(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側に開口部が形成された下部ケーシングと、
前記開口部と連通する他の開口部が下側に形成され、前記下部ケーシングと脱着可能な上部ケーシングと、
前記開口部および前記他の開口部に沿って移動するように構成され、シリコンを収容するように構成された坩堝と、
前記坩堝の下に位置して、前記坩堝を支持する支持台と、
前記支持台の下部に位置して、前記支持台を昇降させるように構成された昇降部と、
前記上部ケーシングを貫通して前記上部ケーシングの内部に挿入され、前記シリコンを溶融させるガスを供給するように構成されたガスバーナと、
前記上部ケーシングの内部に装着されて、前記坩堝を取り囲む断熱材と、
前記坩堝の側面に対向する一端および前記上部ケーシングの外側に位置する他端を含み、前記シリコンの溶融によって排出される排ガスを外部に排気するように構成された排気管と、
を備えることを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、前記上部ケーシングに、前記坩堝に向かうシリコン投入口が形成されたことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項３】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、前記上部ケーシングを貫通し、前記ガスバーナと隣り合って前記ガスを点火させるように構成された点火ヒータをさらに備えることを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項４】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、前記ガスバーナは、前記坩堝の上で前記坩堝に向かい、前記ガスバーナから排出されたガスが前記シリコンに向かって噴射されて、前記シリコンと直接接触するように構成されたことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項５】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、前記断熱材は、アルミナボードまたはアルミナキャスタブルを含むことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項６】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、
前記坩堝は、
前記シリコンが収容される内部坩堝部と、
前記内部坩堝部を取り囲み、アルミナを含む補助坩堝部と、
を含む
ことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項７】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、
前記昇降部に水冷管が内蔵されて、前記水冷管を介して冷却水が循環するように構成された
ことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項８】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、前記ガスバーナは、酸素と水素の混合ガスまたはブラウンガスを供給するように構成されたことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項９】
請求項１に記載のシリコン加工装置において、
前記上部ケーシングの内部に挿入された複数の温度センサと、
前記上部ケーシングの上に位置し、前記ガスバーナと連結されて前記ガスバーナを上下移動させるガスバーナ移送装置と、
前記排気管の他端に取り付けられた排気ダンパーと、
をさらに備え、
前記温度センサは、前記ガスバーナ移送装置および前記排気ダンパーと連結されて、前記ガスバーナの位置および前記排気ダンパーの開度を調節するように構成された
ことを特徴とするシリコン加工装置。
【請求項１０】
上側に開口部が形成された下部ケーシングを提供するステップと、
シリコンが収容された坩堝を前記開口部に配置するステップと、
前記下部ケーシングを、他の開口部が下側に形成された上部ケーシングの下に移動させるステップと、
前記下部ケーシングと前記上部ケーシングとを相互密着させるステップと、
前記坩堝を前記他の開口部に移動させるステップと、
前記上部ケーシングを貫通して、前記上部ケーシングの内部に挿入されたガスバーナを介してガスを供給するステップと、
前記ガスを点火させ、前記ガスを前記シリコンに向かって噴射して、前記シリコンを溶融させるステップと、
前記坩堝を前記開口部に移動させるステップと、
前記下部ケーシングを前記上部ケーシングと分離させるステップと、
前記下部ケーシングから前記坩堝を取り出すステップと、
を含む
