BR102013032779A2 - process and equipment for directional solidification silicon purification - Google Patents

Abstract

o processo e equipamento para purificação de silício por solidificação direcional compreende equipamento e método para purificação de silício durante solidificação direcional vertical ascendente em um molde (14) estático, sendo o principal mecanismo de purificação a macrossegregação de impurezas para última região do lingote a solidificar, que é o topo do lingote; ainda, trata da purificação de silício com a redução nos teores de impurezas metálicas tais como fe, ai, ca, ti, v, zr, zn, na, mn, mg, cu, ba, cr, nb, ni, co, e ta, mas não se limitando tão somente a esses elementos. o processo para purificação de silício por solidificação direcional faz uso não somente da velocidade de avanço da interface e do gradiente de temperatura para controle da solidificação direcional com objetivo de macrossegregação, mas também faz uso da convecção para intensificar o efeito de macrossegregação durante a solidificação direcional. nesta invenção, a convecção do líquido pode ser gerada com agitador mecânico ou pela utilização de elementos de aquecimento por indução eletromagnética. além disso, com o uso e controle dos conjuntos de aquecimento na lateral da câmara, um gradiente de temperatura transversal (horizontal) é gerado no líquido, estabelecendo um efeito de convecção natural no líquido devido à diferença de densidade em função da temperatura. assim, a convecção natural gerada no equipamento e o método da invenção contribuem para intensificar o efeito da macrossegregação durante a solidificação direcional.the process and equipment for directional solidification silicon purification comprises equipment and method for purifying silicon during upward vertical directional solidification in a static mold (14), the main purification mechanism being macrosegregation of impurities to the last ingot region to solidify, which is the top of the ingot; furthermore, it deals with the purification of silicon by reducing the levels of metallic impurities such as fe, ai, ca, ti, v, zr, zn, na, mn, mg, cu, ba, cr, nb, ni, co, and but not limited to these elements only. The process for directional solidification silicon purification makes use not only of the interface feed rate and temperature gradient for directional solidification control for macrosegregation purposes, but also makes use of convection to enhance the macrosegregation effect during directional solidification. . In this invention, the convection of the liquid may be generated by mechanical stirrer or by the use of electromagnetic induction heating elements. In addition, with the use and control of the heating assemblies on the side of the chamber, a transverse (horizontal) temperature gradient is generated in the liquid, establishing a natural convection effect in the liquid due to the density difference as a function of temperature. Thus, the natural convection generated in the equipment and the method of the invention contribute to enhancing the effect of macrosegregation during directional solidification.

Description

“PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL” A presente invenção, pertencente ao setor de preparação e purificação por redução de sílica ou material contendo sílica, envolvendo refino por fusão zonal e crescimento de monocristal ou material policristalino com estrutura definida sob gradiente de temperatura, descreve equipamento e método para purificação de silício que permitem a obtenção de silício com baixos teores de impurezas, apropriado para aplicações fotovoltaicas, sendo o principal mecanismo para purificação do silício a macrossegregação de impurezas para a última região a ser solidificada.The present invention, pertaining to the preparation and purification sector by reduction of silica or silica-containing material, involves zonal fusion refining and growth of monocrystalline or polycrystalline material with a gradient-defined structure. temperature describes equipment and method for silicon purification that enables low impurity silicon to be obtained, suitable for photovoltaic applications, and the main mechanism for silicon purification is macrosegregation of impurities to the last region to be solidified.

ESTADO DA TÉCNICATECHNICAL STATE

Diversos processos têm sido propostos com o objetivo de obter uma rota metalúrgica para obtenção de silício para produção de células fotovoltaicas, denominado silício grau solar (SiGSo). De maneira geral, esses processos são compostos de várias etapas sendo que a solidificação direcional é uma etapa presente na maior parte desses processos. A solidificação direcional de silício é reconhecidamente eficiente na redução dos teores de impurezas metálicas como Fe, Al, Ca, Ti, V, Zr, Zn, Na, Mn, Mg, Cu, Ba, Cr, Nb, Ni, Co, e Ta que têm efeitos deletérios às propriedades físicas do silício que produzirá a célula fotovoltaica. A purificação de silício por solidificação direcional é baseada no fenômeno de macrossegregação de solutos (impurezas) para última região a solidificar no lingote e, assim, a região purificada pode ser separada da região onde as impurezas foram concentradas.Several processes have been proposed in order to obtain a metallurgical route to obtain silicon for photovoltaic cell production, called solar grade silicon (SiGSo). In general, these processes are composed of several steps and directional solidification is a step present in most of these processes. Silicon directional solidification is known to be effective in reducing metallic impurities such as Fe, Al, Ca, Ti, V, Zr, Zn, Na, Mn, Mg, Cu, Ba, Cr, Nb, Ni, Co, and Ta. which have deleterious effects on the physical properties of the silicon that will produce the photovoltaic cell. Silicon purification by directional solidification is based on the phenomenon of solute macrosegregation (impurities) to the last region to solidify in the ingot and thus the purified region can be separated from the region where the impurities were concentrated.

Os documentos WO 2009/153152 A1, US 2012/0119407 A1, EP 2530187 A1 e WO 2012/067100 A1 apresentam equipamentos e métodos para purificação de silício por solidificação direcional.WO 2009/153152 A1, US 2012/0119407 A1, EP 2530187 A1 and WO 2012/067100 A1 disclose equipment and methods for directional solidification purification of silicon.

No equipamento apresentado no documento W0 2009/153152 A1, os elementos de aquecimento são posicionados na lateral do molde formando conjuntos na mesma posição vertical, sendo que cada conjunto pode ser controlado individualmente. Na descrição, o silício deve ser previamente fundido e a solidificação deve ocorrer em atmosfera de gás inerte com pressão positiva e o resfriamento da base do molde é realizado pela circulação forçada de fluidos em duas bases, sendo que em uma delas é circulado gases e em outra água. Durante a solidificação, os conjuntos de resistências nas posições verticais próximas da base são desligados e os dois conjuntos de resfriamento são acionados, sendo que a solidificação ocorre a velocidades de aproximadamente 11pm/s. No documento não são apresentados dados sobre os teores de impurezas obtidas no silício purificado ou exames metalográficos de macro ou microestruturas. Diferente do equipamento proposto no presente documento, no equipamento descrito no documento WO 2009/153152 A1 não há um conjunto de aquecimento no topo do molde, nenhum efeito de convecção no silício líquido é mencionado e o silício deve ser previamente fundido. O equipamento descrito no documento US 2012/0119407 A1 é constituído de duas partes: (1) a parte inferior do equipamento é o molde no qual o lingote de silício será solidificado, sendo que esse molde pode ser utilizado repetidas vezes; (2) a parte superior, que faz o fechamento da parte inferior, pode possuir elementos de aquecimento logo acima da superfície do silício. O molde possui isolamento térmico na lateral e a base é feita de um material condutor de calor, tal como carbeto de silício (SiC), grafite, cobre ou combinações entre esses. No processo descrito no documento, o molde é resfriado pela face inferior levando a uma solidificação direcional ascendente do lingote. Esse resfriamento da base do molde pode ser realizado pela circulação forcada de um fluído (ar, gases, água, etc.) por dutos ou por ventiladores. Nesse processo, o silício pode ser carregado no molde no estado sólido, líquido ou parcialmente líquido. Todo o processo pode ocorrer ao ar, com atmosfera de gás inerte ou vácuo. No documento não são apresentados dados sobre os teores de impurezas obtidos no silício purificado ou exames metalográficos de macro ou microestruturas. Diferente do equipamento proposto no presente documento, no equipamento descrito no documento US 2012/0119407 A1 não há conjunto de aquecimento nas laterais do molde e nenhum efeito de convecção no silício líquido é mencionado. O equipamento proposto no documento EP 2530187 A1 possui elementos de aquecimento somente no topo da câmara na qual ocorre a solidificação. Nesse equipamento não há renovação da atmosfera e não há injeção de argônio na câmara e, assim, o teor de oxigênio diminui durante o processo de solidificação. De acordo com o referido documento, a presença de oxigênio na câmara do forno permite o uso de elementos de aquecimento para temperaturas da ordem de 1700°C como, por exemplo, M0SÍ2, o que não seria possível com atmosferas de gás inerte ou vácuo. O conjunto de resistências no topo da câmara tem potência maior que 170 kW/m2 e nas laterais do molde são utilizados materiais isolantes térmicos (condutividade térmica menor que 0,8 W/mK), enquanto na base são utilizados materiais com maior condutividade térmica (condutividade térmica maior que 0,75 W/mK) para facilitar a retirada de calor pela base do molde e, assim, levar à solidificação direcional vertical na direção do topo. O resfriamento da base do molde é realizado pela circulação forçada de ar por dutos nessa região do molde. No processo descrito no documento, o equipamento deve ser previamente aquecido e o silício deve ser carregado no estado líquido, o teor de ferro (Fe) na matéria-prima é de 160 ppm, de alumínio (Al) é de 250 ppm e de cobre (Cu) é de 1,4 ppm sendo os teores finais dessas impurezas no silício purificado de 0,05, 1,75 e 0,03 ppm respectivamente. Diferente do equipamento proposto no presente documento, no equipamento descrito no documento EP 2530187 A1 não há um conjunto de aquecimento nas laterais do molde, nenhum efeito de convecção no silício líquido é mencionado, o silício deve ser previamente fundido e a câmara de aquecimento deve ser vedada para impedir a renovação da atmosfera.In the apparatus disclosed in W0 2009/153152 A1, the heating elements are positioned on the side of the mold forming assemblies in the same vertical position, each assembly being individually controlled. In the description, silicon must be previously melted and solidification must occur in a positive pressure inert gas atmosphere and the cooling of the mold base is performed by the forced circulation of fluids in two bases, in which one gas is circulated and in another water. During solidification, the heater assemblies in the vertical positions near the base are switched off and the two cooling assemblies are triggered, with solidification occurring at speeds of approximately 11 pm / s. The document does not present data on impurities obtained from purified silicon or metallographic examinations of macrostructures or microstructures. Unlike the equipment proposed herein, in the equipment described in WO 2009/153152 A1 there is no heating assembly at the top of the mold, no convection effect on liquid silicon is mentioned and the silicon must be previously melted. The equipment described in US 2012/0119407 A1 consists of two parts: (1) the bottom of the equipment is the mold into which the silicon ingot will be solidified, which mold may be used repeatedly; (2) the upper part, which closes the lower part, may have heating elements just above the silicon surface. The mold has thermal insulation on the side and the base is made of a heat conductive material such as silicon carbide (SiC), graphite, copper or combinations thereof. In the process described in the document, the mold is cooled from the underside leading to an upward directional solidification of the ingot. This cooling of the mold base can be accomplished by the forced circulation of a fluid (air, gases, water, etc.) through ducts or fans. In this process, silicon may be charged into the mold in solid, liquid or partially liquid state. The whole process can take place in the air with an inert gas or vacuum atmosphere. The document does not present data on impurities obtained from purified silicon or metallographic examinations of macrostructures or microstructures. Unlike the equipment proposed herein, in the equipment described in US 2012/0119407 A1 there is no heating assembly on the sides of the mold and no convection effect on liquid silicon is mentioned. The equipment proposed in EP 2530187 A1 has heating elements only at the top of the chamber in which solidification occurs. In this equipment there is no renewal of the atmosphere and no injection of argon into the chamber and thus the oxygen content decreases during the solidification process. According to said document, the presence of oxygen in the furnace chamber allows the use of heating elements at temperatures of the order of 1700 ° C, such as M0S2, which would not be possible with inert gas or vacuum atmospheres. The set of resistors at the top of the chamber has a power greater than 170 kW / m2 and on the sides of the mold thermal insulating materials (thermal conductivity less than 0.8 W / mK), while at the base are materials with higher thermal conductivity ( thermal conductivity greater than 0.75 W / mK) to facilitate heat removal from the base of the mold and thus lead to vertical directional solidification towards the top. The cooling of the mold base is performed by forced air circulation through ducts in this region of the mold. In the process described in the document, the equipment must be preheated and the silicon must be charged in the liquid state, the iron (Fe) content of the raw material is 160 ppm, aluminum (Al) is 250 ppm and copper. (Cu) is 1.4 ppm with the final contents of these impurities in purified silicon being 0.05, 1.75 and 0.03 ppm respectively. Unlike equipment proposed in this document, in the equipment described in EP 2530187 A1 there is no heating assembly on the sides of the mold, no convection effect on liquid silicon is mentioned, the silicon must be previously melted and the heating chamber must be sealed to prevent the renewal of the atmosphere.

