CN104204311A - 用于硅的提纯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅的提纯。本发明提供了一种用于提纯硅的方法。所述方法包括从包含铝的熔融溶剂中重结晶起始材料硅，以提供最终经重结晶的硅晶体。所述方法也包括用水性酸溶液洗涤最终经重结晶的硅晶体，以提供最终经酸洗的硅。所述方法也包括定向凝固所述最终经酸洗的硅，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

Description

用于硅的提纯的方法

优先权要求

本申请要求2012年1月26日提交的美国临时专利申请No.61/591,073的优先权的权益，所述申请以全文引用方式并入本文。

背景技术

硅的提纯在许多商业和工业过程中是一个重要步骤。实现从硅经济去除杂质而由此增加硅的纯度是这些过程的优化中的主要目标。然而，从硅分离杂质的有效方法(尤其是大规模)通常难以捉摸且难以使用。

目前通过使用太阳能电池将日光转化为电能的能力而使用太阳能电池作为能源。在这种光伏电池中，硅几乎唯一地用作半导体材料。目前太阳能电池的使用的明显局限性与如下有关：将硅提纯至足够高的级别(例如太阳级)，使得其可用于制造太阳能电池的成本。鉴于目前的能量需求和供应局限性，存在对一种将冶金级(MG)硅(或具有比太阳级更大的杂质的任何其他硅)提纯至足够高的级别，使得其可用于制造太阳能电池的更成本有效的方式的巨大需要。

用于制备提纯硅的数种技术是已知的。这些技术中的大多数基于如下原理操作：当硅从熔融溶液中凝固时，不希望的杂质趋于保持在熔融溶液中。例如，浮区技术可用于制备单晶锭，并在固体材料中使用移动液体区，从而将杂质移动至材料的边缘。在另一例子中，Czochralski技术可用于制备单晶锭，并使用从溶液中缓慢取出的晶种，从而允许形成硅的单晶柱并同时将杂质留在溶液中。在又一例子中，Bridgeman或换热器技术可用于制备多晶锭，并使用温度梯度以引起定向凝固。

硅的结晶为用于去除不希望的杂质的一种方法。在结晶中，将具有杂质的硅溶解于溶剂中，然后使其从溶液中结晶出来，从而形成更纯的硅。尽管结晶可为经济的提纯方式，某些缺点可导致纯度的损失和低效率。例如，在使用金属溶剂(如铝)结晶硅的过程中，有价值的硅材料连同杂质一起留在铝母液中。反复尝试极少地结晶硅可导致成比例增加的硅损失。在另一例子中，硅可能不会干净地从铝中结晶出来，而是首先作为相对较纯的所需材料结晶，然后在那些晶体上形成硅和杂质(如铝)的组合。有时，在试图使来自铝溶液的结晶硅的产率达到最大的情况中该作用可能加重。在其他情况中，硅和铝的体系的本征性质使得在不希望的材料沉积在纯的晶体上之前难以或不可能干净地停止结晶。即使在不希望的材料在硅晶体的表面上结晶之前干净地停止结晶的情况中，当将硅晶体从母液中取出时保持在硅晶体上的熔融母液可凝固，从而导致类似的不利影响。

用于制备用于太阳能电池的硅晶体的各种技术在熔融制造阶段过程中使用坩埚来容纳硅。然而，使用标准坩埚存在数个缺点。不幸地，由于例如当熔融硅凝固时熔融硅的改变的尺寸或形状，因此大多数坩埚在单次使用之后破裂。产生单晶锭的方法可包括使用石英坩埚，所述石英坩埚为昂贵且易碎的材料。产生多晶锭的方法通常使用更大的坩埚，且由于石英的费用，这些坩埚通常由更便宜的材料(如熔融石英或其他耐火材料)制得。尽管由更便宜的材料制得，由熔融二氧化硅或其他耐火材料制得的大坩埚仍然制备昂贵，并通常可能仅使用一次。坩埚的高花费和有限的寿命的组合限制了硅提纯装置和方法的经济效率。

另外，与坩埚接触或最接近坩埚的材料可在凝固时被坩埚或坩埚的涂层污染；在凝固完成之后，可从固体材料上修整掉该不纯材料。通过使材料凝固成更大的形状，可使在过程中暴露于空气或坩埚或其他污染物的材料的表面积达到最小，因此可使通过修整掉由污染物导致不纯的材料而浪费的材料达到最少。在另一例子中，通常具有最高污染物浓度的最后冻结的材料可位于凝固材料的表面处，通常在使用之前也从凝固材料上修整掉这些表面。通过具有更小的表面积/体积比，通过使用更大的形状而使所述浪费的材料达到最少。更大规模的优点促进使用更大的坩埚用于从熔融材料形成锭，尤其是当所得锭的预期用途需要高品质锭时。然而，更大的坩埚的使用可能需要购买更大的炉子，所述更大的炉子可能花费更高。

发明内容

本发明涉及硅的提纯。本发明提供了一种用于提纯硅的方法。所述方法包括从包含铝的熔融溶剂中重结晶起始材料硅，以提供最终经重结晶的硅晶体。所述方法也包括用水性酸溶液洗涤所述最终经重结晶的硅晶体，以提供最终经酸洗的硅。所述方法也包括定向凝固所述最终经酸洗的硅，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

本发明的实施方案包括益处和优点，如对于给定成本，在提纯硅中的更低的杂质量和更一致的杂质浓度。所述方法可以以给定成本提供具有更一致的品质的提纯硅，这可使所述方法的产品比其他方法的产品更有价值。所述方法比其他方法更有效。另一益处可包括制备可用于产生更高品质的产品的提纯硅，所述更高品质的产品比以类似成本制得的其他提纯硅产品更有价值。所述方法的实施方案可以以更低的成本提供优异品质的锭，所述锭可被分成硅块，所述硅块具有比通过其他方法提供的那些总体更高的品质。如果用于制备太阳能电池，衍生自锭的硅块可以以更低的成本制备更有效的太阳能电池。

