專利名稱：一種硅提純方法及其實現(xiàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅提純的方法和裝置領(lǐng)域，尤其是對純度為98-99%的冶金級硅進行提純并獲得純度更高的硅。提純硅可以應(yīng)用于光電或電子領(lǐng)域并用于生產(chǎn)MEMS (微電子機械系統(tǒng))。
背景技術(shù)：
光電工業(yè)中使用的硅(可以用于生產(chǎn)太陽能電池)純度一般達到99. 999% -99. 9999% (5-6N)。這種硅又稱為太陽能級硅，只能含有極少量的已知雜質(zhì)。雖然太陽能級硅仍未有標準分類，但近期文獻資料聲稱硅中金屬雜質(zhì)的總含量必須低于150ppm,硼含量必須低于3ppm,磷含量必須低于lOppm。直到最近，光電電池生產(chǎn)中的硅需求量都是通過電子級硅(純度為99. 9999999% (9N))常規(guī)生產(chǎn)中的剩余產(chǎn)量得到滿足的。只有大型工廠才能達到這個純度等級，其生產(chǎn)工藝需要大量能源才能將冶金級硅溶解于鹽酸、對生成的揮發(fā)性化合物進行分餾，然后通過汽相沉淀(CVD)進行熱分解和凝固。太陽能級硅的需求量大增時，電子級硅生產(chǎn)的剩余產(chǎn)量就不足以滿足需求了。人們嘗試建造新工廠采用與電子級硅相同的技術(shù)生產(chǎn)太陽能級硅。雖然用這種方法獲得的太陽能級硅質(zhì)量很好，但其生產(chǎn)需要使用高能耗、復(fù)雜的大型設(shè)備；因此，所生產(chǎn)的產(chǎn)品非常
曰蟲印貝o因此需要通過上述工藝的替代工藝、較為簡單的設(shè)備和較低的能耗來生產(chǎn)太陽能級硅。目前已知熔融硅在坩堝中直接凝固的工藝可以獲得一個硅錠，其中先凝固的部分金屬雜質(zhì)含量較低，而后凝固的部分含有大部分金屬雜質(zhì)。W02008/031229號出版物描述了一種獲得低純度太陽能級硅的方法，其中需要通過定向凝固清除金屬雜質(zhì)。將需提純的硅融化在回轉(zhuǎn)窯中，使其與其他雜質(zhì)分離后倒入回轉(zhuǎn)窯外部的一個容器中。以電磁方式使熔融硅振動以實現(xiàn)定向凝固。在W02008/031229中所述的一個特定實施例中，將熔融硅倒入一個有隔熱側(cè)壁的上方開口的容器中。根據(jù)W02008/031229所述，熔融體部分凝固(40-80%)時必須中斷定向凝固，從而生成一個外殼含有固態(tài)多晶硅、純度高于預(yù)期純度的硅錠，其中心部分含有相對于起始物料雜質(zhì)較為富集的液態(tài)硅。除需要電磁振動外，該方法還需要使用另一臺電磁裝置，因此涉及更高的能耗，而且包含打碎固態(tài)外殼使液態(tài)硅流出的后續(xù)階段。總體而言，該方法涉及在1410°C以上溫度下的熔融態(tài)下進行的兩次質(zhì)量轉(zhuǎn)移。這兩次轉(zhuǎn)移不可避免地涉及個人安全和/或自動化設(shè)備問題。在W02008/031229中，磷的清除是通過定向凝固實現(xiàn)的，而硼的清除是通過氧化
