CN101511731B

CN101511731B - 用于提纯低级硅材料的方法和装置

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Publication number: CN101511731B
Application number: CN2007800331820A
Authority: CN
Inventors: 多米尼克·勒布朗; 勒内·布瓦韦尔
Original assignee: Becancour Silicon Inc
Current assignee: FEILUOSULER SILICON Co Ltd
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: AU2007295860A1; BRPI0716934A2; MX2009002808A; NO20091339L; CA2660386A1; KR20090053807A; UA97488C2; CA2660386C; GEP20115178B; EA200970275A1; JP2010503596A; WO2008031229A1; EA015387B1; EP2074060A4; IL197472A0; EG25136A; ZA200900898B; AU2007295860A2; US20080253955A1; CN101511731A

Abstract

本发明提供一种用于提纯低纯度硅材料并且获得较高纯度硅材料的方法和装置。所述方法包括：提供配备有氧气-燃料燃烧器的熔融装置，并且使所述低纯度硅材料在所述熔融装置中熔融，以获得较高纯度硅材料的熔体。所述熔融装置可以包括转鼓炉，并且所述低纯度硅材料的所述熔融可以在1410℃至1700℃的范围内的温度下，在氧化或还原气氛下进行。可以在熔融过程中将合成炉渣加入到熔融的材料中。所述较高纯度硅材料的熔体可以通过倾注到模中与炉渣分离，所述模具有开口顶部以及绝热底壁和侧壁。一旦在所述模中，所述较高纯度硅材料的熔体就可以经历受控的单向凝固，以获得更高纯度的固体多晶硅。

Description

用于提纯低级硅材料的方法和装置

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。

1991年4月8-12日在葡萄牙里斯本的第十届欧洲光电太阳能会议的会议论文集中出版的Suzuki和Sano的文章“通过熔融硅的熔剂处理从冶金硅中除去硼的热动力学(Thermodynamics for removal of boron frommetallurgical silica by flux treatment of molten silica)”中，研究了通过熔剂或炉渣处理除去硼。已经发现，通过炉渣体系CaO-SiO₂，CaO-MgO-SiO₂，CaO-BaO-SiO₂和CaO-CaF₂-SiO₂的硅的处理，在使用炉渣体系CaO-BaO-SiO₂时，导致了约2.0的最大的硼的分布系数(L_B)，所述硼分布系数被定义为炉渣中的ppmw B和硅中的ppmw B之间的比率。如图1中示出，还发现，硼分布系数随着炉渣的碱度的增加而增加，达到最大值，然后降低。Suzuki和Sano所做的实验是通过以下步骤进行的：将10g硅和10g炉渣置于石墨坩埚中，使该混合物熔融，并且将该混合物保持熔融2小时。炉渣和熔融的硅之间的硼的低分布系数意味着，必须使用大量的炉渣，并且必须重复炉渣处理许多次，以使硼含量从冶金硅的正常硼含量即20-100ppm，降低至太阳能级硅所需的硼含量即低于1ppm。因此，在 Sano和Suzuki的文章中所述的方法既非常昂贵又费时。

对于从硅中除去硼，还提出了依靠低氧化物(suboxides)的汽化的方法。事实上，自1956年Theurer报道其关于硅的区域熔融的研究以来，已知的是，通过使硅在Ar-H₂-H₂O的弱氧化气体混合物流中熔融，可以从硅中提纯出硼-法国专利FR 1469486描述了这种方法。

欧洲专利EP 0756014描述了一种在具有氧气-燃料燃烧器(oxy-fuelburner)的转鼓炉中熔炼铝和含铝残渣以减少产生的废气及其有害内含物的量的方法。

本领域中还已知的是在配备有氧气-燃料燃烧器的转鼓炉中使钢熔融。

然而，从未认真考虑或者实验过在使用氧气-燃料燃烧器的炉子中使硅熔融。

尽管已经在努力开发用于提纯低级或冶金级硅的方法，但是仍然需要用于提纯低级硅或冶金级硅以获得用于光电或电子应用的较高级硅的实用并且有成本效益的方法。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种满足上述要求的用于提纯硅的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种用于提纯低纯度硅材料的方法。所述方法包括以下步骤：

