[发明专利]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

说明书

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，利用大多数金属杂质的实际偏析系数处于10^-3-10^-4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；