專(zhuān)利名稱(chēng)：：用于提純低級(jí)硅材料的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明總體上涉及硅的生產(chǎn)。更具體地，本發(fā)明涉及一種用于提純低級(jí)硅材料以獲得用于光電或電子應(yīng)用的較高級(jí)硅的方法和裝置。
背景技術(shù)：
：硅(Si)有許多不同的應(yīng)用，每一種應(yīng)用有其自身的具體技術(shù)規(guī)格。冶金級(jí)硅的世界產(chǎn)量的大部分被轉(zhuǎn)到鋼鐵和汽車(chē)工業(yè)，其中它被用作一種至關(guān)重要的合金組分。冶金級(jí)硅是低純度硅。典型地，在被稱(chēng)為碳熱還原的方法中，通過(guò)在約170(TC的溫度下在碳(煤，焦炭，石油焦(petcoke))和二氧化硅(Si02)之間的反應(yīng)生產(chǎn)冶金級(jí)硅，即純度為約98%的硅。少部分冶金級(jí)Si被轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體工業(yè)中用于生產(chǎn)Si晶片等。然而，半導(dǎo)體工業(yè)需要超高純度硅，例如，純度為約99.9999999。/。(9N)的電子級(jí)硅(EG-Si)。必須將冶金級(jí)硅提純以生產(chǎn)這種電子級(jí)硅。然而，提純方法是精巧的，從而導(dǎo)致電子級(jí)硅的較高的成本。光電(PV)工業(yè)需要較高純度的硅以生產(chǎn)光電池，即太陽(yáng)能電池。對(duì)于在太陽(yáng)能電池應(yīng)用中的最佳性能，對(duì)硅的純度要求是硼(B)<3ppm，磷(P)〈10ppm，總的金屬雜質(zhì)〈300ppm并且優(yōu)選〈150ppm。盡管光電工業(yè)所要求的硅純度低于半導(dǎo)體工業(yè)的硅純度，但是具有必需的低硼和低磷含量的中間等級(jí)的硅，即太陽(yáng)能級(jí)硅(SoG-Si)并不容易商購(gòu)。目前的一種選擇是使用昂貴的超高純度的電子級(jí)硅；這導(dǎo)致了效率接近理論極限，但是價(jià)格昂貴的太陽(yáng)能電池。另一種選擇是使用來(lái)自半導(dǎo)體工業(yè)的電子級(jí)硅的較廉價(jià)"廢料(scrap)"或不合格的供給源。然而，硅芯片生產(chǎn)率的提高已經(jīng)導(dǎo)致了PV工業(yè)可得到的電子級(jí)硅的"廢料"供給源的減少。此外，半導(dǎo)體和光電工業(yè)的平行增長(zhǎng)也促使電子級(jí)硅的總體供給短缺。5幾種提純低級(jí)硅，即粗硅或冶金級(jí)硅的方法在本領(lǐng)域中是已知的。美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)2005/0074388描述了一種被用作用于生產(chǎn)電子品質(zhì)或光電品質(zhì)的硅的原料的中等純度硅，以及用于生產(chǎn)這種材料的方法。該方法包括在埋弧電弧爐中通過(guò)二氧化硅的碳熱還原生產(chǎn)具有低的硼含量的硅。將這樣生產(chǎn)的液體硅倒入桶中，通過(guò)使用石磨棒注入氧或氯進(jìn)行精制，置于鐘型罩下，并且在注入中性氣體的情況下減壓處理，然后倒入置于爐中的模中，從而以受控的方式凝固，并且引起雜質(zhì)在殘余液體中的偏析。通過(guò)氧注入的液體硅的精制不能在電弧爐中安全地進(jìn)行。由此，通過(guò)氧注入的液體硅的精制程序需要將液體硅從爐子轉(zhuǎn)移到桶中，從而在工藝中增加了額外的實(shí)施步驟，因此增加了復(fù)雜性。美國(guó)專(zhuān)利3,871,872和4,534,791描述了使用爐渣處理硅以除去鈣(Ca)和鋁(A1)雜質(zhì)。具體地，美國(guó)專(zhuān)利3,871,872描述了將包含Si02(二氧化硅)，CaO(石灰)，MgO(氧化鎂)和八1203(氧化鋁)的爐渣加入到熔融硅金屬中，并且美國(guó)專(zhuān)利4,534,791描述了使用熔融爐渣對(duì)硅進(jìn)行處理，所述熔融爐渣包含Si02(二氧化硅)，CaO(石灰)，MgO(氧化鎂)和Al20"氧化鋁)，Na20，CaF2，NaF，SrO，BaO，MgFjnK20。1991年4月8-12日在葡萄牙里斯本的第十屆歐洲光電太陽(yáng)能會(huì)議的會(huì)議論文集中出版的Suzuki和Sano的文章"通過(guò)熔融硅的熔劑處理從冶金硅中除去硼的熱云力力學(xué)(T/zerwo辦"(3附Zc^/orw附ora//rawmeta〃Mrg7'ca/w7,ca/wxfrea加e^o/附o/fe"s/,/ca/'中，石開(kāi)究了通過(guò)熔齊ll或爐渣處理除去硼。