在再循环结晶步骤中的母液的实施方案中，所述方法可浪费更少的待提纯的硅，并可更有效地利用铝溶剂。对于酸洗步骤，离开过程的溶解的或反应的杂质可作为价值产品销售。在酸洗中，通过提纯步骤再循环水性酸和水可节约材料、降低成本，并可减少废物。通过使用起始于最弱溶解混合物的在酸洗中的溶解的级联步骤，放热化学反应或溶解相比于其他方法可更易于控制。相比于类似的坩埚和方法，坩埚和方法的一些实施方案也可在给定炉子中在单个块批次中制得更多的块。在一个实例中，定向凝固装置的可重用性可有助于使所述方法能够提供提纯硅的更经济有效的方式。定向凝固装置的可重用性可有助于减少废物，并可提供使用更大的坩埚用于定向凝固的更经济的方式。在一些实施方案中，定向凝固和方法总体可受益于规模经济。另外，存在于定向凝固装置的一些实施方案中的加热器提供了一种加热硅、保持硅的温度、控制硅的冷却或它们的组合的便利有效的方式，这可允许精确控制温度梯度和硅的相应的定向凝固。

本发明提供了一种用于提纯硅的方法。所述方法包括从包含铝的熔融溶剂中重结晶起始材料硅，以提供最终经重结晶的硅晶体。所述方法包括用水性酸溶液洗涤所述最终经重结晶的硅晶体，以提供最终经酸洗的硅。所述方法也包括定向凝固所述最终经酸洗的硅，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

在一些实施方案中，用于提纯硅的方法还可包括喷砂或喷冰所述最终经定向凝固的硅晶体，以提供经喷砂或喷冰的最终经定向凝固的硅晶体。所述经喷砂或喷冰的最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度大于所述最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度。

