通过定向凝固提纯冶金级硅以及获得光电用途的硅锭的方 法和装置 技术领域 本发明涉及用于通过定向凝固提纯冶金级硅以及获得用于光电用途的硅锭的方 法和装置。
背景技术 众所周知， 硅是最广泛使用的用于生产电子组件和光电组件的原材料之一。
在电弧炉中存在基于碳的材料的情况下通过还原其中的化合物， 尤其还原二氧化 硅 (SiO2) 来生产硅。因此所生产的硅被称作 “冶金级硅” 且包含金属杂质和碳的浓度， 这些 使该硅不能用于电子组件或光电组件的生产。
具体而言， 在冶金级硅中金属杂质的浓度达到 3000ppmw( 按重量计百万分之 3000) 数量级的值， 对于光电组件的生产而言这是不可接受的， 与之相反对于光电组件可容 许的金属杂质的浓度总值不能超过 0.1ppmw ； 个别金属杂质的最大可容许特定浓度取决于 其各自的特性。
此外， 冶金级硅包含碳， 其偏析成碳化硅 (SiC) 粒子， 众所周知这会缩短硅的平均 寿命。
因此， 冶金级硅必须去除金属杂质和碳来进行提纯， 以获得所谓的 “太阳能” 硅， 即， 适合生产光电组件的硅。
众所周知， 碳和碳化硅是通过退火工艺和成核工艺从钢包中所聚集的熔融态冶金 级硅中消除的， 其中退火工艺在最接近硅熔点的温度下执行。
取代冶金级硅的定向凝固的用于消除金属杂质的已知方法之一包含， 利用大多数 -3 -4 金属杂质的实际偏析系数处于 10 -10 之间数量级的事实的方法， 实际偏析系数被定义为 固态杂质浓度和液态杂质浓度之间的比率。 用该方法， 金属杂质集中在凝固硅锭的尾部， 然 后被消除。
当前已知的用于提纯冶金级硅的定向凝固工艺在炉中执行， 该炉的内部腔体保持 在真空状态中， 或者具有低压氩气气氛， 比大气压强低即为低压。众所周知， 事实上避免熔 融态硅与氧气接触是必要的， 从而既避免硅的氧化现象又避免形成硼氧复合物， 这些对于 硅的平均寿命有不利的影响。
已知定向凝固方法进一步用于在对应炉内引入要提纯的固态冶金级硅的负载以 及其熔化和后续定向凝固。
因此， 已知类型的用于提纯冶金级硅的这些定向凝固方法需要在凝固前要为加热 和熔化固态硅的负载消耗大量能量。该能量消耗在 300-400KWh/500kg 硅的数量级， 且对太 阳能级硅的整体生产成本具有严重的影响。
已知方法的另一缺点在于， 凝固前对要提纯的固态硅进行加热和熔化所需的时间 对提纯处理的总体时间具有重大影响。
已知类型的定向凝固方法的另一缺点在于， 它们是在炉内进行的， 该炉的内腔保
持真空条件或者压强降低的氩气或者其它惰性气体条件， 这些条件可促进熔融态硅的蒸 发。 发明内容 本发明的目的在于解决上述的问题， 并发明一种与已知类型的方法相比允许用降 低的能耗和更短的时间执行用于提纯冶金级硅的定向凝固的方法和装置。
在这个目的的范围内， 本发明的另一目标是提供一种用于提纯冶金级硅的定向凝 固方法和装置， 其允许获得具有适于光电用途的纯度的硅。
本发明的另一个目标是用具有简单结构的装置实现该目的和目标， 其相对易于在 实践中提供、 使用安全、 且操作效率高、 以及成本相对低。
该目的和这些目标由用于提纯冶金级硅且用于获取用于光电用途的硅锭的本发 明定向凝固方法来实现， 在碳还原炉中的碳还原周期结束时起该冶金级硅以熔融态排出， 其表征为包括以下附加步骤 ：
- 石英坩埚的预加热步骤， 通过电类型的加热装置加热到高达比硅的熔点高的温 度， 该石英坩埚容纳于安排在炉的腔体内部的容纳外壳中， 该腔体由覆盖结构和底座限定， 覆盖结构和底座可相对于彼此移动或者相反地移动， 即为开启和关闭所述腔体沿着垂直方 向面对彼此或者远离彼此地移动， 该电类型的加热装置与所述覆盖结构的壁相关联 ；
