CN101646621A - 硅提纯设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提纯硅载荷(s)的设备，包括：坩锅(5)，其包括由作为良好热导体的至少第一难熔材料制造的至少一个基底(20)；用于冷却基底的装置(26，28)；保护元件(30)，其由具有低导热性的至少第二难熔材料制造，并且设在坩锅与载荷之间；和载荷的电感加热装置(23，24)，其包括设在基底之中或之下的绕组(23)。

Description

硅提纯设备

技术领域

本发明涉及通过光伏效应形成发电电池的硅的制造。比冶金硅品级更高的该硅通常被设计成太阳级或SoG硅。

背景技术

目前，用于光伏技术的硅基本上由微电子工业的废料形成，原因是用于光伏应用的硅可以含有一定比例的杂质(大约百万分之一)，这不如微电子技术中通常需要的杂质级(大约十亿分之一)要求苛刻。

作为用于产生适合于光伏产品的第二硅源，已提供了对制造用于冶金应用的硅进行提纯。用于冶金技术中的硅基本上含有百分之几的杂质，例如铁、钛、硼、磷等，所述杂质必须被去除(下降到远远更低的含量)。

例如，文献EP-A-0459421描述了一种硅纯化方法，其中电弧等离子体朝着包含在带有硅石壁(SiO₂)的热坩锅中的硅熔体的表面被引导。等离子体的高速度使熔体运动，强度取决于等离子体的能量。带有难熔材料的壁的热坩锅是目前在冶金工业中使用的类型的工业坩锅。

该技术的缺点在于已经通过围绕热坩锅的线圈的电磁激励被加热的硅由于等离子体受到额外加热。该额外加热典型地为几百度并且使硅熔体达到硅石壁的熔点。实际上，硅石的熔点比硅的熔点高大约200℃。由于可能的液态金属泄漏，壁的熔化产生设备安全方面的风险。

已经设想增加硅石壁的厚度。然而这放弃了用于加热硅的电感激励绕组，产生效率问题。实际上，热坩锅具有至少几厘米的有限壁厚度。

为了坚固目的通常是固体的热坩锅的另一缺点在于在坩锅内部的熔融硅意外凝固的情况下，与冷却相关联的硅膨胀破坏坩锅，坩锅然后不能被修补。该缺点在工业应用中特别麻烦。实际上，硅是在它的冷却期间并且尤其当它从液相转变到固相时显著膨胀的几种金属之一。它的密度从液态的2.6减小到固态的大约2.34。在冷却期间产生的膨胀足以破坏坩锅。

在热电感坩锅中，围绕坩锅的电感绕组的匝数相对较少。通常，为了场的均匀分布，提供在坩锅的高度上分布的六到大约十二个螺旋。仍然为了场均匀性目的，并且也为了电绝缘目的，螺旋在坩锅高度上彼此间隔。因此，即使绕组自身被冷却(例如，通过螺旋内部的水的流动)，这也不足以冷却外部坩锅壁，尤其是由于在它的高度上的不同匝之间的间距。

为了消除由于使用热电感坩锅产生的缺点，已经提供了使用冷电感坩锅(或分区坩锅)提纯硅。CNRS提交的法国专利申请2871151描述了一种实现由绕组围绕的分区冷坩锅的硅提纯设备，借助于所述绕组硅熔体的紊流搅拌被组织，由电感等离子体焰炬生成的等离子体朝着熔体的表面被引导以去除杂质。难熔材料的元件被***硅熔体与冷坩锅之间以能够将硅熔体保持在高温度。这允许减小纯化硅的生产成本，这基本上是由于处理时间，并且因此由于硅熔体很可能获得的温度。

然而，这样的提纯设备的缺点在于冷分区坩锅的制造特别困难和昂贵。

发明内容

本发明旨在提供一种尤其用于光伏应用的使用冷坩锅的硅纯化设备，其不具有常规电感冷坩锅的缺点。

本发明也旨在提供一种方案，该方案可与朝着熔体的表面被引导以去除杂质的等离子体焰炬的使用兼容。

本发明也旨在在硅熔体意外或自主冷却导致它凝固的情况下提高设备的安全性。

为了实现全部或部分这些以及其他目标，本发明提供了一种用于提纯硅载荷的设备，包括：坩锅，其包括由作为良好热导体的至少第一难熔材料形成的至少一个基底；用于冷却基底的装置；保护元件，其由作为不良热导体的至少第二难熔材料形成，并且用于***坩锅与载荷之间；和用于通过载荷的电感加热基底的装置，其包括布置在基底之中或之下的绕组。

