KR20140115065A - 실리콘의 정련 장치 - Google Patents

실리콘의 정련 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20140115065A
KR20140115065A KR1020130029663A KR20130029663A KR20140115065A KR 20140115065 A KR20140115065 A KR 20140115065A KR 1020130029663 A KR1020130029663 A KR 1020130029663A KR 20130029663 A KR20130029663 A KR 20130029663A KR 20140115065 A KR20140115065 A KR 20140115065A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon
flow path
silicon melt
partition wall
melt
Prior art date
Application number
KR1020130029663A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101483695B1 (ko
Inventor
안영수
이진석
장보윤
김준수
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR20130029663A priority Critical patent/KR101483695B1/ko
Publication of KR20140115065A publication Critical patent/KR20140115065A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101483695B1 publication Critical patent/KR101483695B1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • 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
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • 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
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C30B15/16—Heating of the melt or the crystallised materials by irradiation or electric discharge

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

실리콘의 정련 장치가 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치는 실리콘 용탕이 저장되며, 상부가 개방된 실리콘 용융부 및 상기 실리콘 용융부 내측에서 연장되어 내부에 유로를 형성하는 하나 이상의 격벽을 포함한다.

Description

실리콘의 정련 장치{Apparatus for Refining Silicon}
본 출원은 실리콘 정련 장치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 전자 빔 용융((Electron-beam melting)법을 기반으로 하여 실리콘 주조를 행함에 있어, 진공 휘발정련 기술을 이용함으로써 정련 효과를 향상시킬 수 있는 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 전지를 통해 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 공정의 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, 생산효율을 떨어뜨리며, 또한 생산 단가를 높이는 것으로 알려져 있다.
이에 따라, 낮은 제조 비용으로 태양전지를 구성하는 고순도의 실리콘을 대량 생산할 수 있는 야금학적 정련공정(Metallurgical Refining Process)이 활발히 개발되고 있다.
이 야금학적 정련공정은 저가/저품위의 급속급 실리콘 분말뿐 아니라 최근에는 폐/불량 태양전지, 공정 스크랩 등을 이용해서도 고순도 폴리실리콘을 제조하기 때문에 기술의 중요성은 더욱 부각되고 있다
태양전지용 다결정 실리콘 잉곳의 제조는 기본적으로 방향성 응고를 특징으로 하고 있다.
방향성 응고 공정이란, 도가니 속에 실리콘 입자를 충진하여 이를 1420℃ 이상에서 용융시킨 후 실리콘의 응고열을 도가니 하부 쪽의 일정방향으로 제거하면, 고화가 도가니하부로부터 상부 쪽으로 퍼져나가는 공정을 말한다.
이러한, 방향성 응고공정을 통해 고액계면의 층 분리를 형성하고 불순물을 액상 쪽으로 유도하여 불순물을 잉곳의 상부방향으로 포집할 수 있다.
고순도의 태양광 발전용 실리콘의 야금학적 정련법으로는 진공 정련법, 산화 처리법, 일방향 응고 정련법 등의 대표적인 공정이 개발되어 있다.
이들 야금학적 정련법들 중에서 특히, 일방향 응고 정련법과 진공 정련법 등과 같은 금속 용융법에 의한 실리콘 제조 기술은 특성 제어가 용이하고, 조업중 불순물에 의한 오염이 적어 활발한 연구가 진행되고 있다.
여기서, 일방향 응고 정련법이란 실리콘이 액체에서 고체로 상 변이 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.
또한, 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.
그러나, 이러한 진공 정련법의 경우 실리콘 용탕의 이동경로가 길지 않아 상기의 비금속 불순물이 충분히 제거될 수 있는 반응면적이 부족한 문제점이 있었다.
한국등록특허 제 10-2011-0050371 호 한국공개특허 제 10-2011-0120617 호
