專利名稱：用于熔化硅粉的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及用于處理材料的方法和設(shè)備。更具體地說，本 發(fā)明涉及一種用于連續(xù)熔化高純度的硅粉，以生產(chǎn)高純度的硅產(chǎn)品的 方法。10 背景技術(shù)通過在自由空間反應(yīng)器中使氣體例如硅烷(SiH4)核化可將高純度 的太陽能級(jí)硅(SoG-Si)原料生產(chǎn)成具有所需純度(例如，至少99.99%以 上的純度水平，例如99.9999%)的非常精細(xì)的粒子。所產(chǎn)生的硅粒子(細(xì) 粉)典型地尺寸在亞微米至大約二十微米的范圍內(nèi)。由硅細(xì)粉生產(chǎn)硅顆15 粒、結(jié)晶塊和其它更大的產(chǎn)品需要在不包含污染物或空氣的氣氛中熔 化細(xì)粉，污染物或空氣將導(dǎo)致產(chǎn)品的表面被二氧化硅(Si02)和碳嚴(yán)重 污染。 一種此類方法是在坩堝中熔化硅細(xì)粉，其示例是美國專利 No.4,354，987。然而，硅細(xì)粉在坩堝中的保留由于其低密度和非常低 的重量而變得復(fù)雜，導(dǎo)致在放置到坩堝中的期間和放置之后的細(xì)粉損20失。為了克服這些問題，可以壓縮硅細(xì)粉，例如如WO2005118272中所公開的那樣。然而，至少當(dāng)使用傳統(tǒng)的壓縮方法時(shí)，所產(chǎn)生的晶錠并不是非常穩(wěn)定的，因?yàn)楦呒兌鹊囊蠼沽苏澈蟿┑氖褂?，?dǎo)致細(xì)粉在觸摸晶錠時(shí)顯著地脫落。雖然可由其它原料生產(chǎn)高純度硅，但是在流化床反應(yīng)器、自由空25 間反應(yīng)器等設(shè)備中生產(chǎn)的精細(xì)硅粉是可廣泛得到的，并且相對較便 宜，因而使其對于以相對較低^成本來生產(chǎn)太陽能級(jí)硅而言是理想 的。因此，如果有改進(jìn)的方法，其可用于在不危及純度的條件下，比 現(xiàn)有的方法更有效地熔化硅細(xì)粉，則這這種方法是所需的。4發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提供一種用于熔化半導(dǎo)體材料的粉末，例如硅粉，以生產(chǎn) 高純度固體產(chǎn)品的方法。這種方法通常需要將粉末.引t進(jìn)傾斜于水平方向的管道的抬高端， 5 在管道中保持惰性氣氛的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)管道以攪動(dòng)并導(dǎo)致其中的粉末流 向相對布置的管道的較低端，同時(shí)加熱管道，從而在粉末流向管道的' 較低端時(shí)，使粉末的粒子熔化。之后容許熔化的材料自由地從管道的 低端流動(dòng)，并隨后固化而形成產(chǎn)品。此發(fā)明的顯著優(yōu)勢是硅(以及其它半導(dǎo)體)粉末，包括非常精細(xì)的10 硅粉(細(xì)粉)可在沒有預(yù)先壓縮的情況下熔化。在實(shí)踐中，還顯示了該 方法可生產(chǎn)具有非常低的污染水平的產(chǎn)品，尤其是低的氧、碳和揮發(fā) 物水平。雖然不希望遵循任何特殊的理論，但是相信同用于坩鍋熔化 方法中的傳統(tǒng)坩堝相比，由于旋轉(zhuǎn)管道的大表面面積和機(jī)械攪動(dòng)，而 可以更容易地除去粉末表面上可能存在的氧、碳和揮發(fā)性的污染物，15 并且由于管道的開口設(shè)計(jì)，而可以更有效地除去方法副產(chǎn)品，尤其是 一氧化硅。還相信由于在熔化之前和期間從粉末粒子中除去了氧、碳 以及其它潛在的揮發(fā)性污染物，所以可以以比^f吏用坩堝方法可能的溫 度更低的溫度熔化硅粉。因?yàn)橥瑐鹘y(tǒng)的坩堝相比，旋轉(zhuǎn)的管道對熱源 呈現(xiàn)相對大的表面面積，并且更有效地將熱源的熱能與硅;盼聯(lián)系在一20起，所以也相信同坩堝方法相比，此發(fā)明的方法能夠具有更高的產(chǎn)量， 并且可更易于擴(kuò)大規(guī)模，以處理大量的硅粉。雖然由硅細(xì)粉組成的粉 末具有非常低的容積密度，但是相對大的管道的內(nèi)部容積促進(jìn)了所產(chǎn) 生的熔化硅從細(xì)粉分離，使得熔化的硅中基本上不存在浮動(dòng)的細(xì)粉和 熔渣。25 從以下詳細(xì)說明中將更好地理解此發(fā)明的其它目的和優(yōu)勢。


圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的用于處理高純度硅粉的旋轉(zhuǎn)窯的橫截面圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供了一種用于熔化高純度硅粉的方法，其最大限度地減 5 小了損失，并最大限度地減小了熔化物和所產(chǎn)生的固化產(chǎn)品的污染。 硅粉可通過各種方法產(chǎn)生，例如硅烷氣體的成核作用，以產(chǎn)生在小于1微米至大約20微米范圍內(nèi)的粒度(particle size)，但處理更小和更大 尺寸的粒子也是可能的，包括例如在小于0.01微米至1微米、l微米 至20微米、20孩t米至200微米以及200孩i米至大約2毫米或以上范10 圍內(nèi)的粒子，以及這些范圍的任意組合。因此，本發(fā)明可有利地用于 非常精細(xì)的硅粒子(細(xì)粉)，否則這些粒子難以在傳統(tǒng)的坩堝中處理和 熔化。這種細(xì)粉可在流化床反應(yīng)器、自由空間反應(yīng)器或別的方法中進(jìn) 行生產(chǎn)。用于硅粉和細(xì)粉的生產(chǎn)方法是眾所周知的，并且不形成此發(fā) 明的一部分，并因而在此處將不進(jìn)^^壬^f可詳細(xì)的i侖述。15 如圖1中示意性地所示，該方法通常需要將硅粉10直接裝填進(jìn)旋轉(zhuǎn)窯14的旋轉(zhuǎn)管道12的抬高端，并將管道12加熱到硅的熔點(diǎn)(大 約1410。C)以上的溫度，優(yōu)選為到至少1450°C。適用于管道12的材料 包括具有內(nèi)部石英襯里的石墨和金剛砂，但是使用其它不與硅發(fā)生反 應(yīng)的材料也是可能的。粉末10沿著輕微傾斜的旋轉(zhuǎn)管道12向下移動(dòng)，20并且當(dāng)其這樣做時(shí)， 一旦其在管道12中達(dá)到硅的熔點(diǎn)即熔化。之后 在離開管道12的較低端之前，熔化的硅16能夠自由地繼續(xù)向下流動(dòng) 穿過管道12。至少管道12的包含熔化的硅16且包含處于升高溫度下 的硅粉10的那些部分還包含惰性氣氛，例如氦或氬，以防止氧化、 氮化和其它污染。25 熔化的硅16在管道12中比粉末10更易于流動(dòng)，結(jié)果是硅在離開之前加速穿過管道12，在出口處可將熔化的硅16排放到合適的熔 化后熔化處理設(shè)備24,例如傳統(tǒng)的坩堝、造粒裝置或其它裝置中，在 這些設(shè)備中可將熔化的硅16重新固化成所需的形式，例如細(xì)粒、結(jié)晶塊等。這種設(shè)備，以及可對其生產(chǎn)的硅產(chǎn)品執(zhí)行的各種方法包括結(jié) 晶法，都是眾所周知的，并不形成本發(fā)明的一部分，并因而在此處將 不做任何詳細(xì)的論述。由于管道12的開口設(shè)計(jì)和在管道12中的熔化硅16和粉末10之 5 間的分離，在熔化之前和熔化期間，粉末10能夠有效地脫去(off-gas) 任何氧和碳，這些氧和碳可能是由于例如之前暴露于空氣而存在的。 因?yàn)樵谌刍Ｗ又昂腿刍?射間可從單獨(dú)的粉末粒子以這樣的方式 除去污染物，并且還可能由于攪動(dòng)以及管道12與管道中的大多數(shù)粉 末粒子之間的接觸，據(jù)信在將管道12加熱至顯著地低于傳統(tǒng)的坩堝10 方法所需溫度的溫度下，即可將粉末10完全地熔化，其可進(jìn)一步減 少熔化的硅16的污染。對于不包含任何可觀數(shù)量的表面氧和碳的粉 末10而言，如果管道12由石英形成的話，則這種粉末10可能攜帶 來自管道12的非常少量(例如，大約10ppmw)的氧。適合用于此發(fā)明方法的旋轉(zhuǎn)窯是眾所周知的，其用于在連續(xù)的過15 程中將材料加熱至高溫。典型地利用旋轉(zhuǎn)窯處理的材料包括水泥、石 灰、耐火材料、偏高嶺土、 二氧化鈦、氧化鋁、蛭石等。如圖1中所 示，并如已知的旋轉(zhuǎn)窯一樣，窯14輕微地傾斜于水平方向，同時(shí)緩 慢地圍繞其軸線，通過例如位于齊14的外表面上的驅(qū)動(dòng)齒輪18而旋 轉(zhuǎn)。裝入管道12的抬高端的硅粉10朝著管道12的較低端逐漸地向20 下移動(dòng)，在此期間，管道12的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)粉末10。