KR20140008066A - 실리콘의 정련 장치 - Google Patents

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Abstract

실리콘의 정련 장치가 개시된다.
진공 분위기를 유지하는 진공 챔버, 상기 진공 챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun), 상기 진공챔버 내에 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부, 상기 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되며, 상기 실리콘 원료물질이 장입되어 상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성되는 실리콘 용융부, 상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부 및 상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부를 포함하고, 상기 연결탕로부의 중심축은 상기 원료 공급부의 투입구의 중심축과 다른 위치에 있는 휘발성 불순물 제거를 위한 실리콘의 정련 장치가 제공될 수 있다. 이에 따라, 실리콘 용탕의 이동경로를 길게 하여 내부에 존재하는 휘발성 불순물이 제거되는 시간과 공간을 충분히 확보하여 진공 정련의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

실리콘의 정련 장치{Apparatus for Refining Silicon}
본 출원은 실리콘의 정련 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전자빔 용융(Electron-beam melting)법을 기반으로 하여 실리콘 주조를 행함에 있어, 일방향 응고 기술을 이용함으로써 실리콘 정련 효과를 향상시킬 수 있는 폴리실리콘 잉곳 제조를 위한 실리콘의 정련 장치에 관한 것이다.
최근 국제 추세에 따라, 친환경적인 발전 방법으로서 태양광 발전이 세계적으로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 태양광 발전은 빛에너지를 전기에너지로 전환시키는 역할을 수행하는 태양 전지에서 이루어진다. 이러한 태양전지는 작은 실리콘 결정체들로 이루어진다.
태양 전지를 구성하는 실리콘의 순도는 통상 5N, 6N, 9N과 같이 표시한다. 여기서 N는 중량% 단위에서 9의 개수를 의미하며, 5N의 경우 99.999% 순도를 의미한다.
초고순도를 요구하는 반도체를 생산하는 실리콘의 경우 순도가 11N에 이른다. 그러나, 태양 전지를 구성하는 실리콘은 5~7N의 순도를 가지는 경우에도 간단한 게터링 공정 추가만으로 11N의 순도를 가지는 경우와 비슷한 광전환 효율을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있어 초고순도를 요하지 아니한다.
또한, 반도체를 생산하는 실리콘은 화학적 가스화 공정(CVD; Chemical Vapor Deposition)을 통해 제조되고 있다. 그러나, 이러한 실리콘 제조 공정은 오염물질을 대량으로 발생시키고, 생산효율이 떨어지며, 또한 생산 단가가 높은 것으로 알려져 있다.
이에 따라, 태양 전지를 구성하는 실리콘은 낮은 제조 비용으로 고순도의 실리콘을 대량 생산할 수 있는 야금학적 정련공정(Metallurgical Refining Process)이 활발히 개발되고 있다.
태양전지용 다결정 실리콘 잉곳의 제조는 기본적으로 방향성 응고를 특징으로 하고 있다.
도가니 속에 실리콘 입자를 충진하고 이를 1420 ℃ 이상에서 용융시킨 후 실리콘의 응고열을 도가니 하부 쪽의 일정방향으로 제거하면 고화가 도가니 하부로부터 상부 쪽으로 퍼져나가는 방식이 방향성 응고 공정이다.
방향성 응고공정을 통하여 고액계면의 층분리를 형성하여 불순물을 액상쪽으로 유도하여 불순물이 잉곳의 상부방향으로 포집될 수 있다.
고순도의 태양광 발전용 실리콘의 야금학적 정련법은 진공 정련법, 산화 처리법, 일방향 응고 정련법 등의 대표적인 공정이 개발되어 있다.
이들 야금학적 정련법들 중에서 진공 정련법과 일방향 응고 정련법 등과 같은 금속 용융법에 의한 실리콘 제조 기술이 특성 제어가 용이하고, 조업중 불순물에 의한 오염이 적어 활발한 연구가 진행되고 있다.
여기서, 진공 정련법이란 통상적으로 금속원료를 용융시킨 후 용융된 금속으로부터 실리콘에 비해 증기압이 높은 불순물을 제거하는 정련공정을 말하며, 대표적인 비금속 불순물인 Al, Ca, Mn, P 등을 제거할 수 있다.
또한, 일방향 응고 정련법은 실리콘이 액체에서 고체로 상변이 중에 고체-액체 계면을 따라 불순물을 액체로 편석(Segregation)시키는 정련공정을 말하며, 편석계수가 작아 편석이 잘 되는 대표적인 금속 불순물인 Fe, Ti, Cr, Cu, Ni등을 제거할 수 있다.
한편, 종래에는 태양전지용 잉곳을 회분 방식으로 1회씩 생산하여 왔으며, 이러한 회분 방식에 의한 잉곳의 크기를 확대하는 방향으로 연구가 추진되기도 하였으나, 잉곳의 크기를 무한정 확대하는 것은 곤란하여 태양전지용 잉곳의 대량생산에 문제점이 있었다.
한국등록특허 제 10-2011-0050371 호 한국공개특허 제 10-2011-0120617 호
본 출원은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지용 폴리실리콘 잉곳을 연속적으로 대량생산할 수 있고, 태양전지용 순도를 가지는 실리콘을 제조하기 위하여 정련 과정에 비용이 적게 들어가는 휘발성 불순물 제거를 위한 실리콘의 정련 장치를 제공하고자 한다.
또한, 전자빔 용융법에 기초하여 실리콘을 용융함에 있어서, 용융된 실리콘 내의 휘발성 불순물이 진공 정련이 될 수 있는 시간과 공간을 확보하여 실리콘 정련 효율을 향상시키는 휘발성 불순물 제거를 위한 실리콘의 정련 장치를 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공 분위기를 유지하는 진공 챔버, 상기 진공 챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun), 상기 진공챔버 내에 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부, 상기 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되며, 상기 실리콘 원료물질이 장입되어 상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성되는 실리콘 용융부, 상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부 및 상기 실리콘 용융부는 상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부를 포함하고, 상기 연결탕로부의 중심축은 상기 원료 공급부의 투입구의 중심축과 다른 위치에 있는 실리콘의 정련 장치를 제공하고자 한다.