ことを特徴とするシリコン加工装置の使用方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシリコン加工装置の使用方法において、前記ガスを供給するステップでは、前記坩堝の上から前記ガスを前記シリコンに垂直下方に噴射して、前記ガスを前記シリコンと直接接触させることを特徴とするシリコン加工装置の使用方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載のシリコン加工装置の使用方法において、前記下部ケーシングと前記上部ケーシングとを相互密着させるステップの後に、前記開口部と前記他の開口部を真空排気するステップをさらに含むことを特徴とするシリコン加工装置の使用方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載のシリコン加工装置の使用方法において、
前記下部ケーシングには、前記坩堝の下に位置して、前記坩堝を支持する支持台と、前記支持台の下部に位置して、前記支持台を昇降させるように構成された昇降部と、が設けられ、
前記坩堝を前記他の開口部に移動させるステップでは、前記昇降部を上に移動させて、前記坩堝を前記他の開口部に移動させる
ことを特徴とするシリコン加工装置の使用方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシリコン加工装置の使用方法において、
前記坩堝を前記開口部に移動させるステップでは、
前記昇降部を下に移動させて、前記坩堝を前記開口部に移動させる
ことを特徴とするシリコン加工装置の使用方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載のシリコン加工装置の使用方法において、前記シリコンを溶融させるステップでは、前記上部ケーシングを貫通し、その一端が前記坩堝の側面に位置する排気管を介して、前記シリコンの溶融によって排出される排ガスを外部に排気することを特徴とするシリコン加工装置の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン加工装置およびその使用方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ブラウンガス等でポリシリコン粉末または廃シリコンを溶融してシリコン塊（ｎｕｇｇｅｔ）またはインゴット（ｉｎｇｏｔ）を製造するためのシリコン加工装置およびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリシリコンは、石英や珪砂を精製、還元して製造される。９９．９９９９％（６Ｎ）以上の純度を有するポリシリコンは、太陽電池の原料として用いられる。また、９９．９９９９９９９９９％（１１Ｎ）の純度を有するポリシリコンは、半導体ウエハを製造するための単結晶原料として用いられる。ポリシリコンは、半導体、太陽光発電以外に、精密化学素材、光通信などにも用いられている。産業全般においてシリコンが広範囲に用いられているため、シリコン原料の円滑な供給が重要な問題となっている。
【０００３】
一方、ポリシリコンの製造過程、ウエハ用シリコン素材の準備工程または半導体工程などでは、廃シリコンスラッジや廃シリコン粉末が発生している。一般に、このような廃シリコンの再利用は、シリコン化合物としての合成に利用するか、鉄鉱用、建築用原料または他用途へのリサイクルレベルに留まっている。したがって、廃シリコンを高純度のシリコンに再生するための多様な研究が行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、廃シリコンを溶融して高純度のシリコン塊を製造することのできるシリコン加工装置を提供することを目的とする。また、本発明は、前述したシリコン加工装置の使用方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のシリコン加工装置は、ｉ）上側に開口部が形成された下部ケーシング、ｉｉ）開口部と連通する他の開口部が下側に形成され、下部ケーシングと脱着可能な上部ケーシング、ｉｉｉ）開口部および他の開口部に沿って移動するように構成され、シリコンを収容するように構成された坩堝、ｉｖ）坩堝の下に位置して、坩堝を支持する支持台、ｖ）支持台と連結され、支持台の下部に位置して、支持台を昇降させるように構成された昇降部、ｖｉ）上部ケーシングを貫通して上部ケーシングの内部に挿入され、シリコンを溶融させるガスを供給するように構成されたガスバーナ、ｖｉｉ）上部ケーシングの内部に装着されて、坩堝を取り囲む断熱材、およびｖｉｉｉ）坩堝の側面に対向する一端および上部ケーシングの外側に位置する他端を含み、シリコンの溶融によって排出される排ガスを外部に排気するように構成された排気管を備えることを特徴とする。
【０００６】
上部ケーシングに、坩堝に向かうシリコン投入口が形成されることができる。本発明のシリコン加工装置は、上部ケーシングを貫通し、ガスバーナと隣り合って、ガスを点火させるように構成された点火ヒータをさらに備えることができる。
【０００７】
ガスバーナは坩堝の上で坩堝に向かい、ガスバーナから排出されたガスがシリコンに向かって噴射されて、シリコンと直接接触するように構成される。断熱材は、アルミナボードまたはアルミナキャスタブルを含む。坩堝は、ｉ）シリコンが収容される内部坩堝部、およびｉｉ）内部坩堝部を取り囲み、アルミナを含む補助坩堝部を含む。昇降部に水冷管が内蔵されて、水冷管を介して冷却水が循環するように構成される。ガスバーナは、ブラウンガスを供給するように構成される。
【０００８】