No equipamento descrito no documento WO 2012/067100 A1, os elementos de aquecimento são posicionados no topo do molde, sendo que as laterais são isoladas termicamente. O processo descrito é controlado para que a interface sólido-líquido durante a solidificação permaneça com morfologia macroscópica plana pelo critério do super-resfriamento constitucional. A posição da interface sólido-líquido é medida em diferentes instantes, o que leva diretamente à velocidade de avanço da interface e, com esse dado, o resfriamento da base e o aquecimento no topo do lingote são controlados. Assim, o gradiente de temperatura e a velocidade de avanço da interface sólido-líquido são mantidos em valores que garantem a estabilidade da interface macroscopicamente plana pelo critério do super-resfriamento constitucional. Diferente do equipamento proposto no presente documento, no equipamento descrito no documento WO 2012/067100 A1 não há um conjunto de aquecimento nas laterais do molde e nenhum efeito de convecção no silício líquido é mencionado.In the apparatus described in WO 2012/067100 A1, the heating elements are positioned at the top of the mold and the sides are thermally insulated. The described process is controlled so that the solid-liquid interface during solidification remains with flat macroscopic morphology by constitutional supercooling criterion. The position of the solid-liquid interface is measured at different times, which leads directly to the interface feedrate and, with this data, base cooling and ingot top heating are controlled. Thus, the temperature gradient and the feed rate of the solid-liquid interface are maintained at values that guarantee the stability of the macroscopically flat interface by the constitutional supercooling criterion. Unlike the equipment proposed herein, in the equipment described in WO 2012/067100 A1 there is no heating assembly on the sides of the mold and no convection effect on liquid silicon is mentioned.

Diferente das demais invenções descritas no estado da técnica, “PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL” faz uso não somente da velocidade de avanço da interface e do gradiente de temperatura para controle da solidificação direcional com objetivo de macrossegregação, mas também faz uso da convecção para intensificar o efeito de macrossegregação durante a solidificação direcional. Nesta invenção, a convecção do líquido pode ser gerada com agitador mecânico ou pela utilização de elementos de aquecimento por indução eletromagnética. Além disso, com o uso e controle dos conjuntos de aquecimento na lateral da câmara, um gradiente de temperatura transversal (horizontal) é gerado no líquido, estabelecendo um efeito de convecção natural no líquido devido à diferença de densidade em função da temperatura. Assim, a convecção natural gerada no equipamento e o método da presente invenção contribuem para intensificar o efeito da macrossegregação durante a solidificação direcional.Unlike other inventions described in the prior art, "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS AND EQUIPMENT" makes use not only of the interface feed rate and temperature gradient to control directional solidification for macrosegregation purposes, but also use of convection to enhance macrosegregation effect during directional solidification. In this invention, the convection of the liquid may be generated by mechanical stirrer or by the use of electromagnetic induction heating elements. In addition, with the use and control of the heating sets on the side of the chamber, a transverse (horizontal) temperature gradient is generated in the liquid, establishing a natural convection effect in the liquid due to the density difference as a function of temperature. Thus, the natural convection generated in the equipment and the method of the present invention contribute to enhancing the effect of macrosegregation during directional solidification.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A Figura 1 mostra um esquema, em corte longitudinal do equipamento com a câmara parcialmente aberta, das principais partes do equipamento sem o molde para solidificação do silício. A Figura 2 mostra esquema da seção longitudinal do equipamento com a câmara de aquecimento fechada, com o molde (14) posicionado, silício inicial (matéria-prima) carregado e o tubo para injeção de argônio (12) mostrado na posição sobre a tampa do molde (13). A Figura 3 mostra esquema da seção longitudinal do equipamento com a câmara com silício já no estado líquido dentro do molde (14), correspondendo à configuração do conjunto durante o período de homogeneização da temperatura do líquido, com a base móvel isolante (4) na base do molde. A Figura 4 mostra esquema da seção longitudinal do equipamento com a câmara fechada durante o resfriamento na base do cadinho (coquilha de cobre posicionada), que é a configuração do conjunto na etapa de resfriamento durante a qual ocorre a solidificação direcional ascendente. A Figura 5 mostra a macroestrutura de secção longitudinal do centro do lingote obtido no Exemplo 1, sendo possível observar grãos colunares até 70 mm a partir da base do lingote. A Figura 6 apresenta micrografias em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote obtido no Exemplo 1 ((a) 95mm, (b) 75mm, (c) 70mm, (d) 40mm e (e) 5mm ), mostrando que da base até 70 mm de altura não há compostos intermetálicos na microestrutura do material obtido. A Figura 7 apresenta gráficos de perfis de concentração para as principais impurezas metálicas do lingote obtido no Exemplo 1, obtidos por análises em ICP-MS de amostras coletadas em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote. Esses resultados mostram intensa redução nos teores de impurezas na região entre a base (posição relativa vertical igual a 0) e 70 mm da base (posição relativa vertical 0,7). No eixo Y dos gráficos é indicado, em escala logarítmica, a concentração do elemento (ppm em massa) e no eixo X é indicada a posição relativa em que foi retirada a amostra para análise ao longo do eixo longitudinal, sendo 0 a base e 1 o topo do lingote. A Figura 8 mostra da macroestrutura do centro do lingote obtido no Exemplo 2, sendo possível observar grãos colunares da base até o topo do lingote. A Figura 9 apresenta micrografias em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote obtido no Exemplo 2 ((a) 95mm, (b) 80mm, (c) 60mm, (d) 30mm e (e) 5mm), mostrando que não há compostos intermetálicos na microestrutura do material em nenhuma das regiões analisadas. A Figura 10 apresenta gráficos de perfis de concentração para as principais impurezas metálicas do lingote obtido no Exemplo 2, obtidos por análises em ICP-MS de amostras coletadas em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote. Esses resultados mostram intensa redução nos teores de impurezas em toda a extensão do longitudinal do lingote. No eixo Y dos gráficos é indicado, em escala logarítmica, a concentração do elemento (ppm em massa) e no eixo X é indicada a posição relativa em que foi retirada a amostra para análise ao longo do eixo longitudinal, sendo 0 a base e 1 o topo do lingote.DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 shows a longitudinal sectional drawing of the partially open chamber equipment of the main parts of the equipment without the silicon solidification mold. Figure 2 shows a schematic of the longitudinal section of the equipment with the heating chamber closed, with the mold (14) in place, starting silicon (raw material) loaded and the argon injection tube (12) shown in position over the lid of the mold (13). Figure 3 shows schematic longitudinal section of the equipment with the silicon chamber already in the liquid state within the mold (14), corresponding to the configuration of the assembly during the liquid temperature homogenization period, with the insulating movable base (4) in the mold base. Figure 4 shows a schematic of the longitudinal section of the equipment with the chamber closed during cooling at the bottom of the crucible (positioned copper cup), which is the configuration of the assembly in the cooling step during which upward directional solidification occurs. Figure 5 shows the longitudinal section macrostructure of the ingot center obtained in Example 1, with columnar grains up to 70 mm from the base of the ingot being observed. Figure 6 shows micrographs at different positions along the central longitudinal axis of the ingot obtained in Example 1 ((a) 95mm, (b) 75mm, (c) 70mm, (d) 40mm and (e) 5mm), showing that base up to 70 mm high there are no intermetallic compounds in the microstructure of the obtained material. Figure 7 presents concentration profile graphs for the main metallic impurities of the ingot obtained in Example 1, obtained by ICP-MS analyzes of samples collected at different positions along the central longitudinal axis of the ingot. These results show an intense reduction in impurities in the region between the base (vertical relative position 0) and 70 mm from the base (vertical relative position 0.7). On the Y axis of the graphs, the log concentration is indicated in logarithmic scale (ppm in mass) and on the X axis the relative position at which the sample was taken for analysis along the longitudinal axis, 0 and 1 the top of the ingot. Figure 8 shows the macrostructure of the center of the ingot obtained in Example 2, with columnar grains being observed from the bottom to the top of the ingot. Figure 9 shows micrographs at different positions along the central longitudinal axis of the ingot obtained in Example 2 ((a) 95mm, (b) 80mm, (c) 60mm, (d) 30mm and (e) 5mm), showing that There are intermetallic compounds in the microstructure of the material in none of the regions analyzed. Figure 10 presents concentration profile graphs for the main metallic impurities of the ingot obtained in Example 2, obtained by ICP-MS analyzes of samples collected at different positions along the central longitudinal axis of the ingot. These results show an intense reduction in the impurity contents along the length of the ingot longitudinal. On the Y axis of the graphs, the log concentration is indicated in logarithmic scale (ppm in mass) and on the X axis the relative position at which the sample was taken for analysis along the longitudinal axis, 0 and 1 the top of the ingot.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO O “PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA PURIRICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL” compreende equipamento e método para purificação de silício durante solidificação direcional vertical ascendente em um molde estático, sendo o principal mecanismo de purificação a macrossegregação de impurezas para última região do lingote a solidificar, que é o topo do lingote; ainda, trata da purificação de silício com a redução nos teores de impurezas metálicas tais como Fe, Al, Ca, Ti, V, Zr, Zn, Na, Mn, Mg, Cu, Ba, Cr, Nb, Ni, Co, e Ta, mas não se limitando tão somente a esses elementos. O silício utilizado como matéria-prima no método de purificação pode ser silício grau metalúrgico, químico, solar ou silício com teores de impurezas intermediários entre aqueles que definem essas denominações. A macrossegregação de solutos durante a solidificação direcional é um conhecido mecanismo de purificação de silício, sendo que todas as patentes citadas no estado da técnica faz uso de tal principio. A macrossegregação de impurezas durante a solidificação direcional de silício é mais intensa com a manutenção da interface sólido-líquido macroscopicamente plana. A patente WO 2012/067100 A1 faz uso desse conceito para controlar a solidificação do lingote e, assim, obter intensa macrossegregação. A velocidade de avanço da interface e o gradiente de temperatura no líquido são importantes fatores para manutenção da interface sólido-líquido plana de acordo com o critério do super-resfriamento constitucional. Todos os processos descritos nas patentes citadas no estado da técnica (WO 2009/153152 A1, US 2012/0119407 A1, EP 2530187 A1, WO 2012/067100 A1) apresentam diferentes mecanismos para controle desses dois parâmetros.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURYING PROCESS AND EQUIPMENT" comprises equipment and method for purifying silicon during upward directional solidification in a static mold, the main purification mechanism being macrosegregation of impurities to the last ingot region. to solidify, which is the top of the ingot; It also deals with the purification of silicon by reducing the levels of metallic impurities such as Fe, Al, Ca, Ti, V, Zr, Zn, Na, Mn, Mg, Cu, Ba, Cr, Nb, Ni, Co, and Okay, but not limited to these elements only. The silicon used as raw material in the purification method may be metallurgical, chemical, solar or silicon grade with intermediate impurity levels between those that define these denominations. Solute macrosegregation during directional solidification is a known silicon purification mechanism, and all patents cited in the prior art make use of such a principle. The macrosegregation of impurities during silicon directional solidification is more intense with the maintenance of the macroscopically flat solid-liquid interface. WO 2012/067100 A1 makes use of this concept to control ingot solidification and thereby obtain intense macrosegregation. Interface advance speed and temperature gradient in the liquid are important factors for maintaining the flat solid-liquid interface according to the constitutional supercooling criterion. All processes described in the prior art cited patents (WO 2009/153152 A1, US 2012/0119407 A1, EP 2530187 A1, WO 2012/067100 A1) have different mechanisms for controlling these two parameters.