또한, 상기 연결탕로부의 중심축이 연장된 제 1 가상선은 상기 원료 공급부의 투입구의 중심축이 연장된 제 2 가상선과 평행할 수 있다.
또한, 상기 제 1 가상선과 상기 제 2 가상선은 상기 제 1 실리콘 용융부 내에서 최대로 이격될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고, 상기 연결탕로부의 중심축이 연장된 제 1 가상선은 상기 원료공급부의 중심축이 연장된 제 2 가상선과 수직할 수 있다.
또한, 상기 제 1 가상선과 상기 제 2 가상선의 수직점이 상기 실리콘 용융부의 모서리부에 최대로 인접될 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부는 하면부와 상기 하면부의 양 끝단에서 실질적으로 수직방향으로 연장된 한쌍의 측면부를 포함하고, 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 상기 하면부의 단면적이 작아질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 일단에 제 1 채널부를 갖는 실리콘 용융부, 상기 제 1 채널부와 접하여 연결탕로부를 형성하는 제 2 채널부를 갖는 일방향 응고부 및 상기 실리콘 용융부에 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부를 포함하고, 상기 원료 공급부의 투입구는 상기 실리콘 용융부에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치에서 용융되어 상기 연결탕로부로 이동하는 경로가 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부 상부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고, 상기 제 1 채널부는 상기 실리콘 용융부의 모서리부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 원료 공급부의 투입구는 상기 제 1 채널부와 상기 원료 공급부의 투입구를 연결하는 직선이 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부 상부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부는 상기 제 1 채널부와 상기 제 2 채널부로 이루어진 채널의 폭이 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 좁아질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부 또는 상기 일방향 응고부는 구리 재질을 가질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부는 외측에 배치되며, 유체가 흐르는 유로부를 포함하고, 상기 유로부는 복수 개의 슬릿에 의해 형성된 복수의 유로를 포함하는 제 1 유로부와 상기 제 1 유로부에 연장되고, 상기 복수의 유로가 서로 연결되어 하나의 유로를 형성하는 제 2 유로부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부는 외측에 설치된 유체가 흐르는 제 1 냉각유로부와 제 2 냉각유로부를 포함하고, 상기 제 1 냉각유로부에 흐르는 유체의 유량은 상기 제 2 냉각유로부에 흐르는 유체의 유량보다 많을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 용탕이 저장되는 제 1 실리콘 용융부, 상기 제 1 실리콘 용융부는 제 1 채널부를 갖고, 상기 제 1 채널부와 접하여 제 1 연결탕로부를 형성하는 제 2 채널부를 갖는 제 2 실리콘 용융부 및 상기 제 2 실리콘 용융부는 제 3 채널부를 갖고, 상기 제 3 채널부와 접하여 제 2 연결탕로부를 형성하는 제 4 채널부를 갖는 일방향 응고부를 포함하고, 상기 제 1 연결탕로부는 상기 실리콘용탕이 상기 제 2 연결탕로부로 이동하는 경로가 가장 최대가 되도록 배치되는 실리콘의 정련 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제 2 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고, 상기 제 3 채널부는 상기 제 2 실리콘 용융부의 모서리부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제 2 채널부는 상기 제 2 채널부와 상기 제 3 채널부를 연결하는 직선이 가장 최대가 되도록 상기 제 2 실리콘 용융부 상부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 원료 공급부의 투입구는 상기 제 1 실리콘 용융부에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치에서 용융되어 상기 제 1 연결탕로부로 이동하는 경로가 최대로 되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 1 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고, 상기 제 1 채널부는 상기 제 1 실리콘 용융부의 모서리부에 위치할 수 있다.
또한, 상기 원료 공급부의 투입구는 상기 제 1 채널부와 상기 원료 공급부의 투입구를 연결하는 직선이 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부 상부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 1 연결탕로부는 상기 제 1 채널부와 상기 제 2 채널부로 이루어진 채널 또는 상기 제 2 연결탕로부는 상기 제 3 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 4채널부로 이루어진 채널의 폭이 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 좁아질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부는 각 외측에 배치된 각각의 유로부를 포함하고, 상기 인접한 외측에 배치된 유로부들은 상기 실리콘 용융부의 내부를 관통하여 서로 공간적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부는 외측에 배치된 복수의 유로부를 갖고, 상기 복수의 유로부 중 적어도 어느 하나의 유로부의 유로 폭은 나머지 유로부의 유로 폭보다 클 수 있다.
또한, 상기 일방향 응고부는 외측에 배치된 복수의 냉각유로부를 갖고, 상기 복수의 냉각유로부 중 적어도 어느 하나의 냉각유로부의 유로 폭은 나머지 유로 폭보다 클 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 실리콘 원료물질을 실리콘 용융부에 공급하고 전자빔을 조사하여 먼저 실리콘을 용융시키고 용융된 실리콘이 일방향 응고부로 공급하기 전에 용융된 실리콘의 이동경로를 길게 함으로써, 용융된 실리콘 내에 휘발성 불순물이 제거될 수 있는 시간과 공간이 증가하게 되어 진공 정련 효과를 향상시킬 수 있다.
둘째, 용융된 실리콘이 실리콘 용융부 내에서 실리콘 정련 효과가 증가됨으로써, 별도의 장치 또는 화학적인 방법을 통하여 실리콘 내에 휘발성 불순물을 제거할 필요가 없어 폴리실리콘 잉곳을 연속적으로 대량으로 제조할 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다.
셋째, 실리콘 용융부가 복수 개이고 용융된 실리콘이 복수 개의 실리콘 용융부를 이동하는 경로를 길게 함으로써, 실리콘 용탕에서 휘발성 불순물이 제거될 수 있는 시간과 공간이 증가하게 되어 정련 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 용융부를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 외측을 나타내는 도면이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 용융부에 유체공급부가 배치된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 5를 위에서 본 모습과 일측에서 본 모습을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 2 실리콘 용융부를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7의 외측을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 7의 A-A선을 따라 절취한 절단면을 나타내는 도면이다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 용융부에 유체공급부가 배치된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 9를 위에서 본 모습과 외측에서 본 모습을 나타내는 도면이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 응고부의 외측을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 13는 도 12의 단면도이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 응고부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는 일방향 응고부에 유체 공급부가 배치된 모습을 나타내는 도면이다.
