회색/백색 분말, 모액과 혼합된 산화물을 포함하는 반고체 드로스 또는 흑색 분말일 수 있다. 일 구현예에서, 회전식 가스제거기는 제2 용융액(120)의 와류를 발생시킬 수 있어서, 드로스(118)를 제2 용융액(120)에 효과적으로 혼합할 수 있다. 그러한 구현예에서, 와류는 산소화 접촉하여 부가적 드로스(118)를 제공할 수 있다.
일 구현예에서, 제2 용융액과 드로스(114)는, 제1 용융액(110)이 제1 가스와 접촉한 후(112), 드로스(118)와 제2 용융액(120)이 분리되기 전에 가열될 수 있다. 특정적으로, 제2 용융액(114)은, 제1 용융액(110)이 제1 가스와 접촉한 후(112), 드로스(118)와 제2 용융액(120)이 분리되기 전에, 액상선 온도보다 높은 온도로 가열될 수 있다. 보다 특정적으로, 제2 용융액(114)은, 제1 용융액(110)이 제1 가스와 접촉한 후(112), 드로스(118)와 제2 용융액(120)이 분리되기 전에, 액상선 온도보다 약 20℃ 이내로 높은 온도로 가열될 수 있다.
제2 용융액(120)은 냉각되어 제1 모액(124) 중에 실리콘 결정(또는 제1 실리콘 결정)을 형성하고, 이 결정은 이어서 실리콘 결정(128)(또는 제1 실리콘 결정(128))과 제1 모액(130)으로 분리(126)될 수 있다. 실리콘 결정(128)은 재가열되어(132) 공정에 1회 이상 재도입될 수 있다(도 2 참조).
실리콘 결정(128)은 가열되어(134) 제1 용융조(136)를 제공할 수 있다(도 2의 200 참조). 제1 용융조(136)는 제2 가스와 접촉할 수 있고, 방향성 응고(138)되어 제2 실리콘 결정(148)과 제2 모액(146) 또는 "최종 동결(last-to-freeze)" 실리콘(대부분의 불순물을 함유함)을 제공할 수 있다. 제2 실리콘 결정(148)은 가열되어(140) 제2 용융조(142)를 제공할 수 있고, 이것은 선택적으로 제2 가스와 접촉하고(138) 방향성 응고되어 정제된 실리콘 결정(144)을 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 용융액(120)은 냉각되어(122) 제1 실리콘 결정과 제1 모액(124)을 제공할 수 있다. 일 구현예에서, 제2 용융액(120)은 교반되는 상태에서 냉각될 수 있다. 어느 특정 이론에 제한되려는 것은 아니지만, 냉각되는 동안(122), 교반을 실행함으로써, 걸러내기는 어려울 수 있지만 비교적 높은 순도를 가진 비교적 작은 실리콘 결정을 제공할 수 있는 것으로 생각된다. 약간의 혼합은 약 1mm(두께)×약 5mm(폭)×약 5mm(길이)의 실리콘 결정을 제공할 수 있다.
또한, 제1 실리콘 결정이 제1 모액(124)에서 얻어질 수 있다면, 제2 용융액(120)은 임의의 적합하고 적절한 온도(예를 들면 액상선 온도와 고상선 온도 사이)로 냉각(122)될 수 있다.
특정적으로, 제2 용융액(120)은 약 585∼1,400℃의 온도로 냉각(122)될 수 있다. 보다 특정적으로, 제2 용융액(120)은 고상선 온도에 근접하되 그보다는 높은 온도(예를 들면, 고상선 온도보다 약 200℃ 이내, 약 125℃ 이내, 또는 약 50℃ 이내로 더 높은 온도)로 냉각(122)될 수 있다. 보다 특정적으로, 제2 용융액(120)은 약 700℃ 내지 약 750℃의 온도로 냉각(122)될 수 있다. 보다 특정적으로, 제2 용융액(120)은 고상선 온도보다 높고 액상선 온도보다 낮은 온도로 냉각(122)될 수 있다. 제2 용융액(120)은 예를 들면 액상선 미만의 온도로 냉각될 수 있다.