在一些实施方案中，用于提纯硅的方法还可包括去除所述最终经定向凝固的硅晶体的一部分，以提供经修整的最终经定向凝固的硅晶体。所述经修整的最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度大于所述最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，起始材料硅的重结晶可包括使起始材料硅与包含铝的溶剂金属接触。所述接触可足以提供第一混合物。起始材料硅的重结晶也可包括熔化所述第一混合物。所述第一混合物的熔化可足以提供第一熔融混合物。重结晶也可包括冷却所述第一熔融混合物。所述冷却可足以形成最终经重结晶的硅晶体和母液。起始材料硅的重结晶也可包括分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述母液。所述分离可提供最终经重结晶的硅晶体。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，起始材料硅的重结晶可包括使起始材料硅与第一母液接触。所述接触可足以提供第一混合物。重结晶也可包括熔化所述第一混合物。所述熔化可足以提供第一熔融混合物。重结晶也可包括冷却所述第一熔融混合物。所述冷却可足以形成第一硅晶体和第二母液。重结晶可包括分离所述第一硅晶体和所述第二母液。所述分离可提供第一硅晶体。重结晶也可包括使所述第一硅晶体与包含铝的第一溶剂金属接触。所述接触可足以提供第二混合物。重结晶也可包括熔化所述第二混合物。所述熔化可足以提供第二熔融混合物。重结晶也可包括冷却所述第二熔融混合物。所述冷却可足以形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液。起始材料硅的重结晶也可包括分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液。所述分离可提供最终经重结晶的硅晶体。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，起始材料硅的重结晶可包括使起始材料硅与第二母液接触。所述接触可足以提供第一混合物。重结晶可包括熔化所述第一混合物。所述熔化可足以提供第一熔融混合物。重结晶可包括冷却所述第一熔融混合物。所述冷却可形成第一硅晶体和第三母液。重结晶也可包括分离所述第一硅晶体和所述第三母液。所述分离可提供第一硅晶体。重结晶也可包括使所述第一硅晶体与第一母液接触。所述接触可足以提供第二混合物。重结晶也可包括熔化所述第二混合物。所述熔化可足以提供第二熔融混合物。重结晶也可包括冷却所述第二熔融混合物。所述冷却可形成第二硅晶体和第二母液。重结晶可包括分离所述第二硅晶体和所述第二母液。所述分离可提供第二硅晶体。重结晶可包括使所述第二硅晶体与包含铝的第一溶剂金属接触。所述接触可足以提供第三混合物。重结晶可包括熔化所述第三混合物。所述熔化可足以提供第三熔融混合物。重结晶可包括冷却所述第三熔融混合物。所述冷却可形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液。起始材料硅的重结晶也可包括分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液。所述分离可提供最终经重结晶的硅晶体。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经重结晶的硅的洗涤可包括充分组合所述最终经重结晶的硅与酸溶液，以使所述最终经重结晶的硅至少部分与所述酸溶液反应。所述组合可提供第一混合物。所述洗涤也可包括分离所述第一混合物。所述分离可提供最终经酸洗的硅。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经重结晶的硅的洗涤可包括充分组合所述最终经重结晶的硅与酸溶液，以使所述最终经重结晶的硅至少部分与所述酸溶液反应。所述组合可提供第一混合物。所述洗涤可包括分离所述第一混合物。所述分离可提供经酸洗的硅和酸溶液。所述洗涤可包括组合所述经酸洗的硅与冲洗溶液。所述组合可提供第四混合物。所述洗涤可包括分离所述第四混合物。所述分离可提供湿的经提纯的硅和冲洗溶液。所述洗涤可包括干燥所述湿的经提纯的硅。所述干燥可足以提供最终经酸洗的硅。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经重结晶的硅的洗涤可包括充分组合所述最终经重结晶的硅与弱酸溶液，以使第一络合物至少部分与所述弱酸溶液反应。所述组合可提供第一混合物。所述洗涤可包括分离所述第一混合物。所述分离可提供第三硅-铝络合物和弱酸溶液。所述洗涤可包括充分组合所述第三硅-铝络合物与强酸溶液，以使所述第三络合物至少部分与所述强酸溶液反应。所述组合可提供第三混合物。所述洗涤可包括分离所述第三混合物。所述分离可提供第一硅和强酸溶液。所述洗涤可包括组合所述第一硅与第一冲洗溶液。所述组合可提供第四混合物。所述洗涤可包括分离所述第四混合物。所述分离可提供湿的经提纯的硅和第一冲洗溶液。所述洗涤可包括干燥所述湿的经提纯的硅。所述干燥可足以提供最终经酸洗的硅。在一些实施方案中，洗涤的方法还可包括分离所述第一混合物，以提供第二硅-铝络合物和弱酸溶液；充分组合所述第二硅-铝络合物与中等酸溶液，以使所述第二络合物至少部分与所述中等酸溶液反应，从而提供第二混合物；以及分离所述第二混合物，以提供第三硅-铝络合物和中等酸溶液。在一些实施方案中，洗涤的方法还可包括分离所述第四混合物，以提供第二硅和第一冲洗溶液；组合所述第二硅与第二冲洗溶液，以提供第五混合物；以及分离所述第五混合物，以提供湿的硅和第二冲洗溶液。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经重结晶的硅的洗涤可包括充分组合所述最终经重结晶的硅与弱HCl溶液，以使第一络合物至少部分与所述弱HCl溶液反应。所述组合可提供第一混合物。所述洗涤可包括分离所述第一混合物。所述分离可提供第三硅-铝络合物和弱HCl溶液。所述洗涤可包括充分组合所述第三硅-铝络合物与强HCl溶液，以使所述第三络合物至少部分与所述强HCl溶液反应。所述组合可提供第三混合物。所述洗涤可包括分离所述第三混合物。所述分离可提供第一硅和强HCl溶液。所述洗涤可包括组合所述第一硅与第一冲洗溶液。所述组合可提供第四混合物。所述洗涤可包括分离所述第四混合物。所述分离可提供湿的经提纯的硅和第一冲洗溶液。所述洗涤可包括干燥所述湿的经提纯的硅。所述干燥可足以提供最终经酸洗的硅。所述洗涤可包括从弱HCl溶液中去除弱HCl溶液的部分，以保持弱HCl溶液的pH和比重。所述洗涤可包括将强HCl溶液的部分转移至弱HCl溶液，以保持弱HCl溶液的pH、弱HCl溶液的体积、中等HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤可包括将本体HCl溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤可包括将第一冲洗溶液的部分添加至强HCl溶液中，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤也可包括将新鲜的水添加至第二冲洗溶液中，以保持第二冲洗溶液的体积。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经重结晶的硅的洗涤可包括充分组合所述最终经重结晶的硅与弱HCl溶液，以使第一络合物至少部分与所述弱HCl溶液反应。所述组合可提供第一混合物。所述洗涤可包括分离所述第一混合物。所述分离可提供第二硅-铝络合物和弱HCl溶液。所述洗涤可包括充分组合所述第二硅-铝络合物与中等HCl溶液，以使所述第二络合物至少部分与所述中等HCl溶液反应。所述组合可提供第二混合物。所述洗涤可包括分离所述第二混合物。所述分离可提供第三硅-铝络合物和中等HCl溶液。所述洗涤可包括充分组合所述第三硅-铝络合物与强HCl溶液，以使所述第三络合物至少部分与所述强HCl溶液反应。所述组合可提供第三混合物。所述洗涤可包括分离所述第三混合物。所述分离可提供第一硅和强HCl溶液。所述洗涤可包括组合所述第一硅与第一冲洗溶液。所述组合可提供第四混合物。所述洗涤可包括分离所述第四混合物。所述分离可提供第二硅和第一冲洗溶液。所述洗涤可包括组合所述第二硅与第二冲洗溶液。所述组合可提供第五混合物。所述洗涤可包括分离所述第五混合物。所述分离可提供湿的经提纯的硅和第二冲洗溶液。所述洗涤可包括干燥所述湿的经提纯的硅。所述干燥可足以提供最终经酸洗的硅。所述洗涤可包括从弱HCl溶液中去除弱HCl溶液的部分，以保持弱HCl溶液的pH和比重。所述洗涤可包括将中等HCl溶液的部分转移至弱HCl溶液，以保持弱HCl溶液的pH、弱HCl溶液的体积、弱HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤可包括将强HCl溶液的部分转移至中等HCl溶液，以保持中等HCl溶液的pH、中等HCl溶液的体积、中等HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤可包括将本体HCl溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤可包括将第一冲洗溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合。所述洗涤可包括将第二冲洗溶液的部分转移至第一冲洗溶液，以保持第一冲洗溶液的体积。所述洗涤也可包括将新鲜的水添加至第二冲洗溶液中，以保持第二冲洗溶液的体积。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经酸洗的硅的定向凝固包括两个连续定向凝固，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经酸洗的硅的定向凝固包括在坩埚中进行最终经酸洗的硅的定向凝固。所述坩埚可包括用于制备锭的内部。所述坩埚可制得的锭可包括多个块。所述坩埚也可包括与炉子的内部形状大致匹配的外部形状，其中制得熔融材料，所述熔融材料凝固以形成所述锭。在一些实施方案中，所述锭的块可形成网格，其中相比于在方形坩埚中的网格，相对于拐角块的百分比的侧面块或中心块的百分比得以增加。在一些实施方案中，坩埚的周边可包括大约8个主要侧面，其中所述8个侧面包括两组具有大约相等长度的大致相对的第一侧面，和两组具有大约相等长度的大致相对的第二侧面，其中所述第一侧面与所述第二侧面交替。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经酸洗的硅的定向凝固包括在坩埚中进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述坩埚包括用于制备锭的内部。所述坩埚可包括与炉子的内部形状大致匹配的外部形状，其中制得熔融材料，所述熔融材料凝固以形成所述锭。所述锭可包括多个块。包括于锭中的多个块可形成网格。相比于可使用具有方形形状的坩埚从炉子产生的块的数量，与炉子的内部形状匹配的坩埚的外部形状可允许产生更大数量的块。炉子的内部形状可包括大致圆形的形状。坩埚的周边包括大约8个主侧面，其中所述8个侧面包括两组具有大约相等长度的大致相对的长侧，和两组具有大约相等长度的大致相对的短侧。所述长侧与短侧交替。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经酸洗的硅的定向凝固包括在装置中进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述装置包括定向凝固模具。所述定向凝固模具可包括至少一种耐火材料。所述装置可包括外夹套。所述装置可包括绝缘层。所述绝缘层可至少部分设置在所述定向凝固模具与所述外夹套之间。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经酸洗的硅的定向凝固可包括提供定向凝固装置。所述装置可包括定向凝固模具，所述定向凝固模具包括至少一种耐火材料。所述装置可包括外夹套。所述装置也可包括绝缘层，所述绝缘层可至少部分设置在所述定向凝固模具与所述外夹套之间。所述定向凝固可包括至少部分熔化所述最终经酸洗的硅。所述熔化可提供第一熔融硅。所述定向凝固也可包括在所述定向凝固模具中定向凝固所述第一熔融硅。所述定向凝固可提供第二硅。在一些实施方案中，所述定向凝固也可包括将加热器设置于所述定向凝固模具上。所述设置可包括将选自加热元件和感应加热器的一个或多个加热构件设置于所述定向凝固模具上。