도 16는 각각 다른 형상을 가지는 2종류의 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16에서 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 측면에서 본 단면도이다.
도 18은 도 16에서 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 정성적으로 나타내는 실험결과표이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 단면도이다.
도 21은 도 1의 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 나타내는 도면이다.
도 22은 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 나타내는 도면이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 원료 공급부, 제 1 연결탕로부 및 제 2 연결탕로부의 배치와 실리콘 용탕의 이동경로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래 폴리실리콘 제조장치와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 실리콘의 정련 장치는 진공챔버(100), 전자총(200), 실리콘 용융부(300) 및 일방향 응고부(400)를 포함한다.
진공챔버(100)는 후술할 실리콘 용탕 내에 불순물이 증발될 수 있도록 내부에 진공 분위기를 유지한다. 상기 진공챔버(100) 내부의 압력은 대략 10-5 torr 일 수 있다.
상기 진공챔버(100)의 상단에는 입자 형태의 실리콘 원료물질이 공급될 수 있는 원료투입부(120)가 설치된다.
상기 원료투입부(120) 내부는 후술할 전자빔에 의한 열에 의해 파손되는 것을 방지하기 위하여 냉각수로가 설치될 수 있다.
또한, 상기 원료투입부(120)는 원료 공급라인(122)과 원료 공급부의 투입구(124)를 포함할 수 있고, 상기 원료 공급부의 투입구(124)는 후술할 실리콘용융부(300)에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치와 각도를 조절할 수 있다.
전자총(Electron-gun)(200)은 상기 진공챔버(100) 내에 설치되며, 복수 개일 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 전자총(200)은 제 1 전자총(210) 및 제 2 전자총(220)을 포함한다.
상기 제 1 전자총(210)은 전자빔이 상기 진공챔버(100) 내부로 조사되도록 상기 진공챔버(100)의 상단에 설치된다.
실리콘 용융부(300)는 상기 제 1전자총(210)에 의한 전자빔이 조사되는 영역에 배치된다. 상기 실리콘 용융부(300)에서는 상기 원료투입부(120)로부터 입자 형태의 실리콘원료가 장입되고, 장입된 상기 실리콘 원료물질은 상기 제 1전자총(210)에 의하여 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융되어 실리콘 용탕(P2)로 형성된다.
한편, 상기 제 1 전자총(210)은 30~35 kWh/cm2의 출력 에너지를 갖도록 제 1 전자빔을 가속 및 집적할 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제 1 전자총(210)는 전자빔에 의해 상기 실리콘 용탕이 외부로 튀는 등 상기 실리콘 용탕의 거동이 불안정해지는 점을 방지하기 위한 출력 에너지를 가질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(300)는 상기 실리콘 용융부 자체 재질에 의하여 발생할 수 있는 불순물의 유입을 차단하기 위하여 구리 재질을 가지는 것이 바람직하다. 또한, 구리 재질을 가지는 실리콘용융부(300)는 전자빔에 의하여 파손되는 것을 방지하기 위하여 냉각 효율을 용이하게 제어할 수 있는 유로부를 포함할 수 있다. 상기 유로부를 포함하는 상기 실리콘 용융부에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
일방향 응고부(400)는 상기 제 2전자총(220)에 의한 제 2전자빔이 조사되는 영역에 배치되며, 상기 실리콘 용융부(300)와 인접하게 된다.
또한, 상기 일방향 응고부(400)는 실리콘 용융부(300)와 마찬가지로 구리 재질을 가질 수 있다.
상기 일방향 응고부(400)는 상기 실리콘 용탕(P2)을 연속적으로 주조함과 동시에 금속 불순물의 편석을 유도하여 실리콘 정련 및 고순도 폴리실리콘 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제 2 전자총(220)은 8~14 kWh/cm2의 출력 에너지를 갖도록 제 2 전자빔을 가속 및 집적할 수 있다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 제 2 전자총(210)는 상기 제 2 전자빔에 용융 상태를 유지하고 전자빔에 의해 상기 실리콘 용탕이 외부로 튀는 등 상기 실리콘 용탕의 거동이 불안정해지는 점을 방지하기 위한 출력 에너지를 가질 수 있다.
연결탕로부(500)는 상기 실리콘 용융부(300)의 제 1 채널부(301)과 상기 일방향 응고부(400)의 제 2 채널부(401)가 서로 접하여 이루어질 수 있고, 상기 연결탕로부(500)는 상기 실리콘 용탕이 상기 실리콘 용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 공급될 수 있는 채널을 제공한다.
상기 연결탕로부(500)는 하면부(501)와 상기 하면부(501)의 양 끝단에서 실질적으로 수직방향으로 연장된 한쌍의 측면부(502)를 포함한다.
이에 따라, 상기 원료 공급부(122)를 통하여 실리콘 원료물질이 공급되는 량만큼 상기 실리콘 용융부(300)에 저장된 실리콘 용탕이 상기 연결탕로부(500)를 통하여 상기 일방향 응고부(400)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부(500)는 상기 하면부(501)에서부터 상부 방향으로 각각 마주보는 상기 측면부(502)의 거리가 넓어질 수 있다. 이에 따라, 상기 연결탕로부(500)을 따라 흐르는 실리콘 용탕에 전자빔이 조사될 수 있어 실리콘 정련 효과를 향상시키고, 상기 연결탕로부(500)의 주변 부분에 전자빔이 조사되는 영역이 줄어들게 되어 상기 연결탕로부(500)의 내구성이 향상될 수 있다.
상기 연결탕로부(500)에 대한 자세한 설명은 이후 도면을 참조하여 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치는 이미 설명한 본 발명의 일 실시예와 유사함으로, 이에 따른 동일한 기능을 갖는 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 실시예와 달리, 실리콘 용융부는 제 1 실리콘 용융부(310) 및 제 2 실리콘 용융부(320)를 포함한다.
