(57)【要約】  本発明は、太陽光モジュールの製造において高純度シリコンを製作するためにカーボン／カーボン複合材料を使用するなどして、高温の非酸化雰囲気中において大型のセラミック部材を支持および操作するためのシステムおよび使用方法に関する。本発明の高温装置は、１つまたは複数の支持肋材と、１つまたは複数の支持肋材と組み合わさった１つまたは複数の交差支柱と、１つまたは複数の支持肋材および１つまたは複数の交差支柱の上に配置可能である成形支持ライナーとを含む。
2012501291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高純度シリコンの製作に使用するのに適する高温装置において、
１つもしくは複数の支持肋材と、
前記１つ若しくは複数の支持肋材と組み合わされる１つ若しくは複数の交差支柱と、
任意選択の頂板であって、前記１つ若しくは複数の支持肋材及び又は前記１つ若しくは複数の交差支柱の上にある、頂板と、
前記１つ若しくは複数の支持肋材、および前記１つ若しくは複数の交差支柱の上に配置可能である成形支持ライナーとを備える、装置。
【請求項２】
前記１つ若しくは複数の支持肋材、前記１つ若しくは複数の交差支柱、および前記成形支持ライナーが、セラミック材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記１つ若しくは複数の支持肋材、前記１つ若しくは複数の交差支柱、および前記成形支持ライナーが、カーボン繊維複合材料を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記成形支持ライナーの中に配置可能であるるつぼをさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記るつぼが溶融シリカを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
液体供給原料を前記るつぼから移す作動装置をさらに備えた、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記作動装置が、外部駆動列を備える、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記装置が、少なくとも摂氏約１４１２度の温度で少なくとも約５００キログラムの供給原料を支持する、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記１つ若しくは複数の肋材が、前記成形支持ライナーの約１／３の長さに沿って配設された第１肋材と、前記成形支持ライナーの約２／３の長さに沿って配設された第２肋材とを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記成形支持ライナーが、縁の上に吐出口が配設された概ね長方形の形状を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記縁が隅を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
高純度シリコンの製作に適する材料を加工する方法において、
１つまたは複数の支持肋材、および前記１つまたは複数の支持肋材と組み合わさった１つまたは複数の交差支柱の上で、成形支持ライナーを支持するステップと、
前記成形支持ライナーの中にるつぼを入れ子にするステップと、
前記るつぼの温度を上げるステップと、
前記るつぼの中に溶融した供給原料を包含するステップとを含む、方法。
【請求項１３】
前記るつぼの温度が、少なくとも摂氏約１４１２度を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記るつぼの温度が、前記るつぼの軟化温度を超える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の支持肋材、前記１つまたは複数の交差支柱、前記成形支持ライナーが、カーボン繊維複合材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
作動装置を傾斜させ、前記るつぼの吐出口から前記溶融した供給原料を流すことによって、前記るつぼから排出するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶融した供給原料に熱を加えるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
溶融装置から前記るつぼへ前記溶融した供給原料を移すステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
溶融した供給原料が、少なくとも約０．２立方メートルの高純度シリコンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記るつぼ内の前記溶融した供給原料を凝固させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