따라서, 본 출원은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양전지용 폴리실리콘 잉곳을 연속적으로 대량 생산할 수 있는 시스템을 효율적으로 구성함으로써, 실리콘 내의 휘발성 불순물이 충분히 진공 정련 될 수 있는 반응시간과 공간을 확보하여 실리콘 정련효율을 높이도록 하는 실리콘 정련 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 용탕이 저장되며, 상부가 개방된 실리콘 용융부 및 상기 실리콘 용융부 내측에서 연장되어 내부에 유로를 형성하는 하나 이상의 격벽을 포함하는 실리콘의 정련 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 격벽은 복수 개로 이루어지고, 상기 복수 개의 격벽은 서로 평행한 방향을 향할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 진공 분위기를 유지하는 진공 챔버, 상기 진공 챔버에 구비되며, 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun), 상기 진공 챔버 내에 구비되며, 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부, 상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성되는 실리콘 용융부, 상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부, 상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부 및 상기 실리콘 용융부 내에서 상기 실리콘 용탕의 이동경로를 변경시키는 하나 이상의 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부는 하면부와 상기 하면부의 양 끝 단에서 실질적으로 수직방향으로 연장된 한쌍의 측면부를 포함하고, 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 상기 하면부의 단면적이 작아질 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부의 하면부는 상기 실리콘 용탕이 상기 일방향 응고부로 공급되는 동안 상기 실리콘 용탕으로 덮어져 유지될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부, 상기 일방향 응고부 또는 격벽부는 구리 재질을 가질 수 있다.
또한, 상기 격벽부는 상기 실리콘 용융부 또는 상기 일방향 응고부와 다른 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 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 유로부는 상기 격벽 내부와 공간적으로 연결될 수 있다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 실리콘 원료물질을 실리콘 용융부에 공급하고 전자빔을 조사하여 먼저 실리콘을 용융시킨 뒤, 실리콘 용탕이 일방향 응고부로 공급되기 전에 실리콘 용탕의 이동경로를 길게 함으로써, 실리콘 용탕 내에 휘발성 불순물이 제거될 수 있는 반응시간과 공간을 증대시켜 진공 정련 효과를 향상시킬 수 있다.
둘째, 용융된 실리콘이 실리콘 용융부 내에서 정련 효과가 향상됨으로써, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 실리콘 용탕의 이동경로를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 실리콘 용융부를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3의 외측을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3의 A-A선을 따라 절취한 절단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 격벽의 내부를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 용융부에 유체공급부가 배치된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 8은 도 7을 위에서 본 모습과 외측에서 본 모습을 나타내는 도면이다.
도 9는 각각 다른 형상을 가지는 2종류의 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 9에 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 측면에서 본 단면도이다.
도 11은 도 9에서 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 정성적으로 나타내는 실험결과표이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 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 진공 챔버(100), 전자총(200), 실리콘 용융부(390) 및 일방향 응고부(400)를 포함한다.
진공 챔버(100)는 후술할 실리콘 용탕 내에 불순물이 증발될 수 있도록 내부에 진공 분위기를 유지한다. 상기 진공 챔버(100) 내부의 압력은 대략 10-5 torr 일 수 있다.
상기 진공 챔버(100)의 상단에는 입자 형태의 실리콘 원료물질이 공급될 수 있는 원료투입부(120)가 설치된다.
상기 원료투입부(120) 내부에는 후술할 전자빔의 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 실리콘 용융부(390)에 실리콘 원료물질이 공급되는 위치와 각도를 조절할 수 있다.
전자총(Electron-gun)(200)은 상기 진공 챔버(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 진공 챔버(100) 내부로 조사되도록 상기 진공 챔버(100)의 상단에 설치된다.
