(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（a）シリコンから溶融液を形成する工程；
（b）溶融液の上部に凝固したシリコンを形成する工程；
（c）凝固したシリコンの上部にガラスを置く工程；
（d）ガラスが溶融液の上部に溶融ガラス層を形成するように、凝固したシリコンおよびガラスを、凝固したシリコンが溶融液に戻って溶融しおよびガラスが溶融するまで十分に加熱する工程；ならびに
（e）溶融液の底部から溶融ガラス層へ向かって溶融液を方向性凝固させて、固体シリコンを提供する工程
を含む、方法。
【請求項２】
シリコンを精製するための方法である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
アルミニウム、ホウ素、およびリンのうち少なくとも1つからシリコンを精製するための方法である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
溶融液を形成するシリコンが、冶金グレード（MG）シリコンを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
溶融液が、固相線温度を超える温度で形成される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
溶融液が、少なくとも1400℃の温度で形成される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
溶融液が、1400℃〜1600℃の温度で形成される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
凝固したシリコンが、溶融液の上部を冷却することによって溶融液の上部に形成される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
凝固したシリコンが、溶融液の底部を加熱することによって溶融液の上部に形成され、底部が溶融液として保持される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
溶融液の上部がゆっくりと冷却され、それによって凝固するように、溶融液の上部を比較的少ない熱で加熱することによって、凝固したシリコンが溶融液の上部に形成される、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
凝固したシリコンが溶融液の上部に形成され、一方で、底部が溶融液として保持される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
溶融液の底部が融点を超える温度で維持され、一方で、溶融液の上部が凝固点未満に冷却されることで、凝固したシリコンが溶融液の上部に形成される、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
凝固したシリコンが、最大で1センチメートルの厚さを有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
凝固したシリコンが、最大で0.5センチメートルの厚さを有する、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
ガラスが、予融解（pre-fused）ガラスを含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
ガラスが、予融解シリカ系ガラスを含む、請求項1〜15のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
凝固したシリコンおよびガラスが、固相線温度を超える温度まで加熱される、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
工程(d)において、凝固したシリコンおよびガラスが、少なくとも1400℃の温度まで加熱される、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
工程(d)において、凝固したシリコンおよびガラスが、1400℃〜1600℃の温度まで加熱される、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
工程(e)において、方向性凝固が、溶融液を少なくとも10時間の期間にわたって冷却することによって行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
工程(e)において、方向性凝固が、溶融液を少なくとも14時間の期間にわたって冷却することによって行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
工程(e)において、方向性凝固が、溶融液を14〜24時間の期間にわたって冷却することによって行われる、請求項1〜19のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
工程(e)の後、精製固体シリコンを提供するために、（f）固体シリコンの一部分を除去する工程をさらに含む、請求項1〜22のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
工程(e)の後、精製固体シリコンを提供するために、（g）凝固したシリコンからガラスの少なくとも一部分を分離する工程をさらに含む、請求項1〜23のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも1,000kgのシリコンを提供する、請求項1〜24のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
固体シリコンがソーラーパネルの製造に用いられる、請求項1〜25のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
前記工程のいずれか1つまたは複数が不活性雰囲気下で行われる、請求項1〜26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記工程のいずれか1つまたは複数が、アルゴン（Ar）、窒素（N2）、水素（H2）、水蒸気（H2O）、塩酸ガス（HCl）、塩素（Cl2）、アンモニア（NH3）、およびヘリウム（He）のうち少なくとも1つを含む不活性雰囲気下で行われる、請求項1〜26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記工程のいずれか1つまたは複数が、アルゴン（Ar）、水素（H2）、および窒素（N2）のうち少なくとも1つを含む不活性雰囲気下で行われる、請求項1〜26のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
バッチ様式で行われる、請求項1〜29のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
連続様式で行われる、請求項1〜29のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、2012年8月31日に出願された米国仮出願第61/695,517号に対する優先権の恩典を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【０００２】
背景
太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換するその能力を利用することにより、実施可能なエネルギー源であり得る。シリコンは、太陽電池の製造に使用される半導体材料であるが、しかしながら、シリコンの使用における制限は、シリコンをソーラーグレード（SG）へと精製するためのコストに関連している。
【０００３】
太陽電池用のシリコンを精製するために使用されるいくつかの技術が公知である。これらの技術のほとんどは、シリコンが溶融溶液から凝固する間に、望ましくない不純物がその溶融溶液中に残留する傾向にあり得るという原理に基づいて行われる。例えば、浮遊帯域技術を使用して、単結晶インゴットを作製することができ、当該技術は、固体材料において移動液体域を使用して、不純物を当該材料の端部へと移動させる。別の例では、Czochralski技術を使用して、単結晶インゴットを作製することができ、当該技術は、種晶を使用してそのインゴットを溶液からゆっくりと引き上げ、それによって不純物をその溶液中に残しながらシリコンの単結晶柱を形成することを可能にする。さらに別の例では、Bridgeman技術すなわち熱交換技術を使用して多結晶インゴットを作製するために使用することができ、かつ当該技術は、温度勾配を使用して方向性凝固を生じさせる。
【発明の概要】
【０００４】
概要