不活性ガスを用いて前記るつぼの雰囲気を制御するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
複数の充填および注ぎ出しの間、少なくとも摂氏約１３００度の温度を維持するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光モジュールの製造において高純度シリコンを製作するためにカーボン／カーボン複合材料を使用するなどして、高温の非酸化雰囲気中において大型のセラミック部材を支持および操作するためのシステムおよび使用方法に関する。
【０００２】
本願は、全体が参照により本明細書に明らかに援用される、２００９年１月１３日出願の米国仮特許出願第６１／１４４，２５３号および２００８年８月２７日出願の米国仮特許出願第第６１／０９２，１８６号の利益を主張する。
【０００３】
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた米国立再生可能エネルギー研究所との主契約の下にある共同契約ＤＥ−ＦＣ３６−０７Ｇ０１７０４９の下での米国政府の援助を用いて作成された。当該政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００４】
光電池は、光を電流に変換する。光電池の最も重要な特徴の一つは、光エネルギーを電気エネルギーに変換する際のその効率である。光電池は様々な半導体材料から作られ得るが、シリコンは、手頃なコストで容易に利用可能であり、光電池の製作時の使用に対して適切な電気的、物理的および化学的な特性のバランスを有するために、シリコンが一般に使用される。
【０００５】
光電池の製造に関する既知の手順では、シリコンの供給原料が、正または負の導電型のいずれかを有するドーパントを添加され、溶融され、次に、（チョクラルスキー（ＣＺ）法またはフロートゾーン（ＦＺ）法によって）溶融領域から結晶化したシリコンを引き出すことによって結晶化されて単結晶シリコンのインゴットにされる。ＦＺ法では、固体材料が溶融領域の中に送られ、溶融領域の一方の側に入ると溶融され、溶融領域の反対側で、一般に種結晶と接触することによって再凝固される。
【０００６】
米国特許出願第１１／６２４，３６５号および第１１／６２４，４１１号に開示され、２００７年１月１８日出願の米国特許出願公開第２００７／０１６９６８４Ａ１号および第２００７／０１６９６８５Ａ１号に公開されたように、最近、るつぼ凝固法（すなわち現場鋳造法または鋳造法）で単結晶または幾何学的多結晶の材料を製作する新規な技術が発明された。多結晶シリコンのインゴットを作る鋳造法は、光電池技術の技術において既知である。簡単に言えば、このような方法においては溶融シリコンが、石英るつぼなどのるつぼの中に入れられ、中に含まれるシリコンが結晶化できるように制御されたやり方で冷却される。生じる鋳造結晶シリコンのブロックは、一般に、光電池の製造に使用されるウエハーのサイズと同じかまたはそれに近い断面を有するレンガ状の塊に切り分けられ、このレンガ状の塊は、このようなウエハーになるように鋸引きされるかまたは切り分けられる。このようなやり方で製作される多結晶シリコンは、そこから作られるウエハー内において、互いに対する粒の向きが効果的に無作為である結晶粒から構成される。単結晶または幾何学的多結晶のシリコンは、特に選択された結晶の向きおよび粒界（後者の場合）を有し、上述の特許出願において開示される新規な鋳造技術によって、すべて同じるつぼ内に留まりながら、工程の間部分的に固体のままであり、凝固時にそれを介して熱が取り出される大きい種層と接触した状態で、るつぼ内で固体シリコンを溶融して液体シリコンにすることによって形成可能である。本明細書に使用される用語「種層」は、連続層を形成する所望の結晶の向きを有する結晶または結晶群を指す。これは、鋳造の目的のためにるつぼの一方の側に一致するように作られ得る。
【０００７】
高品質の鋳造インゴットを製作するためには、いくつかの条件が満たされるべきである。第１に、可能な限り多くのインゴットが、所望の結晶性を有するべきである。インゴットが単結晶であるように意図される場合、インゴットの全ての使用可能部分が単結晶であるべきであり、幾何学的多結晶材料でも同様である。第２に、シリコンは、可能な限り少ない欠陥を含むべきである。欠陥は、個々の不純物、不純物の塊、内在する格子の欠陥、ならびに転位および積層の不良などのシリコンラチスの構造上の欠陥を含み得る。これらの欠陥の多くは、結晶シリコンから作られた機能中の光電池において、電気電荷担体の急速な再結合を引き起こし得る。これは、電池の効率の低下を引き起こし得る。
【０００８】