實現(xiàn)的。氫氣/燃矩未予回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部，提供了氧化氣氛。但為了完成硼的清除，需要在熔融硅中添加造渣劑并由此清除提純硅中的熔渣。US5972107號專利說明了一種方法和裝置，可以在同一個反應(yīng)室內(nèi)部通過硅提純反應(yīng)對已清除了硼和磷的硅進行定向凝固。將腔體浸沒在冷卻液中，冷卻液裝在浴槽內(nèi)，浴槽上設(shè)有一個入口閥和多個垂直布置的出口閥，用于使冷卻液流入浴槽內(nèi)。氫氣/氧氣浸炬位于腔體內(nèi)，可沿垂直方向移動并使待提純的熔融體振動。作用于垂直閥來控制浴槽中的冷卻液位以及沿垂直方向移動浸炬使之遠離熔融體，從而進行定向凝固。雖然該方法只使用一臺裝置同時進行定向凝固和分離其他雜質(zhì)(例如硼和磷)，但它存在很大缺陷。例如，由于將特別復(fù)雜、能耗特別高的裝置(即浸炬)同時作為熱源和振動源使用，而且為了進行定向凝固需要對熔融體進行冷卻，因此該方法能效不高。由此可見，為了進行定向凝固，必須通過冷卻液消除反應(yīng)室中的熱量，而且腔體必須是剛剛加熱的才能進行后續(xù)的提純工序。另外，一個重要的考慮因素就是，為了進行定向凝固，反應(yīng)室內(nèi)部必須采用特殊陶瓷覆層。硅錠成型后，這個覆層會碎裂，因此必須在進一步提純前恢復(fù)原狀。由此導(dǎo)致不必要的機器停機時間，并對生產(chǎn)成本和時間造成不良影響。在US5972107號專利中，浸炬不僅要生成保持硅和造渣劑的熔融狀態(tài)以及在反應(yīng)環(huán)境中形成紊流所需的熱量，而且也能生成氧氣、氫氣、水、惰性氣體和造渣劑。因此，將硼和磷裹夾在反應(yīng)環(huán)境中的熔渣內(nèi)就能使之氧化。而且，與水蒸汽和氫氣反應(yīng)后，硼和磷可以轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性化合物。 根據(jù)W02008/031229和US5972107號專利所述，為了獲得太陽能級硅，務(wù)必使用造渣材料；使這些材料熔化需要大量能量，而且會同時生成大量的副產(chǎn)物。還有類似于W02008/031229和US5972107號專利所述方法的其他硅提純方法，其中包括在熔融硅中添加造渣劑及之后熔渣的清除，尤其是為了清除硼。例如，《將冶金級娃提純到太陽能級》(N. Yuge、M. Abe、K. Hanazawa、H. Baba、N. Nakamura、Y、Kato> Y. Sakaguchi、S. Hiwasa、F. Aratani。《光電科技進展研究與應(yīng)用》2001年；弟9期203-209頁)中說明了一種兩級娃提純系統(tǒng)。在弟一級中，用電子束槍熔化冶金級硅，讓其在真空中以液態(tài)滴落，以加快磷的蒸發(fā)，然后在一個銅制容器中定向凝固，以分離金屬雜質(zhì)。由此獲得的硅錠分解為碎片；在第二級中(US5192091號專利也有論述)，通過電磁感應(yīng)熔化分解的硅錠，然后在硅和造渣成分存在的情況下用等離子炬進行處理并通過氧化清除硼和碳。等離子炬也具有熔融體振動裝置的功能。在一個石墨容器中進行的第二次定向凝固完成了金屬雜質(zhì)的清除過程。雖然該工藝在純度方面效果良好，但由于需要多類機器進行硅的熔化和提純而且步驟繁多，因此該工藝特別復(fù)雜，其中在熔融態(tài)物料的轉(zhuǎn)移的總能量成本較高。US5788945號專利說明了一種方法，其中以含有40ppm硼的硅作為起點，可以通過向熔融硅連續(xù)添加造渣劑和連續(xù)清除反應(yīng)環(huán)境中未活化的熔渣獲得含有Ippm硼的硅。該方法中，熔渣的用量為開始時硅用量的兩倍，因此必須形成大量的熱量才能熔化這兩種物料，而且必須對所生成的低含硼量硅的數(shù)量兩倍的副產(chǎn)物(未活化的熔渣)進行處理。