KR20180101325A - 실리콘 정제를 위한 장치 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 개시내용은 정제된 실리콘의 생성을 위한 병류 및 향류 교환 플랫폼을 활용하는 장치 및 시스템을 제공한다.
Description
본 개시내용은 정제된 실리콘(silicon)의 생성을 위한 장치 및 시스템, 및 생성된 정제된 실리콘에 관한 것이다.
반도체 실리콘에서의 극도의 순도는 필수적이며, 이용가능한 최선의 실리콘 순도는 반도체 생산에 있어 중요하게 여겨진다. 향상된 실리콘 순도는 향상된 반도체 생산 통계 및 향상된 반도체 작업으로 해석된다. 실리콘 기재의 광전지 효율 및 광전지 생산 또한, 훨씬 더 순수한 실리콘이 실리콘 기재의 광전지 생산에서 비용 효과적으로 이용가능한 경우에 훨씬 더 효율적일 수 있다. 일반적으로, 주어진 이상적인 가공에서, 임의의 광전지 또는 반도체용의 이상적인 실리콘은 (비용은 제외시키더라도), 실리콘 이외의 원소가 실리콘에서 검출가능하지 않을 정도로 매우 높은 순도, 임의의 실용적 목적상 불순물의 농도의 정확한 값이 중요하지 않을 정도로 매우 높은 순도, 및 이상적인 한계 내에서, 완전한 또는 점근적 순도 (여기서, 실리콘 중의 불순물 원소의 단일 원자의 존재는 가능하지 않음)일 것이다. 이러한 "모든 실용적 목적상 완벽한" 순도는 결정화, P-N 도핑, 비저항, 및 전하 캐리어 수명의 최대 제어를 제공할 것이다. 주기율표에서의 모든 불순물 원소는 실리콘 결정화를 어느 정도 지연시키고, 열화시키고, 혼란시킨다. 전자 수용체 13족 (B, Al, Ga 등) 및 전자 공여체 15족 (N, P, As, Sb 등)의 원소는, 실리콘 중의 지배적인 전하 캐리어가 전자인지 정공인지를 결정하고, 이는 비저항에 있어 매우 중요하다. 전이 금속은 모두 전하 캐리어 수명을 감소시키고, 주기율표 상에서 좌측 및 하향 이동함에 따라 전하 캐리어 수명에 대한 유해 효과가 증가한다. Ta, Mo, Mb, Zr, W, Ti, 및 V 원자는 10억 분율(ppb) 농도 미만에서 결정성 실리콘 전하 캐리어 수명을 현저히 감소시킨다. 최선의 가능한 광전지, 또는 최선의 반도체 (특히 고주파 작업에서, 또는 에너지 비용이 중요한 경우, 예컨대 휴대폰 및 태블릿에서)를 위해서는, 이용가능한 최장 전하 캐리어 수명 및 이용가능한 최고 실리콘 비저항이 요망된다.
실리콘 생산의 에너지 비용이 또한 중요하다. 에너지 비용은, 실리콘 광전지가 세계적 규모로 화석 연료 에너지 생산을 대체할 실용적 기회를 가져야 하는 경우, 실리콘 광전지 생산에 있어 특히 중요하다. 현재의 광전지 에너지 생산 (이는 대부분 실리콘 기재의 광전지로부터 유래됨)은 세계 에너지 소비의 1% 미만이다. 이러한 비교적 작은 규모에서는, 실리콘 정련의 에너지 비용이 결정적이지 않을 수 있다. 그러나, 화석 연료 생산을 현저히 대체하기 위해, 실리콘 광전지로부터의 에너지 생산이 언제든 세계 에너지 소비에 접근해야 한다면, 정련된 실리콘 생산의 에너지 비용을 크게 감소시키는 것이 바람직할 것이며, 또한 현재 "태양 등급 실리콘"에서 이용가능한 것보다 훨씬 더 고순도로 이를 수행하는 것이 바람직할 것이다.
현재 광전지를 위한 실리콘 웨이퍼 1 kg의 제조를 위한 에너지 비용은 약 1000 킬로와트 시간인 것으로 추정된다. 따라서, 현 생산 실리콘 광전지에 대한 에너지 회수는 2년 초과이다. 이 실리콘 에너지 비용으로 세계 화석 연료 사용을 현저히 대체하기 위해 필요한 수-테라와트 규모의 실리콘 광전지 개발의 매우 빠른 성장은, 불편하고 아마도 상업적으로 불가능한 에너지 입력을 필요로 할 것이다. 실리콘 기재의 광전지의 수-테라와트 출력을 생산하기 위해 필요한 실리콘 생산의 규모는 크다. 정제된 실리콘 1 킬로그램 당 500 와트의 광전지가 제조될 수 있다고 가정하면, 10년간의 연속 생산으로 1012 와트의 광전지의 생산은, 그 10년의 생산 동안 매일 정제된 실리콘 약 550 톤의 생산을 요할 것이다. 화석 연료의 세계적 소비를 광전지로 대체하기 위해서는, 이 생산의 대략 50배 정도가 또는 20년 동안 매일 대략 13,750 톤/일의 정제된 실리콘이 필요할 것이다. 에너지 회수와 관련하여 이러한 생산이 실현가능하게 되기 위해서는, 현 기술의 실리콘 정제 에너지 비용을 10배 또는 훨씬 더 절감하는 것이 바람직할 것이다.
열역학적 한계에서 보면, 실리콘 정제 및 웨이퍼 제작의 이론적 에너지 요구량은 실리콘 용융을 위한 에너지 요구량의 2배 미만 정도 (실리콘 1 킬로그램 당 1.5 킬로와트 시간 미만 정도), 또는 현 에너지 비용의 1% 미만이다. 그러나, 점증적 발전의 실제 역사에서는 이들 낮은 에너지 비용에 들이는 임의의 실질적인 지속된 노력이 없었고, 이는 확립된 패턴과 기본적으로 상이한 기술로의 전념을 포함하였다. "태양 등급 실리콘" 생산을 위한 역사적 노력은, 본래 높은 에너지 비용을 갖는 테마에 대한 변형을 포함하였다. 이 테마에 따라 진행하면, 실리콘을 휘발성 물질 (SiCl4; SiHCl3; SiI4; SiH4, SiHCl3; SinF2n+2; SiHBr3; 또는 SiF4)로 산화시키고, 이 휘발성 물질을 다중 증류시킨다. 이어서, 정제된 휘발성 물질을 반응기 내에서 고체 실리콘으로 환원시킨다. 모든 이들 접근은, 열역학적 한계보다 훨씬 더 높은 에너지 비용을 포함한다. 기본적 실리콘 휘발성 물질 증류 및 환원 패턴은, 현재의 비교적 소규모 광전지 개발을 제약하지 않는 에너지 비용 및 자본 비용 내에서 제한되지만, 이러한 확립된 패턴의 에너지 비용은, 수십 테라와트의 광전지의 생산이 필수적이며, 비교적 단기간 내에 생산되어야 할, 세계적 에너지 부족 및 지구 온난화 문제에 대한 완전한 해결책으로서의 광전지에 필요한 방대한 생산 규모는 배제하고 있다.
광전지가 실제로 화석 연료를 대체하여야 한다면, 기술적 요건 중 하나는, 훨씬 더 적은 (이상적으로는 확실히 가능한 최소의) 에너지 비용, 훨씬 더 낮은 (확실히 가능한 최소의) 작업 비용, 및 높은 생산 속도 (최대 수백만 kg/일)를 위한 용량으로 실리콘을 정제하는 방법일 것이다. 실리콘 광전지 효율의 최대화를 용이하게 하고, 실리콘 광전지 생산 비용의 최소화를 용이하게 하기 위해, 현재 이용가능한 임의의 것보다 훨씬 더 높은 이상적 순도인 가능한 최고 실리콘 순도가 이러한 방법을 위해 바람직할 것이다.
광전지 생산 문제는 제외하더라도, 반도체 실리콘을 위해, 또한 금속 캐스팅 및 실리콘수지(silicone) 공급원료 생산 목적을 위해 공급되는 실리콘을 위해서도 순도-비용 균형을 향상시키는 것에 대한 현저하고 지속적인 시장 요구가 또한 존재한다.
요약
본 개시내용은, 정제된 실리콘의 생성을 위한 병류 및 향류 교환 플랫폼을 활용하는 장치 및 시스템을 제공한다.
본 개시내용은 실리콘의 정제 장치를 제공한다. 하나의 실시양태에서, 장치는 상단부, 대향하는 저단부, 및 대향하는 단부들 사이에서 연장되며 챔버를 한정하는 측벽을 갖는 용기를 포함한다. 용기의 상단 부분에는 챔버 내로 용융 실리콘을 도입하기 위한 실리콘 유입구가 존재한다. 용기의 저부 부분에는 기체 주입 구조물이 존재한다. 기체 주입 구조물은, 챔버 내로 산소를 포함하는 기체를 도입하기 위한 복수의 오리피스를 갖는다. 기체의 도입은 챔버 내에 복수의 계내 실리카-벽 형성된 산소 비드를 생성한다. 장치는 실리콘 유입구와 기체 주입 구조물 사이에 배치된 향류 교환 구역을 포함한다. 향류 교환 구역은 (1) 용융 실리콘의 제어된 하향 유동 및 (2) 비드의 제어된 상향 유동을 포함한다. 용융 실리콘과 실리카-벽 형성된 산소 비드 사이의 향류 유동은, 용융 실리콘 중에 존재하는 불순물이 실리카-벽 형성된 산소 비드 내로 전달되어 정제된 용융 실리콘을 형성할 수 있게 한다.
본 개시내용은 또 다른 장치를 제공한다. 하나의 실시양태에서는, 실리콘 정제 장치가 제공되며, 이는 상단부, 대향하는 저단부, 및 복수의 동심 컬럼을 갖는 용기를 포함한다. 컬럼은 서로 유체 소통된다. 장치는, 용융 실리콘을 복수의 실리카 입자의 층 내로 도입하여 슬러리를 형성하기 위한, 제1 컬럼의 상단 부분에 있는 실리콘 유입구를 갖는 중심 컬럼을 포함한다. 장치는, 슬러리의 일부를 수용하기 위한, 중심 컬럼의 저부 부분과 유체 소통되는 제1 채널을 포함한다. 슬러리는 제1 채널에서 상향 유동한다. 장치는, 슬러리의 일부를 수용하기 위한, 제1 채널과 유체 소통되는 제2 채널을 포함한다. 슬러리는 제2 채널에서 하향 유동한다.
본 개시내용은 또 다른 장치를 제공한다. 하나의 실시양태에서는, 실리콘 정제 장치가 제공되며, 이는 상단부, 대향하는 저단부, 및 대향하는 단부들 사이에서 연장된 측벽을 갖는 용기를 포함한다. 측벽은 챔버를 한정한다. 장치는, 챔버 내로 실리콘 입자를 도입하기 위한, 용기의 상단 부분에 있는 실리콘 유입구를 포함한다. 실리콘 입자는 1350℃ 초과의 온도를 갖는다. 장치는 용기의 저부 부분에 주입 구조물을 포함한다. 주입 구조물은, 챔버 내로 용융 염 조성물을 도입하기 위한 적어도 하나의 오리피스를 갖는다. 용융 염 조성물은 1350℃ 초과의 온도를 갖는다. 용융 염은, 용융 염 중에 용해된 산화제를 갖는다. 장치는, 실리콘 유입구와 주입 구조물 사이에 배치된 향류 교환 구역을 포함한다. 향류 교환 구역은 (1) 실리콘 입자의 제어된 하향 유동, 및 (2) 용융 염 조성물의 제어된 상향 유동을 포함한다. 실리콘 입자와 용융 염 조성물 사이의 향류 유동은 정제된 실리콘 입자를 생성한다.
본 개시내용의 이점은, 최소의 경제적 비용 및/또는 최소의 에너지 비용으로 정제된 실리콘을 생성하는 실리콘 생성 시스템이다.
본 개시내용의 이점은, 충전 층 및 팽창 층 컬럼 크로마토그래피에서 사용되는 교환과 유사한 유동 구조물을 사용하는 병류 및 향류 선택적 산화 용매 교환을 활용하는 정제된 실리콘의 생성이다.
도 1a, 1b, 1c, 1d, 및 1e는, 본 개시내용을 이해하기 위해 중요한 다르시(Darcy) 유동에 대한 유동 관계를 나타낸다. 크로마토그래피는, 용리액 통로 길이 및 임의의 특정 화학물질에 대한 체류 시간이 매우 균일한 다르시 유동을 포함한다. 실리콘 정제에 필요한 불순물 흡수 및 착화는, "이론단 해당 높이"와 매우 유사한 다수의 평형을 갖는 유사 유동을 포함하지만, 유동로는 굴곡될 수 있고, 상이한 스트림라인에 대한 체류 시간은 모든 스트림라인이 충분히 큰 유효 평형 수를 포함하는 한 달라질 수 있다.
도 2a, 2b, 및 2c는, 이론단 모델을 사용하는 병류 및 향류 실리콘-용매 유동을 나타내고, 향류 및 병류 교환의 개념이 굴곡된 스트림라인에 대해 타당함을 나타낸다.
도 3은, 단 모델에 대한 향류 정제의 연산을 나타내고, 이는 잘 정렬된 향류 다르시 유동에서 가능한 높은 정제 인자를 보여준다.
도 4는, 본 개시내용의 기본적 저에너지 정제 체계를 나타내며, 여기서는 실리콘 및 용매를 실리콘의 융점 초과로 가열하고, 실리콘의 융점 초과에서 병류 및 향류 접촉시켜, 불순물을 용매로 전달한다. 이어서, 정제된 실리콘을 고화 및 냉각시키고, 불순물-적재된 슬래그를 처분한다.
도 5는, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 실리콘 정제 장치를 나타낸다. 도 5 장치 스트림라인은, 거의 컬럼 크로마토그래피에서의 유동과 같이 잘 조직화되어 있다. 부분 정제된 용융 실리콘의 공급원은 향류 팽창 층 실리콘 정제기에 공급하고, 여기서 실리콘은, 실리콘 내로 산소를 버블링함으로써 제자리 형성된 얇은 벽 형성된 실리카 구체의 상향 이동하는 충전 또는 팽창 층을 통해 하향 유동한다.
도 5a는 도 5의 라인 A-A를 따라 절단된 도 5의 장치의 단면도이다.
도 5b는 도 5의 라인 B-B를 따라 절단된 도 5의 장치의 단면도이다.
도 6은 도 5의 장치의 상단 평면도이다. 도 6은 용융 실리콘 입력물의 배치, 입자들 사이의 틈새(interstitial) 용적의 기체-액체 계면을 확립하기 위한, 또한 입자를 연화시키기 위한, 예를 들어 스팀을 사용한 기체 압력 및 용적 공급, 및 실리카 및 불순물을 파괴 및 제거하는 흡인점을 나타낸다.
도 7은, 도 5의 장치의 용융 실리콘 내로 산소를 버블링함으로써 형성된 얇은 벽 형성된 구형 실리카 입자 (또는 비드)의 개략도이다.
도 8은, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 "조(coarse)"-정제기를 나타낸다. 도 8에서, 실리카 및 실리콘은 부력 안정화된 다르시 유동으로 병류로 혼합 및 접촉된다. 실리콘 중의 불순물은 이러한 긴밀한 연장된 병류 접촉 동안 실리카로 전달된다. 실리카는 유리질 슬래그를 형성한다. 이어서, 유리질 슬래그 및 용융 실리콘은 밀도차에 의해 분리된다.
도 8a는 도 8의 라인 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 9는, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 향류 교환기의 단면도이다. 도 9에서, 슬러리로서 도입되고 슬러리로서 제거된 실리카는 용융 실리콘과 향류로 유동하여, 실리콘과 실리카 사이에 다수의 이론적 향류 교환을 생성한다.
도 9a는 도 9의 라인 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 10은, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 실리콘 정제 장치의 단면도이다. 도 10에서는, 도 8의 조-교환기와 유사한 병류 교환기 및 도 9와 유사한 향류 교환기가 조합된 구조 형태로 직렬 연결되어 있다.
도 10a는 도 10의 라인 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 11은, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 실리콘 정제 장치의 개략도이다. 도 11에는, 실리콘 정제를 위한 다르시 유동 부력 안정화된 향류 교환이 나타나 있다. 도 11에서, 선택적 산화 용융 염은, 실리콘의 융점 미만에서 규화물을 형성하는 실리콘 중의 원소를 선택적으로 산화시키고 제거하고, 또한 표면으로 확산되기에 충분히 빠르게 실리콘 결정 내에서 확산되는 원소를 선택적으로 산화시키고 표면으로부터 제거한다.
도 12는, 사파이어 비-습윤화 액체로서의 용융 실리콘 및 사파이어 습윤화 액체로서의 용융 염을 갖는 충전 사파이어 비드 컬럼을 통한 액체-액체 향류 교환의 개략도이다. 용융 염은, 상당한 황의 부분압, pS 및 임의의 순(net) 실리콘 산화를 억제하기 위해 충분한 실리콘 황화물 부분압을 위한 충분한 과량의 황을 포함하는, NaCl, Na2S, Al2S3 또는 다른 염의 혼합물이다. 고pS 용융 염은 등온의 많은 HETP 교환에서 실리콘으로부터의 귀금속을 선택적으로 산화시키고 용해시킨다. 용융 염은, 용융 염으로부터의 귀금속을 제거하는 전해 플레이트를 통해 재순환되고, 따라서 향류 교환에 공급되는 재순환된 청정 용매는 귀금속에 대하여 극히 순수하다.
도 13은, 선택적 산화 정제 스테이지에 의해 제거되지 않은 산소를 제거하기 위한 아르곤 재순환을 갖는 아르곤 버블링 배열의 개략도이다. 이 탈산소화 스테이지는 고화 전의 최종 정제 스테이지이다.
도 14 내지 20은, 각각 본 개시내용의 기본적 저에너지 실리콘 정제 체계를 수행하는, 효과적인 정제를 위한 직렬로 배열된 정제기 구성요소의 일련의 개략도이다.
도 14는, 초(ultra)-정제기 배열, 비교적 순수한 실리콘 입력물의 용융기, 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기, 그 후 아르곤 탈산소화를 나타내는 개략적 순서도이다.
도 15는, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 용융 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 16은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 용융 실리콘을 도 9의 것과 유사한 향류 교환기에 공급하고, 이것이 얇은 벽 형성된 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 17은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 직렬로 배열된 도 9의 것과 유사한 2개의 향류 교환기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 18은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 그 후 향류 용융 염 교환 정제 스테이지가 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 19는, 고체 분쇄 실리콘 정제기 후에 용융기가 이어지고, 이것이 이어서 용융 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 20은, 고체 분쇄 실리콘 정제기 후에 용융기가 이어지고, 이것이 이어서 용융 실리콘을 도 9의 것과 유사한 향류 교환기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 2a, 2b, 및 2c는, 이론단 모델을 사용하는 병류 및 향류 실리콘-용매 유동을 나타내고, 향류 및 병류 교환의 개념이 굴곡된 스트림라인에 대해 타당함을 나타낸다.
