[发明专利]用于提纯低级硅材料的方法和装置

说明书

发明领域

本发明总体上涉及硅的生产。更具体地，本发明涉及一种用于提纯低级硅材料以获得用于光电或电子应用的较高级硅的方法和装置。 

发明背景 

硅(Si)有许多不同的应用，每一种应用有其自身的具体技术规格。 

冶金级硅的世界产量的大部分被转到钢铁和汽车工业，其中它被用作一种至关重要的合金组分。冶金级硅是低纯度硅。典型地，在被称为碳热还原的方法中，通过在约1700℃的温度下在碳(煤，焦炭，石油焦(pet coke))和二氧化硅(SiO₂)之间的反应生产冶金级硅，即纯度为约98％的硅。 

少部分冶金级Si被转移到半导体工业中用于生产Si晶片等。然而，半导体工业需要超高纯度硅，例如，纯度为约99.9999999％(9N)的电子级硅(EG-Si)。必须将冶金级硅提纯以生产这种电子级硅。然而，提纯方法是精巧的，从而导致电子级硅的较高的成本。 

光电(PV)工业需要较高纯度的硅以生产光电池，即太阳能电池。对于在太阳能电池应用中的最佳性能，对硅的纯度要求是： 

硼(B)＜3ppm， 

磷(P)＜10ppm， 

总的金属杂质＜300ppm并且优选＜150ppm。 

尽管光电工业所要求的硅纯度低于半导体工业的硅纯度，但是具有必需的低硼和低磷含量的中间等级的硅，即太阳能级硅(SoG-Si)并不容易商购。目前的一种选择是使用昂贵的超高纯度的电子级硅；这导致了效率接近理论极限，但是价格昂贵的太阳能电池。另一种选择是使用来自半导体工业的电子级硅的较廉价“废料(scrap)”或不合格的供给源。然而，硅芯片生产率的提高已经导致了PV工业可得到的电子级硅的“废料”供给源的减少。此外，半导体和光电工业的平行增长也促使电子级硅的总体供给短缺。 

几种提纯低级硅，即粗硅或冶金级硅的方法在本领域中是已知的。 

美国专利申请2005/0074388描述了一种被用作用于生产电子品质或光电品质的硅的原料的中等纯度硅，以及用于生产这种材料的方法。该方法包括在埋弧电弧炉中通过二氧化硅的碳热还原生产具有低的硼含量的硅。将这样生产的液体硅倒入桶中，通过使用石磨棒注入氧或氯进行精制，置于钟型罩下，并且在注入中性气体的情况下减压处理，然后倒入置于炉中的模中，从而以受控的方式凝固，并且引起杂质在残余液体中的偏析。通过氧注入的液体硅的精制不能在电弧炉中安全地进行。由此，通过氧注入的液体硅的精制程序需要将液体硅从炉子转移到桶中，从而在工艺中增加了额外的实施步骤，因此增加了复杂性。 

美国专利3,871,872和4,534,791描述了使用炉渣处理硅以除去钙(Ca)和铝(Al)杂质。具体地，美国专利3,871,872描述了将包含SiO₂(二氧化硅)，CaO(石灰)，MgO(氧化镁)和Al₂O₃(氧化铝)的炉渣加入到熔融硅金属中，并且美国专利4,534,791描述了使用熔融炉渣对硅进行处理，所述熔融炉渣包含SiO₂(二氧化硅)，CaO(石灰)，MgO(氧化镁)和Al₂O₃(氧化铝)，Na₂O，CaF₂，NaF，SrO，BaO，MgF₂和K₂O。