Além da velocidade de avanço da interface e do gradiente de temperatura, os mecanismos de transporte de impurezas no líquido, principalmente difusão e convecção, são fundamentais no fenômeno de macrossegração durante a solidificação. Nesta invenção, não somente a velocidade de avanço da interface e o gradiente de temperatura no líquido são controlados, mas também os mecanismos de transporte de soluto no líquido são considerados para obtenção de uma macrossegregação mais intensa e, assim, melhor resultado de purificação do silício. A macrossegregação de solutos durante a solidificação direcional (colunar) é causada em diversos processos por convecção no líquido e, de forma geral, quanto mais intensa a convecção no líquido maior será a macrossegregação. Durante a solidificação com frente plana, ocorre o acúmulo de soluto na interface sólido-líquido e a convecção tende a homogeneizar a distribuição de soluto no líquido. A convecção no líquido pode ser natural, gerada por efeitos térmicos e / ou constitucionais, ou forçada (mecanicamente ou indução eletromagnética). A solidificação nesta invenção e nos casos reportados no estado da técnica ocorre de forma colunar, na direção vertical e ascendente. Nessas condições, o gradiente de temperatura positivo no sentido do topo tem um efeito estabilizador de correntes de convecção natural, pois o líquido menos denso estaria no topo no molde. Os solutos (impurezas) rejeitados na interface sólido-líquido durante a solidificação do silício aumentam a densidade do líquido e, assim, o efeito constitucional nesse caso também tem efeito estabilizador de correntes de convecção natural. Nas condições de solidificação desta invenção outra fonte de convecção natural é o gradiente de temperatura horizontal, direção transversal à direção de solidificação.In addition to the interface advance velocity and temperature gradient, the impurity transport mechanisms in the liquid, mainly diffusion and convection, are fundamental in the macrosegregation phenomenon during solidification. In this invention, not only the interface feed rate and the temperature gradient in the liquid are controlled, but also the solute transport mechanisms in the liquid are considered to achieve more intense macrosegregation and thus better silicon purification result. . Solute macrosegregation during directional (columnar) solidification is caused in various liquid convection processes, and generally the more intense liquid convection, the greater the macrosegregation. During solidification with flat front, solute buildup occurs at the solid-liquid interface and convection tends to homogenize the distribution of solute in the liquid. Convection in the liquid may be natural, generated by thermal and / or constitutional effects, or forced (mechanically or electromagnetic induction). Solidification in this invention and in the cases reported in the prior art occurs columnar in the vertical and upward direction. Under these conditions, the positive upward temperature gradient has a stabilizing effect on natural convection currents because the less dense liquid would be at the top in the mold. The solutes (impurities) discarded at the solid-liquid interface during silicon solidification increase the density of the liquid and thus the constitutional effect in this case also has a stabilizing effect on natural convection currents. Under the solidification conditions of this invention another source of natural convection is the horizontal temperature gradient, direction transverse to the solidification direction.

Nesta invenção, o efeito do gradiente de temperatura na direção transversal à direção de solidificação (horizontal) é utilizado como fonte de convecção natural, o que se constitui em suas novidade e atividade inventiva. Esse efeito não é utilizado no estado da técnica, tendo em vista que o objetivo nelas é a obtenção apenas gradiente vertical de temperatura. Por outro lado, o “PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL” utiliza elementos de aquecimento nas laterais do molde, possibilitando controlar os gradientes horizontais de temperatura e, assim, gerar correntes de convecção durante a solidificação.In this invention, the effect of the temperature gradient in the transverse direction to the solidification (horizontal) direction is used as a source of natural convection, which constitutes its novelty and inventive activity. This effect is not used in the state of the art, given that the purpose is to obtain only vertical temperature gradient. On the other hand, the “DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS AND EQUIPMENT” uses heating elements on the sides of the mold, allowing the control of horizontal temperature gradients and thus generating convection currents during solidification.