本発明のシリコン加工装置は、ｉ）上部ケーシングの内部に挿入された複数の温度センサ、ｉｉ）上部ケーシングの上に位置し、ガスバーナと連結されて、ガスバーナを上下移動させるガスバーナ移送装置、およびｉｉｉ）排気管の他端に取り付けられた排気ダンパーをさらに備えることができる。温度センサは、ガスバーナ移送装置および排気ダンパーと連結されて、ガスバーナの位置および排気ダンパーの開度を調節することができる。
【０００９】
本発明のシリコン加工装置の使用方法は、ｉ）上側に開口部が形成された下部ケーシングを提供するステップ、ｉｉ）シリコンが収容された坩堝を開口部に配置するステップ、ｉｉｉ）下部ケーシングを、他の開口部が下側に形成された上部ケーシングの下に移動させるステップ、ｉｖ）下部ケーシングと上部ケーシングとを相互密着させるステップ、ｖ）坩堝を他の開口部に移動させるステップ、ｖｉ）上部ケーシングを貫通して上部ケーシングの内部に挿入されたガスバーナを介してガスを供給するステップ、ｖｉｉ）ガスを点火させ、ガスをシリコンに向かって噴射して、シリコンを溶融させるステップ、ｖｉｉｉ）坩堝を開口部に移動させるステップ、ｉｘ）下部ケーシングを上部ケーシングと分離させるステップ、およびｘ）下部ケーシングから坩堝を取り出すステップを含むことを特徴とする。
【００１０】
ガスを供給するステップにおいて、坩堝の上からガスをシリコンに垂直下方に噴射して、ガスをシリコンと直接接触させることができる。本発明のシリコン加工装置の使用方法は、下部ケーシングと上部ケーシングとを相互密着させるステップの後に、開口部と他の開口部を真空排気するステップをさらに含むことができる。下部ケーシングには、ｉ）坩堝の下に位置して、坩堝を支持する支持台、およびｉｉ）支持台の下部に位置して、支持台を昇降させるように構成された昇降部が設けられ、坩堝を他の開口部に移動させるステップにおいて、昇降部を上に移動させて、坩堝を他の開口部に移動させることができる。坩堝を開口部に移動させるステップにおいて、昇降部を下に移動させて、坩堝を開口部に移動させることができる。シリコンを溶融させるステップにおいて、上部ケーシングを貫通し、その一端が坩堝の側面に位置する排気管を介して、シリコンの溶融によって排出される排ガスを外部に排気することができる。
【００１１】
ガス、特に、ブラウンガスをシリコン粉末または廃シリコンと直接接触させて、溶融させることによって、シリコン塊（ｃｈｕｎｋ）を効率的に製造するか、または溶融と冷却過程を通じて、インゴットを効率的に製造することができる。その結果、生産性を向上させ、燃料費を節減することができる。従来の間接熱を用いた電気溶融方式で粉末のみを溶融することは、非効率的であり、かつほとんど不可能である。しかし、ガスによる直接加熱方式は、溶融体に含まれているシリコン粉末もよく攪拌されるため、微細なシリコン粉末をよく溶融させることができる。ブラウンガスを用いる場合、炭素など不純物がなく、溶融時にシリコンの汚染を防止することができ、公害物質を排出しないため、親環境的な利点がある。また、溶融したシリコンを特定の方向に移動させながら徐々に冷却して、シリコンインゴットを製造することもでき、製造したシリコンインゴットを太陽電池の素材として用いることができるため、太陽電池の製造原価を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るシリコン加工装置の概略的な断面図である。
【図２】図１のシリコン加工装置の概略的な内部平面図である。
【図３】図１のシリコン加工装置の使用状態を概略的に示すフローチャートである。
【図４】図１のシリコン加工装置の概略的なステップ別の使用状態を概略的に示す図である。
【図５】図１のシリコン加工装置の概略的なステップ別の使用状態を概略的に示す図である。
【図６】図１のシリコン加工装置の概略的なステップ別の使用状態を概略的に示す図である。
【図７】図１のシリコン加工装置の概略的なステップ別の使用状態を概略的に示す図である。
【図８】図１のシリコン加工装置の概略的なステップ別の使用状態を概略的に示す図である。
【図９】本発明の実施例１および実施例２で用いられた廃シリコン粉末の写真である。
【図１０】本発明の実施１によって製造したシリコン塊の写真である。
【図１１】本発明の実施例２によって製造したシリコンインゴットの斜視写真である。
【図１２】本発明の実験例２によって製造したシリコンインゴットの断面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
〔用語の定義〕
ある部分が他の部分の「上に」あると言及する場合、これは、他の部分の上にあるか、またはその間に他の部分があり得る。対照的に、ある部分が他の部分の「真上に」あると言及する場合、その間に他の部分があることはない。
【００１４】
第１、第２および第３等の用語は、多様な部分、成分、領域、層および／またはセクションを説明するために使用するが、これらに限られない。これら用語は、ある部分、成分、領域、層またはセクションを、他の部分、成分、領域、層またはセクションと区別するためにのみ使用される。したがって、以下で述べる第１部分、成分、領域、層またはセクションは、本発明の範囲を脱しない範囲内で第２部分、成分、領域、層またはセクションと言及できる。
【００１５】