在用于提纯硅的方法的一些实施方案中，最终经酸洗的硅的定向凝固可包括提供定向凝固装置。所述装置可包括定向凝固模具。所述定向凝固模具可包括耐火材料。所述定向凝固模具可包括顶层。所述顶层可包括滑移面耐火材料。所述顶层可构造为在从模具中移出经定向凝固的硅时保护所述定向凝固模具的剩余部分免于损坏。所述定向凝固模具可包括外夹套。所述外夹套可包括钢。所述定向凝固模具可包括绝缘层。所述绝缘层可包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的混合物。绝缘层可至少部分设置在所述定向凝固模具的一个或多个侧壁与所述外夹套的一个或多个侧壁之间。所述定向凝固模具的一个或多个侧壁可包括氧化铝。所述定向凝固模具的底部可包括碳化硅、石墨，或它们的组合。所述装置也可包括顶部加热器。所述顶部加热器可包括一个或多个加热构件。所述加热构件中的每一个可包括加热元件或感应加热器。所述加热元件可包括碳化硅、二硅化钼、石墨，或它们的组合。所述顶部加热器可包括绝缘件。所述绝缘件可包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的组合。所述顶部加热器可包括外夹套。所述外夹套可包括不锈钢。所述绝缘件可至少部分设置在一个或多个加热构件与顶部加热器外夹套之间。所述装置可构造为超过两次用于硅的定向凝固。

附图说明

在不必按比例绘制的图中，在数个视图中，相同的数字描述实质上类似的部件。具有不同字母后缀的相同的数字表示实质上类似的部件的不同情况。附图以举例的方式而非限制的方式通常示出了本说明书中所述的各种实施方案。

图1示出了根据一些实施方案的提纯硅的方法的方块流程图。

图2A示出了根据一些实施方案的单程重结晶的方块流程图。

图2B示出了根据一些实施方案的双程重结晶的方块流程图。

图3示出了根据一些实施方案的三程重结晶级联过程的方块流程图。

图4示出了根据一些实施方案的三程重结晶级联过程的图示。

图5示出了根据一些实施方案的三程重结晶级联过程的图示。

图6示出了根据一些实施方案的重结晶级联过程的第一程细节。

图7示出了根据一些实施方案的三程重结晶级联过程的方块流程图。

图8示出了根据一些实施方案的四程重结晶级联过程的图示。

图9显示了根据一些实施方案的酸洗步骤的一般流程图。

图10显示了根据一些实施方案的酸洗步骤的流程图。

图11显示了根据一些实施方案的描述何时在酸洗步骤中去除弱酸溶液的部分的决策树。

图12显示了根据一些实施方案的酸洗步骤的流程图。

图13显示了根据一些实施方案的32块156mm x 156mm坩埚的俯视图。

图14显示了根据一些实施方案的32块156mm x 156mm锭的俯视图。

图15显示了根据一些实施方案的坩埚100的侧视图。

图16示出了根据一些实施方案的用于硅的定向凝固的装置的模具、外夹套和绝缘层的横截面图。

图17示出了根据一些实施方案的用于硅的定向凝固的装置的模具、外夹套和绝缘层的横截面图。

图18示出了根据一些实施方案的用于硅的定向凝固的装置的加热器的横截面图。

图19示出了根据一些实施方案的包括设置于模具顶部的加热器的用于硅的定向凝固的装置的3D投影。

图20示出了根据一些实施方案的用于硅的定向凝固的装置的加热器的等距视图。

图21示出了根据一些实施方案的用于硅的定向凝固的装置的模具的等距视图。

图22示出了根据一些实施方案的通过本发明的装置和方法产生的硅锭。

具体实施方式

现在将详细参照所公开的主题的某些权利要求，所述权利要求的实施例在所附附图中示出。尽管所公开的主题将结合列举的权利要求进行描述，但应了解它们不旨在将所公开的主题局限于那些权利要求。相反，所公开的主题旨在涵盖可包括于由权利要求书限定的目前公开的主题的范围内的替代形式、改变和等同形式。