도 3은, 단 모델에 대한 향류 정제의 연산을 나타내고, 이는 잘 정렬된 향류 다르시 유동에서 가능한 높은 정제 인자를 보여준다.
도 4는, 본 개시내용의 기본적 저에너지 정제 체계를 나타내며, 여기서는 실리콘 및 용매를 실리콘의 융점 초과로 가열하고, 실리콘의 융점 초과에서 병류 및 향류 접촉시켜, 불순물을 용매로 전달한다. 이어서, 정제된 실리콘을 고화 및 냉각시키고, 불순물-적재된 슬래그를 처분한다.
도 5는, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 실리콘 정제 장치를 나타낸다. 도 5 장치 스트림라인은, 거의 컬럼 크로마토그래피에서의 유동과 같이 잘 조직화되어 있다. 부분 정제된 용융 실리콘의 공급원은 향류 팽창 층 실리콘 정제기에 공급하고, 여기서 실리콘은, 실리콘 내로 산소를 버블링함으로써 제자리 형성된 얇은 벽 형성된 실리카 구체의 상향 이동하는 충전 또는 팽창 층을 통해 하향 유동한다.
도 5a는 도 5의 라인 A-A를 따라 절단된 도 5의 장치의 단면도이다.
도 5b는 도 5의 라인 B-B를 따라 절단된 도 5의 장치의 단면도이다.
도 6은 도 5의 장치의 상단 평면도이다. 도 6은 용융 실리콘 입력물의 배치, 입자들 사이의 틈새(interstitial) 용적의 기체-액체 계면을 확립하기 위한, 또한 입자를 연화시키기 위한, 예를 들어 스팀을 사용한 기체 압력 및 용적 공급, 및 실리카 및 불순물을 파괴 및 제거하는 흡인점을 나타낸다.
도 7은, 도 5의 장치의 용융 실리콘 내로 산소를 버블링함으로써 형성된 얇은 벽 형성된 구형 실리카 입자 (또는 비드)의 개략도이다.
도 8은, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 "조(coarse)"-정제기를 나타낸다. 도 8에서, 실리카 및 실리콘은 부력 안정화된 다르시 유동으로 병류로 혼합 및 접촉된다. 실리콘 중의 불순물은 이러한 긴밀한 연장된 병류 접촉 동안 실리카로 전달된다. 실리카는 유리질 슬래그를 형성한다. 이어서, 유리질 슬래그 및 용융 실리콘은 밀도차에 의해 분리된다.
도 8a는 도 8의 라인 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 9는, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 향류 교환기의 단면도이다. 도 9에서, 슬러리로서 도입되고 슬러리로서 제거된 실리카는 용융 실리콘과 향류로 유동하여, 실리콘과 실리카 사이에 다수의 이론적 향류 교환을 생성한다.
도 9a는 도 9의 라인 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 10은, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 실리콘 정제 장치의 단면도이다. 도 10에서는, 도 8의 조-교환기와 유사한 병류 교환기 및 도 9와 유사한 향류 교환기가 조합된 구조 형태로 직렬 연결되어 있다.
도 10a는 도 10의 라인 A-A를 따라 절단된 단면도이다.
도 11은, 본 개시내용의 하나의 실시양태에 따른 실리콘 정제 장치의 개략도이다. 도 11에는, 실리콘 정제를 위한 다르시 유동 부력 안정화된 향류 교환이 나타나 있다. 도 11에서, 선택적 산화 용융 염은, 실리콘의 융점 미만에서 규화물을 형성하는 실리콘 중의 원소를 선택적으로 산화시키고 제거하고, 또한 표면으로 확산되기에 충분히 빠르게 실리콘 결정 내에서 확산되는 원소를 선택적으로 산화시키고 표면으로부터 제거한다.
도 12는, 사파이어 비-습윤화 액체로서의 용융 실리콘 및 사파이어 습윤화 액체로서의 용융 염을 갖는 충전 사파이어 비드 컬럼을 통한 액체-액체 향류 교환의 개략도이다. 용융 염은, 상당한 황의 부분압, pS 및 임의의 순(net) 실리콘 산화를 억제하기 위해 충분한 실리콘 황화물 부분압을 위한 충분한 과량의 황을 포함하는, NaCl, Na2S, Al2S3 또는 다른 염의 혼합물이다. 고pS 용융 염은 등온의 많은 HETP 교환에서 실리콘으로부터의 귀금속을 선택적으로 산화시키고 용해시킨다. 용융 염은, 용융 염으로부터의 귀금속을 제거하는 전해 플레이트를 통해 재순환되고, 따라서 향류 교환에 공급되는 재순환된 청정 용매는 귀금속에 대하여 극히 순수하다.
도 13은, 선택적 산화 정제 스테이지에 의해 제거되지 않은 산소를 제거하기 위한 아르곤 재순환을 갖는 아르곤 버블링 배열의 개략도이다. 이 탈산소화 스테이지는 고화 전의 최종 정제 스테이지이다.
도 14 내지 20은, 각각 본 개시내용의 기본적 저에너지 실리콘 정제 체계를 수행하는, 효과적인 정제를 위한 직렬로 배열된 정제기 구성요소의 일련의 개략도이다.
도 14는, 초(ultra)-정제기 배열, 비교적 순수한 실리콘 입력물의 용융기, 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기, 그 후 아르곤 탈산소화를 나타내는 개략적 순서도이다.
도 15는, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 용융 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 16은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 용융 실리콘을 도 9의 것과 유사한 향류 교환기에 공급하고, 이것이 얇은 벽 형성된 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 17은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 직렬로 배열된 도 9의 것과 유사한 2개의 향류 교환기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 18은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 그 후 향류 용융 염 교환 정제 스테이지가 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 19는, 고체 분쇄 실리콘 정제기 후에 용융기가 이어지고, 이것이 이어서 용융 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 20은, 고체 분쇄 실리콘 정제기 후에 용융기가 이어지고, 이것이 이어서 용융 실리콘을 도 9의 것과 유사한 향류 교환기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
정의
원소 주기율표에 대한 임의의 언급은, 문헌 [CRC Press, Inc., 1990-1991]에 공개된 바와 같다. 이 표에서 원소의 족에 대한 언급은, 족의 번호부여에 대한 새로운 표기법에 의한 것이다.
달리 언급되거나, 문맥으로부터 암시되거나, 또는 관련 기술분야에서 통상적인 경우를 제외하고는, 모든 부 및 퍼센트는 중량을 기준으로 한 것이고, 모든 시험 방법은 본 개시내용의 출원일 현재 통상적인 것이다.
미국 특허 실무 목적상, 임의의 참조된 특허, 특허 출원 또는 공개 문헌의 내용은, 특히 정의의 개시내용 (본 개시내용에 구체적으로 제공된 임의의 정의와 모순되지 않는 범위에서) 및 관련 기술분야의 일반적 지식과 관련하여 그 전문이 참조로 포함된다 (또는 그의 등가의 US 버젼이 그와 같이 참조로 포함됨).
본원에 개시된 수치 범위는 하한 및 상한을 포함하는 그로부터의 모든 값을 포함한다. 명시적 값을 함유하는 범위 (예를 들어, 1 또는 2; 또는 3 내지 5; 또는 6; 또는 7)에서, 임의의 두 명시적 값 사이의 임의의 하위범위가 포함된다 (예를 들어, 1 내지 2; 2 내지 6; 5 내지 7; 3 내지 7; 5 내지 6; 등).
"조성물" 등의 용어는 2종 이상의 성분의 혼합물 또는 블렌드를 지칭한다.
용어 "포함하는", "비롯한", "갖는", 및 이들의 파생어는, 임의의 추가의 성분, 단계 또는 절차의 존재를 배제하도록 의도되지 않는다 (이들이 구체적으로 개시되었는지의 여부에 관계 없이). 임의의 의심을 피하기 위해, 용어 "포함하는"을 사용하여 청구된 모든 조성물은, 달리 언급되지 않는 한, 임의의 추가의 첨가제, 아주반트, 또는 화합물 (중합체든 다른 것이든 관계 없이)을 포함할 수 있다. 반면, 용어 "~~로 본질적으로 이루어진"은, 임의의 선행되는 언급의 범위로부터, 작업성에 있어 필수적이지 않은 것들을 제외하고는, 임의의 다른 성분, 단계, 또는 절차를 배제한다. 용어 "~로 이루어진"은, 구체적으로 기재되거나 열거되지 않은 임의의 성분, 단계, 또는 절차를 배제한다. 용어 "또는"은, 달리 언급되지 않는 한, 개별적으로 뿐만 아니라 임의의 조합으로 열거된 요소를 지칭한다. 단수형의 사용은 복수형의 사용을 포함하고, 그 반대도 마찬가지이다.
실리콘 중의 "불순물"은 실리콘을 제외한 주기율표의 임의의 원소이다. 98개의 천연 원소가 존재하며, 현재 실용에서, 임의의 상당한 용적의 실리콘 (야금의 또는 정제된)은 모든 또는 거의 모든 이들 천연 원소의 원자를 일부 농도 (일부 수치상 다수)로 갖는다고 가정하는 것이 (일반적 지식에, 때때로 판매사로부터의 분석 정보에, 또한 종종 측정에 기초하여) 타당하다.
실리콘 중의 불순물 농도는 실리콘의 질량 중의 이러한 불순물 원소의 몰 또는 중량 분율이고, 화학적 계산에서는 몰 값이 보다 편리하고, 이것을 이 단락에서 사용한다. 1 몰 당 6.02 x 1023개의 실리콘 원자가 존재하고, 따라서 1 ppb의 불순물 (Na, Ca, Fe, Al 등)의 농도는 실리콘 1 몰 중에 6.02 x 1015개의 (Na, Ca, Fe, Al 등의) 원자가 있을 것이다 (실제 계측에서는 저농도의, 그러나 여전히 다수의 원자가 실제로는 카운팅불가함). 실리콘 중의 불순물 원자의 농도는, 표면에서 측정하는 비-파괴적 수단 및 실리콘 샘플의 파괴를 포함하는 질량 분광법을 비롯한 다양한 분광학적 수단에 의해 (벌크 실리콘에서, 또한 표면에서) 측정된다. 실리콘 불순물 측정의 기술분야는 광범위하고 진보 중인 기술분야이다. 실리콘 순도가 상업적으로 중요하기 때문에 검출 한계 및 해상도가 계속적인 향상 사안이 된다. 검출 한계는 일반적으로 주기율표의 모든 원소에서 ppb 수준 훨씬 미만이고, 특별한 경우에는 1조 분율(ppt) (6.02 x 1012 원자/몰)만큼 낮을 수 있고, 이는 실리콘 1 몰 당 막대한 수의 불순물 원자이다. 매우 민감한 질량 분광기 이온화 스트림에서, 확인된 원소의 개개의 원자는 때때로 하나씩 검출될 수 있지만, 이러한 방식으로 샘플링될 수 있는 원자의 수는 작다. 전기장 이온 현미경검사에서, 원자는 또한 하나씩 나타날 수 있지만, 또한 샘플링될 수 있는 원자의 수는 작다.
검출가능한 농도로 나타나는, 또한 동시에 원자 또는 분자가 나타나는 것으로 이해되는 과정으로부터 유추하여, 또한 이들 과정이 불순물 농도가 검출 한계 미만으로 떨어질 때 동일한 화학적 및 물리적 논리에 따라 동일한 방식으로 계속된다고 가정하여, 검출 한계 미만의 농도 (측정되지 않았고 측정될 수 없는 농도)를 추측할 수 있다. 예를 들어, 완전히 순수한 용매의 공급원으로 작업되는 향류 정제 과정은 일련의 유사한 스테이지로 일어나는 것으로 이해되고, 여기서 각각의 스테이지는 불순물 원소 j의 농도를 mj배 감소시키고, 이어서 N 스테이지 후 총 정제 인자는 mj N이 된다. 이 연산은 측정될 수 있는 농도에 적용되고, 이 동일한 연산이 외삽의 논리에 의해 계속된다고 추측될 수 있다. 이러한 추측은, 과정이 보다 큰 N 값에서 동일한 방식으로 계속 작용한다는 것에 따르며, 따라서 이는 검출가능한 농도 미만 또는 훨씬 미만일 수 있는 불순물 원소 j의 농도에 상응하는 정제 인자를 생성한다. 이상적인 실리콘 정제기는 사실상, 실용적 기능에서 중요한 모든 방식으로 입증된 완전히 이해되는 추측에 기초하여, 완전히 이해되고, 또한 실용적인 방식으로, 모든 불순물 원소를 검출가능한 농도 훨씬 미만의 농도로 감소시킬 것이다. 측정가능한 농도 미만의 추측은, 문제가 되는, 그러나 종종 유용한 모델-시스템 상응성의 논리에 기초하여야 한다. 농도에 대한 이러한 추측의 타당성은, 과학 및 공학기술 논리 둘 다에 의해 판단될 수 있으며, 이는 측정된 또는 측정될 수 있는 문제의 시스템에 다소 가깝게 유사한 시스템의 논리를 포함한다. 농도에 대한 추측은 또한, 사실상 가능하고 사실상 수행되는 관련 시스템에 대한 측정에 의해 검토될 수 있다. 모델로부터의 추측이, 불순물 농도가 검출가능성의 역치 훨씬 미만임을, 또한 불순물이 검출됨을 나타내는 경우, 시험 하의 장치 또는 모델의 문제 해결에 있어 지침을 제공할 수 있는 문제의 경우에 적용된 모델의 가정에는 일부 오류가 존재한다.
용융 실리콘은, 다소 순수하거나 불순한, 액체 상의 원소 실리콘이다. 순수 실리콘의 융점은 1414℃이다. 용융 실리콘은, 실온에서 물의 경우와 거의 유사한 점도 및 동적 점도를 갖고, 따라서 실온에서의 수성 유동과 1400℃ 초과의 온도에서의 용융 실리콘을 포함한 유동 사이에는 유동 유사성이 가까울 수 있다.
실리카는, 대부분 SiO2인 (이것이 샌드 또는 특수화 및 처리된 샌드, 예컨대 프래킹 샌드(fracking sand)인지, 또는 실리콘의 산화에 의해 형성된, 규산나트륨으로부터의 정련에 의해 형성된, 또는 일부 다른 화학 공정에 의해 형성된 SiO2인지에 관계 없이) 임의의 형태 및 임의의 순도의 화학적 SiO2이다.
실리케이트는 SiO2 및 다른 원소의 조성물이다. 실리케이트의 가장 통상적인 형태는 유리이다. 불활성 기체를 제외하고는, 주기율표의 모든 원소는 실리케이트 유리와 화학적으로 결합될 수 있고/거나 이것 중에 현저히 용해될 수 있다. 평형 조건은 종종 산화된 불순물의 유리 내로의 혼입에 대해 강하게 치우치지만, 과정은 확산에 의해 제한된다. 유리질 용융물 중에서의 확산성은 일반적으로 낮고, 유리 및 유리질 슬래그 중에서의 확산 속도는 물과 같은 많은 액체에 비해 대단히 느릴 수 있다. 유리의 점도 및 확산성은 밀접하게 관련되고, 대략 비례적이며, 유리 점도 및 유리 확산성 둘 다 온도 및 조성에 강하게 의존한다. 많은 유용한 유리 조성물이 폭넓게 사용되며, 유리는 폭넓게 연구되고, 유리 및 유리질 실리케이트 슬래그는 모든 천연 원소를 포함하는 방사성 폐기 물질의 고정화 및 처분에 사용된다.
실리콘의 선택적 산화 용매 정제는, 고체 또는 액체 실리콘 중의 불순물 원소 (화학적으로 환원된 형태로 실리콘 중에 용해됨)가, 실리콘은 산화시키지 않으면서 이들 불순물을 산화시키는 실리콘 중에서 불혼화성인 용매와 원자 또는 분자 스케일 접촉하게 되고, 여기서 이어서 용매가 산화된 불순물과 착화되거나, 또는 다른 방식으로 이를 용해시켜, 이들 산화된 불순물을 실리콘으로부터 배출시키고, 따라서 실리콘을 정제하는 방법이다.
액체 실리콘 선택적 산화 정제를 위한 선택적 산화 용매: 실리카 및 유리질 실리케이트. 실리카 및 유리질 실리케이트는 용융 실리콘에 대한 효과적인 선택적 산화 용매이며, 이는 선택적 산화에 대한 산소 공급원, 및 용융 실리콘 중의 불순물에 대한 효과적 용매 둘 다의 역할을 한다. 실리카 및 유리질 실리케이트는, 용융 실리카 및 용융 유리가 갖는 극히 낮은 확산성 (이는 상당한 실리콘-실리카 접촉 면적, 짧은 확산 거리, 연장된 접촉 시간, 및 완전한 및 잘 정렬된 혼합을 위한 정렬된 유동에 영향을 줌)을 제외하고는, 실리콘에 대한 선택적 산화 용매로 거의 이상적일 것이다. 실리카 및 유리질 실리케이트는 용융 실리콘 중에서 불혼화성이다. 실리콘-실리카 접촉은, 실리콘 자체를 산화시키지 않으면서 용융 실리콘 중의 본질적으로 모든 불순물을 산화시키기에 충분한 산소 (5.7 x 10-5의 평형 산소 농도 xo 및 대략 5 x 10-5 기압의 부분압, pO2)를 생성한다. 방사성 폐기물 처분을 향해 주로 동기부여된 연구 작업은, 폭넓은 범위의 pO2에 걸쳐 순수 실리카 및 실리카 유리 중의 대부분의 원소의 깁스(Gibbs) 자유 에너지의 전해 측정된 값을 생성하였고, 용융 실리콘 중의 대부분의 원소의 깁스 자유 에너지는 또한 공지되어 있다. 실리콘과 실리카 사이의 불순물의 농도 비율에 대하여 평형이 계산될 수 있다. 용융 실리콘과 접촉된 실리카 유리 및 실리콘 중의 산소의 비교적 높은 부분압에서, 평형은 수많은 요인에 의해 실리카 용매에 대해 치우치며, 여기서 (산화된) 불순물은 전형적으로 실리콘에 비해 수백만배, 수십억배 또는 그보다 훨씬 더 실리카 또는 유리 중에서 가용성이다. 실리콘에 비해 유리에 대해 강하게 치우치는 평형은 주기율표의 거의 모든 원소에 적용되며, 이는 황산염을 함유하는 유리 중에서 가용성인 구리 및 백금족 금속의 부분적 예외를 갖는다.
