金屬或半導體熔融液的精制方法和真空精制裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目標是在對金屬或半導體熔體的精煉中，在不損害精煉效率的情況下緩解與由流動熔體中的不穩(wěn)定性導致的坩堝不平相伴的磨損和撕裂，以及在長時期內(nèi)允許安全操作從而不發(fā)生從坩堝的泄漏。提供一種金屬或半導體熔體精煉方法，其中通過使用AC電阻加熱加熱器作為坩堝加熱方法，將熔體保溫并通過由電阻加熱加熱器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場混合。金屬或半導體熔體精煉方法和用于精煉方法的最佳真空精煉裝置的特征在于：為了當通過旋轉(zhuǎn)磁場使熔體旋轉(zhuǎn)時在熔體與坩堝底面之間的邊界中不出現(xiàn)流體不穩(wěn)定性，設熔體的運動粘度系數(shù)為v(m2/秒)、熔體的流體表面的半徑為R(m)、且熔體的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω(弧度/秒)，進行使被定義為Re＝R×(Ω/v)^(1/2)的雷諾數(shù)(Re)的值不超過600的操作。
【專利說明】金屬或半導體熔融液的精制方法和真空精制裝置

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于加熱和熔化具有導電性的金屬或半導體原料從而從其中移除雜 質(zhì)的方法和裝置，具體地，其涉及設計為實現(xiàn)用于本方法或裝置的更長壽命的坩堝的純化 方法和真空純化裝置。 現(xiàn)有技術
[0002] 典型的純化方法是真空冶金法和熔渣精煉法。在這些中，真空冶金法是這樣一種 方法，其中熔融原料在處于真空狀態(tài)下的坩堝中，并且通過將具有低蒸氣壓的組分從熔體 表面蒸發(fā)來將熔體中的雜質(zhì)蒸發(fā)。另一方面，熔渣精煉法包括將輔助原料加入至坩堝中的 熔融原料中并在熔體的上部或下部形成熔渣層，以及利用熔體與熔渣界面的化學勢的差異 將熔融原料中的雜質(zhì)轉(zhuǎn)移至熔渣側。
[0003] 近年來，已經(jīng)開發(fā)了旨在增加純度的純化工藝，并且在這些中，就用于太陽能電池 的硅原料的純化方法而言，已經(jīng)開發(fā)了實現(xiàn)大于6N(99. 9999% )的純度的處理技術（參考 非專利參考文獻3和4,以及專利參考文獻2和3)，尤其是，能夠處理在界面處反應速度慢 的組分如硼（B)和磷（P)的工藝的進行已經(jīng)成為可能（參考非專利參考文獻4,專利參考文 獻 3、4、5)。
[0004] 然而，在硅的純化中，就以磷代表的具有高蒸氣壓的元素而言，已經(jīng)存在通過在真 空爐中將熔融硅保持在其熔點以上的高溫的來將其移除的方法的提案（參考專利參考文 獻3、4、5)，但是，作為可以在真空條件下潔凈地保持熔體的坩堝，可以廉價提供的那些限于 石英或石墨制造的那些（參考專利參考文獻6、7、8)。
[0005] 此外，在用于純化金屬或半導體的熔融原料的工藝中，通常對熔體進行攪拌（參 考非專利參考文獻1)以便增加純化效率。因為雜質(zhì)的排出僅在熔體與氣相或與熔渣的界 面進行，適宜的是攪拌熔體以將熔體中的雜質(zhì)有效地輸送至界面。
[0006] 通常使用攪拌部件如槳和葉輪實現(xiàn)熔體的機械攪拌。然而，金屬和半導體原料的 熔點是高溫，此外它們中的許多是化學反應性的，從而使攪拌構件的壽命變短，或者，使攪 拌部件或攪拌部件中的雜質(zhì)溶解至熔融原料中，并且在許多情況下這成為對本來的純化目 的的阻礙。出于這種原因，在金屬和半導體的純化中，因為熔體本身是導電的，在其中在不 與其接觸的情況下借助交流電磁場攪拌熔體的方法是廣泛使用的?？梢詫嵤┩ㄟ^交流電磁 場攪拌熔體的裝置分類為借助永磁體的感應爐以及借助移動磁場的電磁攪拌裝置。
[0007] 其中，感應爐在熔體中產(chǎn)生感應電流，并且借助伴隨其的洛倫茲力實現(xiàn)攪拌的同 時，其借助感應電流實現(xiàn)焦耳加熱，并且采用這種形式的爐多數(shù)被稱為感應加熱爐。這些爐 的典型構造具有在坩堝外周的耐火材料的外側周圍盤繞數(shù)次至數(shù)十次的水冷螺線管，并且 導致交流電流以數(shù)百至數(shù)KHz的頻率在此線圈中流動。這些爐可以借助頻率在某種程度上 調(diào)節(jié)注入至熔體的熱能和攪拌的動能的分配，并且當頻率低時，攪拌效率高,并且當頻率高 時，加熱效率高。
[0008] 已經(jīng)存在攪拌熔融硅的裝置的提案，其不采用感應爐方式的強力攪拌，此外不采 用外部附設的感應加熱裝置，而是通過在布置為包圍爐內(nèi)坩堝的電阻加熱器中采用三相電 流，在坩堝中的熔體中產(chǎn)生移動磁場，并且旋轉(zhuǎn)坩堝中的熔體（參考專利參考文獻6)。