제1 실리콘 결정이 제1 모액(124)에서 얻어질 수 있다면, 제2 용융액(120)은 임의의 적합하고 적절한 냉각 속도로 냉각(122)될 수 있다. 예를 들면, 제2 용융액(120)은 약 100℃/시간 미만, 약 50℃/시간 미만, 또는 약 20℃/시간 미만의 속도로 냉각(122)될 수 있다.
실리콘 결정이 제1 모액(124)에서 얻어질 수 있다면, 제2 용융액(120)은 임의의 적합하고 적절한 시간 동안 냉각(122)될 수 있다. 예를 들면, 제2 용융액(120)은 약 2시간 이상, 약 4시간 이상, 또는 약 8시간 이상의 시간에 걸쳐 냉각(122)될 수 있다.
일 구현예에서, 실리콘 결정과 제1 모액(124)은 분리(126)될 수 있다. 상기 분리는 임의의 적합하고 적절한 방식으로 실행될 수 있다. 예를 들면, 상기 분리는 걸러내기(straining)에 의해 실리콘 결정(128)으로부터 제1 모액(130)을 쏟아냄으로써 실행될 수 있다.
특정한 일 구현예에서, 얻어지는 제1 실리콘 결정(128)은 후속 정제 공정에서 실리콘으로서 활용되거나 재사용될 수 있다(도 2의 132 참조). 이러한 재사용은, 제1 실리콘 결정(128)이 요구되는 순도 수준을 가진다면 여러 번(예; 2회, 3회, 4회 또는 5회) 수행될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 실리콘 결정(128)은 가열되어 제1 용융조를 형성한다. 제1 실리콘 결정(128)은 제1 용융조를 형성하기에 효과적인 임의의 적합하고 적절한 온도로 가열될 수 있다. 특정적으로, 제1 실리콘 결정(128)은 약 1,100℃ 내지 약 1,500℃의 온도로 가열될 수 있다. 또한, 일 구현예에서, 제1 실리콘 결정(128)은 불활성 가스의 존재 하, 진공 또는 이것들의 조합 하에 가열될 수 있다. 적합한 불활성 가스로는, 예를 들면, 질소(N2), 아르곤(Ar) 또는 이것들의 조합이 포함된다. 어느 특정 이론에 제한되려는 것은 아니지만, 불활성 가스의 존재 하에서 제1 실리콘 결정(128)을 가열하면, 상승된 온도(예; 약 1,100℃ 내지 약 1,500℃)에서 이산화규소(SiO2)를 포함하는 드로스 및/또는 슬래그의 형성이 방지될 수 있는 것으로 생각된다. 그와 같은 실리콘이 이산화규소로 산화되는 것은 다른 경우에는 정제된 실리콘의 전반적 수율을 감소시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 용융조(136)는 방향성 응고되어(138), 제2 실리콘 결정(148)과 제2 모액(146)을 형성할 수 있다. 상기 방향성 응고는 베시클(예컨대, 도가니)의 저부 상에 결정을 형성시켜 상부(즉, 용융물)을 제거할 수 있게 될 것이다.
일 구현예에서, 방향성 응고 단계(138)는 제1 용융조(136)의 상부를 가열하는 단계, 제1 용융조(136)의 저부를 냉각하는 단계, 또는 이것들의 조합을 포함한다. 대안적으로, 제1 용융조(136)는 냉각되어 제2 실리콘 결정(148)과 제2 모액(146)을 형성할 수 있다. 대안적으로, 방향성 응고 단계(138)는 제1 용융조(136)를 융점 미만으로 냉각함으로써 제2 실리콘 결정을 형성하는 단계, 및 상부와 하부를 분리하는 단계를 포함할 수 있는데, 여기서 상부는 제2 모액(146)을 포함하고, 하부는 제2 실리콘 결정을 포함한다.
전술한 바와 같이, 제2 실리콘 결정(148)은 가열되어(140) 제2 용융조(142)를 제공한다. 제2 실리콘 결정(148)은 제2 용융조(142)를 제공하기에 효과적인 임의의 적합하고 적절한 온도로 가열(140)될 수 있다. 특정적으로, 제2 실리콘 결정(148)은 액상선 온도보다 높은 온도로 가열되어(140), 제2 용융조(142)를 제공한다. 보다 특정적으로, 제2 실리콘 결정(148)은 약 1,300℃ 이상의 온도로 가열되어(140), 제2 용융조(142)를 제공한다.