실리콘 용융부(390)는 상기 제 1 전자총(210)에 의한 전자 빔이 조사되는 영역에 배치된다.
상기 실리콘 용융부(390)에는 상기 원료투입부(120)로부터 입자 형태의 실리콘 원료물질이 장입될 수 있다.
한편, 상기 원료투입부(120)는 상기 메인 챔버(100) 상단에서부터 상기 실리콘 용융부(390) 사이의 경사를 조절함으로써, 상기 실리콘 원료물질의 공급량을 조절할 수도 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(390)는 전자빔이 조사될 수 있도록 상부가 개방된 형태로 이루어진다.
이에 따라, 상기 실리콘 용융부(390)에 장입 된 상기 실리콘 원료물질은 상기 제 1 전자총(210)에서 가속, 집적된 전자빔에 의해 용융되어 실리콘 용탕(M)으로 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)은 전자 빔에 의해 상기 실리콘 용탕(M)이 외부로 튀는 등 상기 실리콘 용탕의 거동이 불안정해지는 점을 방지하기 위한 출력 에너지를 가질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(390)는 자체 재질에 의하여 발생할 수 있는 불순물이 실리콘 용탕에 유입되는 것을 방지하기 위하여 구리 재질을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 구리 재질을 가지는 실리콘용융부(390)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 2 전자 빔이 조사되는 영역에 배치되며, 상기 실리콘 용융부(390)와 인접하게 된다.
또한, 상기 일방향 응고부(400)는 상기 실리콘 용융부(390)와 마찬가지로 구리 재질을 가질 수 있다.
이러한, 일방향 응고부(400)는 상기 실리콘 용탕(M)을 이용하여 잉곳을 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, 상기 제 1 전자총(210)과 마찬가지로 상기 제 2 전자총(220) 또한, 전자빔에 의해 상기 실리콘 용탕(M)이 외부로 튀는 등 상기 실리콘 용탕의 거동이 불안정해지는 점을 방지하기 위한 출력 에너지를 가질 수 있다.
연결탕로부(500)는 상기 실리콘 용융부(390)의 제 1 채널부(391)와 상기 일방향 응고부(400)의 제 2 채널부(401)가 서로 접하여 이루어질 수 있고, 상기 연결탕로부(500)는 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 실리콘 용융부(390)에서 상기 일방향 응고부(400)로 공급될 수 있는 채널을 제공한다.
상기 연결탕로부(500)는 하면부(501)와 상기 하면부(501)의 양 끝 단에서 실질적으로 수직방향으로 연장된 한 쌍의 측면부(502)를 포함한다.
이에 따라, 상기 원료 공급부(122)를 통하여 실리콘 원료물질이 공급되어 용융된 실리콘 용탕의 량만큼 상기 실리콘 용융부(390)에 저장된 실리콘 용탕(M)이 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)를 따라 흐르는 실리콘 용탕에 전자빔이 조사될 수 있어 실리콘 정련 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 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.
격벽(395)은 상기 실리콘 용융부(390) 내측에서 연장되어 내부에 유로를 형성할 수 있다.
상기 격벽(395)은 상기 실리콘 용융부(390)의 내 측면과 평행한 방향으로 연장되며, 상기 격벽(395)이 상기 실리콘 용융부(390)의 연장된 면과 마주하는 면 사이에 유로가 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 격벽(395)의 일단과 상기 실리콘 용융부(390) 사이에 유로가 형성되어 상기 격벽(395)의 길이방향을 따라 이동하는 상기 실리콘 용탕(M)의 이동 방향을 변경시킬 수 있다.
상기 격벽(395)은 복수 개로 이루어질 수 있고, 상기 복수 개의 격벽(395)은 서로 평행한 방향을 향할 수 있다.
이에 따라, 상기 실리콘 용융부(390) 내의 복수 개의 격벽(395)이 서로 평행한 방향을 향하게 됨으로써, 상기 격벽(395)을 실리콘 용융부(390) 내에 용이하게 설치할 수 있다.
상기 격벽(395)의 일단이 향하는 방향은 인접하는 격벽(395)의 일단과 반대방향일 수 있다. 이에 따라, 실리콘 용융부(390) 내에서 유체가 이동하는 방향을 계속적으로 변경시킬 수 있다.
즉, 상기 복수 개의 격벽(395)은 상기 실리콘 용융부(390) 내의 유로를 지그재그 형태로 형성시킬 수 있다.
한편, 상기 격벽(395)은 실리콘 용융부(390)와 동일 혹은 유사한 재질로 이루어져, 상기 실리콘 용융부(390)와 일체로 제작될 수 있고 별도로 제작되어 용접방식으로 상기 실리콘 용융부(390)와 결합될 수 있다.
또한, 상기 격벽(395)의 재질은 이에 한정되지 않고, 상기 실리콘 용융부(390)또는 상기 일방향 응고부(400)와는 다른 재질인 고융점 세라믹스로 이루어져 상기 격벽(395) 내부에 별도의 냉각채널을 필요로 하지 않을 수 있다.
이에 따라 상기 격벽(395)과 상기 실리콘 용융부(390)는 볼트 방식으로도 결합될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘의 정련 장치는 실리콘 용융부(390) 내에 복수 개의 격벽이 설치됨으로써, 상기 실리콘 용탕(M)의 이동경로를 길게 하여 상기 실리콘 용탕(M) 내의 휘발성 불순물이 제거될 수 있는 시간을 충분히 확보할 수 있게 한다.
도 2는 도 1에서 실리콘 용탕의 이동경로를 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이, 상기 원료 공급부의 투입구(124)를 통하여 공급된 실리콘 원료물질은 전자빔에 의해 실리콘 용탕(M)으로 형성된다. 그리고, 상기 실리콘 용탕(M)은 상기 격벽(395)의 길이방향을 따라 이동하게 된다.
