CN103764880A - 利用可消耗电极真空电弧冶炼工艺来精炼类金属 - Google Patents

Abstract

通过CEVAR精炼工艺来精炼预加热的硅电极的形式的类金属诸如硅，该CEVAR精炼工艺在利用低矮CEVAR底部打开式坩埚在CEVAR熔炉系统中熔融预加热的电极之后，通过受控加热和冷却来生产铸块。

Description

利用可消耗电极真空电弧冶炼工艺来精炼类金属

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。

在另一方面，本发明是类金属精炼CEVAR熔炉系统，其包括低矮CEVAR底部打开式坩埚，该低矮CEVAR底部打开式坩埚具有在CEVAR工艺中用以容纳电弧的构件。在毗邻该低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部处提供加热系统，并且该加热系统具有用以提供在该低矮CEVAR底部打开式坩埚中形成的热铸块的受控冷却以预防该铸块冷却时裂解的构件。提供铸块收回驱动系统以等于其在CEVAR精炼工艺的稳态期间的垂直生长速率的速率收回来自坩埚的铸块，以使得该电弧区利该凝固铸块的顶部保持在CEVAR坩埚内。可选地，可以提供坩埚/加热器驱动系统以提起该低矮CEVAR底部打开式坩埚、电极和加热器，该加热器在铸块保持固定时为该热铸块提供温控热环境。

在说明书和随附的权利要求中阐述本发明的上述和其它发面。

附图说明

附图连同说明书和实施例绘示了实践本发明的一个或多个非限制模式。本发明并不限于绘示的布局和附图的内容。

图1是本发明的CEVAR熔炉系统的一个实施例的简化剖视图。

具体实施方式

在CEVAR精炼工艺中自硅电极制造硅铸块的本发明中，初始工艺步骤是预加热用于CEVAR工艺中的硅电极。硅的电阻率随温度的增加而迅速下降，因此，已预加热到足够高的温度的硅电极但保持在低于其熔融温度以使其保持固态（CEVAR熔融工艺的必要条件）时将准许足够的电弧电流通过以允许开始CEVAR工艺。在特定CEVAR熔融工艺中电极所需的预加热温度可由用于特定CEVAR熔融工艺的工艺参数确定的CEVAR工艺电阻率指定。这样的预加热温度将需要至少数百摄氏度。另外，增加电极的预加热温度会减小电极中的初始电压降，因此，其准许使用较低压、较便宜的电源感应器。

电极的预加热可以在CEVAR熔炉的内部或外部完成。例如，在具有真空或惰性气体（受控）氛围的电阻熔炉中的外部加热，随着将在空气中的电极转移到CEVAR熔炉中可造成在电极表面拾取氧气和氮气，这具有增加后续CEVAR铸块中的杂质水准的风险。任选地，可在外部熔炉室与CEVAR熔炉之间提供真空锁闭室以建立受控环境而在转移期间不使电极暴露在空气中。

随着加热的电极在CEVAR熔炉中熔融，CEVAR工艺中的电弧电流的通过可用于维持电极的温度，或者CEVAR熔炉内部的辅助电极加热系统可用于在CEVAR工艺期间维持电极的温度。在任一情形中，在CEVAR熔炉内部围绕电极提供热绝缘利于减少工艺期间所消耗的能量。例如，可以利用碳纤维热绝缘材料至少部分的环绕CEVAR熔炉中的电极。

在本发明中，优选地利用低矮CEVAR坩埚（用于CEVAR熔融中），其具有大约形成于坩埚中的铸块的直径d的范围中的内部高度h；例如，该低矮CEVAR坩埚的内部高度可大于所形成的的硅铸块的直径的60%且小于所形成的硅铸块的直径的120%。可，选地如果该低矮CEVAR坩埚的内部壁的剖面的形状是矩形，则该坩埚的该内部高度是大约在形成于坩埚中的铸块的矩形侧的长度的范围内；例如，该矩形低矮CEVAR坩埚的内部高度可大于所形成的硅铸块的矩形侧的60%且小于所形成的硅铸块的矩形侧的120%。在具有底部封闭式坩埚的惯用CEVAR工艺中，该坩埚的该内部高度将远大于例如美国专利第4,131,754号（Roberts）公开的铸块高度。