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)爐渣體系CaO-Si02，CaO-MgO-Si02，CaO-BaO-Si02禾口CaO-CaF2-Si02的硅的處理，在使用爐渣體系CaO-BaO-Si02時(shí)，導(dǎo)致了約2.0的最大的硼的分布系數(shù)(Lb)，所述硼分布系數(shù)被定義為爐渣中的ppmwB和硅中的ppmwB之間的比率。如圖1中示出，還發(fā)現(xiàn)，硼分布系數(shù)隨著爐渣的堿度的增加而增加，達(dá)到最大值，然后降低。Suzuki和Sano所做的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)以下步驟進(jìn)行的將10g硅和10g爐渣置于石墨坩堝中，使該混合物熔融，并且將該混合物保持熔融2小時(shí)。爐渣和熔融的硅之間的硼的低分布系數(shù)意味著，必須使用大量的爐渣，并且必須重復(fù)爐渣處理許多次，以使硼含量從冶金硅的正常硼含量即20-100ppm，降低至太陽(yáng)能級(jí)硅所需的硼含量即低于lppm。因此，在6Sano和Suzuki的文章中所述的方法既非常昂貴又費(fèi)時(shí)。對(duì)于從硅中除去硼，還提出了依靠低氧化物(suboxides)的汽化的方法。事實(shí)上，自1956年Theurer報(bào)道其關(guān)于硅的區(qū)域熔融的研究以來(lái)，已知的是，通過(guò)使硅在Ar-H2-H20的弱氧化氣體混合物流中熔融，可以從硅中提純出硼-法國(guó)專(zhuān)利FR1469486描述了這種方法。歐洲專(zhuān)利EP0756014描述了一種在具有氧氣-燃料燃燒器(oxy-fuelbumer)的轉(zhuǎn)鼓爐中熔煉鋁和含鋁殘?jiān)詼p少產(chǎn)生的廢氣及其有害內(nèi)含物的量的方法。本領(lǐng)域中還已知的是在配備有氧氣-燃料燃燒器的轉(zhuǎn)鼓爐中使鋼熔融。然而，從未認(rèn)真考慮或者實(shí)驗(yàn)過(guò)在使用氧氣-燃料燃燒器的爐子中使硅熔融。盡管己經(jīng)在努力開(kāi)發(fā)用于提純低級(jí)或冶金級(jí)硅的方法，但是仍然需要用于提純低級(jí)硅或冶金級(jí)硅以獲得用于光電或電子應(yīng)用的較高級(jí)硅的實(shí)用并且有成本效益的方法。發(fā)明概述本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種滿足上述要求的用于提純硅的方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于提純低純度硅材料并且獲得較高純度硅材料的方法。所述方法包括以下步驟(a)提供配備有氧氣-燃料燃燒器的熔融裝置；和(b)使低純度硅材料在所述熔融裝置中熔融，并且獲得較高純度硅材料的熔體。優(yōu)選地，步驟(a)的熔融裝置包括轉(zhuǎn)鼓爐。低純度硅材料在熔融裝置中的熔融可以在由氧氣-燃料燃燒器提供的氧化氣氛下進(jìn)行。步驟(b)的熔融可以包括將氧氣與天然氣燃料的比率設(shè)定在1:1至4:1的范圍內(nèi)。步驟(b)的熔融可以包括使所述低純度硅材料在1410。C至170(TC的范圍內(nèi)的溫度下熔融。7步驟(b)的熔融可以包括加入合成爐渣。步驟(b)的熔融可以包括收集在低純度硅材料的熔融過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硅煙霧。所述方法還可以包括以下步驟(C)將較高純度硅材料的熔體與爐渣分離?，岓w的分離優(yōu)選包括將熔體傾注到模中，所述模具有絕熱底壁，絕熱側(cè)壁和開(kāi)口頂部。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述方法還可以包括以下步驟(d)在電磁攪拌熔體的同時(shí)，通過(guò)從模的開(kāi)口頂部向絕熱底壁的單向凝固，使較高純度硅材料的熔體凝固；(e)控制單向凝固的速率；(f)在所述熔體已經(jīng)部分凝固時(shí)，停止單向凝固，以產(chǎn)生具有外殼和中心的錠料，所述外殼包含純度高于較高純度硅材料的固體多晶硅，所述中心包含富集雜質(zhì)的液體硅；和(g)在所述錠料的外殼中產(chǎn)生開(kāi)口以使富集雜質(zhì)的液體硅流出，并且留下外殼，從而獲得純度高于較高純度硅材料的固體多晶硅。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，所述方法還可以包括以下步驟(d)在電磁攪拌熔體的同時(shí)，通過(guò)單向凝固使較高純度硅材料的熔體凝固，并且獲得固體錠料；(e)控制單向凝固的速率；禾口(f)將固體錠料的第一部分與其余部分分離，所述第一部分已經(jīng)先于所述其余部分凝固，并且具有比其余部分更少的雜質(zhì)，從而獲得純度高于較高純度硅材料的固體多晶硅。