KR20160026836A - 방향성 고체화 시스템 및 방향성 고체화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 신속한 방향성 고체화를 이용하여 재료를 정제하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 나타내어진 장치 및 방법은 방향성 고체화 동안에 온도 구배 및 냉각 속도를 제어하도록 제공되어, 고순도의 재료를 산출한다. 본 발명의 장치 및 방법은 태양 전지(solar cell)와 같은 태양 응용기기에서의 사용을 위한 실리콘 재료를 제조하기 위해 이용될 수 있다.

Description

방향성 고체화 시스템 및 방향성 고체화 방법{DIRECTIONAL SOLIDIFICATION SYSTEM AND METHOD}
본 출원은 그 전체가 인용에 의해 본 명세서에 포함되는 2013년 3월 14일자로 출원된 미국 가특허출원 제61/784,838호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
태양 전지는 태양광을 전기 에너지로 변환하는 능력을 이용함으로써 실행 가능한(viable) 에너지원이 될 수 있다. 실리콘은 반도체 재료이며 태양 전지의 제조에 사용되는 새로운 원재료이다; 전지의 전기적 성질, 즉 변환 효율(conversion efficiency)은 실리콘의 순도에 상당히 의존한다. 실리콘을 정제하기 위해 몇 가지 기술이 사용되고 있다. 가장 잘 알려진 기술은 '지멘스 공정(Siemens process)'으로 불린다. 이 기술은 실리콘 내에 존재하는 단 하나의 불순물도 거의 제거하도록 한다. 그러나, 이 기술은 불순물을 제거하기 위해 실리콘을 기체상(gas phase)으로 생산하고 고체상(solid phase)으로 재침전하도록 요구된다. 본 특허에서 설명하는 기술은 실리콘을 액체상(liquid phase)으로 용융하고 '방향성 고체화(directional solidification)'로 불리는 기술을 이용하여 실리콘을 고체화함으로써 불순물을 매우 효과적으로 제거하도록 한다. 이 기술은 매우 잘 알려진 반면, 본 특허는 방향성 고체화를 사용하는 새로운 방법에 초점을 맞추어 공정 비용을 상당히 줄이도록 한다.
태양 전지용 정제된 실리콘 결정을 만들기 위해 이용되는 기술이 알려져 있다. 이들 기술의 대부분은 실리콘 결정이 용융 실리콘 용액으로부터 고체화되는 동안, 원하지 않는 불순물이 용융 용액에 남는 원리로 작동한다. 일 예의 기술인 부유 구역 기술(float zone technique)은, 이동 액체를 이용하는 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 제조하기 위해 사용될 수 있어, 제거를 위해 불순물을 몰드의 엣지(edge)를 향하도록 액체를 이동시킨다. 다른 예의 기술인 초크랄스키(Czochralski) 기술은, 용융 용액으로부터 천천히 빠져 나오는 종자 결정(seed crystal)을 이용하는 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위해 사용될 수 있어, 용액에 불순물을 남기면서 실리콘의 단결정 칼럼(column)을 형성하도록 한다. 브릿지맨(Bridgeman) 또는 열교환기 기술과 같은 또 다른 예의 기술은, 방향성 고체화를 야기하는 제어된 냉각 속도를 가지는 온도 구배의 형성을 통해 실리콘 다중결정(multicrystalline) 잉곳을 제조하기 위해 사용될 수 있다.
도면에서, 몇 가지의 측면에 걸쳐 유사한 요소를 설명하기 위해 유사한 숫자가 사용될 수 있다. 유사한 요소의 다른 측면을 나타내기 위해 다른 문자 접미어(suffix)를 갖는 유사한 숫자가 사용될 수 있다. 도면은 예시의 형태이지만 한정하지 않는 방식으로, 본 문서에서 논의된 다양한 실시예를 일반적으로 나타낸다.
도 1은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 시스템의 등축도(isometric view)를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 몰드의 단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 히터의 평면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 히터의 측면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 시스템의 측면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 몰드의 측면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따른 몰드의 베이스부의 등축도를 나타낸다.
이하 상세한 설명에서, 첨부 도면을 참조한다. 도면은 설명의 일부를 형성하며 예시의 형태이지만 한정하지 않는 방식으로 제공된다. 도면 실시예는 당업자가 본 주제를 실행 가능하도록 충분히 상세하게 기술된다. 다른 실시예가 활용될 수 도 있으며, 기계적, 구조적, 또는 재료의 변화가 본 특허 문서의 영역으로부터 벗어나지 않도록 이루어질 수도 있다.
개시된 주제의 어떤 예에 대해 상세하게 참조할 것이며, 어떤 예 중 몇 가지는 첨부 도면에 도시된다. 개시된 주제가 첨부 도면과 함께 대체로 설명될 것이며, 이러한 설명은 개시된 주제를 이들 도면에 한정하도록 의도되지 않음을 이해해야 한다. 반면, 개시된 주제는 모든 대체물, 변형물, 및 등가물을 포함시키도록 의도되어지며, 이것은, 청구범위에 의해 정의된 바와 같이, 현재 개시된 주제의 영역 내에 포함될 수 있다.
명세서에서의 "일 실시예", "하나의 실시예", "하나의 예시적 실시예" 등에 대한 참조는 서술된 실시예가 특별한 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있음을 나타내지만, 모든 실시예가 반드시 특별한 특징, 구조 또는 특성을 포함하는 것은 아니다. 게다가, 이러한 구절은 반드시 동일 실시예를 나타내는 것은 아니다. 또, 특별한 특징, 구조 또는 특성이 하나의 실시예와 연관지어 서술될 때, 명백하게 기술되었는지 여부에 따라 다른 실시예와 연관지어지는 그러한 특징, 구조 또는 특성에 영향을 미치는 것이 당업자의 지식 내에 있음이 제기된다.
이 문서에서, 용어 "하나"는 하나 또는 하나 이상을 포함하도록 사용되며, 용어 "또는" 은 별도의 표시가 없으면 배타적이니 않은 "또는"을 나타내도록 사용된다. 게다가, 여기에 채용된 어법 또는 용어는, 별도로 정의되지 않으면, 오직 상세한 설명을 위한 것이며 한정하지 않음을 이해해야 할 것이다.