現在のエネルギーの需要および供給の制限の観点から、本発明者らは、冶金グレード（ＭＧ）シリコン（または、ソーラーグレードより多くの不純物を有する任意の他のシリコン）をソーラーグレードシリコンへと精製するための、よりコスト効率の高い方法の必要性を認識している。本開示は、例えば方向性凝固を介するシリコンの精製に使用され得る耐火性材料、例えばアルミナから作製される、器、例えばるつぼを記載する。シリコンを当該るつぼ中で溶融することができ、または溶融シリコンを当該るつぼ中で方向性凝固して、シリコンの精製を提供することができる。ライニングは、るつぼ内に含有される溶融シリコンが耐火性材料から汚染、例えばホウ素、リン、またはアルミニウムから汚染されるのを防止および低減するために、るつぼの耐火性材料の内面上に蒸着され得る。ライニングは、コロイド状シリカによって結合されたシリコンカーバイド粒子を含むバリアライニングを含むことができ、またはライニングは、コロイド状シリカおよび場合により1つまたは複数のフラックス材料を含む能動精製（active purification）ライニングを含むことができる。ライニングは、特にホウ素、リンおよびアルミニウム汚染物に関して、方向性凝固サイクルごとにより純粋な最終シリコンを提供することができる。
【０００５】
本開示は、溶融シリコンを含有するためのるつぼを記載し、るつぼは、溶融シリコン混合物を受け入れるための内部を規定する少なくとも1つの内面を有する少なくとも1つの耐火性材料と当該内面上に蒸着されたコロイド状シリカを含むライニングとを含む。
【０００６】
本開示はまた、シリコンの精製のための方法を記載し、当該方法は、第一の溶融シリコンを提供するために溶融るつぼの内部で第一のシリコンを溶融する工程であって、溶融るつぼが溶融るつぼの内部を規定する少なくとも1つの第一の内面を有する第一の耐火性材料を含む、工程；第二のシリコンを提供するために方向性凝固鋳型中で第一の溶融シリコンを方向性凝固する工程であって、方向性凝固鋳型が方向性凝固鋳型の内部を規定する少なくとも1つの第二の内面を有する第二の耐火性材料を含む、工程；および第一の内面と第二の内面の少なくとも一方の少なくとも一部を、コロイド状シリカを含むライニングでコーティングする工程を含む。
【０００７】
この概要は、本開示の主題の概略を提供することを意図する。それは、本発明の排他的または包括的な説明を提供することを意図していない。詳細な説明は、本開示に関するさらなる情報を提供するために含められる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図面において、同様の数字は、いくつかの図全体で類似の構成要素を記載するために使用され得る。異なる文字接尾語を伴う同様の数字は、類似の構成要素の異なる例を表すために使用され得る。図面は、概して限定としてではなく例示として、本明細書において説明する様々な例を示す。
【０００９】
【図１】シリコンの精製に使用され得るるつぼの1つの例の断面図である。
【図２】シリコンの方向性凝固に使用され得る例示的加熱器の断面図である。
【図３】例示的な方向性凝固鋳型の上部に位置付けられた例示的加熱器を含む、シリコンの方向性凝固のための例示的な機器の3次元投影図である。
【図４Ａ】シリコンの方向性凝固のための例示的な機器の断面図である。
【図４Ｂ】シリコンの方向性凝固のための例示的な機器の断面図である。
【図４Ｃ】シリコンの方向性凝固のための例示的な機器の断面図である。
【図５】例示的なシリコンの精製方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明
【００１１】
本開示は、方向性凝固を使用してシリコンを精製するための方法を記載する。当該方法は、シリコンを含む溶融液にガラスの上層を加える工程、シリコンおよびガラスを確実に溶融させる工程、次いで、溶融液の底部から上部ガラス層へ向かって溶融液を方向性凝固させて、インゴットを形成する工程を備えることができる。インゴットから不純物を除去するために、ガラスおよび凝固したシリコンの上部を除去することができる。本発明の方法を使用して、太陽電池で使用するためのシリコン結晶を製造することができる。
【００１２】
定義
単数形「a」、「an」、および「the」は、文脈が明確に他のことを示していない限り、複数形の指示対象を含むことができる。
【００１３】
本明細書において使用する場合、いくつかの例において、「第一」、「第二」、「第三」等の用語は、「母液」、「結晶」、「溶融混合物」、「混合物」、「すすぎ液」、「溶融シリコン」等の他の用語に適用されるとき、単に工程間で区別する一般用語として使用され、明確に他のことを示していない限り、それ自体が工程の優先度または工程の順番を示すものではない。例えば、いくつかの例において、「第三の母液」は、一つの要素であり得るが、一方で、第一または第二の母液がその例の要素でない場合もあり得る。他の例では、第一、第二、および第三の母液はすべて、1つの例の要素であり得る。
【００１４】
本明細書において使用する場合、「導管」は、材料を貫通する管形状の穴を指すことができ、この場合、材料は、必ずしも管形状である必要はない。例えば、一塊の材料を貫通する穴が導管であり得る。穴は、直径よりも大きい長さの穴であり得る。導管は、管（パイプを含む）を材料中に内包することによって形成され得る。
【００１５】
本明細書において使用する場合、「接触させる」は、物質を、触れさせる、接触させる、または密接させる作用を指すことができる。
【００１６】
本明細書において使用する場合、「るつぼ」は、溶融材料を保持することができる容器、例えば、材料が溶融して溶融物となるときに当該材料を保持することができる容器、溶融した材料を受け入れて、当該材料をその溶融状態で維持することができる容器、および溶融材料が凝固または結晶化するときに当該溶融材料を保持することができる容器、またはそれらの組み合わせを指すことができる。
【００１７】
本明細書において使用する場合、「方向性凝固」または「方向性凝固する」等は、概ね一つの位置で開始し、概ね直線方向（例えば、表面に対して垂直、水平、または直角）に進行し、概ね別の位置で終了する、材料の結晶化を指すことができる。この定義で使用される場合、位置は、点、面、または湾曲した面（環形状または鉢形状を含む）であり得る。
【００１８】
本明細書において使用する場合、「ドロス］は、溶融金属浴に浮遊している固体不純物の塊を指すことができる。ドロスは、通常、スズ、鉛、亜鉛、またはアルミニウム等の低融点金属または合金の溶融において、または当該金属を酸化することによって生じる。ドロスは、例えば、表面からすくい取ることによって除去され得る。スズおよび鉛では、ドロスは、水酸化ナトリウムペレットを加えて、酸化物を溶解させてスラグを形成することによっても除去され得る。他の金属では、塩フラックスを加えてドロスを分離することができる。ドロスは、固体であるという点で、合金上に浮遊する（粘性の）液体であるスラグとは区別される。
【００１９】
本明細書において使用する場合、「ファン」は、空気を動かすことができる任意の装置または機器を指すことができる。
【００２０】
本明細書において使用する場合、「フラックス」は、例えばドロス内の不純物の除去を助けるために溶融金属浴に加えられる化合物を指すことができる。フラックス材料を溶融金属浴に加えることによって、フラックス材料は溶融金属浴中の1つまたは複数の材料または化合物と反応してスラグを形成するが、これは除去することができる。
【００２１】
本明細書において使用する場合、「加熱炉」は、材料を加熱するための区画を有する、機械、装置、機器、または他の構造物を指すことができる。
【００２２】
本明細書において使用する場合、「加熱要素」は、熱を生成する1つの材料を指すことができる。いくつかの例において、加熱要素は、電気がその材料を通って流れることができるときに熱を生成し得る。
【００２３】
本明細書において使用する場合、「誘導加熱器」は、材料中での電流の誘導を介してその材料に熱を加える加熱器を指すことができる。電流は、加熱される材料に近接する金属コイルに交流電流を流すことによって発生し得る。
【００２４】
本明細書において使用する場合、「インゴット」は、鋳造された材料の塊を指すことができる。いくつかの例では、材料の形状によって、インゴットを比較的容易に輸送することが可能となる。例えば、融点を超えて加熱され、棒状またはブロック状に成形された金属をインゴットと呼ぶ。
【００２５】
本明細書において使用する場合、「ライニング」は、るつぼの表面の少なくとも一部に塗布される材料の層を指すことができる。ライニングは、るつぼの内面とるつぼの内部に含有される溶融材料との間のバリアとして作用し得る。
【００２６】
本明細書において使用する場合、「溶融（melt）」または「溶融する（melting）」は、十分な熱に曝露された際の固体から液体への物質変化を指すことができる。「溶融」という用語はまた、この相転移を受けて溶融液体になった材料を指すこともできる。
【００２７】
本明細書において使用する場合、「溶融された」は、溶融された物質を指すことができ、この場合、溶融することは、固体物質が液体に変わる点（融点と呼ばれる）まで固体物質を加熱するプロセスである。