[0009] 電磁攪拌裝置在坩堝或爐的外周側上設置用于產(chǎn)生移動磁場的線圈。因為這些裝 置僅攪拌熔體而不負責加熱熔體，移動磁場的設計的尺寸大，并且有助于攪拌能力的調(diào)節(jié)。 這種類型的典型設備是ASEA-SKF爐，并且除非專利參考文獻2中公開的旋轉(zhuǎn)磁場裝置外， 也已經(jīng)存在專利參考文獻1中公開的裝置的提案。
[0010] 以這種方式，通常，具有導電性的熔融金屬或半導體以熔融狀態(tài)容納在坩堝中，并 且在借助熔渣反應或氣體反應將此熔體純化的工藝中，在通過非接觸方式攪拌熔體的方法 中采用電磁力，從而使精煉反應高效并且防止被雜質(zhì)污染。
[0011] 現(xiàn)有技術參考文獻
[0012] 專利參考文獻
[0013] 專利參考文獻1 :日本特開平10-25190號公報
[0014] 專利參考文獻 2 :W0 2008-031229
[0015] 專利參考文獻3 :日本特開平2005-231956號公報
[0016] 專利參考文獻4 :日本特開平2006-315879號公報
[0017] 專利參考文獻5 :日本特開平2007-315879號公報
[0018] 專利參考文獻6 :日本特開平10-25190號公報
[0019] 專利參考文獻7 :日本特開平9-309716號公報
[0020] 專利參考文獻8 :日本特開平2005-281085號公報
[0021] 非專利參考文獻
[0022] 非專利參考文獻 1 :J. Szekely，F(xiàn)luid Flow Phenomena in Material Processing(材料處理中的流體流動現(xiàn)象），第191頁（1979)Academic Press。
[0023] 非專利參考文獻2 :Revolving magnetic field devices (旋轉(zhuǎn)磁場裝置），淺井滋 生，An introduction to magnetic materials processing(磁力材料處理入門）（2000) Uchida Rokakuho
[0024] 非專利參考文獻 3 J. R. Davis 等人，IEEE Trans. Elec. Dev. ED27,677 (l98〇)
[0025] 非專利參考文獻 4 :N. Yuge 等人，Solar Energy Materials and Solar Cells (太 陽能材料和太陽能電池）34, 243 (1994) 發(fā)明概要
[0026] 本發(fā)明所要解決的問題
[0027] 然而，在使用電磁領域的常規(guī)攪拌技術的純化方法中，出現(xiàn)下列問題。
[0028] 第一個需要解決的問題是坩堝的腐蝕。換句話說，當感應爐將坩堝中的大體積的 具有高熔點的原料純化時，熔體的攪拌作用過度，并且坩堝的腐蝕高。坩堝的腐蝕的機制并 不清楚，但是理解如下。
[0029] 當存在過度攪拌時，通常伴隨流體通量的不穩(wěn)定性，并且在頻繁的過度攪拌情況 下的坩堝的腐蝕是非均勻地進行的。因此，在坩堝的表面中形成明顯的起伏。起伏部導致 熱應力的集中，破壞坩堝以及產(chǎn)生熔體的泄漏。尤其是，與高頻率的使用有關，對于高容量 的坩堝，作為交流電的趨膚效應的結果，從能量效率的觀點來看，這種攪拌變得過度，并且 頻繁發(fā)生腐蝕。因此，在長時間的精煉中，腐蝕的量變高，并且難以通過將坩堝加厚來解決。
[0030] 此外，作為第二個問題，在石英和石墨二者的情況中，因為存在其通過熔體的一些 熔融，在目的為高度精煉的工藝中，限制速度的工藝是與雜質(zhì)移除直接相關的界面反應，而 不是攪拌，并且在此情況下，已經(jīng)確認了關于作為過度攪拌的結果的坩堝的腐蝕以及來自 坩堝的雜質(zhì)與純化原料的無意混合的問題。
[0031] 考慮到以上確認的問題，建立將坩堝的腐蝕限制至最低的技術是非常重要的問 題。尤其是，在用于太陽能電池的硅的精制中，在近年來對高潔凈性的要求已經(jīng)不斷增長地 進行的情況下，該問題是極其重要的。
[0032] 因此，就金屬和半導體材料的精制而言，本發(fā)明以下列為目的：提供精制方法和真 空精制裝置，其為精制反應維持足夠的熔體攪拌能力，此外能夠?qū)③釄宓母g抑制到最低。 [0033] 解決問題的手段
[0034] 出于這種原因，本發(fā)明人對于金屬或半導體熔體的精制方法關注流動性、流動形 態(tài)、以及被稱為通常所說的?？寺‥kman)層的區(qū)域。之后，通過確保在坩堝的底面與由熔 體旋轉(zhuǎn)所得到的熔體的界面不發(fā)生?？寺鞯牟环€(wěn)定性現(xiàn)象，從而維持足以用于精制反應 的攪拌能力，不使其過多或不足，并且發(fā)現(xiàn)作為其結果，可以將坩堝的腐蝕抑制為最低，從 而完成了本發(fā)明。