- 用于将熔融态的冶金级硅直接转移到石英坩埚的步骤， 该石英坩埚由此预加热 且容纳于安排在腔体内的容纳外壳中， 当该腔体关闭时所述覆盖结构和底座移动成彼此更 靠近， 且在其内部产生压强比大气压强高的惰性气体气氛， 熔融态硅穿过至少一种惰性气 体的屏障被灌入到经预加热的石英坩埚中， 该惰性气体屏障靠近该覆盖结构的顶部中形成 的至少一个开口生成， 该屏障至少覆盖该开口的区域 ；
- 用于定向凝固熔融态硅的步骤， 其通过从容纳于容纳外壳中的石英坩埚的底部 移除热， 且通过该电类型加热装置的有选择的控制和对由它们所传递的功率的调制来进 行， 直到硅完全凝固在锭中， 并且在该腔体关闭期间， 该覆盖结构和底座移动成彼此更靠 近， 且该开口被可移除类型的关闭元件所阻塞， 并且在其内部维持的惰性气体气氛的压强 比大气压强高 ；
- 用于从开启腔体取出石英坩埚的步骤， 该石英坩埚容纳于该容纳外壳中且包含 由此获得的锭， 该覆盖结构和该底座相互分隔开。
该目的和这些目标也用用于执行该方法的装置实现， 其表征为其包括 ： - 炉， 其包 括底座和覆盖结构， 其限定腔体并可相对于彼此移动或者相反地移动， 即为了开启和关闭 该腔体沿着垂直方向分别面对彼此和远离彼此地移动 ；
- 电类型的加热装置， 其与覆盖结构的壁相关联且与控制装置相关联， 该控制装置 适于基于命令激活它们， 且适于调制由它们传递的功率 ；
- 至少一个石英坩埚， 其容纳于置于所述底座上的容纳外壳中 ；
- 至少一个开口， 其在覆盖结构的顶部中形成， 且与可移除类型的封闭元件相关 联；
- 用于发放至少一种惰性气体的装置， 其安排成靠近开口， 且适于基于命令生成至 少覆盖开口区域的惰性气体屏障， 当腔体关闭时覆盖结构和底座将移动成彼此更靠近， 且
为了通过该开口将熔融态硅直接转移至石英坩埚而移除该封闭元件 ；
- 至少一个热交换板， 其由具有制冷流体的回路冷却， 且为了从石英坩埚的底部移 除热而与底座相关联 ；
- 用于在腔体关闭时将惰性气体馈送到腔体内部的装置， 该覆盖结构和该底座移 动成彼此更靠近， 从而在该关闭腔体内部生成压强比大气压强高的惰性气体气氛。
附图简述
从根据本发明的方法和用于执行该方法的装置的优选但非排他性的实施例的具 体描述， 本发明的进一步特性和优点将变得更加显而易见， 在所附附图中以非限制性示例 方式说明， 其中 ：
图 1 和图 2 是两个不同操作配置中的根据本发明的装置的示意性剖面图 ；
图 3 是根据本发明的装置在用于将熔融态冶金级硅转移至石英坩埚的步骤中的 示意性剖面图 ；
图 4 是根据本发明的装置在用于定向凝固硅的步骤中的示意性剖面图 ；
图 5 是根据本发明的装置在用于取出包含经提纯的硅锭的石英坩埚的步骤期间 的示意性俯视图。 具体实施方式 参考诸附图， 附图标记 1 通常指示用于执行一方法的装置， 该方法用于通过定向 凝固来提纯冶金级硅以及用于获取用于光电用途的硅锭， 在碳还原炉中的碳还原周期结束 时起冶金级硅以熔融态排出。
因此， 装置 1 排列在热碳还原炉的下游， 但因为热碳还原炉并非本发明的主题， 所 以其在所附附图中未示出， 冶金级硅以熔融态从该热碳还原炉排出。
该装置 1 包括炉， 该炉又包括底座 2 和覆盖结构 3， 其限定在其内部进行冶金级硅 的定向凝固的腔体 4。
该覆盖结构 3 和底座 2 可相对于彼此移动或者相反地移动， 即为了开启和关闭腔 体 4 沿着垂直方向分别面对彼此和远离彼此地移动。