(a)提供配备有氧气-燃料燃烧器的熔融装置；和

(b)使低纯度硅材料在所述熔融装置中熔融，并且获得较高纯度硅材料的熔体。

优选地，步骤(a)的熔融装置包括转鼓炉。

低纯度硅材料在熔融装置中的熔融可以在由氧气-燃料燃烧器提供的氧化气氛下进行。

步骤(b)的熔融可以包括将氧气与天然气燃料的比率设定在1∶1至4∶1的范围内。

步骤(b)的熔融可以包括使所述低纯度硅材料在1410℃至1700℃的范围内的温度下熔融。

步骤(b)的熔融可以包括加入合成炉渣。

步骤(b)的熔融可以包括收集在低纯度硅材料的熔融过程中产生的二氧化硅烟雾。

所述方法还可以包括以下步骤：

(c)将较高纯度硅材料的熔体与炉渣分离。

熔体的分离优选包括将熔体倾注到模中，所述模具有绝热底壁，绝热侧壁和开口顶部。

根据本发明的一个实施方案，所述方法还可以包括以下步骤：

(d)在电磁搅拌熔体的同时，通过从模的开口顶部向绝热底壁的单向凝固，使较高纯度硅材料的熔体凝固；

(e)控制单向凝固的速率；

(f)在所述熔体已经部分凝固时，停止单向凝固，以产生具有外壳和中心的锭料，所述外壳包含纯度高于较高纯度硅材料的固体多晶硅，所述中心包含富集杂质的液体硅；和

(g)在所述锭料的外壳中产生开口以使富集杂质的液体硅流出，并且留下外壳，从而获得纯度高于较高纯度硅材料的固体多晶硅。

根据本发明的另一个实施方案，所述方法还可以包括以下步骤：

(d)在电磁搅拌熔体的同时，通过单向凝固使较高纯度硅材料的熔体凝固，并且获得固体锭料；

(e)控制单向凝固的速率；和

(f)将固体锭料的第一部分与其余部分分离，所述第一部分已经先于所述其余部分凝固，并且具有比其余部分更少的杂质，从而获得纯度高于较高纯度硅材料的固体多晶硅。

根据本发明的另一个方面，提供一种转鼓炉用于将较低纯度硅材料熔融并且提纯，从而获得较高纯度硅材料的用途，所述转鼓炉配备有氧气-燃料燃烧器。

根据本发明的另一个方面，提供一种根据上述方法获得的较高纯度硅材料的熔体。

根据本发明的另一个方面，提供根据上述方法获得的二氧化硅烟雾。

根据本发明的又一个方面，提供一种根据上述方法的实施方案获得的固体多晶硅。

尽管将结合实例性实施方案描述本发明，但是应理解，不意在将本发明的范围限制至这些实施方案。相反，意在覆盖可以被本说明书包括，限制的所有替换，修改和等同物。通过结合附图阅读下面给出的本发明的非限制性说明，本发明的目的，优点和其它特征将变得更加明显，并且更好理解。

附图简述

图1是硼的分布系数随着CaO-CaF₂-SiO₂炉渣体系的CaO/SiO₂比率的图[Suzuki等(1990)-现有技术]。

图2是根据本发明的一个实施方案的配备有氧气-燃料燃烧器的熔融装置的横截面图。

图3是元素硅的焓对温度的图[现有技术]。

图4是火焰温度对燃烧器燃料的氧化剂含量的图。

图5是氧气-燃料燃烧产物分布与氧气-燃料的氧含量的函数的图。

图6是显示根据本发明的一个实施方案将硅材料的熔体从转鼓炉倾注到模中的示意图。

图7是在绝热开口顶部模中，在电磁搅拌的情况下经历单向凝固的硅熔体的示意图。

发明详述

如所提到的，本发明涉及将低级硅材料提纯以获得用于光电或电子应用的较高级硅。

更具体地，根据本发明的一个方面，提供一种用于提纯低纯度硅材料并且获得较高纯度硅材料的方法。该方法主要包括以下步骤：(a)提供配备有氧气-燃料燃烧器的熔融装置；和(b)使低纯度硅材料在所述熔融装置中熔融，并且获得较高纯度硅材料的熔体。这些步骤将在下面进行充分论述。