[0035] 換句話說，本發(fā)明是一種熔融金屬或半導體的純化方法，所述純化方法在借助旋 轉(zhuǎn)磁場攪拌容納在坩堝中的所述金屬或半導體熔融液的同時進行純化，所述坩堝由被布置 成包圍所述坩堝的外壁的加熱器加熱，其特征在于，當所述熔融液的動態(tài)粘度系數(shù)為v(m 2/ 秒），所述熔融液的液面半徑為R(m)，并且所述熔融液的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω (弧度/秒）時， 進行純化以使由以下等式（2)表示的雷諾數(shù)Re值不超過600。
[0036] Re = RX (Ω/ν) ~ (1/2)... (2)
[0037] 此外，本發(fā)明提供一種真空純化裝置，所述真空純化裝置設置有：用于將包括金屬 或半導體的純化對象放入其中的坩堝，收容所述坩堝的、加熱并熔融在所述坩堝中的所述 純化對象的具有圓形開口部的電阻加熱器，以及設置成包圍所述電阻加熱器周圍的絕熱材 料，它們?nèi)吭O置在真空容器中，其特征在于，所述電阻加熱器設置有：從布置在所述坩堝 底部中央的底部中心發(fā)熱元件延伸并且沿著所述坩堝底部外壁面周圍基本三等分設置的 三個底部圓弧狀發(fā)熱元件、在與所述底部圓弧狀發(fā)熱元件基本平行的位置沿著所述坩堝軀 干部外壁面周圍基本三等分設置的三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件、和各自從所述底部圓弧狀 發(fā)熱元件的尖端延伸設置的將底部連接發(fā)熱元件和所述軀干部圓弧狀發(fā)熱元件相互聯(lián)結 的連接發(fā)熱元件，并且所述三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件分別在所述連接發(fā)熱元件的相反側 的尖端具備與電極連接的電極端子，形成三相交流電路，并且此外，所述底部圓弧狀發(fā)熱元 件的橫截面的中心與所述軀干部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心之間的距離為h、并且在 聯(lián)結所述三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心所形成的中心線圓的半徑為a的情 況下，h/a小于或等于0. 3,此外所述底部圓弧狀發(fā)熱元件與所述軀干部圓弧狀發(fā)熱元件之 間的距離等于或大于20mm。
[0038] 首先，在本發(fā)明中關注流動性的原因如下。
[0039] S卩，在當使用旋轉(zhuǎn)磁場攪拌熔融金屬或半導體時進行的純化中的坩堝的腐蝕通過 在坩堝的材料和熔體的界面處的它的溶解或化學反應而使坩堝磨損，并且所述腐蝕的速度 是通過熱力學指標例如溫度或濃度等確定的，但是在實際的加工裝置中，在許多情況下材 料輸送是限速因素，并且在實施中受到熔體的流動性大的影響。因此，當存在流動性時，因 為在與熔體的界面處的材料輸送的提高，發(fā)生較大的腐蝕。
[0040] 此外，在本發(fā)明中關注流動形態(tài)的原因如下。
[0041] 即，在流動性方面，存在層流、不穩(wěn)定流和亂流的形態(tài)的差異，并且因為腐蝕的形 態(tài)也反映熔體的流動形態(tài)，腐蝕的速度與流速不是單純的成比例，而是隨流動形態(tài)變化。例 如，具有的結構不穩(wěn)定流導致局部的不均勻腐蝕，并且產(chǎn)生不均勻的界面，并且在產(chǎn)生由不 均勻性引起的增加的界面表面積的同時，存在對熔體的流動性的輕微的阻礙，因此促進了 額外的腐蝕，并且所述腐蝕的速度具有以指數(shù)方式加速的特性。
[0042] 此外，在本發(fā)明中關注被稱為?？寺鼘拥膮^(qū)域的原因如下。
[0043] 因為熔融金屬或半導體的熔體的粘度非常低，就使用磁場攪拌而言，坩堝中大多 數(shù)熔體具有固定的角速度并且可以被認為作為剛體（rigid body)旋轉(zhuǎn)。因為在與靜止坩 堝的界面處的流速必須不為零，已知的是，在剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)域與坩堝的內(nèi)表面之間產(chǎn)生被稱 為?？寺鼘拥膮^(qū)域（參考H.P. Greenspan, The theory of rotating fluids (旋轉(zhuǎn)流體的 理論），（1966) Cambridge Univ. Press)。
[0044] 下面，解釋在考慮到流動性、流動形態(tài)和通常所說的埃克曼層的情況下構想的本 發(fā)明。