在所附附图中所示的实施例中， 该覆盖结构 3 与用于相对于底座 2 而升降的组件 相关联， 且包括至少一个由流体介质致动且具有双向作用类型的气缸 5， 在其中杆与固定到 地面的支承结构 6 连接， 且套管连接到覆盖结构 3 的外部框架 7。
该外部框架 7 由金属制成， 且形成覆盖结构 3 的侧壁 7a 和顶 7b。
朝向覆盖结构 3 内部的顶 7b 的面由热绝缘材料的层 8 所衬， 该层 8 又由二氧化硅 制成的粘合层 9 所衬。
电类型的加热装置 10 与侧壁 7a 相关联， 且连接到可编程类型的控制装置 11， 且适 于基于命令激活它们以及调制它们所传递的功率。
在一优选实施例中， 加热装置 10 包括多个加热元件 12， 诸如垂直电池中排列的电 阻器或者与各个侧壁 7a 相关联的组。各个电池与各自的电源 ( 未示出 ) 相关联。
更具体地， 各个电池的加热元件 12 由碳化硅 (SiC) 棒所构成， 其被排列成在不同 高度上的水平平面上相对于彼此相互平行。
在顶 7b 处有至少一个开口 13， 其穿过顶 7b 的厚度， 且通过其将要被提纯的冶金级
硅以熔融态直接灌入炉， 通过下文这将变得更显而易见。
开口 13 设置有可移除类型的封闭元件 14， 例如插头元件等。
靠近开口 13 处有用于供给至少一种惰性气体的装置 15， 其适于基于命令生成指 示覆盖开口 13 区域的惰性气体屏障 16， 当关闭腔体 14 时覆盖结构 3 和底座 2 相互更靠近 且封闭元件 14 被移除。
该屏障 16 允许穿过其向炉直接转移熔融态冶金级硅。
该给料装置 15 与未示出的惰性气体源相关联。
在一优选实施例中， 该给料装置 15 包括至少一个管道， 其沿着开口 13 的周长的至 少一部分来安排， 且设置有多个给料孔或者喷嘴， 通过这些孔或者喷嘴供给惰性气体的至 少一个层流， 从而形成平行于顶 7b 延伸的屏障 16。
更具体地， 该给料装置 15 包括多个给料管道， 其相互叠加从而形成多层屏障 16。
用于创建屏障 16 的惰性气体优选为由氩气构成或者由氩气和空气构成。
当腔体被关闭时， 屏障 16 将腔体 4 内部的环境与腔体外部的环境隔离， 且同时允 许向该腔体 4 引入熔融态的冶金级硅。
该装置 1 还包括用于在该腔体关闭时， 即当该覆盖结构 3 和底座 2 彼此更靠近且 此外开口 13 被封闭元件 14 所阻塞时， 向腔体 4 馈送惰性气体从而在其中生成压强比大气 压强高的惰性气体气氛的装置 17。 惰性气体优选为氩气， 且腔体 4 的内部保持在 1.1 巴 (105Pa) 数量级的压强下。
用于馈送惰性气体的装置 17 包括用于加热元件 12 的每个电池的歧管 17a， 用于引 导惰性气体分支流出的多个管道 17b 从其连接到腔体 4， 各个管道容纳至少一个相应加热 元件 12 与电源的连接的端部。因此， 所供给的惰性气体在引入到腔体 4 之前， 冷却用于连 接加热元件 12 的端部。
还存在用于循环和冷却惰性气体以减少其消耗的回路 17c。
石英坩埚 18 置于底座的上表面上， 且其容纳于容纳外壳 19， 容纳外壳 19 防止在向 石英坩埚 18 内部灌入熔融态硅时坩埚的坍塌。
在石英坩锅 18 和容纳外壳 19 之间形成空隙， 且该空隙用陶瓷氧化物粉末层 20 填 充， 该陶瓷氧化物选自包括以下材料的组 ： 石英、 MgO、 Al2O3 及其类似物。
该容纳外壳 19 通常基于氧化铝、 硅铝酸盐以及碳化硅由陶瓷材料制成。
石英坩锅 18 的内表面用衬垫材料 21 覆盖， 其适于防止熔融态硅浸湿该石英坩埚 的内壁。