長年の開発の結果、成長のよいＣＺおよびＦＺシリコンにおいては欠陥が最小量となった。転位のない単結晶は、まず、種のところで取り込まれた全ての転位が外に成長できる細いネック部を成長させることによって達成可能である。介在物および二次相（たとえば窒化シリコン、酸化シリコンまたはシリコンカーバイドの粒子）の混入は、溶融物に対する種結晶の逆回転を維持することによって回避される。酸素の混入は、業界において既知であるように、磁気ＣＺ技術を使用して低減され、ＦＺ技術を使用して最小にされる。金属の不純物は、一般に、尖突端部に偏析されるか、またはボウルが終了した後にポットスクラップに残されることによって最小にされ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０１６９６８４Ａ１号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０１６９６８５Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＣＺ法およびＦＺ法に上記の改善を用いても、既知のＣＺ法およびＦＺ法よりも、体積あたりより安価であり、設備により少ない設備投資を要し、より少ない空間を要し、及び又は操作がより複雑でない、高純度結晶シリコンを製作する必要および要求がある。高温鋳造法に使用される安定した支持システムの必要および要求がある。既知のるつぼ内凝固技術に対して有意な利点を有する装置および方法の必要および要求もある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、太陽電池及び又は太陽光モジュールにおいて使用される高純度シリコンを製作するのに適するような処理容器を支持及び又は操作する高温装置のための装置および使用方法に関する。本発明は、高温においてさもなければ変形及び又は破裂し得るるつぼを支持する能力を含み得る。溶融シリコンは、鋼またはステンレス鋼の構造体を容易にすることができ、そのため、溶融シリコンのこぼれたものが封じ込め不良を急速に引き起こし得る。そのような不良の結果、装備の無駄、生産の無駄が起こり、安全上の問題を来たし得る。本発明の他の利益は、既知のＣＺ法およびＦＺ法よりも、体積あたりより安価であり、設備により少ない設備投資を要し、より少ない空間を要し、及び又は操作がより複雑でない、高純度結晶シリコンを含み得る。本発明はまた、高温鋳造法において使用される安定した支持システムを提供する。本発明はまた、既知のるつぼ内凝固法に対して有意な利点を有する装置および方法を含む。
【００１２】
一実施形態によれば、本発明は、高純度シリコンの製作に使用するのに適する高温装置に関する。この装置は、１つまたは複数の支持肋材と、１つまたは複数の支持肋材と組み合わさった１つまたは複数の交差支柱と、任意選択で頂板と、１つまたは複数の支持肋材および１つまたは複数の交差支柱の上に配置可能である成形支持ライナーとを含む。
【００１３】
一実施形態によれば、本発明は、高純度シリコンを製作するのに適する材料を加工する方法を含む。この方法は、１つまたは複数の支持肋材、および１つまたは複数の支持肋材と組み合わさった１つまたは複数の交差支柱の上で、成形支持ライナーを支持するステップを含む。この方法はまた、成形支持ライナーの中にるつぼを入れ子にするステップと、るつぼの温度を上げるステップと、るつぼ内に溶融した供給原料を包含するステップとを含む。
【００１４】
本明細書に援用され、本明細書の一部を構成する添付の図面、本発明の図示の実施形態は、説明とともに、本発明の特徴、利点および原理を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態による高温装置の等角図である。
【図２】一実施形態による支持肋材の側面断面図である。
【図３】一実施形態による交差支柱の側面断面図である。
【図４】一実施形態による組み立てられた枠体の上面図である。
【図５】一実施形態による成形支持ライナーの上面図である。
【図６】一実施形態による成形支持ライナーの側面断面図である。
【図７】一実施形態による、図６の図に対して直角をなす成形支持ライナーの側面断面図である。
【図８】一実施形態によるるつぼの上面図である。
【図９】高温装置の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
一般に、反応性および汚染の見地から、選択された組の材料のみが、液体シリコンと接触して使用され得る。これらの材料の１つは、シリカ即ちＳｉＯ２であり、これはシリコンの鋳造および溶融工程において、るつぼ材料として使用され得る。シリカは、液体シリコン温度（摂氏１３００度超）近辺で機械的性質が変化し、たとえば、いくつかの外部支持体なくして使用できなくなる。るつぼの場合と同様に、純度、反応性および機械的安定性の制約のために、選択されたわずかな材料のみが、シリコンの鋳造および溶融の環境において使用され得る。グラファイト及び又はシリコンカーバイド（ＳｉＣ）の側板支持部が、シリコンの溶融および鋳造時のシリカるつぼの変形を制限するために使用され得る。
【００１７】
一実施形態によれば、先進のシリコン鋳造設備は、溶融シリコンを安全で信頼性の高いやり方で貯蔵および注入するために、大量のシリコン（５００キログラム超）を取り扱う必要がある。アルミナまたはシリカのるつぼのための支持材料としてグラファイトまたはＳｉＣを使用することの代替として、本発明は、カーボン−カーボン（Ｃ−Ｃ）複合材料、強化カーボン／カーボン（ＲＣＣ）複合材料及び又はカーボン繊維複合材料（ＣＦＣ）の部材を使用する、大型のセラミック構成要素のための新規な支持システムを含む。
【００１８】