[0045] 首先，?？寺鼘拥暮穸圈?e由熔體的旋轉(zhuǎn)角速度Ω (弧度/秒）、熔體的動態(tài)粘度 系數(shù)v(m2/秒）通過以下等式⑴表達：
[0046] δ e = (ν/ Ω ) ~ (1/2)... (1)
[0047] 在剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)域中，幾乎不存在朝向旋轉(zhuǎn)中心的部分，但是在?？寺鼘拥膬?nèi)部中， 流中存在朝向坩堝的中心部的部分。因此，就坩堝的底表面附近而言，產(chǎn)生了以從坩堝的外 周朝向中央的螺旋描述的流，如在圖1中所示。
[0048] 在底面處的坩堝底中央部中集中的流沿坩堝的中心軸上升而在自由表面處露出， 并且是以向著內(nèi)壁外周側前進并沿著坩堝內(nèi)壁側表面下降的相反的螺旋描述的流，并且在 循環(huán)流中產(chǎn)生再次以朝向坩堝中心部的螺旋描述的二次流。圖2表示坩堝的中央截面中的 這種二次循環(huán)的外觀。
[0049] 坩堝內(nèi)壁表面的腐蝕被認為是受界面層流動的影響，但是這個區(qū)域是流速變化大 的位置，并且是發(fā)生最不穩(wěn)定熔體流動的區(qū)域，并且已知的是，這種不穩(wěn)定性被稱為?？?曼流動不穩(wěn)定性并且已知具有獨特的流動形式。例如，在P. J. Thomas和F. Zoueshtiagh， J. Eng. Math. 57, 317 (2007)等中展示了可視化的?？寺鼘硬环€(wěn)定流動形式，但是發(fā)明人發(fā) 現(xiàn)這種形式類似于實際坩堝的腐蝕形式。
[0050] 圖3是表示在硅純化中使用之后石墨坩堝的底部內(nèi)表面的草圖，并且因這種腐蝕 而形成了不計其數(shù)的凹痕條帶，并且認為在該腐蝕的形貌中反映了?？寺鼘拥牧鲃拥奶?性。
[0051] 當這種類型的具有凹痕的腐蝕進一步發(fā)展時，這些凹痕中的熱應力集中高到不能 被忽略，并且在比如由石墨制成的那些脆性坩堝中產(chǎn)生破裂，并且存在熔體可能從其中泄 漏的高度危險。
[0052] 因為產(chǎn)生不穩(wěn)定流的條件，考慮到區(qū)域的大?。ù黹L度），受被處理的熔體的粘 度和流速影響，通常，如果代表長度為L，流體的動態(tài)粘度系數(shù)為v，并且代表流速為U，則作 為可計算的無量綱數(shù)的雷諾數(shù)Re的值得以確定。
[0053] 發(fā)明人認為，在此工藝（金屬等的純化）問題中，認為代表長度是等式（1)中表示 的界面層厚度S e，并且選取熔體表面的圓周速度作為代表速度，是適合的。因此，當熔體表 面的半徑為R(m)并且熔體為旋轉(zhuǎn)角速度為Ω (弧度/秒）時，則因為特征流速U為：
[0054] U = Ω X R，
[0055] 使用前式（1)，雷諾數(shù)是如在以下等式（2)中所表示的：
[0056] Re = UX δ e/v = Ω XRX δ e/v = RX (Ω /v) ~ (1/2)…（2)
[0057] 在此等式（2)中，因為雷諾Re取決于容器的大小、所使用的原料、和作為運行參數(shù) 的熔體的旋轉(zhuǎn)角速度Ω，如果確定將要使用的原料和坩堝的大小，則流動不穩(wěn)定性的產(chǎn)生 取決于旋轉(zhuǎn)角速度，并且這意味著隨著熔體旋轉(zhuǎn)角速度的增大，產(chǎn)生不穩(wěn)定性的風險增大。
[0058] 根據(jù)由發(fā)明人在純化裝置中進行的實驗的實驗結果，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生其中坩堝的腐蝕以 指數(shù)方式發(fā)展的流動不穩(wěn)定性的Re條件為：當?shù)仁剑?)中定義的雷諾數(shù)Re值大于600時。 因此，根據(jù)所使用的原料的動態(tài)粘度系數(shù)和所使用的坩堝的內(nèi)徑，通過在Re < 600的條件 下運行，實現(xiàn)通過防止產(chǎn)生不穩(wěn)定性來抑制坩堝的腐蝕?，F(xiàn)在，關于雷諾數(shù)Re的下限，雷諾 數(shù)越低，坩堝的腐蝕越低，但是為了確保熔體的攪拌功能，作用于熔體上的慣性力需要超過 粘滯力，并且根據(jù)雷諾數(shù)的定義（Re =慣性力/粘滯力），該值必須大于1，并且更優(yōu)選大于 10。
[0059] 在這里，為了理解Re值，需要知道熔體的旋轉(zhuǎn)角速度Ω，但是其可以通過在單位 時間段內(nèi)觀察坩堝中熔體表面，對自由漂浮在熔體表面上的雜質(zhì)等的轉(zhuǎn)數(shù)直接計數(shù)而容易 地導出。此外，因為由于熔體表面的熱對流引起的溫度微擾幾乎隨熔體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，通過 使用輻射溫度傳感器連續(xù)測量熔體表面的溫度變化，能夠通過分析該時序信號的峰頻率而 將其導出。
