[发明专利]用于太阳能电池的冶金硅的提纯设备和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年8月16日提交的序列号No.61/374,213的美国申请，2011年2月8日提交的序列号No.13/023,467的美国申请，2011年2月9日提交的序列号No.13/024,292的美国申请，以及2010年2月12日提交的台湾申请No.099104551的优先权，上述申请与本申请是共同受让的，并且其内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及用于提纯材料的设备和方法。更具体地，本发明涉及用于提纯冶金硅矿的方法和系统，从而以较低成本生产适于制造用于太阳能电池的单晶硅锭和多晶硅锭的原料。尽管以上描述了提纯硅方面，但是本发明也可以用于其它用途。

背景技术

通常通过所谓的西门子过程（Siemens process）生产用于制造太阳能电池的常规多晶硅材料。此过程完善、稳定并且生产用于制造太阳能电池的具有一定品质的硅。然而，西门子过程具有限制。就是说，由于其制造过程的性质，西门子过程难以被调节并且不能满足过去数年内急剧增加的需求以及对较低价格的需求。此外，它在制造过程中涉及使用有毒的原材料，诸如HCl和SiHCl₃，并且产生有毒的副产物SiCl₄。这些材料也是高度易爆的。西门子法也是危险的，并且对环境有害。

作为选择，提出了利用冶金法的硅提纯方法。然而，这种提纯方法具有限制。就是说，这种方法还不能达到规模化生产。利用冶金技术已经获得了一些其它成果。不幸的是，为这种技术打造（scale）仪器的付出的努力是巨大的，并且因此生产成本仍高。通过整个说明书，更具体地是以下说明书，所描述的技术可以克服这些和其它限制。

由上可知，非常需要改进的硅生产技术。

发明内容

本发明涉及提纯材料的设备和方法。更具体地，本发明涉及提纯冶金硅矿的方法和系统，从而以较低成本生产适于制造用于太阳能电池的单晶硅锭和多晶硅锭的原料。尽管以上描述了提纯硅方面，但是本发明也可以用于其它用途。

上述制造方法生产具有可以用于太阳能电池的品质足够高的硅。但是随着对更清洁更灵活的产品、更低的成本和批量生产能力的增长的需求，常规方法具有限制。根据实施例，可以克服这些限制中的一个或多个。

在特定实施例中，本发明提供一种形成高品质硅材料（例如多晶硅）的系统。在特定实施例中，熔化材料包括硅材料和杂质，例如磷物质。该系统包括具有内部区域的坩埚。在特定实施例中，所述坩埚由合适材料制成，诸如石英材料或其它。该石英材料能够承受至少1400摄氏度的高温，以便加工硅。在特定实施例中，所述坩埚被配置为处于竖直位置并且具有露出熔化材料的开口区域。在特定实施例中，本系统具有能量源。此能量源可以是弧加热器或其它合适的加热装置，包括可以相同或不同的多个加热装置。弧加热器被配置在所述开口区域之上并且在被露出的所述熔化材料和所述弧加热器的喷口区域之间隔开一个间隙，以在被露出的所述熔化材料的中心区域的附近形成确定的温度分布，同时保持所述熔化材料的外部区域的温度低于所述坩埚的石英材料的熔点。在特定实施例中，该系统产生包括0.1ppm及0.1ppm以下的最终磷物质的熔化材料，这是经提纯的硅。

在特定实施例中，本发明提供一种形成高品质硅材料（例如多晶硅）的方法。所述方法包括传送具有内部区域的坩埚中的原料硅材料。所述坩埚由石英材料或其它合适的材料制成，所述材料能够承受至少1400摄氏度的温度。所述方法包括使坩埚中的所述原料硅材料经受热能，以使得所述原料硅材料熔化为液体状态，从而在低于约1400摄氏度的温度下形成熔化材料。优选地，所述熔化材料具有由所述坩埚的所述内部区域界定的露出区域。所述方法还包括使所述熔化材料的露出的内部区域经受包括弧加热器的能量源，该能量源被配置在被露出的区域之上并且在被露出区域和所述弧加热器的喷口区域之间隔开一个间隙，以在露出的所述熔化材料的内部区域的附近形成确定的温度分布，同时保持所述熔化材料的外部区域的温度低于所述坩埚的石英材料的熔点。优选地，所述方法从所述熔化材料中去除一种或多种杂质，以在坩埚中形成纯度更高的硅材料。