ここで使用される専門用語は、単に特定の実施の形態を言及するためであり、本発明を限定することを意図しない。ここで使用される単数形態は、文句がこれと明確に反対の意味を示さない限り、複数形態も含む。明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、ステップ、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特性、領域、整数、ステップ、動作、要素および／または成分の存在や付加を除外するのではない。
【００１６】
「下」、「上」等の相対的な空間を示す用語は、図面で示した一部分の他の部分に対する関係をより簡単に説明するために使用できる。このような用語は、図面で意図した意味と共に使用中の装置の他の意味や動作を含むように意図される。例えば、図面中の装置をひっくり返すと、他の部分の「下」にあるものと説明されたある部分は、他の部分の「上」にあるものと説明される。したがって、「下」という例示的な用語は、上と下の方向をいずれも含む。装置は、９０°回転または他の角度で回転することができ、相対的な空間を示す用語もこれにより解釈される。
【００１７】
異なって定義してはいないが、ここで使用される技術用語および科学用語を含むすべての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が一般に通常理解する意味と同一の意味を有する。通常使用される辞典に定義された用語は、関連技術文献と現在開示された内容に符合する意味を有するものと追加解釈され、定義されない限り、理想的かつ非常に公式的な意味として解釈されない。
【００１８】
以下で使用される「シリコン」という用語は、シリコン粉末、シリコン塊（ｎｕｇｇｅｔ、ｃｈｕｎｋ）、単結晶シリコン、多結晶シリコン、シリコンスラッジ、シリコンスクラップ、シリコンインゴットおよび廃シリコンなど、すべての形態のシリコンを含むものと解釈される。また、シリコンの純度は、特定の純度に限られない。
【００１９】
また、以下で使用する「シリコン加工」という用語は、シリコンを溶融するか、シリコンインゴットまたはシリコン塊を製造する工程を含むものと解釈される。ここで、シリコン加工は、特別な冷却工程を用いなくてもシリコン塊を凝固させる工程を含むことができ、シリコンインゴットについては、特別な冷却工程を用いて凝固させる工程を含むものと解釈できる。
【００２０】
断面図を参照して説明した本発明の実施例は、本発明の理想的な実施例を具体的に示す。その結果、図解の多様な変形、例えば、製造方法および／又は仕様の変形が予想される。したがって、実施例は、図示した領域の特定の形態に限定されず、例えば、製造による形態の変形も含む。例えば、扁平であると図示および説明された領域は、一般に、粗いか、または粗くて非線形の特性を有することがある。また、鋭い角度を有するものと示された部分は、ラウンド化できる。したがって、図面に示された領域は、元々大略的なものに過ぎず、これらの形態は、領域の正確な形態を示すように意図されたものではなく、本発明の範囲を縮小しようと意図されたものではない。
【００２１】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施例について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳しく説明する。しかし、本発明は、様々な相違する形態に具現されることができ、ここで説明する実施例に限られない。
【００２２】
〔実施の形態〕
図１は、本発明の実施の形態に係るシリコン加工装置１００を概略的に示す断面図である。図１のシリコン加工装置１００の構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がこれに限定されるのではない。したがって、シリコン加工装置の構造を他の形態にも変形することができる。
【００２３】
シリコン加工装置１００に用いられるシリコンは、廃シリコン粉末、シリコンスクラップまたはシリコンスラッジなどを用いることができる。例えば、単結晶シリコンインゴットを切断したシリコンインゴットの縁を集めて、原料として用いることもできる。
【００２４】
図１に示したように、シリコン加工装置１００は、下部ケーシング１０、上部ケーシング２０、坩堝３０、支持台４０、昇降部５０、ガスバーナ６０、断熱材７０、および排気管８０を含む。このほか、シリコン加工装置１００は、点火ヒータ９０およびシリンダーロッド５２等をさらに含むことができる。
【００２５】
下部ケーシング１０の上側には、開口部１０１が形成される。下部ケーシング１０の下面および側面は金属カバーなどで遮断されているのに対し、その上側は、上部ケーシング２０と結合して相互連通するように開口部１０１を介してオープンされる。一方、融融されたシリコンが盛られた坩堝３０が下部ケーシング１０で昇降されるため、坩堝３０から排出される熱が発散されて、下部ケーシング１０に伝導される。したがって、下部ケーシング１０の内部の周囲に断熱材７０５を設けて、坩堝３０から排出される熱を遮断する。
【００２６】
図１に示したように、上部ケーシング２０は、その下側に開口部２０１が形成される。上部ケーシング２０の上面および側面は金属カバーなどで遮断されているのに対し、その下側は、下部ケーシング１０と結合して相互連通するように開口部２０１を介してオープンされる。上部ケーシング２０は下部ケーシング１０と脱着され得る。上部ケーシング２０は、下部ケーシング１０の上に置かれて、その重量によって結合状態を維持することもできるが、相互整列した後、別途の結合部材を用いて、相互結合されることもできる。