除了本文中公开的在CEVAR工艺中使用的硅电极的预加热和低矮CEVAR底部打开式、水冷金属坩埚的使用之外，本发明中所利用的CEVAR精炼工艺通常类似于例如上文公开的背景技术中所阐述的。通常对于本发明，在CEVAR精炼工艺期间，将预加热的硅电极放在该制成气密的CEVAR熔炉内的低矮CEVAR底部打开式坩埚中，并被带至真空或其它可控环境中。在该工艺期间，直流电流（DC电流）流过电极，并且形成于电极下方的熔融物在电极的下部端和该熔融物的顶部之间建立电弧，其中电弧区保持在该低矮CEVAR底部打开式坩埚的高度内，使得热（处于高于室温的温度）凝固铸块退出该低矮CEVAR底部打开式坩埚的底部。如下文进一步所述的，对自该低矮CEVAR底部打开式坩埚退出的该热凝固铸块执行进一步受控冷却，以实质上避免该凝固铸块的裂解。

将自该低矮CEVAR坩埚收回的铸块放入加热系统中，该加热系统在铸块有可能裂解的温度范围中提供受控冷却。该铸块收回速率基本上匹配铸块在稳态操作期间的生长速率，使得该电弧区和该铸块的顶部保持在坩埚内。在本发明的替代配置中，铸块保持固定并且坩埚、电极及坩埚的退出加热器一起升高，以基本上匹配铸块的生长速率。

在本发明的一个实施例的实践中，执行以下工艺步骤：（1）自一块或多块硅形成电极；（2）预加热该电极至使其变得足够具有传导性（具有CEVAR工艺电阻率）以在后续CEVAR工艺步骤中通过电流而没有过量电压降及预防电极裂解的温度（通过实施例而非限制的方式，800和1200摄氏度之间）；（3）通过CEVAR工艺熔融该电极；（4）当铸块处于足够高的温度时，致使所得到的热铸块传递至毗邻于该底部打开式CEVAR坩埚的加热系统以防止裂解；以及（5）控制该加热系统以防止该硅铸块冷却时裂解。

在本发明的代替实施例中，如上文所述的，可以在CEVAR熔炉内或该熔炉外执行上述预加热工艺步骤（2）。

在本发明的代替实施例中，该电极的上述熔融可以包括当执行该熔融步骤时热绝缘该电极的工艺步骤。

图1绘示了本发明的CEVAR熔炉系统10的一个实施例。在电极90和低矮CEVAR底部开口使坩埚12之间形成DC电路，其中导体92和94图解性地绘示了至外部DC电源的连接。电极94（通常是正电位电极）电连接至基地32（或可选地驱动致动器34）。

图1示出了处于中间（稳态）CEVAR熔融工艺的CEVAR熔炉系统10，其中，热凝固铸块96部分形成于该坩埚的内部高度内。该铸块顶部的滩熔融（液体）金属98形成为透过电弧区AZ自预加热的电极90落下的熔化的金属液滴。在毗邻于该低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部提供加热系统，其中该加热系统提供在坩埚中形成的铸块的受控冷却以防止该铸块裂解。该加热系统包括环绕退出该底部打开式坩埚的热铸块的铸块加热器22，以及随着铸块通过该真空加热器时提供温控热环境的铸块加热器控制器24。提供该温控环境，以随着铸块冷却允许进入该铸块的内部的受控传导加热（有时称为热“浸透”）以及来自该铸块的外部表面的受控热辐射，以避免裂解。