제2 용융조(142)는 선택적으로 제2 가스(138)와 접촉하여 제3 용융조의 표면 상에 형성되는 슬래그 및/또는 드로스를 제공할 수 있다. 사용되는 제2 가스는 제2 용융조를 수용하는 베시클 내에 직접 도입될 수 있다. 그러한 상황에서, 염소(Cl2), 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 수소(H2), 육불화황(SF6), 포스겐(COCl2), 사염화탄소(CCl4), 수증기(H2O), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 사염화규소(SiCl4), 및 사불화규소(SiF4) 중 하나 이상을 제2 용융조를 수용하는 베시클 내에 직접 도입할 수 있다. 대안적으로, 사용되는 제2 가스는, 효과적으로 제2 가스를 발생시킬 수 있는 전구체로서 제2 용융조를 수용하는 베시클 내에 도입될 수 있다. 전구체 자체는 고체 또는 액체일 수 있다. 전형적으로는, 액체 또는 고체 전구체가 제2 용융조의 비교적 높은 온도에서 화학 반응하거나 분해되어 제2 가스를 방출할 것이다.
일 구현예에서, 제2 용융조(142)는 회전식 가스제거기를 이용하여 제2 가스와 접촉될 수 있다. 회전식 가스제거기는 제2 가스를 효과적으로 제2 용융조(142)에 도입할 수 있다. 또한, 회전식 가스제거기는 제2 가스가 제2 용융조에 도입되는 동안 제2 용융조를 효과적으로 교반할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 용융조(142)는 융점 미만의 온도에서 방향성 응고(138)됨으로써, 정제된 실리콘(144)을 형성할 수 있다. 일 구현예에서, 방향성 응고 단계는 제2 용융조(142)의 상부를 가열하는 단계, 제2 용융조(142)의 저부를 냉각하는 단계, 또는 이것들의 조합을 포함한다. 대안적으로, 제2 용융조(142)는 냉각되어 실리콘 잉곳을 제공할 수 있다.
실시예 1
실리콘 분말은, 태양 전지 패널을 제조하기 위해 잉곳을 절단하는 공정과 같은 제조 공정으로부터 폐슬러리로서 수집된다. 대부분의 실리콘 카바이드와 폴리에틸렌 글리콜은 상기 슬러리로부터 제거되고, 실리콘 분말은 수분의 제거를 위해 건조된다. 상기 분말은 선택적으로, 건조되기 전에 불순물을 더욱 제거하기 위해 산으로 처리된다. 실리콘 분말은 알루미늄으로 된 용융조 내에 공급되어 침지된다. 회전식 가스제거기를 이용하여 실리콘을 공급하고, 신속히 침지시킨다. 상기 분말을 전단하여 개별적 알맹이로 만든다. 상기 분말은 용융체 난류에 의해 침지된 상태로 유지된다. 온도는 고상선 온도보다 높게 유지된다.
실리콘 카바이드, 이산화규소, 인 및 그 밖에 형성되는 임의의 함유물 또는 침전물을 제거하기 위해 염소 가스를 혼합물 내에 주입한다. 표면으로부터 드로스를 제거한다. 이어서, 용융조에 대해 분별 결정화 공정을 실행하여 용융조 내에 결정을 성장시킨다. 온도를 액상선 온도보다 높게 상승시킨 다음, 고상선 온도에 근접하도록 서서히 낮추어 용융조 내에 1차 실리콘 결정을 성장시킨다. 이 공정에서 실리콘 카바이드, 철, 및 응고되는 1차 실리콘 결정에 존재하는 것보다는 용융체에 존재하는 것이 바람직한 다른 원소들이 제거된다. 상기 공정은 적어도 4시간 동안 실시되어야 한다. 용융조의 온도는 조의 일부분에서 결정이 우선적으로 성장하지 못하도록 균일하게 유지시킨다. 상부 히터는 용융조의 표면 상에서 결정이 성장하는 것을 방지하도록 추가적 열을 표면에 제공한다.