본 주제는, 몰드를 통해 고체-액체 계면(solid-liquid interface)의 일정한 진행을 유지하는 동안, 방향성 고체화 기술을 사용하는 실리콘 정제를 위한 몰드, 몰드 시스템, 및 관련 방법에 관한 것이다. 방향성 고체화로부터 얻어진 정제된 실리콘은 태양 전지에 사용될 수 있다. 몰드 내에서 온도 구배를 제어함으로써, 고도로 제어된 방향성 고체화가 수행될 수 있음을 알았다. 실리콘의 정제가 아래 예에서 가장 상세하게 기술되어 있음에도 불구하고, 서술된 시스템 및 방법은 방향성 고체화 및 사파이어(sapphire)와 같은 다른 물질의 정제를 위해 사용될 수도 있다.
방향성 결정화(directional crystallization)는 일반적으로 저부로부터 상부로 진행하며, 이에 원하는 온도 구배는 저부에서 보다 낮은 온도를 가지고 상부에서 보다 높은 온도를 가진다. 온도 구배 및 대응하는 방향성 결정화에 대한 고도의 제어는 보다 효과적인 방향성 고체화를 유리하게 할 수 있어, 보다 높은 순도의 실리콘을 생산한다.
도 1은 실리콘의 방향성 고체화를 위한 몰드 시스템(100)의 구체적인 실시예를 도시한다. 시스템은 몰드(120)의 상부 상에 또는 그 근처에 위치된 상부 히터(110)를 포함할 수 있다. 상부 히터(110)는 하나 이상의 체인(101)에 의해 지지될 수 있으며, 체인(101)은 수직 구조 부재(103)의 구멍(102)을 가지는 제1 단부에 결합되어 있다. 이 예에서의 체인(101)은 브리들(bridle)을 형성하여, 상부 히터(110)가 크레인(carne) 또는 다른 리프팅(lifting) 시스템을 사용하여 이동되도록 한다. 또한, 시스템(100)은, 몰드(120) 상에 상부 히터(110)를 놓아 둔 채로, 예를 들면, 포크(fork) 또는 가위형 리프트(scissor lift) 상에 몰드(120)를 위치시키는 것에 의해 이동될 수도 있다. 스크린 박스(106)는 외부 몰드 자켓(outer mold jacket)으로부터 돌출하는 부재를 가열하는 상부 히터(110)의 단부를 두를 수 있어, 이 부재의 단부 및 그 근처에 존재하는 열 및 전기로부터 사용자를 보호한다.
수직 구조 부재(103)는 상부 히터(110)의 저부 엣지로부터 상부 히터(110)의 상부 엣지로 연장될 수 있다. 수직 구조 부재(103)는 상부 히터(110)의 외부 몰드 자켓의 외면에 위치될 수 있으며, 외면에 수직한 방향으로 외측으로 연장될 수 있다. 또한, 상부 히터는 상부 히터(110)의 외부 몰드 자켓의 외면에 위치된 수평 구조 부재(104)를 포함할 수도 있으며, 외면에 수직한 방향으로 외측으로 연장될 수 있다.
상부 히터(110)는 히터의 외부 몰드 자켓의 일부를 형성하는 립(lip)(105)을 포함할 수 있다. 립은 외부 몰드 자켓으로부터 외측으로 돌출될 수 있으며, 상부 히터(110)의 중심축을 향해 내측으로 연장될 수 있어, 어떤 존재하는 절연부의 두께를 커버할 수 있다. 대안적으로, 립(105)은 상부 히터(110)의 외부 몰드 자켓의 저부 엣지를 충분히 커버하도록 내측으로만 연장될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 몰드(120)로부터의 절연층(111)은 상부 히터(110) 및 몰드(120) 사이에 연장될 수 있다. 다양한 예에서, 몰드(120)의 하나 이상의 절연층(111)의 적어도 일부는 몰드의 외부 자켓의 높이 이상으로 연장될 수 있다. 상부 히터(110)와 유사하게, 몰드(120)는 수직 구조 부재(112)를 포함할 수 있다. 수직 구조 부재(112)는 몰드(120)의 외부 자켓의 외면에 위치될 수 있으며 외면에 수직한 방향으로 외측으로 연장될 수 있다. 수직 구조 부재(112)는 몰드(120)의 저부 엣지로부터 몰드(120)의 상부 엣지로 연장될 수 있다. 또한, 몰드(1120)는 하나 이상의 수평 구조 부재(113)를 포함할 수도 있다. 수평 구조 부재(113)는 몰드(120)의 외부 자켓의 외면에 보여지며, 외부 몰드 자켓으로부터 외측으로 연장된다. 수평 구조 부재(113)는 실리더형 몰드(112)의 둘레 또는 비실린더형(non-cylindrical) 몰드의 하나 이상의 측면을 따라 수평으로 연장될 수 있다. 몰드(112)는 십자형(criss-crossing)의 저면 구조 부재(114, 115)를 포함할 수도 있다. 저면 구조 부재(114, 115)는 몰드(112)의 저면을 가로질러 연장될 수 있다. 어떤 저면 구조 부재(115)는 포크 또는 가위형 리프트 또는 다른 기계가 시스템(100)을 물리적으로 조작(예를 들면, 이동)시키도록 형상화 및 규격화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드(200)를 나타낸다. 몰드(200)는 측벽(201) 및 바닥(202)을 포함하는 외부 몰드 자켓(210)을 포함하여, 저면(212) 및 벽 절연 구조체(220)를 둘러싼다. 일 예에서, 측벽(201) 및 바닥(202)은 일체로 형성된다. 다른 예에서, 측벽(201) 및 바닥(202)은 볼트 체결되거나, 그렇지 않으면 외부 몰드 자켓(210)을 형성하도록 함께 기계적으로 연결된다.
몰드(200)는 상당한 양의 용융 실리콘을 수용하는 몰드(200) 내에서 내부(201)를 형성한다. 일 예에서, 벽 절연 구조체(220)는 서로 바로 옆에 위치된 다수의 다른 물질을 포함하는 복합 구조체이다. 복합의 벽 절연 구조체(220)의 하나의 이점은 합성 구조체의 각 구성요소의 재료 및 기하학 구조의 선택에 의한 온도 구배를 제어하는 능력을 포함한다. 복합의 벽 절연 구조체(220)의 다른 이점은 몰드의 비용을 줄일 수 있는 능력을 포함한다. 고비용, 고내열성 재료는 용융 실리콘이 접촉되어질 노출된 표면에 이용되고, 이에 반면에 저내열성을 가지는 저비용 재료는 복합의 구조체가 용융 실리콘으로부터 떨어져 진행할 때 층층이 쌓여진다.