[0060] 如果在運行期間的旋轉(zhuǎn)角速度高，并且Re值大于臨界值，僅需降低旋轉(zhuǎn)角速度 Ω ,從而使Re值變得小于臨界值。
[0061] 另一方面，理論上已知，計算出的熔體的旋轉(zhuǎn)角速度(弧度/秒），當由加熱 器產(chǎn)生的熔體中的旋轉(zhuǎn)磁場的平均強度為Β(特斯拉）、加熱器中所使用的交流電的頻率 為f (Hz)、因設置加熱器而得到的旋轉(zhuǎn)磁場的極數(shù)為η時，是可以按照等式￠)中估算的 (P. A. Davidson 和 J. C. R. Hunt，J. Fluid Mech.，185,67,（1987))。之后，優(yōu)選地，進行金屬 或半導體的純化，以使由以下等式（2'）表示的雷諾數(shù) Re的值不超過600。
[0062] Qb = 2X π XfXn... (4)
[0063] V = QbXRX ((〇B~2/(16X QbX ρ))~(1/2)- (5)
[0064] Qc = (V/R) X (0· 88XLn(VXR/v)+l)…（6)
[0065] Re = RX ( Ω c/v) ~ (1/2)…（2，）
[0066] 在這里，等式（4)的Qb是旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)數(shù)（rpm)，v是熔體的動態(tài)粘度系數(shù)（m2/ 秒），σ是熔體的電導率（1/Ωπι)，p是熔體的密度（kg/m 3)，R是熔體的熔融表面半徑（m)， 并且等式（5)中的V是代表速度。此外，Ln是自然對數(shù)，·'表示指數(shù)。
[0067] 如可以根據(jù)這些等式理解的，為了降低熔體的旋轉(zhuǎn)角速度的理論估算值Ω c，并因 此將Re降低至600以下，使B變得足夠小就足夠了，但是這是通過降低流經(jīng)加熱器的電流 而實現(xiàn)的。電流的降低意味著向電阻加熱器提供的電功率降低。實際上，這類似于在低溫 下進行操作。然而，因為低溫操作降低在界面處的反應速度，這可能會造成對純化工藝效率 的負面影響。出于這種原因，當這些類型的問題出現(xiàn)時，如下所述，可以通過改進設備如改 進爐內(nèi)材料來解決這些問題。
[0068] 第一，存在下列措施：增加爐中絕熱材料的材料厚度，以及通過其中將這種材料更 換為具有更低導熱率的材料的方法，以及借助添加輻射熱阻擋面板等，其中坩堝與爐壁之 間的絕熱能力可以得到增強。通過這些措施，能夠在低電功率下，除了抑制熔體的旋轉(zhuǎn)角速 度之外，同時維持熔體的所需溫度，來進行操作。
[0069] 第二，存在對所采用的電阻加熱器的構造的更改。例如，通過借助減小加熱元件的 橫截面積或延長電阻加熱器的長度來增加加熱器的電阻值，能夠在較低電流下進行操作， 同時維持加熱功率，實現(xiàn)小于等式（2)的條件的熔體的旋轉(zhuǎn)角速度。
[0070] 此外，當存在使加熱器的加熱元件的一部分折疊的構造時，將元件與元件相鄰設 置，此外每個折疊的部件的電流方向相對，使得由每個加熱元件產(chǎn)生的磁場彼此抵消，且熔 體接收的磁場的強度可以降低。例如，當電阻加熱器具有設置在坩堝底部中央的底部中心 發(fā)熱元件時，通過設置從其延伸并沿著坩堝的底部外壁面周圍基本三等分設置的3個底部 圓弧狀發(fā)熱元件、在與底部圓弧狀發(fā)熱元件基本平行的位置并且沿著坩堝的軀干部外壁面 周圍基本三等分設置的3個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件、以及從底部圓弧狀元件的尖端延伸形 成的使底部連接發(fā)熱元件和軀干部圓弧狀發(fā)熱元件各自聯(lián)結的連接發(fā)熱元件，來形成三相 交流電路，因為經(jīng)由連接發(fā)熱元件所連接的底部圓弧狀發(fā)熱元件和軀干部圓弧狀發(fā)熱元件 中的電流方向相反，所以熔體接收的磁場強度降低，并且是更優(yōu)選的。
[0071] 尤其是，作為發(fā)明人在反復試驗和錯誤的同時進行開發(fā)的結果，發(fā)現(xiàn)當?shù)撞繄A弧 狀加熱元件的橫截面的中心與軀干部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心之間的距離為h時， 并且當連接三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心形成的中心線圓的半徑為a時，如 果電阻加熱器中h/a小于0. 3,而且當?shù)撞繄A弧狀發(fā)熱元件與軀干部圓弧狀發(fā)熱元件之間 的距離大于20mm時，可以有效地進行純化工藝，同時確保不超過臨界角速度，以使雷諾數(shù) Re不超過600。