Si-O 시스템에서의 열역학 및 상 안정성에 대한 문헌 [S.M. Schnurre, J. Grobner, and R. Schmid-Fetzer (Journal of Non-Crystalline Solids, 336 (2004) 1-25)]은, 실리카-실리콘 접촉을 불순물의 선택적 산화에 대한 효과적 산소 공급원으로 만드는 기본적 관계를 기재한다 (특히 Schnurre 도 10, 16, 및 17에 대한 논의에서). Schnurre 도 10은, 고체 및 액체 실리콘 둘 다를 포함하는 소정 범위의 온도에 걸쳐 동일한 실리콘/산소 비율을 갖는 실리콘과 SiO2의 혼합물과 비교하여, 비정질 고체 실리콘 일산화물, SiO의 깁스 자유 에너지를 플롯팅한 것이다. 중요한 사실은, 비정질 고체 SiO가 모든 온도에서 불안정적이고, 실리콘과 산소가 조합된 안정적 형태는 용융 실리콘 및 SiO2라는 것이다. 액체 Si 및 결정질 또는 유리질 SiO2 (열역학적으로 매우 가까움)는 상이한 상이고, H2O의 고체 및 액체 상과 유사한 상으로서 유용하게 고려될 수 있다. 실리콘의 융점에서, 기체 상 계면을 갖는 Si와 SiO2의 혼합물은 기체상 SiO의 11.4 x 10-3 bar와 평형을 이룰 것이다 (이 값은 실험 오차를 가질 수 있고, 수 퍼센트 변할 수 있지만, Si-O 시스템에서의 상 전이가 O℃에서 물 중의 물-아이스 전이와 같이 예리함을 강조하기 위해 고정된 값으로서 고려됨). 2300K (실리콘의 융점보다 610℃ 높음)에서, 1 bar의 훨씬 더 높은 압력에서의 SiO는 용융 실리콘 및 SiO2와 평형을 이룬다. Schnurre 도 16은, 수평 축 상에 실리콘-산소 시스템 혼합물 중의 산소의 몰 분율 xo를 가지며 (xo는 0 내지 1 범위임), 소정 범위의 온도에 걸친 1 bar 압력에서의 기체 상 평형을 나타내는 Si-O 상태도를 플롯팅한 것이다. Schnurre 도 17은, 전체 수평 스케일이 xo = 0 내지 xo = 7 x 10-4의 범위인, 극좌에서의 해당 Si-O 시스템 상태도의 부분을 플롯팅한 것이며, 이는 0.0114 bar에서 Si, SiO2, 및 기체상 SiO가 공존하는 xo = 0.57 x 10-4에서의 점을 나타낸다.
실리콘 산소 시스템에 대하여 1414℃에서 xo=.57 x 10-4의 값은, 포화 증기의 존재 하에 O℃에서 물-아이스 시스템에서 온도와 직접적 유사성으로서 여겨질 수 있다. 온도가 표준 압력에서 물-아이스 시스템에서 O℃ 초과로 진행되면, 아이스 상이 존재하지 않는다. 잘 평형화된 물-아이스 시스템에서 온도는, 모든 물이 아이스로 변할 때까지 O℃ 미만으로 떨어질 수 없다. 평형화된 물-아이스 시스템에서 온도는, 모든 아이스가 용융될 때까지 O℃ 초과로 진행될 수 없다. 액 중에서의 실리콘-실리카 접촉에서 xo의 관계도 유사하다. 액체 실리콘에서 xo가 SiO2의 존재 하에 0.57 x 10-4 미만이면, SiO2는 용융되는 것으로 여겨질 수 있으며, SiO2 중의 실리콘 및 산소 둘 다 액체 실리콘 중에 용해되고, 이러한 용해는, 액체 실리콘에서 xo=0.57 x 10-4 산소 농도가 확립될 때까지 또는 SiO2 상이 사라질 때까지 계속된다. 다른 방향으로 진행되는 평형에서, 액체 실리콘에서 xo가 0.57 x 10-4를 어떻게든 초과하면 (과포화 조건), 0.57 x 10-4를 초과하는 임의의 산소가 (상응하는 양의 실리콘과 함께) SiO2 상으로 전달될 것이다.
용융 실리콘이 실리카 입자를 통해 유동하는 다르시 유동은, 온도 고정 아이스 배쓰와 유사하게, 용융 실리콘에 대한 "xo 고정 배쓰"로서 고려될 수 있다. 이러한 배쓰에서 xo는, 순수 실리콘 및 순수 실리카 사용시, 문헌 [Oxygen Solubility in Silicon Melt Measured in Situ by an Electrochemical Solid Ionic Sensor by A. Seidl and G. Muller]의 도 2 및 도 3에 나타낸 측정으로부터 직접 산출될 수 있다. xo는 임의의 설정 온도에서 고정되고, 온도가 실리콘의 융점 초과로 증가함에 따라 아레니우스(Arrhenius) 관계에 따라 온도에 따라 증가한다. xo=.57 x 10-4에 상응하는 (1420℃에서 용융 실리콘과 실리카 유리 접촉에서) 산소의 부분압은, 세이들(Seidl) 및 물러(Muller)의 관계로부터 산출될 수 있는 pO2이다. 산출된 pO2는 대략 5 x 10-5 기압이다.
유리는 핵 폐기물 고정화에 사용되고, 원소의 상이한 이온이 유리 중에 용해되는 pO2 값은 강력하게 오래 지속되는 연구의 사안이며, 따라서 실리콘 정제 용매로서의 실리카 및 유리의 유효성은, pO2의 설정 값에서 불순물이 용융 실리콘으로부터 실리카 내로 확산됨에 따라 불순물의 깁스 자유 에너지가 변하는 방법을 통해 작업하여 타당하게 계산될 수 있다. pO2에 대한 많은 원소의 환원 상태의 산화환원 커플의 백분율을 플롯팅한 그래프가 문헌 [Redox Chemistry in Candidate Glasses for Nuclear Waste Immobilization by Henry D. Schreiber and Angels L. Hockman, J. Am. Ceram. Soc., 70(8) 592-94 (1987)]에 도 1로서 나타나 있다. 5 x 10-5 기압의 pO2는 유리 중의 불순물 원소의 고정화를 위한 가공 범위 내에 충분히 포함된다. 용융 실리콘 중의 대부분의 원소의 활성 및 깁스 에너지가 측정되었고, 본질적으로 모든 원소의 깁스 자유 에너지가 유리에서 측정되었으며, 문헌 ["A comprehensive electromotive force series of redox couples in soda-lime silicate glass" by Henry D. Schreiber, Nicholas R. Wilk, Jr., and Charlotte W. Schreiber, Journal of Non-Crystalline Solids 253 (1999) 68-75]에 많은 결과가 기재되어 있다. 5. x 10-5 기압의 pO2에서, 평형은 대부분의 원소에서 유리에 대해 다수배 치우친다. 철의 경우, 유리에 대해 2.8 x 1011배 치우치며; 니켈의 경우, 유리에 대해 3.5 x 108배 치우친다. 대부분의 다른 전이 원소, 및 모든 1족 및 2족 원소의 경우, 유리에 대해 치우치는 배수는 더 높다.
상세한 설명
본 개시내용은 1414℃ 초과에서의 일련의 병류 및 향류 선택적 산화 용매 교환에 의한 실리콘 정제를 제공한다. 일부 실시양태는, 충전 층 및 팽창 층 컬럼 크로마토그래피에 사용되는 것들과 유사한 다르시 유동 구조를 활용한다. 총 실리콘 불순물 농도가 충분히 낮으면, 용매 입자로서 산소 버블링에 의해 제자리 형성된 얇은 벽 형성된 실리카 구체를 사용하는 질서 팽창 층 향류 정제기, 그 후 용융 실리콘으로부터 용해된 산소 (또한 아마도 용해된 황)를 제거하는 아르곤 버블링에 의해, 대부분의 또는 모든 불순물 원소에 대한 완전한 정제가 달성될 수 있다. 실리콘 정제의 보다 이전의 스테이지는 많은 방식으로 달성될 수 있다. 실리카 입자의 충전 층 또는 팽창 층을 통한 용융 실리콘의 유동은 대부분의 불순물 질량을 효과적으로 제거한다. 규화물의 선택적 산화 및 1350℃ 내지 1414℃에서의 분쇄 실리콘의 충전 또는 팽창 층을 통한 불순물 원소의 급속한 확산 또한 효과적인 정제 단계일 수 있다.
출원인은 놀랍게도, 실리콘의 정제에서 실리카가 산화 용매 및 산소 공급원/용매 둘 다로서 기능할 수 있음을 발견하였다. 또한, 현재 대부분의 실무자는, 실리카 또는 유리질 용매와의 혼합 제한이 이들 수행에 있어 엄격하게 디자인 결정에 부과됨에 놀랄 것으로 보인다. 많은 숙련된 야금학자 및 재료 과학자들에게, SiO가 임의의 비교적 높은 pO2, 예컨대 5 x 10-5 기압과 상용성이라는 것은 상상할 수 없을 것으로 보인다. 용융 알루미늄, 철, 또는 다른 금속으로의 실리콘의 첨가는 산소 게터(getter)의 역할을 하고, 이 게터 기능은 대량 기준으로 실리콘에 있어 주요 용도이다. SiO는, 완전 산화된 형태 SiO2의 절반 산소를 갖는 실리콘이고, 이는 또한, 이것이 용융 실리콘 중에 용해되는 경우를 제외하고는 산소 게터로서 작용한다. 엘링감(Ellingham) 다이어그램에서, 1414℃에서의 2 SiO + O2 = 2 SiO2 라인은 약 5 x 10-17 기압이다 (극적으로 감소함). 유사한 방식으로, 실리카 또는 실리카 유리 표면 상에 응축되는 실리콘 일산화물 기체는 유리의 pO2를 강하게 감소시킨다. 1:1 비율의 실리콘 및 산소의 첨가는 실리카 중의 실리콘에 대한 산소의 비율을 감소시키고 (이는 2:1임), 실리카 중의 임의의 용해된 산소를 게터링한다.
용융 실리콘 중으로의 SiO 분자의 흡수는 임의의 다른 표면 상으로의 SiO의 흡수와 질적으로 상이하다. 추가의 실리콘 원자가 공유 결합된, 결함 있는 거대분자 (이는 액체 실리콘임) 내로 혼입되고, 이는 그의 화학적 특성을 심지어 극소로도 변화시키지 않는다. SiO 중의 산소 원자는 실리콘 중의 산소의 농도, xo를 증가시켜, 실리콘의 pO2를 증가시킨다. 산소 농도 xo에서 용융 실리콘 중에 침지된, 그러나 기체 상 SiO와 직접 접촉되지 않은 실리카의 본체는, 이것이 침지되어 있는 용융 실리콘의 pO2와 동등한 산소 도산성(fugacity) pO2를 얻을 것이다.
실리카 용매가 불순물을 흡수하고 실리카 유리 용매가 됨에 따른 복잡화. 용융 실리콘 중에 침지된 실리카 용매가, 유리-실리콘 계면 표면 상에 형성된 불순물의 산화물과 착화됨에 따라, 실리카 유리는 보다 덜 점성이 되고, 유리 중에서의 확산성이 증가하고, 실리카로부터 형성된 유리 중의 다른 산화물에 비해 실리콘 산화물의 백분율이 감소하며, 이는 SiO2로부터의 일부 실리콘 원자가 액체 실리콘으로 전달되어, 산소 원자를 해방시켜, 유리 중으로 용해되는 금속 산화물 (Al2O3, MgO, CaO, FeO 및 FeO2, NiO 등)을 형성함을 의미한다. 이들 치환 반응의 일부는 단순히, 포함되는 금속이 실리콘에 비해 에너지/몰 기준으로 산화물 형성의 보다 높은 자유 에너지를 갖는다는 사실로부터 유래된다. 이들 보다 높은 형성 에너지를 갖는 금속 (Ca, Mg, Al 포함)은 전형적으로 야금 실리콘 중의 불순물 질량의 대략 절반을 구성한다. 이들 금속을 포함하는 치환 반응은 임의의 실리카 함유 슬래그에서 나타날 것이다 (해당 슬래그가 유리인지 또는 훨씬 덜 점성이고 훨씬 덜 유리상인 액체인지에 관계 없이). 이들 치환 반응은 실리콘 및 슬래그에서 pO2에 관계 없이 나타날 것이다.
반응 2 Al + 3 SiO2 → 3 Si + 2 Al2O3 ; 2 Ca + SiO2 → Si + 2 CaO ; 2 Mg + SiO2 → Si + 2 MgO; 및 보다 많은 것들은 단순히, 보다 약한 실리콘-산소 결합을 대체하는 보다 강한 금속-산소 결합에 의존한다.
그러나, 이온화된 (산화된) 형태의 많은 다른 금속, 예컨대 Cd, Zn Co, Fe, Se, Sn, Ni, Ti, V, Cr, Cu에 대한 치환 반응은, 단지 극히 점성인 유리질 슬래그에서 나타나고 유리 중의 이들 원소 이온의 용액의 높은 깁스 에너지에 의존하는, 철 및 니켈에 대한 이들 반응 (2 Fe + SiO2 → Si + 2 FeO (유리 중에서 착화됨); 2 Ni + SiO2 → Si + 2 NiO (유리 중에서 착화됨))을 비롯한 반응을 포함한다. 이러한 실리카 및 다른 유리 중의 용액의 에너지는, 예를 들어, 상기에 언급된 슈라이버(Schreiber), 윌크(Wilk) 및 슈라이버의 문헌에서 측정되었으며, 이는 방사성 폐기물 처분에서 광범위하게 사용되었다.
용융 실리콘과 접촉되는 실리카 용매는 황산염과 복잡한, 또한 가능하게는 유용한 관계를 갖는다. 유리 중에서의 황산염 이온 용해도는 일반적으로 0.6% 미만이다. 황산염 이온의 농도가 이 용해도 한계 초과이면, 물에 비해 낮은 점도를 갖는 황산염이 형성된다. 이들 황산염은 유리 및 용융 실리콘 둘 다와 불혼화성이다. 염 형태 및 유리 중에서의 황산염은 둘 다, 다른 경우에 필수적인 것에 비해 낮은 pO2에서 금속, 은 등의 금속 및 백금 금속을 용해시키기에 유용할 수 있다. 유리질 표면 상에 흡착된 황산염은 서로 접촉된 용융 실리콘 중에 현탁된 상이한 유리질 입자의 융합을 억제할 수 있다. 따라서, 실리카 용매에 대한 Na2SO4 또는 CaSO4의 첨가가 유용할 수 있다.
조-정제에서는, 실리카가 일부 비용이 들기 때문에 (프래킹 샌드는 현재 대략 5 센트/kg의 비용이 듦), 또한 실리카를 실리콘의 융점까지 가열하기 위해서는 에너지가 소모되기 때문에, 실리콘의 질량 유동 당 사용되는 실리카의 질량을 절약할 이유가 있다. 불순물과의 착화가 일어나는, 또한 유리를 연화시키는 Na2O 또는 H2O 등의 첨가제를 첨가함으로써 수행될 수 있는 슬래그 점도 감소는, 이것이 불순물 이온을 입자 표면으로부터 입자 중심으로 보다 빠르게 확산시키기 때문에, 또한 유리하다. 다른 경우에는 판매되거나 사용될 수 있는 정제된 실리콘으로부터 실리카를 직접 산화시키는 초-정제에서도 또한, 실리카를 절약할 이유가 있다. 두 경우 모두, 충분한 실리카를 사용하는 데 있어 이점이 존재한다. 유리 용매가 순수 실리카에 가까울수록, 용매를 이해하고 계산하는 것이 보다 용이하다.
액체 실리콘 선택적 산화 정제를 위한 선택적 산화 용매: 용융 염을 선택적으로 산화시킴. 일부 불순물 원소, 특히 금, 은 및 백금 계열 금속은, 산소보다 황에 의해 더 용이하게 산화된다. 충분히 높은 황의 부분압 및 실리콘 황화물의 평형 농도를 갖는 용융 염 (예를 들어 NaCl, KCl, Na2S 및 다른 염의 혼합물)은, 액체 실리콘의 순 산화 없이 이들 불순물을 선택적으로 산화시키고 용해시킬 수 있다. 용융 염은, 이들이 유리에 비해 훨씬 더 낮은 점도 및 훨씬 더 높은 확산성을 갖는다는 이점을 갖는다. 용융 염 중에 용해된 귀금속은 전기분해에 의해 재생되어, 재순환을 위해 용융 염을 정제할 수 있다.
고체 실리콘을 위한 선택적 산화 용매. 고체 실리콘은 극히 높은 산화 저항성을 갖는다. 이 산화 저항성은, 그의 융점 (1350 내지 1400℃)에 가까운 온도, 많은 불순물 원소가 실리콘 결정 내에서 비교적 높은 확산성을 갖는 온도, 및 반응하여 규화물을 형성하는 많은 불순물 원소가 액체 규화물을 형성하는 온도에서 높게 유지된다. 황의 높은 부분압을 갖는 용융 염은, 본질적으로 결정질 실리콘의 산화 없이, 이들 액체 규화물을 산화시킬 수 있고, 실리콘 결정의 노출 표면으로 확산된 불순물을 산화시킬 수 있다. 이어서, 용융 염 용매는 산화된 불순물과 착화되거나, 또는 다른 방식으로 이를 용해시켜, 이들 산화된 불순물을 고체 실리콘으로부터 배출시키고, 따라서 해당 고체 실리콘을 정제한다. 용융 규화물을 형성하는 불순물 및 실리콘 내에서 높은 고체 확산성을 갖는 불순물은 이러한 방식으로 정제될 수 있다. 그러나, 고체 실리콘의 선택적 산화 정제는, B, Al, P, 및 As를 비롯한, 주기율표에서 실리콘에 가까운 낮은 고체 확산성 원소의 경우, 실리콘 결정 내에서의 이들 원소의 확산이 지나치게 낮아 이들의 고체 실리콘 표면으로의 확산 속도가 미미하기 때문에, 효과가 없다.