【００２８】
本明細書において使用する場合、「単結晶シリコン」は、欠陥または不純物がほとんどない単一でかつ連続した結晶格子構造を有するシリコンを指すことができる。
【００２９】
本明細書において使用する場合、「ポリ結晶シリコン（polycrystalline silicon）」または「ポリ-Si」または「多結晶シリコン（multicrystalline silicon）」は、複数の単結晶シリコン結晶を含む材料を指すことができる。
【００３０】
本明細書において使用する場合、「精製する」は、異物または汚染物質から対象の化学物質を物理的または化学的に分離することを指すことができる。
【００３１】
本明細書において使用する場合、「耐火性材料」は、高温、特にシリコンの溶融および方向性凝固に関わる高温で、化学的および物理的に安定な材料を指すことができる。耐火性材料の例としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化クロム、シリコンカーバイド、グラファイト、またはそれらの組み合わせが挙げられる。
【００３２】
本明細書において使用する場合、「1つの側部（side）」または「複数の側部（sides）」は、1つまたは複数の側部を指すことができ、そして、他のことを示していない限り、物体の1つまたは複数の上部または底部と対比される、物体の1つの側部または複数の側部を指す。
【００３３】
本明細書において使用する場合、「シリコン」は、化学記号Siを有する元素を指し、かつ任意の純度のSiを指すことができるが、概して少なくとも50重量％純粋、好ましくは75重量％純粋、より好ましくは85％純粋、より好ましくは90重量％純粋、より好ましくは95重量％純粋、さらにより好ましくは99重量％純粋であるシリコンを指す。
【００３４】
本明細書において使用する場合、「分離する」は、ある物質を別のものから取り出す（例えば、混合物から固体または液体を取り出す）プロセスを指すことができる。当該プロセスは、当業者に公知の任意の適切な技術、例えば、混合物をデカントすること、混合物から1つまたは複数の液体をすくい取ること（skimming）、混合物を遠心すること、混合物から固体を濾過すること、またはそれらの組み合わせを用いることができる。
【００３５】
本明細書において使用する場合、「スラグ」は、鉱石を製錬して金属を精製する際の副生成物を指すことができる。スラグは、金属酸化物の混合物であると考えることができるが、しかしながら、これらは、金属硫化物および元素形態の金属原子を含有し得る。スラグは、一般的に、金属製錬において廃棄物の除去機構として用いられる。自然界においては、鉄、銅、鉛、アルミニウム、および他の金属等の金属の鉱石は、しばしば酸化物としておよび他の金属のケイ酸塩との混合物として、純粋でない状態で見いだされる。製錬過程で鉱石が高温に曝されると、これらの不純物が溶融金属から分離され、除去することができる。除去された化合物の集積物がスラグである。スラグはまた、例えば金属の精製を向上させる設計で作製された、種々の酸化物と他の材料の配合物であり得る。
【００３６】
本明細書において使用する場合、「管」は、空洞のパイプ形状の材料を指すことができる。管は、その外部形状とほぼ一致する内部形状を有し得る。管の内部形状は、円形、方形または任意の数の側部を有する形状（非対称形状を含む）を含む、任意の適切な形状であり得る。
【００３７】
方向性凝固のためのるつぼ
図1は、シリコンの方向性凝固に使用され得るるつぼ10の1つの例を示す。るつぼ10は、方向性凝固が行われる器として使用され得、これはまた、方向性凝固鋳型と呼ぶこともできる。るつぼ10は、シリコンの溶融または溶融シリコンの方向性凝固、またはその両方を提供するように構成されている、少なくとも1つの耐火性材料12から形成され得る。
【００３８】
るつぼ10は、底部14と底部14から上方へ延伸している1つまたは複数の側部16を有し得る。るつぼ10は、円形または概ね円形の断面を有し得る厚肉の大きい鉢と類似する形状であり得る。るつぼ10は、特に限定されないが、正方形、または六角形、八角形、五角形、あるいは任意の適切な数の端部を備えた任意の適切な形状を含む、他の断面形状を有し得る。
【００３９】
底部14および側部16は、溶融材料、例えば溶融シリコン2を受け入れることができるるつぼ10の内部を規定する。内部はまた、溶融して溶融材料を形成し得る固体材料、例えば固体シリコンを受け入れることができる（図示せず）。
【００４０】
耐火性材料12は、任意の適切な耐火性材料、特に、シリコンの溶融または方向性凝固用のるつぼに適した耐火性材料であり得る。耐火性材料12として使用され得る材料の例としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム（Al2O3、アルミナとも呼ばれる）、酸化ケイ素（SiO2、シリカとも呼ばれる）、酸化マグネシウム（MgO、マグネシアとも呼ばれる）、酸化カルシウム（CaO）、酸化ジルコニウム（ZrO2、ジルコニアとも呼ばれる）、酸化クロム（III）（Cr2O3、クロミアとも呼ばれる）、シリコンカーバイド（SiC）、グラファイトまたはそれらの組み合わせが挙げられる。るつぼ10は、1つの耐火性材料または2つ以上の耐火性材料を含むことができる。るつぼ10に含まれる1つまたは複数の耐火性材料は混合してもよく、またはこれらはるつぼ10の別々の部位に位置してもよく、またはそれらを組み合わせてもよい。1つまたは複数の耐火性材料12は、層状に配置され得る。るつぼ10は、1つまたは複数の耐火性材料12の2つ以上の層を含むことができる。るつぼ10は、1つまたは複数の耐火性材料12の1つの層を含むことができる。るつぼ10の側部16は、底部14と異なる耐火性材料から形成され得る。側部16は、るつぼ10の底部14と比較して、異なる厚さであってよく、異なる組成の材料を含んでよく、異なる量の材料を含んでよく、またはそれらの組み合わせであってもよい。1つの例として、側部16は、加熱面（hot face）耐火物、例えば酸化アルミニウムを含むことができる。るつぼ10の底部14は、熱伝導性材料、例えば、シリコンカーバイド、グラファイト、鋼、ステンレス鋼、鋳鉄、銅、またはそれらの組み合わせを含むことができる。1つの例において、側部16は、酸化アルミニウム（アルミナ）耐火性材料を含み、底部14は、リン結合剤と共にシリコンカーバイド耐火物を含む。
【００４１】
1つの例において、るつぼ10は、約1メートルトン以上の溶融シリコンを保持することができる。1つの例において、るつぼは、約1.4メートルトン以上の溶融シリコンを保持することができる。1つの例において、当該るつぼは、約2.1メートルトン以上の溶融シリコンを保持することができる。1つの例において、るつぼは、少なくとも約1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.5、3、3.5、4、4.5、または5メートルトン以上のシリコン溶融物を保持することができる。
【００４２】
るつぼ10は、他の特徴、例えばるつぼ内でのより効率的なシリコンの溶融または方向性凝固を提供することができる特徴を含むことができる。るつぼに含まれ得る構造または特徴の例としては、特に限定されないが、1つまたは複数の断熱層または他の構造、1つまたは複数の熱伝導層または他の構造、1つまたは複数のジャケット、および層を一緒に固定するためのまたは弛緩を防止または低減するための1つまたは複数のアンカーが挙げられる。るつぼに含まれ得る構造の例は、この出願の譲受人に譲渡され、2010年11月17日に出願されたNichol等の表題「APPARATUS AND METHOD FOR DIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF SILICON」の米国特許出願第12/947,936号（参照によりその全体が本明細書に組み入れられる）に記載されている。
【００４３】
上部加熱器
方向性凝固に使用される場合、上部加熱器をるつぼ10の上部に含みかつ位置付けて、るつぼおよびるつぼ内の溶融シリコンに熱を加えることもできる。上部加熱器は、るつぼの断面形状とほぼ一致する断面形状を有し得る。上部加熱器によるるつぼの加熱は、るつぼ中の溶融シリコンの温度制御を可能にする。上部加熱器はまた、加熱することなくるつぼの上部に位置付けることができ、それによって上部加熱器は、るつぼからの熱の放出を制御するための断熱体として機能することができる。るつぼの温度または熱の放出を制御することによって、所望の温度勾配を提供することができ、より高度に制御された方向性凝固を可能にする。最終的に、温度勾配の制御は、より効果的な方向性凝固を可能にし、結果として得られるシリコンの純度が最大化される。
【００４４】