일 예에서, 벽 절연 구조체(220)는 제1 두께(224)를 가지는 몰드(200)의 림(222)으로부터 제1 두께(224) 보다 얇은 제2 두께(228)를 가지는 저면(212)을 가지는 저면 인터페이스(226)로 갈수록 두께가 점점 가늘어진다. 일 예에서 제2 두께는 제1 두께 보다 약 25% 얇다. 공정중에, 벽 절연 구조체(220)의 테이퍼(taper)는 열 구배(thermal gradient)를 제공하여 방향성 고체화 동안 실리콘에서의 액체-고체 계면의 바람직한 진행을 제공한다. 일 예에서, 벽 절연 구조체(220)의 테이퍼는 액체 상태에서 용융면을 유지하기 위해 용융면 상부 근처에 보다 많은 절연부를 제공하고, 반면 보다 적은 절연부는 저면(212)을 가지는 저면 인터페이스 근처에 제공되어 몰드(200)의 저면에서 냉각을 용이하게 한다.
일 예에서, 벽 절연 구조체(220)는 노출층(230)을 포함하여 방향성 고체화 공정 중에 용융 실리콘과 직접적으로 접촉하게 될 것이다. 일 예에서, 노출층(230)은 용융 실리콘을 함유하도록 (조립된 벽돌층 등과 반대로) 실질적으로 연속적이다. 양호한 열 특성을 포함하는 하나의 재료는 Al2O3와 같은 형태로서 산화 알루미늄을 포함한다. 일 예에서, 산화 알루미늄은 실질적으로 순수한 Al2O3이며, 용융 실리콘 내에서 노출층(230)으로부터의 불순물을 최소화한다. 일 예에서, Al2O3은 98% 순수한 Al2O3 보다 더 많다. 일 예에서, 노출층(230)은 벽 절연 구조체(220)의 상부면(231)을 둘러싼다. 이 구성의 특징은 노출층(230)과 같이 높은 온도에 대해 내열성을 가질 수 없을 수 있는 벽 절연 구조체(220) 내에 내부 구조 또는 내부 층을 위한 보호물을 포함한다. 이 구성의 다른 특징은 벽 절연 구조체(220) 내에서 다른 층에 함유될 수 있는 잠재 오염물로부터 용융 실리콘의 격리를 포함한다.
일 예에서, 벽 절연 구조체(220)는 노출층(230)을 가지는 인터페이스를 형성하는 내화 벽돌(refractory brick)층(232)을 더 포함한다. 일 예에서, 내화 벽돌층(232)은 Al2O3를 포함한다. 내화 벽돌층(232)은 벽 절연 구조체(220)에 대한 인성(toughness)과 같이 원하는 구조적 성질을 제공할 수 있다. 일 예에서, 내화 벽돌층(232)은 1540℃ 이하 등급의 벽돌을 포함한다. 일 예에서, 내화 벽돌층(232)은 1430℃ 이하 등급의 벽돌을 포함한다. 내화 벽돌(232)의 선택에 있어서, 용융 실리콘의 원하는 구배를 위해 필요한 두께 및 열 특성, 및 비용, 강도, 및 인성과 같은 다른 특성과 같은 특성 조합이 고려되어진다.
일 예에서, 벽 절연 구조체(220)는 미공성(microporous) 내화 벽돌(236)을 더 포함한다. 일 예에서, 미공성 내화 벽돌층(236)은 1000℃ 이하로 등급된다. 미공성 내화 벽돌층(236)에서의 구멍(pore)은 양호한 절연 특성을 제공한다. 선택된 예에서 세라믹 섬유 절연층은 선택된 층 사이에 포함된다. 일 예에서, 제2 세라믹 섬유층(234)은 미공성 내화 벽돌층(236) 및 내화 벽돌층(232) 사이에 포함된다. 세라믹 섬유층의 예는 판(board), 유연한 천(flexible fabric), 또는 다른 구성을 포함한다.
일 예에서 벽 절연 구조체(220)에서의 하나 이상의 층은 벽 절연 구조체(220)의 림(222)으로부터 벽 절연 구조체(220)의 저면(226)까지 점점 가늘어지며, 벽 절연 구조체(220)는 저면(212)과 인터페이스를 형성한다. 도 2에 나타내어진 예에서, 노출층(230) 및 내화 벽돌층(232) 모두 림(222)으로부터 저면(226)으로 점점 가늘어지고, 이에 반면 미공성 내화 벽돌층(236)은 일정한 두께(242)를 유지한다. 일 예에서 미공성 내화 벽돌층(236)은 외부 몰드 자켓(210)을 따라, 그리고 또 외부 몰드 자켓(210)의 저면의 적어도 일부 상의 코너(240) 둘레에서 일정한 두께(242)를 유지한다. 이 구성은 실리콘의 냉각 속도의 정밀한 제어를 제공한다.
일 예에서, 저면(212)은 하나 이상의 열전도층을 포함한다. 도 2에 나타내어진 예에서는, 두 개의 열전도층이 나타내어진다. 그라파이트(graphite) 함유층(214)이 나타내어지고, 실리콘 카바이드층(216)이 나타내어진다. 실리콘 카바이드 및 그라파이트와 같은 재료는 바람직한 높은 열 전도성 특성 및 높은 내열성 특성을 가진다. 나타내어진 예에서, 저면(212)은, 실리콘 자체를 녹이거나 오염시키지 않고, 용융 실리콘으로부터의 열을 몰드(200)의 저면 밖으로 전도한다. 두 개의 층(214, 216)이 나타내어져 있을지라도, 다른 실시예는 두 층 이상 또는 오직 하나의 층을 포함할 수도 있다.