【００２７】
坩堝３０は、開口部１０１、２０１に沿って移動することができる。つまり、坩堝３０は、支持台４０によって支持され、支持台４０を昇降させる昇降部５０によって±ｚ軸方向に沿って移動する。坩堝３０は、その内部に収容されたシリコンを溶融させるように開口部２０１に位置する。坩堝３０は、内部坩堝部３０１および補助坩堝部３０３を含む。内部坩堝部３０１にはシリコンが受容されて、溶融および凝固される。内部坩堝部３０１は、凝固したシリコンを取り出すために後で破壊される。したがって、内部坩堝部３０１は１回のみ用いることができる。内部坩堝３０１としては、例えば、セラミックからなる耐火材で形成されたものが用いられる。補助坩堝部３０３としては、例えば、熱遮蔽効果に優れたアルミナで形成されたものが用いられる。
【００２８】
支持台４０は坩堝３０の下に位置して、坩堝３０を支持する。坩堝３０は支持台４０によって±ｚ軸方向に沿って移動する。支持台４０の下部には昇降部５０が位置する。昇降部５０は、その上に坩堝３０が置かれた支持台４０を昇降させる。昇降部５０は内蔵された水冷管５５を介して冷却水を循環させる。その結果、支持台４０を冷却させ、これにより支持台４０と接する坩堝３０を冷却させて、坩堝３０が過熱によって破損することを防止することができる。図１には示していないが、支持台４０も水冷管５５と連結された他の水冷管を内蔵することができる。つまり、昇降部５０に内蔵された水冷管５５とこの水冷管とを連通させて冷却水を循環させることによって、坩堝３０をさらに効率的に冷却させることもできる。一方、水冷管５５によって坩堝３０の下部が冷却されるため、坩堝３０に収容されたシリコンを溶融して-ｚ軸方向に移動させる場合、冷却水によって、坩堝３０の下部から上部までシリコンが徐々に冷却される。
【００２９】
一方、図１に示したように、昇降部５０は、その両側に、隣り合って位置する一対のシリンダーロッド５２によって固定されて、±ｚ軸方向に沿って移動する。昇降部５０の昇降運動自体が一対のシリンダーロッド５２に固定された状態で行われるため、坩堝３０が安定して上昇したり下降したりする。一対のシリンダーロッド５２は、相互離隔して、下部ケーシング１０の下部に位置するため、下部ケーシング１０を堅固に支持する。昇降部５０は駆動モータ５３の作動によって動く。
【００３０】
ガスバーナ６０は、上部ケーシング２０の内部に挿入される。ガスバーナ６０は、坩堝３０の上で鉛直方向に沿って伸びて、坩堝３０に向かって位置する。したがって、ガスバーナ６０から排出されたガスが坩堝３０に収容されたシリコンに向かって噴射されて、シリコンと直接接触することができる。ガスバーナ移送装置６５は上部ケーシング２０の上に位置する。ガスバーナ６０は、ガスバーナ移送装置６５によって-ｚ軸方向に沿って下部に移動しながら、上部ケーシング２０に挿入される。ガスバーナ６０を使用しない場合、ガスバーナ移送装置６５によってガスバーナ６０を＋ｚ軸方向に上昇させて抜き出すことができる。ガスバーナ移送装置６５には駆動モータ６５１が取り付けられているため、駆動モータ６５１によってガスバーナ移送装置６５を上昇または下降させながら、ガスバーナ６０を移送することができる。ガスバーナ移送装置６５と駆動モータ６５１の詳細構造は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に理解することができるため、その詳細な説明を省略する。
【００３１】
ガスバーナ６０で使用されるガスとしては、例えば、酸素と水素の混合ガスまたはブラウンガスを用いることができる。ブラウンガスは、水を電気分解して得られた気体を意味する。この気体には、当量比として、水素と酸素が２：１の比率で混合されている。水を電気分解する場合、負極では水素が得られ、正極では酸素が得られる。ブラウンガスは水素と酸素を分離採集せずに、一度に捕集して製造される。ブラウンガスを燃焼させる場合、その燃焼物として水のみが発生するため、環境汚染に対する恐れがない。
【００３２】
ブラウンガスを使用して、坩堝３０に収容されたシリコンを非常に急速に溶融させることができる。したがって、シリコン塊またはシリコンインゴットを製造するのに必要な時間が大きく減縮されて、高エネルギ効率を確保することができる。
【００３３】
図１に示したように、断熱材７０は、第１断熱材７０１、第２断熱材７０３および第３断熱材７０５を含む。ここで、第１断熱材７０１と第２断熱材７０３は、上部ケーシング２０内に、坩堝３０を取り囲んで配置される。第１断熱材７０１と第２断熱材７０３によって、開口部２０１が区切られる。また、第３断熱材７０５は下部ケーシング１０の内部に配置される。第３断熱材７０５によって、開口部１０１が区切られる。断熱材７０にゆいては、後述する図２を参照して、さらに詳細に説明する。
【００３４】