図2は、上部加熱器100の1つの例を示す。上部加熱器100は、1つまたは複数の加熱部材102を含むことができる。1つまたは複数の加熱部材102の各々は、独立して、任意の適切な材料を含むことができる。例えば、1つまたは複数の加熱部材102の各々は、独立して、加熱要素を含むことができ、当該加熱要素は、シリコンカーバイド、二ケイ化モリブデン、グラファイト、またはそれらの組み合わせを含むことができ、かつ1つまたは複数の加熱部材102の各々は、代替的に、独立して誘導加熱器を含むことができる。1つの例として、1つまたは複数の加熱部材は、ほぼ同じ高さに位置付けられる。別の例では、1つまたは複数の加熱部材は、異なる高さに位置付けられる。
【００４５】
1つの例において、加熱部材102は、ある特定の利点を有し得るシリコンカーバイドを含むことができる。例えば、シリコンカーバイド加熱部材102は、酸素の存在下、高温で腐食する可能性が低い。腐食性材料を含む加熱要素に対する酸素腐食は、真空チャンバーを使用することによって低減させることができるが、シリコンカーバイド加熱部材102は、真空チャンバーなしで腐食を回避することができる。加えて、シリコンカーバイド加熱部材102は、水冷リード線なしで使用してもよい。1つの例において、加熱要素は、真空チャンバー内で使用するか、水冷リード線と共に使用するか、または両方と共に使用する。1つの例において、加熱部材102は、真空チャンバーを用いずに、水冷リード線を用いずに、またはその両方とも用いずに使用する。
【００４６】
1つの例において、1つまたは複数の加熱部材102は、誘導加熱器である。誘導加熱器102は、1つまたは複数の耐火性材料中に鋳造することができる。次に、1つまたは複数の誘導加熱コイルを含有する耐火性材料を底部鋳型の上方に位置付けることができる。耐火性材料は、特に限定されないが、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化クロム、シリコンカーバイド、グラファイト、またはそれらの組み合わせを含む、任意の適切な材料であり得る。別の例では、誘導加熱器102は、1つまたは複数の耐火性材料中に鋳造されない。
【００４７】
1つまたは複数の加熱部材102は、少なくとも1つの加熱部材102が故障しても、任意の残りの機能性加熱部材102が電力を受け取って熱を生成し続け得るような、電気システムを有し得る。1つの例において、各加熱部材102は、それ自体の回路を有する。
【００４８】
上部加熱器100は、断熱材104を含むことができる。断熱材104は、特に限定されないが、断熱れんが、耐火物、耐火物の混合物、断熱板、セラミックペーパー、高温ウールまたはそれらの混合物を含む、任意の適切な断熱材料を含むことができる。断熱板は、高温セラミック基板を含むことができる。断熱材料104の下端と1つまたは複数の加熱部材102は、ほぼ同じ高さであってもよく、または加熱部材102を断熱材料104の下端の高さより上に位置付けてもよく、または断熱材料104の下端を加熱部材102の高さより上に位置付けてもよい。1つまたは複数の加熱部材102および断熱材料104の他の構成を使用することができ、例えば、1つまたは複数の加熱部材102が誘導加熱器であり、断熱材料104が耐火性材料を含み、当該1つまたは複数の加熱部材102は、耐火性材料104中に内包されている。そのような例において、追加の断熱材料も場合により含むことができ、ここで追加の断熱材料は、耐火性材料であってよく、あるいは追加の断熱材料は、別の適切な断熱材料であってもよい。
【００４９】
上部加熱器100は、外側ジャケット106を含むことができる。外側ジャケット106は、特に限定されないが、鋼、ステンレス鋼、銅、鋳鉄、耐火性材料、複数の耐火性材料の混合物またはそれらの組み合わせを含む、任意の適切な材料を含むことができる。断熱材料104は、1つまたは複数の加熱部材102と外側ジャケット106との間に少なくとも部分的に配置することができる。外側ジャケット106の下端は、断熱材料104の下端および1つまたは複数の加熱部材102とほぼ同じ高さであってよく、または外側ジャケット106の下端は、断熱材料104の下端からまたは1つもしくは複数の加熱部材102とずらすことができ、またはその両方も可能である。1つの例において、断熱材料104の端部を覆う外側ジャケット106の一部は、比較的低い伝導率を有する材料、例えば、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化ジルコニウム、酸化クロム、シリコンカーバイド、グラファイト、またはそれらの組み合わせ等の適切な耐火物を含むことができる。
【００５０】
上部加熱器の外側ジャケット106は、構造部材、例えば、上部加熱器100に強度または剛性を加えることができる部材を含むことができる。構造部材は、鋼、ステンレス鋼、銅、鋳鉄、耐火性材料、複数の耐火性材料の混合物またはそれらの組み合わせを含むことができる。1つの例において、上部加熱器の外側ジャケット106は、上部加熱器100の中心から離れる方向に上部加熱器の外側ジャケット106の外側から延伸しており、かつ上部加熱器100の周囲または外周を囲むように水平に延伸している、1つまたは複数の構造部材を含むことができる。1つまたは複数の水平構造部材は、例えば、上部加熱器の外側ジャケット106の外側の下端に、上部加熱器の外側ジャケット106の外側の上端に、または上部加熱器の外側ジャケット106の外側の下端と上端の間の任意の位置に位置することができる。1つの例において、上部加熱器100は、3つの水平構造部材を含み、1つは上部加熱器の外側ジャケット106の下端に位置し、1つは上部加熱器の外側ジャケット106の上端に位置し、かつ1つは上部加熱器の外側ジャケット106の下端と上端の間に位置する。
【００５１】
上部加熱器の外側ジャケット106は、上部加熱器の外側ジャケット106の外側に、上部加熱器100の中心から離れる方向に上部加熱器の外側ジャケット106の外側から延伸しており、かつ上部加熱器の外側ジャケット106の外側の底部から上部加熱器の外側ジャケット106の外側の上部に垂直に延伸している、1つまたは複数の構造部材を含むことができる。1つの例において、上部加熱器の外側ジャケット106は、8つの垂直構造部材を含むことができる。垂直構造部材は、上部加熱器100の周囲または外周を囲むように等間隔に並べることができる。1つの例として、上部加熱器の外側ジャケット106は、垂直構造部材と水平構造部材の両方を含むことができる。上部加熱器の外側ジャケット106は、上部加熱器の外側ジャケット106の上部を横断して延伸している構造部材を含むことができる。上部の構造部材は、上部加熱器の外側ジャケット106の上部の1つの外縁部から上部加熱器の外側ジャケット106の上部の別の端部に延伸していてもよい。上部の構造部材はまた、外側ジャケット106の上部を部分的に横断して延伸していてもよい。構造部材は、帯、棒、管、または上部加熱器に構造支柱を加えるための任意の適切な構造体であり得る。構造部材は、溶接、蝋付け、または他の適切な方法によって上部加熱器の外側ジャケット106に取り付けることができる。構造部材は、機器の輸送および物理的操作を容易にするように適合させることができる。例えば、上部加熱器の外側ジャケット106の外側の上部の構造部材は、特定のフォークリフトまたは他のリフト機が上部加熱器をリフトまたは移動させるか、または他の方法で物理的に操作することができるような、十分なサイズ、強度、方向、間隔、またはそれらの組み合わせの管であり得る。別の例では、上部加熱器の外側ジャケット106の外側に位置しているような上述の構造部材は、代替的にまたは追加的に、上部加熱器の外側ジャケット106の内側に位置することができる。別の例では、上部加熱器100は、クレーンまたは他のリフト機を使用し、上部加熱器100に連結している鎖（上部加熱器の構造部材に連結している鎖または上部加熱器100の非構造部材に連結している鎖を含む）を使用して移動させることができる。例えば、鎖を上部加熱器の外側ジャケット106の上端に連結させて、クレーン用の添ロープを形成し、上部加熱器100をリフトして、別の方法で移動させることができる。
【００５２】
冷却
上述したように、るつぼ中の温度勾配を制御することによって、高度に制御された方向性凝固を達成することができる。温度勾配に対する高度な制御および対応する方向性結晶化は、より効果的な方向性凝固を可能にし、結果としてより高純度のシリコンを生じる。1つの例において、方向性凝固は、概ねるつぼの底部から上部へと進行し得るので、温度勾配は、底部でより低い温度を有し、上部でより高い温度を有する。上部加熱器100を備える1つの例において、上部加熱器100は、るつぼからの熱の侵入または損失を制御する1つの方法であり得る。また、伝導性耐火性材料をるつぼ中で使用して、るつぼの底部からの熱の損失を誘導することもできる。るつぼはまた、るつぼの側部に断熱材料を含み、そこからの熱の損失を防止する、垂直温度勾配の形成を促進し、かつ水平温度勾配の形成を妨害することができる。1つの例において、1つまたは複数のファンを使用して、るつぼの底部にわたって、例えばるつぼの外側ジャケットの底部にわたって送風し、るつぼの底部からの熱の損失を制御することができる。1つの例として、ファンを使用せずに周囲空気の循環を使用して、るつぼの底部を含めるつぼを冷却することができる。