일 예에서, 본 발명이 이와 같이 한정되지 않음에도 불구하고, 그라파이트 함유층(214)은 세미(semi) 그라파이트를 포함한다. 일 예에서, 그라파이트 함유충(214)은 밀도를 높인 그라파이트를 포함한다. 그라파이트 함유층(214)은 두 배로 밀도를 높인 그라파이트를 포함한다. 일 예에서, 그라파이트 함유층(214)은 층으로 조립된 다수의 그라파이트 벽돌을 사용하여 형성된다. 다른 예는 연속적인 그라파이트 시트, 또는 캐스트(cast) 그라파이트층을 포함한다. 일 예에서 그라파이트 함유층(214)은 약 1 내지 2 인치 사이의 두께를 가진다. 일 예에서 그라파이트 함유층(214)은 약 2 인치의 두께를 가진다.
일 예에서, 실리콘 카바이드층(216)은 층으로 조립된 다수의 실리콘 카바이드 벽돌을 사용하여 형성된다. 일 예에서, 실리콘 카바이드층(216)은 연속적인 실리콘 카바이드 시트이다. 일 예에서, 실리콘 카바이드층(216)은 현장에서 주조된다. 일 예에서, 실리콘 카바이드층(216)은 2 내지 3 인치 사이의 두께를 가진다. 일 예에서 실리콘 카바이드층(216)은 약 2.5인치 두께를 가진다. 일 예에서, 실리콘 카바이드 층(216)은 내화 바인더 재료에서 실리콘 카바이드 캐스트를 중량으로 약 80%를 포함한다.
도 2에 나타내어진 예에서, 실리콘 카바이드층(216)은 그라파이트 함유층(214) 위에 형성된다. 이러한 구성에서, 실리콘 카바이드층(216)은 그라파이트 함유층(214)과 같은 후속층에 포함될 수도 있는 잠재 불순물에 대한 배리어(barrier)를 제공한다.
도 2에 나타내어진 예에서, 그라파이트 함유층(214)은 외부 몰드 자켓(210)의 저면에 인접하게 위치된다. 이러한 구성에서, 그라파이트 함유층(214)은, 아래에서 보다 상세하게 서술되는 바와 같이, 외부 몰드 자켓(210) 및 외부 몰드 자켓(210)에 위치된 냉각 팬에 향상된 열 전도성을 제공한다. 일 예에서, 본 내용에 서술된 몰드 및 몰드 시스템의 구성은 약 1-2cm/h의 속도로 고체화를 전진시킬 수 있다. 일 예에서, 본 내용에 기술된 몰드 및 몰드 시스템의 구성은 약 10cm/h 이상의 속도로 고체화를 전진시킬 수 있다.
도 3은 액체 상태에서 용융 실리콘의 상부면을 유지하는 것을 더 용이하게 할 수 있는 상부 히터(300)를 도시한 것이며, 고체화는 몰드의 저부로부터 상부로 바람직하게 진행한다. 상부 히터(300)는 하나 이상의 가열 부재(310)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 부재 각각은 어느 적절한 재료를 독립적으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 가열 부재(310) 각각은 가열 요소를 독립적으로 포함할 수 있으며, 가열 요소는 실리콘 카바이드, 몰리브덴 디실리사이드(molybdenum disilicide), 그라파이트, 구리, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다; 그리고, 하나 이상의 가열 부재 각각은 대신에 인덕션 히터(induction heater)를 독립적으로 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하나 이상의 가열 부재(310)는 대략 동일 높이에 위치된다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 가열 부재는 다른 높이에 위치된다.
일 예에서, 상부 히터(300)는 가열 부재(310)를 포함한다. 일 예에서, 가열 부재(310)는 거리(312)도 거의 동일하게 떨어져 있다. 일 예에서, 거리(312)는 대략 54 인치이다. 가열 부재의 위치 및 가열 부재의 수와 같은 변수는 공정 동안 실리콘에 형성된 열 구배에 중요하다. 열 구배에서의 작은 변화는 방향성 고체화 동안 실리콘에서의 액체-고체 계면 부분의 원하지 않은 진행을 야기할 수도 있다. 예를 들면 용융 실리콘의 표면을 고체화하여 잉곳 내에 용융 내부를 가두게 하는 것은 바람직하지 않다. 실리콘의 가두어진 용융부는 원하지 않은 불순물 레벨을 포함할 수도 있어 생산된 실리콘 재료의 성능에 불리하게 영향을 미친다.
다수의 가열 부재(310) 및 가열 부재(310)의 측부 공간에 더하여, 일 예에서, 가열 부재(310)는 용융면 상에서 대략 1.9 인치인 거리(314)가 되도록 위치된다. 일 예에서, 가열 부재(310)의 직경은 대략 2 인치이다. 선택된 가열 부재(310)의 수 및 가열 부재(310)의 측부 공간에 따라, 가열 부재(310)의 직경 및 용융면 상의 거리와 같은 선택된 치수가 방향성 고체화 동안 실리콘에서의 액체-고체 계면 부분의 바람직한 진행을 제공함을 본 내용에서 알게 되었다.
일 예에서, 가열 부재(310) 및 실리콘 용융면으로부터 산소와 같은 가스를 제거하기 위해 상부 히터(300)에 통기 구멍(302)이 제공된다. 일 예에서, 통기 구멍(302)을 통하여 원하지 않은 가스를 제거하기 위해 진공 펌프(미도시)가 통기 구멍(302)에 연결된다. 일 예에서, 대략 1 내지 2 인치 사이의 직경을 가지는 오직 하나의 통기 구멍(302)이 상부 히터(300)에 이용된다. 일 예에서, 하나의 통기 구멍(302)은 대략 1 인치의 직경을 가진다. 적절한 치수의 하나의 통기 구멍과 같은 변수는 실리콘 용융면의 원하지 않은 냉각을 유도하지 않으면서 원하지 않은 가스를 효과적으로 제거하는 것을 알았다.
일 예에서, 가열 요소는 어떤 이점을 가지는 실리콘 카바이드를 포함한다. 예를 들면, 실리콘 카바이드 가열 요소는 산소가 있을 때 고온에서 부식하지 않는다. 진공 챔버를 사용함으로써 부식시킬 수 있는 재료를 포함하는 가열 요소에 대한 산소 부식은 줄일 수 있으나, 실리콘 카바이드 가열 요소는 진공 챔버 없이 부식을 피할 수 있다. 게다가, 실리콘 카바이드 가열 요소는 엣지에서의 차가운 구역(cool zone), 및 가열 요소의 중앙에서의 뜨거운 구역(hot zone)과 같은 다수의 활동 구역(working zone)을 가지는 수냉식 납(water-cooled lead)이 없이 사용될 수 있다. 일 실시예서, 가열 요소는 진공 챔버에서, 수냉식 납으로 또는 둘 사 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 가열 요소는 진공 챔버 없이, 수냉식 납 없이, 또는 진공 챔버 및 수냉식 납 모두 없이 사용된다.