다음으로, 상기 실리콘 용탕(M)은 상기 격벽(395)의 일단과 상기 격벽(395)의 일단을 마주하는 상기 실리콘 용융부(390)의 면 사이의 유로에서 이동방향이 변경되게 된다.
도시된 바와 같이, 상기 실리콘 용탕(M)은 화살표 방향을 따라 상기 실리콘 용융부(390) 내에서 지그재그 형태로 이동하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘 정련 장치는 상기 실리콘 용융부(390) 내에서 상기 실리콘 용탕(M)의 이동경로를 변경시키는 하나 이상의 격벽(395)을 포함할 수 있다.
다만, 상기 격벽(395)은 도시된 바와 같이 실리콘 용융부(390)의 일측면과 평행한 방향으로 형성된 것에 한정되지 않고, 상기 실리콘 용융부(390) 내에서 상기 실리콘 용탕(M)의 이동경로를 변경시킬 수 있는 구조라면 무엇이든 적용될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 정련 장치는 상기 실리콘 용융부(390) 내의 상기 실리콘 용탕(M)의 이동경로를 변경시킴으로써, 실리콘 용탕(M) 내의 휘발성 불순물을 제거할 수 있는 시간과 공간을 확보할 수 있게 한다.
즉, 상기 휘발성 불순물이 충분히 제거됨으로써, 실리콘의 정련 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 실리콘의 정련 효과를 높이기 위하여 실리콘 용융부의 크기를 증대시키지 않아도 되기 때문에, 실리콘 정련 장치의 제작 비용을 절감할 수 있다.
도 3은 도 1의 실리콘 용융부를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 외측을 나타내는 도면이다.
실리콘 용융부(390)는 상기 실리콘 용융부(390)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(390) 외측의 표면적을 증가시키는 역할을 수행한다.
따라서, 상기 제 1 유로부(341)에 냉각 유체를 흐르게 할 경우 상기 냉각 유체는 상기 실리콘 용융부(390) 외측과 접촉할 수 있는 면적이 증가하게 되어 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용융부(390)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(390)는 외측에 상기 제 1 유로부(341)와 상기 제 2 유로부(342)를 포함하도록 하기 위하여 절삭 가공 등을 할 수 있다.
즉, 상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)에 연장되어 서로 연결되는 구조를 가짐으로써, 상기 실리콘 용융부(390)의 외측이 상기 제 1 유로부(341)만으로 연장되도록 슬릿을 형성할 필요가 없어 상기 절삭 가공이 손쉽게 이루어 질 수 있다.
한편, 상기 실리콘 용융부(390)는 상기 실리콘 용탕이 이동할 수 있는 채널을 제공하는 제 1채널부(391)를 가진다.
상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)보다 상기 제 1채널부(391)에 가까운 위치에 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 유로부(342)는 상기 제 1 유로부(341)가 연결되어 하나의 유로를 형성함으로써 폭이 넓어지게 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 유체의 냉각 속도를 빠르게 하여 상기 제 1채널부(391) 주변의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘의 정련 장치에 적용되는 실리콘 용융부(390)는 외측에 배치된 복수의 유로부(340)를 가질 수 있다.
상기 복수의 유로부(340) 중 적어도 어느 하나의 유로부의 유로 폭은 나머지 유로부의 유로 폭보다 클 수 있다.
이러한, 유로 폭이 큰 유로부가 상기 실리콘 용융부(390)의 제 1채널부(391)주변에 배치되어 유체의 냉각 속도를 빠르게 함으로써, 상기 제 1채널부(391) 주변의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
또한, 상기 제 1 채널부(391)가 전자 빔의 조사로 인해 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 도 3의 A-A선을 따라 절취한 절단면을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 실리콘 용융부(390)의 제 1채널부(391)의 주변에는 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 1채널부(391)의 주변을 빠르게 냉각시킬 수 있다.
도 6은 도 1의 격벽의 내부를 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 유로부(340)는 상기 격벽(395) 내부와 공간적으로 연결될 수 있다.
상기 격벽(395) 내부에는 상기 유로부(340)와 연결되는 격벽 유로부(396, 397, 349)를 가질 수 있다.
상기 격벽 유로부는 상기 격벽 상단에 인접하는 제 1 격벽 유로부(396), 상기 제 1 격벽 유로부(396)와 연통된 제 2 격벽 유로부(397) 및 상기 제 2 격벽 유로부(397)와 연통된 제 3 격벽 유로부(349)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 격벽 유로부는 제 1 격벽 유로부(396), 제 2 격벽 유로부(397) 및 제 3 격벽 유로부(349)에 한정되지 않고, 상기 격벽(390)의 상단 부분에 유체를 이동시킬 수 있는 구조라면 적용될 수 있다.