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種轉(zhuǎn)鼓爐用于將較低純度硅材料熔融并且提純，從而獲得較高純度硅材料的用途，所述轉(zhuǎn)鼓爐配備有氧氣-燃料燃燒器。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種根據(jù)上述方法獲得的較高純度硅材料的熔體。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供根據(jù)上述方法獲得的二氧化硅煙霧。根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供一種根據(jù)上述方法的實(shí)施方案獲得的8固體多晶硅。盡管將結(jié)合實(shí)例性實(shí)施方案描述本發(fā)明，但是應(yīng)理解，不意在將本發(fā)明的范圍限制至這些實(shí)施方案。相反，意在覆蓋可以被本說(shuō)明書(shū)包括，限制的所有替換，修改和等同物。通過(guò)結(jié)合附圖閱讀下面給出的本發(fā)明的非限制性說(shuō)明，本發(fā)明的目的，優(yōu)點(diǎn)和其它特征將變得更加明顯，并且更好理解。附圖簡(jiǎn)述圖1是硼的分布系數(shù)隨著CaO-CaF2-Si02爐渣體系的CaO/Si02比率的圖[Suzuki等(1990)-現(xiàn)有技術(shù)]。圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的配備有氧氣-燃料燃燒器的熔融裝置的橫截面圖。圖3是元素硅的焓對(duì)溫度的圖[現(xiàn)有技術(shù)]。圖4是火焰溫度對(duì)燃燒器燃料的氧化劑含量的圖。圖5是氧氣-燃料燃燒產(chǎn)物分布與氧氣-燃料的氧含量的函數(shù)的圖。圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案將硅材料的熔體從轉(zhuǎn)鼓爐傾注到模中的示意圖。圖7是在絕熱開(kāi)口頂部模中，在電磁攪拌的情況下經(jīng)歷單向凝固的硅熔體的示意圖。發(fā)明詳述如所提到的，本發(fā)明涉及將低級(jí)硅材料提純以獲得用于光電或電子應(yīng)用的較高級(jí)硅。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于提純低純度硅材料并且獲得較高純度硅材料的方法。該方法主要包括以下步驟(a)提供配備有氧氣-燃料燃燒器的熔融裝置;和(b)使低純度硅材料在所述熔融裝置中熔融，并且獲得較高純度硅材料的熔體。這些步驟將在下面進(jìn)行充分論述。(a)提供配備有氧氣-燃料燃燒器的熔融裝置首先，表述"熔融裝置"是指釋放熱量的任何封閉體，并且包括產(chǎn)生熱熔融裝置"是可以用于使材料熔融的任何裝置。可以提供配備有氧氣-燃料燃燒器的任何適合的熔融裝置。圖2中所示的一個(gè)這樣的實(shí)例是配備有氧氣-燃料燃燒器12的轉(zhuǎn)鼓爐10。有利地，轉(zhuǎn)鼓爐典型地具有可以阻止由高溫引起的損害并且可以保持熱量的耐熔襯里。適合的熔融裝置的其它實(shí)例包括配備有提供所需的氧化氣氛的另外的氧氣-燃料燃燒器的感應(yīng)爐或電弧爐。根據(jù)圖2中所示的實(shí)施方案，轉(zhuǎn)鼓爐10具有旋轉(zhuǎn)圓筒體。在轉(zhuǎn)鼓爐IO的一端，設(shè)置有開(kāi)口16，所述開(kāi)口16配置有門(mén)14，通過(guò)所述門(mén)14，可以將低純度硅材料22裝填到轉(zhuǎn)鼓爐10中。材料的裝填可以使用裝填裝置例如輸送機(jī)帶系統(tǒng)進(jìn)行。在低純度硅材料的熔融過(guò)程中，門(mén)14被密閉以防止不需要的空氣滲透到轉(zhuǎn)鼓爐10中。氧氣-燃料燃燒器12被設(shè)置在門(mén)14中。氧氣-燃料燃燒器12產(chǎn)生延伸到轉(zhuǎn)鼓爐10中的火焰。熔融過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣經(jīng)由被安置在門(mén)14內(nèi)的煙囪17排出。排氣罩19用于將廢氣經(jīng)由排氣管道18收集并且引導(dǎo)至廢氣收集器20中。在轉(zhuǎn)鼓爐10旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，氧氣-燃料燃燒器12，煙囪17，排氣罩19和排氣管道18保持固定。