US5788945號專利、W02008/031229和US182091號專利中所述的方法涉及至少一次熔融態(tài)硅的轉(zhuǎn)移。同時，這些方法不適合于用一臺裝置分離低純度硅中的金屬或硼和/或碳、磷和/或其化合物；實際上需要使用更多裝置，這又會導(dǎo)致更高的能耗。雖然人們花費了大量精力來研究低純度硅或冶金硅的提純方法，但仍需要一種簡單、經(jīng)濟效益高的方法，其中采用一臺簡單的裝置來清除低純度硅中存在的以及其他上文所述的金屬雜質(zhì)及其他相關(guān)雜質(zhì)。
由于定向凝固要求熔化待提純并維持熔融態(tài)的整個硅體較長時間，而且由于一次定向凝固往往不足以達到150ppm以下的金屬雜質(zhì)含量，因此需要一種能高效清除金屬雜質(zhì)的硅提純方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種硅提純方法和裝置，同時避免消除提純腔體和/或熔融體中熱量、更換腔體覆層的高成本步驟，而且這種方法和裝置無需轉(zhuǎn)移熔融物料，因為這涉及到作業(yè)人員安全和/或自動化設(shè)備方面的嚴重問題。本發(fā)明的另一個目的是提供一種硅提純方法，其中并不需要熔融體的電磁振動裝置。本發(fā)明的另一個目的是提供一種簡單、經(jīng)濟效益高的方法，用于提純低純度硅或 冶金硅并獲得適合于光電或電子領(lǐng)域應(yīng)用的太陽能級硅。上述目的可以通過本發(fā)明提出的硅提純方法和提純裝置實現(xiàn)，該方法和裝置克服了已知方法和裝置的缺點。本發(fā)明提出的硅提純裝置包含一個有縱向伸展部分的腔體，該縱向伸展部分的尺寸使其能容納裝有硅的容器；用于加熱腔體特定部分的裝置；加熱裝置和腔體能沿平行于腔體縱向伸展部分的方向相互移動，以便在容器置于腔體內(nèi)時實現(xiàn)容器內(nèi)所裝硅的定向凝固。該裝置的能耗低于先前技術(shù)，因為其中任何部分都不需要冷卻，而且能量幾乎完全用于熔化娃體。顯而易見的是，加熱裝置和腔體之間的相對移動意味著可以避免消除腔體中的熱量，因為腔體會在加熱裝置反向遠離后自行冷卻。然后，加熱裝置可以一直保持恒定溫度。其有利之處在于能從發(fā)生硅凝固的較冷腔體中將容器抽出，插入含有待提純硅的另一個容器并沿平行于腔體縱向伸展部分的方向?qū)崿F(xiàn)加熱裝置和腔體的相對移動，以便融化第二個容器中所裝的硅。這樣就無需冷卻加熱裝置、讓其冷卻或降低其溫度，加熱裝置就能立即進行進一步的熔化工序，因此與先前技術(shù)相比能效有所提高。本發(fā)明提出的硅提純方法可通過本發(fā)明提出的裝置實現(xiàn)，包含以下步驟在縱向伸展的腔體內(nèi)放置一個裝有硅的容器；對用于加熱腔體特定部分的裝置進行布置；沿平行于腔體縱向伸展部分的方向相對于加熱裝置和腔體進行相對移動，以便對容器中所裝的硅進行定向凝固。采用低于I厘米/分的定向凝固速率較為有利，最好處于0.01-0. 5厘米/分之間。根據(jù)所采用的定向凝固速率，最好在移走硅錠中富含雜質(zhì)的部分之后重復(fù)進行幾次定向凝固。在本發(fā)明提出的方法中，硅熔化步驟是通過加熱裝置進行的。用所提出的方法提純的物料可以是低純度硅構(gòu)成的，例如最低純度為98% (重量/重量比)的冶金硅、電子級硅的初渣、其他硅冶金行業(yè)的初渣。硅熔化步驟可以通過本發(fā)明提出的裝置實現(xiàn)，其中未啟動加熱裝置對特定部分進行加熱，而是將容器置于腔體的特定部分，然后啟動加熱裝置供熱。