專利名稱：：金屬硅的凝固方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種工業(yè)制造較高純度的金屬硅的方法，更具體地，涉及一種通過定向凝固來實(shí)現(xiàn)較高純度的方法。
背景技術(shù)：
：當(dāng)認(rèn)識到將化石燃料作為釋放出C02從而促進(jìn)全球溫室效應(yīng)的能源時，提出并采用了許多能源作為化石燃料的替代。其中，太陽能發(fā)電的優(yōu)勢是可以在地球上各處獲得能量來產(chǎn)生電，并可采用相對小型的設(shè)備，而且實(shí)際應(yīng)用的歷史長。由太陽能裝置產(chǎn)生的電量在逐年增長。盡管已知太陽能發(fā)電有多種方法，但具有由硅晶片制成的光電池陣列的太陽能電池是應(yīng)用最廣泛的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池中的硅晶片所用的硅具有的雜質(zhì)濃度無需像用于半導(dǎo)體設(shè)備中的硅的雜質(zhì)濃度那么低。具體地，認(rèn)為應(yīng)用于半導(dǎo)體設(shè)備中硅的所需純度應(yīng)當(dāng)盡可能低，需要99.999999999%的純度，而用于太陽能電池中硅的純度為99.9999%是可接受的。為了使用于太陽能電池的硅具有這樣的雜質(zhì)級別，現(xiàn)有技術(shù)中所用的原料包括用于半導(dǎo)體的99.999999999%純的硅以及硅材料，該硅材料通過將在半導(dǎo)體硅制造工藝中要作為富集雜質(zhì)或含異物的材料被丟棄的所謂等外材料進(jìn)行再加工和提純來獲得。具體地，雖然太陽能電池中所用的硅相對于半導(dǎo)體所用的硅可具有較低的純度，但是其供應(yīng)源來自于半導(dǎo)體用途所用的硅或其衍生物。由于該原因，用于太陽能電池的硅的供應(yīng)量受到半導(dǎo)體工業(yè)的影響，這表明在太陽能電池工業(yè)需求的硅與來自半導(dǎo)體工業(yè)中為太陽能電池用途而供應(yīng)的硅的量之間存在差距，所述太陽能電池工業(yè)的特征在于高于半導(dǎo)體工業(yè)的增長率。這導(dǎo)致太陽能電池用途所需硅的供應(yīng)出現(xiàn)短缺。因此，進(jìn)行了研究以便提高以很大量進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)的金屬硅的純度，從而可以將其用作太陽能電池用途的硅。金屬硅包含的雜質(zhì)主要是金屬元素例如鐵，鋁，鈣和鈦，以及用作摻雜劑的非金屬元素例如硼和磷。在這些雜質(zhì)中，金屬元素通過提純技術(shù)來去除，例如通過酸洗而溶解掉，用熔劑進(jìn)行冶金精煉以及根據(jù)凝固分配系數(shù)進(jìn)行熔化-凝固。其中，利用固-液相界面處硅的凝固分凝的提純技術(shù)是有效的提純技術(shù)，能夠同時去除許多金屬元素雜質(zhì)。如JP-AH10-182137(專利文獻(xiàn)l)所述，一種利用凝固分凝制造較高純度硅的示例性技術(shù)是，通過在爐中使硅熔體沿一方向移動使其凝固，其中雜質(zhì)成分被排斥到液相側(cè)，從而凝固的硅具有較高的純度。盡管該技術(shù)包括一次熔化硅的復(fù)雜步驟，但其還具有從硅凝固的最初到中間階段獲得高純硅的優(yōu)點(diǎn)，這是因為大多數(shù)金屬成分在它們和硅之間具有非常低的分配系數(shù)。進(jìn)一步對該技術(shù)進(jìn)行描述。關(guān)于硅材料中的雜質(zhì)金屬元素在固-液相界面處的凝固分凝現(xiàn)象，分凝狀態(tài)由凝固的分配系數(shù)支配。較低的凝固分配系數(shù)確保在固相中俘獲較少的雜質(zhì)金屬元素，而較多的被轉(zhuǎn)移到液相側(cè)。