용융조로부터 액체를 제거하여, 퍼니스에 실리콘 결정을 잔류시킨다. 용융액은 용융조로부터 쏟아내어, 외부로 펌핑하거나 흡입시키거나 퍼니스 저부에 있는 구멍으로부터 방출할 수 있다. 실리콘 결정은 액체 알루미늄 공융체(eutectic)가 유출됨에 따라 퍼니스에 잔류하는 1차 실리콘 플레이크의 네트워크를 형성한다. 금속의 여과 또는 원심 분리를 포함하는 다른 방법을 이용하여 알루미늄을 제거할 수 있다. 고체 결정을 조 내에 유지시키기 위해 스트레이너를 이용할 수 있다. 쏟아내는 동안 퍼니스를 가열하고, 액체가 유출된 후에 추가로 가열하며, 더 많은 알루미늄 공융체를 제거하기 위해 퍼니스를 기울인다. 상기 단계들은 제1 실리콘 결정을 알루미늄 중에 재용융시킨 다음, 결정을 다시 성장시킴으로써 반복될 수 있다.
실리콘 결정을 산 세척하여 모든 잔류 알루미늄을 제거한다. 이때의 산은 염화수소산과 물일 수 있다. 산 세척 후에 결정을 물로 세척한다. 실리콘 플레이크는 하부에서 용융된다. 용융된 실리콘에 가스를 주입한다. 주입되는 가스는 미량의 산소 및/또는 수소 함유 가스 및/또는 불활성 가스이다.
다음으로, 잔류 알루미늄을 방향성 응고 또는 가스 주입을 이용하여 제거한다. 방향성 응고는 온도 구배(gradient)를 이용하여 실행된다. 불순물을 추가로 제거하기 위해 잉곳의 상부, 저부 또는 측면의 부분을 손질할 수 있다. 필요할 경우, 방향성 응고를 반복할 수 있다.
실시예 2
밴드 소로부터 실리콘 분말을 포집하고, 대부분의 물을 제거하기 위해 침강시킨다. 이어서, 상기 분말을 자석식 분리 공정으로 처리하여 대부분의 느슨한 철을 제거한다. 다음으로, 분말을 산 처리하여 모든 표면 상의 금속을 제거한다. 이어서, 분말을 헹구고 불활성 분위기에서 건조하여 잔류 수분을 제거한다. 건조 분말을 실리콘 용융조의 표면 상에 공급한다. 건조 분말은 불활성 분위기에서 공급될 수 있다. 유도 전류로 분말을 용융체 내로 끌어들여 용융체를 침지시킨다. 유도 전류를 중단시키고, 용융조 내로 가스를 주입하여, 슬래그, 드로스 및 실리콘 카바이드와 같은 함유물을 용융조의 상부로 부유시켜 제거한다. 이어서, 용융된 실리콘을 방향성 응고시켜 불순물을 추가로 제거한다. 필요할 경우 용융된 실리콘은 방향성 응고 이전에 여과될 수 있다. 이어서, 동결시킬 최종 실리콘을 실리콘 잉곳으로부터 분리한다. 응용 분야에 따라서는, 추가적 방향성 응고가 필요할 수 있다.
102: 실리콘 분말, 104: 접촉 단계, 106: 혼합물,
108: 용융 단계, 110: 제1 용융액, 112: 접촉 단계,
114: 드로스와 제2 용융액, 116: 분리 단계, 118: 드로스,
120: 제2 용융액, 122: 냉각 단계, 124: 실리콘 결정과 제1 모액,
126: 분리 단계, 128: 실리콘 결정, 130: 제1 모액,
134: 가열 단계, 136: 제1 용융조, 138: 방향성 응고 단계,
140: 가열 단계, 142: 제2 용융조, 144: 정제된 실리콘 결정,
146: 제2 모액 또는 "최종 동결" 실리콘, 148: 제2 실리콘 결정

Claims (29)

  1. 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 제조하는 방법으로서,
    실리콘 분말을 용매 금속(solvent metal)과 접촉시켜 실리콘을 함유하는 혼합물을 제공하는 단계;
    상기 실리콘을 침지(submersion) 상태에서 용융시켜 제1 용융액(molten liquid)을 제공하는 단계;
    상기 제1 용융액을 제1 가스와 접촉시켜 드로스 및 제2 용융액을 제공하는 단계;
    상기 드로스 및 상기 제2 용융액을 분리하는 단계;
    상기 제2 용융액을 냉각하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계
    를 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시키는 단계 이전에, 슬러리로부터 실리콘 분말을 분리하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시키는 단계 이전에, 산 처리, 진공 용융, 자석식 분리, 건조 또는 이것들의 조합으로 상기 실리콘 분말을 전처리하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 용융액의 온도가 액상선(liquidus) 온도보다 낮고, 고상선(solidus) 온도보다 높은, 실리콘 결정의 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용매 금속이 소정량의 실리콘 또는 용융된 실리콘을 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 실리콘 분말을 분리하는 단계 후에, 상기 실리콘 분말을 건조하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시키는 단계는 용융조(molten bath) 내에 실리콘 분말을 공급하는 단계를 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    용융조 내에 실리콘 분말을 공급하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 실리콘 분말은 회전식 가스제거기(rotary degasser), 회전로(rotary furnace), 용융 금속 펌프 또는 유도 전류를 이용하여 와류(vortex) 내에 공급되는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 단계에서 온도가 고상 온도보다 높게 