(a)提供配备有氧气-燃料燃烧器的熔融装置

首先，表述“熔融装置”是指释放热量的任何封闭体，并且包括产生热量的装置，例如炉子。顾名思义，“熔融装置”是可以用于使材料熔融的任何装置。

可以提供配备有氧气-燃料燃烧器的任何适合的熔融装置。图2中所示的一个这样的实例是配备有氧气-燃料燃烧器12的转鼓炉10。有利地，转鼓炉典型地具有可以阻止由高温引起的损害并且可以保持热量的耐熔衬里。适合的熔融装置的其它实例包括配备有提供所需的氧化气氛的另外的氧气-燃料燃烧器的感应炉或电弧炉。

根据图2中所示的实施方案，转鼓炉10具有旋转圆筒体。在转鼓炉10的一端，设置有开口16，所述开口16配置有门14，通过所述门14，可以将低纯度硅材料22装填到转鼓炉10中。材料的装填可以使用装填装置例如输送机带系统进行。在低纯度硅材料的熔融过程中，门14被密闭以防止不需要的空气渗透到转鼓炉10中。氧气-燃料燃烧器12被设置在门14中。氧气-燃料燃烧器12产生延伸到转鼓炉10中的火焰。熔融过程中产生的废气经由被安置在门14内的烟囱17排出。排气罩19用于将废气经由排气管道18收集并且引导至废气收集器20中。

在转鼓炉10旋转的同时，氧气-燃料燃烧器12，烟囱17，排气罩19和排气管道18保持固定。当然，转鼓炉的多种构造是可以的，例如，氧气-燃料燃烧器12可以不被设置在门14内，而可以与转鼓炉10一起旋转。

熔融装置还可以包括放液孔以及用于从其放出熔融材料的放液槽。参考图2的实施方案，在转鼓炉10的与门14相反的另一端，转鼓炉10包括具有两个放液槽24的两个放液孔。放液孔可以用碳糊状物25密闭。

b)使低纯度硅材料熔融并且获得较高纯度硅材料的熔体

使用装填装置，例如输送机带系统，将低纯度硅材料装填到熔融装置，例如转鼓炉中。

低纯度硅材料可以含有下列元素中的任何一种或任何组合：Al，As，Ba，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，Fe，K，La，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Sb，Sc，Sn，Sr，Ti，V，Zn，Zr，O，C和B。它可以是低级硅材料例如冶金级硅，硅粉碎机粉尘，从炉渣中用手挑选的硅，以及含硅的残渣。在硅粉碎机粉尘的情况下，优选将粉尘在装填到炉子中之前进行粒化，以避免在其熔融过程中产生的较高纯度的二氧化硅烟雾由硅粉碎机粉尘引起的爆炸和污染的风险，并且增加燃烧器火焰的传热和硅的回收。这些粒料可以通过在或不在焙烧的情况下将硅粉碎机粉尘与硅酸钠(液体玻璃)，木素溶液，糖浆或糖，石灰或任何其它的粘合物质(树脂)混合而制备。

元素硅在约1410℃熔融。由此，需要很高的温度以使低纯度硅材料熔融。低纯度硅材料的熔融优选在约1410℃至1700℃的范围内的温度下进行。理论上，如图3中示出，使硅熔融并且使其温度达到1500℃所需的能量为88.6kJ/mol(88.6千焦/摩尔)或0.876MWhr/mt(兆瓦·小时/公吨)。为了促进熔融，可以将炉子预热至所需的温度，然后用低纯度硅材料装填。此外，优选使低纯度硅材料在1410℃和1500℃之间的温度下熔融，以使碳析出到炉渣中，并且降低所得到的较高纯度硅材料的熔体的氧含量。

尽管空气-燃料燃烧器(air-fuel burner)理论上能够提供高得足以使硅熔融的火焰温度，但是实际上，在空气-燃料中的大量氮气从火焰中移除了许多能量，并且所达到的最高火焰温度实际上最多是约1200℃。氧气-燃料燃烧器通过将纯氧直接注入到火焰(氧气-燃料)中而代替了空气中的无效氮气。如在图4中可以看出，由氧气-燃料燃烧器提供的最高火焰温度远高于由空气-燃料燃烧器提供的最高火焰温度。氧气-燃料燃烧器的最高火焰温度是采用约2∶1的氧气/天然气流达到的。