本発明は、製作の容易さおよびコストの低減を含み、一方で、同時に、従来の支持部材を使用して実現可能であるよりもより大きいサイズに拡大が可能となる。さらに、本発明は、Ｃ−Ｃ部材を、外部的に作動される駆動列（駆動トレイン）と一体化することによって、大型のセラミックるつぼ（保持容器）からの液体シリコンの操作（すなわち注入）を可能にし得る。従来の支持部材は、破損などの故障なくしてそのような動きを可能にする十分な機械的性質を有さない。
【００１９】
本発明は、従来の鋳造ステーションにおける使用を含む一方で、幾何学な設計、製作上の制約及び又は交換までの実際の作動時間に改善をもたらし得る。本発明は、変形し得るセラミックまたは金属の構造体が、高温の非酸化雰囲気中において支持される必要がある状況において使用され得る。
【００２０】
一実施形態によれば、本発明は、高温の非酸化雰囲気中における、変形し得る大型の部品のための支持システムを含む。Ｃ−Ｃ材料および対応する構造体が、変形し得るセラミック部品の一次的および二次的両方の機械的な支持に使用され得る。望ましくは、この構造体は、本来の場所での動きおよび操作のために外部の機構に取り付けられ得る。本発明は、様々な幾何学的形状、体積及び又はセラミック材料に対して使用及び又は構成が可能である。
【００２１】
本発明の範囲は、非酸化雰囲気中において変形し得る構成要素のための高温機械的支持体を構成することを含み得る。一実施形態によれば、本発明は、ＣＦＣ部材、ＲＣＣ部材、Ｃ−Ｃ部材などへのシリコンカーバイド（ＳｉＣ）またはシリコン（Ｓｉ）の被覆など、装置に使用されるかまたは一体化される他の材料を含む。本発明の支持構造体は、溶融ステップ、過熱ステップ、精製ステップ、保持ステップ、蓄積ステップ、凝固ステップ、結晶化ステップなどのような鋳造工程の任意の位置及び又はステップもしくは段階において使用され得る。本発明の範囲は、単一容器の鋳造工程、ならびに、たとえば別々の溶融、保持、凝固を含む３段などの複数容器の鋳造工程を含む。
【００２２】
一実施形態によれば、本発明は、Ｃ−Ｃと称され得るカーボン繊維強化カーボンまたはカーボン／繊維複合材料から作られる構成要素を含む。Ｃ−Ｃ材料は、不活性または非酸化の環境における高い加工温度に耐える一方で、機械化を可能にするように十分な機械的な一体性を提供することができる。
【００２３】
図１は、一実施形態による高温装置１０の等角図を示す。高温装置１０は、枠体４４を形成するように、１つもしくは複数の交差支柱１４と組み合わせられ得る１つもしくは複数の支持肋材１２、及び又は頂板５４を含み得る。成形支持ライナー１８が、枠体４４の中及び又は上に配置可能であり得る。望ましくは、成形支持ライナー１８は、支持ライナー１８の周囲の少なくとも一部分の周囲に唇状部２０を含む。
【００２４】
るつぼ２４は、成形支持ライナー１８の中に置かれるか、成形支持ライナー１８に対して配置可能であり得る。望ましくは、使用の間に滑ったりまたは動いたりするのを防ぐように、留め部２２が、唇状部２０または成形支持ライナー１８をるつぼ２４に連結する。枠体４４は、１つまたは複数の停止ブロック２６および１つまたは複数のるつぼ座部２８に連結し得る。装置１０は、作動装置（図示せず）による上または下の方向などへの傾斜または注入のための枢動軸、ヒンジピン及び又は軸受（図示せず）を含み得る。るつぼ２４は、漏斗４０および溝４２の中への溶融した供給原料３８の注入を助けるためなどに、１つまたは複数の吐出口３２を含み得る。システムを支持するためなどに、枠体４４は１つまたは複数の支持枠体３６の上に置かれ得る。
【００２５】
図２は、一実施形態による、切欠き部１６を備えた支持肋材１２の側面断面図を示す。図３は、一実施形態による、切欠き部１６を備えた交差支柱１４の側面断面図を示す。望ましくは、支持肋材１２の切欠き部１６は、互いと組み合わさるようになど、交差支柱１４の切欠き部１６と嵌合するか、または滑動可能に連結する。これらの部材は、機械的な留め具を用いてボルトで共締めされたり、カーボン繊維複合材料と組み合わせられたりなどし得る。
【００２６】
図４は、一実施形態による、組み立てられた支持肋材１２、交差支柱１４および頂板５４からの枠体４４の上面図を示す。望ましくは、この構成は、高温装置１０に長さ方向および横方向（横断方向）の両方の支持をもたらす。
【００２７】
図５は、一実施形態による、唇状部２０、ライナー容積部４６、および吐出口（図示せず）のための溝５２を備えた成形支持ライナー１８の上面図を示す。図６は、一実施形態による、唇状部２０、ライナー容積部４６、および吐出口（図示せず）のための溝５２を備えた成形支持ライナー１８の側面断面図を示す。図７は、図６の側面断面図に対して直角をなす、一実施形態による、唇状部２０およびライナー容積部４６を備えた成形支持ライナー１８の側面断面図を示す。
【００２８】
図８は、一実施形態による、吐出口３２およびるつぼ容積部４８を備えたるつぼ２４の上面図を示す。
図９は、一実施形態による、高温装置１０を囲む断熱部５０を備えた高温装置１０の側面断面図を示す。望ましくは、作動装置５６は、外部駆動列３０を含む。高温装置１０は、不活性ガス供給部３４を含み得る。
【００２９】