當(dāng)然，轉(zhuǎn)鼓爐的多種構(gòu)造是可以的，例如，氧氣-燃料燃燒器12可以不被設(shè)置在門(mén)14內(nèi)，而可以與轉(zhuǎn)鼓爐IO—起旋轉(zhuǎn)。熔融裝置還可以包括放液孔以及用于從其放出熔融材料的放液槽。參考圖2的實(shí)施方案，在轉(zhuǎn)鼓爐10的與門(mén)14相反的另一端，轉(zhuǎn)鼓爐10包括具有兩個(gè)放液槽24的兩個(gè)放液孔。放液孔可以用碳糊狀物25密閉。b)使低純度硅材料熔融并且獲得較高純度硅材料的熔體使用裝填裝置，例如輸送機(jī)帶系統(tǒng)，將低純度硅材料裝填到熔融裝置，例如轉(zhuǎn)鼓爐中。低純度硅材料可以含有下列元素中的任何一種或任何組合Al，As，Ba，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，F(xiàn)e，K，La，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Sb，Sc，Sn，Sr，Ti，V，Zn，Zr，O，C和B。它可以是低級(jí)硅材料例如冶金級(jí)硅，硅粉碎機(jī)粉塵，從爐渣中用手挑選的硅，以及含硅的殘?jiān)Ｔ诠璺鬯闄C(jī)粉塵的情況下，優(yōu)選將粉塵在裝填到爐子中之前進(jìn)行?；?，以10避免在其熔融過(guò)程中產(chǎn)生的較高純度的二氧化硅煙霧由硅粉碎機(jī)粉塵引起的爆炸和污染的風(fēng)險(xiǎn)，并且增加燃燒器火焰的傳熱和硅的回收。這些粒料可以通過(guò)在或不在焙燒的情況下將硅粉碎機(jī)粉塵與硅酸鈉(液體玻璃)，木素溶液，糖漿或糖，石灰或任何其它的粘合物質(zhì)(樹(shù)脂)混合而制備。元素硅在約141(TC熔融。由此，需要很高的溫度以使低純度硅材料熔融。低純度硅材料的熔融優(yōu)選在約141(TC至170(TC的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行。理論上，如圖3中示出，使硅熔融并且使其溫度達(dá)到150(TC所需的能量為88.6kJ/mo1(88.6千焦/摩爾)或0.876MWhr/mt(兆瓦'小時(shí)/公噸)。為了促進(jìn)熔融，可以將爐子預(yù)熱至所需的溫度，然后用低純度硅材料裝填。此外，優(yōu)選使低純度硅材料在141(TC和150(TC之間的溫度下熔融，以使碳析出到爐渣中，并且降低所得到的較高純度硅材料的熔體的氧含量。盡管空氣-燃料燃燒器(air-fodburner)理論上能夠提供高得足以使硅熔融的火焰溫度，但是實(shí)際上，在空氣-燃料中的大量氮?dú)鈴幕鹧嬷幸瞥嗽S多能量，并且所達(dá)到的最高火焰溫度實(shí)際上最多是約1200°C。氧氣-燃料燃燒器通過(guò)將純氧直接注入到火焰(氧氣-燃料)中而代替了空氣中的無(wú)效氮?dú)?。如在圖4中可以看出，由氧氣-燃料燃燒器提供的最高火焰溫度遠(yuǎn)高于由空氣-燃料燃燒器提供的最高火焰溫度。氧氣-燃料燃燒器的最高火焰溫度是采用約2:1的氧氣/天然氣流達(dá)到的。通過(guò)相應(yīng)地改變氧氣/燃料的比率來(lái)提供氧化氣氛，本方法可以用于提純出液體硅中的Ca，Al，Mg，Na，K，Sr，Ba，Zn，C，O和B中的至少一種。如在發(fā)明背景中說(shuō)明，在本領(lǐng)域中己知的是，通過(guò)在Ar-H2-H20的弱氧化氣體流中使硅熔融，可以提純出硅中的硼。因此，為了從低純度硅材料中除去硼，低純度硅材料在熔融裝置(例如轉(zhuǎn)鼓爐)中的熔融是在氧化氣氛下進(jìn)行的。在本發(fā)明中，氧氣-燃料燃燒器通過(guò)產(chǎn)生的燃燒氣體，允許較容易地改變天然氣/氧氣的比率，以提供從弱氧化性到強(qiáng)氧化性的氧化氣氛，所述氧化氣氛可以包括壓0，H2，02，CO和C02(參見(jiàn)圖5)。實(shí)際上，為了提供用于提純出硅材料中的硼的氧化氣氛，可以選擇在1:1至4:1的范圍內(nèi)，優(yōu)選在1.5:1至2.85:1的范圍內(nèi)的氧氣與天然氣的混合物，從而還優(yōu)化火焰溫度。使用配備有氧氣-燃料燃燒器的轉(zhuǎn)鼓爐提供氧化氣氛的安ii全，可控和較簡(jiǎn)單的方式還是本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。為了改善低純度硅材料的提純，熔體還可以經(jīng)歷爐渣處理?？梢詫⒑铣蔂t渣加入到熔體中，以改變?nèi)垠w的化學(xué)性質(zhì)并且提純出熔體中的特定元素。在本領(lǐng)域中許多爐渣配方是已知的。例如，可以將包含Si02，A1203，CaO，CaC03，Na20，Na2C03，CaF，NaF，MgO，MgC03，SrO，BaO，MgF2或K20或它們的任意組合的合成爐渣加入到熔融硅中，以從烙體中除去A1，Ba，Ca，K，Mg，Na，Sr，Zn，C或B，或它們的任何組合?？