No caso de refino de silício por solidificação direcional, uma macrossegregação mais intensa pode ser obtida na presença de convecção e, assim, pode ser obtida uma porção maior do lingote refinado e a concentração de impurezas na região refinada é menor. Além disso, velocidades mais altas podem ser utilizadas no processo na presença de convecção, quando comparadas um processo com transporte de soluto apenas por difusão, diminuindo o tempo de processo. O equipamento de “PROCESSO E EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL” consiste, como mostrado nas Figuras 1 a 4, em uma câmara de aquecimento (1); revestimento refratário (2) da câmara de aquecimento (1); base principal (3) do equipamento; base móvel isolante (4); conjunto de elementos de aquecimento no topo da câmara (5); conjunto de aquecimento na lateral da câmara (6); termopares (7) de controle dos conjuntos de aquecimento; base móvel com coquilha de cobre (8); acesso no topo da câmara para injeção de argônio (9); acesso no topo da câmara para a haste do agitador mecânico (10); acesso no topo da câmara para inserção de termopar de monitoramento (11), tubo para injeção de argônio (12), tampa do molde (13), molde (14), e sistema para agitação mecânica; sendo os dispositivos principais: câmara de aquecimento (1), base principal (3) e base móvel isolante (4) e base móvel para coquilha de cobre (8). A câmara de aquecimento (1) possui movimentação vertical com duas posições fixas, fechamento do forno (posição inferior) e abertura do forno (posição superior), para possibilitar o movimento da base principal (3) para uma posição fora da projeção da câmara de aquecimento (1). O movimento vertical da câmara de aquecimento (1) pode ser realizado por acionamento pneumático, motores elétricos ou outros mecanismos. A câmara de aquecimento (1), cuja seção transversal pode ter qualquer forma geométrica, possui conjunto de elementos de aquecimento, com controles individuais de temperatura, nas laterais e na parte do topo da câmara, sendo que esses elementos podem ser resistivos de diferentes materiais, como dissiliceto de molibdênio (M0SÍ2), carbeto de silício (SiC) ou qualquer outro elemento de aquecimento que possa atingir temperatura de trabalho do forno de 1600 °C. O conjunto de resistências na lateral pode ser modulado ou não na direção vertical. No caso de não ser modulado, forma um conjunto único com elementos dispostos vertical ou horizontalmente e, assim, tem apenas um controle de temperatura na lateral do forno. No caso do aquecimento lateral ser modulado, os elementos de aquecimento formam conjuntos em várias posições verticais nas paredes laterais da câmara de aquecimento (1), e cada conjunto de elemento teria um controle individual de temperatura. No topo da câmara, os elementos de aquecimento constituem um único conjunto com controle de temperatura individual.In the case of silicon refining by directional solidification, more intense macrosegregation can be obtained in the presence of convection, and thus a larger portion of the refined ingot can be obtained and the concentration of impurities in the refined region is lower. In addition, higher speeds can be used in the process in the presence of convection when compared to a diffusion-only solute transport process, reducing the process time. The “DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS AND EQUIPMENT” equipment consists, as shown in Figures 1 to 4, of a heating chamber (1); refractory lining (2) of the heating chamber (1); main base (3) of the equipment; insulating movable base (4); heating element assembly on top of chamber (5); chamber side heating assembly (6); heating set control thermocouples (7); mobile base with copper cup (8); access at the top of the argon injection chamber (9); upper chamber access to the mechanical stirrer rod (10); chamber top access for insertion of monitoring thermocouple (11), argon injection tube (12), mold cover (13), mold (14), and mechanical stirring system; the main devices being: heating chamber (1), main base (3) and insulating movable base (4) and movable base for copper cup (8). The heating chamber (1) has vertical movement with two fixed positions, oven closing (lower position) and oven opening (upper position), to allow movement of the main base (3) to a position outside the projection of the heating chamber. heating (1). The vertical movement of the heating chamber (1) can be accomplished by pneumatic actuation, electric motors or other mechanisms. The heating chamber (1), whose cross-section can be of any geometric shape, has a set of heating elements, with individual temperature controls on the sides and top of the chamber, which elements can be resistive of different materials. , such as molybdenum disilicide (M0SÍ2), silicon carbide (SiC) or any other heating element that may reach an oven working temperature of 1600 ° C. The set of resistors on the side may or may not be modulated in the vertical direction. If not modulated, it forms a unique assembly with elements arranged vertically or horizontally and thus has only one temperature control on the side of the oven. In the event that side heating is modulated, the heating elements form assemblies in various vertical positions on the side walls of the heating chamber (1), and each element set would have individual temperature control. At the top of the chamber, the heating elements constitute a single set with individual temperature control.

Além de elementos resistivos, podem ser utilizados elementos de aquecimento por indução eletromagnética. Esses elementos são ativados a partir do momento de formação de silício no estado líquido e tem um efeito de agitação no silício líquido durante a solidificação, além de aumentar e/ou controlar sua temperatura. Esses elementos podem ser utilizados também quando é carregado silício no estado líquido no equipamento. A câmara de aquecimento (1) é formada por materiais refratários para trabalho em temperaturas acima de 1600 °C em uso contínuo, podendo ser placas de fibras cerâmicas, tijolos refratários ou outro material refratário para uso na referida temperatura. Além desses materiais refratários, que formam a face de trabalho da câmara de aquecimento (1), em todas as faces são utilizados materiais isolantes térmicos, como placas de fibras cerâmicas, tijolos isolantes, mantas de fibras cerâmicas ou conjuntos formados por esses tipos de materiais. A parte externa da câmara de aquecimento (1) é de material metálico, preferencialmente de aço inoxidável ou aço ao carbono com pintura para alta temperatura.In addition to resistive elements, electromagnetic induction heating elements may be used. These elements are activated from the moment of formation of silicon in the liquid state and have a stirring effect on liquid silicon during solidification, in addition to increasing and / or controlling its temperature. These elements can also be used when liquid silicon is loaded into the equipment. The heating chamber (1) is formed of refractory materials for working at temperatures above 1600 ° C in continuous use, which may be ceramic fiber plates, refractory bricks or other refractory material for use at said temperature. In addition to these refractory materials, which form the working face of the heating chamber (1), thermal insulating materials such as ceramic fiber boards, insulating bricks, ceramic fiber blankets or assemblies formed by these types of materials are used on all faces. . The outside of the heating chamber (1) is of metallic material, preferably of stainless steel or high temperature painted carbon steel.

No topo da câmara de aquecimento (1) existem três acessos ao seu: para injeção de argônio (9), para inserção da haste do agitador mecânico e para inserção de termopar de monitoramento. Esses acessos têm posições apropriadas para cada um dos usos e têm dimensões da ordem de 15 mm de diâmetro para que não tenham influência da condição térmica da câmara. A injeção de argônio na câmara, que varia na vazão de 2 a 60 L/min, é realizada com a utilização de um tubo de alumina que se estende desde a parte externa da câmara de aquecimento (1) até a tampa do molde (13), onde ocorre sua distribuição. O controle da vazão de argônio pode ser realizado por válvulas manuais ou digitais e/ou com controladores de fluxo, como rotâmetros. O termopar inserido por um dos acessos no topo da câmara de aquecimento (1) pode ser posicionado em diferentes posições verticais da câmara, entre os elementos de aquecimento, próximo à tampa do molde (13), na tampa do molde (13) ou dentro do molde (14). Embora esse termopar não seja utilizado para controle de temperatura, fornece informações importantes sobre as condições de temperatura da câmara. O agitador mecânico pode ser constituído de haste, rotor, conjunto para rotação da haste e rotor e conjunto para movimento vertical da haste e rotor. Os conjuntos para rotação e movimentação vertical da haste e rotor podem ser posicionados na estrutura externa da câmara de aquecimento (1) ou em suporte auxiliar externo ao equipamento. A haste para o rotor passa pelo acesso no topo da câmara de aquecimento (1) e pode ser fabricada em materiais resistentes à oxidação em temperaturas elevadas, como grafite-argila ou carbeto de silício. O rotor pode ser fabricado em material que não degrada em contado com o silício líquido, como grafite ou carbeto de silício, ser do tipo axial, radial ou misto, preferencialmente axial dos tipos turbina ou “hydrofoiT. A velocidade de rotação da haste/rotor deve estar entre 10 e 500 rpm e a velocidade de movimento vertical do conjunto do agitador deve ser compatível com a velocidade de avanço da interface sólido-líquido durante a solidificação. O rotor deve ser dimensionado de acordo com a dimensão do molde (14) para que promova homogeneização do líquido com relação à concentração de impurezas, e o rotor e a haste podem ser conectados por roscas em ambas a partes. A base principal (3) do equipamento é utilizada como suporte do molde (14) e fechamento da câmara de aquecimento (1). Essa base possui movimentos horizontais que possibilitam seu posicionamento fora da projeção da câmara de aquecimento (1) para o posicionamento do molde (14). Para o caso da fusão do silício ocorrer no próprio equipamento, o molde (14) é posicionado na base principal (3) com silício sólido carregado, e para o caso da fusão do silício ocorrer fora do equipamento, nessa posição o silício líquido é transferido para o molde (14) pré-aquecido. A base principal (3) é constituída dos mesmos materiais refratários e isofantes que constituem a câmara de aquecimento (1). No centro da base principal (3) existe uma abertura na qual são posicionadas as bases móveis: de isolamento (4) durante o aquecimento e a coquilha de cobre (8) durante o resfriamento, sendo que essa abertura tem a mesma dimensão do diâmetro interno do molde (14). O equipamento dispõe de duas bases móveis, sendo uma isolante térmica e a segunda uma coquilha de cobre refrigerada, ambas com movimentos verticais e movimentos horizontais. A base isolante (4) é composta pelos mesmos materiais da câmara de aquecimento (1) e é utilizada para isolamento da base do molde (14) durante a etapa de aquecimento. Para início da etapa de resfriamento, a base isolante é retirada da sua posição inicial e em seu lugar é posicionada a coquilha de cobre (8) refrigerada por um fluxo contínuo de água visando o resfriamento da base do molde (14). A vazão de água, variando de 2 e 100 L/min, pode ser controlada na entrada ou na saída da coquilha por meio de válvulas manuais ou digitais e/ou com controladores de fluxo como rotâmetros, e as temperaturas da água são monitoradas por sensores de temperatura na entrada e saída da coquilha de cobre. O molde (14) é um dispositivo auxiliar do equipamento, onde se forma o lingote de silício. O molde (14) pode ser constituído de uma peça única de um mesmo material ou em duas partes de materiais diferentes, neste caso para formar um conjunto apropriado para as condições de transferências de calor nas laterais e na base do molde (14). Para molde (14) em peça única, o material utilizado preferencialmente é de grafite-argila ou grafite e em duas partes, pode ser construído um conjunto com as laterais de grafite-argila e fundo de grafite, ou um molde interno de grafite com molde externo de grafite-argila para proteção contra oxidação. Os moldes (14) podem ter configurações como as descritas ou combinações entre elas e entre os materiais. Os materiais utilizados na parte externa do molde (14) devem ser resistentes à oxidação em temperaturas elevadas tendo em vista que o equipamento não tem atmosfera controlada Os materiais ou o conjunto de materiais que formam as partes do molde (14) devem ter preferencialmente difusividade térmica de 1,0x10'6 a 8,0x10' 5 m2/s. Em algumas configurações, como no molde (14) formado por duas partes (paredes laterais e fundo) é possível utilizar materiais mais simples nas laterais e reutilizar o fundo para produzir vários lingotes. A seção transversal do molde (14) pode ter qualquer forma geométrica.At the top of the heating chamber (1) there are three access points to it: for argon injection (9), for insertion of the mechanical stirrer rod and for insertion of monitoring thermocouple. These accessions have appropriate positions for each use and have dimensions of the order of 15 mm in diameter so that they do not influence the thermal condition of the chamber. Injection of argon into the chamber, which ranges in flow from 2 to 60 L / min, is performed using an alumina tube extending from the outside of the heating chamber (1) to the mold cover (13 ), where its distribution occurs. Argon flow control can be performed by manual or digital valves and / or with flow controllers such as rotameters. The thermocouple inserted by one of the fittings at the top of the heating chamber (1) can be positioned at different vertical positions of the chamber, between the heating elements, near the mold cover (13), the mold cover (13) or inside. of the mold (14). Although this thermocouple is not used for temperature control, it provides important information about chamber temperature conditions. The mechanical stirrer may consist of rod, rotor, rod and rotor rotation assembly and vertical rod and rotor movement assembly. Rotation and vertical movement of the stem and rotor assemblies can be positioned on the outer housing of the heating chamber (1) or on auxiliary support external to the equipment. The rotor shaft passes through the access at the top of the heating chamber (1) and can be made of high temperature oxidation resistant materials such as graphite clay or silicon carbide. The rotor may be made of material which does not degrade in contact with liquid silicon, such as graphite or silicon carbide, of the axial, radial or mixed type, preferably axial turbine or “hydrofoil” type. The rotational speed of the rod / rotor must be between 10 and 500 rpm and the vertical movement speed of the agitator assembly must be compatible with the advancing speed of the solid-liquid interface during solidification. The rotor must be sized according to the mold size (14) to promote homogenization of the liquid in relation to the concentration of impurities, and the rotor and stem can be threaded in both parts. The main base (3) of the equipment is used as a mold holder (14) and closing the heating chamber (1). This base has horizontal movements that allow its positioning outside the projection of the heating chamber (1) for the positioning of the mold (14). In case the silicon fusion occurs in the equipment itself, the mold (14) is positioned on the main base (3) with solid charged silicon, and in case the silicon fusion occurs outside the equipment, in that position the liquid silicon is transferred. to the preheated mold (14). The main base (3) consists of the same refractory and isofant materials that constitute the heating chamber (1). In the center of the main base (3) there is an opening in which the movable bases are positioned: insulation (4) during heating and the copper cup (8) during cooling, which opening has the same dimension as the inside diameter. of the mold (14). The equipment has two movable bases, a thermal insulator and the second a refrigerated copper cup, both with vertical and horizontal movements. The insulating base (4) is composed of the same materials as the heating chamber (1) and is used for insulation of the mold base (14) during the heating step. To start the cooling step, the insulating base is removed from its initial position and in its place the copper sleeve (8) is cooled by a continuous flow of water to cool the mold base (14). Water flow, ranging from 2 and 100 L / min, can be controlled at the inlet or outlet of the cuff through manual or digital valves and / or with flow controllers such as rotameters, and water temperatures are monitored by sensors. temperature at the inlet and outlet of the copper cup. The mold 14 is an auxiliary device of the equipment where the silicon ingot is formed. The mold (14) may consist of a single piece of the same material or two parts of different materials, in this case to form a suitable assembly for heat transfer conditions at the sides and base of the mold (14). For one-piece molding (14), the material preferably used is graphite-clay or graphite and in two parts, an assembly with the sides of graphite-clay and graphite bottom may be constructed, or an internal mold of graphite-molded external graphite clay for protection against oxidation. The molds 14 may have configurations as described or combinations between them and between materials. The materials used on the outside of the mold (14) must be resistant to oxidation at elevated temperatures since the equipment has no controlled atmosphere. The materials or assembly of materials forming the mold parts (14) should preferably have thermal diffusivity. from 1.0x10'6 to 8.0x10'5 m2 / s. In some embodiments, such as the two-part mold 14 (sidewalls and bottom) it is possible to use simpler materials on the sides and reuse the bottom to produce various ingots. The cross section of the mold 14 may have any geometric shape.