根据一个实施例，基底由管道穿过，冷却流体用于在所述管道的内部流动，所述管道由第二难熔材料、第三难熔材料或导电材料制造。

根据一个实施例，绕组对应于中空管，冷却流体用于在所述中空管的内部流动。

根据一个实施例，保护元件对应于包括至少第二难熔材料的粉末，保护元件具有袋状表面并且用于容纳载荷。

根据一个实施例，保护元件进一步包括至少在所述表面的水平的碳。

根据一个实施例，基底包括在载荷的一侧的圆表面。

根据一个实施例，保护元件包括覆盖圆表面的一部分，所述部分具有在10％以内恒定的厚度。

根据一个实施例，绕组采用圆表面的形状。

根据一个实施例，设备进一步包括用于朝着载荷的自由表面被引导的等离子体焰炬。

根据一个实施例，坩锅进一步包括在基底的周边的金属侧壁，设备包括用于冷却侧壁的装置。

根据一个实施例，侧壁对应于包括腔的整体金属部分，冷却流体用于在所述腔中流动。

本发明也提供了一种用于提纯硅载荷的方法，包括以下步骤：提供坩锅，其包括由作为良好热导体的至少第一难熔材料形成的至少一个基底；将坩锅布置在由作为不良热导体的至少第二难熔材料形成的保护元件中；将载荷放置在保护元件上；冷却基底；和通过包括布置在基底之中或之下的绕组的电感加热装置加热载荷。

根据一个实施例，保护元件对应于包括至少第二难熔材料的粉末，所述方法包括通过形成用于容纳载荷的袋状表面将粉末分布在坩锅中。

附图说明

将结合图1和2在特定实施例的以下非限定描述中详细地论述本发明的前述和其他目标、特征和优点：

图1和2是根据本发明的硅提纯设备的实施例的简化横截面图。

具体实施方式

为了清楚起见，在不同的图中相同元件用相同参考数字表示。仅仅有利于理解本发明的那些部件在图中被显示并且将在下文中被描述。特别地，构造细节以及用于等离子体焰炬中的气体未被详细描述，本发明可与常规等离子体焰炬提纯方法兼容。进一步地，电感绕组的激励频率和强度未被详细描述，在这里本发明再次与确定这些频率和强度的常用技术兼容。

本发明的一个特征是提供一种包括由难熔材料制造的冷却基底，也被称为底部或底板的坩锅，和提供用于加热硅熔体的电感装置，所述电感装置包括布置在基底之中或基底之下的线圈。这样，坩锅的冷却侧壁可以不分区，这简化了坩锅的制造。本发明的另一特征是将作为不良热导体的难熔材料的保护元件***冷坩锅和硅熔体之间。这允许将硅熔体保持在高温度。

图1示意性地显示了提纯设备的一个实施例，所述提纯设备包括含有硅熔体s的坩锅5。坩锅5包括由金属材料例如铜或不锈钢制造的带有圆形基部的圆柱形侧壁10。壁10包含腔12，冷却流体(例如水或空气)在所述腔中流动。设备包括用于组织冷却流体在腔12中流动的元件14。坩锅5进一步包括例如由碳化硅基难熔水泥形成的基底20，也被称为底板或底部，包括相对的平面上表面21和下表面22。上表面21位于硅熔体s的一侧并且下表面22位于与硅熔体s相对的一侧。作为良好电导体的材料例如铜的平面绕组23或线圈布置在基底20中。绕组23由低频发电机24(G)(典型地从几十到几万赫兹)供电。当电流流过绕组23时，获得硅熔体s的电感加热。在基底20的水平直接提供绕组23，使得在绕组23与硅熔体s之间获得有效的电磁耦合。基底20可以有冷却管道26穿过，冷却流体(例如水)在所述冷却管道中流动。冷却管道26可以被***上表面21与绕组23之间以减小到达绕组23的热流。管道26例如具有圆形或方形横截面并且可以由作为良好热导体的难熔材料例如碳化硅基材料制造。管道26然后有利地基本可透由线圈23发出的电磁场。这允许提高提纯过程的效率。然而，为了减小成本和/或便于制造过程，管道26可以由同时作为良好的热和电导体的材料例如铜或不锈钢制造。提供至少二或三毫米的管道26的两个部分之间的最小间隙，以限制由线圈23发出的电磁场的扰动和获得满意的输出。提纯设备包括用于组织管道26内部的冷却流体的流动的元件28。