优选地， 该衬垫材料 21 包括氮化硅或其类似物， 且覆盖石英坩锅 18 的底部的内表 面的衬垫层比覆盖石英坩锅 18 的侧壁的内表面的衬垫层厚， 其比率在 1.5 和 3 之间。
至少一个热交换板 22 与底座 2 相关联， 其通过具有用于从石英坩锅 18 的底部移 除热的冷却液的回路 23 冷却。
在所示实施例中存在两个热交换板 22a 和 22b， 其相互叠加且平行于底座 2 的搁置 面。
上板 22a 与具有例如， 空气、 氩气、 氦气等的第一冷却液的回路 23a 相关联， 而下板 22b 与具有例如水的第二冷却液的回路 23b 相关联 ； 上板 22a 具有比下板 22b 低的热交换 系数。
在用于定向凝固硅的步骤期间和 / 或用于冷却所凝固的硅锭的步骤期间， 可有选 择地基于命令来激活上板 22a 和下板 22b。
上热交换板 22a 由诸如不锈钢、 铜等的金属制成， 或者由多孔陶瓷材料制成。
下热交换板 22b 专用诸如不锈钢、 铜等的金属制成。
底座 2 被进一步支承成可沿着水平布设的滑动导轨 24 移动。当覆盖结构 3 处于 提升配置时， 底座 2 可距离处于该覆盖结构 3 之下的区域更近或更远地移动。
该装置 1 还具有多个温度传感器， 诸如连接到控制装置 11 的热电耦 25。
用于执行通过定向凝固来提纯冶金级硅以及获得用于光电用途的硅锭的方法的 装置 1 的操作根据本发明如下， 其中从碳还原炉中的碳还原周期的结束时起冶金级硅以熔 融态排出。
在该工艺开始时， 覆盖结构 3 保持成相对于底座 2 提升的配置， 底座 2 上置有在其 内部容纳有空石英坩埚 18 的容纳外壳 19。
该石英坩锅 18 的内表面用衬垫材料 21 覆盖。
其开口 13 被封闭元件 14 阻塞的覆盖结构 3 逐步地向置于其下面的底座 2 降低， 直到关闭腔体 4。
石英坩锅 18 进行预加热步骤， 且该预加热通过有选择地激活和调制加热元件 12 所传递的功率来进行， 由此关闭的腔体 4 内部的温度高达比硅的熔点高的温度。
在预加热步骤期间， 执行或者至少完成对预先以悬浮状态施加在石英坩锅 18 的 内表面上的衬垫材料 21 的煅烧。
为此目的， 预加热步骤依次包括 ：
- 第一阶段， 在该阶段中石英坩锅 18 逐渐加热至 550℃与 650℃之间的温度， 优选 为 600℃ ；
- 第二阶段， 在该阶段中， 安排在封闭腔体 4 内部的石英坩锅 18 被加热至 1000℃ 的温度， 且将该温度保持 1 个小时数量级的时间，
- 第三阶段， 在该阶段中加热至高达 1450℃与 1550℃之间的温度， 优选为 1500℃。
该预加热步骤所具有的总持续时间可在 3 个小时和 5 个小时之间变化。
在预加热步骤结束时， 在保持关闭的腔体 4 内部， 通过供给装置 17 创建压强比大 气压强高、 且在 100 毫巴数量级的惰性气体气氛。
应当注意， 通过管道 17b 馈送到腔体 4 的惰性气体冷却加热元件 12 的连接端。
随后， 通过适当设置的炉内部的碳还原处理来获得的熔融态冶金级硅仍以熔融态 直接转移到预加热的石英坩锅 18 中， 该石英坩锅 18 在腔体 4 内部。
该转移步骤通过以下处理进行 ： 从开口 13 移除封闭元件 14 以及激活给料装置 15， 从而靠近开口 13 创建惰性气体的屏障 16， 其一方面使在腔体 4 内部所创建的气氛与置 于其外部的环境隔离， 从而尤其避免其它污染物气体流入腔体 4， 另一方面使硅以熔融态穿 过。
然后要提纯的冶金级硅以熔融态直接灌入预加热的石英坩埚 18 中， 该石英坩埚 被容纳于腔体 4 中。