梢圆捎煤?jiǎn)化的理論論據(jù)評(píng)估爐渣提取效率。使用其中在爐渣和硅之間獲得平衡的爐渣處理方法提純出硼的效率由硼的分布系數(shù)(LB)得到，所述硼的分布系數(shù)被定義為爐渣中的B濃度和最終硅材料中的B濃度之間的比率pj雄.kh,她+附~'[萬(wàn)h=/^,臉'[萬(wàn)L/e+附*.[5],,。sr;^程"g巾。siM^硅材料的最初硼含量(ppmw)°slag一戶渣的最初硼含量(ppmw)siM^硅材料的最終硼含量(ppmw)s,ag一戶渣的最終硼含量(ppmw)msiMe三硅的質(zhì)量(kg)m一一戶渣的質(zhì)量(kg)，并且ppmw=按重量計(jì)的百萬(wàn)分之幾kg=千克。在界面處，在爐渣和硅之間的平衡的建立是快速的。有利地，轉(zhuǎn)鼓爐的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生對(duì)化學(xué)平衡的快速建立有利的新表面。與固定爐子不同，轉(zhuǎn)鼓爐的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得熔融的材料的新表面持續(xù)暴露于爐渣和氧化氣氛12下。通過(guò)將方程1代入方程2并且重新整理，確定了經(jīng)過(guò)爐渣處理的硅材料的最終硼含量「nl附緒e[沖雄+附*.、—間貓="~~附-灘"〃,服e卞ag使用常規(guī)的提純方法(不包括使用配備有氧氣-燃料燃燒器的轉(zhuǎn)鼓爐的提純方法)以及其中使?fàn)t渣和提純下的硅材料之間達(dá)到平衡的爐渣處理，硅材料中的硼含量從10ppmw下降至4.1ppmw:。siMe=10ppmw[B]。siag=1ppmwmSiMe=5mtmsiag=5mt[到緣=5:+5fflMy^~="砂卿然而，考慮到被提純的硅材料的質(zhì)量，必須使用大量的爐渣，以獲得硅材料中的低的硼含量。需要大量的能量使?fàn)t渣熔融。另外，熔融的爐渣不能被容易地控制，并且不能被容易地與提純的熔融硅材料分離。由此，單獨(dú)使用常規(guī)的爐渣處理提純硅材料沒(méi)有效率。為了適合用作太陽(yáng)能級(jí)硅，被處理的硅的硼含量應(yīng)當(dāng)少于3ppmw。為了將低純度硅材料中的硼含量降低至可接受的水平，必須使用具有低硼含量(例如，少于1ppmw的硼含量)的爐渣。對(duì)于太陽(yáng)能級(jí)硅材料中的磷含量，也有嚴(yán)格的要求。如果用于從低純度硅材料中除去硼的爐渣(例如，硅酸鈣基爐渣)含有太多的磷，則在爐渣處理過(guò)程中可能增加硅中的磷含量。因此，重要的是使用還具有低磷含量(例如少于4ppmwP的磷含量)的爐渣。13下面是合成爐渣配方的兩個(gè)實(shí)例:必^;f第一潘沐染質(zhì)簽御，經(jīng)研磨的石英(SiO》生石灰(CaO):蘇打灰(Na2C03—Na20+C02):700kg/mtSi150kg/mtSi256kg/mtSi必^2f第二i沐/雜處連鄰經(jīng)研磨的石英(Si02):蘇打灰(Na2C03—Na20+C02):800kg/mtSi342kg/mtSi參考顯示多種合成爐渣組分的化學(xué)組成的表1，由粉碎的石英和蘇打灰制成的合成爐渣具有所需的低硼和磷含量。表l:合成爐渣組分的化學(xué)組成<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>使用本發(fā)明的方法，當(dāng)材料經(jīng)歷處理時(shí)，可以在低純度硅材料的熔融過(guò)程中產(chǎn)生顯著體積的二氧化硅煙霧。這些煙霧提供了高純度二氧化硅源，并且可以在低純度硅材料的熔融過(guò)程中被回收和收集。實(shí)施例下列非限制性實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明的步驟(a)至(b)。參考附圖，這些實(shí)施例和本發(fā)明將得到更好的理解。實(shí)施例l進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的方法的實(shí)驗(yàn)以提純低純度硅材料。使用轉(zhuǎn)鼓爐，該轉(zhuǎn)鼓爐具有約14000lbs(llbf453.6g)的液體鋁容量并且配備有氧氣-燃料燃燒器，所述氧氣-燃料燃燒器燃燒包含天然氣和純氧的燃料，并且提供8000000BTU/hr(BTU/hr三英制熱單位/小時(shí))的功率。所述方法包括以下步驟1)將爐子在高火下預(yù)熱3小時(shí)；2)在氧氣與天然氣燃料定量約為2:1的氧化氣氛下，使2.5mt低級(jí)硅(用手挑選以增加硅含量)在高火下熔融3.5小時(shí)；3)在低火下將轉(zhuǎn)鼓爐放液，以傾注液體硅；4)清潔轉(zhuǎn)鼓爐以除去留下的爐渣。