通过相应地改变氧气/燃料的比率来提供氧化气氛，本方法可以用于提纯出液体硅中的Ca，Al，Mg，Na，K，Sr，Ba，Zn，C，O和B中的至少一种。

如在发明背景中说明，在本领域中已知的是，通过在Ar-H₂-H₂O的弱氧化气体流中使硅熔融，可以提纯出硅中的硼。因此，为了从低纯度硅材料中除去硼，低纯度硅材料在熔融装置(例如转鼓炉)中的熔融是在氧化气氛下进行的。在本发明中，氧气-燃料燃烧器通过产生的燃烧气体，允许较容易地改变天然气/氧气的比率，以提供从弱氧化性到强氧化性的氧化气氛，所述氧化气氛可以包括H₂O，H₂，O₂，CO和CO₂(参见图5)。实际上，为了提供用于提纯出硅材料中的硼的氧化气氛，可以选择在1∶1至4∶1的范围内，优选在1.5∶1至2.85∶1的范围内的氧气与天然气的混合物，从而还优化火焰温度。使用配备有氧气-燃料燃烧器的转鼓炉提供氧化气氛的安全，可控和较简单的方式还是本发明相对于现有技术的另一个优点。

为了改善低纯度硅材料的提纯，熔体还可以经历炉渣处理。可以将合成炉渣加入到熔体中，以改变熔体的化学性质并且提纯出熔体中的特定元素。在本领域中许多炉渣配方是已知的。例如，可以将包含SiO₂，A1₂O₃，CaO，CaCO₃，Na₂O，Na₂CO₃，CaF，NaF，MgO，MgCO₃，SrO，BaO，MgF₂或K₂O或它们的任意组合的合成炉渣加入到熔融硅中，以从熔体中除去Al，Ba，Ca，K，Mg，Na，Sr，Zn，C或B，或它们的任何组合。

可以采用简化的理论论据评估炉渣提取效率。使用其中在炉渣和硅之间获得平衡的炉渣处理方法提纯出硼的效率由硼的分布系数(L_B)得到，所述硼的分布系数被定义为炉渣中的B浓度和最终硅材料中的B浓度之间的比率：

L_{B} = \frac{{[B]}_{slag}}{{[B]}_{SiMe}}

(方程1)

m_SiMe·[B]^o _SiMe+m_slag·[B]^o _slag＝m_SiMe·[B]_SiMe+m_slag·[B]_slag(方程2)

其中

[B]^o _SiMe≡硅材料的最初硼含量(ppmw)

[B]^o _Slag≡炉渣的最初硼含量(ppmw)

[B]_SiMe≡硅材料的最终硼含量(ppmw)

[B]_Slag≡炉渣的最终硼含量(ppmw)

m_SiMe≡硅的质量(kg)

m_slag≡炉渣的质量(kg)，

并且

ppmw≡按重量计的百万分之几

kg≡千克。

在界面处，在炉渣和硅之间的平衡的建立是快速的。有利地，转鼓炉的旋转运动产生对化学平衡的快速建立有利的新表面。与固定炉子不同，转鼓炉的旋转运动使得熔融的材料的新表面持续暴露于炉渣和氧化气氛下。

通过将方程1代入方程2并且重新整理，确定了经过炉渣处理的硅材料的最终硼含量：

{[B]}_{SiMe} = \frac{m_{SiMe} \cdot {[B]}^{o}_{SiMe} + m_{slag} \cdot {[B]}^{o}_{slag}}{m_{SiMe} + m_{slag} \cdot L_{B}}

(方程3)

使用常规的提纯方法(不包括使用配备有氧气-燃料燃烧器的转鼓炉的提纯方法)以及其中使炉渣和提纯下的硅材料之间达到平衡的炉渣处理，硅材料中的硼含量从10ppmw下降至4.1ppmw：

L_B＝1.7

[B]^o _SiMe＝10ppmw

[B]^o _Slag＝1ppmw

m_SiMe＝5mt

m_slag＝5mt

{[B]}_{SiMe} = \frac{5 mt \cdot 10 ppmw + 5 mt \cdot 1 ppmw}{5 mt + 5 mt \cdot 1.7} = 4.1 ppmw

然而，考虑到被提纯的硅材料的质量，必须使用大量的炉渣，以获得硅材料中的低的硼含量。需要大量的能量使炉渣熔融。另外，熔融的炉渣不能被容易地控制，并且不能被容易地与提纯的熔融硅材料分离。由此，单独使用常规的炉渣处理提纯硅材料没有效率。