说明书中提及“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等表示所述实施方案可包括特定特征、结构或特性，但每个实施方案可不必包括所述特定特征、结构或特性。而且，这种短语不必指相同的实施方案。此外，当特定特征、结构或特性结合实施方案描述时，无论是否明确描述，均认为影响与其他实施方案相关的这种特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。

在本文中，除非另外指出，否则术语“一种”用于包括一种或超过一种，术语“或”用于指非排他的“或”。另外，应了解本文所用的不另外限定的的措辞或术语仅为了描述的目的，而不是为了限制的目的。此外，在本文中引用的所有公布、专利和专利文件以全文引用的方式并入本文，如同被单独以引用方式并入一样。如果有在本文和以引用方式并入的那些文件不一致的用法，则应认为被引入的引文中的用法补充本文的用法，对于矛盾的不一致，则本文的用法主导。

在本文描述的制造方法中，步骤可在不偏离本发明的原理下以任何顺序进行，除了当明确叙述事件或操作次序时。权利要求书中大意是首先进行步骤，然后随后进行数个其他步骤的记载应理解为意指第一步骤在任何其他步骤之前进行，但其他步骤可以以任何合适的顺序进行，除非在其他步骤内进一步记载顺序。例如，记载“步骤A、步骤B、步骤C、步骤D和步骤E”的权利要求要素应理解为意指首先进行步骤A，最后进行步骤E，且步骤B、C和D可在步骤A和E之间以任何顺序进行，且顺序仍然落入所要求保护的过程的文字范围内。给定步骤或步骤的子组也可重复，或者与其他步骤同时进行。在另一例子中，记载“步骤A、步骤B、步骤C、步骤D和步骤E”的权利要求要素可理解为意指首先进行步骤A，接着进行步骤B，接着进行步骤C，接着进行步骤D，且最后进行步骤E。

此外，指定步骤可同时进行，除非明确的权利要求语言叙述它们分开进行。例如，进行X的所主张的步骤和进行Y的所主张的步骤可在单次操作内同时进行，且所得方法将落入所主张的方法的文字范围内。

定义

除非上下文明确另外指出，否则单数形式“一种”和“所述”可包括复数的指示对象。

如本文所用，在一些实施例中，应用于诸如“母液”、“晶体”、“熔融混合物”、“混合物”、“冲洗溶液”、“熔融硅”等的其他术语的诸如“第一”、“第二”、“第三”等的术语简单地用作区分步骤的通用术语，且本身不表示步骤的优先次序或步骤的顺序，除非明确指出。例如，在一些实施例中，“第三母液”可为要素，而第一或第二母液可不为所述实施例的要素。在其他实施例中，第一、第二和第三母液均为实施例的要素。

术语“约”可允许数值或范围内的一定程度的变化；例如，所述值或所述范围极限的10％内，5％内或1％内。当给出连续值的范围或列表时，除非另外指出，也公开了在该范围内的任意值或在给定连续值之间的任意值。

本文所用的术语“溶剂”指可溶解固体、液体或气体的液体。溶剂的非限制性的例子为熔融金属、聚硅氧烷(silicone)、有机化合物、水、醇、离子液体和超临界流体。

如本文所用，术语“独立地选自”指所引用的组相同、不同或其混合，除非上下文明确另外指出。因此，在该定义下，短语“X¹、X²和X³独立地选自稀有气体”包括如下情况：其中例如X¹、X²和X³均相同，其中X¹、X²和X³均不同，其中X¹和X²相同但X³不同，以及其他类似的排列。

本文所用的术语“空气”指气体的混合物，其具有与通常在地面从大气中获取的气体的天然组成大约相同的组成。在一些实施例中，空气从周围环境中获取。空气具有包含大约78％的氮气、21％的氧气、1％的氩气和0.04％的二氧化碳以及少量其他气体的组成。

本文所用的术语“室温”指环境温度，其可为例如约15℃和约28℃之间。

如本文所用，“混合物”指彼此物理接触的两种或更多种物质的组合。例如，与化学反应相反，混合物的组分可物理组合。

如本文所用，“熔化”指当物质暴露于充分的热量时由固体转变至液体。

如本文所用，“提纯”指感兴趣的化学物质与外来物质或污染物质物理分离或化学分离。

如本文所用，“接触”指触碰、发生接触或者使物质直接靠近的行为。

如本文所用，“结晶”包括从溶液中形成物质的晶体(结晶材料)的过程。所述过程通过冷却进料流或添加降低所需产物的溶解度的沉淀剂而使其形成晶体，从而将产物通常以极纯净的形式从液体进料流中分离。然后，通过倾析、过滤、离心或其他方法从剩余液体中分离纯的固体晶体。

如本文所用，“结晶”包括在固体中原子的规则几何排列。

如本文所用，“分离”指将物质从另一种物质中去除的过程(例如，将固体或液体从混合物中去除)。所述过程可使用本领域技术人员已知的任何合适的技术，例如，倾析混合物、从混合物中撇除一种或多种液体、离心混合物、从混合物中过滤固体，或者它们的组合。

如本文所用，“母液”意指在从固体在液体中的溶液的混合物中移出固体(例如晶体)之后获得的固体或液体。取决于去除的彻底程度，所述母液可包含不定量的这些固体。

如本文所用，“硅”指符号为Si并且原子序数为14的化学元素。如本文所用，“冶金级硅”或“MG硅”或“MG Si”指相对较纯(例如至少约96.0wt.％)的硅。

如本文所用，“熔融物”指被熔化的物质，其中熔化为将固体物质加热至其转变成液体的点(称为熔点)的过程。

如本文所用，“溶剂金属”指在加热时可有效地溶解硅，从而形成熔融液体的一种或多种金属或其合金。合适的示例性溶剂金属包括例如铜、锡、锌、锑、银、铋、铝、镉、镓、铟、镁、铅、它们的合金，以及它们的组合。