在一種較為有利的替代方案中，可以通過本發(fā)明提出的裝置實現(xiàn)熔化，其中啟動了加熱裝置進行供熱并沿平行于腔體縱向的方向?qū)崿F(xiàn)加熱裝置和腔體的相對移動，以便融化容器中所裝的硅。在一個特殊實施例中，將容器在一個不同的位置插入至特定部分并實現(xiàn)加熱裝置和腔體的相對移動就能做到這一點，這樣使加熱裝置和腔體沿不同方向相對移動就能使特定部分和容器位置重合。在所提出的方法中，能效被極大地提高了，因為在腔體中添加新的待熔融和提純的硅之前無需消除加熱裝置中的熱量。本發(fā)明提出的裝置和方法進一步避免了恢復(fù)腔體覆層的步驟，因為凝固是在可從腔體中抽出的容器中進行的，而且無需轉(zhuǎn)移熔融體，因為待提純的硅是以固態(tài)引入腔體并在容器內(nèi)部熔融和定向凝固的。 加熱裝置位于腔體外部較為有利。在這種布置方式下，加熱裝置不會受硅中所含雜質(zhì)的揮發(fā)性氧化物或硅中所含雜質(zhì)的作用，而且蒸氣張力大于硅。這意味著減少了加熱裝置的清洗工序和/或恢復(fù)工序，而且減少了裝置停機次數(shù)、縮短了工作時間、降低了生產(chǎn)成本。在裝置的一個較佳實施例中，加熱裝置部分環(huán)繞著腔體的縱向外壁或側(cè)壁，另一個優(yōu)點是極大地減少了保持腔體溫度所需的能耗。本發(fā)明提出的較佳裝置包含一個熔化爐，其中包含加熱裝置并可滑動地與腔體接合。該實施例較為有利，因為進一步包含隔熱裝置的熔化爐可以與隔熱裝置聯(lián)結(jié)同時極大地減少了熱量損失。在裝置的一個更佳實施例中，熔化爐是管形的。因此，它可以至少環(huán)繞腔體的一個縱向部分；而且，如果熔化爐和腔體具有圓形橫截面，就會極大地減少隔熱量，而且加熱效率會得到進一步優(yōu)化。加熱裝置為電阻時，裝置的能耗較低。加熱裝置為煤氣噴燈時，可以獲得運行成本較低的裝置。煤氣噴燈采用常規(guī)型較為有利，因為不需要使用可燃式燃燒器/氧氣燃燒器。這意味著預(yù)先布置加熱裝置為煤氣噴燈或電阻的方法較佳。本發(fā)明中，在定向凝固期間使容器中所裝的硅振動以促進金屬雜質(zhì)遷移過程的方法也較為有利。因此，容器置于腔體內(nèi)時，包含可以移動腔體一端的裝置以使容器中所裝的熔融硅進行混合的擬用裝置特別有利，尤其是移動裝置適合于升降腔體端部時，因為該裝置很容易實現(xiàn)。例如，在腔體的底部設(shè)置一個提升機構(gòu)(可以是活塞)就可以實現(xiàn)該裝置。因此，在本發(fā)明中，包含使腔體一端進一步移動的步驟以使容器中所裝的熔融硅進行混合的方法較為有利，尤其是移動步驟為有節(jié)奏地升降腔體端部。在本發(fā)明涉及的方法和裝置中，使腔體變形以使其水平方向較長、垂直方向較短的方案較佳。這樣，不僅能極大地減少熱量損失，而且可以使用水平方向達到最大尺寸的熔化容器，其中熔融硅與腔體內(nèi)氣氛的接觸面特別大。這樣做的有利之處在于將硅中的其他元素進一步分離出來，其效果取決于接觸面的大小。這些進一步的提純工序包括清除蒸氣張力大于硅的雜質(zhì)以及氧化物呈揮發(fā)性的雜質(zhì)。因此，在本發(fā)明中，包含以下步驟和最終步驟的方法較為有利通過所述加熱裝置使硅保持在熔融狀態(tài)并在所述腔體內(nèi)注入氧化性氣體混合物，以清除氧化物呈揮發(fā)性的雜質(zhì)。雜質(zhì)可能包含硼和碳。氧化性氣體混合物最好能結(jié)合氫氣和氧氣或水蒸汽。水蒸汽較佳，因為它的操作安全性高于氧氣。氧化性氣體混合物通過以0 : 1-10 I的比例使氬氣和水蒸汽飽和氫氣混合而獲得較為有利，最好是0 : 1-1 1，而且在0-60°C的溫度范圍內(nèi)進行飽和。