注釋低火100scfm的氧氣和50scfm的天然氣高火260scfm的氧氣和130scfm的天然氣1Nm3=38.04scfscfm^在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力下的氣流的立方英尺/分鐘下表2列出了低純度硅材料在根據(jù)本發(fā)明的方法的提純處理之前和之后的化學(xué)分析?？梢郧宄乜闯?，本方法在從硅中除去鋁，鈣，碳和氧雜質(zhì)時(shí)是特別有效的。16表2:在提純處理之前和之后的硅材料的化學(xué)分析無(wú)#必潘之肅必遭之后爿/0.9640.0650.8250.005o0.0030細(xì)0駕o駕尸e0.6030.610她0.0120.0120細(xì)0細(xì)770.0530.0520.0020.002C0.268o細(xì)03.435<0.005本方法的與熔融(即，與燃料消耗量)相關(guān)的成本是合理的，并且不昂貴，氧氣成本比天然氣成本更低對(duì)本方法的成本效益有貢獻(xiàn)。實(shí)施例2使用3500kg的硅材料裝填配備有氧氣-燃料燃燒器的旋轉(zhuǎn)爐。在裝填之前對(duì)硅金屬取樣，并且測(cè)定最初硼含量。然后使硅材料在轉(zhuǎn)鼓爐中以及在氧氣與天然氣燃料的比率約為2:1的氧化氣氛下熔融。當(dāng)硅材料完全熔融時(shí)，取得液體樣品，并且測(cè)定最終的硼含量。在熔融之前和之后的樣品的分析證實(shí)了在根據(jù)本發(fā)明的方法在轉(zhuǎn)鼓爐中熔融和提純之后的液體硅材料中的更低的硼濃度(參見(jiàn)表3)。表3:在提純之前和之后的硅材料的硼含量微虔娜繊微1604623%25542240/03614526%17實(shí)施例3使用3500kg的硅金屬裝填配備有氧氣-燃料燃燒器的旋轉(zhuǎn)爐。在裝填之前對(duì)硅金屬取樣，并且硅金屬具有8.9ppmw的硼含量。然后使硅材料在轉(zhuǎn)鼓爐中以及在氧氣與天然氣燃料的比率約為2:1的氧化氣氛下熔融。當(dāng)硅金屬完全熔融時(shí)，在時(shí)間to取得液體樣品。在更晚的時(shí)間t,，12等從轉(zhuǎn)鼓爐中取得液體硅金屬的另外的樣品。樣品的硼含量的分析表明，液體硅金屬的硼含量隨著時(shí)間降低，即，在加熱液體硅金屬時(shí)液體硅金屬的硼含量降低(參見(jiàn)表4)。該關(guān)系由下列方程給出射t是以分鐘計(jì)的時(shí)間；B0是在時(shí)間to以ppmw計(jì)的硼濃度；B(t)是在時(shí)間t以ppmw計(jì)的硼濃度。表4:加熱的硅材料熔體相對(duì)于時(shí)間的硼含量齡量鵬錄/%/to05.00%434.118%t2803.628%實(shí)施例1至3證明了根據(jù)本發(fā)明的方法在將低純度硅材料(例如，低級(jí)硅如冶金級(jí)硅)提純出鋁(A1)，鈣(Ca)，碳(C)，氧(O)和硼(B)雜質(zhì)以提供較高純度硅材料(例如，提純的冶金級(jí)硅)時(shí)的具體效率，所述較高純度硅材料可以用作用于太陽(yáng)能級(jí)硅和/或電子級(jí)硅的原料。(c)將較高純度硅材料熔體與爐渣分離為了將較高純度硅材料熔體與爐渣分離，可以將熔體傾注到接受容器如模中。如圖6中所示，這可以是通過(guò)使熔融裝置放液而實(shí)現(xiàn)的。例如，可以使用氧槍打開(kāi)轉(zhuǎn)鼓爐10中的開(kāi)關(guān)24(在本實(shí)例中，使用碳基泥漿即碳18糊狀物密封)，并且允許將較高純度硅材料28的熔體傾注到模26中。可以通過(guò)使?fàn)t子旋轉(zhuǎn)控制傾注的熔體的流動(dòng)。(d)在電磁攪拌熔體的同時(shí)，通過(guò)單向凝固進(jìn)一步提純較高純度硅材料的熔體在電磁攪拌熔體的同時(shí)，通過(guò)單向凝固，可以將至此使用本發(fā)明的方法獲得的較高純度硅材料的熔體進(jìn)一步提純出下列元素中的至少一種Al，As，Ba，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，F(xiàn)e，K，La，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Sb，Sc，Sn，Sr，Ti，V，Zn，Zr，O,C禾口B。參考圖7，將較高純度硅材料的熔體傾注到模26中，所述模26具有絕熱底壁30，絕熱側(cè)壁32和開(kāi)口頂部34。然后在使用電磁攪拌器40電磁攪拌熔體的同時(shí)，通過(guò)從模的開(kāi)口頂部向絕熱底壁的單向凝固使熔體凝固?？梢酝ㄟ^(guò)用于將底壁和側(cè)壁絕熱的絕熱類(lèi)型控制單向凝固的速率。