[0072] 此外，即使將加熱器設置在遠離坩堝的位置處，也可以在維持加熱能力的同時抑 制熔體中的磁場強度，使得熔體的旋轉(zhuǎn)角速度降低。
[0073] 第三，存在對所采用的坩堝的材料規(guī)格的更改。作為坩堝的材料，因為可以通過坩 堝的電磁屏蔽效應，通過增加坩堝的材料厚度或采用具有高電導率的材料作為坩堝的材料 來削弱熔體中的磁場，可以在維持加熱能力的同時抑制熔體中的磁場強度，使得熔體的旋 轉(zhuǎn)角速度降低。
[0074] 從上面提出的三個措施出發(fā)，基于如在等式（5)和（6)中所表示的與B的關 系，因此熔體的旋轉(zhuǎn)角速度不超過引起如以上所示出的熔體的流動不穩(wěn)定性的臨界值，通 過實現(xiàn)上述三個改進措施，在爐中絕熱材料、坩堝、加熱器方面，對包括它們的構造和爐內(nèi) 配置在內(nèi)進行設計，實現(xiàn)了具有提高的效率的裝置。實際上，可以使用廣泛用于電磁場分布 分析的數(shù)值模擬程序包（J-MAG、ANSYS-Emag、VF-〇pera等），精確計算熔體中由電阻加熱器 產(chǎn)生的磁場強度（磁場強度的平均值B)。
[0075] 此外，在本發(fā)明的金屬和半導體熔體的純化方法中，作為多次累積運行的結果，從 防止在坩堝底部的一定方向（右螺旋或左螺旋）上的連續(xù)腐蝕的觀點來看，可以在進行純 化操作時以任意間隔加入坩堝中熔體的旋轉(zhuǎn)方向的反向操作。換句話說，當如從坩堝上方 觀察坩堝中熔體順時針旋轉(zhuǎn)時切換為逆時針方向，而且，當逆時針方向時切換至順時針方 向，可以以特定的間隔進行操作，并且發(fā)現(xiàn)，只要讓坩堝中熔體的旋轉(zhuǎn)方向在加工期間一樣 地反轉(zhuǎn)就可以了。
[0076] 為了反轉(zhuǎn)坩堝中熔體的旋轉(zhuǎn)方向，例如，當由向電阻加熱器供電的三相電流電源 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場時，僅需要反轉(zhuǎn)該旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向。具體地，如果存在的話，三相電流的 三條線纜中的兩條交叉，三條線纜的旋轉(zhuǎn)對稱性導致反向旋轉(zhuǎn)。當然，可以采用除了將線纜 交叉以外的方法，在保持線纜連接為原樣的同時，進行任何類型的交流電源換向，可以實現(xiàn) 其旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向的反轉(zhuǎn)。
[0077] 發(fā)明效果
[0078] 在采用旋轉(zhuǎn)磁場的純化方法中，坩堝腐蝕增加的主要原因是?？寺鞑环€(wěn)定現(xiàn) 象，并且防止這種不穩(wěn)定現(xiàn)象的發(fā)生在實現(xiàn)坩堝腐蝕速度的顯著抑制方面是非常有效的。
[0079] 此外，通過在不超過產(chǎn)生流動不穩(wěn)定性的臨界條件的條件下進行操作，使流動能 夠保持形態(tài)，從而在保持光滑形貌的同時在設定速度下進行，而不加重因流動不穩(wěn)定性而 造成的坩堝的加速腐蝕，具有本質(zhì)上延長坩堝壽命的明顯效果。
[0080] 在金屬和半導體材料的精煉中，在維持用于精制反應的熔體的足夠的攪拌能力且 將坩堝的磨損抑制到最低的同時，連續(xù)使用一個坩堝實現(xiàn)了增加量的原料的精煉，在與基 于坩堝材料的材料成本、更換坩堝所需的時間、電源的公用設施費用等相關的方面實現(xiàn)了 明顯的效果，得到了減少的運行損失。
[0081] 此外，能夠防止由伴隨因腐蝕導致的凹痕加深的熱應力集中所導致的坩堝破裂而 引起的泄漏事故，并且實現(xiàn)歸因于長期連續(xù)安全運行的明顯效果。
[0082] 此外，作為結果，具有實現(xiàn)促成以較便宜的價格提供高純度金屬材料或半導體材 料的明顯益處。
[0083] 附圖簡述
[0084] 圖1 :坩堝底部邊界層中流動形式的示意圖。
[0085] 圖2 :坩堝截面的二次循環(huán)流的示意圖。
[0086] 圖3 :坩堝底面的腐蝕狀態(tài)的示意圖
[0087] 圖4 :純化爐的截面圖
[0088] 圖5 :組裝的加熱器的外觀圖
[0089] 圖6 :加熱器的部件圖
[0090] 圖7:加熱器的電路圖
[0091] 圖8 :實施例2中使用的組裝的加熱器的外觀圖
[0092] 圖9 :比較例1中使用的坩堝的截面圖
[0093] 圖10 :實施例3中使用的坩堝的截面圖