排気管８０は、一端８０１および他端８０３を有する。ここで、一端８０１は坩堝３０の側面に対向し、他端８０３は上部ケーシング２０の外側に位置する。図１に示したように、排気管８０は、坩堝３０に収容されたシリコンの溶融によって排出される排ガスを外部に排気させる。つまり、坩堝３０の内部にガスが噴射される場合、シリコンに含まれている不純物はガスによって燃焼されるか、またはガスに押されて、坩堝３０の側面に沿って坩堝３０の外部の下側に流れる。したがって、排気管８０を介して、シリコンの溶融によって排出される排ガスを外部に排気する。図１には示されていないが、他端８０３に排気ダンパーを取り付け、排気ダンパーの開度を調節することによって、シリコンの溶融および成長時のシリコン加工装置１００の内部温度を一定に維持することができる。排気ダンパーの開度を、温度センサ３５により感知されたシリコン加工装置１００の内部温度によって調節することで、シリコン加工装置１００の内部温度を適切に調節することができる。
【００３５】
図１に示したように、複数の温度センサ３５を上部ケーシング２０に挿入して、シリコン加工装置１００の内部温度を感知することができる。そして、感知された温度によって、制御プログラムにより、前述した排気ダンパーの開度を調節するか、またはガスバーナ６０を介して注入されるガスの量を調節することができる。さらに、ガスバーナ移送装置６５を上下に移動させて、ガスバーナ６０の位置を調節することもできる。その結果、シリコンを溶融または成長させる場合、シリコンの温度を一定に維持することができる。
【００３６】
一方、坩堝３０の内部に位置するシリコンの溶融状態は、上部ケーシング２０を通じて把握することができる。つまり、監視窓１０６を通じてシリコンの溶融状態を把握することができる。一方、坩堝３０に収容されたシリコンが溶融されると、シリコンの間の空隙が無くなり、これによって、坩堝３０に収容されたシリコンのレベルが低下する。製造効率を高めるためには、坩堝３０に収容されたシリコンを補充する必要がある。そこで、上部ケーシング２０に形成されたシリコン投入口１０２を通じて、坩堝３０にシリコンを追加投入する。シリコン投入口１０２は坩堝３０の方向を向いており、シリコン投入口１０２を通じて投入されたシリコンは、坩堝３０の内部に正確に供給される。
【００３７】
図１に示したように、シリコン加工装置１００は点火ヒータ９０をさらに備える。点火ヒータ９０は上部ケーシング２０を貫通して配置される。これとは異なって、点火ヒータ９０をガスバーナ６０に近接させて、水平に設けることもできる。点火ヒータ９０はガスバーナ６０と隣り合って燃焼ガスを点火させるため、坩堝３０に収容されたシリコンを溶融させることができる。
【００３８】
一方、安全弁１０８は上部ケーシング２０を貫通して設けられる。シリコン加工装置１００の内部で圧力が大きくかかる場合、安全弁１０８がオープンされて、シリコン加工装置１００の内部圧力を低くするため、事故防止のために適合する。
【００３９】
一方、不活性気体注入口１０４は上部ケーシング２０を貫通して形成される。不活性気体注入口１０４を通じてアルゴンまたは窒素などの不活性気体を注入して、シリコンの酸化を防止することにより、シリコンの溶融操業を安定して行うことができる。以下では、図２を参照して、シリコン加工装置１００の内部構造についてさらに詳細に説明する。
【００４０】
図２は、図１のシリコン加工装置１００の内部の平面構造を概略的に示す。さらに具体的に、図２では、図１の上部ケーシング２０をｘｙ平面方向に沿って切断したその断面構造を示す。図２のシリコン加工装置１００の内部の平面構造は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がここに限定されるのではない。したがって、シリコン加工装置１００の内部の平面構造を多様な形態に変形することができる。
【００４１】
図２に示したように、坩堝３０に含まれている補助坩堝部３０３は内部坩堝部３０１を取り囲む。したがって、坩堝３０に収容されたシリコンＳに対する操業を安定して行うことができる。一方、断熱材７０は第１断熱材７０１および第２断熱材７０３を含む。シリコンＳはガスと直接接触して燃焼するため、坩堝３０から相当の高熱が放出される。したがって、第１断熱材７０１をｘ軸に平行な方向およびｙ軸に平行な方向に配置して、坩堝３０を取り囲むことによって、坩堝３０から発生した熱が外部に放出されることを遮断する。さらに、熱遮蔽効果をさらに増大させるために、上部ケーシング２０と第１断熱材７０１との間の空間には第２断熱材７０３を充填させる。これによって、上部ケーシング２０が受ける熱衝撃を最少化することができる。このために、第１断熱材７０１は、熱遮蔽効果に優れたアルミナを用いて製造することができる。または、断熱材７０は、高温用ボードまたは高温用キャスタブルで製造することができる。
【００４２】
以上の実施の形態において用いられるシリコン粉末または廃シリコンは、単結晶で用いられるものに比べれば、純度が低い可能性がある。しかし、直接溶融によってそれ以上の不純物が混入される可能性がなく、存在していた不純物が焼け、あるいは溶融時に分離されることで、純度が高くなることもある。太陽電池への用途であれば、以上の実施の形態により、十分な純度のシリコンが得られる。
【００４３】
図３は、図１のシリコン加工装置１００の使用状態に関するフローチャートを概略的に示し、図４から図８は、図１のシリコン加工装置１００の概略的なステップ別の使用状態を概略的に示す。図３のシリコン加工装置１００の使用順序は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がここに限定されるのではない。したがって、シリコン加工装置１００の使用順序を多様に変形することができる。以下では、図３の各ステップに図４から図８の使用状態を対応させて説明する。