일 실시예에서, 하나 이상의 가열 요소(310)는 인덕션 히터이다. 인덕션 히터는 하나 이상의 내화 재료로 주조될 수 있다. 인덕션 가열 코일 또는 코일들을 포함하는 내화 재료는 몰드 상에 위치될 수 있다. 내화 재료는 어느 적절한 재료일 수 있다. 예를 들면, 내화 재료는 산화 알루미늄, 산화 실리콘, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 지르코늄, 산화 크롬, 실리콘 카바이드, 그라파이트, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 인덕션 히터는 하나 이상의 내화 재료로 주조되지 않는다.
상부 히터는 절연부를 포함할 수 있으며, 예를 들면 도 4에 나타내어진 상부 히터(300)는 절연부(316)를 포함한다. 절연부는 어느 적절한 절연 재료를 포함할 수 있다. 절연부는 하나 이상의 절연 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 절연부는 절연 벽돌, 내화물, 내화물의 혼합물, 절연판, 세라믹 종이, 고온 울(wool), 캐스트(cast) 절연 재료, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 절연판은 고온 세라믹판을 포함할 수 있다. 일 예에서, 절연부(316)는 가열 부재(310) 둘레에 주조되어, 보다 튼튼하게 하며, 가열 부재(310) 둘레에서의 부품의 변형을 방지하기 위해 열 충격에 대해 저항하게 한다. 어느 적절한 주조 재료는 주식회사 모건 써멀 세라믹스(Morgan Thermal Ceramics)로부터의 등록상표 카올라이트 3300(Kaolite® 3300)을 포함한다.
상부 히터는 외부 자켓을 포함할 수 있으며, 예를 들면 도 3에 나타내어진 상부 히터(300)는 외부 자켓(304)을 포함한다. 외부 자켓은 어느 적절한 재료를 포함할 수 있다. 예를 들면, 외부 자켓은 스틸 또는 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 외부 자켓은 스틸, 스테인리스 스틸, 구리, 주철(cast iron), 내화 재료, 내화 재료의 혼합물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 절연부(316)는 하나 이상의 가열 부재 및 외부 자켓 사이에 적어도 부분적으로 배치된다. 도 4에서, 외부 자켓(304)의 저부 엣지는 절연부의 저부 엣지와 대략 평평하게 나타내어진다.
상부 히터에서의 변형은, 본 발명의 범위 내에서, 가능하다. 예를 들면, 외부 자켓(304)의 엣지는 절연부(316)의 엣지 및 하나 이상의 가열 부재(310) 아래로 연장될 수 있다. 다른 예에서, 외부 자켓(304)의 엣지는 절연부(316)의 엣지 아래, 하나 이상의 가열 부재 아래, 또는 이들의 조합 아래로 연장될 수 있다. 일 예에서, 외부 자켓(304)은 절연부(316)의 저부 엣지 아래로 연장될 수 있으며, 절연부의 저부 엣지를 완전히 또는 부분적으로 걸쳐서 이어진다. 어떤 실시예에서, 절연부의 엣지를 커버하는 외부 자켓(304)의 일부분은, 적절한 내화 재료, 산화 알루미늄, 산화 실리콘, 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 지르코늄, 산화 크롬, 실리콘 카바이드, 그라파이트, 또는 이들의 조합물과 같이, 상대적으로 낮은 전도성을 가지는 재료를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 외부 자쳇(304)은 절연부의 저부 엣지 또는 하나 이상의 가열 부재의 높이 아래로 연장되지 않는다. 다른 예에서, 외부 자켓(304)은 하나 이상의 가열 부재(310)의 높이 아래로 연장하지만, 절연부(316)의 저부 엣지 상에 여전히 있다.
상기 논의된 바와 같이, 장치에서 온도 구배를 제어함으로써, 고도로 제어된 방향성 고체화가 달성될 수 있다. 온도 구배 및 대응하는 방향성 고체화에 대한 고도의 제어는 보다 효과적인 방향성 고체화를 허용할 수 있어, 고순도의 실리콘을 제공한다. 본 발명에서, 방향성 고체화는 대략 저부로부터 상부로 진행하고, 이에 원해지는 온도 구배는 저부에서 보다 낮은 온도를 가지고 상부에서 보다 높은 온도를 가진다. 상부 히터를 가지는 실시예에서, 상부 히터는 방향성 고체화 몰드의 상부로부터 열의 유입 또는 손실을 제어하기 위한 하나의 방법이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방향성 고체화 시스템(500)을 나타낸다. 몰드(501)는 벽 구조체(502) 및 베이스(504)에 의해 형성된다. 몰드(501)는 용융 실리콘(503)의 체적을 수용하도록, 그리고 방향성 고체화 공정시 용융 실리콘(503)을 냉각하도록 구성된다. 시스템(500)은 또한 용융 실리콘(501)의 열 구배 및 냉각 속도를 제어하기 위한 상부 히터(520)를 포함한다. 상부 히터(520)는 다수의 가열 요소(522)로 나타내어지며, 다른 실시예에서 상기 서술된 상부 히터와 유사하다.
지지 구조체(510)는 공간(511)을 형성하도록 바닥(512) 상에 거리를 두고 몰드(501)를 유지하도록 나타내어진다. 일 예에서, 공기 또는 다른 냉각 매체의 흐름은 공간(511) 내에서 제어되어 몰드(501)의 베이스(504)에서의 냉각 속도를 제어한다. 일 예에서, 공간(511) 내에서 공기 또는 다른 냉각 매체를 이동시키기 위해 하나 이상의 유로가 제공된다. 도 5에, 유로(540)가 나타내어진다. 두 개의 유로가 선택된 예에서 사용될지라도, 다른 예는 두 개 이상의 유로, 또는 오직 하나의 유로를 포함한다. 하나의 유로는 동시에 유입구 및 유출구로서의 역할을 할 수도 있다.