雜質(zhì)金屬元素的這種行為導(dǎo)致固相中的雜3質(zhì)濃度降低。硅中的許多雜質(zhì)金屬元素具有非常低的凝固分配系數(shù)，例如，在金屬硅的雜質(zhì)元素中以最大含量存在的鐵具有最多8X10—6的凝固分配系數(shù)。因此，固態(tài)硅在凝固的初始階段具有小的鐵濃度，且鐵濃度從凝固的中間階段到最終階段逐漸增加。如果利用該凝固分凝現(xiàn)象從鑄造物料中選出具有所需鐵濃度的部分，就可以獲得具有低鐵濃度的硅。對于除鐵以外的任何雜質(zhì)金屬元素，可類似地獲得具有低雜質(zhì)濃度的硅。對此進(jìn)行詳細(xì)闡述。為了利用凝固分凝使硅中的雜質(zhì)得到分凝，采用了硅的定向凝固。該方法包括(1)使裝有熔融硅的坩鍋在爐中向下移動的方法，其中坩鍋中的熔融硅從其底部經(jīng)受了足夠的降溫以開始凝固，并且隨著坩鍋的進(jìn)一步向下移動，定向地從底部到頂部進(jìn)行凝固，(2)在爐中的坩鍋底部處或附近設(shè)置冷卻機(jī)構(gòu)的方法，其中該冷卻機(jī)構(gòu)用來從坩鍋底部除去熱，以便從低部到頂部進(jìn)行凝固，(3)將坩鍋置于爐中這樣的位置以在爐中提供溫度分布的方法，使坩鍋底部的溫度比坩鍋頂部的溫度低，并降低爐子的設(shè)定溫度以引起爐溫從坩鍋底部降低，由此從底部向頂部在熔融硅中發(fā)生凝固，和(4)這些方法的結(jié)合。所有這些方法旨在實(shí)現(xiàn)定向凝固，其中硅的凝固開始于坩鍋底部，并朝頂部進(jìn)行。在該定向凝固中，固-液相界面一般從底部移向頂部。在該界面處，雜質(zhì)成分依據(jù)其凝固分配系數(shù)被分配到凝固相和液相中。然而，因為大多數(shù)金屬元素如之前所述殘留于液相中，液相中的金屬雜質(zhì)元素的濃度增加。特別在固-液相界面附近，由固相排出并留在液相中的金屬雜質(zhì)元素以高濃度存在。該高濃度部分對于利用凝固分凝現(xiàn)象來排除金屬雜質(zhì)元素成為障礙。也就是說，在固-液相界面處的高濃度部分是這樣的依據(jù)凝固分配系數(shù)其濃度控制著雜質(zhì)的排除。這導(dǎo)致以高于液相的本體雜質(zhì)濃度的雜質(zhì)濃度進(jìn)行分配，不能實(shí)現(xiàn)完全排除雜質(zhì)。過快的冷卻速度帶來過高的濃度狀態(tài)，引發(fā)液相側(cè)的組分過冷現(xiàn)象。組分過冷現(xiàn)象表示當(dāng)固_液界面處的雜質(zhì)擴(kuò)散不充分時，在該界面處附近的雜質(zhì)濃度與液相本體濃度之間出現(xiàn)顯著差異，從而提供了過冷的組分。如果出現(xiàn)組分過冷現(xiàn)象，則凝固界面的移動不會變得穩(wěn)定。這在固-液界面處不會導(dǎo)致雜質(zhì)依據(jù)其凝固分配系數(shù)而移動，因此固相中的雜質(zhì)濃度不連續(xù)的增加。盡管能夠抑制組分過冷現(xiàn)象的定向凝固方法包括熔體的攪拌、降低凝固速度、以及增加溫度梯度，但基本上最有效的方法為通過降低硅中的雜質(zhì)濃度。關(guān)于通過定向凝固制造較高純度硅的技術(shù)，在JP-AH10-236815(專利文獻(xiàn)2)中描述了一種涉及特定雜質(zhì)濃度的現(xiàn)有技術(shù)，其使用金屬硅作為原料，并且將來自半導(dǎo)體工業(yè)的等外硅與金屬硅混合，使得用于生產(chǎn)太陽能電池的硅的原料中的雜質(zhì)含量為P《30ppm，B《20ppm，Al《1000卯m，F(xiàn)e《1000卯m，C《500卯m，和Ti《60ppm。據(jù)稱，這抑制了批次間的波動并減少提鈍步驟中的負(fù)荷，因而以穩(wěn)定的方法來生產(chǎn)具有所需純度的硅。