컬럼 크로마토그래피 실용에 대한 일부 유사성이 가까운, 본 개시내용의 경우의 실용 시스템과 모델 시스템 사이의 상응성: 컬럼 크로마토그래피에 대한 다소 완전한 유사성에 기초한 시스템 정제에 대한 추측, 및 다소 신뢰되는 원리에 기초한 화학적 및 물리적 계산에 기초한 추측은, 때때로 직접적 측정과 비교될 수 있는 모델에 기초한 계산 결과 및 계산 농도를 생성할 수 있다. 모델은, 특정 형태의 등식을 사용한, 기계적, 화학적, 및 수학적 논증 및 기술을 포함할 수 있다. 추정되고 등식으로 연결될 수 있는 변수는 다소 명확히 정의된 맥락으로 적용가능한 수치로 예측을 제공한다. 실용적 방법에 적용되는 모델의 수학적 형태는 정확히 맞지 않을 수 있고 (또한 대부분의 경우 아마도 그러할 수 없음), 또한 오류가능한 측정, 오류가능한 모델, 및 오류가능한 가정에 기초한 변수의 추정치도 정확히 맞지 않을 수 있다 (또한 아마도 그렇지 않음). 경험은, 공학기술 및 과학에서의 모델이 작업상 불가결한 것임을 보여주지만, 경험은 또한, 이들이 종종 잘못 적용되고, 종종 부정확함을 보여준다. 경험은 또한, 경험 및 측정에 의해 잘 시험된 한계 내에서 적용되는 일부 모델이 잘 특정된 실용적 목적에 충분히 타당할 수 있고, 또한 때때로 놀라운 또는 심지어 확실히 완벽한 정확성을 나타내고 목적에 부합할 수 있음을 보여준다. 모델의 타당성은, 측정 (측정이 가능한 경우, 또한 실제로 수행된 경우)에 의해 시험된다. 모든 것이 측정되거나, 실제 작업에서 측정될 수 있는 것은 아니지만, 모델 시스템은 디자이너에게 (다소 신뢰되는) 지침을 제공할 수 있다. 이러한 모델에 기초한 지침은, 측정이 제공할 수 없는 상세 수준으로 존재할 수 있다. 디자인 경우에 적용되는 모델링이 잘 적용된다면 (또한 모델이 잘 작용하는 무수한 예가 존재한다면) 이는 강력한 지침이 될 수 있다.
본 개시내용은 어떤 점에서는, 수백만회 실행되고, 50년 이상에 걸쳐 이론-실용 상응성의 많은 검토와 함께 주의깊게 분석된 컬럼 크로마토그래피와 매우 유사하다. 도면에 기재된 바와 같은, 본 개시내용의 서서히 또는 간헐적으로 이동하는 입자 매질에 대한 기하학적 참조의 틀에서, 일부 실시양태의 실리카 입자 주위의 용융 실리콘의 다경로 다르시 유동은 종래의 컬럼 크로마토그래피 또는 팽창 층 크로마토그래피의 다경로 다르시 유동과 정확히 유사할 수 있다. 용융 실리콘의 이러한 다경로 유동, 및 장치 하부로 이동하는 이러한 유동의 분산은, 제자리 형성된 실리카 구체와 동일한 크기의 유리 비드를 사용하여, 또한 용융 실리콘을 대체하는 물을 사용하여 실온에서의 동일한 장치 기하구조의 정확한 레이놀즈(Reynolds) 수로 모델링될 수 있다. (예를 들어 물 중 0.4 몰 NaCl의) 입자 층 및 (예를 들어 물 중 0.8 몰 NaCl의) 펄스화된 샘플을 통한 물의 정상 유동으로, 컬럼을 통해 이동하는 유체의 일시적 및 기하학적 분산이, 예를 들어 문헌 [GE Healthcare Application note 28-9372-07 AA; Chromatography columns - Column efficiency testing]에 기재된 절차에 따라, 표준 및 종래의 컬럼 크로마토그래피 시험과 정확히 유사하게 피크 폭확대 및 피크 비대칭과 관련하여 측정될 수 있다. 미미한 또는 확실하게 공지된 입자 전도 저항성을 가정하여, 이러한 유사 시험에 대한 피크 폭확대 및 피크 비대칭은, 1414℃ 초과에서 작업되는 실리콘 정제 장치에 대한, 통상적으로 정의된 HETP 값, 또는 HETP 값과 실질적으로 동등한 단위 길이 당 평형 값을 시사한다. 입자의 층을 통한 액체의 유동과 관련하여, 본 개시내용의 정제와 컬럼 크로마토그래피의 유사성은 가깝다.
그러나, 또 다른 방식에서, 본 개시내용의 정제는 종래의 크로마토그래피와 상이하다. 종래의 크로마토그래피에서는, 분석되어 이동 매질과 정지 매질 사이에 분리되는 성분의 용해도 비율, k는, 비교적 작게 (2 내지 10의 범위) 선택된다. 분석되는 상이한 화합물이 컬럼 하부로 이동하는 속도는 1/(k+1)과 컬럼 하부로 이동하는 캐리어 액체의 속도의 곱에 비례하고, 따라서 상이한 k를 갖는 상이한 화합물은 분석에 유용한 방식으로 분리된다. 종래의 크로마토그래피에서, 분리되는 원소 또는 화합물은 컬럼 하부로 이동하는 캐리어 액체의 속도의 대략 1/2 내지 1/10의 속도로 컬럼 하부로 이동한다. (캐리어 액체는 용리액이라 불림). 유사하게, 98개의 천연 불순물 원소 j 모두에 대해, 특정 선택적 산화 용매에 대한 값 kj가 존재한다. 액체 실리콘 및 실리카 또는 실리케이트 정지 (또는 서서히 이동하는) 용매 매질을 사용하는, 본 개시내용의 하나의 실시양태에서, 많은 원소 j에 대한 값 kj는 크로마토그래피에 유용한 대략 2 내지 10 크기보다 수십 초과이다. (대부분의 또는 모든 원소 j에 대한 kj 값은 103, 105, 108 또는 그 이상일 수 있음.) 고체 분쇄 실리콘이 고체 정지 (또는 서서히 이동하는) 매질이고, 액체가 선택적 산화 용융 염인 또 다른 실시양태에서, kj의 값은 크로마토그래피에 유용한 2 내지 10 범위보다 수십 작다.
본 개시내용의 하나의 실시양태에서, 실리콘은 액체이고, 선택적 산화 용매는 실리카 또는 실리카 유리이고, 용융 실리콘과 실리카 용매 사이의 불순물의 용해도 비율은 용매에 대해 강하게 치우치며, 여기서 kj는 대부분의 또는 모든 불순물 원소에서 수백, 수천, 수백만 또는 그 이상이다. 불순물 원소는 실리카 용매와 착화되고, 이어서 불순물은, 용융 실리콘이 이동하는 속도에 비해 수백, 수천 또는 수백만배 더 느린 속도로 컬럼 하부로 이동하여, 향류로 유동하는 실리카 용매가 서서히 상향 이동하고 컬럼의 상단에서 서서히 제거됨에 따라 실리카 용매 중에 남아있다. 이러한 방식으로, 불순물이 액체 실리콘으로부터 고체 또는 유리질 실리카 용매 내로 전달되고, 여기에 머무른다. 점근적으로 순수한 용매의 충분한 공급원과 함께, N개의 이론단을 갖는 것으로 타당하게 특성화될 수 있는 컬럼에서, 이 컬럼에서 이용가능한 실리콘을 정제하는 작용을 하는 정제 인자는 kj N일 것이다. N은 용이하게 수백 또는 수천 내에 있을 수 있고, 이 경우 정제 인자 kj N의 수치는 휴대용 계산기가 나타낼 수 있는 최대수 (9.999999 x 1099)를 용이하게 초과할 수 있다. 수치상, 이러한 계산은 (이것이 타당하다면), 불순물 원소 j의 단일 원자가 정제된 (액체) 실리콘 중에 남아있을 가능성이 실질적으로 없음을 나타낸다. 정제 인자 kj N이 검출가능한 것보다 훨씬 더 작은, 또한 기술적 효과를 갖는 것으로 여겨지는 임의의 것보다 훨씬 더 작은 불순물 농도를 예측하는 경우, kj N의 정확한 값은 단지 이론상의 문제이며, 큰 인자로 벗어나, 대략의 이론이면 작업가능하게 충분히 우수하며, 가깝게 목적상 완벽과 구별되지 않을 수 있다.
N개의 별개의 이론단이 충전 층 또는 팽창 층 컬럼 내에 존재한다는 개념은, 크로마토그래피의 단 모델에 기초한다. 부정확하지만 유용한 것으로 공지된 모델이, 이것이 크로마토그래프 피크 분리를 잘 설명하기 때문에 수십년간 사용되었다. 단 모델은, 수천의 실험적 및 통계적 논문의 주제였던 보다 정확한 모델의 근사치이고, 근사치는 크로마토그래피에 적용되는 대부분의 목적상 지배적이 되기에 충분히 유용한 것으로 남아있다. 단 모델은, 크로마토그래피 컬럼이 다수의 분리 층 (이론단이라 불림)을 함유하는 것과 같이 작용함을 상정한다. 단은 실제로 존재하지 않고; 이들은 별개의 스테이지를 갖는 방법에 친숙한 사람들이 실용적 효과에 있어 별개의 스테이지를 갖는 방법에 근사하는 컬럼에서 작업시 연속적 방법을 이해하는 것을 돕는 가상적 산물임을 기억하는 것이 중요하다. 단 모델에서, 액체는 하나의 단으로부터 다음 단으로의 평형화된 이동 상의 전달에 의해 컬럼 하부로 이동한다. (이러한 단 모델 개념은 컬럼으로 나타내어지는 평형 스테이지의 수를 반영하는 직렬 탱크 모델과 동등하다.) 이는, 정지 상과 이동 상 사이의 샘플의 별도의 평형이 이들 "단"에서 나타나는 것과 같고, 이는 각각의 단이 다량 시리즈의 별개의 혼합 및 전달 단계에서 바로 상류 및 하류의 다른 "단"에 연결된 별도의 잘 혼합된 탱크인 것과 같다. 크로마토그래피 컬럼 내에는, 컬럼 성능에 의해 내재적으로 한정되는 수천 또는 수백만의 이들 "이론단"이 존재할 수 있다. 액체 실리콘 중의 대부분의 불순물 원소 및 실리카 용매에서, 용매 중의 (산화된) 불순물의 평형 결합은, 상대적으로 정지 상인 실리카로부터 이동 상 중의 불순물의 이동 속도가 실질적으로 0이거나, 또는 "정지" 상이 제거되는 평균 속도보다 낮음을 의미한다. 이 경우, 정제 인자 kj N의 계산치 (측정치가 아님)는 완벽한 ("점근적") 정제에 상응할 수 있고, 또한 포함된 정제는, 물질의 용융의 에너지 비용을 넘어선 에너지 입력, 실리카 용매를 통한 실리콘의 이동의 작은 유동 작업, 및 실리카 용매의 제조 및 소비에 있어 포함되는 손실을 포함하지 않는다.
컬럼 크로마토그래피에 대한 다소 완전한 유사성에 기초한 시스템 정제에 대한 추측, 및 다소 신뢰되는 원리에 기초한 화학적 및 물리적 계산에 기초한 추측은, 때때로 직접적 측정과 비교될 수 있는 모델에 기초한 계산 결과 및 계산 농도를 생성할 수 있다. 본 개시내용에 따른 다중 스테이지 선택적 산화 실리콘 정제는 크로마토그래피 실행과 다소 가까운 유사성을 포함한다. 유사성은, 용융 실리콘을 통해 산소를 버블링함으로써 얇은 벽 형성된 실리카 구체가 제자리 형성되고 이들 구체가 다소 조밀하게 충전된 층 (이는 구체가 접촉되지 않도록 팽창될 수 있거나 그렇지 않을 수 있음) 내에서 상향 부유하면서, 균등하게 도입된 액체 실리콘이 이들 실리카 구체를 지나 하향 유동하는 "버블 초-정제기" 스테이지에 대하여 가장 가깝고 가장 타당한 것으로 보인다. "버블 초-정제기"는, 고정된 고체 매질보다는 이동하는 입자를 포함하며, 이는 배치 작업 시스템보다는 정상 상태-정상 유동 시스템이다. "버블 초-정제기" 내에서, 입자의 실리카 벽 두께는 일반적으로 마이크로미터 미만이고, 따라서 실리카 유리 용매와 실리콘 사이의 평형은 빠르다. 구체 사이의 다경로 실리콘 유동 이동은 (구체 상에 중심을 갖는 이동하는 참조 틀에 대하여) 컬럼 크로마토그래피에서 나타나는 것과 정확히 유사하여야 한다. 용융 실리콘 공급물이 또한 그의 사파이어 컨테이너 표면을 열화시키는 Ca와 같은 부식성 원소에 대해 정제된, 충분히 낮은 불순물의 초기 총 농도 (아마도 100 ppm 원자 미만)를 갖는 용융 실리콘 공급원료가 공급되는 "버블 초-정제기"는, 측정가능 농도 수십 미만 농도에 상응하는 대부분의 또는 모든 불순물 원소의 정제를 생성하도록 의도된다. 실리카 용매가 실리카의 고체 라운딩된 과립인 액체 실리콘 정제기, 또는 선택적 산화 용융 염을 사용하는 고체 실리콘 정제기를 포함하는, 정제의 보다 조기 스테이지는, 확산 저항성이 훨씬 더 높기 때문에, 모델링이 보다 복잡할 것이며, 보다 많은 모델링 불확실성을 포함할 것이다. 그러나, 이들 정제의 보다 조기 스테이지는, 많은 또는 모든 불순물 원소에 대하여 실리콘 중의 불순물의 농도가 측정가능한 입력 및 출력을 포함할 것이다.
모델링에 사용되는 수학의 역학은 연속적이며 미분가능하고, 수학에서 수의 분배는 제한 없이 진행될 수 있다. 그러나, 물리적 물질은 별개의 원자로 구성된다. 다른 경우에 일어날 수 있는 모델링 혼란을 피하기 위해, "점근적 순도"의 개념을, 몰 당 단일 불순물 원소 원자가 나타날 가능성이 1 미만인 상태인, 1.66 x 10-24 미만의 농도로서 특정 원소에 대하여 정의함으로써 이러한 차이를 수용하는 것이 분석적 및 개념적으로 유용하다. 이러한 "점근적으로" 낮은 농도는 단지 통계적 개념이지만, 이는 개념적으로 명확하고, 이러한 의미에서 완벽한 순도의 실용적 정의이다. kj N의 정제 인자 및 초기 농도에 적용시, 농도에 대한 불확실성, kj 값에 대한 불확실성, 및 N 값에 대한 불확실성이 존재할 수 있다. 모델에 대한 불확실성이 존재할 수 있다. 그러나, 이는 여전히 명확한 것으로, 임의의 이용가능한 증거에 적용되는 것으로, 또한 이들의 수치상 이해가 합리적인 디자인 계산을 위해 충분히 적합하다는 타당한 추정에 적용되는 것으로 보일 수 있다. 심지어 불확실성을 포함한, 이들 인자의 결과는 1.66 x 10-24 미만이고 점근적 순도에 상응함이 명확한 것으로 보일 수 있다. 이러한 의미에서, 대부분의 또는 모든 불순물 원소에 대하여 점근적 순도를 위한 정제 시스템을 디자인하는 것이 타당할 수 있다. 명백히, 이러한 디자인 절차는, 점근적 순도보다 수자릿수 높은 불순물 농도가 임의의 실용적 목적에 있어 완벽할 수 있다는 의미에서 온건할 것이다.
실리콘 정제는, 상이한 유효성을 갖는 상이한 불순물을 제거하는 상이한 스테이지를 사용하여, 정제기를 직렬로 배열함으로써 수행될 수 있다. 상이한 스테이지는 상이한 정제 사양에 놓일 수 있다. 직렬의 M개의 상이한 정제 반응기에서, 1 내지 13의 원자 번호 i 및 14 내지 103의 원자 번호 i (원자 번호 14의 실리콘을 제외한 모든 원자 번호) 및 각각의 반응기 내의 각각의 원소에 대한 정제 인자 
에 대하여, i 원소 각각의 총 불순물 농도가 충분히 낮을 것, 또한 이상적으로는 점근적으로 낮을 것이 요망된다. 또한, 총 실리콘 손실, 및 총 에너지 및 자본 비용을 최소화할 것이 요망된다. 각각의 정제기 스테이지 j는 각각의 원소에 대한 정제 인자 
를 가질 것이다. 정제의 디자인 목표는, 주기율표의 각각의 불순물에 대하여 최종 (Mth) 반응기의 출구에서 작업 목표 농도 (이상적으로는 점근적 순도) 미만의 결과 
을 갖는 것이다.
일부 정제 스테이지 (예를 들어, 용융 염 스테이지)는 불순물을 제거할 뿐만 아니라 이들을 첨가할 수도 있다. 이들 불순물의 첨가는, 첨가된 불순이 하류 스테이지에서 쉽게 제거된다면 용인가능할 수 있다. 일반적으로, 주기율표의 모든 원소에 대한 적절한 (또는 심지어 점근적) 정제의 목표를 충족할 수 있는 디자인의 세트는 큰, 확실히는 무한한 세트이다. 거대 생산 스케일 또는 보다 작은 스케일의 실용적 디자인 과업은, 디자이너 및 작업자가 적절히 신뢰하고 이해하는 방식으로 허용가능한 타당하게 작은 (이상적으로는 최소의) 비용으로 요망되는 실리콘 정제를 얻는 것이다.
레이들 처리 전, 제련기로부터의 통상적 야금 실리콘은, 대략 1%, 또는 대략 104 백만분율 (ppm) 원자의 불순물 농도를 갖는다. 이 농도를 104로부터 100 또는 10 ppma로 끌어내리는 과업은 "조-정제"라 불릴 수 있다. 이 조-정제 과업은, "초-정제"라 불릴 수 있는, 불순물 농도를 1 또는 10 ppm으로부터 ppt 이하의 농도로 끌어내리는 과업과 질적으로 상이하고, 그보다 훨씬 더 많은 불순물 질량을 포함한다. 논리적으로, 또한 실용적으로, 동일한 정제기 스테이지가 일부 원소에 대해서는 조-정제기, 일부 다른 원소에 대해서는 비효율적 정제기 스테이지, 또한 또 다른 원소에 대해서는 초-정제 스테이지의 역할을 할 수 있다. 보다 많은 원소에 대해 보다 높은 정제를 위한 스테이지를 디자인하기 위해, 전형적으로, 추가 디자인 케어 및 세련화를 포함하고, 이는 일부 비용을 포함할 수 있지만, 이러한 추가 디자인 케어 및 세련화는, 특히 막대한 생산 용적이 포함되는 경우, 총 플랜트 비용 또는 유효성과 관련하여 판단될 수 있다.