제 1 실리콘 용융부(310)는 상기 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되며, 상기 실리콘 원료물질이 장입되어 상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성된다.
또한, 상기 제 1 실리콘 용융부(310)는 제 1 채널부(311)를 갖고, 직육면체 형상을 갖는다.
제 2 실리콘 용융부(320)는 상기 제 1 채널부(311)와 접하는 제 2 채널부(321)를 갖고, 직육면체 형상을 갖는다.
제 1 연결탕로부(510)는 상기 제 1 채널부(311)와 상기 제 2 채널부(321)가 접하여 형성되며, 실리콘 용탕이 상기 제 1 실리콘 용융부(310)에서 상기 제 2 실리콘 용융부(320)로 이동할 수 있는 통로를 제공한다.
일방향 응고부(400)는 상기 제 2 실리콘 용융부(320)로부터 공급되는 실리콘 용탕이 응고될 수 있고, 폴리실리콘 잉곳이 형성되는 공간을 제공한다.
또한, 상기 제 2 실리콘 용융부(320)는 제 3 채널부(322)를 갖고, 상기 일방향 응고부(400)는 제 4 채널부(402)를 갖는다.
제 2 연결탕로부(520)는 상기 제 3 채널부(322)와 상기 제 4 채널부(402)가 서로 접하여 이루어지며, 실리콘 용탕이 상기 제 2 실리콘 용융부(320)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이동할 수 있는 통로를 제공한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 용융부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 외측을 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 실리콘 용융부를 설명하기로 한다.
실리콘 용융부(300)는 상기 실리콘 용융부(300)의 외측에 배치되며, 유체가 흐르는 유로부(340)를 포함한다.
상기 유로부(340)는 제 1 유로부(341)와 제 2 유로부(342)를 포함한다.
상기 제 1 유로부(341)는 복수 개의 슬릿에 의해 형성된 복수의 유로를 가질 수 있다.
즉, 복수 개의 슬릿이 형성된 제 1 유로부(341)는 상기 실리콘 용융부(300) 외측의 표면적을 증가시키는 역할을 수행한다.
따라서, 상기 제 1 유로부(341)에 냉각 유체를 흐르게 할 경우 상기 냉각 유체는 상기 실리콘 용융부(300) 외측과 접촉할 수 있는 면적이 증가하게 되어 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(300)가 장시간 동안 전자빔에 의해 노출된 경우 열에 의한 파손을 방지할 수 있다.
상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)에 연장되고, 상기 복수의 유로가 서로 연결되어 하나의 유로를 형성한다.
상기 실리콘 용융부(300) 외측에 상기 제 1 유로부(341)와 상기 제 2 유로부(342)를 가지도록 하기 위하여 절삭 가공 등을 할 수 있다.
상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)에 연장되어 서로 연결되는 구조를 가짐으로써, 상기 실리콘 용융부(300)의 외측을 상기 제 1 유로부(341)만으로 연장되도록 슬릿을 형성할 필요가 없어 상기 절삭 가공이 손쉬울 수 있다.
한편, 상기 실리콘 용융부(300)는 상기 실리콘 용탕이 이동할 수 있는 채널을 제공하는 채널부(360)를 가진다.
상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)보다 상기 채널부(360)에 가까이 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)가 연결되어 하나의 유로를 형성함으로써, 상기 제 2 유로부(342)는 유로의 폭이 커지게 된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 용융부는 제 1 유로부(341)와 제 2 유로부(342)를 포함하고, 상기 제 2 유로부(342)에 흐르는 유량은 상기 제 1 유로부(341)에 흐르는 유량보다 많을 수 있다.
이에 따라, 제 2 유로부(342)는 냉각 유체의 냉각 속도를 빠르게 하여 상기 채널부(360) 주변의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 실리콘 용융부(300)는 외측에 배치된 복수의 유로부(340)를 가질 수 있다.
상기 복수의 유로부(340) 중 적어도 어느 하나의 유로부(342)의 유로 폭은 나머지 유로부(341)의 유로 폭보다 클 수 있다.
또한, 상기 적어도 어느 하나의 유로부(343)는 상기 실리콘 용융부(300)의 채널부(360)의 주변에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 적어도 어느 하나의 유로부(343)의 유로 폭이 큰 구조를 가짐으로써, 냉각 유체의 냉각 속도를 빠르게 하여 상기 채널부(360) 주변의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
이에 따라, 상기 적어도 어느 하나의 유로부(343)의 유로 폭이 상기 채널부(360) 주변에 배치됨으로써, 전자빔이 직접 조사될 수 있는 상기 실리콘 용융부(300)의 채널부(360)가 열의 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 용융부에 유체공급부가 배치된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5를 위에서 본 모습과 일측에서 본 모습을 나타내는 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 유로부에 유체가 공급되는 위치를 설명하기로 한다.
상기 유로부에 유체를 공급하는 유체 공급부(370)를 더 포함할 수 있다.
상기 유체 공급부(370)는 상기 실리콘 용융부(300)의 외측 에 설치되며, 상기 제 2 유로부(342)에 유체를 공급할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 실리콘 용융부(300)는 각 외측에 배치된 각각의 유로부(340)를 포함하고, 상기 인접한 외측에 배치된 유로부들은 상기 실리콘 용융부(300)의 내부를 관통하여 서로 공간적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 유로부(340)들 간에 관통되는 영역은 상기 실리콘 용융부(300)의 모서리부일 수 있다.
한편, 냉각 유체를 공급하는 유체 공급부(370)는 상기 실리콘 용융부(300)의 각 외측에서 각각 설치될 수도 있으나, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘 용융부(300)의 각각 외측에 배치된 유로부(340)는 공간적으로 연결되어 하나의 유체 공급부(370)를 통하여 실리콘 용융부(300)를 냉각시킬 수 있는 구조를 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 유체 공급부(370)를 통하여 냉각 유체의 공급량을 제어하기 손쉽고, 실리콘 용융부(300)를 냉각하는 구조가 단순하게 하여 유지, 관리가 용이할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제 2 실리콘 용융부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7의 외측을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 실리콘 용융부에 배치된 유로부를 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이, 상기 실리콘 용융부(300)는 상기 제 1 실리콘 용융부(310)와 상기 제 2 실리콘 용융부(320)를 포함한다.