還可以通過(guò)控制從模的幵口頂部向絕熱底壁的溫度梯度，控制單向凝固的速率-可以將在模的開(kāi)口頂部的熔體的自由表面置于與冷卻介質(zhì)例如水或空氣接觸之中。根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)熔體部分凝固時(shí)(比方說(shuō)，當(dāng)40至80%的熔體凝固時(shí))停止單向凝固，以產(chǎn)生具有外殼和中心的錠料，所述外殼包含純度高于較高純度硅材料的固體多晶硅36，所述中心包含富集雜質(zhì)的液體硅38。通過(guò)機(jī)械穿孔，熱噴槍等在錠料的外殼中產(chǎn)生開(kāi)口，以使富集雜質(zhì)的液體硅流出，并且留下外殼，從而獲得純度高于較高純度硅材料的固體多晶硅°根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方案，使較高純度硅材料的熔體完全凝固。凝固的固體錠料的第一部分包含比其余部分更少的雜質(zhì)。因此，使用任何適合的方法如切割，將該第一部分與其余部分分離，從而獲得純度高于較高純度硅材料的固體多晶硅36。當(dāng)然，可以使用固體多晶硅作為原料重復(fù)整個(gè)過(guò)程-從在配備有氧氣-燃料燃燒器的轉(zhuǎn)鼓爐中的熔融至將熔體進(jìn)行單向凝固，從而得到更高純度的最終硅材料。以這種方式，可以從冶金級(jí)硅獲得太陽(yáng)能級(jí)硅。鑒于上面的描述，本發(fā)明還涉及較高純度硅材料和二氧化硅煙霧，所19述較高純度硅材料和二氧化硅煙霧通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法使低純度硅材料在配備有氧氣-燃料燃燒器的烙融裝置中熔融而得到。另外，本發(fā)明還涉及本方法的在電磁攪拌較高純度硅材料的熔體的情況下的單向凝固之后得到的固體多晶硅。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供一種轉(zhuǎn)鼓爐用于將較低純度硅材料熔融并且提純，從而獲得較高純度硅材料的用途，所述轉(zhuǎn)鼓爐配備有氧氣-燃料燃燒器。盡管己經(jīng)在此詳細(xì)說(shuō)明并且在附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施方案，但是應(yīng)理解本發(fā)明不限于這些精確的實(shí)施方案，并且在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可以在其中實(shí)現(xiàn)各種變化和修改。權(quán)利要求1.一種用于提純低純度硅材料并且獲得較高純度硅材料的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供配備有氧氣-燃料燃燒器的熔融裝置；和(b)使所述低純度硅材料在所述熔融裝置中熔融，并且獲得較高純度硅材料的熔體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(a)的所述熔融裝置包括轉(zhuǎn)鼓爐。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)所述的使低純度硅材料在所述熔融裝置中熔融是在由所述氧氣-燃料燃燒器提供的氧化氣氛下進(jìn)行的。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述氧化氣氛包括H20，H2，o2，co禾nco2。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括將氧氣與天然氣燃料的比率設(shè)定在1:1至4:1的范圍內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括將氧氣與天然氣燃料的比率設(shè)定在1.5:1至2.85:1的范圍內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中從所述低純度硅材料中除去Na，K，Mg，C，Sr，Ba，Al，Zn，B和C中的至少一種。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括在步驟(b)之前，將所述熔融裝置在其中沒(méi)有所述低純度硅材料的情況下預(yù)熱的步驟。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括使所述低純度硅材料在硅的熔融溫度以上的溫度下熔融。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括使所述低純度硅材料在141(TC至170(TC的范圍內(nèi)的溫度下熔融。