根据一个变型，绕组23可以被布置在上表面21的一侧，也就是说，被***上表面21与冷却管道26之间。

根据另一变型，绕组23可以对应于中空管，冷却流体例如水在所述中空管的内部流动。在该情况下，基底20可以由在绕组23的内部流动的冷却流体直接冷却。冷却管道26然后可以被省略。

根据另一变型，绕组23可以靠近基底20的下表面22被布置在基底20之下。

根据另一变型，冷却管道26可以被布置在基底20中以至少部分从上表面21突出。

由作为不良热导体的难熔材料制造的保护元件30被***坩锅5与硅熔体s之间。选择形成保护元件30的材料，使得它不会产生化学反应或它仅仅与熔融硅轻微反应。该材料例如可以是难熔材料例如氧化铝、石英、氧化锆或硅石的粉末，或这些材料的两个或以上的混合物。仅仅基于用于硅提纯应用的硅石形成保护元件30的优点在于这使源自保护元件30自身的杂质引入待处理的硅熔体s中最小化。形成保护元件30的粉末可以手动地或通过进料斗被布置在坩锅5中。粉末然后被压紧以尽可能紧凑并且限定容纳硅熔体s的袋状表面32，例如圆锥形、球形或椭圆形，其尽可能连续。为此，可以使用很细等级的粉末，例如等级低于10微米的粉末。保护元件30由非烧结粉末形成的事实允许便于形成容纳硅熔体s的保护元件30的表面32。实际上，一旦粉末被布置在坩锅5中，例如袋状的表面32可以非常简单地通过用冲头挤压粉末形成。

保护元件30的厚度足以限制热从硅熔体s流动到基底20和侧壁10。作为例子，保护元件30的最小厚度大于至少一毫米，并且优选地大于5毫米。保护元件30进一步防止硅熔体s与坩锅5的侧壁10和基底20之间的直接接触。这允许用低成本金属例如不锈钢形成侧壁10，同时将硅熔体保持在高温度。进一步地，使用粉末形成保护元件30在熔融硅意外冷却的情况下提供保护。实际上，在凝固的情况下，硅倾向于膨胀并且对保护元件30施加压力。具有粉状一致性的保护元件30倾向于容易变形，因此减小了坩锅5的侧壁10和基底20上的应变。

根据一个变型，保护元件30也包括碳粉，例如石墨，其可以混合到保护元件30的剩余部分或者可以对应于布置在保护元件30的表面32的水平的纯碳粉层。碳可以用于通过毛细作用俘获倾向于与碳反应的硅熔体s的熔融硅的杂质(尤其是铁和/或硼)。作为例子，在碳以覆盖保护元件30的表面32的层的形式被布置的情况下，甚至可以在操作中观察到在保护元件30的表面32的水平形成碳化硅层。

根据另一变型，硅熔体s可以不与保护元件30直接接触。实际上，硅熔体s可以被包含在由难熔材料例如硅石制造的中间坩锅中，中间坩锅被布置成与保护元件30接触。中间坩锅可以是整体的或者可以由彼此连接的几个部分形成。

根据另一变型，保护元件30可以是刚性的并且对应于整体或者可以由彼此连接的几个部分形成。保护元件30例如通过烧结难熔材料的粉末获得。保护元件30然后被布置在坩锅5中与侧壁10和基底20接触并且限定接收硅熔体s的内部体积。