如本文所用，“合金”指两种或更多种元素的均相混合物，所述两种或更多种元素中的至少一种为金属，并且所得材料具有金属性质。所得金属物质通常具有与其组分不同的性质(有时显著不同)。

如本文所用，“液相线”指相图上的线，在所述线以上，给定的物质在液相下稳定。最通常地，所述线表示转变温度。取决于所述物质，液相线可为直线，或者其可为曲线。液相线最常用于二元体系，如固溶体(包括金属合金)。所述液相线可与固相线形成对比。所述液相线和固相线不必对齐或重叠；如果在液相线与固相线之间存在间隙，则在此间隙中，所述物质作为液体或固体均不稳定。

如本文所用，“固相线”指相图上的线，在所述线以下，给定的物质在固相下稳定。最通常地，所述线表示转变温度。取决于所述物质，所述固相线可为直线，或者其可为曲线。固相线最常用于二元体系，如固溶体(包括金属合金)。所述固相线可与液相线形成对比。固相线和液相线不必对齐或重叠。如果在固相线和液相线之间存在间隙，则在此间隙中，所述物质单独作为固体或液体均不稳定；例如，橄榄石(镁橄榄石-铁橄榄石)体系正是这种情况。

如本文所用，“浮渣”指浮在熔融金属浴上的一定量的固体杂质。浮渣通常在低熔点的金属或合金(如锡、铅、锌或铝)熔融时出现，或者通过一种或多种金属的氧化而出现。可例如通过从表面撇除浮渣，从而去除浮渣。对于锡和铅，浮渣也可通过添加氢氧化钠丸粒而去除，所述氢氧化钠丸粒使氧化物溶解并形成熔渣。对于其他金属，可添加盐熔剂以分离浮渣。浮渣与熔渣(熔渣为浮在合金之上的(粘性)液体)的区别在于为固体。

如本文所用，“熔渣”指熔炼矿石以提纯金属的副产物。它们可被认为是金属氧化物的混合物；然而，它们可含有金属硫化物和元素形式的金属原子。熔渣通常被用作金属熔炼中的废物移除机制。在自然界中，金属(如铁、铜、铅、铝及其他金属)的矿石以不纯的状态存在，通常为被氧化的并与其他金属的硅酸盐混合。在熔炼过程中，当矿石暴露于高温时，这些杂质与熔融金属分离，并可被去除。被去除的化合物的集合为熔渣。熔渣也可为通过设计而产生的各种氧化物与其他材料的共混物，例如以提高所述金属的提纯。

如本文所用，“惰性气体”指在正常条件下无反应性的任何气体或气体的组合。惰性气体不必为元素气体，并且通常是分子气体。类似于稀有气体，无反应性的倾向是由于在所有惰性气体中化合价(最外电子层)为完全的。惰性气体可为稀有气体但不必为稀有气体。示例性的惰性气体包括氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)和氮气(N₂)。

如本文所用，“定向凝固”指熔融金属的凝固，使得发生凝固的部分可连续获得进料金属。

如本文所用，“多晶硅”或“多-Si”指包括多个单晶硅晶体的材料。

如本文所用，“单晶硅”指具有几乎没有缺陷或杂质的单一且连续的晶格结构的硅。

如本文所用，“锭”指浇铸材料的块体。在一些例子中，材料的形状允许相对容易地运输锭。例如，被加热超过其熔点并被模制成棒或块的金属被称为锭。

如本文所用，“晶块”指合成制得的单晶锭。例如，在切克劳斯基(Czochralski)或“CZ”法中，使用晶种来产生更大的晶体或锭。将此晶种浸入纯的熔融硅中并缓慢提取。所述熔融硅以结晶的方式在所述晶种上生长。随着晶种被提取，晶体生长，并最终产生大的圆形晶块。

如本文所用，“任选的”指完成或存在，或者未完成或不存在的某事物。例如，任选的步骤为或进行或不进行的步骤。在另一例子中，任选的成分为存在或不存在的成分。

如本文所用，“酸溶液”指含有任意浓度的酸的溶液。

如本文所用，“三氯化铝”指AlCl₃。

如本文所用，“间歇”指不连续制备或使用；在单个操作中制备或使用的某事物。

如本文所用，“料箱”指用于保持、运输、储存或使用材料的容器。料箱无需具有完整固体本体，料箱可具有穿孔或孔穴。

如本文所用，“连续”指非间歇制备或使用、不间断的制造或使用。连续过程无需为无限连续的，但应该在含有该过程的方法操作时为基本上连续的。

如本文所用，“晶体”指具有高度规则结构的固体。晶体可通过元素或分子的凝固而形成。

如本文所用，“第一络合物”、“第二络合物”和“第三络合物”指超过一种事物、特别是材料、化合物或化学元素的组合。络合物可为宏观的，例如，所述术语不要求或禁止分子或原子级的化学元素的组合。络合物可具有不一致的分布。络合物可为合金，或可含有合金。