在该转移结束时， 开口 13 被封闭元件 14 阻塞， 且灌入石英坩锅 18 中的熔融硅负 载保持在 1430℃与 1450℃之间的温度， 优选为接近 1450℃， 且保持 2 个小时数量级的时间以偏析超饱和的碳。
在该保持以及偏析步骤结束时， 开始用于定向凝固灌入石英坩锅 18 中的硅负载 的步骤。
经由与底座 2 相关联的热交换板 22a 和 22b、 以及通过加热元件 12 的有选择控制 和对它们所传递功率的调制来通过从石英坩锅 18 底部移除热来进行定向凝固步骤， 直到 硅完全凝固成为锭， 该石英坩锅 18 容纳于容纳外壳 19 中。
在腔体 4 内部进行的凝固步骤期间， 将惰性气体气氛的压强保持为比大气压高。
凝固步骤从停用在各单个电池中安排为处于较低电平的加热元件 12， 并通过激活 由气体 ( 空气、 氦气、 氩气 ) 冷却的上热交换板 22a 开始， 从而逐步移除热以在接近平衡条 件的条件下执行处理， 且由此确保最佳提纯特性。
随后， 由加热元件 12 以逐步变高的电平来传递的功率电平通过跟随腔体 4 和硅负 载的内部的温度曲线来停用和 / 或调制， 温度曲线由适当的控制和命令单元预设和监控。
具体而言， 凝固硅的温度保持在比硅的熔点低几摄氏度的温度， 直到整个负载已 完全凝固。
定向凝固以不超过 4cm/ 小时 (h) 的速率执行， 该速率确保杂质的准确偏析， 且共 持续 6 个小时到 10 个小时之间的时间。 在定向凝固步骤结束时， 在坩锅 18 内部形成硅锭， 在该锭中金属杂质集中在所谓 尾部， 其可通过切割基本上被消除。
在用于从腔体 4 取出这样获得的锭的步骤之前， 进行用于将锭冷却到 650 ℃与 550℃之间的温度， 优选为冷却到等于 600℃的温度的步骤。
冷却步骤在腔体 4 内部进行， 在该腔体 4 内部惰性气体气氛保持在比大气压高的 压强下。
通过停用加热元件 12， 并且激活水冷却型下热交换板 22b 以及上热交换板 22a， 来 进行冷却步骤。
一旦已达到接近 600℃的温度， 就通过相对于基座 2 提升覆盖结构 3 来开启腔体 4。
沿着滑动导轨 24 将底座 2 移除， 且用另一底座 2′来替换， 以便于开始新的周期。
应当注意， 在覆盖结构 3 内部的生产周期结束时， 其温度为 400-500℃的数量级， 该热量用于后续周期的预加热步骤。
实践中已发现用于执行以达到所期望的目的和目标的方法和装置， 因为它们允许 通过定向凝固来执行冶金级硅的提纯， 且允许与已知方法相比用更低能耗和更短时间来获 得用于光电用途的硅锭。
事实上， 根据本发明的方法受益于直接在定向凝固炉的内部引入了在热碳还原周 期结束时获得的熔融态的冶金级硅， 其允许消除能量成本以及消除硅负载的加热和熔化时 间两者， 而在已知方法中硅负载以固态引入到定向凝固炉。
基于对衬垫于坩埚内表面的材料的煅烧与定向凝固炉中的所述坩埚的预加热同 步执行， 以及当该单定向凝固炉或者尤其是该覆盖结构仍然保温时就开始新的生产周期， 的这些事实导出用根据本发明的用于执行本发明的方法和装置可获得时间和能耗的进一 步减少。
这样构思的本发明容易有诸多修改和变体， 所有这些修改和变体落入所附权利要 求的范围。
所有这些细节可进一步用其它技术上等效方案所替代。
实际上， 所使用的材料以及其形状和尺寸可以是与要求相符的任何材料、 形状、 以 及尺寸， 由此不背离所附权利要求的保护范围。
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