供氣步驟持續(xù)時間為15-600分鐘、供氣速率為0. 01-10升/分較佳。在一個較佳實施例的該步驟中，將腔體內(nèi)的氣壓調(diào)節(jié)為100-105帕以促進蒸發(fā)。該階段持續(xù)時間短于60分鐘、供氣速率為0. 01-10升/分較佳，供氣速率為0. 1-1升/分更佳。包含以下步驟的方法也較為有利通過所述加熱裝置使硅保持在熔融狀態(tài)并將所述腔體內(nèi)的氣壓值調(diào)節(jié)為1000帕以下，以清除蒸氣張力大于硅(12)的雜質(zhì)。壓力值為1-100帕較佳，壓力值為1-10帕更佳。雜質(zhì)可能包含磷、銅、鈣、鋁、錳、鎂及其化合物。壓力值調(diào)節(jié)為1-10帕較佳，因為這樣促進了蒸氣張力大于硅的雜質(zhì)的蒸發(fā)而且避免了硅的揮發(fā)。附加步驟的持續(xù)時間為15-600分鐘較佳。在該步驟中，壓力保持在1-10帕的范圍內(nèi)至少15分鐘較為有利。另一個顯而易見之處在于，該方法既未涉及在采用單臺低能耗裝置以及不需要任何復(fù)雜的試劑處理和振動裝置(例如浸炬或等離子炬)的情況下，通過熔融物料的轉(zhuǎn)移和熔渣的使用，清除單個腔體內(nèi)部的金屬雜質(zhì)、氧化物呈揮發(fā)性的雜質(zhì)(尤其是硼)以及在無造渣劑輔助時清除蒸氣張力大于硅的雜質(zhì)(尤其是磷)，也未涉及熔化腔體內(nèi)覆層的恢復(fù)。這是因為較為有利的是，硼和磷提純中涉及的反應(yīng)在熔融態(tài)硅與腔體內(nèi)部氣氛之間的整個接觸面上進行，而不是僅限于熔融硅的極少部分。由此可見，該方法比已知的硅提純方法效率更高、效果更好，因為它降低了能耗、生成的初渣較少。根據(jù)上文所述各項實施例使硅體振動時，其有效性得到進一步提高，因為連續(xù)混合會使與反應(yīng)氣氛接觸的熔融體不斷發(fā)生變化。由此可見，在本發(fā)明提出的裝置中，包含供應(yīng)一種氣體或氧化性氣體混合物、與腔體連通并可在啟動后可執(zhí)行氧化物呈揮發(fā)性的雜質(zhì)的清除步驟的裝置較為有利，包含與腔體連通并可在啟動后執(zhí)行蒸氣張力大于硅的雜質(zhì)的清除步驟的減壓裝置也是如此。為了避免外部污染，建議在引入容器的步驟之后引入以下步驟將腔體氣氛的壓力調(diào)節(jié)為低于大氣壓并供應(yīng)一種惰性氣體或惰性氣體混合物，以便在腔體內(nèi)獲得惰性氣氛。在熔化或保持熔融狀態(tài)的步驟中，腔體溫度保持在1410_1600°C較為有利。


本發(fā)明的特性是結(jié)合附圖的附表加以說明的，其中顯示了一些較佳實施例而且圖I是本發(fā)明提出的裝置的一個實施例的縱向剖視圖。
具體實施例方式在圖I中，各部件的編號與下文本發(fā)明各項實施例的說明相同而且特征相似，除非另有說明。圖I表示本發(fā)明提出的裝置的一個有利實施例的設(shè)計樣式，其中腔體I具有一個水平伸展部分和一個圓形橫截面(圖中未顯示)。熔化爐17具有管形形狀、環(huán)繞腔體I并包含加熱裝置2較為有利。加熱裝置2面對腔體I外壁的一部分，而且被隔熱裝置3環(huán)繞在其剩余部分內(nèi)，以便盡可能減少熱量損失。