11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括在141(TC和150(TC之間的溫度下熔融，以使碳析出到爐渣中，并且降低所述較高純度硅材料的熔體的氧含量。12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括加入合成爐渣。13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(b)的所述熔融包括收集在所述低純度硅材料的所述熔融過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化硅煙霧。14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括以下步驟(C)將所述較高純度硅材料的熔體與爐渣分離。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述分離烙體包括將所述熔體傾注到模中，所述模具有絕熱底壁，絕熱側(cè)壁和開(kāi)口頂部。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述傾注熔體包括使所述熔融裝置放液。17.根據(jù)權(quán)利要求15或16中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟(d)在電磁攪拌所述熔體的同時(shí)，通過(guò)從所述模的所述開(kāi)口頂部向所述絕熱底壁的單向凝固，使所述較高純度硅材料的熔體凝固；(e)控制所述單向凝固的速率；(f)在所述熔體已經(jīng)部分凝固時(shí)，停止所述單向凝固，以產(chǎn)生具有外殼和中心的錠料，所述外殼包含純度高于所述較高純度硅材料的固體多晶硅，所述中心包含富集雜質(zhì)的液體硅；和(g)在所述錠料的所述外殼中產(chǎn)生開(kāi)口以使所述富集雜質(zhì)的液體硅流出，并且留下所述外殼，從而獲得純度高于所述較高純度硅材料的固體多晶硅。18.根據(jù)權(quán)利要求15或16中任一項(xiàng)所述的方法，還包括以下步驟(d)在電磁攪拌所述熔體的同時(shí)，通過(guò)單向凝固使所述較高純度硅材料的熔體凝固，并且獲得固體錠料；(e)控制所述單向凝固的速率；禾口(f)將所述固體錠料的第一部分與其余部分分離，所述第一部分已經(jīng)先于所述其余部分凝固，并且包含比所述其余部分更少的雜質(zhì)，從而獲得純度高于所述較高純度硅材料的固體多晶硅。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中從所述低純度硅材料中除去Al，As，Ba，Bi,Ca，Cd，Co，Cr，F(xiàn)e，K，La，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Sb，Sc，Sn，Sr，Ti，V，Zn，Zr，0,C或B或它們的任何組合。20.轉(zhuǎn)鼓爐用于將較低純度硅材料熔融并且提純，從而獲得較高純度硅材料的用途，所述轉(zhuǎn)鼓爐配備有氧氣-燃料燃燒器。21.—種根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法得到的較高純度硅材料的熔體。22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法得到的二氧化硅煙霧。23.—種根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法得到的固體多晶硅。全文摘要本發(fā)明提供一種用于提純低純度硅材料并且獲得較高純度硅材料的方法和裝置。所述方法包括提供配備有氧氣-燃料燃燒器的熔融裝置，并且使所述低純度硅材料在所述熔融裝置中熔融，以獲得較高純度硅材料的熔體。所述熔融裝置可以包括轉(zhuǎn)鼓爐，并且所述低純度硅材料的所述熔融可以在1410℃至1700℃的范圍內(nèi)的溫度下，在氧化或還原氣氛下進(jìn)行?？梢栽谌廴谶^(guò)程中將合成爐渣加入到熔融的材料中。所述較高純度硅材料的熔體可以通過(guò)傾注到模中與爐渣分離，所述模具有開(kāi)口頂部以及絕熱底壁和側(cè)壁。一旦在所述模中，所述較高純度硅材料的熔體就可以經(jīng)歷受控的單向凝固，以獲得更高純度的固體多晶硅。文檔編號(hào)F27B7/06GK101511731SQ200780033182公開(kāi)日2009年8月19日申請(qǐng)日期2007年9月13日優(yōu)先權(quán)日2006年9月14日發(fā)明者勒內(nèi)·布瓦韋爾,多米尼克·勒布朗申請(qǐng)人:希利貝坎庫(kù)公司