[0094] 圖11 :表示加熱器的底部圓弧狀發(fā)熱元件與軀干部圓弧狀發(fā)熱元件的位置關系 的圖
[0095] 圖12 :表示加熱器h/a值與內(nèi)部側的磁場強度的關系的圖
[0096] 發(fā)明實施方案
[0097] 用于采用本發(fā)明的純化方法來純化熔融金屬或半導體的純化裝置，例如，如在圖4 中所示，采用真空，并且通過將雜質(zhì)從金屬或半導體的熔融原料中蒸發(fā)，可以提高這些原料 的純度。所述裝置具有對稱的旋轉(zhuǎn)軸型構造，并且將作為純化對象的原料3裝載至坩堝4 中，并且將電阻加熱器5設置成包圍所述坩堝4的外側。通過使電流經(jīng)過并加熱所述加熱 器5,借助輻射熱使坩堝4中的原料5熔融，此外使得可以加熱至將雜質(zhì)有效蒸發(fā)的溫度。
[0098] 此外，為了有效蒸發(fā)雜質(zhì)，將加熱器5和在其中具有原料3的坩堝4以被絕熱材料 7包圍的狀態(tài)設置在真空容器2內(nèi)。將排氣端口 8設置在真空容器2的上部，并且構造是其 中真空泵1與該位置連接的構造。此外，電極端口 9設置在真空容器2上以便向通過它加 熱器電極6供電，并且與加熱電源11連接。
[0099] 如在附圖5和6的組裝外觀圖和部件圖中所示的，在此所采用的電阻加熱器5是 具有包括三個電極端子的三角形硬連線（delta hardwired)三相交流電路的構造的加熱 器。這個實施方案的電阻加熱器5具有在環(huán)外側周圍連接三個臂的形狀：布置在坩堝4的 底部中央的底部中心發(fā)熱元件5e ;從所述底部中心發(fā)熱元件5e延伸設置并沿著坩堝4的 底部外壁面周圍基本三等分設置的三個底部圓弧狀發(fā)熱元件5al、5a2和5a3 ;在與底部圓 弧狀發(fā)熱元件基本平行的位置且沿著坩堝的軀干外壁面周圍基本三等分設置的三個軀干 部圓弧狀發(fā)熱元件5cl、5c2和5c3 ;從每個底部圓弧狀元件5al、5a2和5a3的尖端延伸的、 聯(lián)結底部連接發(fā)熱元件5al、5a2和5a3與軀干部圓弧狀發(fā)熱元件5cl、5c2和5c3的連接發(fā) 熱元件5bl、5b2和5b3 ;并且在三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件5cl、5c2和5c3上的在連接發(fā) 熱元件5bl、5b2和5b3的相反側的尖端設置與電極連接的電極端子5dl、5d2和5d3。之后， 由與這些電極端子連接的三個電極6a、6b和6c形成三相交流電路。
[0100] 如在圖7中所示的此加熱器的電路以及3個端子與50Hz或60Hz三相電流電源連 接。因此，這個加熱器不僅通過電阻加熱產(chǎn)生熱，而且旋轉(zhuǎn)磁場到達坩堝的內(nèi)部，實現(xiàn)坩堝 中熔體的攪拌。此外，在以上實施方案的電阻加熱器中，布置在坩堝底部中央的底部中心發(fā) 熱元件5e配備有在周圍的三個臂工具，從而與單純的環(huán)形的或盤形的并且從那些底部圓 弧狀發(fā)熱元件延伸設置的底部中心發(fā)熱元件5e相比，進一步增加加熱能力。此外，作為從 中央的中心點的三個方向上放射狀延伸的底部中心發(fā)熱元件5e，可以采用形成Y硬連線型 三相交流電路的電阻加熱器。
[0101] 在這種純化裝置中，借助磁場分布的數(shù)值模擬，就精制操作中所需的最大的導入 功率點而言，優(yōu)選將坩堝內(nèi)部的平均磁場強度B設計為滿足具有基于等式（4)和（5)、按照 等式（6)計算的小于600的雷諾數(shù)的條件。其原因是，通常，最大的導入電功率是在最初使 作為純化對象的原料熔融時，并且之后在進行超過大約數(shù)十小時的純化時，運行的功率是 約為以上功率的70%的功率?，F(xiàn)在，這種純化裝置提供了在將純化的熔體排出之后，實現(xiàn) 對向空坩堝中加入原料的處理的熔體排出功能，實現(xiàn)了在一個坩堝中連續(xù)進行多次純化過 程。
[0102] 在上下文中，關于電阻加熱器，由每個發(fā)熱元件產(chǎn)生的磁場彼此抵消，并且因此可 以降低作用于熔體上的磁場強度，當?shù)撞繄A弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心與軀干部圓弧狀 發(fā)熱元件的橫截面的中心之間的距離為h、并且連接三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面 的中心形成的中心線圓的半徑為a時，優(yōu)選的是，h/a小于0. 3,而且底部圓弧狀發(fā)熱元件與 軀干部圓弧狀發(fā)熱元件之間的距離大于20mm。下面描述在這里h/a小于0. 3的原因。此 夕卜，底部圓弧狀發(fā)熱元件與軀干部圓弧狀發(fā)熱元件之間的距離大于20mm的原因是因為，當 發(fā)熱元件之間的距離變得比這小時，可能產(chǎn)生放電。