图1用虚线图解性绘示了气密CEVAR熔炉室11，其包括用于驱动致动器34的气密性密封，下文对其进一步描述。

可提供铸块收回驱动系统以实质上等于在稳态CEVAR工艺操作期间的垂直生长速率的速率收回凝固的铸块，使得电弧区和该凝固的铸块的顶部保持在坩埚内，或者可选地，当凝固的铸块保持固定时可以提供驱动系统提起该坩埚、电极和铸块加热器。在CEVAR精炼工艺的开始和结束处，该铸块收回速率由于瞬时启动和结束工艺参数而变化。如图1所示，该铸块收回驱动系统可以包括基座32，凝固的铸块的底部坐落于该基底上，以及控制铸块自坩埚沿向下方向收回（下落）的速率的驱动致动器34。基底32可以经配置具有增强与凝固的铸块的底部互锁接触的外形。例如，如图1所示，基底32可以经配置具有与凝固的铸块96的底部的鸡尾榫接面。在凝固的铸块侧壁与低矮CEVAR底部打开式坩埚的内部侧壁接触形成阻力接触是有利的，这是由于驱动致动器34可以抵抗该侧壁阻力将基底与互锁的凝固的铸块一起向下拉。

如在惯用CEVAR熔炉中，提供电极驱动系统（图中没有示出）以在CEVAR精炼工艺期间随着预加热的硅电极的下部端熔融及从该电极滴落而降低该预加热的硅电极。

通过实施例而非限制的方式，在本发明的CEVA精炼工艺中，对于长为200cm和直径为30cm的硅电极以7，000安培DC熔融硅电极，可期望将电极中的初始电压降限制为5伏特DC，这是因为相比于在20伏特至40伏特DC范围内的典型CEVAR工艺电弧电压（CEVAR熔炉内的压力），这是适度值。在该实施例中，惯用计算指示，硅电极将需要预加热至造成电极的2524微欧米-公分（CEVAR工艺电阻率）的硅电阻率的温度。达到该CEVAR工艺电阻率所需的温度将依赖于本发明中的特定应用中使用的硅电极中的杂质的类型和水准，其中该温度随着硅电极的硅纯度的增加而增加。

形成的硅铸块的形状，以及因此该低矮CEVAR底部打开式坩埚的内部形状可以是包括圆柱形或矩形的各种剖面配置，并且具有或不具有向上逐渐减少的内部直径或周长，以随着热的铸块的形成促进铸块向下的运动。

在本发明的一些实施例中，对具有预加热电极的CEVAR熔炉执行连续填装，使得产生的连续铸块是自一连串预加热电极形成。在这些实施例中，可以提供铸块截断装置以随着CEVAR精炼工艺的继续而截断产生的连续铸块以用于移除铸块片段。

在本发明的上述实施例中，在CEVAR中的措辞“真空”是指以一个大气压以下的任何压力水准熔融。

在本发明的其它实施例中，在大气压力下或甚至高于大气压力下在惰性气体氛围中有利地进行熔融，并且硅的该“压力电弧熔融”在本发明的范围之内。

已经据较佳实例和实施例阐述了本发明。除明确陈述的这些内容之外，等效形式、替代形式及修改形式是可能在本发明的范围内。受益于本说明书的教示的本领域技术人员可在不背离本发明的范围的情形下对其作出修改。

Claims (14)

1.在CEVAR精炼工艺中来自硅电极的硅铸块的制造方法，在放置在CEVAR熔炉中的低矮CEVAR底部打开式坩埚中执行所述CEVAR精炼工艺，所述方法包括：

在起始所述CEVAR精炼工艺之前，将所述硅电极加热至低于所述硅电极的熔点的温度，以形成具有CEVAR工艺电阻率的预加热的硅电极；

利用所述CEVAR精炼工艺熔融所述预加热的硅电极，以用于在高温下在所述低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部形成硅铸块；

