(57)【要約】本発明は、急速な方向性凝固を用いて材料を精製するための機器および方法に関する。示された装置および方法は、方向性凝固の際の温度勾配および冷却速度に対する制御を提供し、これにより、より高純度の材料がもたらされる。本発明の機器および方法は、太陽電池などのソーラー用途での使用のためのシリコン材料を作成するために使用することができる。鋳型(801)は、壁部構造体(802)および底部(804)によって画定される。システム(800)は、溶融シリコン(801)の熱勾配および冷却速度を制御するための上部加熱器(820)も含む。壁部構造体(801)は、鋳型(801)の縁部から下部(804)との境界面まで厚さがテーパー状になっている。2014534401.tif 000003
2014534401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側ジャケットと、
該外側ジャケットの下部を内張りする底部であって、熱伝導性材料を含む底部と、
該外側ジャケットの壁を内張りする壁部断熱構造体であって、第一の厚さを有する、鋳型の縁部から、該第一の厚さよりも薄い第二の厚さを有する該鋳型の下部分へと厚さがテーパー状になっている壁部断熱構造体と
を含む、方向性凝固のためのシステム。
【請求項２】
壁部断熱構造体が、鋳型の縁部から底部との下部境界面へと厚さがテーパー状になっている、請求項1記載のシステム。
【請求項３】
第二の厚さが、第一の厚さよりおよそ25パーセント薄い、請求項2記載のシステム。
【請求項４】
壁部断熱構造体が、耐火レンガの層、および実質的に連続する耐火材料の露出層を含む、請求項1記載のシステム。
【請求項５】
露出層が、Al2O3の層を含む、請求項3記載のシステム。
【請求項６】
露出層が、約98パーセントを超える純度のAl2O3である、請求項4記載のシステム。
【請求項７】
耐火レンガの層が、およそ1540℃〜1430℃に定格されている、請求項3記載のシステム。
【請求項８】
露出層が、鋳型の縁部における幅広の部分から、底部との下部境界面におけるより薄い部分へと厚さがテーパー状になっており；かつ
耐火レンガの層が、鋳型の縁部における幅広の部分から、底部との下部境界面におけるより薄い部分へと厚さがテーパー状になっている、
請求項3記載のシステム。
【請求項９】
壁部断熱構造体が、微孔性耐火層をさらに含む、請求項3記載のシステム。
【請求項１０】
微孔性耐火層が、均一な厚さを有する、請求項8記載のシステム。
【請求項１１】
微孔性耐火層が、外側ジャケットの壁部および該外側ジャケットの下部の少なくとも一部に沿って、実質的に均一な厚さを提供する、請求項10記載のシステム。
【請求項１２】
壁部断熱構造体が、微孔性耐火層と耐火レンガの層との間にセラミック繊維層をさらに含む、請求項8記載のシステム。
【請求項１３】
壁部断熱構造体が、微孔性耐火層と外側ジャケットとの間にセラミック繊維層をさらに含む、請求項12記載のシステム。
【請求項１４】
底部がシリコンカーバイドの層を含む、請求項1記載のシステム。
【請求項１５】
上部加熱器をさらに含む、請求項1記載のシステム。
【請求項１６】
上部加熱器が、12の加熱素子を含む、請求項15記載のシステム。
【請求項１７】
加熱素子が、およそ54インチの距離にわたって均等に離間されている、請求項16記載のシステム。
【請求項１８】
加熱素子の下端が、溶融物の表面から上方におよそ1.9インチの距離、離されるように位置決めされる、請求項15記載のシステム。
【請求項１９】
加熱素子がシリコンカーバイド加熱素子を含む、請求項15記載のシステム。
【請求項２０】
上部加熱器にベント穴をさらに含む、請求項15記載のシステム。
【請求項２１】
ベント穴が、
上部加熱器の中央における直径およそ1インチの穴
を含み；ならびに
該上部加熱器に単一のベント穴のみが存在する、
請求項20記載のシステム。
【請求項２２】
長い側部と短い側部を含む実質的に四角形の形状の壁部構造体と、
該実質的に四角形の形状の壁部構造体に連結された熱伝導性底部と
を含む、方向性凝固のための鋳型であって、
該実質的に四角形の形状の壁部が、所定の量の溶融シリコンに対して、該鋳型の短い側部の長さと実質的に等しい直径を有する円筒形鋳型の場合の壁部接触面積より少ない壁部接触面積を提供するような寸法である、鋳型。
【請求項２３】
四角形の形状の壁部構造体が、壁部の交差部において丸みを帯びた輪郭を含む、請求項22記載の鋳型。
【請求項２４】
四角形の形状の壁部構造体と下部との交差部が、丸みを帯びた輪郭を含む、請求項22記載の鋳型。
【請求項２５】
断熱性壁部構造体および熱伝導性底部を含む、ある体積の溶融シリコンを収容する鋳型と、
該鋳型を床表面の上方に離して、鋳型と床との間に空間を画定する支持構造体と、
該空間内において空気を移動させるための1つまたは複数の流路と、
該1つまたは複数の流路を通る流れを調節するための1つまたは複数のバルブと
を含む、シリコンの方向性凝固のためのシステム。
【請求項２６】
上部加熱器をさらに含む、請求項25記載のシステム。
【請求項２７】
空間内において空気を移動させるためのファンをさらに含む、請求項26記載のシステム。
【請求項２８】
空間内に熱伝導性底部に熱的に連結されたいくつかの冷却フィンをさらに含む、請求項26記載のシステム。
【請求項２９】
熱伝導性底部が、いくつかの冷却フィンに連結された金属熱拡散層を含む、請求項28記載のシステム。
【請求項３０】
熱伝導性底部がシリコンカーバイド層を含む、請求項29記載のシステム。
【請求項３１】
1つまたは複数のバルブが、断熱性壁部構造体および床と鋳型との間の空間の両方を覆うようなサイズの可動式壁部を含む、請求項30記載のシステム。
【請求項３２】
1つまたは複数のバルブが、断熱性壁部構造体、鋳型と上部加熱器との間の境界面、および床と鋳型との間の空間を覆うようなサイズの可動式壁部を含む、請求項30記載のシステム。
【請求項３３】
外側ジャケットと、
該外側ジャケットの下部を内張りするシリコンカーバイド層と、
該外側ジャケットの壁部を内張りする複合壁部断熱構造体であって、
該外側ジャケットの壁部に隣接する第一セラミック繊維層と、
該第一セラミック繊維層に隣接する微孔性耐火層と、
該微孔性耐火層に隣接する第二セラミック繊維層と、
該第二セラミック繊維層に隣接する耐火レンガの層と、
該耐火レンガの層に隣接する実質的に連続する酸化アルミニウム層であって、該複合壁部断熱構造体の露出した内側表面を形成する、酸化アルミニウム層と
を含み、第一の厚さを有する鋳型の縁部から、該第一の厚さより薄い第二の厚さを有するシリコンカーバイド層との下部境界面へと厚さがテーパー状になっている、複合壁部断熱構造体と、
該鋳型の上部を覆うように取り付けられる上部加熱器であって、
複数のシリコンカーバイド加熱素子と、
ベント穴と
を含む上部加熱器と、
冷却作業の際にシリコンの表面からガスを除去するためにベント穴に連結された真空ポンプと
を含む、シリコンの方向性凝固のためのシステム。
【請求項３４】
外側ジャケットが、ステンレス鋼外側ジャケットを含む、請求項33記載のシステム。
【請求項３５】
第二の厚さが、第一の厚さよりおよそ25パーセント薄い、請求項33記載のシステム。
【請求項３６】
実質的に連続する酸化アルミニウム層が、約98パーセントを超える純度のAl2O3層を含む、請求項33記載のシステム。
【請求項３７】
外側ジャケットと、
該外側ジャケットの下部を内張りする底部であって、熱伝導性材料を含む底部と、
該外側ジャケットの壁部を内張りする壁部断熱構造体であって、第一の厚さを有する鋳型の縁部から、該第一の厚さより薄い第二の厚さを有する底部との下部境界面へと厚さがテーパー状になっている、壁部断熱構造体と、
脱着可能な上部加熱器と、
該鋳型を床表面の上方に離して該鋳型と床との間に空間を画定する支持構造体と、
該空間内において空気を移動させるための1つまたは複数の流路と、
該1つまたは複数の流路を通る流れを調節するための1つまたは複数のバルブと
を含み、