예를 들어, 실리콘의 융점 근처의 온도에서 분쇄 실리콘 입자는, 선택적 산화 용융 염이 많은 원소의 불순물 질량의 많은 부분을 제거할 수 있도록 고체 실리콘을 통해 충분히 빠르게 확산되는 일부 불순물 원소를 갖는다. 입자 및 염의 유동 패턴이 보다 안정적이 되고, 보다 질서 있는 향류 특징을 가짐에 따라, 또한 재순환된 용융 염을 정제하는 수단이 보다 효과적이 됨에 따라, 이러한 종류의 용융 염 고체 정제 스테이지는, 주기율표 상의 실리콘 근처의 낮은 고체 확산성 불순물 원소 (B 및 P 포함)에 대해서는 정제 효과를 거의 갖지 않으면서, 결정질 실리콘 내에서 빠르게 확산되는 많은 원소 (백금족 원소 포함)에 대하여 초-정제기가 될 수 있다. 이러한 고체 정제 스테이지의 개발에 대한 디자인 선택은, 본 개시내용의 유동 교시내용을 포함할 것이지만, 이는 또한, 이러한 고체 상 실리콘 정제기의 부류에 대한 예측가능한, 높은 계면적, 높은 구배의 다르시 유동의 유효성을 나타내는, 본 개시내용에 의해 예상되거나 제한되지 않은 디자인 노력을 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 산소 공급원 및 불순물의 선택적 산화를 위한 용매 둘 다의 역할을 하는 실리카 입자의 팽창 층 또는 충전 층으로 용융 실리콘을 통과시키는 것은, 실리카를 통과하는 실리콘 중의 불순물 질량의 대부분에 대해, 또한 대부분의 불순물 원소에 대해, 조-정제기로서 효과적으로 작용할 것이다. 이러한 유동 구조는 또한, 본질적으로 많은 원소 (Ca, Mg, 및 Al 포함)에 대해 초-정제기의 역할을 할 수 있다. 보다 많은 디자인 세련화에 의해, 특히 실리카에 대한 다른 유동 첨가에 의해, 이러한 "조" 정제기 구역은 보다 많은 원소에 대해 보다 효과적인 정제기가 될 수 있다. 이러한 용융 실리콘 - 실리카 용매 정제 스테이지의 개발에 대한 디자인 선택은 또한, 본 개시내용의 유동 교시내용을 포함할 것이지만, 이는 또한, 이러한 용융 실리콘 실리카 입자 정제기의 부류에 대한 예측가능한, 높은 계면적, 높은 구배의 다르시 유동의 유효성을 나타내는, 본 개시내용에 의해 예상되거나 제한되지 않은 디자인 노력을 포함할 수 있다.
도 1a, 1b, 1c, 1d, 및 1e는, 본 개시내용의 이해에 있어 중요한 다르시 유동에 대한 유동 관계를 나타내는 개략도이다. 크로마토그래피는, 임의의 특정 화학물질에 대한 용리액 통로 길이 및 체류 시간이 매우 균일한 다르시 유동을 포함한다. 실리콘 정제를 위해 필수적인 불순물 흡수 및 착화는, "이론단 해당 높이" 또는 "HETP"와 매우 유사한 다중 평형을 갖는 유사한 유동을 포함하지만, 유동로는 굴곡될 수 있고, 상이한 스트림라인에 대한 체류 시간은 모든 스트림라인이 충분히 많은 수의 유효 평형을 포함하는 한 달라질 수 있다. 본 개시내용의 실시양태는, 컬럼 크로마토그래피에서의 유동과 다소 유사한 다르시 유동을 포함한다. 이들 유동은, 다양한 버블링, 불활성 기체 제트, 전기 유도, 또는 다른 교반 접촉 수단에 의해 교반되는 유동에 대한 실리콘 접촉을 갖는, 도가니 내에서, 또는 대규모 레이들 내에서 액체 실리콘과 일어나는 개방된 소용돌이 혼합 유동에 비해, 훨씬 더 예측가능하고, 화학반응이 일어나는 분자 스케일에서 균질하고, 훨씬 더 빠르고 통계적으로 타당한 혼합을 포함하고, 정제를 위해 훨씬 더 유용하다. 놀랍게도 불균질한 혼합 통계를 갖는, 매우 불완전한 혼합은 난류의 특징이다. 선행 기술의 실리콘 정제에서 나타나는 혼합을 포함한, 통상적 난류 혼합의 불균질한 성질은 통상적으로 보이지 않지만, 기억가능한 사진을 생성하는 것들을 포함한, 특수한 유동 가시화 실험에서 명확히 가시화될 수 있다. 이를 위해 탁월한 사진은 문헌 [An Album of Fluid Motion, Assembled by Milton Van Dyke]의 도 162 내지 166에 포함되어 있다. 아마도 가장 선명한 것은, 물의 탱크 내로 주입된 염색된 물의 난류 제트에서의 혼합을 보여주는 상기 문헌의 도 166 (Dimotakis, Lye and Papantoniouu)일 것이다. 레이저 평면은 제트를 조명하여 제트의 대칭 평면에서 제트 유체의 농도를 보여준다. 대규모 혼합, 또한 화학반응이 일어나는 분자 스케일에서의 혼합은 두드러지게 불완전하고, 이는 실제로 혼합되지 않은 사진화된 제트에서 유체의 큰 덩어리를 갖는다. 문헌 [Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 37: 329-356 (2005) Paul Dimotakis]에는, 화학 종 확산의 스케일보다 모두 훨씬 더 큰 스케일의 폭넓은 스펙트럼에 걸쳐 일어나는, 난류 혼합에 대한 기본적 문제가 요약되어 있다. 초기에 혼합되지 않은 액체의 충분한 교반에 따라, 계면적이 증가하고, 확산 거리가 감소하고, 난류에서 농도 구배가 증가하고, 결국 교반 용적 (예를 들어 크리머를 갖는 커피 한잔)은, 분자 스케일 불균질성에 접근한다. 그러나, 난류 혼합 과정은 화학반응이 일어나는 마이크로스케일에서 비교적 느리고 혼란상태이며, 시간 및 노동 둘 다를 필요로 한다. 액체를 혼합하여 완전한 반응에 이르기 위해 작업하는, 또는 결정을 거의 포화된 액체 중에 용해시키기 위해 작업하는 화학자는, 경험으로부터, 또한 거의 반사적으로, 난류 혼합이 전형적으로 얼마나 느린지를 인지한다.
실리콘 정제에서는, 계면적을 최대화하고, 농도 구배를 최대화하고, 확산 거리를 최소화하는 것이 중요하고, 질서 있는, 통계적으로 예측가능한 실리콘과 용매 사이의 접촉을 제공하는 것이 중요하다. 대수층에서, 다양한 여과 배열에서, 또한 크로마토그래피에서 일어나는 것들과 같은 다르시 유동은, 액체가 유동 통과하는 입자와 액체 사이의 극히 큰 계면적을 특징으로 한다. 액체와 입자 사이의 확산 거리가 작기 때문에 액체와 입자 사이의 농도 구배는 높다. 평형에 도달하기 전에, 입자가 작기 때문에 입자 내의 농도 구배가 크다. 입자가 얇은 벽을 갖는 경우, 평형은 또한 더 빠를 수 있다. 질서 있는, 통계적으로 예측가능한 실리콘과 용매 사이의 접촉은 다르시 유동으로 배열될 수 있다.
도 1a는, 액체 및 입자가 유동 속도를 갖는 입자를 통해 이동하는 액체의 다르시 유동의 스케치이다. 액체 및 입자는 각각 평균 속도를 갖고, 동일한 또는 반대 방향으로 유동할 수 있다. 스케치는 일부 간단한 정의를 위해 유용하다. 액체 및 입자가 동일한 방향으로 (병류) 이동하는지 또는 반대 방향으로 (향류) 이동하는지? 매질 중 하나가 정지 매질인지? 입자를 통해 이동하는 액체에 의해 발휘되는 유동 힘이 입자를 압축하도록 작용하는지 또는 입자를 분리하도록 작용하는지? 입자 상의 유동 힘이 부력 힘을 강화시키는지 또는 그에 대항하는지? 병류 유동, 향류 유동, 부력이 유동 이동에 대항하고 유동 이동이 입자를 분리할 수 있는 유동, 및 견인력 및 부력 둘 다 입자를 압축하는 유동 장이 모두 실리콘 정제에 있어 유용할 수 있다. 다공성 매질 또는 입자를 통한 유동에 대한 다르시의 법칙은 전기에 대한 옴의 법칙과 유사하고, 
이다 (여기서, κ는 단위 면적 당 투과율이고, μ는 점도임). 도 1b는, 입자 충전 튜브를 통한 액체의 유동 스트림라인이 직선이고 균일한 상황을 나타내는, 정의에 상응하는 스케치를 나타낸다.
도 1c는, 크로마토그래피에서 개념적으로 유용하고 폭넓게 사용되는 직렬 탱크 모델인, 컬럼 길이를 분할하는 N개의 이론단을 갖는 컬럼의 개략도이다. 도는 크로마토그래피, 향류 교환, 및 다른 경우에 유용하고 폭넓게 사용되는 "이론단 해당 높이" 또는 "HETP"의 발상을 나타낸다. 크로마토그래피 컬럼에서 또는 본 발명의 실리콘 정제 개시내용의 다르시 유동에서 일어나는 것에 대한 논의를 위해서는 유사성이 유용하다. 도 1e는 도 1c와 유사하고, 이는 굴곡된 경로 또는 통로에 대한 이론적 평형에 대한 해당 길이를 나타낸다.
크로마토그래피에서는, 분리되는 화학물질의 용리 속도가 컬럼의 모든 용리액 스트림라인을 통해 정확히 균일하고, 따라서 컬럼을 통한 체류 시간이 조밀하게 분포되고 분리가 일어나는 것이 필수적이다. 이러한 공간적 균일성은, 분석을 위해 이들 불순물을 공간적으로 분리하기보다는, 모든 불순물을 흡수하고, 착화시키고, 용매 스트림 내로 제거하는 목표를 갖는 정제에 있어 필수적인 것은 아니다. 균일한 스트림라인 길이를 갖지 않는 굴곡된 통로도 실리콘의 실리카 정제에 사용되는 흡수 및 화학적 착화 정제를 위해 수용가능하다. 충전 층에 대해서, 유동하는 액체와 입자의 표면 사이의 완전 평형에 대한 해당 길이는 (예를 들어, 크로마토그래피의 가역적인 흡착 탈착을 위해), 상업적 크로마토그래피 충전 및 물질에 대하여 전형적으로 약 3 평균 입자 직경이다 (GE Healthcare Application note 28-9372-07 AA; Chromatography columns - Column efficiency testing: "Optimal column efficiency typically corresponds to an experimentally determined reduced plate 높이 of h ≤ 3 for the porous media employed in bioprocess chromatography"). 본 개시내용에 따른 실리콘 정제에서 액체와 입자 표면 사이의 평형의 길이는 굴곡된 또는 직선 유동로를 갖는 타당하게 충전된 유동에서 유사할 것이다 (3 내지 5 평균 입자 직경). 정제를 위해, 실리카 유리 흡수 층을 통한 유동로 균일성 및 체류 시간 균일성이 필수적인 것은 아니다. 필수적인 것은, 평형 흡수의 수가 실리콘이 통과하는 모든 스트림라인에서 충분히 큰 것이다.
도 1a 내지 1e가 다르시 유동의 모든 특징을 나타내지는 않지만 (이는 다른 경우에는 광범위하게 벡터 또는 텐서 형태로 나타내어짐), 도는, 유동의 대규모 패턴 및 보다 소규모 용적에 적용되는 문제인, 본 개시내용의 실리콘 정제 디자인과 관련된 문제를 나타낸다. 주요 문제는 하기와 같다:
입자 유동 및 유체 유동의 방향이 동일한지 또는 상이한지?
부력 및 입자 견인력의 방향이 동일한지 또는 상이한지?
어떤 경로 길이가 "평형 길이"에 상응하는지 또는 입자, 조성, 및 충전에 대해 어떤 단일 HETP 길이가 크로마토그래피 컬럼에서 이들 입자인지? (이 길이는 3 내지 10 평균 입자 직경 범위에 있어야 함.)
정제기를 통해 이동하는 실리콘의 한 분자가 통과하는 "평형 길이"의 최소 수가 몇인지? 정제에서, 최소 경로 길이는 경로 길이의 평균 수보다 훨씬 더 중요하다. 용매를 절약하기 위해, 유동 길이의 분포 (및 그에 따라 용매 로딩)가 상당히 균일한 것이 바람직하다.
유체 유동 및 입자 유동의 유동 스트림라인이 어떻게 함께 포개어지는지? 최고 순도가, 실리콘을 무한한 청정 용매의 공급원으로 세척한 경우에 가능한 순도와 대략 동일한 향류 유동인지? 또는, 기껏해야 1개의 화학 평형 스테이지가 가능한 병류 유동인지?
정제를 위해 중요한 방식으로 용매 공급원이 얼마나 청정한지? (각각의 불순물 원소는 별도의 불순물로서 카운팅되고, 용매 중의 낮은 불순물 농도에서 이들 원소마다의 농도는 본질적으로 독립적임.)
특정 유동에 대해 용이하게 질문되고 답변될 수 있는 이들 간단한 문제는, 본 개시내용의 정제기의 기능을 명확화할 것이며, 이는 모두, 액체와 고체 표면 사이의 강한 확산성 커플링을 갖고, 극히 큰 계면 표면적을 갖고, 비교적 짧은 입자 내 확산 거리를 가지며, 다르시 유동 또는 다르시 유동에 가깝게 근사하는 유동을 활용한다.
본 출원인은, 다르시 유동 원리가 실리콘 정제를 위한 시스템에 적용될 수 있음을 발견하였다. 통상의 화학자들이 종종 크로마토그래피에 적용하는 강력한, 미세 스케일 관찰을 또한 다르시 유동을 사용하는 실리콘 정제에 적용할 수 있다.
실리콘 정제 및 크로마토그래피의 목표, 및 관련된 기능적 상세사항은 본질적 방식에 있어서는 유사하고, 다른 것들은 상이하다. 크로마토그래피의 목적은 2종 이상의 초기 혼합 화합물을 분리 (혼합-해제)하고, 따라서 이들 화합물을 공간상 분리하는 것이다. 고정된 및 이동하는 매질에 대한 화합물의 친화력의 비율이 상이하고, 따라서 이들이 상이한 속도로 컬럼 하부로 이동하기 때문에 분리가 일어날 수 있다. 모든 화합물은, 이들이 실제로 용리액 중에 용해될 때 동일한 속도로 컬럼 하부로 이동한다. 그러나, 상이한 화합물의 분자는 정지 매질 입자 상으로 흡수되는 이들의 시간의 상이한 부분을 소비하고, 따라서 평균 속도는 화합물마다 다르다. 이러한 분리가 유용하도록 충분히 예리하게 일어나기 위해서는, 크로마토그래피 컬럼을 통과하는 모든 유체 원소 (또는 추적자 화합물)에 대한 유동로 길이가 가능한 한 조밀하게 분포되고, 따라서 동시에 컬럼 내로 주입된 모든 특정 추적자 (또는 분리되는 화합물)이 거의 동시에 컬럼 외부로 (또는 동일 라인 또는 동일 평면을 가로질러) 배출되어야 한다. 크로마토그램은 농도 (또는 농도의 일부 척도) 대 시간의 맵핑이다.
실리콘 정제를 위해, 이러한 맵핑은 포함되지 않고, 그러한 크로마토그래피의 공간적 상세사항 및 그러한 다소 정확한 스트림라인 정렬은 불필요하다. 필요한 전부는, 각각의 유체 원소 경로가 (이상적으로는 완벽한) 정제를 위해 충분한 평형을 포함하는 것이다. 각각의 평형은 실리카 또는 유리질 용매 중의 흡수에 대하여 강하게 치우친다. 평형이 많을수록 정제가 우수하다.
도 2a, 2b, 및 2c는, 본 개시내용에 따른 효과적인 실리콘 정제에 있어 중요한, 용매와 실리콘 사이의 향류 교환 및 병류 교환의 개념을 나타내며, 이는 도 1d 및 1e에 기재된 직렬 탱크 "이론단 모델"에 가깝게 상응하며 이에 대한 상세사항을 제공한다.
도 2a에 모델링된 병류 실리콘-실리카 유동에서, 액체 실리콘 및 실리카 입자는 동일한 방향으로 유동하고, 도 2a는 접촉을 따르는 30개의 별도의 "이론단"을 나타낸다. (도 1c에 나타낸 바와 같이, 실제 경우를 모델링한 것에서는, 실리카 및 실리콘이 연속적으로 평형을 이룬다.) 이와 같은 병류 유동에서, 실리콘 및 용매는 단지 1회 평형을 이룰 수 있고, 이 제1 "단"에서 완전 평형이 달성되면, 이후 29개 단에서는 추가의 분리가 일어나지 않는다. 유효 평형이 훨씬 더 느리면, 전체 화학적 평형 (이는 실리콘과 입자 표면 사이의 화학 및 확산 뿐만 아니라 입자 표면으로부터 입자 내로의 확산에 의존함)이 전체 30개 접촉에 걸쳐 일어나지 않을 수 있다. 도 8의 정제기의 조-정제는 이와 같은 병류 유동이고, 이 조-정제기에서는 실리콘과 실리카 사이의 전체 화학적 평형 미만이 만족스런 조-정제를 구성할 것이다.
도 2b는, 실리콘 및 용매가 반대 방향으로 유동하는, 향류 실리콘-용매 유동을 갖는 단 모델을 나타낸다. 도 2a의 경우에서와 같이, 30개의 "이론단" 분할이 나타나 있다. 이와 같은 향류 유동에서는, 확산이 충분히 빨라서 각각의 "단"에서 화학적 평형이 나타나는 조건 하에, 30개의 평형이 직렬로 존재한다. 도 3의 논의에서 보다 상세히 기제되는 바와 같이, 이러한 향류 배열은, 용매가 포화로부터 충분히 멀리 남아있는 경우, 또한 실리콘과 실리카 용매 사이의 확산이 충분히 빠른 경우, 대단히 더욱 완전한 분리를 가능하게 한다. 포함된 정제는 다르시 유동에서 나타나고, 액체-액체-추출에 대해 주의깊게 디자인된 충전 컬럼에서 나타날 수 있지만, 선행 기술의 용매 기재의 실리콘 정제의 특징인 통상적 난류 조건에서는 나타날 수 없는 잘 정렬된 유동에 의존한다.
도 2c는, 향류 교환 및 병류 교환의 개념이 직선 스트림라인 뿐만 아니라 굴곡된 스트림라인에 대해서도 타당하다는 발상을 나타낸다.
하기 관계는, 유동 배열이 이상적인 향류 교환을 함유하고 (또는 이것으로 근사될 수 있고), 실리콘이 조-정제되어, 평형 실리콘-용매 비율이 각각의 불순물 원소에 대해 일정하게 유지되도록 용매 중의 불순물 농도가 총분히 낮게 유지되는 한, 향류 정제 배열에 적용된다. 이러한 조-정제 후, 실리콘과 용매 사이의 이상적인 향류 교환이 특정 i번째 원소에 대해 배열되면, 실리콘과 용매 사이의 네른스티안(Nernstian) (불변) 평형 분리 인자 
가 존재한다. N개의 향류 교환이 일어난다. 실리콘이 교환기를 따라 향류 교환을 통해 유동함에 따라, 교환의 수는 개시시의 O으로부터 출구에서의 N으로 진행된다. n개의 교환 후 정제에 대한 유한 증가 근사 식을 하기 수학식 (1)에 나타내었다:
여기서,
실리콘에서의 i번째 원소에 대하여, 
이고,
-n은 실리콘의 입구로부터 교환기를 따라 카운팅되는 이론적 평형 교환의 수이다.