さらに、シリコンの鋳造が本明細書に説明されているが、他の半導体材料および非金属の結晶性材料が、本発明の範囲および精神から逸脱することなく鋳造可能である。たとえば、発明者は、ゲルマニウム、ガリウム砒素、シリコンゲルマニウム、酸化アルミニウム（その単結晶形態であるサファイヤを含む）、窒化ガリウム、酸化亜鉛、硫化亜鉛、ガリウム砒化インジウム、アンチモン化インジウム、ゲルマニウム、イットリウム酸化バリウム、ランタニド酸化物、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、ならびに他の半導体、酸化物、および液相との金属間化合物などの本発明の実施形態に合致する他の材料の鋳造を企図している。さらに、複数の他のＩＩＩ−Ｖ族またはＩＩ−ＶＩ族材料、ならびに金属および合金が、本発明の実施形態に従って鋳造され得る。
【００３０】
鋳造シリコンは、多結晶シリコン、近似多結晶シリコン、幾何学的多結晶シリコン、及び又は単結晶シリコンを含む。多結晶シリコンとは、複数の無作為な方向に向いた結晶が多結晶シリコンの本体の中に位置する、およそセンチメートル規模の粒度分布を有する結晶シリコンを指す。
【００３１】
幾何学的多結晶シリコンまたは幾何学的に整列した多結晶シリコンとは、複数の整列した結晶が多結晶シリコンの本体の中に位置する、無作為でない方向に整列したセンチメートル規模の粒度分布を有する結晶シリコンを指す。幾何学的多結晶シリコンは、約０．５センチメートルから約５センチメートルの平均サイズを典型的に有する粒を含み、幾何学的多結晶シリコンの本体の中の粒の向きは、適切な種結晶の組み合わせを使用するなどして、所定の向きに従って制御され得る。
【００３２】
多結晶シリコンとは、マイクロメートルからミリメートル規模の粒サイズを有し、複数の粒の向きが結晶シリコンの所与の本体の中に位置する結晶シリコンを指す。多結晶シリコンは、（たとえば個々の粒が最大時に裸眼でかろうじて見ることができる）およそサブミクロンからおよそミクロンの平均サイズおよび全体的に無作為に分配された粒の向きを典型的に有する粒を含み得る。
【００３３】
単結晶シリコンとは、材料が概ね及び又は実質的に同じ結晶の向きを有するために、非常に少ない粒界を有する結晶シリコンを指す。単結晶材料は、結晶の成長を設定するように凝固時に液体シリコンと接触される結晶性材料片などの１つまたは複数の種結晶を用いて形成され得る。近似単結晶シリコンとは、単結晶シリコンより多いが、多結晶シリコンより概ね実質的に少ない粒界を有する結晶性シリコンを概ね指す。
【００３４】
一実施形態によれば、本発明は、高純度シリコンの製作に用いるのに適する高温装置を含み得る。この装置は、１つ若しくは複数の支持肋材と、１つ若しくは複数の支持肋材と組み合わさった１つ若しくは複数の交差支柱と、任意選択で、１つ若しくは複数の支持肋材及び又は１つ若しくは複数の交差支柱の上の頂板と、１つ若しくは複数の支持肋材および１つ若しくは複数の交差支柱の上に配置可能である成形支持ライナーとを含み得る。
【００３５】
高温とは、少なくとも摂氏約５００度、少なくとも摂氏約１０００度、少なくとも摂氏約１４００度、少なくとも摂氏約１４１２度（シリコンの融点）、少なくとも摂氏約１４５０度、少なくとも摂氏約１５００度、及び又は任意の他の適切な温度などの高いまたは上昇した温度を広義に含む。
【００３６】
支持肋材とは、ライナー及び又はるつぼを支持するためなどに、容器の長さに沿って配設または配置される構造部材を広義に指す。望ましいが必然的にではなく、支持肋材は、ライナー及び又はるつぼに実質的に一致する内側の輪郭を含む。支持肋材は、任意の適切な形状、厚さ及び又はサイズを含み得る。支持肋材は、概ね平坦な外底部の外形を有するなど、概ねＵ形状を含み得る。一実施形態によれば、支持肋材は、装置の他の部材を受ける及び又は組み合わせる１つもしくは複数の接合部及び又は交差部を含み得る。接合部は、他の部材の一部分を滑動させるため及び又は受け入れるためなどの溝穴または切欠き部を含み得る。代替として、支持肋材の一部分が、切欠き部の中または他の部材の中へと滑動する。
【００３７】
高温装置を支持するために、約２、約４、約６、約８及び又は他の任意の数などの任意の適切な数の支持肋材が可能である。望ましいが必然的にではなく、支持肋材は、容器の幅（短軸）に沿うように配設及び又は構成され得る。代替として、支持肋材は、容器の長さ（長軸）に沿うように配設及び又は構成され得る。支持肋材は、長さに対して概ね直角または横断方向にあるなど、容器に対して任意の適切な角度で配設及び又は構成され得る。対角線上及び又は斜めの角度は、本発明の範囲内である。
【００３８】
交差支柱とは、ライナー及び又はるつぼを支持するためなどに、容器の長さに沿って配設または配置される構造部材を広義に指す。望ましいが必然的にではなく、交差支柱は、ライナー及び又はるつぼに対して実質的に一致する内側の輪郭を含む。交差支柱は、任意の適切な形状、厚さ及び又はサイズを含み得る。交差支柱は、概ね平坦な外底部の外形を有するなど概ねＵ形状を含み得る。一実施形態によれば、交差支柱は、装置の他の部材を受ける及び又は装置の他の部材と組み合わさる１つもしくは複数の接合部及び又は交差部を含み得る。接合部は、他の部材の一部分を滑動させるため及び又は受けるためなどの溝穴または切欠き部を含み得る。代替として、交差支柱の一部分は、切り欠きまたは他の部材の中へと滑動する。