【００５３】
1つの例において、空冷を容易にするために、1つまたは複数の伝熱フィンをるつぼの外側ジャケットの底部に取り付けることができる。1つまたは複数のファンは、外側ジャケットの底部にわたって送風することによって、冷却フィンの冷却効果を高めることができる。任意の適切な数のフィンを使用し得る。1つまたは複数のフィンは、機器の底部からの熱を吸収することができ、かつ空冷による熱の除去を可能にするが、それは、フィンの表面積によって促進される。例えば、フィンは、銅、鋳鉄、鋼、またはステンレス鋼で作製され得る。
【００５４】
1つの例において、少なくとも1つの液体導管を含むことができ、ここで少なくとも1つの液体導管は、冷却液が導管を通過するように構成されており、それによって、熱がるつぼから離れるように移動する。冷却液は、任意の適切な冷却液であり得る。冷却液は、1つの液体であっても、2つ以上の液体の混合物であってもよい。使用され得る冷却液の例としては、特に限定されないが、水、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、油および油の混合物の少なくとも1つが挙げられる。
【００５５】
1つの例において、少なくとも1つの液体導管は、管を含むことができる。管は、伝熱のための任意の適切な材料、例えば銅、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼、耐火性材料、複数の耐火性材料の混合物またはそれらの組み合わせを含むことができる。少なくとも1つの液体導管は、材料を貫通する導管を含むことができる。導管は、任意の適切な材料、例えば銅、シリコンカーバイド、グラファイト、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼、耐火性材料、複数の耐火性材料の混合物またはそれらの組み合わせを含む材料を貫通することができる。少なくとも1つの液体導管は、管と材料を貫通する導管の組み合わせであり得る。1つの例において、少なくとも1つの液体導管は、機器の底部に隣接する位置に、機器の底部内にある位置に、または機器の底部に隣接する位置と機器の底部内にある位置の組み合わせに位置することができる。
【００５６】
液体導管は、冷却液によって熱を方向性凝固鋳型から移動させることが可能な様々な構成を包含することができる。ポンプを使用して、冷却液を移動させることができる。冷却システムを使用して、冷却液から熱を除去することができる。例えば、パイプを含む1つまたは複数の管が使用され得る。1つまたは複数の管は、円形、正方形、または平面を含む任意の適切な形状であり得る。1つまたは複数の管はコイル状であり得る。1つまたは複数の管は、外側ジャケットの外側に隣接し得る。1つの例において、1つまたは複数の管は、外側ジャケットの外側の底部に隣接し得る。1つまたは複数の管は、機器から冷却液への効率的な熱の移動が可能となるための十分な表面積の接触が起こるように、外側ジャケットと接触し得る。1つまたは複数の管は、任意の適切な様式で、例えば管の端部に沿って、外側ジャケットと接触し得る。1つまたは複数の管は、外側ジャケットの外側に、溶接、蝋付け、はんだ付けされ得るか、または任意の適切な方法によって連結され得る。1つまたは複数の管は、外側ジャケットの外側に対して平坦にして、熱移動の効率を高めることができる。
【００５７】
1つの例において、少なくとも1つの液体導管は、るつぼの底部を貫通する1つまたは複数の導管であり得る。るつぼの底部を貫通する導管は、るつぼ中に含まれる耐火物中に内包されている管であり得る。管は、外側ジャケットの一部に入り、るつぼの底部で耐火性材料もしくは伝導性材料またはそれらの組み合わせを貫通し、かつ外側ジャケットの別の部分から出ていくことができる。るつぼの底部耐火物または底部伝導性材料中に内包されている管は、コイル状であっても、または1回もしくは複数回後方および前方に移動した後にるつぼの底部から出ていくことを含む任意の適切な形状で配置されていてもよい。
【００５８】
1つの例において、少なくとも1つの液体導管は、耐火性材料、熱伝導性材料、またはそれらの組み合わせ中に内包されている管を含み、当該材料は、その上にるつぼを置くのに十分に大きい一塊の材料である。当該導管は、任意の適切な材料を貫通することができる。例えば、導管は、銅、シリコンカーバイド、グラファイト、鋳鉄、鋼、ステンレス鋼、耐火性材料、複数の耐火性材料の混合物、またはそれらの組み合わせを含む材料を貫通することができる。冷却液は、るつぼが載っている耐火性材料から熱を除去することができ、それによって、るつぼの底部から熱が除去される。
【００５９】
概略
図3は、るつぼ124の上部に位置付けられた上部加熱器122を含むシリコンの方向性凝固のための機器120の1つの例を示す。鎖126は、垂直構造部材130の穴128を介して上部加熱器122に連結され得る。鎖126は、添ロープを形成し、これによってクレーンを使用して上部加熱器122を移動させることができる。当該機器はまた、例えば、るつぼ124の上方に上部加熱器122を残しながら、るつぼ124をシザーリフト上に置くことによって移動させることができる。
【００６０】
垂直構造部材130は、上部加熱器122の外側ジャケットの下端から上部加熱器122の外側ジャケットの上端へと垂直に延伸していてもよい。垂直構造部材130は、上部加熱器の外側ジャケットの外側に位置しており、かつ上部加熱器122の中心から離れる方向と並行に当該ジャケットから延伸していてもよい。上部加熱器122はまた、1つまたは複数の水平構造部材132を含むことができ、これは上部加熱器の外側ジャケットの外側に位置し、かつ上部加熱器122の中心から離れる方向と並行である方向に当該ジャケットから延伸していてもよい。上部加熱器122はまた、上部加熱器122の外側ジャケットの一部である縁部134を含むことができる。縁部134は、上部加熱器122の外側ジャケットから離れるように突出していてもよい。縁部134は、上部加熱器122の断熱材を任意の適切な程度で覆うように上部加熱器122の中心軸に向かって内向きに延伸していてもよい。代替的に、縁部134は、上部加熱器122の外側ジャケットの下端を覆うのに十分なだけ内向きに延伸していてもよい。1つまたは複数のスクリーンボックス136は、上部加熱器122の外側ジャケットから突き出ている加熱部材の端部を取り囲み、これらの部材の端部におよびその近傍に存在し得る熱および電気から使用者を保護する。
【００６１】
断熱材138は、上部加熱器122とるつぼ124との間に位置し得る。るつぼ124の1つまたは複数の断熱層の少なくとも一部は、るつぼ124の外側ジャケットの高さより上に延伸していてもよい。るつぼ124は、1つまたは複数の垂直構造部材140を含むことができる。垂直構造部材140は、るつぼ124の外側ジャケットの外面上に位置し、るつぼ124の中心から離れる方向と並行に外側ジャケットから離れるように延伸していてもよい。垂直構造部材140は、外側ジャケットの下端から外側ジャケットの上端へと垂直に延伸していてもよい。るつぼ124はまた、1つまたは複数の水平構造部材142を含むことができる。水平構造部材142は、るつぼ124の外側ジャケットの外面上に位置し、るつぼ124の中心から離れる方向と並行に外側ジャケットから離れるように延伸している。水平構造部材142は、るつぼ124の周囲を囲むように水平に延伸していてもよい。るつぼ124はまた、底部構造部材144および146を含むことができる。底部構造部材144および146は、るつぼ124の中心から離れる方向と並行に外側ジャケットから離れるように延伸していてもよい。底部構造部材144および146は、るつぼ124の底部を横断して延伸していてもよい。底部構造部材146のいくつかは、これらによって、フォークリフトまたは他の機械で機器をリフトするか、または他の方法で物理的に操作することができるように形成され得る。
【００６２】
シリコンを精製する方法
図4A〜4Cは、シリコンの方向性凝固のためのプロセスの様々な段階における、例示的な機器200の断面図である。機器200は、方向性凝固るつぼ202とるつぼ202上に配置された上部加熱器204を備えることができる。シリコンを含む溶融液206は、るつぼ202内の内部空間内に位置する。上述したように、溶融シリコン206は、溶融シリコン206から不純物を除去するために方向性凝固されるシリコンを含む。
【００６３】
図4Aは、シリコン精製プロセスの第一の中間段階を示す。図4Aの中間段階において、溶融シリコン206の上部は凝固されて、固体シリコン層208を形成している。固体シリコン層208の上部で、ガラス210は、固体シリコン層208と接触して置かれる。以下により詳しく記載するように、ガラス210は、方向性凝固中に溶融シリコン206から追加の不純物を吸収することによって、るつぼ202内でシリコンの追加精製を提供するように構成される。