在專利文獻(xiàn)2中，其簡單地通過混合比金屬硅具有更高純度的等外硅來實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)濃度的調(diào)整。所關(guān)注的元素多至六種。并未描述涉及純度和凝固狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)。JP-AH10-120493(專利文獻(xiàn)3)披露了將具體等式指定于每種雜質(zhì)元素Al，F(xiàn)e和Ti的方法，并依據(jù)該等式確定凝固速度。從專利文獻(xiàn)3的實(shí)施例中可以看出，僅討論了至多100ppm的Al，F(xiàn)e和Ti濃度。在通常的金屬硅中，Al、Fe和Ti的濃度不可能為至多100卯m。專利文獻(xiàn)3并未考慮如本發(fā)明中含有幾百到幾千ppm級別的雜質(zhì)含量。JP-AH10-182134(專利文獻(xiàn)4)披露了一種利用含有低于1000卯mFe和低于1000卯mAl的金屬硅的技術(shù)，通過真空熔煉去除P，使用氧化性氣體去除B和C，及通過凝固精煉去除Fe、Al、Ca和Ti。將作為起始原料的金屬硅預(yù)先提純以調(diào)整到規(guī)定濃度，或者使用低金屬雜質(zhì)的粉末化硅渣獲得具有規(guī)定濃度的金屬硅。然而，這些方法依然不能令人滿意。需要以經(jīng)濟(jì)且有效的方式從金屬硅中去除雜質(zhì)的方法。專利文獻(xiàn)1:JP-AH10-182137專利文獻(xiàn)2:JP-AH10-236815專利文獻(xiàn)3:JP-AH10-120493專利文獻(xiàn)4:JP-AH10-18213
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問題在上述的情況下做出的本發(fā)明旨在提供通過具有較少步驟以低成本來有效地除去硅中雜質(zhì)的方法，該方法同時克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。解決問題的方法進(jìn)行了廣泛調(diào)查以解決該未解決的問題并對于有效除去金屬硅中的金屬雜質(zhì)進(jìn)行了研究工作，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)鐵(在金屬硅中存在的雜質(zhì)中具有最高濃度的成分)由于其高濃度成為導(dǎo)致組分過冷現(xiàn)象發(fā)生的主要元素，且可以通過控制鐵濃度來限制組分過冷現(xiàn)象的發(fā)生。即，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)使鐵濃度不大于800卯m的金屬硅進(jìn)行定向凝固時，凝固的錠中的雜質(zhì)可以有效地得到濃縮；當(dāng)正確地選擇制造金屬硅的原料時，可以由從金屬硅爐中排出的硅制造鐵濃度不大于800卯m的金屬硅；并且當(dāng)將該金屬硅用于定向凝固時，可以通過較少步驟以低成本來有效地去除金屬雜質(zhì)成分。具體地，通過在埋弧爐中加熱作為硅源的硅石以及作為還原劑的碳材料進(jìn)行反應(yīng)而制造的硅材料(被稱為金屬硅)通常含有約1500-5000ppm的鐵成分。該鐵成分的一個來源為作為硅源的硅石和木炭或其它碳材料中存在的鐵成分遷移到通過爐內(nèi)反應(yīng)制得的硅中。還有，在操作期間從工藝中附帶引入的鐵成分，例如，當(dāng)由鋼制成的容器在接觸金屬硅的原料時，鐵成分遷移到原料中。從這些來源，鐵成分包含于金屬硅中。因此，如果通過仔細(xì)考慮硅石和碳材料(它們是人工可控的用于金屬硅的原料)的雜質(zhì)含量來對其進(jìn)行選擇，則可以獲得具有最少雜質(zhì)金屬含量的金屬硅。但對于硅石和碳材料來說，與通常用作原料的材料相比，具有低雜質(zhì)濃度的材料稀少，單位價格高，可提供的量也受限。