該鋳型が、所定の量の溶融シリコンに対して、該鋳型の短い側部の長さと実質的に等しい直径を有する円筒形鋳型の場合の壁部接触面積より小さい壁部接触面積を提供するような寸法の壁部を備える四角形の形状である、
方向性凝固システム。
【請求項３８】
鋳型の底部が、鋳型と床との間の空間に延びるいくつかの冷却フィンに連結された金属熱拡散層を含む、請求項37記載のシステム。
【請求項３９】
外側ジャケットと、
該外側ジャケットの下部を内張りする底部であって、熱伝導性材料を含む底部と、
該外側ジャケットの壁部を内張りする壁部断熱構造体と、
該外側ジャケットの下部に連結された脱着可能な熱拡散体と
を含む、方向性凝固のためのシステム。
【請求項４０】
壁部断熱構造体が、第一の厚さを有する鋳型の縁部から、該第一の厚さよりも薄い第二の厚さを有する鋳型の下部分へと厚さがテーパー状になっている、請求項39記載のシステム。
【請求項４１】
脱着可能な熱拡散体に連結されたいくつかの冷却フィンをさらに含む、請求項39記載のシステム。
【請求項４２】
外側ジャケットが実質的に円筒形の形状である、請求項39記載のシステム。
【請求項４３】
外側ジャケットが実質的に四角形の形状である、請求項39記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本出願は、2011年9月16日に出願された米国特許出願第13/234,960号に対する優先権の恩典を主張するものであり、なお、当該特許出願は、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用いることにより、実施可能なエネルギー源となり得る。シリコンは、半導体材料であり、太陽電池の製造で使用される受け入れ原材料である。太陽電池の電気特性、すなわち、変換効率は、シリコンの純度によって決定的に左右される。シリコンを精製するために、いくつかの技術が使用されている。最も周知の技術は、「シーメンス法」と呼ばれている。この技術は、シリコン内に存在するあらゆる単一の不純物を、ほとんど除去することが可能である。しかしながら、この技術は、不純物を除去するために、シリコンをガス相化してから、固相へと再堆積させる必要がある。本特許において説明される技術では、シリコンを液相へと溶融させ、「方向性凝固」と呼ばれる技術を用いてシリコンを凝固させることによって、不純物を非常に効率的に除去することが可能である。この技術は非常に周知であるが、本特許では、この手順のコストを著しく低減することが可能な、方向性凝固の新しい使用方法を対象としている。
【０００３】
太陽電池用の精製されたシリコン結晶を作成するために使用される技術は公知である。これらの技術のほとんどは、シリコン結晶が溶融シリコン溶液から凝固する際、望ましくない不純物は当該溶融溶液中に留まる、という原理に基づいて行われる。第一の実例技術である浮遊帯域法は、不純物を除去するために、移動する液体を使用して不純物を鋳型の端部へと追いやることによってシリコン単結晶インゴットを作成するために使用することができる。別の実例技術であるチョクラルスキー法は、種晶を使用して、溶融溶液から当該種晶をゆっくりと引き上げることによってシリコン単結晶インゴットを作成するために使用することができ、溶液中に不純物を残しつつ、シリコンの単結晶柱を形成することが可能である。さらなる実例技術、例えば、ブリッジマン法または熱交換法など、は、制御された冷却速度により温度勾配を作り出し、それにより方向性凝固を生じさせることによってシリコンマルチ結晶インゴットを作成するために使用することができる。
【発明の概要】
【０００４】
概要
太陽電池用のシリコン結晶を作成するための様々な技術では、溶融物製造段階の際にシリコンを保持するために鋳型が用いられる。マルチ結晶インゴットの方向性凝固における課題の1つは、平面状またはわずかなたわみを有する凹面状の液体-固体境界面による鋳型の下部から上部への一貫した進行を維持することである。液体-固体境界面の進行が制御されない場合、不純物がインゴット中に取り込まれることとなり得、結果として、大量の凝固したシリコンが、低性能または許容できない性能となり得る。
【０００５】
本発明の鋳型、鋳型システム、および関連する方法は、方向性凝固を使用してシリコンを精製するための手段を提供する。当該鋳型、鋳型システム、および関連する方法では、方向性結晶化の際の温度勾配に対する制御が可能であり、それにより、結果として、太陽電池での使用のための、より高純度のシリコンを生成することが可能である。鋳型は、外側ジャケット、当該外側ジャケットの下部部分を内張りする底部、および当該外側ジャケットの壁部を内張りする壁部断熱構造体を含む。当該底部は、熱伝導性材料を含み得る。壁部断熱構造体は、第一の厚さを有する鋳型の上部部分から第一の厚さよりも薄い第二の厚さを有する鋳型の下部部分へと厚さがテーパー状になり得る。当該壁部断熱構造体は、露出層、耐火レンガ、セラミック繊維、および微孔性耐火層のうちの1つまたは複数を含み得る。
【０００６】
本明細書において開示される鋳型、鋳型システム、および関連する方法をより良く示すために、実施例の非限定的な一覧を以下において提供する。
【０００７】
実施例1において、方向性凝固のためのシステムは、外側ジャケットと、当該外側ジャケットの下部を内張りする底部であって熱伝導性材料を含む底部と、当該外側ジャケットの壁部を内張りする壁部断熱構造体であって、第一の厚さを有する鋳型の縁部から第一の厚さよりも薄い第二の厚さを有する鋳型の下部分へと厚さがテーパー状になっている壁部断熱構造体とを含む。
【０００８】
実施例2において、実施例2のシステムは、任意に、壁部断熱構造体が、鋳型の縁部から底部との下部境界面へと厚さがテーパー状になっているように構成され得る。
【０００９】
実施例3において、実施例1〜2のうちのいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、第二の厚さが第一の厚さよりおよそ25パーセント薄いように構成され得る。
【００１０】
実施例4において、実施例1〜3のうちのいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、壁部断熱構造体が耐火レンガの層および実質的に連続する耐火材料の露出層を含むように構成され得る。
【００１１】
実施例5において、実施例1〜4のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、露出層がAl2O3の層を含むように構成され得る。
【００１２】
実施例6において、実施例1〜5のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、露出層が約98パーセントを超える純度のAl2O3であるように構成され得る。
【００１３】
実施例7において、実施例1〜6のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、耐火レンガの層がおよそ1540℃〜1430℃に定格されているように構成され得る。
【００１４】
実施例8において、実施例1〜7のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、露出層が鋳型の縁部における広い部分から、底部との下部境界面でのより薄い部分へと厚さがテーパー状になっており、かつ耐火レンガの層が鋳型の縁部における広い部分から底部との下部境界面におけるより薄い部分へと厚さがテーパー状になるように構成され得る。
【００１５】
実施例9において、実施例1〜8のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、壁部断熱構造体がさらに微孔性耐火層を含むように構成され得る。
【００１６】
実施例10において、実施例1〜9のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、微孔性耐火層が均一な厚さを有するように構成され得る。
【００１７】