도 7에 도시된 제 2 실리콘 용융부(320)는 제 1 연결탕로부(510)와 제 2 연결탕로부(520)를 포함하기 때문에 전술한 상기 제 2 실리콘 용융부(320)의 외측 중 제 1 연결탕로부(510)가 포함되는 외측의 구조가 상기 실리콘 용융부(300)와 차이가 있으나, 복수 개의 유로를 형성하는 제 1 유로부(341)와 상기 제 1 유로부(341)에 연장되어 상기 제 2 유로부(342)가 연결되는 구조는 유사하다.
도 9는 도 7의 A-A선을 따라 절취한 절단면을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 제 2 실리콘 용융부(320)의 제 2 채널부(321) 또는 제 3 채널부(322)의 주변에 상기 제 1 유로부(341)의 유로 폭보다 큰 제 2 유로부(344)가 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 유로부(344)에 냉각 유체를 공급할 경우 상기 제 2 채널부(321) 또는 상기 제 3 채널부(322)의 주변을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 용융부에 유체공급부가 배치된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 11은 도 10을 위에서 본 모습과 외측에서 본 모습을 나타내는 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 유체 공급부(351)는 상기 제 1 연결탕로부(510)와 상기 제 2 연결탕로부(520)가 배치되지 않은 모서리부의 상부에 배치될 수 있다.
상기 유체 공급부(370)에 공급된 냉각 유체는 상기 제 2 실리콘 용융부(320)의 외측에서 유로부(340)를 따라 흐르게 되어 장시간의 냉각효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각 유체는 상기 제 2 실리콘 용융부(320)의 공급된 외측을 모두 흐른 경우 상기 제 2 실리콘 용융부(320)의 모서리부에 상기 유로부들 간에 관통되는 영역을 통하여 인접한 외측의 유로부로 이동하게 된다.
상기 냉각 유체는 상기 실리콘 용융부의 주변부(360)의 유로부(340)를 모두 통과한 후 상기 실리콘 용융부의 하면부에 설치된 유로부를 통과한 후 유체배출부(380)를 통하여 상기 냉각 유체는 외부로 배출될 수 있다.
다시 도 6을 참조하여 본 발명의 또 다른 측면에 따른 제 1 유로부와 제 2 유로부의 위치를 보다 자세히 설명하도록 한다.
상기 실리콘 용융부(300)는 상기 실리콘 용탕의 저장공간을 형성하는 중심부(361)와 상기 중심부(361)를 구획하는 주변부(362) 및 상기 주변부(362) 상부에 형성된 채널부(360)를 포함한다.
상기 제 1 유로부(341)는 상기 실리콘 용융부(300)의 중심부(361)와 대응되어 배치될 수 있다.
상기 제 2 유로부(342)는 상기 실리콘 용융부(300)의 주변부(362)와 대응되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로부(343)는 상기 채널부(360)와 인접하여 배치될 수 있다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 응고부의 외측을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 13는 도 12의 단면도이고, 도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 응고부를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일방향 응고부(400)는 외측에 배치된 복수의 냉각유로부(440)를 가질 수 있다.
상기 일방향 응고부(400)는 복수의 냉각유로부(440)를 가짐으로써, 상기 일방향 응고부(400)의 외측의 표면적을 증가시키게 되어 연속적으로 진행되는 실리콘의 정련 과정에서 장시간의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 복수의 냉각유로부(440)는 상기 일방향 응고부(400)의 외측에 복수의 슬릿에 의해 형성되며, 상기 복수의 냉각유로부(440) 중 적어도 어느 하나의 냉각유로부(450)의 유로 폭은 나머지 유로 폭보다 클 수 있다.
또한 상기 적어도 어느 하나의 냉각유로부(450)는 상기 일방향 응고부의 외측 상부에 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 일방향 응고부(400)는 외측에 설치된 유체가 흐르는 제 1 냉각유로부(450)와 제 2 냉각유로부(440)를 포함하고, 상기 제 1 냉각유로부(450)에 흐르는 유체의 유량은 상기 제 2 냉각유로부(440)에 흐르는 유체의 유량보다 많을 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각유로부(450)는 상기 일방향 응고부(400)의 외측 상부에 배치될 수 있다.
따라서, 상기 제 1 냉각유로부(450)는 전자빔이 직접적으로 노출될 수 있는 상기 일방향 응고부(400)의 외측 상부에 배치됨으로써, 상기 제 2 냉각유로부(440)보다 많은 유체를 제 1 냉각유로부(450)에 흐를 수 있게 되어 상기 일방향 응고부(400)의 외측 상부의 냉각 속도를 향상시킬 수 있다.
도 15는 일방향 응고부에 유체 공급부가 배치된 모습을 나타내는 도면이다.
상기 일방향 응고부(400)는 상기 일방향 응고부(400)의 중심을 기준으로 상측의 냉각유로부(440)에 연결되는 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 일방향 응고부(400)의 중심을 기준으로 하측의 냉각유로부(440)에 연결되는 제 2 냉각유체공급부(472)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)는 도면에 도시되지 않았지만, 하나의 냉각기(Chiller)에 의해 제어될 수 있다.
이에 따라, 상기 하나의 냉각기를 통하여 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)에 공급되는 유체를 제어함으로써, 설치 및 유지비용을 절감할 수 있다.
한편, 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)에 공급되는 유체는 복수 개의 냉각기에 의해 유체의 유량을 제어될 수 있다.
이에 따라, 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472)에 공급되는 유체의 유량을 개별적으로 제어함으로써, 상기 상측의 냉각유로부(440) 및 상기 하측의 냉각유로부(440)의 유체의 온도가 개별적으로 제어되어 냉각효율을 높일 수 있다.