因此，就單位價格、生產(chǎn)能力和生產(chǎn)率方面而言，盲目地制造高純金屬硅的嘗試是不理智的。需要金屬硅具有實(shí)際合理的雜質(zhì)濃度。著眼于可被作為金屬硅工業(yè)化生產(chǎn)的硅中的雜質(zhì)濃度以及硅的凝固步驟，本發(fā)明人研究了經(jīng)凝固排除鐵的效果，所述鐵在金屬硅的金屬雜質(zhì)中具有最高的濃度。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)具有不大于800ppm鐵濃度的金屬硅定向凝固時，與具有超過800ppm鐵濃度的金屬硅相比，注意到組分過冷現(xiàn)象的發(fā)生存在明顯不同，并且具有不大于800ppm鐵濃度的金屬硅作為在埋弧爐中制造的金屬硅是可獲得的。本發(fā)明基于這些發(fā)現(xiàn)。本發(fā)明提供了一種金屬硅的凝固方法，定義如下。(1)—種金屬硅的凝固方法，包括定向凝固具有不大于800ppm鐵濃度的金屬硅。(2)根據(jù)(1)的金屬硅的凝固方法，其中通過使用氧化硅和碳材料作為原料，調(diào)整原料的雜質(zhì)濃度，然后還原氧化硅來制備金屬硅。(3)根據(jù)(1)的金屬硅的凝固方法，其中通過摻合至少兩種具有不同鐵濃度的金屬硅原料來獲得金屬硅。(4)根據(jù)(1)，(2)或(3)的金屬硅的凝固方法，其中金屬硅是從埋弧爐中排出的。(5)根據(jù)(1)到(4)中任一項的金屬硅的凝固方法，其中金屬硅具有不少于300卯m的鐵濃度。本發(fā)明的有益效果依據(jù)本發(fā)明，可以通過較少步驟以低成本來有效地去除金屬硅中的金屬雜質(zhì)成分。附圖的簡要說明圖1是本發(fā)明一個實(shí)施方案中所用爐的示意圖。本發(fā)明的最佳實(shí)施方式依據(jù)本發(fā)明的金屬硅的凝固方法包括定向凝固具有不大于800ppm鐵濃度的金屬娃o首先描述這里使用的金屬硅?？赏ㄟ^以下方式制備定向凝固方法中使用的金屬硅在埋弧爐中加熱作為硅源的硅石(氧化硅)和作為還原劑的碳材料(木炭)來進(jìn)行反應(yīng)。在埋弧爐中制備的硅包含F(xiàn)e、Ti、Al和Ca作為主要雜質(zhì)。如上所述，這些雜質(zhì)成分來自原料中，并且一般地，它們對于金屬硅制造中所使用的原料來說是附帶的。然而在這些成分中，Al和Ca的成分含量可以通過向從埋弧爐中排出的硅熔體中原位吹入氧化性氣體(例如氧氣或水蒸氣)來輕易地降低約50-90%。這種方法是容易且廉價的，這是因為排出狀態(tài)的硅熔體可以進(jìn)行直接處理，以及可以像對從埋弧爐排出的金屬硅材料一樣進(jìn)行處理。除了此方法，例如，通過使硅熔體接觸熔劑來去除雜質(zhì)金屬成分的方法，通過在真空中熔煉硅而去除具有高蒸氣壓的雜質(zhì)的方法，或者在金屬硅中減少雜質(zhì)的類似方法也可以在本發(fā)明的凝固方法之前作為預(yù)先步驟采用。此處所用的金屬硅中除鐵之外的雜質(zhì)如Ti、Al和Ca的含量為優(yōu)選等于或小于鐵濃度的1/2，更優(yōu)選地等于或小于鐵濃度的1/3。具體地，Ti濃度優(yōu)選為400-100卯m，更優(yōu)選為250-100卯m;A1濃度優(yōu)選為400-20卯m，更優(yōu)選地為100-20卯m;并且Ca濃度優(yōu)選為100-10卯m，更優(yōu)選為50-10ppm。如果太多，組分過冷現(xiàn)象的發(fā)生不能完全控制，并且雜質(zhì)去除效果在凝固過程的中途停止。如果雜質(zhì)含量過低，則該現(xiàn)象得到有效抑制，然而從硅中去除這些雜質(zhì)造成成本增加。如前文所述，在埋弧爐中制造的金屬硅通常具有1500卯m-5000卯m的雜質(zhì)(鐵)濃度，而此處所用的金屬硅具有不大于800ppm的鐵濃度。