이에 따라, 상기 격벽 유로부와 같은 냉각채널을 통해 유체가 이동함에 따라, 전자빔에 의해 상기 격벽(390)의 상단이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 용융부에 유체공급부가 배치된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 8은 도 7을 위에서 본 모습과 외측에서 본 모습을 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 유체 공급부(370)는 상기 실리콘 용융부(390)의 모서리부의 상부에 배치될 수 있다.
상기 유체 공급부(370)에 공급된 냉각 유체는 상기 실리콘 용융부(390)의 외측에서 유로부(340)를 따라 흐르게 되어 장시간의 냉각효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각 유체는 상기 실리콘 용융부(390)의 외측을 모두 흐른 이후, 상기 실리콘 용융부(390)의 모서리부의 상기 유로부들 간에 관통되는 영역을 통하여 인접한 외측의 유로부로 이동하게 된다.
상기 냉각 유체는 상기 실리콘 용융부(390)의 유로부(340)를 모두 통과한 후. 상기 실리콘 용융부(390)의 하면부에 설치된 유로부를 통과할 수 있고, 마침내 유체배출부(380)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
도 9 내지 도 10을 참조하여 연결탕로부를 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 9는 각각 다른 형상을 가지는 2종류의 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 9의 (a)에 도시된 연결탕로부(500a)의 하면부는 평탄하고, 서로 마주보는 측면부는 평행하다.
즉, 상기 연결탕로부(500a)는 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 실리콘 용융부(390)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이송되는 방향에 따라 하면부의 단면적이 일정하다.
도 9의 (b)에 도시된 본 발명의 일 측면에 따른 연결탕로부(500b)는 상기 실리콘 용탕(M)이 상기 실리콘 용융부(390)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 머무르는 시간을 확보할 수 있다.
또한, 상기 연결탕로부(500b)의 하면부는 평탄하다.
도 10은 본 발명의 일 측면에 따른 실리콘의 정련장치를 이용하여 도 9에 도시된 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 비교하기 위한 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 10의 (a)는 도 9의 (a)에 따른 연결탕로부의 단면을 나타내는 도면이다. 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 이송되는 방향에 따라 실리콘 용탕의 양이 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 10의 (b)는 도 9의 (b)에 따른 연결탕로부의 단면을 나타내는 도면이다. 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 이송되는 방향에 따라 실리콘 용탕의 양이 비교적 균일한 것을 알 수 있다.
도 11은 도 9에서 나타나는 2종류의 연결탕로부에 유지되는 실리콘 용탕의 두께를 정량적으로 나타내는 실험결과표이다.
도 11에 도시된 2종류의 연결탕로부에 대한 실험결과를 비교하면, 본 발명의 일 측면에 따른 연결탕로부(500b)에 유지되는 실리콘 용탕의 평균적인 값이 가장 클 뿐만 아니라, 상기 실리콘 용융부(390)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 9의 (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 있어 실리콘 용융부 및 일방향 응고부의 상단부가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 도 9의 (b)에 도시된 연결탕로부(500b)의 구조는 폴리실리콘의 잉곳을 제조하기 위하여 정련 장치의 내구성을 향상시켜 연속적으로 실리콘을 정련할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 12에 도시된 연결탕로부(500c)는 상기 실리콘 용탕이 상기 실리콘 용융부(390)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(390)에서 상기 일방향 응고부(400)로 이송되는 경우 도 12에 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 있어 실리콘 용융부 및 일방향 응고부의 상단부가 파손되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 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 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연결탕로부를 나타내는 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예와 달리, 실리콘의 정련 장치에 적용되는 연결탕로부(500)의 하면부는 일정한 곡률을 가지는 곡면부(560)를 가질 수 있다.
이에 따라, 실리콘 용탕이 실리콘 용탕의 표면장력으로 인하여 상기 실리콘 용융부(390)에서 상기 일방향 응고부(400)로 원활히 공급되지 않는 것을 방지할 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: 진공 챔버
200: 전자총
390: 실리콘 용융부
395: 격벽
400; 일방향 응고부
500: 연결탕로부