为了适合用作太阳能级硅，被处理的硅的硼含量应当少于3ppmw。为了将低纯度硅材料中的硼含量降低至可接受的水平，必须使用具有低硼含量(例如，少于1ppmw的硼含量)的炉渣。

对于太阳能级硅材料中的磷含量，也有严格的要求。如果用于从低纯度硅材料中除去硼的炉渣(例如，硅酸钙基炉渣)含有太多的磷，则在炉渣处理过程中可能增加硅中的磷含量。因此，重要的是使用还具有低磷含量(例如少于4ppmw P的磷含量)的炉渣。

下面是合成炉渣配方的两个实例：

处理1(第一熔体/杂质提取)：

经研磨的石英(SiO₂)： 700kg/mt Si

生石灰(CaO)： 150kg/mt Si

苏打灰(Na₂CO₃→Na₂O+CO₂)： 256kg/mt Si

处理2(第二熔体/杂质提取)：

经研磨的石英(SiO₂)： 800kg/mt Si

苏打灰(Na₂CO₃→Na₂O+CO₂)： 342kg/mt Si

参考显示多种合成炉渣组分的化学组成的表1，由粉碎的石英和苏打灰制成的合成炉渣具有所需的低硼和磷含量。

表1：合成炉渣组分的化学组成

元素	石英 (SiO₂) (ppmw)	生石灰 (CaO) (ppmw)	苏打灰 (Na₂CO₃) (ppmw)
				Al As Ba Bi Ca Cd Co Cr Cu Fe La Mg Mn Mo Na Ni P Pb Sb Sc Sn Sr Ti V Zn Zr B	1046 ＜1 2 2 16 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 55 ＜1 24 ＜1 ＜1 20 ＜1 ＜1 ＜1 7 ＜1 2 ＜1 6 ＜1 2 ＜1 ＜1	2098 8 22 19 668700 ＜1 2 4 12 1432 2 3157 55 ＜1 170 4 37 6 25 2 2 286 125 22 15 20 14	20 ＜1 2 ＜1 66 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 22 ＜1 21 ＜1 ＜1 433800 ＜1 3 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 ＜1 2

使用本发明的方法，当材料经历处理时，可以在低纯度硅材料的熔融过程中产生显著体积的二氧化硅烟雾。这些烟雾提供了高纯度二氧化硅源，并且可以在低纯度硅材料的熔融过程中被回收和收集。

实施例

下列非限制性实施例说明了本发明的步骤(a)至(b)。参考附图，这些实施例和本发明将得到更好的理解。

实施例1

进行根据本发明的方法的实验以提纯低纯度硅材料。

使用转鼓炉，该转鼓炉具有约14 000lbs(1 lbs≡453.6g)的液体铝容量并且配备有氧气-燃料燃烧器，所述氧气-燃料燃烧器燃烧包含天然气和纯氧的燃料，并且提供8 000 000BTU/hr(BTU/hr≡英制热单位/小时)的功率。

所述方法包括以下步骤：

1)将炉子在高火下预热3小时；

2)在氧气与天然气燃料定量约为2∶1的氧化气氛下，使2.5mt低级硅(用手挑选以增加硅含量)在高火下熔融3.5小时；

3)在低火下将转鼓炉放液，以倾注液体硅；

4)清洁转鼓炉以除去留下的炉渣。

注释：

低火：100scfm的氧气和50scfm的天然气

高火：260scfm的氧气和130scfm的天然气

1 Nm³＝38.04scf

scfm≡在标准温度和压力下的气流的立方英尺/分钟

下表2列出了低纯度硅材料在根据本发明的方法的提纯处理之前和之后的化学分析。可以清楚地看出，本方法在从硅中除去铝，钙，碳和氧杂质时是特别有效的。

表2：在提纯处理之前和之后的硅材料的化学分析

元素	处理之前 (％)	处理之后 (％)
			Al Ca Cr Cu Fe Mn Ni Ti V C O	0.964 0.825 0.003 0.006 0.603 0.012 0.001 0.053 0.002 0.268 3.435	0.065 0.005 0.003 0.006 0.610 0.012 0.001 0.052 0.002 0.008 ＜0.005