图2显示了坩锅5的另一实施例，其中基底20的上表面21具有圆形，例如对应于椭圆部分，对应于球形部分，对应于圆锥等。保护元件30然后可以对应于一种难熔材料或几种难熔材料的粉末层，该层均匀地布置在基底20的上表面21上。作为例子，保护层30的厚度可以在10％以内恒定并且大于至少一毫米，并且优选地大于5毫米。这具有的优点是允许更好地控制硅熔体s与基底20之间的热交换。基底20可以具有恒定厚度使得基底20的下表面22也具有复制上表面21的形状的圆形。

在本实施例中，线圈23被布置在基底20的下表面22之下，并且有利地采用它的形状。根据一个变型，线圈23被布置在基底20中，例如靠近基底20的上表面21，并且采用它的形状。

根据本实施例的一个变型，基底20的曲率可以足够使侧壁10不存在。坩锅5然后直接被保持在基底20的水平。

在先前所述的实施例中，坩锅5的尺寸，尤其是保护元件30的尺寸，使得硅熔体s通常被包含在直径D和高度h的圆柱形体积中使得高度h与直径D之间的比率小于0.5，优选地小于0.1。

对于先前所述的实施例，一种电感等离子体焰炬被提供，并且被放置成使得等离子体的火焰f掠过硅熔体s的自由表面。用于保持等离子体焰炬35的装置未被显示。等离子体的功能是在熔体的自由表面的附近产生由自由基和等离子气体(一种或多种)的离子形成的介质。这样产生的大气极易反应并且存在于熔体的表面的杂质与等离子体的反应气体组合并且在熔体表面温度下变得易挥发(或相反地，固态)。整个设备保持在受控大气下，这允许逐渐去除包含杂质的分子。

等离子体焰炬35例如包括在焰炬的中心的反应气体gr的入口36，辅助气体ga(例如氩)的同心入口37。等离子气体gp(例如也为氩)进一步同心地被输送到辅助气体ga。电感线圈38围绕焰炬35的自由端以产生电感等离子体。线圈38通常由发电机39产生的频率大约为一兆赫兹的交流电流激励。常规地，不同反应气体可以同时或连续被注入等离子体中以使它们选择性地作用于有害元素。

先前所述的实施例的坩锅5可以包括例如位于底部或位于基底20的中心的铸造装置40。铸造装置40例如由初始借助于放置在保护元件30之下的挡片或滑阀闭合的端口形成。保护元件30有利地在硅熔化和纯化阶段中保护铸造装置40免于与硅直接接触。铸造装置40也可以包括烧结硅垫圈装置或塞-杆组件。作为一个变型，铸造装置40可以不存在。坩锅5然后可以被组装在未显示的旋转元件上，允许倾泻它的内容物。

现在将描述可以用先前所述的提纯设备例子实现的硅提纯方法的一个例子。

在开始时，保护元件30被布置在坩锅5中并且在保护元件30具有粉状一致性的情况下被赋予形状。保护元件30然后被填充由粉末、碎片或硅废料形成的硅载荷。作为例子，从200到400kg的载荷可以被布置在保护元件30中。由于硅是半导体，它在变得逐渐导电(大约800℃)并且然后能够借助于线圈23通过电感被加热之前必须被预加热。

例如，等离子体焰炬35首先被启动以预加热固体硅载荷并且使它达到允许获得与坩锅5的线圈23所产生的低频场耦合的温度。在该预加热阶段期间使用的气体是氩。氢可以作为反应气体被引入以增加等离子体的导热性并且因此加速硅载荷的预加热。

在该开始阶段结束时，硅完全熔化并且保持该熔化状态所需的能量基本上由坩锅5的线圈23提供。

在第二阶段中，沿图1和2中箭头指示的方向执行熔体的紊流搅拌，并且通过与在熔体s的表面的反应气体组合形成蒸发的挥发物质的适合于去除杂质的一种或几种反应气体被引入等离子体中。