【００３９】
高温装置を支持するために、約２、約４、約６、約８及び又は他の任意の数などの任意の適切な数の交差支柱が可能である。望ましいが必然的にではなく、交差支柱は、容器の長さ（長軸）に沿うように配設及び又は構成され得る。代替として、交差支柱は、容器の幅（短軸）に沿うように配設及び又は構成され得る。交差支柱は、長さに対して概ね直角または横断方向にあるなど、容器に対して任意の適切な角度で配設及び又は構成され得る。対角線上及び又は斜めの角度は、本発明の範囲内である。
【００４０】
組み合わせとは、同じ機能を行うためなどに、互いに対して配設される２つ以上のものを指す。支持肋材および交差支柱は、互いに対して概ね直角であるなど、任意の適切なやり方で配設及び又は構成され得る。支持肋材および交差支柱の他の構成及び又は角度も可能である。
【００４１】
代替として、高温装置の支持構造体は、外殻（外板または表皮）を備えたキール（竜骨）（長さ方向の部材）および支柱（横断方向の部材）を有するものとして示され得る。
成形支持ライナーは、るつぼ及び又は他の加工容器などに対する外部支持及び又は封じ込めをもたらす外殻体、容器及び又は装置を広義に指す。望ましいが必然的にではなく、成形支持ライナーは、容器の外部形状に少なくとも概ね一致する。一実施形態によれば、成形支持ライナーは、シリカが成形支持ライナーのＣ−Ｃ材料に対して膨張する場合など、容器の熱膨張のための許容量を含む。
【００４２】
一実施形態によれば、成形支持ライナーは、冷却るつぼを概ね上向き及び又は外向きに押すためなどの先細の壁を含む。るつぼは、高温で変形し、成形支持ライナーにぴったりと一致し得る。冷却時に、一致した成形支持ライナーは、るつぼよりも収縮し（縮み）、１つもしくは複数の構成要素の拘束、食いつき及び又はひび割れを引き起こし得る。成形支持ライナーの先細の壁は、成形支持ライナーの断面において底部より頂部が広いなどといった、任意の適切な角度または向きを含み得る。角度は、少なくとも約２度、少なくとも約３度、少なくとも約５度、少なくとも約１０度などであり得る。
【００４３】
成形支持ライナーは、任意の適切なサイズ及び又は形状を含み得る。成形支持ライナーは、高温時に少なくともいくぶん柔軟になった及び又は変形可能になったセラミックるつぼを支持するような、概ね剛性の比較的薄い構成を含み得る。成形支持ライナーは、少なくとも約５００キログラムの溶融シリコン、少なくとも約７００キログラムの溶融シリコン、少なくとも約１０００キログラムの溶融シリコン、及び又は任意の他の量の溶融シリコンを包含するるつぼを保持するためなどの、任意の適切な容積または容量を含み得る。
【００４４】
成形支持ライナーは、概ね浴槽の形状、半卵形状、概ね樋の形状、概ね立方体の形状などの形状または輪郭を有し得る。望ましくは、成形支持ライナーは、るつぼの内容物を注ぐまたは移すためなどに、るつぼの注入口またはＶ形状を支持する外形を含む。成形支持ライナーは、溶融した供給原料を包含するもしくは捕えるため、及び又は、るつぼを保持する作動機構、支持構造物に対する取り付け点または固定点をもたらすなどためなどに、成形支持ライナーの頂部部分に沿って及び又はその周囲に、唇状部及び又は他の概ね平坦なもしくは平たい部分を含み得る。
【００４５】
支持肋材及び又は交差支柱と組み合わさった成形支持ライナーは、約±５ミリメートル、約±２ミリメートル及び又は約±０．５ミリメートルなどを超える変位を防ぐように、変形し得るるつぼに十分な支持をもたらし得る。代替として、成形支持ライナーは、るつぼおよびるつぼの内容物を支持するならびに／または構造的に包含するように構成され得る。
【００４６】
一実施形態によれば、支持肋材、交差支柱および任意選択で頂板は、レイアップ法および熱分解法で単一の枠体を形成する複合材料の製作工程などにおいて、概ね単一の構造体になるように一体的に形成される。成形支持ライナーは、また、枠体と同時にレイアップ成形され、一体的な組立体を作り得る。代替として、支持肋材、交差支柱、頂板および成形支持ライナーは、それぞれ独立して作られ得る。
【００４７】
装置の構成要素または部品は、ボルト、ナット、ねじ、リベットなどの任意の適切な機械的および／もしくは化学的留め具を用いて互いに保持され得る。留め具は、グラファイト、セラミック、合金金属などの任意の適切な材料を含み得る。望ましくは、様々な部品の取り付けは、Ｃ−Ｃ材料における熱膨張率（ＣＴＥ）の異方性を考慮に入れるかまたはそれに備える。
【００４８】
異方性とは、加熱されたとき、第１方向に、繊維の向きに基づいて第１方向に対して直角の方向の成長よりもより大きい成長（膨張）といった、異なる方向に測定されたときに異なる値を有する特性を示すことを広義に指す。締め付け、固締、固定、ボルト締め、及び又はねじ留めは、溝穴または細長い穴を設けることなどによって、それらが拘束する方向のＣＴＥに一致され得る。ＣＴＥは、異なる部品を連結するための材料の設計および構成において考慮され得る。
【００４９】