実施例11において、実施例1〜10のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、微孔性耐火層が外側ジャケットの壁部ならびに外側ジャケットの下部の少なくとも一部に沿って実質的に均一な厚さを提供するように構成され得る。
【００１８】
実施例12において、実施例1〜11のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、壁部断熱構造体がさらに、微孔性耐火層と耐火レンガの層との間にセラミック繊維層を含むように構成され得る。
【００１９】
実施例13において、実施例1〜12のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、壁部断熱構造体がさらに、微孔性耐火層と外側ジャケットとの間にセラミック繊維層を含むように構成され得る。
【００２０】
実施例14において、実施例1〜13のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、底部がシリコンカーバイドの層を含むように構成され得る。
【００２１】
実施例15において、実施例1〜14のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、上部加熱器をさらに含むように構成され得る。
【００２２】
実施例16において、実施例1〜15のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、上部加熱器が12の加熱素子を含むように構成され得る。
【００２３】
実施例17において、実施例1〜16のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、加熱素子がおよそ54インチの距離にわたって均等に離間されているように構成され得る。
【００２４】
実施例18において、実施例1〜17のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、加熱素子の下端が溶融物の表面から上方におよそ1.9インチの距離、離されるように位置決めされるように構成され得る。
【００２５】
実施例19において、実施例1〜18のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、加熱素子がシリコンカーバイド加熱素子を含むように構成され得る。
【００２６】
実施例20において、実施例1〜19のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、さらに、上部加熱器にベント穴を含むように構成され得る。
【００２７】
実施例21において、実施例1〜20のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、ベント穴が上部加熱器の中央におけるおよそ1インチ直径の穴を含み、当該上部加熱器に単一のベント穴のみが存在するように構成され得る。
【００２８】
実施例22において、方向性凝固のための鋳型は、長い側部および短い側部を有する実質的に四角形の形状の壁部構造体と、当該実質的に四角形の形状の壁部構造体に連結された熱伝導性底部とを含み、この場合、当該実質的に四角形の形状の壁部は、所定の量の溶融シリコンに対して、当該鋳型の短い側部の長さと実質的に等しい直径を有する円筒形鋳型の場合の壁部接触面積より少ない壁部接触面積を提供するような寸法である。
【００２９】
実施例23において、実施例22の鋳型は、任意に、四角形の形状の壁部構造体が、壁部の交差部において丸みを帯びた輪郭を含むように構成され得る。
【００３０】
実施例24において、実施例22〜23のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、四角形の形状の壁部構造体と下部との交差部が丸みを帯びた輪郭を含むように構成され得る。
【００３１】
実施例25において、シリコンの方向性凝固のためのシステムは、ある体積の溶融シリコンを収容するための鋳型であって、断熱性壁部構造体および熱伝導性底部を含む鋳型、当該鋳型を床表面の上方に離して当該鋳型と床との間に空間を画定する支持構造体、当該空間内において空気を移動させるための1つまたは複数の流路、ならびに当該1つまたは複数の流路における流れを調節するための1つまたは複数のバルブを含む。
【００３２】
実施例26において、実施例25の鋳型は、任意に、システムが上部加熱器をさらに含むように構成され得る。
【００３３】
実施例27において、実施例25〜26のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、空間内において空気を移動させるためのファンをさらに含むように構成され得る。
【００３４】
実施例28において、実施例25〜27のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、空間内に熱伝導性底部に熱的に連結されたいくつかの冷却フィンをさらに含むように構成され得る。
【００３５】
実施例29において、実施例25〜28のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、熱伝導性底部が、いくつかの冷却フィンに連結された金属熱拡散層を含むように構成され得る。
【００３６】
実施例30において、実施例25〜29のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、熱伝導性底部がシリコンカーバイド層を含むように構成され得る。
【００３７】
実施例31において、実施例25〜30のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、1つまたは複数のバルブが、断熱性壁部構造体および床と鋳型との間の空間の両方を覆うようなサイズの可動式壁部を含むように構成され得る。
【００３８】
実施例32において、実施例25〜31のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、1つまたは複数のバルブが、断熱性壁部構造体、鋳型と上部加熱器との間の境界面、および床と鋳型との間の空間を覆うようなサイズの可動式壁部を含むように構成され得る。
【００３９】
実施例33において、シリコンの方向性凝固のためのシステムは、外側ジャケットと、当該外側ジャケットの下部を内張りするシリコンカーバイド層と、当該外側ジャケットの壁部を内張りする複合壁部断熱構造体であって、当該外側ジャケットの壁部に隣接する第一セラミック繊維層、当該第一セラミック繊維層に隣接する微孔性耐火層、当該微孔性耐火層に隣接する第二セラミック繊維層、当該第二セラミック繊維層に隣接する耐火レンガの層、当該耐火レンガの層に隣接する実質的に連続する酸化アルミニウム層であって当該複合壁部断熱構造体の露出した内側表面を形成する酸化アルミニウム層を含み、第一の厚さを有する鋳型の縁部から当該第一の厚さより薄い第二の厚さを有するシリコンカーバイド層との下部境界面へと厚さがテーパー状になっている、複合壁部断熱構造体と、当該鋳型の上部を覆うように取り付けられる上部加熱器であって、複数のシリコンカーバイド加熱素子、ベント穴、および冷却作業の際にシリコンの表面からガスを除去するためのベント穴に連結された真空ポンプを含む上部加熱器とを含む。
【００４０】
実施例34において、実施例33のシステムは、任意に、外側ジャケットがステンレス鋼外側ジャケットを含むように構成され得る。
【００４１】
実施例35において、実施例33〜34のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、第二の厚さが第一の厚さよりおよそ25パーセント薄いように構成され得る。
【００４２】
実施例36において、実施例33〜35のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、実質的に連続する酸化アルミニウム層が、約98パーセントを超える純度のAl2O3層を含むように構成され得る。
【００４３】