PROCESSOPROCESS

Neste processo, o silício utilizado como matéria-prima inicial pode estar no estado sólido, no estado líquido ou em mistura das duas condições em qualquer proporção.In this process, the silicon used as the starting material may be in the solid state, in the liquid state or in a mixture of both conditions in any proportion.

Quando no estado solido, o silício é carregado no molde (14) antes do posicionamento deste na base principal (3) do equipamento.When in the solid state, silicon is charged into the mold (14) prior to positioning it on the main base (3) of the equipment.

Como etapa de preparação, as superfícies internas do molde (14) são recobertas com material apropriado para evitar que ocorra a aderência do lingote ao molde (14), preferencialmente, nitreto de silício.As a preparation step, the internal surfaces of the mold (14) are covered with suitable material to prevent ingot from adhering to the mold (14), preferably silicon nitride.

Após a preparação do molde (14), o silício a ser purificado é carregado de forma a não danificar seu recobrimento interno e em quantidade suficiente para produzir um lingote final com altura entre 70 e 130 mm. Em seguida, o molde (14) é posicionado na base principal (3) do equipamento, como mostrado na Figura 1.After preparation of the mold (14), the silicon to be purified is charged so as not to damage its internal coating and in sufficient quantity to produce a final ingot with a height between 70 and 130 mm. Then the mold (14) is positioned on the main base (3) of the equipment as shown in Figure 1.

Após o posicionamento do molde (14) com silício na base principal (3) do equipamento, o molde (14) é fechado com uma tampa (13). Essa tampa é utilizada para auxiliar na proteção contra oxidação do silício no estado líquido e pode ser produzida com os mesmos materiais e/ou configurações descritas para o molde.After positioning the silicon mold (14) on the main base (3) of the equipment, the mold (14) is closed with a lid (13). This cap is used to assist in the protection against liquid oxidation of silicon and may be made of the same materials and / or configurations described for the mold.

Com o molde (14) posicionado e com a tampa (13), a base principal (3) do equipamento é posicionada abaixo da câmara de aquecimento (1), sendo, então, realizado o fechamento com a descida da câmara de aquecimento (1). Após o fechamento da câmara de aquecimento (1), o tubo para injeção de argônio no molde (14) é posicionado utilizando os acessos no topo da câmara de aquecimento (1), como mostrado na Figura 2.With the mold (14) positioned and the lid (13), the main base (3) of the equipment is positioned below the heating chamber (1), and then closed with the heating chamber (1) lowered. ). After closing the heating chamber (1), the argon injection tube in the mold (14) is positioned using the fittings on the top of the heating chamber (1), as shown in Figure 2.

Com essa montagem e utilizando a base móvel isolante (4), o aquecimento do equipamento é iniciado conjuntamente com a injeção de argônio no molde (14), cuja vazão deve ser preferencialmente de 2 a 60 L/min. O aquecimento do molde (14) é realizado com diferentes taxas de aquecimento, devendo ser observada durante o aquecimento uma etapa para fusão do silício. Tendo em vista que a fusão do silício puro ocorre a 1414 °C, um patamar na curva de aquecimento pode ser criado em qualquer temperatura entre 1414°C e 1600°C para que a fusão do silício seja completa, recomendando-se preferencialmente a 1500°C. Após a fusão completa da carga de silício, o conjunto é aquecido até 1600°C, permanecendo nessa temperatura por um período de 30 a 60 minutos para homogeneização da temperatura. Durante a etapa de aquecimento, todos os conjuntos de elementos de aquecimentos devem seguir a mesma programação.With this assembly and using the insulating movable base (4), the heating of the equipment is started together with the injection of argon in the mold (14), whose flow should preferably be from 2 to 60 L / min. The heating of the mold (14) is performed with different heating rates, and during the heating a silicon melting step should be observed. Since pure silicon fusion occurs at 1414 ° C, a plateau in the heating curve can be created at any temperature between 1414 ° C and 1600 ° C so that silicon fusion is complete, preferably 1500 ° C. ° C. After complete melting of the silicon filler, the assembly is heated to 1600 ° C, remaining at this temperature for a period of 30 to 60 minutes for temperature homogenization. During the heating step, all heating element sets must follow the same schedule.

Após o término do período de homogeneização, a etapa de resfriamento, durante a qual ocorre a solidificação do lingote de silício, deve ser iniciada. Para isso, a base móvel isolante (4) deve ser retirada da sua posição e, em seu lugar, deve ser posicionada a base móvel com a coquilha (8) de cobre refrigerada à água em temperatura ambiente. A vazão de água utilizada para o resfriamento da coquilha deve estar entre 2 e 100 L/min.After the end of the homogenization period, the cooling step, during which the silicon ingot solidification occurs, should be started. For this purpose, the insulating movable base (4) must be removed from its position and the movable base with the water-cooled copper sleeve (8) must be positioned in place at room temperature. The water flow rate used for the cooling of the baffle should be between 2 and 100 L / min.