도 5는 팬 또는, 공기 또는 다른 냉각 매체의 다른 활동 이동자(active mover)와 같은 공기 순환 시스템(550)을 더 포함한다. 일 예에서, 공기 순환 시스템(550)은 베이스(504)의 대략 중앙에 위치된 수평 팬을 포함한다. 또한 도 5에는 제1 배플(baffle)(530) 및 제2 배플(534)이 나타내어진다. 제1 배플(530)은 공간(532)을 조절하도록 방향(531)으로 이동 가능하고, 몰드(501) 아래의 공간(511)으로 개량된 접근(metered access)을 제공한다. 유사하게, 제2 배플(534)은 공간(536)을 조정하도록 방향(535)으로 이동 가능하고, 몰드(501) 야래의 공간(511)으로 개량된 접근을 제공한다. 공정중, 배플(530 및 534)와 같은 하나 이상의 배플이 공간(511) 내의 순환 및 냉각 상태를 변화시키도록 이동된다. 일 예에서 순환 장치(538)의 속도는 배플(530 및 534)와 같은 하나 이상의 배플을 따라 변화될 수도 있다.
일 예에서, 다수의 냉각 구조체(예를 들면, 핀(fin))가 공간(511) 내에 위치되고 몰드(501)의 베이스(504)에 연결된다. 냉각 구조체는 열을 몰드의 베이스(504)로부터 멀리 전도하는 능력을 향상시킨다. 그러나, 공간(511)이 배플(530 및 534)에 의해 폐쇄되면, 냉각이 베이스(504)에서 덜 발생할 것이다.
일 예에서, 베이스(504)는 상기 예에서 서술된 바와 같이 그라파이트 함유층을 포함한다. 일 예에서, 베이스(504)는 다수의 열전도층을 포함한다. 일 예에서, 베이스(504)는 상기 예에서 서술된 바와 같이 실리콘 카바이드층을 더 포함한다.
일 예에서, 베이스(504)에는 금속 열 확산층(506)이 더 포함된다. 일 예에서, 금속 열 확산층(506)은 용융 실리콘(503)으로부터 떨어져 위치된다. 일 예에서, 금속 열 확산층(506)의 두께는 가열 및 냉각시의 열의 힘으로 인한 비틀림(warpage)을 충분히 방지할 정도 만큼의 두께이지만 양호한 열 전도를 제공하도록 충분히 얇다. 일 예에서, 금속 열 확산층(506)은 대략 0.75 인치의 두께의 층을 포함한다.
일 예에서, 베이스(504)에서의 열 전달(heat transfer)은 재료 선택에 의해 제한되며, 그라파이프 열 함유층은 오직 실리콘 카바이드 베이스층을 가지는 실시예에 향상된 열 전도를 제공한다.
도 5에 나타내어진 바와 같이, 일 예에서 배플(530 및 534)은 몰드(501)의 벽(502) 모두를 커버하고 몰드(501) 아래의 공간(511)에 대한 접근을 선택적으로 커버하는 절연벽을 포함한다. 몰드(501)의 벽(502)에 인접하는 추가 범위는 벽(502)에 대한 영역에서의 용융 실리콘(503)을 더 절연하고 베이스(504)에서 고체화 전에 벽에 대해 덜 바람직한 고체화를 방지한다. 일 예에서, 배플(530 및 534)의 절연벽은 또한 몰드(501)와 상부 히터(520) 사이의 인터페이스(524)를 커버한다. 이 구성은 이 인터페이스(524)에서의 열 손실에 대한 추가적 보호를 제공한다. 배플 재료의 예는 상기 실시예에서 서술된 바와 같은 내화 재료 또는 다른 열 절연 재료를 포함한다.
공정중에, 배플(530 및 534)은 다수의 방법으로 제어될 수 있다. 일 예에서 배플(530 및 534)은 방향성 고체화 공정 동안 한번 셋팅되는 인접 가능한 공간(532, 504)을 제공한다. 일 실시예에서, 하나 이상의 배플(530 및 534)은 유로(540, 542)를 점진적으로 개방하도록 방향(531, 535)으로 연속적인 속도로 이동하도록 셋팅된다. 배플(530 및 534)의 이동은 각 배플에 대해 동일 속도일 수도 있거나, 배플이 다른 속도로 작동할 수도 있다. 배플(530 및 534)의 속도는 선형(liner)일 수도 있거나, 속도가 방향성 고체화 공정 동안 변화할 수도 있다.
순환 장치(538), 배플(530 및 534), 상부 히터(520), 테이퍼진 벽 구조체(502), 그라파이트 함유층, 금속 열 스프레더(spreader)(506), 및 핀(fin)(508)과 같은 가변 기구를 사용함으로써, 용융 실리콘(503)에 대한 냉각 속도 및 냉각 프로파일은 정확하게 제어될 수 있다. 일 예에서, 핀(503)은 도 6에 나타내어진 바와 같이 베이스(540)에 방사상으로 배열된다. 방사상 핀(508)은 수평 팬(550)과 결합되어 있고, 향상된 열 전달이 다른 팬 및 핀 배열로 가능하다.
냉각 속도 및 냉각 프로 파일의 제어는 불순물 분리의 향상된 효율과 같은 다수의 이점을 제공한다. 상기 기술된 구성 및 방법을 사용함으로써, 실리콘은 보다 적은 방향성 고체화 단계로 진행될 수 있으며, 실리콘의 보다 많은 배치(batch)는 고순도를 가지며 보다 빠른 공정 속도로 많은 잉곳을 생산하도록 진행될 수 있다.
도 6은 몰드(602) 및 제거 가능한 열 스프레더(610)를 포함하는 시스템(600)을 나타낸다. 몰드(602)는 림(406) 및 저면(606)을 포함한다. 어떤 방향성 고체화 공정에서, 몰드(602)에 의해 느껴진 큰 열 구배는 뒤틀림(warping), 및 몰드(602)의 저면에 위치된 열 확산 구조체에 대한 손상을 야기할 수 있다. 일체의 열 스프레더를 가지는 뒤틀린 몰드에 대한 수리가 필요하면, 몰드가 수리되어지는 동안 몰드 전체가 생산으로부터 제외되어야만 한다. 도 6에 도시된 일 예의 구성에서, 뒤틀리거나 손상된 제거 가능한 열 스프레더(610)는 수리를 위해 제거될 수 있으며, 여분의 제거 가능한 열 스프레더(610)가 뒤틀리거나 손상된 제거 가능한 열 스프레더(610)가 수리되는 동안 생산을 위해 이용 가능한 몰드(602)를 유지하도록 신속하게 부착될 수 있다.
