[发明专利]利用可消耗电极真空电弧冶炼工艺来精炼类金属

说明书

相关申请的交叉引用

本申请主张2011年8月26日申请的美国临时申请案第61/527,799号的利益，该案的全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

本申请涉及利用可消耗电极真空电弧冶炼工艺来制造精炼的类金属，诸如硅。

背景技术

诸如硅电晶体、硅集成电路和硅太阳能电池等多种类型的电子组件需要高纯度硅。自从发明第一个硅电晶体，已开发了用于制造具有所需纯度水准的硅的很多工艺。

已用于制造诸如钢、镍基超合金、钛等高品质金属的工艺称为可消耗电极真空电弧冶炼（CEVAR）工艺。例如，参见美国专利第3，187，07号(Pestel)；第3，344，840号(Buehl等人)；第3，480，716号(Lynch等人)；第4，303，797号(Roberts)；第4，569，056号(Veil,Jr.)；以及关于CEVAR工艺的各种技术现状的美国专利申请公开案第2008/0142188Al号（Ishigami），所有上述公开案以其全文引用的方式并入本文中。CEVAR工艺与非可消耗电极真空电弧冶炼不同，在该非消耗电极真空电弧冶炼中非可消耗电极例如石墨或钨电极用于熔化钛或锆，例如，如美国专利第3，546，348号（Serafmo）中所公开的。美国专利申请公开案第2010/0154475Al号(Matheson等人)公开了类似于钛的Kroll精炼工艺的初级硅精炼工艺，并简要涉及硅组合物的高温真空熔融的次级硅组合物精炼工艺，该硅组合物包括掺杂硼和磷的硅，其中硅纯度在99.99%至99.9999%的范围中。

通常，CEVAR工艺通过这四个步骤制造精炼的金属：（1）随着金属电极在CEVAR熔炉中熔融且暴露至真空来蒸发杂质；（2）使具有低于正熔融的金属电极的密度的液体（熔融的）金属杂质浮出；（3）通过将分子杂质暴露在电极的下端部与形成的铸块上方的滩熔融（液体）金属之间的电弧区中的高能等离子体而将其分离；以及（4）凝固偏析，其致使该铸块中的凝固的金属的杂质水准对于某些元素而言低于形成固体铸块的毗邻液体金属中的杂质水准。

在平常CEVAR工艺中，将室温金属电极装填至CEVAR熔炉中，然后将该CEVAR熔炉抽空至真空。然后在该电极的下端部和CEVAR水冷却式坩埚之间达成高量值直流电流（DC电流）电弧。该电弧致使该电极的下部端熔融，因此该熔融的金属落入封闭的底部坩埚中，其在该封闭的底部坩埚中凝固并且冷却，以形成精炼的铸块。

尽管CEVAR工艺有能力精炼各种金属，但是将该工艺用于精炼类金属诸如硅并不为所知。由于硅在其相对纯态（虽然对于上文所提及的最终用途需要进一步精炼）中是半导体并非金属，因此其在室温或接近室温时具有相对高的电阻率。事实上，足够纯的用作CEVAR工艺的精炼的候选的硅电极在室温或接近室温时，在任何合理施加电压下将具有过高而不准许这样的高电弧电流通过的电阻。

在惯用CEVAR工艺中形成的凝固铸块的金属首先处于其固相线温度，然后在水冷却式坩埚中逐渐冷却，其中由于铸块的边缘接近毗邻的坩埚的水冷却壁，因此边缘比中心更快地冷却。由于差分热收缩而在铸块中产生应力，使铸块表面经受张力且使中心经受压缩的过程。对于通常利用CEVAR工艺熔融的金属而言这并不是问题，这是因为这些金属是相对易延展的，换言之是耐裂的。然而，在用于熔融硅的任何惯用CEVAR工艺的情况下，这样的铸块将易于不期望地裂解，该硅在宽温度范围内易碎。

本发明的一个目的是提供用于精炼类金属诸如硅的装置及方法，其包含CEVAR熔炉和工艺。

发明内容

在一方面，本发明是制造精炼的类金属诸如硅的铸块的装置及方法。可自一块或多块硅形成硅电极。将该电极预加热至使其变得足够具有传导性以在后续的CEVAR精炼工艺步骤中使电流通过而没有过高的压降和电极裂解的温度，且然后在包含低矮CEVAR底部打开式且水冷却式坩埚的CEVAR精炼工艺中将其熔融。在铸块仍然热时将自CEVAR工艺产生的该热铸块传送至毗邻该低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部的加热系统中，其中控制该加热系统以防止硅铸块随着冷却而裂解。