이와 같이, 상기 일방향 응고부(400)는 상기 제 1 냉각유체공급부(471)와 상기 제 2 냉각유체공급부(472) 각각을 통하여 유체가 공급됨으로써, 유체가 공급되어 배출되는 시간과 경로를 줄이게 되어 냉각효율을 높일 수 있다.
한편, 도면에 도시되지 않았지만, 상기 일방향 응고부(400)는 상기 일방향 응고부(400)에 설치된 흑연 더미바를 냉각시킬 수 있는 제 3 냉각유체공급부를 포함할 수 있다.
도 16 내지 도 18을 참조하여 연결탕로부를 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 16는 각각 다른 형상을 가지는 2종류의 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 16의 (a)에 도시된 연결탕로부(500a)의 하면부가 평탄하고, 서로 마주보는 측면부는 평행하다.
즉, 상기 연결탕로부(500a)는 상기 실리콘 용탕이 상기 실리콘용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이송되는 방향에 따라 하면부의 단면적이 일정하다.
도 16의 (b)에 도시된 본 발명의 일 측면에 따른 연결탕로부(500b)는 상기 실리콘 용탕(P2)이 상기 실리콘용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이송되는 방향에 따라 하면부의 단면적이 작아지는 형상을 가진다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 연결탕로부(500b)의 채널의 폭은 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 좁아질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 연결탕로부(500b)는 하면부의 단면적이 작아지는 형상만으로 한정되지 않고, 상기 연결탕로부(500b)의 채널의 폭이 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 좁아질 수 있게 됨으로써, 상기 실리콘 용탕이 상기 연결탕로부(500b)에 존재할 수 있는 시간을 확보할 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부(500b)의 하면부는 평탄하다.
도 17은 도 16에서 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 측면에서 본 단면도이다.
즉, 도 17은 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘의 정련장치를 이용하여 도 16에 도시된 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 비교하기 위한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 17의 (a)는 도 16의 (a)에 따른 연결탕로부의 단면을 나타내는 도면이다. 도 17의 (a)에 도시된 바와 같이, 이송되는 방향에 따라 실리콘 용탕의 양이 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 17의 (b)는 도 16의 (b)에 따른 연결탕로부의 단면을 나타내는 도면이다. 도 17의 (b)에 도시된 바와 같이, 이송되는 방향에 따라 실리콘 용탕의 양이 비교적 균일한 것을 알 수 있다.
도 18은 도 16에서 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 정량적으로 나타내는 실험결과표이다.
도 18에 도시된 2종류의 연결탕로부에 대한 실험결과를 비교하면, 본 발명의 일 측면에 따른 연결탕로부(500b)에 유지되는 실리콘 용탕의 두께의 평균적인 값이 가장 크고, 상기 실리콘 용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 공급되는 방향을 따라 상기 연결탕로부(500b)의 하면부를 덮고 있는 실리콘의 용탕의 두께가 가장 균일한 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 도 15의 (b)에 도시된 연결탕로부(500b)는 일정량의 실리콘 용탕이 상기 연결탕로부(500b) 상에 유지되게 함으로써, 전자빔이 상기 연결탕로부(500b)에 직접 주사되는 것을 막을 수 있게 되어 실리콘 용융부 및 일방향 응고부의 상단부가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 도 16의 (b)에 도시된 연결탕로부(500b)의 구조는 폴리실리콘의 잉곳을 제조하기 위하여 정련 장치의 내구성을 향상시켜 연속적으로 실리콘을 정련할 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 19에 도시된 연결탕로부(500c)는 상기 실리콘 용탕이 상기 실리콘 용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이송되는 방향에 따라 상기 하면부 일면의 기울기가 수평방향을 기준으로 증가하는 형상을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 실리콘 용탕은 상기 실리콘 용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이송되는 경우 도 19에 도시된 연결탕로부(500c)에 상기 실리콘 용탕이 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부(500c)는 일정량의 실리콘 용탕이 상기 연결탕로부(500c) 상에 유지되게 함으로써, 전자빔이 상기 연결탕로부(500c)에 직접 주사되는 것을 막을 수 있게 되어 실리콘 용융부 및 일방향 응고부의 상단부가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부의 하면부는 실리콘 용탕이 이송되는 방향으로 단면적이 작아지며 동시에 하면부 일면의 기울기가 증가하는 형상을 가질 수 있다.
이에 따라, 상기 실리콘 용탕의 이송량이 적은 경우에도 연결탕로부에 실리콘 용탕이 유지될 수 있게 되어 연결탕로부가 전자빔에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 단면도이다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 달리, 실리콘의 정련 장치에 적용되는 연결탕로부(530)의 하면부는 일정한 곡률을 가지는 곡면부(560)를 가질 수 있다.
이에 따라, 실리콘 용탕은 실리콘 용탕의 표면장력으로 인하여 상기 실리콘 용융부(300)에서 상기 일방향 응고부(400)로 원활히 공급되지 않는 것을 방지할 수 있다.
도 21은 도 1의 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 나타내는 도면이다.
도 21를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정련장치에 적용되는 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 살펴보기로 한다.
상기 원료 공급부(120)에서 실리콘 원료물질이 상기 실리콘 용융부(300)에 공급된다. 상기 실리콘 용융부(300)에 공급된 실리콘 원료물질은 도 1에 도시된 제 1 전자총(210)에 의해 용융되어 실리콘 용탕이 형성된다.
실리콘 용탕 내에 존재하는 비금속 불순물도 용융되어 휘발성 상태에 이른다. 휘발성 불순물은 실리콘에 비해 증기압이 높아 진공 정련을 통하여 제거될 수 있다.
상기 연결탕로부(500)의 중심축은 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 중심축과 다른 위치에 있을 수 있다.
상기 실리콘 용탕은 상기 실리콘 용융부(300) 내에서 다양한 이동경로를 통하여 움직일 수 있다. 다만, 상기 연결탕로부(500)의 중심축이 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 중심축과 동일한 경우 실리콘 용탕이 직선 경로를 이동할 수 있으므로, 이러한 실리콘 용탕의 배치는 정련 시간을 충분히 확보하지 못할 수 있다.