특정 교환기에 대해, 각각의 불순물 원소에 대해 하나씩 i개의 이러한 등식 세트가 존재한다. 상기 향류 교환 모델은, 
가 1보다 훨씬 작음을 가정하고; 향류 교환기에서의 이론적 교환의 수, N이 1보다 훨씬 큼을 가정하고; 이용가능한 입력 정제 용매의 불순물 농도 
가 극히 낮고, 이상적으로 0임을 가정한다. 이러한 경우, 충분히 작은 
및 충분히 큰 N에 대하여, 완벽히 순수한 용매 (
=0)를 사용한 i번째 원소에 대한 실리콘의 향류 정제는 점근적 순도를 생성할 수 있다. 그러나, 교환기에서의 실리콘의 순도, 
는 
미만으로 떨어질 수 없다.
도 3은, 완벽한 입력 용매 순도의 가정 하에 5개의 스테이지 (이론단)에 대한 이러한 향류 교환을 나타내며, 여기서 
및 그에 따라 
는 0이다. 
의 초기 불순물 농도에서, 5개 교환 후 농도는 
이다. 실리콘 및 실리카 및 대부분의 불순물 원소에 대하여, 관련 농도 비율 
는 0.01보다 훨씬 낮고, 
은 극도로 작은 수이며, N이 커짐에 따라 한계 내에서 0에 접근할 것이다. 모델은 5개의 "이론단"을 나타내지만, 실제 정제기는 정제를 위해 실리콘이 통과되는 임의의 스트림라인 경로에 대해 수백개의 이론단을 가질 수 있으며, 이는 나타낸 5개 단의 경우보다 훨씬 더 높은 정제를 제공한다. (20℃에서 물의 경우와 유사한) 용융 실리콘의 동적 점도에 대한 액체 유동과 입자 표면 사이의 평형은, "이론단"이 3 내지 5 평균 입자 직경 범위에 있도록 충분히 빠르다. 5의 수, 및 200 마이크로미터의 입자 직경을 고려하면, "이론단"은 밀리미터일 것이고, 10 센티미터는 100개의 "이론단"일 것이다. 등몰 실리콘 및 실리카 중의 철에 대한 
의 값은 약 4 x 10-12일 것이고, 
는 10-57 미만일 것이다. 산출된 
또는 
은 휴대용 계산기에서 표시불가하고, 대부분의 다른 원소에 대해 계산된 평형 값은 철에 대한 것보다 훨씬 더 작다. 다르시 유동에서 나타나는 높은 정도의 유동 질서를 갖는 향류 교환은, 야금 실리콘 중의 대부분의 불순물 원소의 점근적 정제를 생성할 이론적 가능성을 갖는다. (점근적 정제는 측정될 수 없고, 이는 불필요하게 높고, 아마도 달성불가한 표준이다. 요점은, 향류 교환이, 0.1 미만의 
값이 나타날 수 있다면 임의의 불순물 원소 i에 대해 필요한 임의의 정제도를 생성할 가능성을 갖는다는 것이다.)
도 4는, 본 개시내용의 기본적 저에너지 실리콘 정제 체계를 요약한 것이며, 이는, 용매 (실리카 및 첨가제) 및 실리콘을 실리콘의 융점 (1414℃) 초과로 가열하는, 실리콘 및 용매(들)를 1414℃ 초과에서 매우 질서 있는 유동 (이상적으로는 다르시 유동)으로 병류 및 향류로 접촉시켜, 실리콘으로부터 불순물을 제거하고 이들 불순물을 용매에 전달하는, 잘 절연된, 또한 이상적으로는 단열 과정, 1414℃ 초과에서의 실리콘-용매 접촉에 의해 생성된 불순물-적재된 슬래그를 수집하고 이를 보다 저온에서 처분하는 수단, 및 실리콘을 고화 및 냉각시키는 수단을 포함한다. 열 손실은 제외하고 (또한 시스템 절연은 본 개시내용에서 처리되지 않는 별도의 주요 도전임), 또한 "충분히 순수한" 실리카 용매의 공급원을 가정하면, 실리콘을 정제하는 에너지 비용은 실리콘을 용융시키고 실리카 용매를 용융 실리콘 온도로 가열하는 에너지 비용 이하일 것이다. 이는 현재의 실리콘 정제의 에너지 비용의 1/50 미만이다. 기본적 요점은, 단열 (순 열 전달이 없음) 시스템에서, 도 4의 패턴에 따른 실리콘 정제 (심지어 점근적 순도까지)를 위한 이론적 에너지 요구량이, 실리콘을 용융시키고 용매를 가열하는 에너지 비용을 넘지 않는다는 것이다. 화학 평형에 대한 식 
은 특정 원소 i에 대한 평형을 비율 K로서 나타내기 때문에, 극히 높은 정제 (심지어 점근적 정제)가 가능하다. 평형이 모든 스테이지에서 달성될 수 있다면, 완벽히 순수한 용매와의 평형 정제 교환의 하나의 스테이지는 농도를 K배만큼 감소시킨다. 이 스테이지로부터의 정제된 물질을 전달하고, 다시 완벽히 순수한 용매와 교환하면, 농도는 추가의 K배만큼 감소하고, 여기서 총 정제 인자는 K2이다. 추가의 스테이지는 정제를 K3...K4...K5 등등의 배수만큼 증가시킨다. 다르시 유동에서 가능한 잘 정렬된 부류의 향류 교환은, 이러한 종류의 정제 연산을 생성한다. 제한 인자는 이용가능한 용매의 순도라는 요점이 나타난다. 도 5의 정제 배열에서, 용매는 이용가능한 가장 순수한 실리콘으로부터 산화되고, 정제된 실리콘은 향류 교환의 아래에 있다.
임의의 불순물 원소 i에 대한 정제의 기본적 식은 
(여기서, N은 평형의 수임)이다. 임의의 특정 유체 경로에 대해 N의 값이 클수록, 해당 경로에 대해 보다 큰 (또한 보다 안전한) 정제가 될 것이지만, N의 정확한 값은, 이것이 충분히 크다면 중요하지 않다. 각각의 유체 경로가 동일한 N을 포함하거나, 또는 동일한 체류 시간을 포함할 필요는 없다.
잘 충전된 크로마토그래프 컬럼의 공간적 정돈이 다르시 유동을 사용하는 실리콘 정제 배열에 있어 유용할 수 있으나 (이는 크로마토그래피 실용의 잘 확립된 시험과 유사하게 시험을 용이하게 함), 이것이 기능적으로 필수적인 것은 아니다.
본 개시내용은 실리콘 정제 장치를 제공한다. 하나의 실시양태에서, 장치는 상단부, 대향하는 저단부, 및 대향하는 단부들 사이에서 연장되며 챔버를 한정하는 측벽을 갖는 용기를 포함한다. 용기의 상단 부분에는 챔버 내로 용융 실리콘을 도입하기 위한 실리콘 유입구가 존재한다. 용기의 저부 부분에는 기체 주입 구조물이 존재한다. 기체 주입 구조물은, 챔버 내로 산소를 포함하는 기체를 도입하기 위한 복수의 오리피스를 갖는다. 기체는 버블 형태로 도입되고, 여기서 용융 실리콘 내로의 기체 버블의 도입은 버블의 외부에서 실리콘을 산화시키고, 챔버 내에 복수의 계내 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드를 생성한다. 장치는 실리콘 유입구와 기체 주입 구조물 사이에 배치된 향류 교환 구역을 포함한다. 향류 교환 구역은 (1) 용융 실리콘의 제어된 하향 유동 및 (2) 비드의 제어된 상향 유동을 포함한다. 용융 실리콘과 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드 사이의 향류 유동은, 용융 실리콘 중에 존재하는 불순물이 상향 유동하는 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드 내로 전달되어 하향 유동하는 용융 실리콘이 정제될 수 있게 하는, 하향 유동하는 용융 실리콘과 상향 유동하는 비드 사이의 긴밀한 고면적 접촉을 제공한다.
하나의 실시양태에서, 실리콘 정제 장치(10)가 제공되고, 이는, 도 5, 5a 및 5b에 나타낸 바와 같이, 상단부(14), 대향하는 저단부(16), 및 대향하는 상단부와 저단부 사이에서 연장되며 챔버(20)를 한정하는 측벽(18)을 갖는 용기(12)를 포함한다. 용기(12)는 용융 실리콘에 대하여 불활성인, 또는 실질적으로 불활성인 물질로 제조된다. 용기에 적합한 물질의 비-제한적 예는 사파이어 및 흑연을 포함한다.
장치(10)는, 용융 실리콘(24)을 챔버(20) 내로 도입하기 위해, 용기(12)의 상단 부분에 실리콘 유입구(22)를 포함한다. 장치(10)는 용기(12)의 저부 부분에 기체 주입 구조물(26)을 포함한다. 기체 주입 구조물(26)은 기체를 챔버 내로 도입하기 위한 복수의 오리피스(28)를 갖는다. 기체는 산소를 포함한다. 기체의 도입은 챔버(20) 내에 복수의 계내 실리카-벽 형성된 산소 비드(30) (이하에서는 "비드"(30))를 생성한다. 장치(10)는 실리콘 유입구(22)와 기체 주입 구조물(26) 사이에 배치된 향류 교환 구역(32)을 포함한다. 향류 교환 구역(32)은 (i) 화살표(34)로 나타낸 바와 같은 용융 실리콘(24)의 제어된 하향 유동; 및 (ii) 화살표(36)로 나타낸 바와 같은 비드의 제어된 상향 유동을 포함한다.
하나의 실시양태에서는, 환상 부재(43)가 챔버(20)를 통해 연장된다. 환상 부재(43)는 기체 주입 구조물(26)에 작동가능하게 연결된다. 환상 부재(43)는 기체 공급원 (도시되지 않음)에 작동가능하게 연결된 내부 도관(43a) (도 6)을 포함한다. 내부 도관(43a)은 기체를 기체 주입 구조물(26)로 전달한다. 기체 주입 구조물(26)은 도 5b에 나타낸 바와 같이 허브(44) 및 허브로부터 방사상으로 연장된 복수의 스포크(46)를 포함한다. 각각의 스포크(46)는, 기체를 버블 구역(38) 내로 주입하는 복수의 작은 기체 삽입 튜브를 포함한다. 기체 삽입 튜브는 오리피스(28)를 구성한다. 버블 구역(38) 내에서, 스포크(46)로부터의 상승 기체는 하향 유동하는 용융 실리콘(24)과 접촉되고, 기체 주위에 실리카 벽이 형성되어 비드(30)를 형성한다.
도 7은 비드(30)의 일부를 나타낸다. 각각의 비드(30)는 중공 형태이며, 산소 및 임의로 하나 이상의 추가의 기체를 함유한다. 적합한 추가의 기체의 비-제한적 예는 아르곤 및 이산화황을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 기체는 산소 및 0.01 mol% 내지 0.1 mol% SiO2 및/또는 0.01 mol% 내지 0.1 mol% 아르곤을 포함한다. 따라서, 스포크는 산소 및 임의적 추가의 기체를 버블 구역(38) 내로 주입할 수 있다. 각각의 비드(30)는, 버블 구역(38)에서 일어나는 산소 기체와 용융 실리콘(24) 사이의 계면의 결과로 형성되는 실리카 벽(31)을 포함한다. 실리카 벽(31)의 두께는 0.1 마이크로미터, 또는 0.2 마이크로미터, 또는 0.3 마이크로미터 내지 0.4 마이크로미터, 또는 0.5 마이크로미터, 또는 0.6 마이크로미터, 또는 0.7 마이크로미터, 또는 0.8 마이크로미터, 또는 0.9 마이크로미터, 또는 1.0 마이크로미터이다. 비드(30)는 25 마이크로미터, 또는 50 마이크로미터, 또는 100 마이크로미터 내지 200 마이크로미터, 또는 300 마이크로미터, 또는 400 마이크로미터, 또는 500 마이크로미터의 D50을 갖는다.
하나의 실시양태에서, 비드(30)는, 장치(10) 내로 도입된 용융 실리콘의 0.5 vol% 내지 1.0 vol%를 산화시키고 소비할 수 있다.
장치(10) 내로 도입된 용융 실리콘(24)은, 200 ppm 미만, 또는 100 ppm 미만, 또는 20 ppm 미만의 총 불순물 농도와 같은, 야금 실리콘에 대한 불순물 농도 미만인 불순물 농도를 갖는다. 용융 실리콘(24)이 지나치게 높은 불순물 농도를 갖는 경우, 용융 실리콘은 장치 컨테이너를 화학적으로 열화시키거나 또는 비드(30)의 실리카 벽(31)을 포화시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서, 용융 실리콘(24)은 알칼리 토금속 및 알칼리 금속으로부터의 10 ppm 몰 미만의 총 불순물을 함유한다.
하나의 실시양태에서, 장치(10) 내로 도입된 용융 실리콘(24)은 적어도 99.99%의 순도를 갖는다.
버블 구역(38)으로부터, 비드(30)가 상승하여 향류 교환 구역(32)의 하부 부분으로 도입된다. 향류 교환 구역(32)은 소정 용적을 가지며, 그 용적은 비드(30)의 충전 층(40) 및 틈새의 용융 실리콘(24)을 포함한다.
평형은 용융 실리콘(24)으로부터의 불순물의 실리카 벽(31)으로의 전달에 대해 강하게 치우친다. 용융 실리콘(24)과 비드(30)에서의 실리카 벽(31) 사이의 평형은, 향류 교환 구역(32) 내에서의 교환 관계가 100배 HETP 교환을 나타내도록 충분히 급속하다. 비드(30)에서의 실리카 벽(31)의 초박성 (0.1 내지 1.0 마이크로미터)은, 비드(30)에서의 평형에 대한 짧은 확산 거리와 함께, 단위 실리카 용적 당 큰 계면적을 제공한다. 향류 교환 구역(32)을 통해 하향 유동하는 용융 실리콘(24)은 비드(30)와 긴밀한 확산 접촉에 놓이고, 이는 충전 크로마토그래피 컬럼을 통과하는 유체와 유사하다. 그러나, 종래의 크로마토그래피 컬럼의 정지 상과 달리, 비드(30)는 정지 상태가 아니다. 그보다는, 비드(30)는 버블 구역(38)으로부터 상향 이동하거나, 또는 다른 방식으로 상향 부유되고, 향류 교환 구역(32) 내에 충전 층(40)을 형성한다. 충전 층(40)은 서서히 상향 부유되고, 불순물-함유 비드(30)는 챔버(20)의 분리 구역(42)에서 서서히 제거된다.
용융 실리콘(24) 중에 존재하는 불순물은, 용융 실리콘이 향류 교환 구역(32)을 통해 유동함에 따라, 비드(30)의 실리카 벽(31) 내로 확산되거나, 또는 다른 방식으로 그에 의해 흡착된다. 불순물의 얇은 실리카-벽 기체 충전된 비드로의 전달은 비드를 "유리질" 비드로 변형시킨다. 특정 이론에 의해 국한되지는 않지만, 충전 층(40) 및 이들 사이의 틈새 용융 실리콘(24)을 갖는 향류 교환 구역(32)은 수십, 수백, 또는 수천의 이론단 해당 높이 (HETP)를 갖는 분리 컬럼을 형성하고, 이는 104 또는 106 내지 1010 이상의 정제 인자를 제공한다고 여겨진다. 이러한 방식으로, 장치(10)는 초순수 용융 실리콘을 생성할 수 있다.
향류 교환 구역(32) 내에서, 용융 실리콘(24)의 하향 유동(34)은 제어된 유동이다. 하향 유동(34)은, 챔버(20)의 상단 내로 도입되는 용융 실리콘의 속도 및 양을 조정함으로써 제어되거나, 또는 다른 방식으로 결정된다. 비드(30)의 상향 유동(36)은 제어된 유동이다. 상향 유동(36)은, 챔버(20)의 저부 내로 주입되는 기체의 양 및 속도 및 이로부터 형성된 생성 비드(30)의 양에 의해 제어되거나, 또는 다른 방식으로 결정된다.
하나의 실시양태에서, 용융 실리콘(24)의 제어된 하향 유동(34)은 향류 교환 구역(32)을 통해 0.1 밀리미터 (mm)/초 (s), 또는 0.5 mm/s, 또는 1.0 mm/s, 또는 2.0 mm/s, 또는 3.0 mm/s, 또는 4.0 mm/s, 또는 5.0 mm/s 내지 6.0 mm/s, 또는 7.0 mm/s, 또는 8.0 mm/s, 또는 9.0 내지 10.0 mm/s의 속도로 이동한다.
하나의 실시양태에서, 비드(30)의 제어된 상향 유동(36)은 향류 교환 구역을 통해 0.1 밀리미터 (mm)/초 (s), 또는 0.5 mm/s, 또는 1.0 mm/s, 또는 2.0 mm/s, 또는 3.0 mm/s, 또는 4.0 mm/s, 또는 5.0 mm/s 내지 6.0 mm/s, 또는 7.0 mm/s, 또는 8.0 mm/s, 또는 9.0 내지 10.0 mm/초의 속도로 이동한다.
하나의 실시양태에서, 향류 교환 구역(32)은, (i) 비드(30)가 향류 교환 구역(32)의 하단부에서 공급되고 충전 층(40)을 형성하는 순 속도가, (ii) 비드(30)가 분리 구역(42)에 의해 향류 교환 구역(32)의 상단부로부터 제거되는 순 속도와 동일하거나, 또는 실질적으로 동일하게 하는 "정상-상태/정상-유동" 조건을 나타낸다. 이러한 의미에서, 챔버의 상단에서의 "정상-상태/정상-유동"은 정상 유동이거나 균일하거나, 또는 실질적으로 정상 유동이다. 다시 말해서, "정상-상태/정상-유동"은, 충전 층(40)이 상향 부유될 때, 용융 실리콘(24)이 챔버(20)의 상단에서 균등하게 공급되고 충전 층(40)을 통해 다르시 유동으로 (종래의 컬럼 크로마토그래피에서 나타나는 유동과 유사함) 균등하게 하향 유동하기 때문에 향류 교환 구역(32)에서 달성된다. (i) 향류 교환 구역(32)의 하단부에서의 충전 층의 균등성 및 균일성은, (ii) 챔버(20)의 상단부에서의 용융 실리콘(24)의 도입의 균등성 및 균일성, 또한 그와 함께 (iii) 향류 교환 구역(32)의 상단의 분리 구역(42)에서의 비드(30)의 제거의 균등성 및 균일성과 조합되어, 정상-상태/정상-유동 조건을 생성한다. 정상-상태/정상-유동 조건은, 층(40)을 통과하는 용융 실리콘이 다수의 평형 접촉을 통해 이동하도록 보장한다.
하나의 실시양태에서, 하향 유동(34)의 속도는, 상향 유동(36)의 속도와 동일하거나, 또는 실질적으로 동일하다.