도 7에서, 제거 가능한 열 스프레더(610)는 저면도로부터 나타내어진다. 일 예에서, 다수의 방사상의 냉각 핀(614)이 포함된다. 일 예에서, 포크 리프트(fork lift)와 같은 이송 시스템 또는 다른 이송 시스템은 제거 가능한 열 스프레더(610)에 포함된다. 부착 지점(612)는 몰드(602)의 저면(606)에 제거 가능한 열 스프레더(610)를 결합하도록 사용될 수 있다. 결합 방법에 대한 예는 래치(latch) 사용, 하드웨어 고정, 또는 다른 고정 시스템을 포함한다. 하드웨어 고정에 대한 예는, 볼트, 스크류, 너트, 리벳, 또는 다른 적절한 파스너(fastener)에 한정되지 않으며, 제거 가능한 열 스프레더(610)는 몰드의 저면(606)으로부터 분리되도록 제거될 수 있다. 일 예에서, 리벳과 같은 희생 파스너(sacrificial fastener)가 사용되어, 제거 가능한 열 스프레더(610)가 절단에 의해 제거되거나, 그렇지 않으면 희생 파스터를 파고하며, 새로운 희생 파스너가 제거 가능한 열 스프레더(610)를 재부착하도록 사용된다. 희생 파스너를 사용하는 구성은 용접된 일체 열 스프레더보다 제거하기 쉬우나, 몰드(602)의 저면(606)에 대한 제거 가능한 열 스프레더(610)를 유지하는데 확실하다.
비틀려지거나 손상된 제거 가능한 열 스프레더(610)를 즉각적으로 교체하는 능력에 더하여, 제거 가능한 열 스프레더(610)는 선택된 다수의 부착 지점(612)에서 몰드(602)에 오직 부착되기 때문에, 제거 가능한 열 스프레더(610)는, 몰드(602)와 독립적으로, 열 응력하에서의 확장 및 수축에 대한 어느 정도의 여유가 허용되어, 비틀림 형성을 줄인다. 선택된 예에서, 부착 지점(612)은 슬롯, 또는 오버사이즈 개구를 포함하여, 제거 가능한 열 스프레더(610)가, 몰드(602)와 독립적으로, 파스너(래치, 고정 하드웨어 등) 둘레로 확장 및 축소되는 이동에 대한 추가 여유를 허용한다.
몰드, 몰드 시스템 및 여기에 개시된 관련 방법을 더 나타내기 위해, 한정되지 않은 예의 리스트가 지금 제공된다;
예 1은 방향성 고체화 시스템으로서, 외부 몰드 자켓(outer mold jacket), 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층(insulation layer), 및 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층을 포함하며, 적어도 하나의 열전도층은 그라파이트(graphite) 함유층을 포함한다.
예 2는 예 1의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 적어도 하나의 열전도층은 외부 몰드 자켓에 인접하는 그라파이트 함유층 및 사용시 용융 실리콘과 접촉하는 노출된 표면을 형성하는 실리콘 카바이드층(silicon carbide layer)을 포함한다.
예 3은 예 1 또는 예 2의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 실리콘 카바이드층은 약 2 내지 3 인치 사이의 두께를 가진다.
예 4는 예 1 내지 예 3 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 실리콘 카바이드층은 캐스트(cast) 실리콘 카바이드층을 포함한다.
예 5는 예 1 내지 예 4 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 그라파이트 함유층은 약 1 내지 2 인치 사이의 두께를 가진다.
예 6은 예 1 내지 예 5 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 외부 몰드 자켓의 저면은 약 0.76 인치 두께의 스틸층(steel layer)을 포함한다.
예 7은 예 1 내지 예 6 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 그라파이트 함유층은 다수의 분리된 그라파이트 벽돌(separate graphite brick)을 포함한다.
예 8은 예 1 내지 예 7 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 그라파이트 함유층은 세미 그라파이트(semi graphite)를 포함한다.
예 9는 방향성 고체화 시스템으로서, 몰드를 포함한다. 몰드는 외부 몰드 자켓, 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층, 및 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층을 포함하며, 적어도 하나의 열전도층은 그라파이트(graphite) 함유층을 포함한다. 방향성 고체화 시스템은 바닥 상에 몰드를 간격을 두어, 몰드 및 바닥 사이의 공간을 형성하는 지지 구조, 및 공간에서 하나 이상의 유로 내로 공기를 이동시키는 공기 순환 시스템을 더 포함한다.
예 10은 예 9의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 공기 순환 시스템은 팬(fan)을 포함한다.
예 11은 예 9 또는 예 10의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 공기 순환 시스템은 공간 내에 위치된 수평 팬을 포함한다.
예 12는 예 9 내지 예 11 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 공간 내에서의 공기의 흐름을 제어하기 위한 하나 이상의 조정 배플(baffle)을 더 포함한다.
예 13은 방향성 고체화 시스템으로서, 몰드를 포함한다. 몰드는 외부 몰드 자켓, 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층, 그라파이트(graphite) 함유층을 포함하고 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층, 및 외부 몰드 자켓의 저면의 외측면에 위치된 방사상의 핀형(finned) 금속 열교환기를 포함한다. 방향성 고체화 시스템은 바닥 상에 몰드를 간격을 두어, 몰드 및 바닥 사이의 공간을 형성하는 지지 구조, 및 공간에서 하나 이상의 유체 경로 내로 공기를 이동시키는 공기 순환 시스템을 더 포함한다.
예 14는 예 13의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 방사상의 핀형 금속 열교환기는 스틸 열교환기를 포함한다.
예 15는 예 13 또는 예 14의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 방사상의 핀형 금속 열교환기는 외부 몰드 자켓으로부터 제거 및 분리 가능하다.
예 16은 예 13 내지 예 15 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 상부 히터를 더 포함한다.
예 17은 예 13 내지 예 16 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 공기 순환 시스템은 공간 내에 위치된 수평 팬을 포함한다.
예 18은 예 13 내지 예 17 중 어느 하나의 방향성 고체화 시스템을 포함하며, 공간 내에서의 공기의 흐름을 제어하기 위한 하나 이상의 조정 배플을 더 포함한다.