Claims (11)

  1. 실리콘 용탕이 저장되며, 상부가 개방된 실리콘 용융부; 및
    상기 실리콘 용융부 내측에서 연장되어 내부에 유로를 형성하는 하나 이상의 격벽;
    을 포함하는 실리콘의 정련 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 격벽은 복수 개로 이루어지고,
    상기 복수 개의 격벽은 서로 평행한 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  3. 진공 분위기를 유지하는 진공 챔버;
    상기 진공 챔버에 구비되며, 전자빔을 조사하는 적어도 하나 이상의 전자총(Electron-gun);
    상기 진공 챔버 내에 구비되며, 실리콘 원료물질을 공급하는 원료 공급부;
    상기 전자빔에 의해 상기 실리콘 원료물질이 용융되어 실리콘 용탕이 형성되는 실리콘 용융부;
    상기 실리콘 용융부로부터 공급되는 실리콘 용탕을 응고시키는 일방향 응고부;
    상기 실리콘 용융부의 제 1 채널부와 상기 일방향 응고부의 제 2 채널부가 서로 접하여 이루어진 연결탕로부; 및
    상기 실리콘 용융부 내에서 상기 실리콘 용탕의 이동경로를 변경시키는 하나 이상의 격벽을 포함하는 실리콘의 정련 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연결탕로부는 하면부와 상기 하면부의 양 끝 단에서 실질적으로 수직방향으로 연장된 한쌍의 측면부를 포함하고, 상기 실리콘 용탕이 이송되는 방향에 따라 상기 하면부의 단면적이 작아지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 연결탕로부의 하면부는 상기 실리콘 용탕이 상기 일방향 응고부로 공급되는 동안 상기 실리콘 용탕으로 덮어져 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 실리콘 용융부, 상기 일방향 응고부 또는 격벽부는 구리 재질을 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 격벽부는 상기 실리콘 용융부 또는 상기 일방향 응고부와 다른 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
  8. 제 3항에 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.
  9. 제 3항에 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.
  10. 제 3항에 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.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 유로부는 상기 격벽 내부와 공간적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 실리콘의 정련 장치.
KR20130029663A 2013-03-20 2013-03-20 실리콘의 정련 장치 KR101483695B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130029663A KR101483695B1 (ko) 2013-03-20 2013-03-20 실리콘의 정련 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20130029663A KR101483695B1 (ko) 2013-03-20 2013-03-20 실리콘의 정련 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140115065A true KR20140115065A (ko) 2014-09-30
KR101483695B1 KR101483695B1 (ko) 2015-01-16