使所述硅铸块在高温下通过毗邻于所述低矮CEVAR底部打开式坩埚的加热系统；以及

调节加热系统以随着所述硅铸块退出底部打开式坩埚为处于高温的所述硅铸块提供温控热环境，以在不裂解的情况下冷却所述硅铸块。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述预加热的硅电极放置在所述CEVAR熔炉中之前在外部加热室中执行加热所述硅电极，并且在受控环境中完成将所述预加热的硅电极自所述外部加热室中转移至所述CEVAR熔炉中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述硅电极放置在所述CEVAR熔炉内之后执行加热所述硅电极。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，加热所述硅电极进一步包括：将所述硅电极加热至介于800至1200摄氏度的范围内的温度以形成所述预加热的硅电极。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：当利用所述CEVAR精炼工艺熔融所述预加热的硅电极时热绝缘所述预加热的硅电极。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：将辅助加热器放置在所述CEVAR熔炉内以在所述CEVAR精炼工艺期间加热所述预加热的硅电极。

7.用于自硅电极制造精炼的硅铸块的CEVAR熔炉系统，所述CEVAR熔炉系统包括：

硅电极加热装置，用于预加热所述硅电极以形成预加热的硅电极；

气密CEVAR熔炉室；

低矮CEVAR底部打开式坩埚，用于容纳来自CEVAR精炼工艺熔融所述预加热的硅电极的电弧区，所述低矮CEVAR底部打开式熔炉室放置在所述气密CEVAR熔炉室中；

预加热的硅电极驱动系统，用于随着所述预加热的硅电极的下部端在所述CEVAR精炼工艺中熔融，降低所述低矮CEVAR底部打开式坩埚内的所述预加热的硅电极；

铸块加热装置，毗邻于所述低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部放置，在所述CEVAR精炼工艺中形成的所述硅铸块通过所述铸块加热装置；

铸块加热控制器，用于控制所述铸块加热装置以为通过所述铸块加热装置的所述硅铸块提供温控热环境；以及

铸块收回驱动系统，用于可选地以所述硅铸块在所述CEVAR精炼工艺的稳态期间的垂直生长速率从所述低矮CEVAR底部打开式坩埚收回所述硅铸块，或者以所述硅铸块在所述CEVAR精炼工艺的稳态期间的垂直生长速率升高所述低矮CEVAR底部打开式坩埚、所述硅电极和所述铸块加热装置。

8.根据权利要求7所述的CEVAR熔炉系统，其中，所述低矮CEVAR底部打开式坩埚的内部高度是在所述CEVAR精炼工艺中形成的所述硅铸块的直径的至少60%，并且小于120%。

9.根据权利要求7所述的CEVAR熔炉系统，进一步包括：真空锁闭室，所述真空锁闭室连接至所述硅电极加热装置和所述CEVAR熔炉中的所述低矮CEVAR底部打开式坩埚之间，以防止自所述硅电极加热装置转移到所述气密CEVAR熔炉室期间使所述预加热的硅电极暴露到空气中。

10.根据权利要求7所述的CEVAR熔炉系统，进一步包括：辅助电极加热器，放置在所述气密CEVAR熔炉室内以在所述CEVAR精炼工艺期间加热所述预加热的硅电极。

11.根据权利要求7所述的CEVAR熔炉系统，所述铸块收回驱动系统进一步包括：基座和致动器，所述硅铸块的底部坐落于所述基底上，所述致动器连接至所述基底以控制自所述低矮CEVAR底部打开式坩埚收回的所述硅铸块的速率。

12.根据权利要求7所述的CEVAR熔炉系统，所述基底具有用于与所述硅铸块的底部互锁接触的外形。

13.根据权利要求11所述的CEVAR熔炉系统，进一步包括：DC电源，所述DC电源具有连接于所述预加热的硅电极和所述基底或所述驱动致动器之间的第一输出和第二输出。

14.根据权利要求7所述的CEVAR熔炉系统，所述低矮CEVAR底部打开式坩埚具有带有矩形剖面的内部壁，所述低矮CEVAR底部打开式坩埚的内部高度是形成于所述CEVAR精炼工艺的所述硅铸块的矩形侧的长度的至少60%，并且小于120%。

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