Ｃ−Ｃ材料及び又は部品は、カーボン繊維フィラメント及び又はカーボン繊維布を所望の形状にレイアップ及び又は配置することによって概ね形成され得る。単一及び又は複数の層の材料が使用され、第１の層が第１の向きを有し第２の層が第１の層に対しておよそ概ね直角の向きを有するなど、望ましくは異なる層が異なる向き及び又はパターンを含む。連続フィラメント、短繊維、バルク繊維、織物及び又は不織布の使用は、本発明の範囲内である。一方向、双方向および／もしくは複数方向のフィラメントまたは繊維の向きが可能である。
【００５０】
レイアップ体は、コークスまたは別のカーボン源を含むような有機結合剤またはピッチで被覆され得る。レイアップ体は、（低酸素及び又は無酸素状態の高温で）熱分解を行い、概ね純粋なカーボンを形成するように、加熱されるかまたは温められ得る。熱分解から形成される空隙は、長い期間及び又は数日の間、高温で、アセチレンなどのカーボンを付着させるもしくは形成するガスと接触させることによって、低減されるかまたは埋められ得る。高温は、また、より大きいグラファイトの結晶を促進及び又は成長させ得る。任意選択で、Ｃ−Ｃ材料の表面は、Ｃ−Ｃ構成要素を封止及び又は保護するためなどに、製造工程の際に付けられるグラファイト箔層を含み得る。
【００５１】
一実施形態によれば、１つまたは複数の支持肋材、１つまたは複数の交差支柱、頂板、及び又は成形支持ライナーは、高温及び又は非酸化雰囲気に耐えることができるが、溶融シリコンと直接接触するのには適さない高温セラミックなどのセラミック材料を含み得る。高温セラミックは、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、ケイ酸アルミニウム、窒化ホウ素、ジルコニウムリン酸塩、二ホウ化ジルコニウム、二ホウ化ハフニウムなどを含み得る。
【００５２】
一実施形態によれば、１つもしくは複数の支持肋材、１つもしくは複数の交差支柱、頂板、及び又は成形支持ライナーは、カーボン繊維複合材料を含み得る。セラミックとＣ−Ｃ部品との組み合わせは、本発明の範囲内である。
【００５３】
本発明は、また、成形支持ライナーの中に配置可能であるるつぼを含み得る。るつぼとは、高温で内容物（液体または固体）を保持する容器または装置を広義に指す。るつぼは、アルミナ、シリカまたは溶融シリカなどのセラミック製であり得る。るつぼは、成形支持ライナーに関して上述された特徴に概ね対応するような任意の適切なサイズ及び又は形状を含み得る。
【００５４】
一実施形態によれば、本発明は、液体の供給原料をるつぼから移す作動装置を含む。作動装置は、液圧装置、空気圧装置、モーター駆動部などを含み得る。作動装置は、レバー、ねじ、ピボット、リンク、連結部などの任意の適切な組み合わせを含み得る。望ましくは、作動装置は、るつぼの少なくとも一方の端部を水平から少なくとも約２０度、水平から少なくとも約４５度、水平から少なくとも約６０度、水平から少なくとも約９０度、及び又は任意の他の適切な角度に傾斜させることができる。傾斜は、るつぼの一部分を上げること、下げること、上げることと下げることの組み合わせを含み得る。代替として、軸を中心にしてなど、るつぼを枢動させることを含む。
【００５５】
作動装置は、（断熱部の外で周囲の環境に露出された）高温加工領域から離れた外部駆動列などの任意の適切な構成を含み得る。代替として、駆動列は、高温装置の中に高温構成要素を含む。一実施形態によれば、作動装置は、るつぼの深さの少なくとも約２倍の行程または可動距離を有する空気圧シリンダを含む。シリンダは、装置に対して概ね垂直に配設され、るつぼの一方の端部（吐出口の反対側）を上げたりまたは下げたりし得る。代替として、シリンダは、約３０度、約６０度などのような適切な角度に配置され得る。るつぼの反対側の端部は、動きおよび傾斜を可能にするためなどに、枢動的に支持され得る。作動装置の他の構成は、本発明の範囲内である。
【００５６】
装置は、少なくとも摂氏約１４１２度の温度において少なくとも約５００キログラムの供給原料の質量を支持するなど、任意の適切な温度において任意の適切な質量を支持し得る。望ましくは、装置は、少なくとも摂氏約１０度の過熱、少なくとも摂氏約２５度の過熱、少なくとも摂氏約５０度の過熱、及び又は他の任意の適切な値の過熱など、供給原料の融点を超える過熱に耐えることができる。
【００５７】
一実施形態によれば、１つまたは複数の支持肋材は、成形支持ライナーの長さの約１／３に沿って配設される第１肋材と、成形支持ライナーの長さの約２／３に沿って配設される第２肋材とを含み得る。１つまたは複数の支持支柱は、成形支持ライナーの中心から約１０パーセント外れたところに配設される第１交差支柱と、第１交差支柱の反対側の、成形支持ライナーの中心から約１０パーセント外れたところに配設される第２交差支柱とを含み得る。対称的および非対称的な構成は、本発明の範囲内である。
【００５８】
一実施形態によれば、成形支持ライナーは、作動装置の概ね反対側など、縁及び又は隅に吐出口が配設または配置された、概ね長方形の形状を含む。望ましくは、るつぼは、概ね丸みのついたもしくは滑らかな形状及び又は移行部を含む。
【００５９】