Family

ID=51758499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR20130029663A KR101483695B1 (ko) 2013-03-20 2013-03-20 실리콘의 정련 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101483695B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104445903A (zh) * 2014-11-25 2015-03-25 大连理工大学 一种电子束熔炼多晶硅粉体与定向凝固结合的装置及方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63210226A (ja) * 1987-02-26 1988-08-31 Nippon Steel Corp 溶銑予備処理設備
JPH0783575A (ja) * 1993-09-08 1995-03-28 Mitsubishi Materials Corp 溶湯抜出用樋
JPH0938753A (ja) * 1995-07-28 1997-02-10 Nippon Steel Corp 連続鋳造用タンディッシュ
JP5144999B2 (ja) * 2007-09-26 2013-02-13 株式会社アルバック 材料の精製方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104445903A (zh) * 2014-11-25 2015-03-25 大连理工大学 一种电子束熔炼多晶硅粉体与定向凝固结合的装置及方法
CN104445903B (zh) * 2014-11-25 2017-04-12 大连理工大学 一种电子束熔炼多晶硅粉体与定向凝固结合的装置及方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101483695B1 (ko) 2015-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3343828A (en) High vacuum furnace
US7981214B2 (en) Device and process for the crystallizing of non-ferrous metals
CN101445957B (zh) 多晶硅提纯用真空电子束熔炼炉
KR101182907B1 (ko) 성막 방법 및 성막 장치
CN107164639B (zh) 一种电子束层覆式凝固技术制备高温合金的方法
KR101275768B1 (ko) 스팀 플라즈마 토치를 이용한 ｕｍｇ 실리콘의 정련 장치
RU2489506C2 (ru) Способ и устройство электронно-лучевой или плазменной плавки металла из кристаллизатора в кристаллизатор
CN105229206A (zh) 定向凝固系统和方法
US8794035B2 (en) Apparatus for manufacturing high purity polysilicon using electron-beam melting and method of manufacturing high purity polysilicon using the same
JP5144999B2 (ja) 材料の精製方法
KR101483695B1 (ko) 실리콘의 정련 장치
KR101441856B1 (ko) 실리콘의 정련 장치
KR101397979B1 (ko) 실리콘의 정련 장치
KR101394161B1 (ko) 실리콘의 정련 장치
CN105838907B (zh) 钛提纯装置及使用方法
CN203754434U (zh) 一种去除多晶硅中磷杂质的设备
RU2403299C1 (ru) Способ вакуумной очистки кремния и устройство для его осуществления (варианты)
KR101475755B1 (ko) 실리콘의 정련 장치
KR101401347B1 (ko) 실리콘의 정련 장치
US9156081B2 (en) Mold for continuous casting of titanium or titanium alloy ingot, and continuous casting device provided with same
JP2010254534A (ja) 坩堝、該坩堝を用いた精製装置および精製方法
CN104556050A (zh) 一种电子束过热熔炼去除多晶硅中金属杂质的方法和装置
JP2009292687A (ja) シリコンの精製方法及び精製装置
KR101483697B1 (ko) 실리콘 잉곳 제조 장치
JP2005343779A (ja) 電子ビームを用いたスクラップシリコンの精錬装置

Legal Events

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

Payment date: 20180105

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181211

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191210

Year of fee payment: 6