熔化爐17的管形形狀和腔體1，以及腔體I內(nèi)部與反應(yīng)氣氛隔離的加熱裝置2，使采用簡單而有效的裝置限定熔融硅12成為可能。由于管形形狀可以在一個立體角(幾乎是完整的)內(nèi)隔熱，因此極大地減少了保持溫度所需的能量。而且，考慮到熔化爐的管形形狀和熔化容器11的伸長船形形狀，因此硅與氣氛之間的熱交換表面本身較大。在圖I所示的實施例中，裝置包含一個由耐火材料制成的圓柱管形構(gòu)件和管形構(gòu)件端部的兩個閉合構(gòu)件4，5，其中一個閉合構(gòu)件是一個可開式開口。在該實施例中，管形構(gòu)件和閉合構(gòu)件4，5限定了腔體I的內(nèi)部構(gòu)形。管形構(gòu)件的側(cè)壁由能在1500°C以上溫度下工作的陶瓷材料制成較佳；該材料最好為氧化鋁、富鋁紅柱石或鋯石。如圖I所示，該裝置包含一個支撐腔體I和熔化爐17的框架20較為有利。這使得升降裝置能直接作用于框架20。升降裝置至少由一個位于框架20縱向端部下方的活塞32組成較佳。升降裝置未啟動時，為了使腔體保持水平，將與活塞32高度相同的一個支架13置于框架20對端下方。周期性地改變腔體I相對于水平平面的傾角可以使熔融硅12振動，從而使熔融硅12不斷從右向左、從左向右流動。容器11的船形形狀極大地增強了這種振動，其縱向延伸部分與腔體的延伸部分平行。在圖I所示的實施例中，減壓裝置7和供氣裝置9包含一臺減壓泵和至少一個蝶閥(圖中未顯示)較為有利，供氣裝置9采用氣流系統(tǒng)(圖中未顯示)較佳。腔體I與減壓裝置7和供氣裝置9相連，可以在減壓條件或低于或等于大氣壓的受控壓力下運行，同時使工藝氣體或氣體混合物在腔體I內(nèi)流動?？紤]到腔體I與減壓裝置7和供氣裝置9相連，最好是使加熱裝置2相對于腔體I移動而不是使腔體I相對于加熱裝置2移動來實現(xiàn)相對移動。在圖I所示的實施例中，熔化爐17可以相對于腔體I移動。熔化爐17放置在至少一個旋轉(zhuǎn)支架構(gòu)件16上，而且可以沿框架20上的一根導(dǎo)軌30相對于腔體I水平移動，其軌跡被框架20內(nèi)腔體I的第一和第二支架構(gòu)件21，21’限定。容器11位于腔體內(nèi)部，其中裝有待提純的熔融物料12。容器11也必須由能在1500°C以上溫度下工作的材料制成，最好是氧化鋁、可澆鑄氧化鋁、富鋁紅柱石、鋯石、氮化硼、氮化硅。
容器11的長度與腔體I的長度相同，但等于或短于熔化爐17的長度較佳，如圖I所示。下面的示例再次采用了圖I所示的裝置，其中腔體I長度為150厘米、內(nèi)徑為75毫米，管形熔化爐17的長度為60厘米、內(nèi)徑為86毫米，而且采用了伸長形狀(船形)的容器11，其長度為20厘米、寬度為6厘米、深度為3厘米。在該裝置中，升降裝置能以每分鐘一次循環(huán)的速率使腔體I的水平軸傾斜0. 5°。示例將100克冶金級硅置于容器11上。預(yù)先選定的數(shù)量應(yīng)能達到不大于容器11內(nèi)部容積90%的裝料水平。然后將容器11置于腔體I未被熔化爐17環(huán)繞的區(qū)域B內(nèi)。將可開式開口閉合，以0. 7升/分的速率通過供氣裝置供應(yīng)氬氣流，在腔體I內(nèi)部形成惰性氣氛。 沿平行于腔體I縱向的方向使加熱裝置2和腔體I相對移動，以熔化容器11中所裝的硅12，同時使熔化爐17從位置A移到位置B以保持氬氣流。熔化溫度為1500°C。進行熔化時，啟動升降裝置，以每分鐘一次循環(huán)的速率使工作管的水平軸傾斜0. 5。。通過氧化和揮發(fā)清除雜質(zhì)(硼、碳及其化合物)停止供應(yīng)氬氣流，使氫氣與水蒸汽混合物流入腔體I。在15°C溫度下用水蒸汽使氫氣飽和以獲得混合物。