No momento em que a coquilha de cobre é posicionada na base do molde (14), a programação de resfriamento dos conjuntos de elementos de aquecimento é iniciada. No caso dos conjuntos de elementos das laterais não serem modulados, o resfriamento inicia-se no momento em que a coquilha de cobre é posicionada na base do molde (14), com uma taxa de resfriamento preferencialmente entre 0,1 e 2,5 °C/min. Nesse caso, a programação para o conjunto de elementos de aquecimento no topo deve ter um patamar a 1600 °C por um período de 30 a 60 minutos. Com esse patamar cria-se um gradiente vertical de temperatura na câmara de aquecimento (1). Após o término desse patamar, a redução de temperatura do conjunto de elementos de aquecimento do topo deve ocorrer com taxa preferencialmente entre 0,1 e 2,5 °C/min. O resfriamento do equipamento deve ser controlado até que a temperatura no conjunto de topo atinja 1200 °C e, a partir desse instante, o equipamento pode ser desligado e o conjunto resfriado naturalmente.As the copper cup is positioned at the base of the mold (14), the cooling programming of the heating element assemblies begins. In the event that the side element assemblies are not modulated, cooling begins at the moment the copper cup is positioned at the base of the mold (14), with a cooling rate preferably between 0.1 and 2.5 °. C / min In this case, the programming for the top heating element set should have a plateau at 1600 ° C for a period of 30 to 60 minutes. This level creates a vertical temperature gradient in the heating chamber (1). Upon completion of this threshold, the temperature reduction of the top heating element assembly should preferably occur at a rate of between 0.1 and 2.5 ° C / min. Cooling of the equipment should be controlled until the temperature in the top assembly reaches 1200 ° C and from that moment the equipment can be turned off and the assembly naturally cooled.

Após o resfriamento, o lingote de silício obtido é desmoldado manualmente ou com auxilio de equipamentos, limpo para retirar vestígios do molde (14) e cortado no centro no sentido longitudinal. Com esse corte longitudinal é possível observar a macroestrutura formada e definir o ponto em que será realizado um corte no sentido transversal para separação da região purificada da região em que foram concentradas as impurezas.After cooling, the obtained silicon ingot is demolded manually or with the aid of equipment, cleaned to remove traces of the mold (14) and cut in the center in the longitudinal direction. With this longitudinal section it is possible to observe the formed macrostructure and define the point at which a cross-sectional cut will be made to separate the purified region from the region where the impurities were concentrated.

Para utilização do silício inicial (matéria-prima) no estado líquido, o molde (14) deve ser preparado da mesma forma anteriormente, e a etapa de aquecimento do equipamento com o molde (14) deve ser realizada sem que sejam observadas as etapas para fusão e homogeneização. Assim, com o silício inicial no estado líquido e o molde (14) pré-aquecido, o equipamento é aberto, a base principal (3) é posicionada fora da projeção da câmara de aquecimento (1), o silício é transferido para o molde (14), a base principal (3) é reposicionada, a câmara de aquecimento (1) é fechada. O molde (14) é pré-aquecido a temperaturas entre 1000 e 1600 °C, preferencialmente entre 1500 e 1600°C. Além disso, o silício pode ser transferido para o molde (14) totalmente ou parcialmente fundido, entretanto, deve ser observado que, antes do início da etapa de resfriamento, o silício deve estar totalmente fundido e a etapa de homogeneização da temperatura a 1600°C cumprida. A partir do final da etapa de homogeneização de temperatura, a etapa de resfriamento pode ser iniciada e deve ocorrer como já descrito anteriormente.For use of the starting silicon (raw material) in the liquid state, the mold (14) must be prepared in the same manner as before, and the equipment heating step with the mold (14) must be performed without observing the steps for fusion and homogenization. Thus, with the initial silicon in the liquid state and the preheated mold (14), the equipment is opened, the main base (3) is positioned outside the projection of the heating chamber (1), the silicon is transferred to the mold (14), the main base (3) is repositioned, the heating chamber (1) is closed. The mold 14 is preheated to temperatures between 1000 and 1600 ° C, preferably between 1500 and 1600 ° C. In addition, silicon can be transferred to fully or partially molten mold (14), however, it should be noted that prior to the start of the cooling step, the silicon must be fully molten and the temperature homogenization step at 1600 °. C fulfilled. From the end of the temperature homogenization step, the cooling step can be started and must occur as previously described.

No caso de uso de agitador mecânico, esse componente deve ser acionado imediatamente antes do inicio da etapa de resfriamento, em rotação de 10 a 500 rpm. A solidificação no processo descrito ocorre com velocidades de avanço da interface entre 3 e 50 pm/s e gradiente de temperatura no líquido de 500 a 2000 K/m.If a mechanical stirrer is used, this component must be activated immediately before the start of the cooling step, rotating from 10 to 500 rpm. Solidification in the described process occurs at interface feed rates between 3 and 50 pm / s and liquid temperature gradient from 500 to 2000 K / m.

Com o equipamento e o método descritos acima é possível obter lingotes de silício com volume purificado entre 30 e 90% do volume inicial com a solidificação direcional ascendente e estática.With the equipment and method described above it is possible to obtain silicon ingots with purified volume between 30 and 90% of the initial volume with the upward and static directional solidification.

EXEMPLOSEXAMPLES

Exemplo 1 Foram carregados 8 kg de silício grau metalúrgico no estado sólido em um molde (14) com paredes laterais e fundo de grafite-argila. Os teores iniciais das principais impurezas no silício metalúrgico utilizado como matéria-prima são mostrados na tabela 1.Example 1 8 kg of solid state metallurgical grade silicon was loaded into a graphite-clay sidewall and bottom mold (14). The initial levels of the main impurities in the metallurgical silicon used as raw material are shown in table 1.

Tabela 1 - Composição química do silício metalúrgico utilizado como matéria-prima (em ppm massa) obtida por análise em ICP-OES O cadinho com o silício no estado sólido foi posicionado no equipamento e fechado com tampa de grafite (13). A câmara de aquecimento (1) foi fechada e o tubo de injeção de argônio posicionado. Após a montagem geral, iniciou-se a etapa de aquecimento do forno durante a qual ocorreu a fusão do silício metalúrgico e o aquecimento do líquido até aproximadamente 1550 °C. Após uma etapa de homogeneização da temperatura do silício, a base isolante (4) foi retirada e a coquilha de cobre (8) posicionada na base do molde (14) para o resfriamento. Nesse momento iniciou-se a programação de resfriamento do forno. O conjunto de resistências na lateral do forno seguiu uma programação diferente do conjunto de resistências do topo, tendo como objetivo gerar gradiente vertical de temperatura positivo e gradiente horizontal controlado.Table 1 - Chemical composition of the metallurgical silicon used as raw material (in ppm mass) obtained by ICP-OES analysis. The crucible with the solid state silicon was positioned in the equipment and closed with graphite lid (13). The heating chamber (1) was closed and the argon injection tube positioned. After general assembly, the furnace heating step began during which melting of the metallurgical silicon and heating of the liquid to approximately 1550 ° C occurred. After a silicon temperature homogenization step, the insulating base (4) was removed and the copper cup (8) positioned on the mold base (14) for cooling. At this point, the oven cooling schedule began. The set of resistors on the side of the furnace followed a different programming than the set of resistors on the top, aiming to generate positive temperature vertical gradient and controlled horizontal gradient.

Após o término da solidificação do lingote, os conjuntos de resistências foram desligados e todo o forno foi resfriado naturalmente até a temperatura ambiente. O lingote foi retirado do molde (14) de grafite-argila, limpo com escova de aço e levado para um corte longitudinal passando pelo centro. Com esse corte foi possível verificar a macroestrutura formada e determinar o ponto para realização do corte no sentido transversal, separando a região purificada da região ondem as impurezas foram concentradas. A Figura 5 mostra a macroestrutura de secção longitudinal do centro do lingote obtido no Exemplo 1, sendo possível evidenciando grãos colunares até 70 mm a partir da base do lingote. A Figura 5 possibilita observar que na macroestrutura ocorre uma transição na estrutura de grãos aproximadamente a 70 mm a partir da base. A partir desse ponto, os grãos passam a apresentar ramificações laterais e contornos serrilhados, enquanto na região entre a base e 70mm os contornos são bem definidos e a direção de crescimento dos grãos está mais próxima da direção vertical, que é a direção de solidificação. A Figura 6 apresenta micrografias em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote obtido no Exemplo 1 ((a) 95mm, (b) 75mm, (c) 70mm, (d) 40mm e (e) 5mm). Essas micrografias mostram que a partir do ponto de transição da macroestrutura (70 mm a partir da base) é possível observar a presença de compostos intermetálicos na microestrutura, enquanto na região da base até 70 mm não foram observados tais compostos. A ausência de compostos intermetálicos na microestrutura é uma evidência da redução nos teores de impurezas no silício. A Figura 7 apresenta gráficos de perfis de concentração para as principais impurezas metálicas do lingote obtido no Exemplo 1, obtidos por análises em ICP-MS de amostras coletadas em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote. Esses perfis mostram que houve intensa redução nos teores de impurezas na região da base até 70mm de altura do lingote, sendo, portanto, a região purificada do lingote obtido de aproximadamente 70%.Upon completion of the ingot solidification, the heater assemblies were turned off and the entire furnace was naturally cooled to room temperature. The ingot was removed from the graphite-clay mold (14), cleaned with a wire brush and taken to a longitudinal section through the center. With this cut it was possible to verify the macrostructure formed and to determine the point to perform the cross-sectional cut, separating the purified region from the region where the impurities were concentrated. Figure 5 shows the longitudinal section macrostructure of the ingot center obtained in Example 1, showing columnar grains up to 70 mm from the ingot base. Figure 5 makes it possible to observe that in the macrostructure there is a transition in the grain structure approximately 70 mm from the base. From this point on, the grains have lateral branches and serrated contours, while in the region between the base and 70mm the contours are well defined and the grain growth direction is closer to the vertical direction, which is the solidification direction. Figure 6 shows micrographs at different positions along the central longitudinal axis of the ingot obtained in Example 1 ((a) 95mm, (b) 75mm, (c) 70mm, (d) 40mm and (e) 5mm). These micrographs show that from the macrostructure transition point (70 mm from the base) it is possible to observe the presence of intermetallic compounds in the microstructure, while in the base region up to 70 mm no such compounds were observed. The absence of intermetallic compounds in the microstructure is evidence of the reduction in silicon impurities. Figure 7 presents concentration profile graphs for the main metallic impurities of the ingot obtained in Example 1, obtained by ICP-MS analyzes of samples collected at different positions along the central longitudinal axis of the ingot. These profiles show that there was an intense reduction in the impurity contents in the base region up to 70mm ingot height, therefore, the purified ingot region obtained was approximately 70%.