実施例37において、方向性凝固システムは、外側ジャケットと、当該外側ジャケットの下部を内張りする底部であって熱伝導性材料を含む底部と、外側ジャケットの壁部を内張りする壁部断熱構造体であって、第一の厚さを有する鋳型の縁部から第一の厚さより薄い第二の厚さを有する底部との下部境界面へと厚さがテーパー状になっている、壁部断熱構造体と、脱着可能な上部加熱器と、鋳型を床表面の上方に離して鋳型と床との間に空間を画定する支持構造体と、当該空間内において空気を移動させる1つまたは複数の流路と、当該1つまたは複数の流路を通る流れを調節するための1つまたは複数のバルブとを含み、当該鋳型は、所定の量の溶融シリコンに対して、当該鋳型の短い側部の長さと実質的に等しい直径を有する円筒形鋳型の場合の壁部接触面積より小さいある壁部接触面積を提供するような寸法の壁部を備える四角形の形状である。
【００４４】
実施例38において、実施例37のシステムは、任意に、鋳型の底部が、鋳型と床との間の空間に延びるいくつかの冷却フィンに連結された金属熱拡散層を含むように構成され得る。
【００４５】
実施例39において、方向性凝固のためのシステムは、外側ジャケットと、当該外側ジャケットの下部を内張りする底部であって、熱伝導性材料を含む底部と、外側ジャケットの壁部を内張りする壁部断熱構造体と、外側ジャケットの下部に連結された脱着可能な熱拡散体とを含む。
【００４６】
実施例40において、実施例39のシステムは、任意に、壁部断熱構造体が、第一の厚さを有する鋳型の縁部から、第一の厚さよりも薄い第二の厚さを有する鋳型の下部分へと厚さがテーパー状になっているように構成され得る。
【００４７】
実施例41において、実施例39〜40のいずれかの1つもしくはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、さらに、脱着可能な熱拡散体に連結されたいくつかの冷却フィンを含むように構成され得る。
【００４８】
実施例42において、実施例39〜41のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、外側ジャケットが実質的に円筒形の形状であるように構成され得る。
【００４９】
実施例43において、実施例39〜42のいずれか1つまたはいずれかの組み合わせのシステムは、任意に、外側ジャケットが実質的に四角形の形状であるように構成され得る。
【００５０】
本発明の鋳型、鋳型システム、および関連する方法のこれらの実施例および他の実施例ならびに特徴については、以下の詳細な説明においてその一部を説明する。これらの概説は、本発明の主題の非限定的な例を提供することを意図するものであって、排他的または包括的な説明を提供することを意図するものではない。以下の詳細な説明は、本発明の鋳型、鋳型システム、および方法についてのさらなる情報を提供するために含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
図面において、いくつかの図を通じて同様の要素を説明するために、同じ番号が使用されている。異なる添え字を有する同じ番号は、同様の要素の異なる図を表すために使用されている。当該図面は、概して、例として、しかし限定としてではなく、本明細書で説明される様々な態様を示している。
【００５２】
【図１】本発明の少なくとも1つの態様によるシステムの等角図を示す。
【図２】本発明の少なくとも1つの態様による鋳型の断面図を示す。
【図３】本発明の少なくとも1つの態様による加熱器の上面図を示す。
【図４】本発明の少なくとも1つの態様による加熱器の側面図を示す。
【図５】本発明の少なくとも1つの態様による鋳型を使用したシリコンの一連のモデル化された冷却プロファイルを示す。
【図６】本発明の少なくとも1つの態様による四角形のシステムの上面図を示す。
【図７】本発明の少なくとも1つの態様による円筒形のシステムの上面図を示す。
【図８】本発明の少なくとも1つの態様による四角形のシステムの上面図を示す。
【図９】図8のシステムの側面図を示す。
【図１０】本発明の少なくとも1つの態様によるシステムの側面図を示す。
【図１１】本発明の少なくとも1つの態様によるシステムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
詳細な説明
以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。当該図面は、説明の一部を形成し、実例として提供されるのであって、限定としてではない。図示される態様は、当業者は本発明の主題を実施することが可能なほど十分に詳細に記述されている。本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様を用いることができ、ならびに機械的、構造的、物質的変更が可能である。
【００５４】
以下において、開示される主題のある特定の実施例について詳細に言及するが、その実施例のいくつかは添付の図面に示されている。開示される主題について、主に添付の図面と併せて説明するが、そのような説明は、開示される主題をそれらの図面に限定することを意図するものではないことは理解されるべきである。逆に、開示される主題は、請求項によって定義されるような、開示される本発明の主題の範囲内に含まれ得る代替物、改変物、および等価物のすべてを網羅することが意図される。
【００５５】
「一態様」、「ある態様」、「実例態様」などに対する明細書においての言及は、説明される態様が特定の特徴、構造、または特性を含み得ることを示しているが、必ずしも全ての態様が当該特定の特徴、構造、または特性を含み得るわけではない。さらに、そのような表現は、必ずしも同じ態様について言及しているとは限らない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が、ある態様に関連して説明されている場合、明確に説明されているか否かにかかわらず、他の態様に関連するそのような特徴、構造、または特性にも影響を及すことは、当業者の知識の範囲内であると言える。
【００５６】
本明細書において、用語「1つの(「a」または「an」)」は、1つまたは複数を包含するために使用され、用語「または(「or」)」は、特に明記されない限り、非排他的な「または(「or」)」を意味するために使用される。さらに、本明細書において使用される表現または専門用語は、特に定義されない限り、説明目的のみのためであり、限定目的ではないことは、理解されるべきである。
【００５７】
本発明の主題は、鋳型全体を通して固体-液体境界面の一貫した進行を維持しつつ、方向性凝固技術を使用してシリコンを精製するための鋳型、鋳型システム、および関連する方法に関する。当該方向性凝固から結果として得られる精製シリコンは、太陽電池において使用することができる。鋳型内の温度勾配を制御することにより、高度に制御された方向性凝固を達成することができることが見出された。シリコンの精製は、以下の実施例において最も詳細に説明されるが、説明されるシステムおよび方法は、サファイアなどの他の材料の方向性凝固および精製のためにも使用することができる。
【００５８】
方向性結晶化は、概して、下部から上部へと進行するので、所望の温度勾配は、下部においてより低い温度を有し、および上部においてより高い温度を有する。温度勾配に対する高度な制御とそれに対応する方向性結晶化は、有利には、より効率的な方向性結晶化を可能にし得、その結果としてより高純度のシリコンを生じる。
【００５９】
図1は、シリコンの方向性凝固のための鋳型システム100の特定の態様を示している。当該システムは、鋳型120の上部分またはその近くに位置決めされた上部加熱器110を含み得る。当該上部加熱器110は、1つまたは複数の鎖101によって支持され得、当該鎖は、垂直構造部材103の穴102により第一端部に係合される。この実施例の当該鎖101は添え金を形成し、これは、クレーンまたは他の揚重システムの使用によって上部加熱器110を移動させることを可能にする。システム100は、例えば、フォークリフトまたはテーブルリフトの上に鋳型120を乗せるなどによって、上部加熱器110を鋳型120の上方に残しつつ、移動させることもできる。スクリーンボックス106は、外側ジャケットから突き出ている上部加熱器110の加熱部材の端部を囲み得、これらの部材の端部または付近に存在する熱および電気から使用者を保護する。