상기 연결탕로부(500)의 중심축이 연장된 제 1 가상선(L1)은 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 중심축이 연장된 제 2 가상선(L2)와 실질적으로 평행할 수 있다.
또한, 상기 제 1 가상선(L1)과 상기 제 2 가상선(L2)은 상기 제 1 실리콘 용융부(300) 내에서 최대로 이격될 수 있다.
즉, 상기 연결탕로부(500)의 중심축이 연장된 제 1 가상선(L1)은 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 중심축이 연장된 제 2 가상선(L2)와 실질적으로 평행하며, 상기 제 1 가상선(L1)과 상기 제 2 가상선(L2)은 상기 제 1 실리콘 용융부(300) 내에서 최대로 이격되도록 상기 연결탕로부(500)와 상기 원료 공급부의 투입구(124)가 배치될 수 있다.
이러한 상기 연결탕로부(500)와 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 배치는 상기 실리콘 용융부(300) 내에서 실리콘 용탕이 이동하는 경로가 길어질 수 있고, 상기 실리콘 용탕에 존재하는 휘발성 불순물이 진공 정련될 수 있는 시간과 공간을 확보할 수 있게 되어 실리콘의 정련 효율을 향상시킬 수 있다.
도 22은 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 나타내는 도면이다.
상기 실리콘 용융부(300)는 직육면체 형상을 가질 수 있다. 다만, 직육면체 형상에 제한되지 않고, 실리콘 용탕을 저장할 수 있는 형상은 적용할 수 있다.
상기 연결탕로부의 중심축이 연장된 제 1 가상선(L1)은 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 중심축이 연장된 제 2 가상선(L2)과 실질적으로 수직할 수 있다.
즉, 상기 연결탕로부의 중심축이 연장된 제 1 가상선(L1)은 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 중심축이 연장된 제 2 가상선(L2)과 실질적으로 수직하도록 상기 연결탕로부(501)와 상기 원료 공급부의 투입구(124)가 배치될 수 있다.
이러한 상기 연결탕로부(501)와 상기 원료 공급부의 투입구(124)의 배치는 상기 실리콘 용융부(300) 내에서 실리콘 용탕이 이동하는 경로가 길어질 수 있고, 상기 실리콘 용탕에 존재하는 휘발성 불순물이 진공 정련될 수 있는 시간과 공간을 확보할 수 있게 되어 실리콘의 정련 효율을 향상시킬 수 있다.
도 23은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 원료 공급부 및 연결탕로부의 배치를 나타내는 도면이다.
상기 제 1 채널부(301)는 상기 실리콘 용융부(300)의 모서리부에 위치할 수 있다.
상기 원료 공급부의 투입구(124)는 상기 실리콘 용융부(300)에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치에서 용융되어 상기 연결탕로부(501)로 이동하는 경로가 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부(300) 상부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 원료 공급부의 투입구(124)는 상기 제 1 채널부(301)와 상기 원료 공급부의 투입구(124)를 연결하는 직선(L3)이 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부(300) 상부에 배치될 수 있다.
따라서, 상기 원료 공급부의 투입구(124)와 상기 제 1 채널부(301)는 상기 실리콘 용융부(300) 내에서 가장 최대로 이격되는 배치를 가질 수 있다.
상기 직선(L3)이 최대의 길이를 가지도록 상기 원료 공급부의 투입구(124)가 상기 실리콘 용융부(300) 상부에 배치됨으로써, 상기 실리콘 용탕이 상기 실리콘 용융부(300) 내에서 존재할 수 있는 시간과 공간을 확보하게 되어 실리콘의 정련 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 이용하여 폴리실리콘 잉곳을 연속적으로 제조할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 원료 공급부, 제 1 연결탕로부 및 제 2 연결탕로부의 배치와 실리콘 용탕의 이동경로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 24를 참조하여 도 2에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원료 공급부, 제 1 연결탕로부 및 제 2 연결탕로부의 배치를 보다 자세하게 설명하기로 한다.
상기 제 3 채널부(322)는 상기 제 2 실리콘 용융부(320)의 모서리부에 위치할 수 있다.
상기 제 1 연결탕로부(510)는 상기 실리콘 용탕이 상기 제 2 연결탕로부(520)로 이동하는 경로가 가장 최대가 되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 채널부(321)는 상기 제 2 채널부(321)와 상기 제 3 채널부(322)를 연결하는 직선(L3)이 최대가 되도록 상기 제 2 실리콘 용융부(320) 상부에 배치될 수 있다.
이러한 상기 제 1 연결탕로부(510)와 상기 제 2 연결탕로부(520)의 배치는 상기 제 2 실리콘 용융부(200) 내에서 실리콘 용탕이 이동하는 경로가 길어질 수 있고, 상기 실리콘 용탕에 존재하는 휘발성 불순물이 진공 정련될 수 있는 시간과 공간을 확보할 수 있게 되어 실리콘의 정련 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제 1 채널부(311)는 상기 제 1 실리콘 용융부(300)의 모서리부에 위치할 수 있다.
상기 원료 공급부의 투입구(124)는 상기 제 1 실리콘 용융부(310)에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치에서 용융되어 상기 제 1 연결탕로부(510)로 이동하는 경로가 최대가 되도록 배치될 수 있다.
상기 원료 공급부의 투입구(124)는 상기 제 1 채널부(311)와 상기 원료 공급부의 투입구(124)를 연결하는 직선(L4)이 가장 최대가 되도록 상기 제 1 실리콘 용융부(310) 상부에 배치될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 폴리실리콘 잉곳 제조를 위한 실리콘 정련 장치는 실리콘 용융부가 복수 개이고 복수 개의 실리콘 용융부를 연결하는 제 1 연결탕로부(510)를 통하여 실리콘 용탕이 이동시 실리콘 용탕의 이동하는 경로가 도시된 화살표에서 나타나는 것처럼 제 1 실리콘 용융부(310)와 제 2 실리콘 용융부(320) 내에서 최대가 됨을 알 수 있다.