通過各種已知的方, 法，例如管道的電阻加熱或感應(yīng)加熱，或使熱氣體穿過管道12和/或 使熱氣體經(jīng)過管道12或窯14的外表面可實(shí)現(xiàn)管道12的加熱。以任 何不干擾用于熔化的硅16的惰性氣氛的合適方式可產(chǎn)生熱氣體。在25 的任何熱氣體。定位在管道12較低端出口處的出口罩22收集熔化的 硅16并將其引導(dǎo)到所需的后熔化處理設(shè)備24中。在導(dǎo)致本發(fā)明的研究中，利用上述方法所生產(chǎn)的硅的品質(zhì)是非常 好的，存在的氧和碳低于預(yù)期水平。該方法是在旋轉(zhuǎn)窯中利用帶石英襯里的金剛砂管道執(zhí)行的。窯相對于水平傾斜大約0.5度，以大約2rpm 的速率旋轉(zhuǎn)，并且通過電阻加熱而被加熱至大約1450°C的溫度。硅 粉由于與管道良好的熱接觸和攪動(dòng)而易于熔化。對于此研究，熔化的 硅不是從管道中排出，而是在容許旋轉(zhuǎn)窯冷卻之后從管道中提取硅。 5 對所產(chǎn)生的硅產(chǎn)品進(jìn)行分析，并發(fā)現(xiàn)其只包含ll ppmw的碳和6ppmw 的氧，但原始的硅粉包含85 ppmw的碳和2250 ppmw的氧。因此， 產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的低水平的氧和碳的污染對于SoG硅是在可接受的范圍 內(nèi)(通常為大約10至20ppmw),捧信與傳統(tǒng)的坩堝方法典型遇到的情 形相比，存在較少的氧和碳，因?yàn)榉勰┦窃陲@著地低于傳統(tǒng)的坩堝方10 法典型所需要溫度的溫度下在管道中熔化的。從上面可以看出，此發(fā)明的方法可使高純度硅(或其它半導(dǎo)體)產(chǎn) 品，包括純度水平至少99.99%的太陽能級(jí)硅，能夠很容易從硅(或其 它半導(dǎo)體)粉末中生產(chǎn)出來，這些粉末不需要之前進(jìn)行壓縮就被熔化。 此外，看來同用于坩鍋熔化方法的傳統(tǒng)的坩堝相比，由于旋轉(zhuǎn)管道1215 的大表面面積和機(jī)械攪動(dòng)，更容易除去粉末粒子中可能存在的氧、碳 和其它潛在的揮發(fā)性的污染物，并且由于管道12的開口式設(shè)計(jì)，可 以更有效地除去方法副產(chǎn)品。并且看來由于在熔化之前從4分末表面上 除去了氧、碳和其它潛在的揮發(fā)性的污染物，可以在比坩堝方法更低 的溫度下熔化硅粉10。因?yàn)橥瑐鹘y(tǒng)的坩堝相比，旋轉(zhuǎn)的管道12對熱20 源呈現(xiàn)相對大的表面面積，并i脊效地將熱源的熱能與硅粉10聯(lián)系 在一起，所以還相信同坩堝方法相比，本發(fā)明的方法能夠具有更高的 產(chǎn)量，并且可更易于擴(kuò)大規(guī)模，以處理大量的硅粉。雖然由硅細(xì)粉組 成的粉末具有非常低的容積密度，但是相對大的管道12的內(nèi)部容積 促進(jìn)了所得到的熔化的硅16與細(xì)粉的分離，使得熔化的硅16中基本25 上不存在浮動(dòng)的細(xì)粉和熔渣。最后，應(yīng)該注意產(chǎn)品中的金屬雜質(zhì)水平將很大程度上由粉末10 的初始品質(zhì)來確定，因?yàn)楸痉椒ú粫?huì)增加任何可觀數(shù)量的金屬雜質(zhì)。 另外，此發(fā)明的方法可減少之前暴露于空氣中的粉末10中的氧和碳的水平，并且可能只將非常少量(例如，達(dá)到10 ppmw)的氧添加給粉 末10，這種粉末由于之前沒有暴露于空氣中而基本上沒有氧。雖然已經(jīng)根據(jù)特殊的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但顯而易見，本領(lǐng)域 中的技術(shù)人員可采用其它形式。例如，旋轉(zhuǎn)窯14和管道12的物理構(gòu) 5 造可以不同于所顯示的構(gòu)造。此外，雖然只討論了硅的處理，但是根 據(jù)本發(fā)明還可處理其它具有合適特性的半導(dǎo)體材料，其用于在太陽能 以及其它要求高純度材料的應(yīng)用中使用。最后，應(yīng)該注意的是，當(dāng)結(jié) 合以上描述查看時(shí)，圖紙不必按比例繪制，而是出于清晰起見進(jìn)行繪 制。因此，本發(fā)明的范圍只受以下權(quán)利要求限制。