【００６０】
当該垂直構造部材103は、上部加熱器110の下端から当該上部加熱器110の上端まで延び得る。当該垂直構造部材103は、上部加熱器110の外側ジャケットの外側表面上に位置され得、ならびに当該外側表面に対して垂直な方向に外側へと延び得る。上部加熱器は、上部加熱器110の外側ジャケットの外側表面上に位置された水平構造部材104も含み得、当該水平構造部材は外側表面に対して垂直な方向に外側へと延び得る。
【００６１】
上部加熱器110は、当該加熱器の外側ジャケットの一部を形成する縁部105を含み得る。当該縁部は、外側ジャケットから外側へと突き出し得、ならびに、存在する任意の断熱材の厚さを覆うように、上部加熱器110の中心軸に向かって内側へと延び得る。あるいは、当該縁部105は、上部加熱器110の外側ジャケットの下端を覆うのに十分に、内側へのみ延び得る。
【００６２】
図1に表された態様において、鋳型120からの断熱材111は、上部加熱器110と鋳型120との間に広がり得る。様々な実施例において、鋳型120の1つまたは複数の断熱層111の少なくとも一部は、当該鋳型の外側ジャケットの高さの上まで延び得る。上部加熱器110と同様に、鋳型120は、垂直構造部材112を含み得る。当該垂直構造部材112は、鋳型120の外側ジャケットの外側表面上に位置され得、ならびに当該外側ジャケットに対して垂直な方向に外側へと延び得る。当該垂直構造部材112は、鋳型120の下端から当該鋳型120の上端まで延び得る。鋳型112は、1つまたは複数の水平構造部材113も含み得る。当該水平構造部材113は、鋳型120の外側ジャケットの外側表面上に示されており、当該外側ジャケットから外側へと延びている。当該水平構造部材113は、円筒形鋳型112の円周の周りに、または非円筒形鋳型の1つまたは複数の側部に沿って、水平に延び得る。鋳型112は、交差する下部構造部材114、115も含み得る。当該下部構造部材114、115は、鋳型112の下部を横断して延び得る。当該下部構造部材115のいくつかは、フォークリフトまたはテーブルリフトまたは他の機械が当該システム100を物理的に操作する(例えば、移動させる)ことを可能にする形状およびサイズであり得る。
【００６３】
図2は、本発明の態様による鋳型200を示している。当該鋳型200は、底部材料212および壁部断熱構造体220を囲む、側壁201および床202を含む外側ジャケット210を含む。一実施例において、側壁201および床202は、一体的に形成される。別の実施例において、側壁201および床202は、ボルトで締められるかまたは別の方法で機械的に一緒に接続されて、外側ジャケット210を形成する。
【００６４】
鋳型200は、ある量の溶融シリコンを収容するための内側部分201を鋳型200内に画定する。一実施例において、当該壁部断熱構造体220は、隣り合って位置決めされたいくつかの異なる材料を含む複合構造体である。複合壁部断熱構造体220の利点の1つとしては、複合構造体の個々の構成要素の材料および幾何学的構造を選択することによる、熱勾配を制御する能力が挙げられる。複合壁部断熱構造体220の別の利点としては、鋳型のコストを低減する能力が挙げられる。溶融シリコンが接触するであろう露出表面には、より高コストの高い耐熱性の材料を使用し、その一方で、低い耐熱性の低コストの材料は、溶融シリコンとは反対側に複合構造体が進むにつれて積層される。
【００６５】
一実施例において、壁部断熱構造体220は、第一の厚さ224を有する鋳型200の縁部222から、当該第一の厚さ224より薄い第二の厚さ228を有する底部212との下部境界面226へと厚さがテーパー状になっている。一実施例において、第二の厚さは、第一の厚さよりおよそ25パーセント薄い。作動時には、壁部断熱構造体220のテーパーが、方向性凝固の間のシリコンにおける液体-固体境界面の望ましい進行を提供する熱勾配を提供する。一実施例において、壁部断熱構造体220のテーパーは、溶融物の表面を液体状態に維持するために溶融物の上部付近においてより一層の断熱を提供し、その一方で、鋳型220の下部における冷却を促進するために、底部212との下部境界面付近には断熱はあまり提供されない。熱勾配のより詳細な結果について、図5に関連して以下で説明する。
【００６６】
一実施例において、壁部断熱構造体220は、方向性凝固の実施の際に溶融シリコンに直接接触するであろう露出層230を含む。一実施例において、当該露出層230は、溶融シリコンを収容するために、(組み立てられたレンガ層などとは対照的に)実質的に連続している。良好な熱特性を有する材料の1つとしては、Al2O3などの形態の酸化アルミニウムが挙げられる。一実施例において、当該酸化アルミニウムは、実質的に純粋なAl2O3であり、これが、露出層230からシリコン溶融物中へ混入する不純物を最小限に抑える。Al2O3における結合構造のイオン性に起因して、アルミニウムは、露出層230に留まり、不純物として溶融物中へ放出されない。一実施例において、当該Al2O3は、98パーセントを超える純度のAl2O3である。一実施例において、露出層230は、壁部断熱構造体220の上面231を包んでいる。この構成の機能には、露出層230のような温度に対して高い耐熱性を持ち得ない壁部断熱構造体220内の内部構造または層に対する保護が含まれる。
【００６７】
一実施例において、壁部断熱構造体220はさらに、露出層230との境界面を形成する耐火レンガの層232を含む。一実施例において、耐火レンガの層232はAl2O3を含む。耐火レンガ232は、壁部断熱構造体220に、望ましい構造的特性、例えば靱性など、を提供し得る。一実施例において、耐火レンガの層232は、1540℃以下に定格されているレンガを含む。一実施例において、耐火レンガの層232は、1430℃以下に定格されているレンガを含む。耐火レンガ232の選択においては、溶融シリコンの所望の勾配のために必要な厚さおよび熱特性、ならびに他の特性、例えば、コスト、強度、および靱性など、特性の組み合わせが考慮される。
【００６８】
一実施例において、壁部断熱構造体220はさらに、微孔性耐火層236も含む。一実施例において、当該微孔性耐火層236は、1000℃以下に定格されている。当該微孔性耐火層236における細孔は、良好な断熱特性を提供する。選択された実施例において、さらに、セラミック繊維断熱材の層が選択された層の間に含まれる。一実施例において、第一セラミック繊維層238は、外側ジャケット210と微孔性耐火層236との間に含まれる。一実施例において、第二セラミック繊維層234は、当該微孔性耐火層236と耐火レンガの層232との間に含まれる。セラミック繊維層の例としては、ボード、柔軟な織物、または他の構成が挙げられる。
【００６９】
一実施例において、壁部断熱構造体220の1つまたは複数の層は、壁部断熱構造体220の縁部222から、当該壁部断熱構造体220の下部226までテーパー状になっており、この場合、当該壁部断熱構造体220は、底部212との境界面を形成する。図2に示される実施例において、露出層230および耐火レンガの層232の両方は、縁部222から下部226へとテーパー状になっており、その一方で、微孔性耐火層236は一定の厚さ242を維持している。一実施例において、当該微孔性耐火層236は、外側ジャケット210に沿って、ならびに当該外側ジャケット210の下部の少なくとも一部の上で角240の周りにおいて、一定の厚さ242を維持している。この構成は、シリコンの冷却速度の精密な制御を提供する。
【００７０】
一実施例において、底部212は、シリコンカーバイド材料を含む。シリコンカーバイドは、高い耐熱性と共に、高い熱伝導性の望ましい特性を有する。シリコンカーバイドは、それ自体は溶融することなく、またはシリコンに混入することなく、シリコン溶融物から鋳型200の下部へと熱を逃がす。鋳型の下部から熱が流れ出ることで、方向性凝固が開始され、厚さなどの壁部断熱構造体220の設計選択、材料選択、およびテーパーが協働して、鋳型の下部から上部への液体-固体境界面の所望の一貫した進行を提供する。