60分鐘后，停止供應(yīng)水蒸汽與氫氣混合物并重新恢復(fù)0. 7升/分的氬氣流。揮發(fā)性雜質(zhì)(磷、銅、鈣、鋁、錳、鉀及其化合物)的清除停止供應(yīng)氬氣流，將腔體內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)為5帕。60分鐘后重新恢復(fù)0. 7升/分的氬氣流，直至達到大氣壓。定向凝@ (清除鐵、招、 丐、猛、鎂、銅、鎳、銀、鈉、錯、鉻、鑰、鈷、銀、鋇、鉀、鶴、鉭、磷及其化合物)沿平行于腔體I縱向伸展的方向使加熱裝置2和腔體I相對移動，以使容器11內(nèi)所裝的硅12定向凝固。在該步驟中，通過調(diào)節(jié)熔化爐17從位置B移到位置A的速率來控制凝固速率。所采用的沿腔體I縱軸的凝固速率為0. 25厘米/分，這與所用容器11的縱軸一致。通過機械動作清除硅錠中最后凝固的部分，對硅錠的其余部分(占起始重量的70% )進行分析。表I報告了根據(jù)本發(fā)明提出的方法對提純前后的硅進行化學(xué)分析的結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)中可以看出該提純方法清除金屬雜質(zhì)、硼和磷的效率特別高。提
權(quán)利要求
1.硅提純裝置，其特征在于其包含 一個腔體(I)，腔體縱向伸展，其尺寸使其能容納裝有硅(12)的容器(11)； 用于加熱所述腔體特定部分的裝置(2); 加熱裝置(2)和腔體(I)可以沿與腔體(I)的縱向伸展部分平行的方向相互移動，以便在容器(11)置于腔體⑴內(nèi)時實現(xiàn)容器(11)內(nèi)所裝硅(12)的定向凝固。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，包含一個熔化爐(17)，其中包含加熱裝置并可滑動地與腔體⑴接合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于熔化爐(17)是管形的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中的任意一項所述的裝置，其特征在于加熱裝置(2)是一個煤氣噴燈或電阻。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，包含可以移動腔體(I)一端的裝置，從而在容器(11)置于腔體(I)內(nèi)時使容器(11)中所裝的熔融硅(12)進行混合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述移動裝置適合于升降腔體(I)端部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，包含一個支撐腔體(I)和熔化爐(17)的框架(20)，而且其特征在于升降裝置直接作用于框架(20)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的裝置，其特征在于升降裝置至少是一個活塞(32)。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，包含一個由耐火材料制成的圓柱管形構(gòu)件和管形構(gòu)件端部的兩個閉合構(gòu)件(4，5)，其中一個閉合構(gòu)件是一個可開式開口，而且管形構(gòu)件和閉合構(gòu)件(4，5)限定了腔體⑴的內(nèi)部構(gòu)形。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所述的裝置，包含減壓裝置(7)和供應(yīng)一種氣體或氧化性氣體混合物的供氣裝置(9)，后者與所述腔體(I)連通并可在啟動后執(zhí)行蒸氣張力大于硅(12)的雜質(zhì)和氧化物呈揮發(fā)性的雜質(zhì)的清除步驟。