本明細書に使用される「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という語は、開いた包括的な表現である。代わりに、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔ ｏｆ）」という用語は、閉じた排他的な表現である。特許請求の範囲または明細書中のいずれかの用語の解釈において何らかの曖昧さが存在する場合には、起草者の意図は、開いた包括的な表現に対するものである。
【００６０】
方法または工程のステップの順序、数、連続、及び又は反復の限度について、起草者は、明示的に示されない限り、本発明の範囲に対してステップのいかなる暗示的な順序、数、連続、及び又は反復の限度も意図しない。
【００６１】
一実施形態によれば、本発明は、高純度シリコンを製作するのに適する材料を加工する方法を含み得る。この方法は、１つもしくは複数の支持肋材及び又は１つもしくは複数の支持肋材と組み合わさった１つもしくは複数の交差支柱の上で、成形支持ライナーを支持するステップを含み得る。本発明は、成形支持ライナーの中にるつぼを入れ子にする、置く、または装着するステップと、るつぼの温度を上げるステップと、るつぼの中に溶融した供給原料を包含するステップとを含み得る。
【００６２】
温度を上げるステップは、るつぼを暖めるために、グラファイト抵抗加熱器または銅水冷式誘導加熱器などの加熱装置を適用及び又は使用するステップを含み得る。代替として、加熱は、るつぼの中に過熱された供給原料を供給するまたは注ぐことによって達成され得る。
【００６３】
溶融した供給原料を包含するステップは、容器の内容物をこぼしたりまたは容器の内容物の封じ込めを失ったりしないことを広義に指す。代替として、包含するステップは、成形支持ライナーでるつぼを支持することなどによって、るつぼの形状の変形を防ぐステップを含む。
【００６４】
上述のように、高温とは、るつぼの温度が少なくとも摂氏約１４１２度を含む場合など、任意の適切な値を含む。るつぼの温度は、るつぼが柔軟になる及び又は柔らかくなる場合のように、るつぼの軟化温度または変形温度を超え得る。この方法は、供給原料を溶かす及び又は供給原料の融点を超えて過熱を加えるためなど、溶融した供給原料に熱を加える及び又は供給するステップを含み得る。
【００６５】
この方法は、１つもしくは複数の支持肋材、１つもしくは複数の交差支柱、頂板及び又は成形支持ライナーが、カーボン繊維複合材料を含む場合を含み得る。
一実施形態によると、この方法は、作動装置を傾斜させることによってるつぼの内容物を排出するまたは注ぐステップと、るつぼの吐出口もしくはノズルの中に及び又はるつぼの吐出口もしくはノズルを介して溶融した供給原料を流すまたは注ぐステップとを含む。この方法は、溶融装置からるつぼに溶融した供給原料を移すまたは動かすステップを含み得る。
【００６６】
溶融した供給原料の体積は、少なくとも約０．１立方メートル、少なくとも約０．２立方メートル、少なくとも約０．５立方メートル、少なくとも約０．８立方メートル、少なくとも約１．０立方メートルなど、任意の適切な量を含み得る。溶融した供給原料は、高純度シリコン及び又は任意の他の適切な材料を含み得る。
【００６７】
この方法は、るつぼ内で溶融した供給原料を凝固させるステップを含み得る。望ましくは、この方法は、アルゴンまたは別の適切なガスで表面を覆うなど、不活性ガスを用いてるつぼの雰囲気を制御するステップを含み得る。
【００６８】
一実施形態によれば、この方法は、上述のように、装置（支持肋材、交差支柱および成形ライナー）の充填ならびに注ぎ出しまたは鋳造の複数のサイクルの間、少なくとも摂氏約１３００度の温度または他の適切な高温を維持するステップを含み得る。高温を維持する時間は、少なくとも約１５分、少なくとも約０．５時間、少なくとも約１時間、少なくとも約５時間、少なくとも約１０時間など、任意の適切な持続時間を含み得る。複数のサイクルは、少なくとも約２サイクル、少なくとも約５サイクル、少なくとも約１０サイクル、少なくとも約２５サイクル、少なくとも約５０サイクルなど、任意の適切な数を含み得る。望ましくは、装置は交換または分解の必要なく複数の鋳造サイクルを完了し得る。
【００６９】
本発明の範囲または精神から逸脱することなく、様々な修正例および変形例が開示された構造体および方法に行われ得ることが当業者には明らかとなろう。特に、任意の一実施形態の説明は、２つ以上の要素もしくは制限の組み合わせ例及び又は変形例を生じるように、各説明または他の実施形態と自由に組み合わせ可能である。本発明の他の実施形態は、本明細書の考慮事項および本明細書に開示される本発明の実践から当業者には明らかとなろう。明細書および例は、例示的なものとのみ考えられ、本発明の真の範囲および精神は、以下の特許請求の範囲によって示されることが意図される。
【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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【国際調査報告】
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