【００４４】
図３に示すように、シリコン加工装置１００の使用方法は、上側に開口部が形成された下部ケーシングを提供するステップＳ１０、坩堝を開口部に配置するステップＳ２０、下部ケーシングを他の開口部が形成された上部ケーシングの下に移動するステップＳ３０、上部ケーシングと下部ケーシングとを密着させるステップＳ４０、坩堝を他の開口部に移動するステップＳ５０、ガスを供給するステップＳ６０、ガスを点火させ、シリコンに向かって噴射して、シリコンを溶融するステップＳ７０、坩堝を開口部に移動するステップＳ８０、下部ケーシングを上部ケーシングと分離するステップＳ９０および下部ケーシングから坩堝を取り出すステップＳ１００を含む。このほか、必要に応じて、シリコン加工装置１００の使用方法は、他のステップをさらに含むことができる。
【００４５】
まず、図３のステップＳ１０では、下部ケーシング１０を提供する（図４を参照）。下部ケーシング１０は、地面１２０の上に置いてある移動台車１１０の上に位置するため、所望の場所に自由に移動させることができる。下部ケーシング１０の上側には開口部１０１が形成されている。
【００４６】
次に、図３のステップＳ２０では、シリコンＳが収容された坩堝３０を開口部１０１に配置する（図４を参照）。坩堝３０は、下部ケーシング１０に設けられた支持台４０と昇降部５０によって安定的に下部ケーシング１０内に収容される。
【００４７】
そして、図３のステップＳ３０では、図４の矢印方向に沿って下部ケーシング１０を上部ケーシング２０の下に移動させる（図４を参照）。下部ケーシング１０は、移動台車１１０の上に搭載されるため、移動台車１１０を用いて簡単に移動させることができる。上部ケーシング２０の下側には、開口部２０１が形成されている。
【００４８】
図３のステップＳ４０では、下部ケーシング１０と上部ケーシング２０とを相互密着させる（図５を参照）。この場合、単純に上部ケーシング２０を下部ケーシング１０の上に載せるだけでよいが、上部ケーシング２０と下部ケーシング１０をアラインすることが好ましい。つまり、上部ケーシング２０と下部ケーシング１０をアラインして、開口部１０１、２０１が相互連通するようにすることが必要である。したがって、図５には示されていないが、別途の結合部材を用いて、上部ケーシング２０と下部ケーシング１０とを相互結合することもできる。一方、下部ケーシング１０と上部ケーシング２０とを相互密着させた後、開口部１０１、２０１を真空排気して、シリコン加工装置１００の内部を真空化することができる。つまり、開口部１０１、２０１内に存在する異物および水分を真空ポンピングして、除去する。その結果、開口部１０１、２０１内に存在する空気中の酸素がシリコンと反応して、酸化物が生成される現象を防止することができる。
【００４９】
次に、図３のステップＳ５０では、図５の矢印方向に沿って坩堝３０を開口部２０１に移動させる（図５を参照）。つまり、支持台４０とこれを支持する昇降部５０を上に移動させて、坩堝３０を開口部１０１から開口部２０１に移動させる。図５には、坩堝３０を下側から上側に移動するものと示したが、他の構造のシリコン加工装置を使用する場合、その反対方向に移動するか、または固定して用いることもできる。坩堝３０は上部ケーシング２０内に配置されるため、ガスを用いて、シリコンＳを溶融することができる。一方、ガスバーナ６０は、駆動モータ６５１によって駆動されるガスバーナ移送装置６５によって矢印方向に上部ケーシング２０内に装入される。図６には示されていないが、ガスによるシリコンの溶融またはシリコンの溶融後にシリコンを成長させる場合、その内部温度を一定に維持する必要がある。この場合、ガスバーナ６０をシリコンＳから一定の高さで離隔させることができる。
【００５０】
図３のステップＳ６０では、ガスバーナ６０を通じて、ガスを坩堝３０に収納されたシリコンＳに向かって供給する（図６を参照）。ガスバーナ６０は、上部ケーシング２０を貫通して、上部ケーシング２０の内部に挿入される。ガスは、坩堝３０の上からシリコンＳに垂直下方に噴射される。よって、ガスはシリコンＳと直接接触して、シリコンＳを効率的に溶融させることができる。
【００５１】
次に、図３のステップＳ７０では、ガスを点火させ、ガスをシリコンＳに向かって噴射する（図６を参照）。このような方法を通じて、シリコンＳをガスによって攪拌しながら、溶融させることができる。この場合、上部ケーシング２０を貫通する排気管８０を介して、シリコンＳの溶融によって排出される排ガスを外部に排気することができる。特に、排気管８０の一端８０１は坩堝３０の側面に位置するため、シリコンＳの溶融によって生成される排ガスを効率的に排出することができる。
【００５２】
図３のステップＳ８０では、坩堝３０を図７の矢印方向に沿って下部ケーシング１０の開口部１０１に移動させる（図７を参照）。つまり、支持台４０と、これを支持する昇降部５０を下に移動させて、坩堝３０を上部ケーシング２０の開口部２０１から下部ケーシング１０の開口部１０１に移動させる。この場合、坩堝３０に収容されたシリコンＳはまだ溶融状態であるが、坩堝３０の移動により徐々に凝固される。これとは異なって、図７には示されていないが、図３のステップＳ８０を進める前に、水冷管５５（図１に示す）を通じて流れる冷却水によって、支持台４０から坩堝３０に冷却熱を伝達させて、シリコンを徐々に成長させることもできる。これによって、坩堝３０は漸次下側に移動して、坩堝３０を下部ケーシング１０の開口部１０１に移動させる過程が完了される。