[0103] 首先，借助在軀干部圓弧狀發(fā)熱元件和底部圓弧狀發(fā)熱元件中流動的電流所產(chǎn)生 的磁場是借助具有相同軸的兩個環(huán)形電流產(chǎn)生的磁場的一部分，并且基于圖11中表不的 關于加熱器的中心軸的垂直截面估算。在這里，在軸左側表示軀干部圓弧狀發(fā)熱元件5cl 和底部圓弧狀發(fā)熱元件5al，并在中心軸的右側鏡像表示5cl'和5al'，并且在5cl和5al' 中，電流從紙面內(nèi)流向紙面外，而在5al和5cl'中，電流從紙面外流向紙面內(nèi)。

【權利要求】
1. 一種金屬或半導體熔融液純化方法，所述金屬或半導體熔融液純化方法在借助旋轉(zhuǎn) 磁場攪拌容納在坩堝中的所述金屬或半導體熔融液的同時進行純化，所述坩堝由被布置成 包圍所述坩堝的外壁的加熱器加熱， 其特征在于，當所述熔融液的動態(tài)粘度系數(shù)為V(m2/秒），所述熔融液的液面半徑為 R(m)，并且所述熔融液的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω (弧度/秒）時，進行純化以使由以下等式（2)表 示的雷諾數(shù)Re值不超過600 Re = RX (Ω/ν)~(1/2)... (2)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的金屬或半導體熔融液純化方法，其特征在于，以所述熔融液 中磁場強度的平均值為Β (特斯拉），旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)數(shù)為Ω b (rpm)，所述熔融液的液面半徑 為R(m),所述烙融液的動態(tài)粘度系數(shù)為v(m2/秒），所述烙融液的電導率為σ (1/Ωηι)和 所述熔融液的密度為P (Kg/m3)為基礎，基于以下等式（5)中表示的代表速度V，導出由以 下等式（6)表示的所述熔融液的旋轉(zhuǎn)角速度的理論推定值Q C，進行純化以使由下列等式 (2'）表示的雷諾數(shù)Re值不超過600 : V = QbXRX ((〇B~2)/(16X QbX Ρ)Γ(1/2)…（5) Ω c = (V/R) X (0· 88 X Ln (V X R/v)+1)…（6) Re = RX ( Ω c/v)~ (1/2)…（2,）。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的金屬或半導體熔融液純化方法，其特征在于，以任意間隔 加入將所述坩堝中所述熔融液的旋轉(zhuǎn)方向反轉(zhuǎn)的操作。
4. 一種真空純化裝置，所述真空純化裝置設置有：用于將包括金屬或半導體的純化對 象放入其中的坩堝，收容所述坩堝的、加熱并熔融在所述坩堝中的所述純化對象的具有圓 形開口部的電阻加熱器，以及設置成包圍所述電阻加熱器周圍的絕熱材料，它們?nèi)吭O置 在真空容器中， 其特征在于，所述電阻加熱器設置有：從布置在所述坩堝底部中央的底部中心發(fā)熱元 件延伸并且沿著所述坩堝底部外壁面周圍基本三等分設置的三個底部圓弧狀發(fā)熱元件、在 與所述底部圓弧狀發(fā)熱元件基本平行的位置沿著所述坩堝軀干部外壁面周圍基本三等分 設置的三個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件、和各自從所述底部圓弧狀發(fā)熱元件的尖端延伸設置的 將底部連接發(fā)熱元件和所述軀干部圓弧狀發(fā)熱元件相互聯(lián)結的連接發(fā)熱元件，并且所述三 個軀干部圓弧狀發(fā)熱元件分別在所述連接發(fā)熱元件的相反側的尖端具備與電極連接的電 極端子，形成三相交流電路，并且此外，所述底部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心與所述軀 干部圓弧狀發(fā)熱元件的橫截面的中心之間的距離為h、并且在聯(lián)結所述三個軀干部圓弧狀 發(fā)熱元件的橫截面的中心所形成的中心線圓的半徑為a的情況下，h/a小于或等于0. 3,此 外所述底部圓弧狀發(fā)熱元件與所述軀干部圓弧狀發(fā)熱元件之間的距離等于或大于20mm。
【文檔編號】C01B33/037GK104245579SQ201280069123
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2012年2月6日 優(yōu)先權日:2012年2月6日
【發(fā)明者】岸田豐, 堂野前等, 近藤次郎, 后藤潔, 大橋渡 申請人:菲羅索拉硅太陽能公司