如之前所述，由于金屬硅中的雜質(zhì)濃度很大程度上依賴于原料中的濃度，因此可以從作為原料而選擇制造的高純產(chǎn)品來制備具有高純度的金屬硅。例如，如果使用石英或化學(xué)合成二氧化硅代替硅石，或者如果使用通過酸處理從中除去灰的木炭作為碳材料，可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)純化。然而，這將引起問題，由于原料成本變高，金屬硅本身的單價提高。因此，本發(fā)明的硅凝固方法優(yōu)選避免使用由昂貴的原料制造的金屬硅，所述原料具有如此高純度以至于從埋弧爐中排出的硅可具有低于300ppm的鐵濃度。因此，本發(fā)明所采用的原料(硅石和碳材料)優(yōu)選具有0.004-0.015卯m的鐵濃度，特別優(yōu)選為0.004-0.Ol卯m。6同樣，通過混合在埋弧爐中制造的具有不同鐵濃度的兩種或更多種金屬硅材料，可以獲得上述的具有特定鐵含量的金屬硅。其可以用于本發(fā)明的定向凝固方法。再有，可以通過電感耦合等離子體光譜儀(ICP-AES)等測量雜質(zhì)濃度。參考附圖，描述了本發(fā)明的金屬硅凝固方法的一個實(shí)施方案。圖l圖解說明了本發(fā)明的定向凝固方法中所使用的一個示例性爐子。在圖1中，在爐子中間設(shè)置用于熔化硅的坩堝1，該爐包括熱絕緣體2、3，熱障4，以及位于熱絕緣體3內(nèi)的加熱器5。坩堝1由沿豎直方向可移動的軸7上的平臺6支撐。桿8設(shè)置在坩堝1上方，用來檢測固_液界面的位置。加熱器5與電源(未示出)相連，并且可移動的軸7和桿8分別結(jié)合到驅(qū)動裝置(未示出)。作為熔煉容器的坩堝1裝有硅10。制成該坩堝1的材料可選自防火材料，例如包括石墨、石英玻璃、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氧化鎂和氧化鋯的耐火材料。坩堝位于爐中由熱絕緣體2，3和熱障4所環(huán)繞的空間內(nèi)，該空間內(nèi)設(shè)有加熱體5。爐子的加熱系統(tǒng)包括電阻加熱電爐、高頻感應(yīng)爐、燃?xì)鉅t、等離子體爐等。由于硅的熔點(diǎn)相對較高，燃?xì)鉅t不太容易熔化硅，因此優(yōu)選使用以電作為能源的電爐。其中，電阻加熱電爐是合適的，這是因為相對低的安裝費(fèi)用以及高的功率效率。圖1中設(shè)想選用該電阻加熱電爐，然而本發(fā)明不限于圖1和該加熱系統(tǒng)。電爐通過穿過加熱器5的電流加熱，當(dāng)爐子加熱到145(TC或更高(硅的熔點(diǎn))時，所述硅材料熔化。優(yōu)選地，將熔化的硅io在熔化狀態(tài)保持一定時間以便熔體的組成可以變?yōu)榫鶆?。由于更高的保持溫度對于促進(jìn)熔融硅的均勻化更有效，因此保持溫度優(yōu)選高于熔點(diǎn)至少20。C，特別是高于50°C-IO(TC。坩堝中的熔融硅具有均勻的組成，使軸7向下移動從而使坩堝向爐下方移動。由于熱障4將爐子下部空間與加熱器5所環(huán)繞的空間熱屏蔽開，因此爐內(nèi)的溫度在低于熱障4的位置經(jīng)歷突然下降。當(dāng)移動通過熱障后，坩堝或其中的熔融硅從其底部冷卻，并開始凝固。在這里，也可以通過降低爐溫同時向下移動坩堝，使硅從坩堝底部凝固。在開始凝固的硅物料的固-液相界面處，固相區(qū)域隨時間經(jīng)過而擴(kuò)展，而硅物料中的雜質(zhì)金屬成分被持續(xù)地排出到液相中。結(jié)果，雜質(zhì)金屬成分在該界面附近的很薄的區(qū)域中富集。該富集隨著凝固進(jìn)行而逐漸發(fā)生。當(dāng)濃度達(dá)到相對于硅溫度的組分過冷狀態(tài)時，凝固經(jīng)歷一個突然的進(jìn)展，這使凝固期間雜質(zhì)排出機(jī)制不連續(xù)，從而雜質(zhì)金屬成分突然進(jìn)入固相中。