하나의 실시양태에서, 향류 교환 구역(32)은 25 vol%, 또는 30 vol% 내지 40 vol%, 또는 50 vol% 용융 실리콘(24) 및 75 vol%, 또는 70 vol% 내지 60 vol%, 또는 50 vol% 비드(30)를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 향류 교환 구역(32)은 3 직경의 "단 높이"를 갖고, 비드(30)는 약 28 HETP를 갖는다. 비드(30)는 100 마이크로미터, 또는 200 마이크로미터, 또는 300 마이크로미터, 또는 400 마이크로미터, 또는 500 마이크로미터 내지 600 마이크로미터, 또는 700 마이크로미터, 또는 800 마이크로미터, 또는 900 마이크로미터, 또는 1000 마이크로미터의 D50을 가지며, 이는 300, 400, 또는 500, 또는 600 내지 700, 또는 800, 또는 900, 또는 1000개의 이론단을 갖는 향류 교환 구역(32)을 제공한다.
하나의 실시양태에서, 향류 교환 구역(32)은 300, 또는 400, 또는 500 내지 600, 또는 700, 또는 800, 또는 900, 또는 1000 HETP를 갖는다.
도 6은, 실리콘 유입구(22) 바로 아래의 용기(12)의 단면도를 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 실리콘 유입구(22)는, 도 5, 5a, 및 6에 나타낸 바와 같이 균일하게 이격된 복수의 실리콘 주입 튜브(48) (또는 "SIT(48)")를 포함한다. SIT(48)는, 향류 교환 구역(32) 내로의 용융 실리콘(24)의 균일한 도입을 위해 향류 교환 구역(32)의 상부 부분에 각각의 SIT(48)에 대한 유출구가 배치되도록 분리 구역(42)을 통해 연장된다. 각각의 SIT(48)는 각각의 SIT(48)의 중심으로부터 방사상으로 연장된 복수의 실리콘 주입 홀(50)을 포함한다. 도 6은 6개의 실리콘 주입 홀(50)을 갖는 각각의 SIT(48) (총 396개의 실리콘 주입 홀)를 나타내고 있지만, 각각의 SIT(48)는 2, 또는 3, 또는 4, 또는 5 내지 6, 또는 7, 또는 8, 또는 9, 또는 10개, 또는 그 이상의 실리콘 주입 홀(50)을 가질 수 있음을 이해한다. SIT(48)를 통한 용융 실리콘(24)의 도입은 충전 층(40)의 개개의 비드(30) 사이의 틈새 용적을 균일하게 충전시킨다. 용융 실리콘(24)은, 충전 층(40)의 비드(30)가 상향 유동함에 따라 균등하게 하향 유동하고, 이로써 반대되는 유동은 향류 교환 구역(32)의 "향류 유동"을 제공한다. 하향 유동하는 용융 실리콘(24)이 주입 튜브 사이의 거리를 수회 이동할 때까지, 충전된 또는 부력 팽창된 실리카 층을 통한 실리콘의 하향 유동은 균일하거나, 또는 실질적으로 균일하여, 컬럼 크로마토그래피의 것과 유사한 향류 다르시 유동 기하구조를 생성한다.
도 6은, 복수의 이격된 포트(52) 및 복수의 이격된 추출 덕트(54)가 분리 구역(42) 내에 존재하는 실시양태를 나타낸다. 포트(52)는 매질 기체를 분리 구역(42) 내로 도입한다. 매질 기체는 비드의 충전 층(40)을 향류 교환 구역(32) 내에 보유하거나, 또는 다른 방식으로 유지하기 위한 양압을 부여한다. 매질 기체는 용융 실리콘(24)으로부터 비드(30)의 분리를 촉진시킨다. 매질 기체의 도입은 균형 압력을 제공하고, 이는 또한, 충전 층(40)의 상부 표면과 분리 구역(42) 사이의 계면을 제공한다. 분리 구역(42) 내에서, 또한 충전 층(40)의 상단 표면 상부에서, 비드(30) 사이의 틈새 용적은 매질 기체이다. 계면 하부에서, 틈새 용적은 용융 실리콘(24)으로 충전된다. 매질 기체는 영족 기체 (예컨대 아르곤) 또는 비교적 비-반응성인 기체, 예컨대 질소이고, 이는 실리카 비드 벽을 연화시키기 위해 임의로 일부 수소 및/또는 증기를 포함할 수 있다.
비드(30)는 분리 구역(42)으로 도입시 포움(foam)을 형성한다. 장치(10)는, 비드가 향류 교환 구역(32)의 상단으로 상승하고 분리 구역(42) 내에 포움을 형성함에 따라, 불순물-함유 ("유리질") 비드를 제거하기 위해 추출 덕트(54)를 포함한다. 제거는 음압 또는 흡인에 의해 일어난다. 수소 및/또는 증기를 갖는 매질 기체는 유리하게 비드(30)의 실리카 벽을 연화시켜 흡인 또는 진공에 의한 덕트(54)를 통한 유리질 비드의 효율적인 제거를 촉진시킨다.
용기(12)는 웰(56)을 포함한다. 웰(56)은 기체 유입 구조물(26) 하부에 배치된다. 웰(56)은 향류 교환 구역(32)을 통과한 용융 실리콘을 수집한다. 웰(56) 내에 수집된 용융 실리콘(24)은 정제된 용융 실리콘이다. 하나의 실시양태에서, 정제된 실리콘 중의 대부분의 불순물 원소는 검출불가능한 정도의, 또는 1 ppt 미만의 낮은 농도일 것이다.
하나의 실시양태에서, 웰(56)은 탈산소화 컬럼과 유체 소통된다. 정제된 실리콘은 이로부터 산소를 제거하기 위해 탈산소화 컬럼으로 전달된다. 적합한 탈산소화 컬럼의 비-제한적 예는, 도 13에 나타내고 기재된 바와 같은 아르곤 버블러이다.
도 8은 또 다른 실리콘 정제 장치를 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 도 8은, 야금 (또는 "덜 순수한") 실리콘과 실리카 유동 사이의 1 미만의 완전 평형 접촉을 생성할 수 있는, 그러나 단위 용매 당 불순물 픽업이 최대화될 수 있도록 큰 접촉 시간을 갖는 "조" 정제기(80)를 나타낸다. 균등한 유동을 위해 실리카 용매가 대략 구형 과립을 갖는 것이 유용하다. 원형 입자를 갖는 상당히 순수한 실리카인 프래킹 샌드는 유동에 잘 적합화되며 쉽게 응괴되지 않는다. 실리카 및 용융 실리콘의 슬러리(82) (아마도 일부 추가의 첨가제, 예를 들어 황산염 함유)는 병류 부력 안정화된 컬럼(84)의 상단에서 도입된다. 슬러리 중의 입자는 분리되어 컬럼 내에서 상향 침강되고, 이는 크로마토그래피 컬럼을 입자-용매 슬러리로 충전시키는 것에 포함되는 단계와 유사하다. 컬럼(84) 내의 유동 스트림라인은, 크로마토그래피에서, 또는 도 5의 장치 (즉, 초-정제기)에서 균일하여야 하는 것과 같이 균일하지는 않지만, 용융 실리콘에 대한 임의의 유동로는 많은 (수백 또는 수천의) 평형 길이를 통과한다. 용융 실리콘 유동이 부력을 극복하고 입자를 분리하는 견인력을 생성하기에 충분히 급속하지 않으면, 액체 및 입자의 충전은 액체 실리콘 1 용적 당 대략 3 내지 4 용적의 실리카 입자일 것이다.
하나의 실시양태에서, 슬러리 중의 액체 (용융 실리콘) 입자 (프래킹 샌드)의 용적 비율은 5:1 또는 7:1 내지 10:1이다. 유동이 실리카 입자를 분리하지 않는다면, 이는 컬럼(84) 내에서의 체류 시간이 액체 실리콘의 체류 시간의 15배 내지 40배의 대략적 범위 내에 있을 것임을 의미한다. 액체가 입자를 분리하도록 작용하지 않고 컬럼(84) 내에서의 액체 체류 시간이 5분인 정제기의 경우, 실리카의 체류 시간은 75분, 100분 내지 150분, 또는 200분일 수 있다. 이러한 긴 시간 동안, 실리카 입자는 그 주위를 유동하는 실리콘 중의 불순물을 흡수하고 그와 착화될 것이고, 이는 구체 반경의 증가 함수로 유리 불순물 농도를 가지며, 입자를 통해 불순물 농도를 동등화시키는 경향이 있는 확산을 갖는다. 10% 실리카 유동 및 실리콘 중의 1% 몰 불순물의 경우, 입자는 10% 평균 몰 농도의 불순물을 갖는 유리가 될 것이며, 여기서 불순물은 입자 체류 시간에 따라 대략 선형으로 축적된다. 실리카-유리 입자의 밀도는 용융 실리콘의 밀도보다 낮게 유지될 것이고, 불순물-적재된 유리질 입자는 컬럼의 저부로부터 밀도차에 의해 분리될 것이다. 편리한 슬래그 처분을 위해 슬래그 점도를 감소시키기 위해 슬래그를 추가의 용매 (예를 들어 CaO)로 처리할 수 있다.
도 8의 "조-정제기"(80)는 실리콘의 것보다 높은 산화 에너지를 갖는 모든, 또는 실질적으로 모든 불순물 원소를 제거할 것이다. "조-정제기"(80)는 대부분의 다른 불순물 원소를 효과적으로 제거하여, 실리콘으로부터 총 불순물 질량의 99% 초과를 잘 제거하여야 한다.
도 8의 유입구(86)에서 도입된 실리카에 대한 첨가제의 첨가는 실리카 입자가 서로 부착되지 않고 유지시키기에, 황 화합물과 효율적으로 착화되는 금, 은, 및 백금 금속 등의 불순물을 고정화시키기에, 및/또는 유리의 확산성을 증가시키기에 유용할 수 있다. 슬러리에 대한 이후 CaSO4, Na2SO4, Na2O, NaCl, 및/또는 H2O 중 하나, 일부 또는 모두의 첨가가 이들 목적을 위해 제공될 수 있다.
도 9는 또 다른 실리콘 정제 장치를 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 도 9는 용융 실리콘을 추가로 정제하기 위한 향류 교환기(90)를 나타낸다. 향류 교환기는 동심 컬럼, 또는 일반적으로 동심 컬럼, 내부 컬럼(92) 및 외부 컬럼(94)을 포함한다. 순수 용융 실리콘으로 완전히 습윤화된 비교적 순수한 실리카의 슬러리(96)가 내부 컬럼(92) 통로의 저부 내로 도입된다. 하나의 실시양태에서, 용융 실리콘은 이용가능한 가장 순수한 용융 실리콘이다. 슬러리의 액체 실리콘 접촉을 최소화하기 위해 구조물 및/또는 구성요소에, 추가의 정제에서 상류 주입을 위한 과량의 액체 실리콘을 제거하는 밀도 분급 구성요소가 제공된다. 덜 순수한 용융 실리콘은 입력 튜브(98)에 의해 동심 컬럼(92, 94) (도 9a) 사이에 도입되고 실리카 내로 균일하게 유동하여 압력 및 압력 구배를 평형화시킨다. 향류 교환기(90)로부터 소모 실리카를 연속적으로, 또는 주기적으로 제거하기 위해 하나 이상의 흡인 튜브(100)가 제공된다. 도 9의 향류 교환을 통한 실리콘의 경로 길이는, 크로마토그래피에서의 이들과 같이 균일하지 않지만, 모든 이들 경로 길이는 많은 (수백 또는 수천의) 평형 길이에 대해 충분히 길고, 따라서 입자 내로의 불순물의 흡수가 완전하거나, 실질적으로 완전하다.
하나의 실시양태에서, 교환기(90)은 또한, 내부 컬럼의 저부로부터 정제된 실리콘을 제거하기 위한 산출 튜브 (도 9a)를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 내부 컬럼의 상단 내로 도입되는 슬러리 중의 용융 실리콘 대 실리카의 질량 유동은 9:1 초과이다.
하나의 실시양태에서, 소모 실리카는 조-정제기(80)에서 실리카로서 재사용된다.
도 9의 정제기 배열의 여러 스테이지는 직렬로 놓일 수 있다. 이들은 상이한 순도의 실리카를 사용할 수 있고; 이들은 실리카에 대한 상이한 첨가제를 사용할 수 있고; 이들은 상이한 물질 (예를 들어 흑연 또는 사파이어 코팅된 알루미나)로 구성될 수 있다.
본 개시내용은 또 다른 장치를 제공한다. 하나의 실시양태에서, 실리콘 정제 장치가 제공되고, 이는 상단부, 대향하는 저단부, 및 복수의 동심 컬럼을 갖는 용기를 포함한다. 컬럼은 서로 유체 소통된다. 장치는, 용융 실리콘을 복수의 실리카 입자의 층 내로 도입하여 슬러리를 형성하기 위한, 제1 컬럼의 상단 부분에 있는 실리콘 유입구를 갖는 중심 컬럼을 포함한다. 장치는, 슬러리의 일부를 수용하기 위한, 중심 컬럼의 저부 부분과 유체 소통되는 제1 채널을 포함한다. 액체 실리콘에 비해 덜 치밀한 유리질 실리카 입자가 밀도차에 의해 용융 실리콘으로부터 분리되고, 제1 채널 내로 상승한다. 이러한 불순물-적재된 유리질 슬래그는 이 제1 채널의 상단에서 수집되고, 이는 연속적으로, 또는 간헐적으로 제거된다. 장치는, 밀도차에 의해 불순물-적재된 유리질 입자로부터 분리된 더 치밀한 용융 실리콘을 수집하는, 제1 채널과 유체 연결된 제2 채널을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 도 10은 장치(110)를 나타낸다. 장치(110)는 상단부(114) 및 대향하는 저단부(116)를 갖는 용기(112)를 포함한다. 병류 및 향류 교환 배열이 용기(112)에서 조합 형태로 구성된다. 제1 중심 컬럼(118) 내에는 실리카 입자 (복수의 실리카 입자)의 층이 존재한다. 하나의 실시양태에서, 실리카 입자는 프래킹 샌드이다. 중심 컬럼(118)은 유입구(120)에서 용융 실리콘을 수용하여 용융 실리콘 및 실리카 입자의 슬러리(122)를 형성한다. 제1 중심 컬럼(118) (조-정제기) 내에서의 슬러리(122)의 하향 유동은 대부분의 불순물을 유리질 슬래그(124)로서 제거한다. 유리질 슬래그(124)는 슬래그 유출구(126)에서 밀도차 분리에 의해 제거된다. 슬러리(122)로부터 밀도차에 의해 분리된 용융 실리콘은 제1 채널(130) 및 제2 채널(132)의 향류 유동 배열(128)을 통해 유동한다. 제1 채널(130) 및 제2 채널(132)은 서로 유체 소통된다. 실리콘(123)의 일부는 제1 채널(130) 내에서 상향 유동한다. 이어서, 실리콘(123)의 유동은 전환되어 제2 채널(132)로 도입되고 하향 유동한다. 제1 채널(130) 내에서의 상향 유동 및 제2 채널(132) 내에서의 하향 유동은 향류 유동 배열(128)을 생성한다.
실리카 및 실리콘의 슬러리를 유입구(134)에서 도입하기 위한 구조물 및/또는 구성요소가 제공된다. 하나의 실시양태에서, 실리콘은 이용가능한 가장 순수한 실리콘이다. 유출구(136)에서 소모 향류 실리카를 제거하고 많은 평형 (또는 부분 평형) 향류 교환을 형성하기 위한 구조물 및/또는 구성요소가 제공된다. 향류 유동 배열(128)로부터 제거된 소모 실리카의 슬러리가 분리될 수 있고, 여기서 실리카 입자는 제1 컬럼(118) (조-정제기) 내로 다시 재순환된다. 소모 실리카에 동반된 용융 실리콘은 추가의 정제를 위해 향류 유동 배열(128)의 상류로 재도입될 수 있다. 정제된 용융 실리콘은 생성물 유출구(138)에서 수집된다.
본 개시내용은 또 다른 장치를 제공한다. 하나의 실시양태에서, 도 11은 장치(210)를 나타낸다. 장치(210)는 실리콘 정제를 위한 또 다른 다르시 유동 부력 안정화된 향류 교환을 나타내고, 이 경우에는 선택적 산화 용융 염이, 실리콘의 융점 미만에서 용융되는 규화물을 형성하는 분쇄 고체 실리콘 내의 원소를 정제하며, 이는 실리콘 결정을 통해 비교적 급속히 확산되어, 많은 이론적 교환 향류 유동에 의해 선택적 산화 용융 염에 의해 산화되고 실리콘 입자 표면으로부터 제거될 수 있는 불순물 (Au, Ag를 비롯한 전이 금속, 및 백금족 금속, 및 이들의 조합을 포함하는 불순물)을 제거한다.
하나의 실시양태에서, 장치(210)는 상단부(214) 및 저단부(216)를 갖는 용기(212)를 포함한다. 측벽(218)은 대향하는 단부(214, 216) 사이에서 연장되며 챔버(220)를 한정한다. 챔버(220) 내로의 실리콘 입자의 도입을 위해 용기(212)의 상단 부분에 실리콘 유입구(222)가 배치된다.
실리콘 입자가 용융 염과 접촉하면, 실리콘 입자의 온도가 빠르게 상승하고, 이어서 실리콘 입자는 1350℃ 초과의 온도를 갖는다.
장치(210)는 용기(212)의 저부 부분에 있는 주입 구조물(224)을 포함한다. 주입 구조물(224)은 챔버(220) 내로의 용융 염 조성물의 도입을 위한 적어도 하나의 오리피스를 갖는다. 용융 염 조성물은 1350℃ 초과의 온도를 갖는다. 용융 염 조성물은 용융 염 중에 용해된 산화제를 포함한다. 용기는 실리콘 유입구와 주입 구조물 사이에 배치된 향류 교환 구역(226)을 포함한다. 향류 교환 구역(226)은 실리콘 입자의 제어된 하향 유동(228)을 포함한다. 향류 교환 구역(226)은 또한 용융 염 조성물의 제어된 상향 유동(230)을 포함한다. 하향 유동(228) 및 상향 유동(230)은 향류 교환 구역(226) 내에서 실리콘 입자와 용융 염 사이의 향류 유동을 형성한다. 용기(212)의 저부 부분에서는, 웰(232)이 정제된 실리콘 입자를 수집한다.
하나의 실시양태에서, 용융 염 조성물 중의 산화제는 황, 또는 과량의 황이다.
하나의 실시양태에서, 향류 교환 구역(226) 내에 존재하는 실리콘 입자는 1350℃, 또는 1360℃, 또는 1370℃, 또는 1380℃, 또는 1390℃ 내지 1400℃ 초과의 온도를 갖는다.
하나의 실시양태에서, 향류 교환은 실리콘 입자 중의 불순물을 실리콘 입자 표면으로 확산시킨다. 산화제는 표면 불순물을 산화시키고, 산화된 불순물은 용융 염 중에 용해된다.