【００６４】
ガラス210は、溶融シリコン206からの望ましくない不純物、例えばホウ素（B）およびリン（P）の吸収を提供し得る、任意のガラス組成物を含むことができる。ガラス210として使用することができるガラス組成物の一例としては、特に限定されないが、予融解（pre-fused）シリカ系ガラスのような予融解ガラス、例えば、予融解シリカが挙げられる。
【００６５】
図4Bは、シリコン精製プロセスの第二の中間段階を示す。図4Bの中間段階において、るつぼ202が加熱されることで、固体シリコン層208は溶融して溶融シリコン206中に戻り、そして、図4A中のガラス210は溶融して、溶融液406の上部に溶融ガラス層212を形成する。
【００６６】
図4Cは、シリコン精製プロセスの方向性凝固工程中の機器を示す。固体シリコン層208およびガラス210を加熱および溶融した後、溶融シリコン206を、例えば、当技術分野において通常使用されるような方向性凝固の方法を使用して方向性凝固することができる。過去に知られている方向性凝固の方法と同様に、例えば、制御された様式で（上述）、溶融液202の上部を上部加熱器204で加熱し、るつぼ202の底壁を冷却することによって、溶融シリコン206は凝固して、るつぼ202の底部から上部へ向かって形成されるインゴット214を形成する。図4Cは、るつぼ202内でインゴット214が形成している状態を示し、例えば、この場合、溶融シリコン206が固体シリコンインゴット214の上部に位置している。さらに、上述したように、溶融ガラス層212は、溶融シリコン206の上部に留まっている。
【００６７】
当技術分野において公知であるように、溶融シリコン206中のシリコンが凝固してシリコンインゴット214を形成するとき、不純物、例えばホウ素、リン、およびアルミニウムは溶融溶液中に留まり、それによって、方向性凝固が進行するにつれて不純物の濃度は溶融シリコン206内で増加する。不純物の濃度の増加は、溶融シリコン206と溶融ガラス層212との間で不純物が大量に移動する推進力をもたらす。溶融ガラス層212が、るつぼ202の上部において溶融シリコン206と十分な期間接触し続ける場合、最終インゴット214中の不純物の量を、溶融ガラス層212を形成する上部ガラス層210を使用しない従来の方向性凝固の方法と比較して、大幅に減少することができる。方向性凝固は、所定の期間にわたって停止することができ、それによって、溶融シリコン206は溶融ガラス層212と所定の期間にわたって接触したままになる。一例として、溶融シリコン206は、溶融ガラス層212と少なくとも14時間にわたって接触し続け、また24時間以上にもわたって接触し続けることもできる。
【００６８】
溶融シリコン206を溶融ガラス層212と所定の期間にわたって接触させた後、方向性凝固を続けることができ、それによって、溶融シリコン206の全てがシリコンインゴット214の一部として凝固されるようになり、溶融ガラス層212もまた凝固されて不純なガラス層216を形成する。一例として、ガラス層210が、シリカ、例えば予融解シリカを含む場合、溶融ガラス層212中のシリカ（SiO2）の一部は、もともと溶融シリコン206中にあった、溶融ガラス層212中に拡散しているアルミニウム不純物の存在によってアルミナ（Al2O3）に変換され得る。
【００６９】
図5は、例示的なシリコンの精製のための方法300のフローダイアグラムである。方法300は、302において、例えば冶金グレード（MG）シリコンを溶融することによって、シリコンを含む溶融液を形成する工程を含むことができる。一例として、溶融液は、シリコン、例えばMGシリコンを、固相線温度を超える温度（少なくとも約1400℃のような）、例えば約1400℃〜約1600℃まで加熱することによって形成される。
【００７０】
304において、凝固したシリコン層は、溶融液の上部に形成される。凝固したシリコン層は、溶融液の上部を冷却することによって溶融液の上部に形成することができる。当該上部は、溶融液の上部がゆっくりと冷却され、それによって凝固するように、溶融液の上部を比較的少ない熱で加熱することによって凝固させることができる。上部の凝固した部分を、溶融液の上部に形成することができ、一方で、底部は、溶融液として保持される。溶融液の底部、例えば、上部の凝固した部分より下の部分は、底部を融点より高い温度に維持するように溶融液の底部を加熱することによって溶融液として保持することができ、一方で、溶融液の上部は、凝固点未満に冷却される。一例として、凝固したシリコン層は、最大で約1センチメートルの厚さの凝固したシリコン、例えば、最大で約0.5センチメートルの厚さの凝固したシリコンを有する。
【００７１】
306において、凝固したシリコン層を、ガラス、例えばガラス層と接触させる。一例として、当該ガラスは、予融解ガラス、例えば予融解シリカを含む。308において、凝固したシリコン層およびガラスは、凝固したシリコンおよびガラスが溶解するまで十分に加熱される。一例として、凝固したシリコンおよびガラスは、固相線温度を超える温度（少なくとも約1400℃のような）、例えば約1400℃〜約1600℃まで加熱される。
【００７２】
310において、溶融液は、溶融液の底部から溶融液の上部へ向かって方向性凝固し、固体シリコン、例えば固体シリコンインゴットを形成する。固体シリコンインゴットが形成されるにつれて、溶融液中の不純物、例えばホウ素、リン、およびアルミニウムの少なくとも1つの濃度が増加し、かつ溶融液と溶融ガラスの間の推進力が増加し、それによって、溶融液中のシリコンを精製するために不純物は溶融液から溶融ガラスへと移動する。一例として、方向性凝固は、溶融液を冷却することによって、例えば、溶融液の底部を冷却することによって行われる。方向性凝固を行うための冷却は、少なくとも約14時間、例えば約14時間〜約24時間の期間にわたる。
【００７３】
1つの例において、第一の溶融シリコンは、概ね方向性凝固鋳型の底部で凝固を開始し、そして、概ね方向性凝固鋳型の上部で終了して、第二のシリコンを形成し得る。方向性凝固によって、第二のシリコンの最終凝結部分は、第二のシリコンの先に凝結した部分よりも高い濃度の不純物を含み得る。最終凝結部分以外の第二のシリコンの部分は、第二のシリコンの最終凝結部分よりも低い濃度の不純物を含むことができる。第二のシリコンは、シリコンインゴットであり得る。シリコンインゴットは、例えば太陽電池製造用のソーラーウェハーへの切断に適し得る。
【００７４】
1つの例において、方向性凝固は、方向性凝固鋳型上に上部加熱器を位置づける工程を含むことができる。方向性凝固鋳型は、溶融シリコンを加える前に予熱することができる。上部加熱器を使用して、方向性凝固鋳型を予熱することができる。方向性凝固鋳型を予熱する工程は、方向性凝固鋳型の壁上でシリコンが過剰に急速に凝固するのを防止することに役立ち得る。上部加熱器を使用して、第一のシリコンを溶融して、第一の溶融シリコンを形成し得る。上部加熱器を使用して、熱を第一の溶融シリコンに移すことができる。上部加熱器は、シリコンを方向性凝固鋳型中で溶融する場合、熱を第一の溶融シリコンに移すことができる。上部加熱器を使用して、第一の溶融シリコンの上部の熱を制御することができる。上部加熱器を断熱体として使用して、方向性凝固鋳型の上部の熱の損失量を制御することができる。第一のシリコンは、当該機器の外側、例えば加熱炉内の溶融るつぼ中で溶融して、次に、方向性凝固鋳型に加えることができる。いくつかの例において、機器の外側で溶融したシリコンは、方向性凝固鋳型に加えられた後に上部加熱器を使用して所望の温度までさらに加熱することができる。
【００７５】
1つの例において、上部加熱器は誘導加熱器を含むことができ、方向性凝固鋳型に加える前にシリコンを溶融することができる。代替的に、上部加熱器は、誘導加熱器だけでなく加熱要素も含むことができる。誘導加熱は、溶融シリコンにおいてより効果的であり得る。誘導は、溶融シリコンの混合を生じ得る。過剰な混合は不純物の析出を改善し得るが、最終シリコンインゴット中に望ましくない多孔性も生じさせる場合があるので、いくつかの例において、電力は、混合する量を最適化するために十分に調整され得る。
【００７６】
方向性凝固は、方向性凝固鋳型の底部から熱を除去する工程を含むことができる。熱の除去は、任意の適切な様式で行うことができる。例えば、熱を除去する工程は、方向性凝固鋳型の底部にわたってファンで送風する工程、ファンを使用してまたは使用せずに周囲空気で方向性凝固鋳型の底部を冷却する工程、当該機器の底部に隣接する管を通って、当該機器の底部を貫通する管を通って、機器が載っている材料を貫通する管を通って、またはそれらの組み合わせを通って冷却液を流す工程の少なくとも1つを含むことができる。方向性凝固鋳型の底部からの熱の除去は、方向性凝固鋳型中で温度勾配が確立されることを可能にし、概ね方向性凝固鋳型の底部から方向性凝固鋳型の上部への第一の溶融シリコンの方向性凝固のより良好な制御を提供することができる。
【００７７】