在本發(fā)明的方法中，坩堝的下降速度(固-液相界面在凝固方向上的移動速度)優(yōu)選在lmm/hr至50m/hr的范圍，更優(yōu)選2mm/hr至10mm/hr，甚至更優(yōu)選2mm/hr至8mm/hr，特別地至多為7mm/hr，并且最優(yōu)選至多為6mm/hr。如果固_液相界面在凝固方向上的移動速度過高，則即使使用本發(fā)明的方法也會發(fā)生過冷現(xiàn)象。如果移動速度過低，則周期時間可能變得過長，導(dǎo)致生產(chǎn)率下降。以上描述的是使容納有熔融硅的坩堝豎直移動，使凝固開始并進(jìn)一步發(fā)展，且使固-液相界面移動的技術(shù)。為了在凝固過程中類似地使固-液相界面移動，除了該技術(shù)，還可使用(a)降低電爐的設(shè)定溫度以便冷卻坩堝的技術(shù)，(b)強(qiáng)制冷卻坩堝底部以便實(shí)現(xiàn)從坩堝底部冷卻的技術(shù)，以及(c)這些技術(shù)的結(jié)合。在這些技術(shù)中，在本發(fā)明的實(shí)踐中優(yōu)選豎直移動坩堝的技術(shù)，這是因為坩堝的移動直接反映了固-液相界面的移動。采用其它技術(shù)，可以實(shí)施本發(fā)明的方法，這是因為可以從爐外使由耐火材料例如石墨制成的桿8(圖1)豎直移向和離開Si熔體來準(zhǔn)確地檢測固_液相界面的位置，即，可以象使用坩堝移動技術(shù)那樣來確定冷卻速度或固-液相界面位置。由于發(fā)生組分過冷現(xiàn)象的條件不僅依賴于本發(fā)明中的雜質(zhì)濃度，還依賴于冷卻速度、熔體的攪拌、雜質(zhì)成分在熔體中的擴(kuò)散等，因此，該發(fā)生條件是在與凝固相關(guān)的各條件之間相對地確定的。然而，如果其它條件相同，則可以采用特定條件(即在本發(fā)明中的雜質(zhì)濃度的差別)來作為支配組分過冷現(xiàn)象出現(xiàn)的差別。實(shí)施例以下給出實(shí)施例和比較例以進(jìn)一步說明本發(fā)明，然而本發(fā)明并不限于此。再有，通過電感耦合等離子體光譜儀ICP-AES(PerkinElmer)測量了金屬硅中的雜質(zhì)濃度。[金屬硅的制造]MG-1的制造原料基本上由硅石和木炭構(gòu)成，所述硅石含有以Fe^3計算的150卯m的鐵和以Ti02計算的140ppm的鈦，所述木炭含有作為灰分的以Fe203計算的1%的鐵和以Ti02計算的0.2%的鈦，將所述原料送入埋弧爐，在該埋弧爐中制備金屬硅。該金屬硅中含有的鐵和鈦的濃度分別為700ppm和160ppm。MG-2的制造類似地，原料基本上由硅石和木炭構(gòu)成，所述硅含有以Fe203計算的900ppm的鐵和以Ti02計算的510卯m的鈦，所述木炭含有作為灰分的以Fe203計算的1%的鐵和以Ti02計算的0.7%的鈦，將所述原料送入埋弧爐，在該埋弧爐中制備金屬硅。該金屬硅中含有的鐵和鈦的濃度分別為1500卯m和750卯m。[金屬硅的凝固]實(shí)施例1在具有180mm見方的內(nèi)部尺寸和300mm深度的石英坩堝中裝入通過以上工序制得的10kg金屬硅MG-l，并將該坩鍋放置在如圖1所示的電阻加熱電爐中。將電爐抽至真空后，通入氬氣直到恢復(fù)大氣壓，并持續(xù)通入氬氣。在預(yù)設(shè)溫度為150(TC的情況下，將電流通過爐子。在爐溫達(dá)到150(TC后，將爐子在該溫度下保溫2小時。然后，使坩堝以5mm/hr的速度下降，從而使全部的硅物料得到凝固。對獲得的Si錠的不同區(qū)域進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)金屬雜質(zhì)濃縮在錠的上部，如表1所示。