예 19는 방향성 고체화 방법으로서, 몰드 내에 용융 실리콘을 놓는 단계로서, 몰드는 외부 몰드 자켓, 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층, 및 그라파이트(graphite) 함유층을 포함하고 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층을 포함한다. 방향성 고체화 방법은 열이 몰드의 저면 밖에서 우선적으로 전도됨에 따라 용융 실리콘을 방향성 있게 고체화하는 단계를 더 포함한다.
예 20은 예 19의 방향성 고체화 방법을 포함하며, 용융 실리콘을 방향성 있게 고체화하는 단계는 약 1-2cm/h 사이의 속도로 용융 실리콘을 방향성있게 고체화하는 단계를 포함한다.
예 21은 예 19 또는 예 20의 방향성 고체화 방법을 포함하며, 용융 실리콘을 방향성 있게 고체화하는 단계는 약 2-10cm/h 사이의 속도로 용융 실리콘을 방향성있게 고체화하는 단계를 포함한다.
본 몰드, 몰드 시스템 및 관련된 방법에 대한 이들 및 다른 예 및 특징은 아래 상세한 설명에서 부분적으로 서술될 것이다. 이 개요는 본 주제의 한정되지 않은 예를 제공하도록 의도되어지고, 배타적이거나 완전한 설명을 제공하도록 의도되지 않는다. 이하 상세한 설명은 본 몰드, 몰드 시스템, 및 방법에 대한 추가 정보를 제공하도록 의도되어진다.
본 주제의 다수의 실시예가 서술되어질 때, 상기 실시예는 완전한 것으로 의도되지 않는다. 몰드를 통해 고체-액체 계면의 일관된 진행을 유지하는 것이 나타내어진 특정 실시예를 대신할 수 있는 반면, 방향성 고체화 기술을 사용하여 실리콘 정제를 달성하도록 어떤 방식이 구성되는 것은 당업자에 의해 알게 될 것이다. 상기 실시예의 조합, 및 다른 실시예는 상기 설명을 연구하는 동안 당업자에게 명백할 것이다. 본 출원은 본 주제의 어떤 각색 또는 변형을 커버하도록 의도되어진다. 상기 설명은 구체적이고 제한되지 않도록 의도되어지는 것을 이해해야 할 것이다.
110 : 상부 히터 120 : 몰드
214 : 그라파이트 함유층 316 : 실리콘 카바이드층
530, 534 : 배플 550 : 공기 순환 시스템

Claims (21)

  1. 외부 몰드 자켓(outer mold jacket);
    상기 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층(insulation layer);
    상기 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층을 포함하며, 상기 적어도 하나의 열전도층은 그라파이트(graphite) 함유층을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 열전도층은 상기 외부 몰드 자켓에 인접하는 그라파이트 함유층 및 사용시 용융 실리콘과 접촉하는 노출된 표면을 형성하는 실리콘 카바이드층(silicon carbide layer)을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층은 약 2 내지 3 인치 사이의 두께를 가지는 방향성 고체화 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드층은 캐스트(cast) 실리콘 카바이드층을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 그라파이트 함유층은 약 1 내지 2 인치 사이의 두께를 가지는 방향성 고체화 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 몰드 자켓의 저면은 약 0.76 인치 두께의 스틸층(steel layer)을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라파이트 함유층은 다수의 분리된 그라파이트 벽돌(separate graphite brick)을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 그라파이트 함유층은 세미 그라파이트(semi graphite)를 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  9. 외부 몰드 자켓; 상기 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층; 및 그라파이트(graphite) 함유층을 포함하고 상기 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층을 포함하는 몰드;
    바닥 상에 상기 몰드를 간격을 두어, 상기 몰드 및 상기 바닥 사이의 공간을 형성하는 지지 구조; 및
    상기 공간에서 하나 이상의 유로 내로 공기를 이동시키는 공기 순환 시스템을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 공기 순환 시스템은 팬(fan)을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 공기 순환 시스템은 상기 공간 내에 위치된 수평 팬을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 공간 내에서의 공기의 흐름을 제어하기 위한 하나 이상의 조정 배플(baffle)을 더 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  13. 외부 몰드 자켓; 상기 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층; 그라파이트(graphite) 함유층을 포함하고 상기 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층; 및 상기 외부 몰드 자켓의 저면의 외측면에 위치된 방사상의 핀형(finned) 금속 열교환기를 포함하는 몰드;
    바닥 상에 상기 몰드를 간격을 두어, 상기 몰드 및 상기 바닥 사이의 공간을 형성하는 지지 구조; 및
    상기 공간에서 하나 이상의 유체 경로 내로 공기를 이동시키는 공기 순환 시스템을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 방사상의 핀형 금속 열교환기는 스틸 열교환기를 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 방사상의 핀형 금속 열교환기는 상기 외부 몰드 자켓으로부터 제거 및 분리 가능한 방향성 고체화 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상부 히터를 더 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기 순환 시스템은 상기 공간 내에 위치된 수평 팬을 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 공간 내에서의 공기의 흐름을 제어하기 위한 하나 이상의 조정 배플을 더 포함하는 방향성 고체화 시스템.
  19. 방향성 고체화 방법으로서,
    몰드 내에 용융 실리콘을 놓는 단계로서, 상기 몰드는 외부 몰드 자켓; 상기 외부 몰드 자켓의 벽을 따라 늘어서는 적어도 하나의 절연층; 및 그라파이트(graphite) 함유층을 포함하고 상기 외부 몰드 자켓의 저면을 따라 늘어서는 적어도 하나의 열전도층을 포함하며, 및
    열이 상기 몰드의 저면 밖에서 우선적으로 전도됨에 따라 상기 용융 실리콘을 방향성 있게 고체화하는 단계를 포함하는 방향성 고체화 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 용융 실리콘을 방향성 있게 고체화하는 단계는 약 1-2cm/h 사이의 속도로 상기 용융 실리콘을 방향성있게 고체화하는 단계를 포함하는 방향성 고체화 방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 용융 실리콘을 방향성 있게 고체화하는 단계는 약 2-10cm/h 사이의 속도로 상기 용융 실리콘을 방향성있게 고체화하는 단계를 포함하는 방향성 고체화 방법.
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