Exemplo 2 Foram carregados 8 kg de silício grau metalúrgico no estado sólido em um molde (14) com paredes laterais de graflte-argila e fundo de grafite. Os teores iniciais das principais impurezas no silício metalúrgico utilizado como matéria-prima estão mostrados na Tabela 1. O cadinho com o silício no estado sólido foi posicionado no equipamento e fechado com tampa de grafite (13). A câmara de aquecimento (1) foi fechada e o tubo de injeção de argônio posicionado. Após a montagem geral, iniciou-se a etapa de aquecimento do forno durante a qual ocorreu a fusão do silício metalúrgico e o aquecimento do líquido até aproximadamente 1550 °C. Após uma etapa de homogeneização da temperatura do silício, a base ísolante (4) foi retirada e a coquilha de cobre (8) posicionada na base do molde (14) para o resfriamento. Nesse momento iniciou-se a programação de resfriamento do forno. O conjunto de resistências na lateral do forno seguiu uma programação diferente do conjunto de resistências do topo, tendo como objetivo gerar gradiente vertical de temperatura positivo e gradiente horizontal controlado.Example 2 8 kg of solid state metallurgical grade silicon was loaded into a mold (14) with graft-clay sidewalls and graphite bottom. The initial contents of the main impurities in the metallurgical silicon used as raw material are shown in Table 1. The solid state silicon crucible was positioned in the equipment and closed with graphite lid (13). The heating chamber (1) was closed and the argon injection tube positioned. After general assembly, the furnace heating step began during which melting of the metallurgical silicon and heating of the liquid to approximately 1550 ° C occurred. After a silicon temperature homogenization step, the insulating base (4) was removed and the copper cup (8) positioned on the mold base (14) for cooling. At this point, the oven cooling schedule began. The set of resistors on the side of the furnace followed a different programming than the set of resistors on the top, aiming to generate positive temperature vertical gradient and controlled horizontal gradient.

Após o término da solidificação do lingote, os conjuntos de resistências foram desligados e todo o forno foi resfriado naturalmente até a temperatura ambiente. O lingote foi retirado do molde (14) de grafite-argila, limpo com escova de aço e levado para um corte longitudinal passando pelo centro. Com esse corte foi possível verificar a macroestrutura formada. A Figura 8 mostra a macroestrutura do lingote, obtido nesse exemplo. Na macroestrutura do lingote obtido, os grãos apresentaram direção de crescimento paralela à direção de extração de calor até o topo do lingote. A Figura 9 apresenta micrografias em diferentes posições ao longo do eixo longitudinal central do lingote obtido ((a) 95mm, (b) 80mm, (c) 60mm, (d) 30mm e (e) 5mm), mostrando que no lingote obtido não há compostos intermetálicos na microestrutura do material em nenhuma das regiões analisadas. A ausência de compostos intermetálicos na microestrutura é uma evidência da redução nos teores de impurezas no silício. Nesse experimento, o último líquido a solidificar e, portanto, a porção na qual foram concentradas as impurezas, ficou na periferia da superfície superior do lingote e, por isso, não é possível observar compostos intermetálicos na região analisada (centro do lingote). A Figura 10 mostra perfis de composição química obtidos com análises via ICP-MS de amostras retiradas de diferentes posições no sentido longitudinal (altura do lingote). No eixo Y dos gráficos é indicado, em escala logarítmica, a concentração do elemento (ppm em massa) e no eixo X é indicada a posição relativa em que foi retirada a amostra para análise ao longo do eixo longitudinal, sendo 0 a base e 1 o topo do lingote.Upon completion of the ingot solidification, the heater assemblies were turned off and the entire furnace was naturally cooled to room temperature. The ingot was removed from the graphite-clay mold (14), cleaned with a wire brush and taken to a longitudinal section through the center. With this cut it was possible to verify the macrostructure formed. Figure 8 shows the ingot macrostructure obtained in this example. In the macrostructure of the obtained ingot, the grains presented growth direction parallel to the heat extraction direction to the top of the ingot. Figure 9 shows micrographs at different positions along the central longitudinal axis of the ingot obtained ((a) 95mm, (b) 80mm, (c) 60mm, (d) 30mm and (e) 5mm), showing that in the obtained ingot There are intermetallic compounds in the microstructure of the material in none of the regions analyzed. The absence of intermetallic compounds in the microstructure is evidence of the reduction in silicon impurities. In this experiment, the last liquid to solidify and, therefore, the portion in which the impurities were concentrated, was in the periphery of the upper surface of the ingot and, therefore, it is not possible to observe intermetallic compounds in the analyzed region (center of the ingot). Figure 10 shows chemical composition profiles obtained with ICP-MS analyzes of samples taken from different positions in the longitudinal direction (ingot height). On the Y axis of the graphs, the log concentration is indicated in logarithmic scale (ppm in mass) and on the X axis the relative position at which the sample was taken for analysis along the longitudinal axis, 0 and 1 the top of the ingot.

Esses perfis mostram que houve intensa redução nos teores de impurezas na região da base até o topo do lingote, sendo, portanto, de aproximadamente 95% a região purificada do lingote obtido.These profiles show that there was an intense reduction in the impurity contents in the region from the base to the top of the ingot, being, therefore, of approximately 95% the purified ingot region obtained.

REIVINDICAÇÕES

Claims (20)

1) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL” caracterizado por, como mostrado nas Figuras 1 a 4, em uma câmara de aquecimento (1); revestimento refratário (2) da câmara de aquecimento (1); base principal (3) do equipamento; base móvel isolante (4); conjunto de elementos de aquecimento no topo (5) da câmara; conjunto de aquecimento na lateral (6) da câmara; termopares (7) de controle dos conjuntos de aquecimento; base móvel com coquilha de cobre (8); acesso no topo da câmara para injeção de argônio (9); acesso no topo da câmara para a haste do agitador mecânico (10); acesso no topo da câmara para inserção de termopar de monitoramento (11); tubo para injeção de argônio (12); tampa do molde (13); molde (14); e sistema para agitação mecânica;1) “DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT” characterized by, as shown in Figures 1 to 4, in a heating chamber (1); refractory lining (2) of the heating chamber (1); main base (3) of the equipment; insulating movable base (4); heating element assembly at the top (5) of the chamber; heating assembly on side (6) of chamber; heating set control thermocouples (7); mobile base with copper cup (8); access at the top of the argon injection chamber (9); upper chamber access to the mechanical stirrer rod (10); camera top access for monitoring thermocouple insertion (11); argon injection tube (12); mold cover (13); mold (14); and system for mechanical agitation; 2) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL", de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por os elementos de aquecimento serem resistivos de carbeto de silício (SiC) ou dissiliceto de molibdênio (M0SÍ2) ou por indução eletromagnética; os elementos de aquecimento nas paredes laterais da câmara estarem dispostos em conjuntos em diferentes posições verticais com controles individuais ou em um conjunto único; e serem controlados de forma a criar um gradiente horizontal gerador de correntes de convecção natural no líquido durante a solidificação;2) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT" according to Claim 1, characterized in that the heating elements are resistive silicon carbide (SiC) or molybdenum disilicate (M0SÍ2) or electromagnetic induction; the side walls of the chamber are arranged in different upright positions with individual controls or in a single set, and are controlled to create a horizontal gradient generating natural convection currents in the liquid during solidification; 3) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a câmara de aquecimento (1) possuir movimentação vertical com duas posições fixas, uma de fechamento do forno (posição inferior) e outra de abertura do forno (posição superior), possibilitando o movimento da base principal (3) para uma posição fora da projeção da câmara de aquecimento (1); os materiais refratários utilizados na parte interna da câmara de aquecimento (1) serem apropriados para trabalho em temperaturas acima de 1600 °C; e, os orifícios de acesso no topo da câmara para inserção de termopar de monitoramento (11), tubo para injeção de argônio (12), e haste do sistema para agitação mecânica terem diâmetro aproximado de 15 mm;3) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION" according to claim 1, characterized in that the heating chamber (1) has vertical movement with two fixed positions, one for closing the oven (lower position) and the other for opening. from the furnace (upper position), allowing movement of the main base (3) to a position outside the heating chamber projection (1); refractory materials used inside the heating chamber (1) are suitable for working at temperatures above 1600 ° C; and the access holes in the top of the monitoring thermocouple insertion chamber (11), argon injection tube (12), and mechanical stirring system rod are approximately 15 mm in diameter; 4) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base principal (3) ser utilizada como suporte do molde (14) e fechamento da câmara de aquecimento (1); possuir movimentos horizontais que possibilitam seu posicionamento fora da projeção da câmara de aquecimento (1); no seu centro possuir uma abertura na qual são posicionadas as bases móveis (4) e (8); e ser constituída dos mesmos materiais refratários e isolantes que constituem a câmara de aquecimento (1);4) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT" according to claim 1, characterized in that the main base (3) is used as a mold support (14) and closure of the heating chamber (1); have horizontal movements that allow its positioning outside the projection of the heating chamber (1); at its center has an opening in which the movable bases (4) and (8) are positioned; and be made of the same refractory and insulating materials as the heating chamber (1); 5) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base móvel isolante (4) ser constituída dos mesmos materiais refratários da câmara de aquecimento (1) e possuir movimentos verticais e horizontais;5) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT" according to claim 1, characterized in that the insulating movable base (4) is made of the same refractory materials as the heating chamber (1) and has vertical and horizontal movements; 6) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a base móvel de resfriamento (8) possuir movimentos verticais e horizontais; ser refrigerada por fluxo contínuo de água com vazão de 2 a 100 L/min ou de gases com controle de vazão e temperatura de entrada e saída;6) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT" according to claim 1, characterized in that the mobile cooling base (8) has vertical and horizontal movements; be cooled by continuous flow of water with a flow rate of 2 to 100 L / min or gas with flow control and inlet and outlet temperature; 7) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o sistema de agitação mecânica ser constituído de haste, rotor, mecanismo para rotação e mecanismo para movimento vertical do conjunto, sendo a haste constituída de material resistente à temperaturas elevadas e atmosfera oxidante; o rotor ser do tipo axial, radial ou misto e constituído de material inerte ao contato com silício no estado líquido; e, a velocidade de rotação da haste/rotor estar entre 10 e 500 rpm e a velocidade de movimento vertical do conjunto do agitador ser compatível com a velocidade de avanço da interface sólido-líquido durante a solidificação;7) “DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT” according to claim 1, characterized in that the mechanical stirring system consists of a rod, rotor, rotation mechanism and mechanism for vertical movement of the assembly, the rod being composed of material resistant to high temperatures and oxidizing atmosphere; the rotor is of the axial, radial or mixed type and consists of material inert to contact with liquid silicon; and the rod / rotor rotational speed is between 10 and 500 rpm and the vertical movement speed of the stirrer assembly is compatible with the advancement speed of the solid-liquid interface during solidification; 8) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a haste ser constituída de grafite-argila ou carbeto de silício e o rotor ser axial dos tipos turbina ou “hydrofoiT, de grafite ou carbeto de silício;8) “DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT” according to claim 7, characterized in that the rod is made of graphite-clay or silicon carbide and the rotor is axial turbine or “hydrofoiT, of graphite or carbide types. silicon; 9) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo molde (14) ter seção transversal de qualquer forma geométrica; ser constituído de uma peça única de um mesmo material ou em duas partes de materiais diferentes, sendo que os materiais utilizados na parte externa do molde (14) devem ser resistentes à oxidação em temperaturas elevadas, ou combinações entre elas e entre os materiais; os materiais ou o conjunto de materiais que formam as partes do molde (14) ter difusividade térmica de 1,0x10'6 a 8,0x10'5 m2/s;9) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT" according to claim 1, characterized in that the mold (14) has a cross section of any geometric shape; be made of a single part of the same material or two different material parts, the materials used on the outside of the mold (14) being resistant to oxidation at elevated temperatures, or combinations between them and between materials; the materials or set of materials forming the mold parts (14) have thermal diffusivity from 1.0x10'6 to 8.0x10'5 m2 / s; 10) “EQUIPAMENTO PARA PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por o molde (14) em peça única o material utilizado ser de grafite-argila ou grafite; e em duas partes ser construído um conjunto com as laterais de grafite-argila e fundo de grafite, ou um molde interno de grafite com molde externo de grafite-argila, ou materiais mais simples nas laterais e reutilizar o fundo para produzir vários lingotes; o molde (14) ter uma tampa (13) com orifícios para injeção de argônio na superfície do silício e passagem da haste do rotor para agitação mecânica;10) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION EQUIPMENT" according to claim 9, characterized in that the one-piece mold (14) is made of graphite-clay or graphite material; and in two parts a joint with the graphite clay sides and graphite bottom, or an internal graphite mold with an external graphite clay mold, or simpler materials on the sides and reusing the bottom to produce various ingots; the mold (14) has a lid (13) with holes for argon injection in the silicon surface and passage of the rotor shaft for mechanical agitation; 11) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, por solidificação direcional vertical ascendente em um molde estático, sendo o principal mecanismo de purificação a macrossegregação de impurezas para última região do lingote a solidificar, caracterizado por aplicar um efeito de gradiente de temperatura na direção transversal à direção de solidificação (horizontal) como fonte de convecção natural auxiliar;11) “SILICON PURIFICATION PROCESS BY DIRECTIONAL SOLIDIFICATION”, by ascending vertical directional solidification in a static mold, the main purification mechanism being macrosegregation of impurities to the last region of the ingot to solidify, characterized by applying a temperature gradient effect. in the direction transverse to the direction of solidification (horizontal) as a source of auxiliary natural convection; 12) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a convecção no silício líquido ser natural por controle de gradiente horizontal de temperatura; ou ser forçada mecanicamente por ação de um agitador ou ser forçada por ação de elementos de aquecimento por indução eletromagnética;12) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 11, characterized in that the convection in liquid silicon is natural by horizontal temperature gradient control; or be forced mechanically by action of a stirrer or forced by action of heating elements by electromagnetic induction; 13) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o silício utilizado como matéria prima ser silício grau metalúrgico, químico, solar ou silício com teores de impurezas intermediários entre os que definem essas denominações e por estar no estado líquido, sólido ou mistura dos dois estados;13) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 11, characterized in that the silicon used as raw material is metallurgical, chemical, solar or silicon grade with intermediate impurity content between those which define these denominations and being in the liquid, solid or mixture state of the two states; 14) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o molde (14) para solidificação ser previamente recoberto com material apropriado para evitar que ocorra a aderência do lingote ao molde (14);14) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 11, characterized in that the solidification mold (14) is previously covered with suitable material to prevent the ingot from adhering to the mold (14); 15) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por o molde (14) para solidificação ser previamente recoberto com solução de nitreto de silício (SÍ3N4);15. "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 14, characterized in that the solidification mold (14) is previously coated with silicon nitride solution (Si3 N4); 16) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o silício a ser purificado ser carregado no molde (14) em quantidade suficiente para produzir um lingote final com altura entre 70 e 130 mm, em seguida o molde (14) ser posicionado na base principal (3) do equipamento, fechado com uma tampa (13) e descer sobre ele a câmara de aquecimento (1); após o fechamento da câmara de aquecimento (1), o tubo para injeção de argônio no molde (14) ser posicionado utilizando os acessos no topo da câmara de aquecimento (1), como mostrado nas Figuras 1 e 2; em seguida se iniciar o aquecimento simultaneamente com a injeção de argônio no molde;16. "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 11, characterized in that the silicon to be purified is loaded into the mold (14) sufficiently to produce a final ingot with a height between 70 and 130 mm, then the mold (14) is positioned on the main base (3) of the equipment, closed with a lid (13) and the heating chamber (1) is lowered thereon; After closure of the heating chamber (1), the argon injection tube in the mold (14) is positioned using the fittings at the top of the heating chamber (1), as shown in Figures 1 and 2; then heating begins simultaneously with the injection of argon into the mold; 17) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11 e 16, caracterizado por a injeção de argônio ser realizada com vazão de 2 a 60 L/min;17) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claims 11 and 16, characterized in that the argon injection is carried out at a flow rate of 2 to 60 L / min; 18) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11 e 16, caracterizado por o aquecimento do molde (14) ser realizado com diferentes taxas de aquecimento com um patamar na curva de aquecimento em qualquer temperatura entre 1414 °C e 1600 °C, devendo ser observada durante o aquecimento uma etapa para fusão do silício, se necessário, e após a fusão completa da carga de silício, o conjunto ser aquecido até 1600 °C, permanecendo nessa temperatura por um período de 30 a 60 minutos para homogeneização da temperatura;18. "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claims 11 and 16, characterized in that the heating of the mold (14) is carried out at different heating rates with a plateau in the heating curve at any temperature between 1414 ° C. ° C and 1600 ° C and a melting step should be observed during heating, if necessary, and after complete melting of the silicon charge, the assembly shall be heated to 1600 ° C, remaining at that temperature for a period of 30 ° C. at 60 minutes for temperature homogenization; 19) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por após o término do período de homogeneização da temperatura se realizar uma etapa de resfriamento para solidificação do lingote de silício, onde a base móvel isolante (4) é retirada da sua posição e em seu lugar é posicionada a base móvel com a coquilha de cobre (4) refrigerada à água, sendo o resfriamento da coquilha realizado em vazão de água entre 2 e 100 L/min e a redução de temperatura do conjunto de elementos de aquecimento do topo ocorrer com taxa entre 0,1 e 2,5 °C/min até que a temperatura no conjunto de topo atinja 1200 °C e, a partir desse instante, o equipamento ser desligado e o conjunto resfriado naturalmente;19) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 11, characterized in that after the completion of the temperature homogenization period a cooling step is performed for solidification of the silicon ingot, where the insulating movable base ( 4) it is removed from its position and the mobile base with the water-cooled copper cup (4) is positioned in its place, with the cooling of the cup made in water flow between 2 and 100 L / min and the temperature reduction. top heating element assembly occurs at a rate between 0.1 and 2.5 ° C / min until the temperature in the top assembly reaches 1200 ° C and thereafter the equipment is turned off and the set is cooled down. naturally; 20) “PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado por em caso de uso de agitador mecânico, ele ser acionado imediatamente antes do inicio da etapa de resfriamento, em rotação de 10 a 500 rpm; "PROCESSO DE PURIFICAÇÃO DE SILÍCIO POR SOLIDIFICAÇÃO DIRECIONAL”, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por após o resfriamento, o lingote de silício obtido ser desmoldado, limpo para retirar vestígios do molde (14) e cortado no centro no sentido longitudinal para observação da macroestrutura formada e definição do ponto em que será realizado um corte no sentido transversal para separação da região purificada da região em que foram concentradas as impurezas.20) "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 19, characterized in that if a mechanical stirrer is used, it is actuated immediately before the start of the cooling step in rotation of 10 to 500 rpm; "DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SILICON PURIFICATION PROCESS" according to claim 11, characterized in that after cooling, the obtained silicon ingot is demolded, cleaned to remove traces of the mold (14) and cut in the center longitudinally for observation. the macrostructure formed and definition of the point at which a cross-sectional cut will be made to separate the purified region from the region where the impurities were concentrated.