在光學(xué)顯微鏡下觀察凝固的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)聚集的次生相(secondaryphase)集中在自錠頂部lmm的區(qū)域內(nèi)，而在最頂部區(qū)域之外的區(qū)域沒有觀察到次生相。由于表1中的來自錠頂部的分析樣品取自除次生相分凝區(qū)域以外的區(qū)域，因此該分析數(shù)據(jù)代表了硅的整體分析。以下，"錠頂部"分析數(shù)據(jù)是那些取自除了次生相發(fā)生分凝的最頂部區(qū)域以外的區(qū)域中的樣品的數(shù)據(jù)。該錠的頂部、頂部到中部、中部、中部到底部和底部區(qū)域?qū)?yīng)于那些從錠頂部(記為Omm)處延長5-15mm、30-40mm、55-65mm、80-90mm、以及105-115mm的區(qū)域。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>單位卯m實(shí)施例2,3和比較例1,2通過混合MG-1和MG-2，制備了金屬硅材料，其具有700ppm、800ppm、900ppm、和1000卯m的Fe濃度。使用與實(shí)施例1相同的電爐和坩堝，使金屬硅材料以1.5mm/hr、2.5mm/hr、5mm/hr和10mm/hr的下降速度進(jìn)行定向凝固。同實(shí)施例1一樣，將凝固的錠進(jìn)行分析以觀察組分過冷現(xiàn)象的發(fā)生。表2顯示了來自錠的頂部_中部區(qū)域的樣品中的Fe分析數(shù)據(jù)。從表2可以看出，對于具有超過800ppmFe濃度的那些材料，即使在2.5mm/hr的下降速度下，該頂部_中部區(qū)域的濃度也高，未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)排除效應(yīng)。對于Fe濃度等于或小于800ppm的那些材料，即使在5mm/hr的下降速度下，組分過冷現(xiàn)象也沒有發(fā)生，表現(xiàn)了令人滿意的雜質(zhì)排除效果。表2Fe濃度1.5mm/hr2.5mm/hr5mm/hrlOmm/hr實(shí)施例2700ppm0.040.050.091200實(shí)施例3800ppm0.050.060.071500比較例1900ppm0.09170020001500比較例2lOOOppm0.12180019001700單位ppm9權(quán)利要求一種金屬硅的凝固方法，包括定向凝固具有不大于800ppm鐵濃度的金屬硅。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬硅的凝固方法，其中通過使用氧化硅和碳材料作為原料，調(diào)整原料的雜質(zhì)濃度，并接著還原氧化硅來制備金屬硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬硅的凝固方法，其中的金屬硅是通過摻合至少兩種具有不同鐵濃度的金屬硅原料來獲得的。4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的金屬硅的凝固方法，其中金屬硅是從埋弧爐中排出的。5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項所述的金屬硅的凝固方法，其中的金屬硅具有不小于300卯m的鐵濃度。全文摘要一種金屬硅的凝固方法，其特征在于定向凝固具有800ppm或更小的鐵濃度的金屬硅?？赏ㄟ^以減少的費(fèi)用、縮短的步驟有效地去除金屬硅中的任何金屬雜質(zhì)成分。文檔編號C01B33/037GK101778795SQ20088001923公開日2010年7月14日申請日期2008年6月6日優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日發(fā)明者山田素行,畑山和久申請人:信越化學(xué)工業(yè)株式會社