유지되는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 금속이, 실리콘, 구리, 주석, 아연, 안티몬, 은, 비스무트, 알루미늄, 카드뮴, 갈륨, 인듐, 마그네슘, 납, 이것들의 합금 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가스가 염소 또는 염소와 불활성 가스의 혼합물을 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실리콘 결정을 용융시켜 제1 용융조를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 용융조를 제2 가스와 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 용융조를 방향성 응고(directionally solidifying)시켜 제2 실리콘 결정을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 실리콘 결정을 가열하여 제2 용융조를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 용융조를 방향성 응고시켜 정제된 실리콘을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제2 가스가 산소, 수증기, 수소 및 불활성 가스 혼합물 또는 이것들의 조합을 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    불순물을 충분히 제거하기 위해 상기 실리콘 결정을 산 세척하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 실리콘 결정을 용융시키는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가스가, 염소(Cl2), 산소(O2), 질소(N2), 헬륨(He), 아르곤(Ar), 수소(H2), 육불화황(SF6), 포스겐(COCl2), 사염화탄소(CCl4), 수증기(H2O), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 사염화규소(SiCl4), 및 사불화규소(SiF4) 중 하나 이상을 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 용융액을 액상선 온도 미만의 온도로 냉각시키는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 용융액을 고상선 온도보다 약 125℃ 이내로 더 높은 온도로 냉각시키는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 용융액을 고상선 온도보다 높고 액상선 온도보다 낮은 온도로 냉각시키는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 용융액을 약 75℃/시간 미만의 속도로 냉각시키는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 용융액을 약 2시간 이상의 시간에 걸쳐 냉각시키는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  26. 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 얻는 방법으로서,
    실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시켜 실리콘을 함유하는 혼합물을 제공하는 단계;
    상기 실리콘을 침지 상태에서 용융시켜 제1 용융액을 제공하는 단계;
    상기 제1 용융액을 제1 가스와 접촉시켜 드로스 및 제2 용융액을 제공하는 단계;
    상기 드로스 및 상기 제2 용융액을 분리하는 단계;
    상기 제2 용융액을 냉각하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계;
    상기 제1 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계; 및
    상기 제1 실리콘 결정을 산으로 세척하는 단계
    를 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  27. 실리콘 분말로부터 실리콘 결정을 얻는 방법으로서,
    실리콘 분말을 용매 금속과 접촉시켜 실리콘을 함유하는 혼합물을 제공하는 단계;
    상기 실리콘을 침지 상태에서 용융시켜 제1 용융액을 제공하는 단계;
    상기 제1 용융액을 초기 가스와 접촉시키는 단계;
    상기 제1 용융액을 제1 가스와 접촉시켜 드로스와 제2 용융액을 제공하는 단계;
    상기 드로스 및 상기 제2 용융액을 분리하는 단계;
    상기 제2 용융액을 냉각하여 제1 실리콘 결정과 제1 모액을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 실리콘 결정과 상기 제1 모액을 분리하는 단계
    를 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제1 용융액을 염 플럭스(salt flux)와 접촉시키는 단계는, 상기 염 플럭스를 상기 조(bath)의 표면에 첨가하는 단계를 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
  29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 제1 실리콘 결정을 산으로 세척하는 단계를 추가로 포함하는, 실리콘 결정의 제조 방법.
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