本方法的与熔融(即，与燃料消耗量)相关的成本是合理的，并且不昂贵，氧气成本比天然气成本更低对本方法的成本效益有贡献。

实施例2

使用3500kg的硅材料装填配备有氧气-燃料燃烧器的旋转炉。在装填之前对硅金属取样，并且测定最初硼含量。然后使硅材料在转鼓炉中以及在氧气与天然气燃料的比率约为2∶1的氧化气氛下熔融。当硅材料完全熔融时，取得液体样品，并且测定最终的硼含量。在熔融之前和之后的样品的分析证实了在根据本发明的方法在转鼓炉中熔融和提纯之后的液体硅材料中的更低的硼浓度(参见表3)。

表3：在提纯之前和之后的硅材料的硼含量

试验	最初硼含量 (ppmw)	最终硼含量 (ppmw)	硼提纯 (％)
				1	60	46	23％
2	55	42	24％
				3	61	45	26％

实施例3

使用3500kg的硅金属装填配备有氧气-燃料燃烧器的旋转炉。在装填之前对硅金属取样，并且硅金属具有8.9ppmw的硼含量。然后使硅材料在转鼓炉中以及在氧气与天然气燃料的比率约为2∶1的氧化气氛下熔融。当硅金属完全熔融时，在时间t₀取得液体样品。在更晚的时间t₁，t₂等从转鼓炉中取得液体硅金属的另外的样品。样品的硼含量的分析表明，液体硅金属的硼含量随着时间降低，即，在加热液体硅金属时液体硅金属的硼含量降低(参见表4)。该关系由下列方程给出：

B(t)＝B₀.e^-0.0041.t

其中：

t是以分钟计的时间；

B₀是在时间t₀以ppmw计的硼浓度；

B(t)是在时间t以ppmw计的硼浓度。

表4：加热的硅材料熔体相对于时间的硼含量

实施例1至3证明了根据本发明的方法在将低纯度硅材料(例如，低级硅如冶金级硅)提纯出铝(Al)，钙(Ca)，碳(C)，氧(O)和硼(B)杂质以提供较高纯度硅材料(例如，提纯的冶金级硅)时的具体效率，所述较高纯度硅材料可以用作用于太阳能级硅和/或电子级硅的原料。

(c)将较高纯度硅材料熔体与炉渣分离

为了将较高纯度硅材料熔体与炉渣分离，可以将熔体倾注到接受容器如模中。如图6中所示，这可以是通过使熔融装置放液而实现的。例如，可以使用氧枪打开转鼓炉10中的开关24(在本实例中，使用碳基泥浆即碳糊状物密封)，并且允许将较高纯度硅材料28的熔体倾注到模26中。可以通过使炉子旋转控制倾注的熔体的流动。

(d)在电磁搅拌熔体的同时，通过单向凝固进一步提纯较高纯度硅材料的熔体

在电磁搅拌熔体的同时，通过单向凝固，可以将至此使用本发明的方法获得的较高纯度硅材料的熔体进一步提纯出下列元素中的至少一种：Al，As，Ba，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Cu，Fe，K，La，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Sb，Sc，Sn，Sr，Ti，V，Zn，Zr，O，C和B。

参考图7，将较高纯度硅材料的熔体倾注到模26中，所述模26具有绝热底壁30，绝热侧壁32和开口顶部34。然后在使用电磁搅拌器40电磁搅拌熔体的同时，通过从模的开口顶部向绝热底壁的单向凝固使熔体凝固。可以通过用于将底壁和侧壁绝热的绝热类型控制单向凝固的速率。还可以通过控制从模的开口顶部向绝热底壁的温度梯度，控制单向凝固的速率-可以将在模的开口顶部的熔体的自由表面置于与冷却介质例如水或空气接触之中。

根据一个实施方案，当熔体部分凝固时(比方说，当40至80％的熔体凝固时)停止单向凝固，以产生具有外壳和中心的锭料，所述外壳包含纯度高于较高纯度硅材料的固体多晶硅36，所述中心包含富集杂质的液体硅38。通过机械穿孔，热喷枪等在锭料的外壳中产生开口，以使富集杂质的液体硅流出，并且留下外壳，从而获得纯度高于较高纯度硅材料的固体多晶硅。

根据另一个实施方案，使较高纯度硅材料的熔体完全凝固。凝固的固体锭料的第一部分包含比其余部分更少的杂质。因此，使用任何适合的方法如切割，将该第一部分与其余部分分离，从而获得纯度高于较高纯度硅材料的固体多晶硅36。