【００５３】
図３のステップＳ９０では、下部ケーシング１０を上部ケーシング２０と分離させる（図８を参照）。つまり、上部ケーシング２０を図８の小さい矢印方向に沿って若干持ち上げた状態で、下部ケーシング１０を図８の大きい矢印方向に沿って右側に移動させる。その結果、凝固したシリコンＳが外部に露出される。
【００５４】
最後に、図３のステップＳ１００では、下部ケーシング１０から坩堝３０を取り出す（図８を参照）。そして、坩堝３０から凝固したシリコンＳを取り出して用いることができる。
【実施例１】
【００５５】
以下、実験的に行われた実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。このような実施例は、単に本発明を例示するためのものであり、本発明がここに限定されるのではない。
【００５６】
廃シリコン粉末を用意した。この廃シリコン粉末の粒度は、約１０μｍないし２，０００μｍである。
【００５７】
図９は、この実施例１および次に説明する実施例２で使用した廃シリコン粉末の写真を示す。
【００５８】
図９に示すように、大きい粒度を有する廃シリコン粉末と小さい粒度を有する廃シリコン粉末が不均一に混合されている。このような廃シリコンを坩堝に装入した。坩堝を図１の構造と同一の構造を有するシリコン加工装置に入れ、ガスを用いて廃シリコンを溶融させた。ガスとしてはブラウンガスを用い、ブラウンガスの供給量を７０ｍ３／ｈ、約１６１ｋＷｈに調節した。
【００５９】
ガスを用いて、４時間廃シリコン粉末を溶融させた。廃シリコン粉末を溶融させた後、坩堝を徐冷して、溶融した廃シリコンを凝固させた。
【００６０】
図１０は、実施例１において製造されたシリコン塊の写真を示す。
【００６１】
図１０に示したように、廃シリコン粉末を溶融した結果、廃シリコン粉末が相互凝集して、４５０ｋｇ程度のシリコン塊が得られた。このような方法で製造したシリコン塊は、シリコン原料製造会社に供給され、再び単結晶シリコンまたは多結晶シリコンに製造されることができる。
【実施例２】
【００６２】
ガスを用いて、４時間廃シリコン粉末を溶融させた。廃シリコン粉末を溶融させた後、坩堝を１０−１５ｍｍ／ｓの速度で下降させながら、溶融した廃シリコン粉末を凝固させた。坩堝を下降させながら、坩堝を支持する支持台を通じて坩堝を水冷することによって、下部から上部に、溶融した廃シリコン粉末が徐々に凝固されるようにした。
【００６３】
図１１は、実施例２において製造されたシリコンインゴットの斜視写真を示し、図１２は、図１１のシリコンインゴットを切断した断面写真を示す。
【００６４】
図１１に示したように、溶融した廃シリコン粉末を一方向凝固させた結果、４５０ｋｇ程度の多結晶シリコンインゴットが製造された。多結晶シリコンインゴットの下部の表面は滑らかに形成されているのに対し、上部の表面には多数の気孔と不純物が形成されていることを観察することができた。これは、図１２により、さらに正確に観察することができる。つまり、図１２に示すように、多結晶シリコンインゴットの下部組織は、気孔なしに密に形成されているのに対し、多結晶シリコンインゴットの上部組織には、多数の気孔と不純物が存在することを観察することができる。これは、溶融した廃シリコン粉末が収容された坩堝を下降させる場合、溶融した廃シリコン粉末内に存在する気泡と金属不純物が、重力によって、あるいはシリコン溶湯の内部旋回流れによって浮遊されて、溶融した廃シリコン粉末の上部に移動するためであると推定される。製造された多結晶シリコンインゴットを切断して、シリコンウエハとして製造することができる。
【００６５】
本発明を上述した記載内容により説明したが、次に記載する特許請求の範囲の概念と範囲から脱しない限り、多様な修正および変形が可能であることを、本発明の属する技術分野に務める者は簡単に理解することができるだろう。
【符号の説明】
【００６６】
１０      下部ケーシング
２０      上部ケーシング
３０      坩堝
３５      温度センサ
４０      支持台
５０      昇降部
５２      シリンダーロッド
５３，６５１      駆動モータ
５５      水冷管
６０      ガスバーナ
６５      ガスバーナ移送装置
７０，７０１，７０３，７０５      断熱材
８０      排気管
９０      点火ヒータ
１００      シリコン加工装置
１０１，２０１      開口部
１０２      シリコン投入口
１０４      不活性気体注入口
１０６      監視窓
１０８      安全弁
１１０      移動台車
１２０      地面
３０１      内部坩堝部
３０３      補助坩堝部
６５１      ガスバーナ駆動モータ
８０１      一端
８０３      他端
Ｓ      シリコン
【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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【図１２】
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