【００７１】
図3は、望ましくは凝固が鋳型の下部から上部へと進行しつつ、シリコン溶融物の上面を液体状態に維持することをさらに容易にし得る上部加熱器300を示している。当該上部加熱器300は、1つまたは複数の加熱部材310を含み得る。当該1つまたは複数の加熱部材のそれぞれは、独立して、任意の好適な材料を含み得る。例えば、当該1つまたは複数の加熱部材310のそれぞれは、独立して、加熱素子を含み得、この場合、当該加熱素子は、シリコンカーバイド、二ケイ化モリブデン、グラファイト、銅、またはそれらの組み合わせを含み得、ならびに当該1つまたは複数の加熱部材のそれぞれは、代わりに、独立して誘導加熱器を含み得る。一態様において、当該1つまたは複数の加熱部材310は、およそ同じ高さに位置決めされる。別の態様において、当該1つまたは複数の加熱部材は、様々な高さに位置決めされる。
【００７２】
一実施例において、上部加熱器300は、12の加熱部材310を含む。一実施例において、当該12の加熱部材310は、距離312にわたっておよそ等間隔で離間されている。一実施例において、当該距離312は、およそ54インチである。加熱部材の位置決めおよび加熱部材の数などの可変因子は、処理の間にシリコンに生じる熱勾配に対して重要である。熱勾配における小さい変動も、方向性凝固の際のシリコンにおける液体-固体境界面部分の望ましくない進行を生じる原因となり得る。例えば、溶融シリコンの表面を凝固させて、インゴット内に溶融状態の内部部分を取り込ませることは望ましくない。取り込まれたシリコンの溶融部分は、結果として得られるシリコン材料の性能に悪影響を及ぼす望ましくないレベルの不純物を含有し得る。
【００７３】
加熱部材310の数および加熱部材310の横方向の間隔に加えて、一実施例では、当該いくつかの加熱部材310は、溶融物の表面の上方のおよそ1.9インチの距離314に位置決めされる。一実施例において、当該加熱部材310の直径は、およそ2インチである。加熱部材310の選択された数および加熱部材310の横方向の間隔と共に、選択された寸法、例えば、加熱部材310の直径および溶融物の表面の上方の距離など、が、方向性凝固の際のシリコンの液体-固体境界面部分の望ましい進行を提供することが、本開示において見出された。
【００７４】
一実施例において、加熱部材310および溶融シリコンの表面から酸素などのガスを除去するために、ベント穴302が上部加熱器300に含まれる。一実施例において、望ましくないガスをベント穴302から除去するために、真空ポンプ(図示されず)がベント穴302に連結される。一実施例において、直径がおよそ1〜2インチのサイズの単一のベント穴302が、上部加熱器300において使用される。一実施例において、当該単一のベント穴302は、およそ1インチの直径である。適切な寸法の単一のベント穴などの可変因子により、シリコン溶融物の表面の望ましくない冷却を生じることなく、効率的に望ましくないガスが除去されることが発見された。
【００７５】
一実施例において、当該加熱素子は、シリコンカーバイドを含み、これは、ある特定の利点を有する。例えば、シリコンカーバイド加熱素子は、酸素の存在下において高温でも腐食しない。腐食性材料を含む加熱素子の場合には、真空チャンバーを使用することによって酸素腐食を減じることができるが、シリコンカーバイド加熱素子は、真空チャンバーを用いなくても腐食を避けることができる。さらに、シリコンカーバイド加熱素子は、水冷却リードを用いずに使用することができ、複数の作業ゾーン、例えば、加熱素子の端部での低温ゾーンおよび加熱素子の中心部での高温ゾーンなど、を有する。一態様において、当該加熱素子は、真空チャンバー内において、または水冷却リードを用いて、またはその両方において使用される。別の態様において、当該加熱素子は、真空チャンバーを用いずに、または水冷却リードを用いずに、またはその両方を用いずに使用される。
【００７６】
一態様において、当該1つまたは複数の加熱部材310は、誘導加熱器である。当該誘導加熱器は、1種または複数種の耐火材料中に鋳造され得る。次いで、誘導化熱コイルを含有する当該耐火材料が、鋳型を覆うように位置決めされ得る。当該耐火材料は、任意の好適な材料であり得る。例えば、当該耐火材料は、酸化アルミニウム、酸化シリコン、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み得る。別の態様において、当該誘導加熱器は、1種または複数種の耐火材料中に鋳造されない。
【００７７】
上部加熱器は断熱材を含んでいてもよく、例えば、図4に示される上部加熱器300は、断熱材316を含む。当該断熱材は、任意の好適な断熱材料を含み得る。当該断熱材は、1種または複数種の断熱材料を含み得る。例えば、当該断熱材は、断熱れんが、耐火物、耐火物の混合物、断熱ボード、セラミックペーパー、高温ウール、鋳造断熱材料、またはそれらの混合物を含み得る。断熱ボードは、高温セラミックボードを含み得る。一実施例において、断熱材316は、加熱部材310の周りに鋳造され、それらをより頑健にし、ならびに熱衝撃に対して抵抗性を持たせて加熱部材310の周りの部分の変形を防ぐ。好適な鋳造材料の1つとして、Morgan Thermal Ceramics,  Inc.からのKaolite(登録商標)  3300が挙げられる。
【００７８】
上部加熱器は、外側ジャケットを含み得、例えば、図3に示される上部加熱器300は、外側ジャケット304を含む。当該外側ジャケットは、任意の好適な材料を含み得る。例えば、当該外側ジャケットは、鉄鋼またはステンレス鋼を含み得る。別の態様において、当該外側ジャケットは、鉄鋼、ステンレス鋼、銅、鋳鉄、耐火材料、耐火材料の混合物、またはそれらの組み合わせを含む。断熱材316は、少なくとも部分的に、1つまたは複数の加熱部材と外側ジャケットとの間に配置される。図4において、外側ジャケット304の下端は、断熱材の下端とおよそ等しく示されている。
【００７９】
本発明の範囲内において、上部加熱器の変形が可能である。例えば、外側ジャケット304の端部は、断熱材316および1つまたは複数の加熱部材310の端部より下に延びていてもよい。別の実施例において、外側ジャケット304の端部は、断熱材316の端部より下に、または1つまたは複数の加熱部材より下に延びていてもよく、あるいはそれらの組み合わせであってもよい。一実施例において、外側ジャケット304は、断熱材316の下端より下に延び、ならびに当該断熱材の下端を完全にまたは部分的に覆うように続いていてもよい。いくつかの態様において、断熱材の端部を覆う外側ジャケット304の一部は、比較的低い伝導性の材料、例えば、好適な耐火物など、例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコン、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など、を含み得る。別の実施例において、外側ジャケット304は、断熱材の下端または1つまたは複数の加熱部材の高さより下には延びていない。別の態様において、外側ジャケット304は、1つまたは複数の加熱部材310の高さより下に延びているが、依然として断熱材316の下端より上にある。
【００８０】
上記において説明したように、当該機器における温度勾配を制御することにより、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によって、より効果的な方向性凝固が可能となり得、それにより、高純度のシリコンが得られる。本発明において、方向性結晶化は、およそ下部から上部へと進行し、したがって、所望の温度勾配は、下部においてより低い温度を有し、上部においてより高い温度を有する。上部加熱器を有する態様において、当該上部加熱器は、方向性凝固の鋳型の上部から熱の入りまたは損失を制御するための方法の1つである。