在第三可能阶段中，这样被纯化的硅可以通过钝化或缺陷掺杂增强多晶硅的光伏能力的元素，例如氢。

一旦被提纯和可能掺杂，通过铸造装置40或通过坩锅5的倾斜从坩锅5清空硅。熔融硅的一部分可以留在坩锅5中以增强添加到坩锅5的固体硅片的熔化以用于处理新的硅载荷。

在具有高流动性(在1,500℃下粘度仅仅为6.88.10^-3Pa.s)的液态硅熔体s中形成电磁场允许执行有效搅拌，这通过杂质的聚集和随后将它们从熔体表面“撇去”增强了纯化。申请人通过模拟证明了硅熔体s中的电磁力是基本垂直的，这有助于搅拌并且因此有助于硅纯化。由于坩锅5的低形状产生的熔体的相对小深度也有助于该上升。硅熔体s的直径D(与它的小高度h关联)允许通过有效表面“蒸发”获得纯化，同时对于待处理的每个硅载荷允许处理显著数量的硅。进一步地，坩锅5的相对小深度允许通过适度地倾斜坩锅容易地几乎完全取出熔融硅。

当然，本发明很可能具有本领域技术人员将容易想到的各种替换选择和修改。特别地，使用的气体将根据待去除的杂质进行选择。进一步地，本领域的技术人员基于上文给出的功能指示和基于应用能够确定设备的不同元件的尺寸。特别地，尽管描述了带有圆形基部的圆柱形坩锅，可以提供锥形坩锅或带有方形或矩形基部的坩锅的使用。进一步地，尽管描述了使用等离子体焰炬的提纯方法，熔融硅的纯化可以由任何适合装置执行。特别地，可以使用用于将反应气泡直接注入熔融硅中的***。

Claims (13)

1.一种用于提纯硅载荷(s)的设备，包括：

坩锅(5)，其包括由作为良好热导体的至少第一难熔材料形成的至少一个基底(20)；

用于冷却基底的装置(26，28)；

保护元件(30)，其由作为不良热导体的至少第二难熔材料形成，用于***坩锅与载荷之间；和

用于通过载荷的电感加热基底的装置(23，24)，其包括布置在基底之中或之下的绕组(23)。

2.根据权利要求1所述的设备，其中基底(20)由管道(26)穿过，冷却流体用于在所述管道的内部流动，所述管道由第二难熔材料、第三难熔材料或作为良好电导体的材料制造。

3.根据权利要求1所述的设备，其中绕组(23)对应于中空管，冷却流体用于在所述中空管的内部流动。

4.根据权利要求1所述的设备，其中保护元件(30)对应于包括至少第二难熔材料的粉末，保护元件具有袋状表面(32)并且用于容纳载荷(s)。

5.根据权利要求4所述的设备，其中保护元件(30)进一步包括至少在所述表面(32)的水平的碳。

6.根据权利要求1所述的设备，其中基底(20)包括在载荷(s)的一侧的圆表面(21)。

7.根据权利要求6所述的设备，其中保护元件(30)包括覆盖圆表面(21)的一部分，所述部分具有在10％以内恒定的厚度。

8.根据权利要求6所述的设备，其中绕组(23)采用圆表面(21)的形状。

9.根据权利要求1所述的设备，其中进一步包括用于朝着载荷(s)的自由表面被引导的等离子体焰炬(35)。

10.根据权利要求1所述的设备，其中坩锅(5)进一步包括在基底(20)的周边的金属侧壁(10)，设备包括用于冷却侧壁的装置(12，14)。

11.根据权利要求10所述的设备，其中侧壁(10)对应于包括腔(12)的整体金属部分，冷却流体用于在所述腔中流动。

12.一种用于提纯硅载荷(s)的方法，包括以下步骤：

提供坩锅(5)，其包括由作为良好热导体的至少第一难熔材料形成的至少一个基底(20)；

将坩锅布置在由作为不良热导体的至少第二难熔材料形成的保护元件(30)中；

将载荷放置在保护元件上；

冷却基底；和

通过包括布置在基底之中或之下的绕组(23)的电感加热装置(23，24)加热载荷。

13.根据权利要求12所述的方法，其中保护元件(30)对应于包括至少第二难熔材料的粉末，所述方法包括通过形成用于容纳载荷(s)的袋状表面(32)将粉末分布在坩锅(5)中。

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