하나의 실시양태에서, 용융 염은 용해된 산화된 불순물을 함유하고, 정제된 실리콘 입자를 지나 상향 이동한다.
하나의 실시양태에서, 정제된 실리콘 입자는 용융 염 조성물을 통해 용기의 저부로 하향 이동한다. 정제된 실리콘 입자는 웰(232) 내에 수집된다.
하나의 실시양태에서, 제어된 하향 유동(228)은 0.1 mm/초, 또는 1.0 mm/초, 또는 2.0 mm/초, 또는 3.0 mm/초 내지 4.0 mm/초, 또는 5.0 mm/초의 속도를 갖는다.
하나의 실시양태에서, 상향 유동(230)은 0.1 mm/초, 또는 1.0 mm/초, 또는 2.0 mm/초, 또는 3.0 mm/초, 또는 4.0 mm/초, 또는 5.0 mm/초, 또는 10.0 mm/초 내지 15.0 mm/초, 또는 20.0 mm/초의 속도를 갖는다.
하나의 실시양태에서, 하향 유동(228) 및 상향 유동(230)의 속도는 동일하거나, 또는 실질적으로 동일하다.
하나의 실시양태에서, 용융 염 조성물은 용융 NaCl, 용융 KCl, 용융 Al2S3, 용융 Na2S, 용융 K2S, 및 이들의 조합으로부터 선택된 용융 염을 포함한다.
하나의 실시양태에서, 산화제는 황산염, 황화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 황 기재의 조성물이다.
하나의 실시양태에서, 장치(210)는, 용융 염 조성물을 용기를 통해 상향 이동시키기 위한, 용기(212)와 작동가능하게 소통되는 펌프 장치를 포함한다.
하나의 실시양태에서, 장치(210)는, 용기의 저단부와 유체 소통되는 용융 장치를 포함한다. 용융 장치는 용기(212)로부터 정제된 실리콘 입자를 수용한다. 용융 장치는 정제된 실리콘 입자를 용융시켜 정제된 용융 실리콘을 형성한다.
하나의 실시양태에서, 용기(212)는 사파이어 또는 흑연으로부터 선택된 물질로 구성된다. 추가의 실시양태에서, 용기(212)는 흑연으로 구성된다.
도 12는 또 다른 실리콘 정제 장치를 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 도 12는, 사파이어 비-습윤화 액체로서의 용융 실리콘 및 사파이어 습윤화 액체로서의 용융 염을 갖는 충전 사파이어 비드 컬럼을 통한 액체-액체 향류 교환을 나타낸다. 용융 염은, 상당한 황의 부분압, pS 및 임의의 순 실리콘 산화를 억제하기 위해 충분한 실리콘 황화물 부분압을 위한 충분한 과량의 황을 포함하는, 용융 NaCl, 용융 Na2S, 용융 Al2S3 또는 다른 염의 혼합물이다. 고pS 용융 염은 등온의 많은 HETP 교환에서 실리콘으로부터의 귀금속을 선택적으로 산화시키고 용해시킨다. 용융 염은, 용융 염으로부터 귀금속을 제거하는 거의 등온의 전해 플레이트를 통해 재순환되고, 따라서 향류 교환에 공급되는 재순환된 청정 용매는 귀금속에 대하여 극히 순수하다. 도면을 스케일링하고, 이 교환기에서 하나의 HETP가 약 4 비드 직경이라고 가정하면, 나타낸 컬럼은 약 10 HETP일 것이다. 도 12의 액체-액체 향류 교환기는 엄격히는 다르시 유동이 아니지만, 이는 고체 사파이어 표면이 교환기의 액체-액체 접촉을 조직화하며, 다르시 유동과 가까운 유동 유사성을 갖는다. 용융 염은 사파이어 표면을 강하게 습윤화하고, 용융 실리콘과 불혼화성이고, 따라서 염은 밀도차에 의해 상향 유동하고, 하나의 입자로부터 흡수된 필름이 또 다른 것에 공급된다. 실리콘은, 통상적 충전 층을 통해 이동하는 액체가 따르는 경로와 매우 유사한 난류 경로를 통해 하향 유동한다. 액체-액체 교환기 (예컨대 도 12에 나타낸 교환기) 사용시에는, 교환기의 범람을 피해야 함을 이해한다.
하나의 실시양태에서, 도 12의 교환기는 조-정제기의 하류에서 작동하고, 산소보다는 황과 더 강하게 반응하는 희금속 및 귀금속 (Ag, Au, 및 백금족) 및 다른 금속을 제거한다. 도 12의 교환기는 액체 실리콘으로부터 제거하기 어렵고 다른 불순물을 첨가할 수 있는 귀금속을 효과적으로 제거한다. 첨가된 불순물 원자 (Na, K, Cl, S)는 모두 실리카 및 실리카 유리에서 매우 높은 분리 계수를 갖고, 하류 교환기, 예를 들어 도 5의 초-정제기에 의해 완전히 제거될 수 있다.
도 13은 또 다른 실리콘 정제 장치를 나타낸다. 하나의 실시양태에서, 도 13은 탈산소화 컬럼(310)을 나타낸다. 용융 실리콘이 컬럼(310) 내로 도입된다. 용융 실리콘으로부터 선택적 산화 정제 스테이지에 의해 제거되지 않은 산소 (및 임의의 미량의 황)를 제거하기 위해 아르곤 재순환을 갖는 등온 아르곤 버블링 배열이 존재한다. 아르곤 및 다른 불활성 기체는 순수 용융 실리콘 중에서 불용성이다. 아르곤 버블은, 이들이 용융 실리콘을 통해 상승함에 따라 산소 (SiO로서) 및 임의의 황 (SiS 또는 SiS2로서)을 흡수할 것이다. 실리콘의 용융 에너지에 비해, 실리콘을 통해 다량의 불활성 기체 버블을 펌핑시키는 기계적 에너지는 작다. 약 0.6 ppm의 실리콘 증기를 포함하는 실리콘 산화물 또는 황화물, 및 임의의 다른 휘발성 물질은 아르곤과 함께 운반될 것이다. 실리콘을 통과한 아르곤은, 이를 그의 표면에서 고도 환원 유리로 덮인 고계면적으로 통과시킴으로써 쉽게 정제될 수 있다. 버블이 상향 유동하고, 실리콘이 하향 유동하고, 버블링을 함유하는 사파이어 튜브 벽이 재순환 대역에 의해 중단되어, 벽에서 단락되는 완전 수직 스케일 재순환의 형성 없이, 실리콘 유동이 대략 향류 유동에 근사하는, 수직 버블링 컬럼이 나타나 있다. 이러한 버블링 컬럼에서는 10 초과의 HETP가 가능하고, 보다 많은 정제가 요구되는 경우, 유사한 컬럼이 직렬 배치될 수 있다. 실리콘 산출물에서 이상적인 산소 농도는 0이 아닐 수 있는데, 이는 작은 농도의 산소가 결정질 실리콘에 기계적 강도를 부가할 수 있기 때문이다.
하나의 실시양태에서, 상승하는 아르곤 버블은 향류 교환에 의해 하향 이동하는 용융 실리콘을 통과한다.
하나의 실시양태에서, 아르곤 버블은 난류 유동에 의해 용융 실리콘을 통과한다.
하나의 실시양태에서, 컬럼(310)은 순수 용융 실리콘 중에서 불용성인 사파이어 (결정질 Al2O3)로 구성된다.
하나의 실시양태에서, 장치(10)로부터의 정제된 실리콘은 탈산소화 컬럼(310) 내로 도입된다.
하나의 실시양태에서, 장치(110)로부터의 정제된 실리콘은 탈산소화 컬럼(310) 내로 도입된다.
하나의 실시양태에서, 장치(210)로부터의 정제된 실리콘은 탈산소화 컬럼(310) 내로 도입된다.
도 14 내지 20은, 각각 본 개시내용의 기본적 저에너지 실리콘 정제 체계를 수행하는, 효과적인 정제를 위한 직렬로 배열된 정제기 구성요소의 일련의 개략도이다.
도 14는, 가장 간단한 초-정제기 배열, 비교적 순수한 실리콘 입력물의 용융기, 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기, 그 후 아르곤 탈산소화를 나타낸다.
도 15는, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 용융 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타낸다.
도 16은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 용융 실리콘을 도 9의 것과 유사한 향류 교환기에 공급하고, 이것이 얇은 벽 형성된 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타낸다.
도 17은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 이것이 직렬로 배열된 도 9의 것과 유사한 2개의 향류 교환기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타내는 개략적 순서도이다.
도 18은, 용융기가 용융 실리콘을 조-정제기에 공급하고, 그 후 향류 용융 염 교환 정제 스테이지가 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 아르곤 탈산소화가 이어지는 것을 나타낸다.
도 19는, 고체 분쇄 실리콘 정제기 후에 용융기가 이어지고, 이것이 이어서 용융 실리콘을 얇은 벽 형성된 실리카 구체 초-정제기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타낸다.
도 20은, 고체 분쇄 실리콘 정제기 후에 용융기가 이어지고, 이것이 이어서 용융 실리콘을 도 9의 것과 유사한 향류 교환기에 공급하고, 그 후 탈산소화가 이어지는 것을 나타낸다.
본 개시내용은 본원에 함유된 실시양태 및 설명으로 제한되지 않고, 하기 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로서, 실시양태의 일부 및 상이한 실시양태의 요소의 조합을 포함한 이들 실시양태의 변형된 형태를 포함하도록 구체적으로 의도된다.
Claims (30)
- 상단부, 대향하는 저단부, 및 대향하는 단부들 사이에서 연장되며 챔버를 한정하는 측벽을 갖는 용기;
챔버 내로 용융 실리콘을 도입하기 위한, 용기의 상단 부분에 있는 실리콘 유입구;
버블 형태로 챔버 내로 산소를 포함하는 기체를 도입하기 위한 복수의 오리피스를 가지며, 여기서 용융 실리콘 내로의 기체 버블의 도입은 버블의 외부에서 실리콘을 산화시키고, 챔버 내에 복수의 계내 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드를 생성하는 것인, 용기의 저부 부분에 있는 기체 주입 구조물; 및
(1) 용융 실리콘의 제어된 하향 유동; 및
(2) 비드의 제어된 상향 유동
을 포함하는, 실리콘 유입구와 기체 주입 구조물 사이에 배치된 향류 교환 구역
을 포함하며, 여기서 용융 실리콘과 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드 사이의 향류 유동은, 하향 유동하는 용융 실리콘과 상향 유동하는 비드 사이의 긴밀한 고면적 접촉을 제공하고, 이는 용융 실리콘 중에 존재하는 불순물이 상향 유동하는 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드 내로 전달되어 하향 유동하는 용융 실리콘이 정제될 수 있게 하는 것인,
실리콘 정제 장치. - 제1항에 있어서, 실리카-벽 형성된 기체 충전된 비드로의 불순물의 전달이, 버블링에 의해 초기에 형성된 비교적 순수한 비드 실리카 벽을 보다 덜 순수한 비드 실리카 벽으로 전환시켜, 용융 실리콘이 하향 유동함에 따라 복수의 상향 유동하는 기체 충전된 비드가 불순물을 상향 운반하는 것인 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 향류 교환 구역이 소정 용적을 가지며, 그 용적은 비드의 충전 층 및 틈새 용융 실리콘을 포함하는 것인 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 향류 교환 구역이 20 vol% 내지 35 vol% 용융 실리콘 및 80 vol% 내지 65 vol% 실리카-벽 형성된 산소 비드를 포함하는 것인 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 비드 실리카 벽이 0.1 마이크로미터 내지 1.0 마이크로미터의 두께를 갖는 것인 장치.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘 유입구가 복수의 이격된 주입 튜브를 포함하는 것인 장치.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 주입 구조물이 허브 및 허브로부터 방사상으로 연장된 복수의 스포크를 포함하고, 여기서 각각의 스포크는 복수의 기체 오리피스를 포함하는 것인 장치.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 정제된 실리콘 산출물 중의 불순물 원소가 검출불가능한 정도의, 또는 1 ppt 미만의 낮은 농도인 장치.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 용기가, 실리콘 유입구 상부에 배치된 분리 구역 및 향류 교환 구역을 포함하고, 분리 구역 내에서 상향 이동하는 비드들은 포움(foam)을 형성하는 것인 장치.
- 제9항에 있어서, 챔버로부터 포움을 제거하는, 분리 구역과 작동가능하게 소통되는 추출 부재를 포함하는 장치.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 유입구 하부에 배치된, 정제된 용융 실리콘을 수집하기 위한 웰을 포함하는 장치.
- 제11항의 웰과 유체 소통되는 탈산소화 컬럼을 포함하는 장치.
- 상단부, 대향하는 저단부, 및 서로 유체 소통되는 복수의 동심 컬럼을 갖는 용기;
용융 실리콘을 복수의 실리카 입자의 층 내로 도입하여 슬러리를 형성하기 위한, 제1 컬럼의 상단 부분에 있는 실리콘 유입구를 포함하는 중심 컬럼;
용융 실리콘에 비해 덜 치밀한 유리질 입자를 수용하고, 이로써 부유 분리에 의해 슬러리로부터 불순물-적재된 유리질 입자를 분리하여 용융 실리콘을 남기도록 적합화된, 중심 컬럼의 저부 부분과 유체 소통되는 제1 채널; 및
슬러리로부터 분리된 용융 실리콘을 수용하기 위한, 제1 채널과 유체 소통되는 제2 채널
을 포함하며, 여기서 제1 채널에서는 불순물-적재된 유리질 입자가 상향 유동하고, 제2 채널에서는 실리콘이 하향 유동하는 것인,
실리콘 정제 장치. - 상단부, 대향하는 저단부, 및 대향하는 단부들 사이에서 연장되며 챔버를 한정하는 측벽을 갖는 용기;
챔버 내로, 1350℃ 초과의 온도를 갖는 실리콘 입자를 도입하기 위한, 용기의 상단 부분에 있는 실리콘 유입구;
챔버 내로, 1350℃ 초과의 온도를 갖고 용융 염 중에 용해된 산화제를 포함하는 용융 염 조성물을 도입하기 위한 적어도 하나의 오리피스를 갖는, 용기의 저부 부분에 있는 주입 구조물; 및
(1) 실리콘 입자의 제어된 하향 유동; 및
(2) 용융 염 조성물의 제어된 상향 유동
을 포함하는, 실리콘 유입구와 주입 구조물 사이에 배치된 향류 교환 구역
을 포함하며, 여기서 하향 유동하는 실리콘 입자와 상향 유동하는 용융 염 조성물 사이의 향류 유동은, 하향 유동하는 실리콘 입자의 표면에서 불순물을 제거하고, 이들을 용융 염으로 전달하여, 실리콘 입자를 정제하는 것인,
실리콘 정제 장치. - 제14항에 있어서, 향류 교환이 실리콘 입자 중의 불순물을 실리콘 입자 표면으로 확산시키고, 용융 염 중의 산화제가 표면 불순물을 산화시키고, 산화된 불순물이 용융 염 중에 용해되는 것인 장치.
- 제15항에 있어서, 용해된 산화된 불순물을 함유하는 용융 염이 정제된 실리콘 입자를 지나 상향 이동하는 것인 장치.
- 제15항 또는 제16항에 있어서, 정제된 실리콘 입자가 용융 염 조성물을 통해 용기의 저부로 하향 이동하는 것인 장치.
- 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 제어된 하향 유동이 0.1 mm/초 내지 5.0 mm/초의 속도를 갖는 것인 장치.
- 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 제어된 상향 유동이 0.1 mm/초 내지 20.0 mm/초의 속도를 갖는 것인 장치.
- 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 염 조성물이 용융 NaCl, 용융 KCl, 용융 Al2S3, Na2S, K2S, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 용융 염을 포함하는 것인 장치.
- 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 산화제가 황, 황산염, 황화물, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 황 기재의 조성물인 장치.
- 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 용융 염 조성물을 용기를 통해 상향 이동시키기 위한, 용기와 작동가능하게 소통되는 펌프 장치를 포함하는 장치.
- 제14항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 용기의 저단부와 유체 소통되는 용융 장치를 포함하는 장치.
- 제23항에 있어서, 용융 장치가 용기로부터 정제된 실리콘 입자를 수용하고, 정제된 실리콘 입자를 용융시켜 정제된 용융 실리콘을 형성하는 것인 장치.
- 제14항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 용기가 흑연으로 구성된 것인 장치.
- 상단부, 대향하는 저단부, 및 챔버를 형성하는 상기 상단부와 저단부 사이의 측벽을 갖는 용기;
상기 용기 저단부의 상부에 중심 컬럼 단부가 존재하도록, 상단부로부터 하향 연장되지만 대향하는 저단부로 끝까지 연장되지는 않는 중심 컬럼; 및
중심 컬럼의 저부 부분과 유체 소통되는 제1 채널, 및 중심 컬럼의 저부 부분과 유체 소통되고, 불순물-적재된 덜 치밀한 실리카 입자가 제거를 위해 수집될 수 있는 중심 컬럼의 저부 부분의 상부에 있는 용적과 유체 소통되는 제2 채널
을 포함하며, 여기서
상기 중심 컬럼은 용융 실리콘 및 실리카 입자를 슬러리의 형태로 실리카 입자의 충전 또는 팽창 층 내로 도입하기 위한, 그의 상단 부분에 있는 유입구를 포함하고, 여기서 용융 실리콘 및 실리카 입자는, 실리콘과 실리카 입자 사이의 많은 이론단 해당 높이 (HETP) 접촉을 가지며, 병류로 중심 컬럼을 통해 하향 유동하고, 실리카 입자는 실리콘으로부터의 불순물을 흡수하여, 유리질이 되고, 실리카 입자는 용융 실리콘에 비해 덜 치밀하게 남아있고,
불순물-적재된 덜 치밀한 실리카 입자는 더 치밀한 용융 실리콘으로부터 분리되어 제2 채널 내로 유동하고, 여기서 불순물-적재된 덜 치밀한 실리카 입자는 상승하여 처분을 위해 수집되고, 더 치밀한 용융 실리콘은 중심 컬럼으로부터 정제된 생성물로서의 산출을 위해 제1 채널 내로 유동하는 것인,
병류 실리콘-실리카 유동에 의한 실리콘 정제 장치. - 제26항에 있어서, 중심 컬럼의 상단 내로 도입되는 슬러리 중의 용융 실리콘 대 실리카의 질량 유동이 9:1 초과인 장치.
- 제26항 또는 제27항에 있어서, 실리카 입자가, 프래킹 샌드 방식 후에, 응괴를 최소화하고 틈새 용융 유동을 최대화하기 위해, 고도로 라운딩된 것인 장치.
- 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 실리카 입자가 실리카의 점도를 감소시키기 위한 첨가 화학물질, 예컨대 Na2O 또는 H2O와 혼합되는 것인 장치.
- 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 실리카 입자가, 황산염, 예컨대 CaSO4를 함유하는 첨가 화학물질과 혼합되는 것인 장치.
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