【００８１】
図5は、上記において説明した鋳型200および上部加熱器300などの態様と同様の鋳型550および上部加熱器554を使用する方向性凝固の熱モデルを示している。鋳型550に収容されているある量のシリコンが示されており、当該シリコンは、液体部分502、固体部分504、および、望ましくは上記において説明したように、鋳型550中において上方に進行する液体-固体界面506を有する。
【００８２】
図5の図形510は、方向性凝固操作の2時間後のシリコンを示している。図5の図形520は、方向性凝固操作の7時間後のシリコンを示している。液体-固体境界面506が液体部分502中へと上方に進行しているのが示されている。図5の図形530は、方向性凝固操作の15時間後のシリコンを示している。液体-固体界面506は、依然として、液体部分502中へと上方に進行しており、ならびに液体部分502の上面508は、依然として望ましくは液体状態であり、ここに不純物が集まり得、例えば、固体部分504のバルクが形成され得る適切な時間後に、得られたインゴットから鋸断することによって、または液体部分502をすくい取ることによって、のちほど当該不純物を除去することができる。
【００８３】
図6は、本発明の別の態様による鋳型600を示している。鋳型600の上面図は、長い側壁602および短い側壁604を含む壁部構造体601を示している。一実施例において、長い側壁602および短い側壁604の両方は、断熱材料、例えば耐火材料など、から形成される。上記の態様において説明されるように、一実施例において、当該耐火材料は、酸化アルミニウムを、実質的にAl2O3の形態において含む。
【００８４】
方向性凝固プロセスの際に鋳型600を覆うための四角形の上部加熱器内に含まれる構成において、いくつかの加熱素子606が示されている。一実施例において、当該四角形の上部加熱器は、上記の図3および4において説明された上部加熱器と同様の方式において使用することができる。実質的に四角形の形状の鋳型600の構成および対応する上部加熱器は、方向性凝固プロセスの効率およびスケーラビリティを向上させる利点を有する。
【００８５】
加熱素子606は、上記の態様において説明されるようなシリコンカーバイド加熱素子を含み得る。シリコンカーバイドは、望ましい特性、例えば、電気伝導性、および加熱素子それ自体が溶融することなくもしくは別の方法で損傷することなく抵抗加熱を提供するための高い耐熱性など、を有する。加熱素子606は、一般的に、直線状のセグメントにおいて製造される。加熱素子606の一般的な直線状のサイズの1つとしては、2メートルの長さが挙げられる。
【００８６】
実質的に四角形の鋳型は、長い側壁602の長さ603を増加させることによって鋳型600の容量を増加させる能力を提供する。短い側壁604の幅605は、標準的なサイズ(例えば、選択された例では2メートル)に維持することができ、鋳型および上部加熱器の構成に追加の加熱素子606を加えることにより、増加した長さ603に適応させることができる。この構成は、製造プロセスの規模を拡大するための、ならびに製造コストおよび時間を減じつつより大きなシリコンインゴットを作成するための容易な方法を提供する。一実施例において、四角形の鋳型は、5〜6メートルトンの単一のバッチサイズを提供し、この場合、同様のサイズの加熱素子を使用する円筒形鋳型(例えば、図7に示されるようなもの)は、およそ1.4メートルトンのバッチサイズを提供する。
【００８７】
さらに、鋳型600の実質的に四角形の形状は、加熱素子606の面積パターンにより良く適合する。円形の上部面積を有する円筒形鋳型の設計では、直線状の加熱素子606で覆うのはより困難である。図7は、円筒形鋳型610での溶融シリコンの表面の一貫性のない熱制御の原因となるギャップ612を示している。
【００８８】
さらに、鋳型600の実質的に四角形の形状は、方向性凝固プロセスの際のインゴットと鋳型600の側壁との接触量を調節する能力を提供する。いくつかのプロセスでは、鋳型の側壁からの汚染がインゴットの品質を低下させる。一例として、鋳型の酸化アルミニウム耐火壁からのアルミニウム汚染が挙げられる。実質的に四角形の構成を使用して、鋳型600をより長くすることによって、インゴットと鋳型の下部との接触を増加させ、鋳型600の側壁との接触を減少させることができる。一実施例において、鋳型600の下部は、シリコンの汚染に対する寄与がはるかに少ないかまたはまったくないシリコンカーバイドなどの材料から作成される。
【００８９】
例えば、2メートル直径の円筒形鋳型は、π・(r2)＝π・(d/2)2＝πの表面積を提供する。所定の体積のシリコンの場合、壁部接触面積は溶融シリコンの高さ(h)に直接関連しているので(円筒形鋳型の場合はπ・h)(四角形鋳型の場合にはx・y・h)、πと等しいかそれより大きい表面積(x・y)を有する実質的に四角形の鋳型は、円筒形鋳型の場合の壁部接触面積より小さい壁部接触面積を有するであろう。1つの寸法が2メートルに等しい実質的に四角形の鋳型の場合、π/2メートルより大きい第二の寸法は、2メートルに等しい直径の円筒形鋳型よりも、小さい壁部接触面積を提供する。
【００９０】
図8は、本発明の別の態様による鋳型700を示している。鋳型700の上面図は、長い側壁702および短い側壁704を含む壁部構造体701を示している。一実施例において、長い側壁702および短い側壁704の両方は、断熱材料、例えば耐火材料など、から形成される。上記の態様において説明されるように、一実施例において、当該耐火材料は、酸化アルミニウムを、実質的にAl2O3の形態において含む。方向性凝固プロセスの際に鋳型700を覆うための四角形の上部加熱器内に含まれる構成においていくつかの加熱素子706が示されている。図8の鋳型は、角708において丸い輪郭を含む。
【００９１】
一実施例において、丸い角を追加することにより、当該角での応力集中が低減される。方向性凝固プロセスの際、シリコンの熱的伸縮などの力が、鋳型700に負担をかけ得る。丸い角708を追加することによって、多くの場合、上記の態様において説明されるように、酸化アルミニウムなどの脆い耐火材料を含む鋳型でのクラッキングまたは他の故障が低減される。
【００９２】
図9は、図8の鋳型700の側面図を示している。丸い角708に加えて、一実施例において、鋳型700は、四角形の形状の壁部構造体701と底部703との交差点にも丸い輪郭710を含む。一実施例において、鋳型700の高さ707は、およそ40センチメートルであり、鋳型700内のインゴットの高さはおよそ33センチメートルである。
【００９３】
図10は、本発明の態様による方向性凝固システム800を示している。鋳型801は、壁部構造体802および底部804によって画定される。鋳型801は、ある体積の溶融シリコン803を収容して、方向性凝固プロセスにおいて溶融シリコン803を冷却するように適合される。当該システム800は、溶融シリコン801の熱勾配および冷却速度を制御するための上部加熱器820も含む。他の態様において上記で説明された上部加熱器と同様の、いくつかの加熱素子822を含む上部加熱器820が示されている。上記において説明した実施例と同様に、一構成において、壁部構造体801は、鋳型801の縁部から下部804との境界面への厚さにおいてテーパー形状を含む。
【００９４】
空間811を画定するために鋳型801を床面812の上方のある距離に保持している支持構造体810が示されている。一実施例において、鋳型801の底部804における冷却速度を制御するために、空気または他の冷却媒体の流れが空間811内において制御される。一実施例において、空間811内において空気または他の冷却媒体を移動させるために、1つまたは複数の流路が備えられている。図8には、第一流路840および第二流路842が示されている。選択された実施例では、2つの流路(例えば、入口および出口)が使用されているが、他の実施例では、2つより多い流路、または1つだけの流路が使用される。単一の流路は、同時に導入口および導出口として機能し得る。
【００９５】