当然，可以使用固体多晶硅作为原料重复整个过程-从在配备有氧气-燃料燃烧器的转鼓炉中的熔融至将熔体进行单向凝固，从而得到更高纯度的最终硅材料。以这种方式，可以从冶金级硅获得太阳能级硅。

鉴于上面的描述，本发明还涉及较高纯度硅材料和二氧化硅烟雾，所述较高纯度硅材料和二氧化硅烟雾通过根据本发明的方法使低纯度硅材料在配备有氧气-燃料燃烧器的熔融装置中熔融而得到。另外，本发明还涉及本方法的在电磁搅拌较高纯度硅材料的熔体的情况下的单向凝固之后得到的固体多晶硅。

根据本发明的另一个方面，还提供一种转鼓炉用于将较低纯度硅材料熔融并且提纯，从而获得较高纯度硅材料的用途，所述转鼓炉配备有氧气-燃料燃烧器。

尽管已经在此详细说明并且在附图中示出了本发明的实施方案，但是应理解本发明不限于这些精确的实施方案，并且在不偏离本发明的范围的情况下，可以在其中实现各种变化和修改。

Claims

1.一种用于提纯低纯度硅材料的方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供配备有氧气-燃料燃烧器的转鼓炉；和

(b)在由所述氧气-燃料燃烧器提供的氧化气氛下并且将氧气与天然气燃料的比率设定在1∶1至4∶1的范围内，使所述低纯度硅材料在所述转鼓炉中熔融，并且获得较高纯度硅材料的熔体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化气氛包括H₂O，H₂，O₂，CO和CO₂。

3.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括：将氧气与天然气燃料的比率设定在1.5∶1至2.85∶1的范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中从所述低纯度硅材料中除去Na，K，Mg，C，Sr，Ba，Al，Zn，B和C中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括：在步骤(b)之前，将所述熔融装置在其中没有所述低纯度硅材料的情况下预热的步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括：使所述低纯度硅材料在硅的熔融温度以上的温度下熔融。

7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括使所述低纯度硅材料在1410℃至1700℃的范围内的温度下熔融。

8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括：在1410℃和1500℃之间的温度下熔融，以使碳析出到炉渣中，并且降低所述较高纯度硅材料的熔体的氧含量。

9.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括加入合成炉渣。

10.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)的所述熔融包括：收集在所述低纯度硅材料的所述熔融过程中产生的二氧化硅烟雾。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

(c)将所述较高纯度硅材料的熔体与炉渣分离。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述将所述较高纯度硅材料的熔体与炉渣分离包括：将所述熔体倾注到模中，所述模具有绝热底壁，绝热侧壁和开口顶部。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述将所述熔体倾注到模中包括：使所述转鼓炉放液。

14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

(d)在电磁搅拌所述较高纯度硅材料的熔体的同时，通过从所述模的所述开口顶部向所述绝热底壁的单向凝固，使所述较高纯度硅材料的熔体凝固；

(e)控制所述单向凝固的速率；

(f)在所述较高纯度硅材料的熔体已经部分凝固时，停止所述单向凝固，以产生具有外壳和中心的锭料，所述外壳包含纯度高于所述较高纯度硅材料的固体多晶硅，所述中心包含富集杂质的液体硅；和

(g)在所述锭料的所述外壳中产生开口以使所述富集杂质的液体硅流出，并且留下所述外壳，从而获得纯度高于所述较高纯度硅材料的固体多晶硅。

15.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

(d)在电磁搅拌所述较高纯度硅材料的熔体的同时，通过单向凝固使所述较高纯度硅材料的熔体凝固，并且获得固体锭料；

(e)控制所述单向凝固的速率；和

(f)将所述固体锭料的第一部分与其余部分分离，所述第一部分已经先于所述其余部分凝固，并且包含比所述其余部分更少的杂质，从而获得纯度高于所述较高纯度硅材料的固体多晶硅。

16.根据权利要求14所述的方法，其中从所述低纯度硅材料中除去Al，As，Ba，Bi，Ca，Cd，Co，Cr，Fe，K，La，Mg，Mn，Mo，Na，Ni，P，Pb，Sb，Sc，Sn，Sr，Ti，V，Zn，Zr，O，C或B或它们的任何组合。