如本文所用，“溶解化学品”指至少一种溶解化学品，并可指超过一种溶解化学品。溶解化学品可指与至少一种杂质反应、溶解至少一种杂质或它们的组合的化学品。

如本文所用，“干燥”指至少部分去除水，并可指绝大部分水已从其去除的事物。

如本文所用，“挤出”指从孔穴中挤压出或推出，包括通过重力，包括通过由重力所导致的液压力，包括通过由重力所产生的液压或通过其他方式而推出孔穴的固体。

如本文所用，“新鲜水”指还未用于洗涤来自待提纯的材料的杂质或化学品的水。

如本文所用，“头部空间”指在某事物上方的空气的体积，其通常但不必在封闭环境中。

如本文所用，“加热器”指可将热量赋予其他事物的设备。

如本文所用，“待提纯的材料”可为至少一种材料，并可为数种材料，且数种材料可组合成合金、化学化合物、晶体或它们的组合。

如本文所用，“混合物”指组合的两种或更多种事物。所述组合可使得两种事物之间存在紧密接触。

如本文所用，“熔融”指液体，特别是在室温下为固体的材料的液相。

如本文所用，“过氧化物”指具有氧-氧单键的化合物，并包括过氧化氢。

如本文所用，“pH”指溶液的酸度或碱度的量度。其近似溶解的氢离子(例如H⁺)的摩尔浓度的底数为10的对数的负值。

如本文所用，“聚氯化铝”(也缩写为PAC)指式Al_nCl(_3n-m)(OH)_m的化合物。其也可称为碱式氯化铝。

如本文所用，“反应”指与酸溶液或溶解溶液和不纯的硅具有化学反应或在酸溶液或溶解溶液和不纯的硅的环境中具有化学反应，以溶解。

如本文所用，“传感器”指可检测其他事物的特性或性质的设备。

如本文所用，“分离”指从另一事物中至少部分去除一种事物。

如本文所用，“沉降槽”指一种槽，其设计为使固体材料沉降至底部，使得液体可从槽中取出，所述液体相比于其进入槽时含有更少的固体。在一些例子中，沉降槽可为圆锥形，并可在底部具有阀以允许释放固体。

如本文所用，“比重”指相对于水密度的物质密度。比重可指测得的物质密度除以在大约3.98摄氏度和1个大气压下测得的水密度。

如本文所用，“蒸汽”指气态水或水蒸汽。

如本文所用，“槽”指可以但不必在顶部开放的容器。

如本文所用，“阀”指允许或停止事物流动通过其他事物的设备。

如本文所用，“块”指可为任意形状的锭的一片。通常，块为方形。

如本文所用，“侧面块”指与锭的周边共用一个侧面的块。

如本文所用，“中心块”指不与锭的周边共用一个侧面的块。

如本文所用，“拐角块”指与锭的周边共用两个侧面的块。

如本文所用，“涂层”指覆盖另一材料的至少部分的材料的层，其中所述层可与其覆盖的材料一样厚、更厚或更薄。

如本文所用，“埋头(counter-sunk)”指安装螺丝钉、螺栓或类似硬件的一种方式，其中使具有更宽圆周的第二圆锥形或半圆锥形孔穴更接近于大致在材料中的具有特定圆周的主圆柱形孔穴以上的材料的表面，使得硬件不突出至其安装的表面以上，或者使得相比于不存在第二孔穴，硬件更少地突出至其安装的表面以上。

如本文所用，“锁口(counter-bored)”指安装螺丝钉、螺栓或类似硬件的一种方式，其中使具有更宽圆周的第二圆柱形孔穴更接近于大致在材料中的具有特定圆周的主圆柱形孔穴以上的材料的表面，使得硬件不突出至其安装的表面以上，或者使得相比于不存在第二孔穴，硬件更少地突出至其安装的表面以上。

如本文所用，“坩埚”指可容纳熔融材料、可在材料熔化而变得熔融时容纳材料，以及可在材料凝固或结晶时容纳熔融材料，或它们的组合的容器。

如本文所用，“曲线”指大致弯曲或遵循大致弧状形状，且无需为完全弯曲的表面。在估计表面是否弯曲时，考虑平均值，从而如果总体上表面遵循大致弧形，则在一些部分(包括一个部分)、数个部分或所有部分中遵循一个或多个直线的表面可为弯曲表面。

如本文所用，“网格”指至少两个块，所述块的边缘的图案通常形成规则间隔的水平和垂直线条的图案。

如本文所用，“内角”指在两个表面之间形成的角度，所述角度为两个角度的更小的角度。

如本文所用，“平直侧面”指大致直线、总体最小弯曲，且无需完全平直的侧面。在估计直线度时，考虑平均值，使得如果总体上侧面沿着大致直线，则略微反复弯曲数次的侧面可为平直侧面。

如本文所用，“炉子”指具有用于加热材料的隔室的机器、设备、装置或其他结构。

如本文所用，“炉子容量”指炉子的隔室的体积。

如本文所用，“周边”指物体或形状的外边缘。

如本文所用，“圆形”指不具有尖锐拐角的形状，例如不具有90度拐角的形状。圆形形状可为圆形或椭圆形。圆形形状可包括边缘修圆的方形形状。

如本文所用，“导管”指通过材料的管形孔穴，其中材料不必为管形。例如，通过一块材料的孔穴为导管。孔穴可具有比直径更大的长度。导管可通过在材料中包入管(包括管道)而形成。

如本文所用，“定向凝固”指使材料结晶，其在大约一个位置开始，在大约线性方向上(例如竖直、水平，或垂直于表面)进行，并在大约另一位置结束。如在该定义中所用，位置可为点、面或弯曲面，包括环形或碗形。

如本文所用，“风扇”指可移动空气的任意设备或装置。

如本文所用，“加热元件”指产生热量的一片材料。在一些实施方案中，当使电流流动通过该材料时，加热元件可产生热量。

如本文所用，“感应加热器”指经由在材料中诱导电流而将热量添加至所述材料的加热器。通常，通过使交流电行进通过临近待加热的材料的金属线圈而产生这种电流。

如本文所用，“熔化”指发生从固体至液体，或至熔融材料的相变。

如本文所用，“油”指在环境温度下为液体、疏水性的，且具有300℃以上的沸点的物质。油的例子包括但不限于植物油和石油。

如本文所用，“耐火材料”指在高温下化学和物理稳定的材料。耐火材料的例子包括但不限于氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或它们的组合。