11.硅的提純方法，包含以下步驟 -引入一個容器(11)，其中一個縱向伸展的腔體⑴裝有硅(12)； -預(yù)先布置用于加熱腔體特定部分的裝置(2)； -使加熱裝置⑵和腔體⑴沿平行于腔體⑴縱向伸展部分的方向相對移動，以使容器(11)中所裝的硅(12)定向凝固。
12.根據(jù)前一項權(quán)利要求所述的方法，進一步包含使腔體(I)一端移動的步驟以使容器(11)中所裝的熔融硅(12)進行混合。
13.根據(jù)前一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述移動步驟為有節(jié)奏地升降腔體(I)的所述端部。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所述的方法，進一步包含以下步驟 -使加熱裝置⑵和腔體⑴沿平行于腔體⑴縱向伸展部分的方向相對移動，以使容器(11)中所裝的硅(12)熔化。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所述的方法，進一步包含以下步驟 -通過所述加熱裝置(2)使硅(12)保持在熔融狀態(tài)并在腔體(I)內(nèi)注入氧化性氣體混合物，以清除氧化物呈揮發(fā)性的雜質(zhì)。
16.根據(jù)前一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述氧化性氣體混合物是通過以·0 1-10 I的比例使IS氣和水蒸汽飽和氫氣混合獲得的,而且在0-60°C的溫度范圍內(nèi)進行飽和。
17.根據(jù)上述權(quán)利要求中的任意一項所述的方法，進一步包含以下步驟 -通過所述加熱裝置(2)使硅(12)保持在熔融狀態(tài)并將腔體(I)內(nèi)的氣壓值調(diào)節(jié)為1000帕以下，以清除蒸氣張力大于硅(12)的雜質(zhì)。
18.根據(jù)前一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于壓力值保持在I到10帕之間至少15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提純硅的新方法，尤其是獲得太陽能級硅的方法，以及實現(xiàn)該方法的一種裝置。硅提純裝置包含一個腔體，腔體縱向伸展，其尺寸使其能容納裝有硅的容器；用于加熱所述腔體特定部分的裝置；加熱裝置和腔體能沿平行于腔體(1)縱向伸展部分的方向相互移動，以便在容器置于腔體內(nèi)時實現(xiàn)容器內(nèi)所裝硅的定向凝固。硅的提純方法，包含以下步驟在縱向伸展的腔體內(nèi)放置一個裝有硅的容器；預(yù)先布置用于加熱腔體特定部分的裝置；使加熱裝置和腔體沿平行于腔體縱向伸展部分的方向相對移動，以實現(xiàn)容器內(nèi)所裝硅的定向凝固。
文檔編號C01B33/037GK102803139SQ201080031326
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月12日
發(fā)明者埃馬努埃萊·琴圖廖尼, 達尼埃萊·延奇內(nèi)拉 申請人:雷索拉爾公司