權(quán)利要求
1.一種用于熔化半導(dǎo)體材料的粉末(10)的方法，所述方法包括將半導(dǎo)體材料的粉末(10)引入到管道(12)中，所述管道(12)相對于水平傾斜，從而具有抬高端和相對布置的較低端，所述粉末(10)通過所述管道(12)的抬高端而被引入到所述管道(12)中；在所述管道(12)中保持惰性氣氛的同時(shí)，使所述管道(12)旋轉(zhuǎn)，以攪動(dòng)并導(dǎo)致其中的粉末(10)流向所述管道(12)的較低端，同時(shí)加熱所述管道(12)，以便當(dāng)所述粉末(10)流向所述管道(12)的較低端時(shí)，使所述粉末(10)的粒子熔化，以形成熔化的半導(dǎo)體材料；以及容許熔化的半導(dǎo)體材料從所述管道(12)的較低端自由地流動(dòng)，并且之后固化以形成產(chǎn)品。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料 包括硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末(10)具有小于0.01微米至1微米的粒度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末(10)具有 1微米至20微米的粒度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末(10)具有 20 20微米至200微米的粒度。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末(10)具有 200微米至大約2毫米的粒逸。j
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末(10)的粒 子在熔化之前和熔化期間脫去任何氧、碳和/或揮發(fā)性的污染物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)品包含比所述粉末(10)更少的氧和碳。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)品具有至 少99.99%的純度水平。
10. —種用于熔化硅粉(:10)的方法，所述方法包括 將硅粉(10)引入到管道(12)中，所述管道(12)相對于水平傾斜，從 而具有抬高端和相對布置的較低端，所述硅粉(10)具有小于1微米至 大約20微米的粒度，并且通過所述管道(12)的抬高端而被引入到所述 5 管道(12)中；在所述管道(12)中保持惰性氣氛的同時(shí)，使所述管道(12)旋轉(zhuǎn)，以 攪動(dòng)并導(dǎo)致其中的硅粉(10)流向所述管道(12)的較低端，同時(shí)加熱所述 管道(12),以便當(dāng)所述硅粉(10)流向所述管道(12)的較低端時(shí)，使所述 硅粉(10)的粒子熔化，以形成熔化的硅，所述粒子在熔化之前和熔化 10 期間脫去任何氧、碳和/或揮發(fā)性的污染物；以及容許熔化的硅從所述管道(12)的較低端自由地流動(dòng)，并且之后固 化而形成硅產(chǎn)品，所述硅產(chǎn)品包含比所述硅粉(10)更少的氧和碳，并 且具有至少99.99%的純度水'平。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于熔化硅粉的方法，具體而言，涉及一種用于使半導(dǎo)體材料粉末，例如硅粉熔化，以生產(chǎn)高純度固體產(chǎn)品的方法。這種方法通常需要將粉末引入到傾斜于水平方向的管道的抬高端，在管道中保持惰性氣氛的同時(shí)，旋轉(zhuǎn)管道以攪動(dòng)并導(dǎo)致其中的粉末流向相對布置的管道的較低端，同時(shí)加熱管道，以便當(dāng)粉末流向管道的較低端時(shí)，使粉末熔化。并且之后容許熔化的材料自由地從管道的較低端流動(dòng)，并隨后固化以形成產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C01B33/00GK101323450SQ20081009969
公開日2008年12月17日 申請日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者J·蘭德, R·容奇克, V·L·婁 申請人:通用電氣公司