方向性凝固鋳型の底部の熱の除去は、方向性凝固の期間全体にわたって実施することができる。複数の冷却方法を使用し得る。例えば、方向性凝固鋳型の底部を液体で冷却し、かつファンで冷却することができる。方向性凝固のある部分に対するファン冷却および別の部分に対する液体冷却は、その2つの冷却方法間で任意の適切な量でそれらを重複または欠如させながら行うことができる。方向性凝固のある部分に対する液体による冷却、および別の部分に対する周囲空気による単独冷却は、その2つの冷却方法間で任意の適切な量でそれらを重複または欠如させながら行うことができる。冷却した材料のブロック上に方向性凝固鋳型を置くことによる冷却もまた、方向性凝固の任意の適切な期間にわたって行うことができ、これは他の冷却方法と任意の適切な量で重複させた任意の適切な組み合わせを含む。方向性凝固鋳型の底部の冷却は、熱が上部に加えられている間、例えば、上部の温度を上昇させるために、上部の温度を維持するために、または特定速度での上部の冷却を可能にするために熱が上部に加えられている間に実施することができる。方向性凝固鋳型の上部を加熱する、方向性凝固鋳型の底部を冷却する、およびそれらの組み合わせを任意の適切な量でそれらを時間的に重複または欠如させたすべての適切な構成および方法は、本発明の例として包含される。
【００７８】
方向性凝固は、上部加熱器を使用して、シリコンを少なくとも約1200℃まで加熱して、シリコンの上部の温度を約10〜約16時間かけてゆっくり冷却する工程を含むことができる。方向性凝固は、上部加熱器を使用して、シリコンを約1200℃〜約1600℃に加熱して、シリコンの上部の温度を約14時間ほぼ一定に維持する工程を含むことができる。方向性凝固は、上部加熱器をオフにし、シリコンを約2〜約60時間冷却させ、次に、方向性凝固鋳型から上部加熱器を取り外す工程を含むことができる。212において、方向性凝固鋳型から第二のシリコンを取り出すことができる。シリコンは、任意の適切な方法で取り出すことができる。例えば、シリコンは、方向性凝固鋳型を反転させて、第二のシリコンを方向性凝固鋳型から脱落させることによって取り出すことができる。別の例では、方向性凝固機器を、例えば2つの半体を形成するように中央から実質的に分割することで、2つ以上の部分に分けることができ、それによって第二のシリコンを方向性凝固鋳型から取り出すことが可能である。
【００７９】
312において、方向性凝固の後、凝固したシリコンの一部分を除去して、精製固体シリコンを提供することができる。314において、当該ガラスの少なくとも一部分を除去して、精製固体シリコンを提供してもよい。当該ガラスは、例えば、凝固したシリコンインゴットから注ぎ出すかまたは他のやり方で除去することによって、溶融形態であることができる。当該ガラスは、固体形態であることができ、かつ当該ガラスは、例えば、シリコンインゴットから当該ガラスを切断することによって除去することができる。
【００８０】
第二のシリコンまたはガラスの一部分または両方の除去は、得られるシリコンインゴットの全体の純度の増加をもたらすことができる。例えば、方法は、方向性凝固した第二のシリコンから最終凝結部位の少なくとも一部を除去する工程を含むことができる。方向性凝固はその間に底部から上部へ方向付けられるので、方向性凝固したシリコンの最終凝結部位は、第二のシリコンインゴットの上部であり得る。溶融形態または固体形態のいずれかである当該ガラスは、最終凝結部位の上部にあり得る。不純物の最も高い濃度は、概して、凝固したシリコンの最終凝結部位中に、かつ、上述したように、ガラス中に生じる可能性がある。したがって、最終凝結部位またはガラスまたは両方を除去することは、凝固したシリコンから不純物を除去することができ、結果として第一のシリコンよりも不純物の濃度が低いトリミングされた第二のシリコンをもたらす。シリコンまたはガラスの一部分または両方の除去は、固体シリコンを帯鋸、線鋸、または任意の適切な切断装置で切断する工程を含むことができる。シリコンまたはガラスの一部位または両方の除去は、ショットブラストまたはエッチング工程を含むことができる。ショットブラストまたはエッチング工程はまた、通常、最終凝結部分だけでなく第二のシリコンの任意の外面を清浄または除去するためにも使用することができる。シリコンまたはガラスの一部分または両方の除去は、例えばるつぼから残っている液体を注ぎ出すことによる、最終凝結液体部分の除去を含むことができる。
【００８１】
工程の1つまたは複数は、不活性雰囲気、例えば、アルゴン（Ar）、窒素（N2）、水素（H2）、水蒸気（H2O）、塩酸ガス（HCl）、塩素（Cl2）、アンモニア（NH3）、およびヘリウム（He）の少なくとも1つの中で行われることができる。方法は、バッチ様式または連続様式で行うことができる。
【００８２】
方法300は、少なくとも約1000キログラムのシリコンを提供することができる。精製固体シリコンは、ソーラーパネルの製造に使用することができる。第二のシリコンインゴットの部分（例えば、最終凝結部分）またはガラスまたは両方を除去した後、シリコンインゴットは、例えば帯鋸、線鋸、または任意の適切な切断装置を使用して、1つまたは複数の太陽電池ウエハーに切断することができる。
【００８３】
態様：
本明細書に開示した方法をさらに説明するために、非限定的な態様の一覧をここに提供する。
態様1は、
（a）シリコンから溶融液を形成する工程；
（b）溶融液の上部に凝固したシリコンを形成する工程；
（c）凝固したシリコンとガラスを接触させる工程；
（d）凝固したシリコンおよびガラスを、凝固したシリコンおよびガラスが溶融するまで十分に加熱する工程；ならびに
（e）溶融液の底部から溶融液の上部へ向かって溶融液を方向性凝固させて、固体シリコンを提供する工程
を含む方法を、含む。
態様2は、
シリコンを精製するための方法である態様1の方法を、含む。
態様3は、
アルミニウム、ホウ素、およびリンのうち少なくとも1つからシリコンを精製するための方法である、態様1または2の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様4は、
溶融液を形成するシリコンが、冶金グレード（MG）シリコンを含む、態様1〜3の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様5は、
溶融液が、固相線温度を超える温度で形成される、態様1〜4の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様6は、
溶融液が、少なくとも約1400℃の温度で形成される、態様1〜5の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様7は、
溶融液が、約1400℃〜約1600℃の温度で形成される、態様1〜6の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様8は、
凝固したシリコンが、溶融液の上部を冷却することによって溶融液の上部に形成される、態様1〜7の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様9は、
凝固したシリコンが、溶融液の底部を加熱することによって溶融液の上部に形成され、底部が溶融液として保持される、態様1〜8の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様10は、
溶融液の上部がゆっくりと冷却され、それによって凝固するように、溶融液の上部を比較的少ない熱で加熱することによって、凝固したシリコンが溶融液の上部に形成される、態様1〜9の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様11は、
凝固したシリコンが溶融液の上部に形成され、一方で、底部が溶融液として保持される、態様1〜10の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様12は、
溶融液の底部が融点を超える温度で維持され、一方で、溶融液の上部が凝固点未満に冷却されることで、凝固したシリコンが溶融液の上部に形成される、態様1〜11の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様13は、
凝固したシリコンが、最大で約1センチメートルの厚さを有する、態様1〜12の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様14は、
凝固したシリコンが、最大で約0.5センチメートルの厚さを有する、態様1〜13の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様15は、
ガラスが、予融解（pre-fused）ガラスを含む、態様1〜14の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様16は、