이러한 원료 공급부(120), 제 1 연결탕로부(510) 및 제 2 연결탕로부(520)의 배치를 통하여 실리콘 용탕 내에 휘발성 불순물이 제거될 수 있는 시간과 공간이 충분히 확보할 수 있게 되어 실리콘 정련 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 종래 기술에 따른 폴리실리콘 잉곳을 회분 방식으로 1회씩 생산하는 것과 달리, 본 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 이용하여 폴리실리콘 잉곳을 연속적으로 제조할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 진공챔버
200: 전자총
300: 실리콘 용융부
310: 제 1 실리콘 용융부
320: 제 2 실리콘 용융부
400; 일방향 응고부
500: 연결탕로부
510: 제 1 연결탕로부
520: 제 2 연결탕로부

Claims (23)

  1. 진공 분위기를 유지하는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에 구비되어 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun);
    상기 진공챔버 내에 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부;
    상기 전자빔이 조사되는 영역 내에 배치되며, 상기 실리콘 원료물질이 장입되어 상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘용탕이 형성되는 실리콘 용융부;
    상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘용탕을 응고시키는 일방향 응고부; 및
    상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부를 포함하고,
    상기 연결탕로부의 중심축은 상기 원료 공급부의 투입구의 중심축과 다른 위치에 있는 실리콘의 정련 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연결탕로부의 중심축이 연장된 제 1 가상선은 상기 원료 공급부의 투입구의 중심축이 연장된 제 2 가상선과 평행한 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 가상선과 상기 제 2 가상선은 상기 제 1 실리콘 용융부 내에서 최대로 이격되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고,
    상기 연결탕로부의 중심축이 연장된 제 1 가상선은 상기 원료공급부의 중심축이 연장된 제 2 가상선과 수직한 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 1 가상선과 상기 제 2 가상선의 수직점이 상기 실리콘 용융부의 모서리부에 최대로 인접되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연결탕로부는 하면부와 상기 하면부의 양 끝단에서 실질적으로 수직방향으로 연장된 한쌍의 측면부를 포함하고, 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 상기 하면부의 단면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  7. 일단에 제 1 채널부를 갖는 실리콘 용융부;
    상기 제 1 채널부와 접하여 연결탕로부를 형성하는 제 2 채널부를 갖는 일방향 응고부; 및
    상기 실리콘 용융부에 실리콘 원료물질을 이송하는 원료 공급부를 포함하고,
    상기 원료 공급부의 투입구는 상기 실리콘 용융부에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치에서 용융되어 상기 연결탕로부로 이동하는 경로가 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고,
    상기 제 1 채널부는 상기 실리콘 용융부의 모서리부에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 원료 공급부의 투입구는 상기 제 1 채널부와 상기 원료 공급부의 투입구를 연결하는 직선이 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 연결탕로부는 상기 제 1 채널부와 상기 제 2 채널부로 이루어진 채널의 폭이 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 좁아지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부 또는 상기 일방향 응고부는
    구리 재질을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  12. 제 7항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부는 외측에 배치되며, 유체가 흐르는 유로부를 포함하고,
    상기 유로부는
    복수 개의 슬릿에 의해 형성된 복수의 유로를 포함하는 제 1 유로부와
    상기 제 1 유로부에 연장되고, 상기 복수의 유로가 서로 연결되어 하나의 유로를 형성하는 제 2 유로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  13. 제 7항에 있어서,
    상기 일방향 응고부는 외측에 설치된 유체가 흐르는 제 1 냉각유로부와 제 2 냉각유로부를 포함하고,
    상기 제 1 냉각유로부에 흐르는 유체의 유량은 상기 제 2 냉각유로부에 흐르는 유체의 유량보다 많은 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  14. 실리콘 용탕이 저장되는 제 1 실리콘 용융부;
    상기 제 1 실리콘 용융부는 제 1 채널부를 갖고, 상기 제 1 채널부와 접하여 제 1 연결탕로부를 형성하는 제 2 채널부를 갖는 제 2 실리콘 용융부; 및
    상기 제 2 실리콘 용융부는 제 3 채널부를 갖고, 상기 제 3 채널부와 접하여 제 2 연결탕로부를 형성하는 제 4 채널부를 갖는 일방향 응고부를 포함하고,
    상기 제 1 연결탕로부는 상기 실리콘용탕이 상기 제 2 연결탕로부로 이동하는 경로가 가장 최대가 되도록 배치되는 실리콘의 정련 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고,
    상기 제 3 채널부는 상기 제 2 실리콘 용융부의 모서리부에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2 채널부는 상기 제 2 채널부와 상기 제 3 채널부를 연결하는 직선이 가장 최대가 되도록 상기 제 2 실리콘 용융부 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  17. 제 14항에 있어서,
    상기 원료 공급부의 투입구는 상기 제 1 실리콘 용융부에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치에서 용융되어 상기 제 1 연결탕로부로 이동하는 경로가 최대로 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 제 1 실리콘 용융부는 직육면체 형상을 갖고,
    상기 제 1 채널부는 상기 제 1 실리콘 용융부의 모서리부에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 원료 공급부의 투입구는 상기 제 1 채널부와 상기 원료 공급부의 투입구를 연결하는 직선이 가장 최대가 되도록 상기 실리콘 용융부 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  20. 제 14항에 있어서,
    상기 제 1 연결탕로부는 상기 제 1 채널부와 상기 제 2 채널부로 이루어진 채널 또는 상기 제 2 연결탕로부는 상기 제 3 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 4채널부로 이루어진 채널의 폭이 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 좁아지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  21. 제 14항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부는 각 외측에 배치된 각각의 유로부를 포함하고,
    상기 인접한 외측에 배치된 유로부들은 상기 실리콘 용융부의 내부를 관통하여 서로 공간적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련장치.
  22. 제 14항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부는 외측에 배치된 복수의 유로부를 갖고,
    상기 복수의 유로부 중 적어도 어느 하나의 유로부의 유로 폭은 나머지 유로부의 유로 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  23. 제 14항에 있어서,
    상기 일방향 응고부는 외측에 배치된 복수의 냉각유로부를 갖고,
    상기 복수의 냉각유로부 중 적어도 어느 하나의 냉각유로부의 유로 폭은 나머지 유로 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
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