図10には、ファンや空気もしくは他の冷却媒体の他の能動的駆動機などのような循環装置838も含まれている。図10には、第一バルブ830および第二バルブ834も示されている。第一バルブ830は、空間832を調節して鋳型801の下の空間811への計量されたアクセスを提供するために、方向831に移動可能である。同様に、第二バルブ834は、空間836を調節して鋳型801の下の空間811への計量されたアクセスを提供するために、方向835に移動可能である。作動時には、1つまたは複数のバルブ、例えば、バルブ830および834など、を移動させることで、空間811内の循環および冷却条件が変更される。一実施例において、循環装置838の速度も、1つまたは複数のバルブ、例えば、バルブ830および834など、と共に変えることができる。
【００９６】
一実施例において、いくつかの冷却構造体(例えば、フィンなど)が、空間811内に位置され、鋳型801の底部804に連結されている。当該冷却構造体は、鋳型の底部804から熱を奪う能力を高める。ただし、空間811がバルブ830および834によって閉じられている場合、底部804において冷却はほとんど生じないであろう。
【００９７】
一実施例において、さらに、金属熱拡散層806が底部804内に含まれる。一実施例において、底部804は、溶融シリコン803との接触のためのシリコンカーバイド層を含み、当該溶融シリコン803とは反対側に、金属熱拡散層806が位置されている。作動時には、金属熱拡散層806、例えば鉄鋼層など、は、シリコンカーバイドよりも急速に熱を伝達するので、底部804での冷却プロセスを増強するために含まれる。一実施例において、金属熱拡散層806は、およそ3センチメートルの厚さの層を含む。厚い金属熱拡散層806は、底部804から熱を奪って、図5における実例プロファイルのような所望の凝固プロファイルにおいて方向性凝固を促すための、良好な経路を提供する。
【００９８】
図10に示されているように、一実施例において、バルブ830および834は、鋳型801の両方の壁部802と、任意に鋳型801の下の空間811へのアクセスとを覆う断熱壁を含む。鋳型801の壁部802に隣接する追加の適用範囲はさらに、壁部802の反対側の領域における溶融シリコン803を断熱し、底部804での凝固前の壁部での望ましくない凝固を防ぐ。一実施例において、バルブ830および834の断熱壁も、鋳型801と上部加熱器820との間の境界面824を覆う。この構成は、境界面824での熱損失に対する追加の保護を提供する。バルブ材料の例としては、耐火材料または他の断熱材料、例えば、上記の態様において説明したものなど、が挙げられる。
【００９９】
作動時には、バルブ830および834は、いくつかの方法において制御することができる。一実施例において、バルブ830および834は、方向性凝固プロセスの際に一度設定される調節可能な空間832、804を提供する。一実施例において、1つまたは複数のバルブ830および834が、経路840、842を徐々に開放するために、方向831、835に連続的な変化量において移動するように設定される。バルブ830および834の動きは、それぞれのバルブにおいて同じ変化量であってもよく、または当該バルブを異なる速度で操作することもできる。バルブ830および834の変化量は直線的であってもよく、または当該変化量は、方向性凝固プロセスの間に変えることもできる。
【０１００】
循環装置838、バルブ830および834、上部加熱器820、テーパー状の壁部構造体802、金属熱拡散体806、およびフィン808などの可変因子を用いることによって、溶融シリコン803に対する冷却の速度およびプロファイルを、正確に制御することができる。冷却の速度およびプロファイルの制御は、いくつかの利点、例えば、不純物偏析の効率向上など、を提供する。上記において説明した構成および方法を使用して、より少ない方向性凝固工程においてシリコンを処理することができ、より高純度で、より速い処理速度において、より大きなインゴットを製造するために、シリコンのより大きなバッチを処理することができる。
【０１０１】
図11は、鋳型902および脱着可能な熱拡散体910を含むシステム900を示している。鋳型902は、縁部904および下部906を含む。いくつかの方向性凝固の実施において、鋳型902が受ける大きな熱勾配は、鋳型902の下部に位置された熱拡散構造体の歪みおよび損傷の原因となり得る。一体化された熱拡散体を有する歪んだ鋳型において修復が必要な場合、修理の間、鋳型全体を製造から外さなければならない。図11に示された実例構成において、歪んだまたは損傷した脱着可能な熱拡散体910は、修理のために取り外すことができ、歪んだまたは損傷した脱着可能な熱拡散体910が修理されている間、鋳型902を製造において利用可能に維持するために、予備の脱着可能な熱拡散体910を即座に取り付けることができる。
【０１０２】
脱着可能な熱拡散体910の下面図において。一実施例において、いくつかの冷却フィン914が含まれる。一実施例において、フォークリフトのためのスロットなどの輸送システムまたは他の輸送システムが、当該脱着可能な熱拡散体910に含まれている。取り付け位置912を使用して、当該脱着可能な熱拡散体910を鋳型902の下部906に連結することができる。連結方法の例としては、掛け金、緊結用ハードウェア、または他の緊結システムの使用が挙げられる。緊結用ハードウェアの例としては、これらに限定されるわけではないが、ボルト、ネジ、ナット、リベット、または他の好適な留め具が挙げられ、この場合、当該脱着可能な熱拡散体910は、鋳型の下部906から別々に脱着可能である。一実施例において、犠牲的留め具、例えばリベットなど、が使用され、この場合、当該脱着可能な熱拡散体910は、切断または別の方法で当該犠牲的留め具を破壊することによって取り外され、当該脱着可能な熱拡散体910を再び取り付けるためには、新しい犠牲的留め具が使用される。犠牲的留め具を使用する構成は、溶接で一体化された熱拡散体よりも容易に取り外されるが、それにもかかわらず、当該脱着可能な熱拡散体910を鋳型902の下部906に対して確実に保持する。
【０１０３】
歪んだまたは損傷した脱着可能な熱拡散体910を迅速に交換する能力に加えて、当該脱着可能な熱拡散体910は、選択されたいくつかの取り付け位置912において鋳型902に取り付けられているだけなので、当該脱着可能な熱拡散体910は、鋳型902から独立して、熱応力下での伸縮に対してある程度の自由が許容されており、これが歪みの原因を減少させる。選択された実施例において、取り付け位置912は、細長い穴状の開口部または大きめの開口部を含み、これが、脱着可能な熱拡散体910に対して、鋳型902から独立して、留め具(掛け金、緊結用ハードウェアなど)の周りの伸縮に対する動きの追加の自由を許容する。
【０１０４】
いくつかの異なる形状の脱着可能な熱拡散体910および鋳型902が、本発明の範囲内である。例えば、実質的に円筒形の鋳型およびそれに対応する熱拡散体を使用することができる。別の実施例において、上記において説明したような鋳型600、700、または801と同様に、四角形の脱着可能な熱拡散体が、四角形の鋳型に連結され得る。
【０１０５】
本発明の主題のいくつかの態様について説明してきたが、上記の態様は、包括的であることを意図するものではない。示された特定の態様の代わりに、鋳型全体を通しての固体-液体界面の一貫した進行を維持しつつ、方向性凝固技術を使用してシリコンの精製を達成するために構成された任意の配置を用いることができることを、当業者は理解するであろう。上記の態様の組み合わせおよび他の態様は、上記の説明を吟味することにより、当業者に明らかとなるであろう。この出願は、本発明の主題のあらゆる適合例または変更例を網羅することが意図される。上記の説明は、例示を意図するものであって、制限を意図するものではないことは理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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