ガラスが、予融解シリカ系ガラスを含む、態様1〜15の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様17は、
凝固したシリコンおよびガラスが、固相線温度を超える温度まで加熱される、態様1〜16の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様18は、
凝固したシリコンおよびガラスが、少なくとも約1400℃の温度まで加熱される、態様1〜17の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様19は、
凝固したシリコンおよびガラスが、約1400℃〜約1600℃の温度まで加熱される、態様1〜18の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様20は、
方向性凝固が、溶融液を少なくとも約10時間の期間にわたって冷却することによって行われる、態様1〜19の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様21は、
方向性凝固が、溶融液を少なくとも約14時間の期間にわたって冷却することによって行われる、態様1〜20の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様22は、
方向性凝固が、溶融液を約14〜約24時間の期間にわたって冷却することによって行われる、態様1〜21の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様23は、
精製固体シリコンを提供するために、（f）固体シリコンの一部分を除去する工程をさらに含む、態様1〜22の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様24は、
精製固体シリコンを提供するために、（g）ガラスの少なくとも一部分を除去する工程をさらに含む、態様1〜23の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様25は、
少なくとも約1,000kgのシリコンを提供する、態様1〜24の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様26は、
固体シリコンがソーラーパネルの製造に用いられる、態様1〜25の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様27は、
前記工程のいずれか1つまたは複数が不活性雰囲気下で行われる、態様1〜26の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様28は、
前記工程のいずれか1つまたは複数が、アルゴン（Ar）、窒素（N2）、水素（H2）、水蒸気（H2O）、塩酸ガス（HCl）、塩素（Cl2）、アンモニア（NH3）、およびヘリウム（He）のうち少なくとも1つを含む不活性雰囲気下で行われる、態様1〜27の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様29は、
前記工程のいずれか1つまたは複数が、アルゴン（Ar）、水素（H2）、および窒素（N2）のうち少なくとも1つを含む不活性雰囲気下で行われる、態様1〜28の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様30は、
バッチ様式で行われる態様1〜29の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様31は、
連続様式で行われる態様1〜30の一つまたは任意の組み合わせの方法を、含む。
態様32は、
態様1〜31の一つまたは任意の組み合わせの方法を含む。
【００８４】
上記の詳細な説明は、添付の図面についての言及を含み、これは詳細な説明の一部を形成する。図面は、例示を目的として、本発明が実施され得る特定の態様を示す。これらの態様はまた、本明細書において「実施形態」とも呼ばれる。そのような実施形態は、示されるまたは記載される要素以外の他の要素を含むことができる。しかしながら、本発明者らはまた、示されるまたは記載される要素のみが提供される実施形態を考慮する。さらに、本発明者らはまた、特定の実施形態（またはそれらの1つもしくは複数の局面）に関して、または本明細書に示されるまたは記載される他の実施形態（またはそれらの1つもしくは複数の局面）に関して、示されるまたは記載される要素（またはそれらの1つもしくは複数の局面）の任意の組み合わせまたは並べ替えを使用した実施形態も考慮する。
【００８５】
本明細書と参照によってそのように組み入れられた任意の明細書との間で使用法が矛盾する場合には、本明細書における使用法が優先される。
【００８６】
本明細書において、「1つ（ａ）」または「1つ（an）」という用語は、特許文書においてよく見られるように、「少なくとも1つ」または「1つまたは複数」の任意の他の事例または使用法とは無関係に、1つまたは2つ以上を含むものとして使用される。本明細書において、「または（or）」という用語は、非排他的な「または」を指すように使用され、「AまたはB」は、他のことを示していない限り、「AであるがBではない」、「BであるがAではない」および「AおよびB」を含む。本明細書において、「含む（including）」および「in which」という用語は、「含む（comprising）」および「wherein」というそれぞれの用語の平易な英語（plain-English）の等価体として使用される。また、添付の特許請求の範囲において、「含む（including）」および「含む（comprising）」という用語は非制限的である。すなわち、ある請求項においてそのような用語の後に列挙された要素の他の要素を含むシステム、装置、物品、組成物、配合、またはプロセスは、依然として当該請求項の範囲内にあると見なされる。さらに、添付の特許請求の範囲において、「第一」、「第二」、および「第三」等の用語は、単に標識として使用され、それらの対象物に対して数的要件を課すことを意図していない。
【００８７】
本明細書に記載の方法例は、少なくとも部分的に機械またはコンピューターで実行され得る。いくつかの例は、上記実施形態に記載される方法を実施するために電子装置を構成するよう作動する命令がコード化されたコンピューター可読媒体または機械可読媒体を含むことができる。そのような方法の実行は、コード、例えばマイクロコード、アセンブリ言語コード、より高レベルの言語コード等を含むことができる。そのようなコードは、様々な方法を実施するためのコンピューターで可読な命令を含むことができる。当該コードは、コンピュータープログラムの一部を形成し得る。さらに、1つの例として、当該コードは、例えば実行の間または他の時間に、1つまたは複数の揮発性、非一過性、または不揮発性のタンジブルコンピューター可読媒体上に明確に記憶され得る。これらのタンジブルコンピューター可読媒体の例としては、特に限定されないが、ハードディスク、リムーバブル磁気ディスク、リムーバブル光ディスク（例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク）、磁気カセット、メモリカードまたはメモリスティック、ランダムアクセスメモリ（RAM）、読取専用メモリ（ROM）等を挙げることができる。
【００８８】
上記の記載は、例示的であって制限的でないことを意図している。例えば、上述の実施形態（またはそれらの1つもしくは複数の局面）は、互いに組み合わせて使用され得る。他の態様は、例えば上記の記載を検討する際に当業者によって使用され得る。要約書は、37 C.F.R. §1.72(b)に準拠するように提供され、それによって読者が技術的開示の性質を迅速に確認することが可能である。この要約書は、特許請求の範囲の範囲または意味を解釈または限定するように使用されるものではないとの理解の下で提示される。また、上記の詳細な説明において、様々な特徴が本開示を合理化するために分類され得る。これは、特許請求されていない開示された特徴が任意の請求項に必要不可欠であることを意図するものとして解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された態様のすべての特徴よりも少ない中にあり得る。従って、以下の特許請求の範囲は、各請求項がそれ自体個別の態様として自立して、詳細な説明に実施形態または態様として組み入れられ、そのような態様が様々な組み合わせまたは並べ替えで互いに組み合わせられ得ることが考慮される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に準拠して、そのような特許請求の範囲が付与される等価物の範囲全体と共に決定されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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