如本文所用，“热表面耐火材料”指耐火材料。

如本文所用，“传导耐火材料”指可导热的耐火材料。

如本文所用，“一个侧面”或“多个侧面”指一个或多个侧面，除非另外指出，相比于物体的一个或多个顶部或底部，其指物体的一个或多个侧面。

如本文所用，“硅”指元素Si，并可指任意纯度程度的Si，但通常指至少50重量％纯，优选75重量％纯，更优选85重量％纯，更优选90重量％纯，更优选95重量％纯，甚至更优选99重量％纯的硅。

如本文所用，“滑移面耐火材料”指减小摩擦并减小固体硅与定向凝固模具之间的粘着的耐火材料。

如本文所用，“管”指中空管道形材料。管通常具有大致匹配其外部形状的内部形状。管的内部形状可为任何合适的形状，包括圆形、方形，或具有任意数量的侧面的形状，包括非对称形状。

如本文所用，“重结晶”指将不纯的材料溶解于溶剂中，并将材料结晶出溶剂，使得结晶出溶剂的材料具有比溶解于溶剂中的不纯的材料更高的纯度的过程。

用于提纯硅的方法

本发明涉及硅的提纯。本发明提供了一种用于提纯硅的方法。参照图1，显示了方块流程图5，其给出了本发明的硅提纯的方法的一般概观。所述方法包括从包含铝的熔融溶剂中重结晶15起始材料硅10，以提供最终经重结晶的硅晶体20。所述方法也包括用水性酸溶液洗涤25最终经重结晶的硅晶体20，以提供最终经酸洗的硅30。所述方法也包括定向凝固35最终经酸洗的硅30，以提供最终经定向凝固的硅晶体40。

重结晶

提纯硅的方法包括从包含铝的熔融溶剂中重结晶起始材料硅，以提供最终经重结晶的硅晶体。重结晶可为任何合适的重结晶过程，其中重结晶溶剂包含铝，以提供比起始材料硅更纯的最终经重结晶的硅晶体。在一些实施方案中，可进行单次重结晶以将起始材料硅转化为最终经重结晶的硅晶体。在其他实施方案中，在提供最终经重结晶的硅晶体之前可将起始材料硅多次重结晶。在一些实施方案中，铝溶剂可为纯的，或可包含杂质。铝中的杂质可为硅或其他杂质。在具有多次重结晶的实施方案中，重结晶可为级联过程，其中铝溶剂可向后再循环通过过程，使得第一重结晶使用最不纯的铝作为重结晶溶剂，且最后重结晶使用最纯的铝作为重结晶溶剂。当硅晶体向前移动通过级联过程时，它们从更纯的溶剂金属中重结晶。通过再循环铝溶剂，浪费达到最小。由于溶剂中和被重结晶的材料中的杂质的量可不利地影响产品的纯度，因此使用最纯的铝溶剂用于最后重结晶有助于使最终经重结晶的硅晶体的纯度达到最大。合适的重结晶的一些例子可见于以全文引用方式并入本文的美国专利申请系列号12/729,561。

参照图2A，显示了根据一些实施方案的重结晶硅的方法的方块流程图60。起始材料硅的重结晶可包括使起始材料硅102与包含铝的溶剂金属126接触106。所述接触可足以提供第一混合物108。所述方法可包括熔化110所述第一混合物。所述熔化110可足以提供第一熔融混合物112。所述方法可包括冷却所述第一熔融混合物。所述冷却可足以形成最终经重结晶的硅晶体132和母液126。所述方法可包括分离114最终经重结晶的硅晶体132和母液126。所述分离可提供最终经重结晶的硅晶体132。

参照图2B，显示了根据一些实施方案的重结晶硅的方法的方块流程图70。起始材料硅的重结晶可包括使起始材料硅102与第一母液122接触106。所述接触106可足以提供第一混合物108。所述方法可包括熔化110所述第一混合物。所述熔化可足以提供第一熔融混合物112。所述方法可包括冷却所述第一熔融混合物。所述冷却可足以形成第一硅晶体120和第二母液104。所述方法可包括分离114所述第一硅晶体120和所述第二母液104。所述分离可提供第一硅晶体120。所述方法可包括使所述第一硅晶体120与包含铝的第一溶剂金属126接触106。所述接触106可足以提供第二混合物138。所述方法可包括熔化110所述第二混合物138。所述熔化110可足以提供第二熔融混合物140。所述方法可包括冷却所述第二熔融混合物。所述冷却可足以形成最终经重结晶的硅晶体132和第一母液122。所述方法也可包括分离114所述最终经重结晶的硅晶体132和所述第一母液122，以提供最终经重结晶的硅晶体。应了解，当本文有关三程或更大重结晶级联及其变化的可适用的所有讨论也适于单程重结晶实施方案(如图2A中所示的实施方案)时，本文有关三程或更大重结晶级联及其变化的所有讨论也适于双程重结晶级联实施方案(如图2B中所示的实施方案)。

在一个实施方案中，起始材料硅的重结晶可包括使起始材料硅与第二母液接触。所述接触可足以提供第一混合物。所述方法可包括熔化所述第一混合物。所述熔化可足以提供第一熔融混合物。所述方法可包括冷却所述第一熔融混合物，以形成第一硅晶体和第三母液。所述方法可包括分离所述第一硅晶体和所述第三母液。所述分离可提供第一硅晶体。所述方法可包括使所述第一硅晶体与第一母液接触。所述接触可足以提供第二混合物。所述方法可包括熔化所述第二混合物。所述方法可足以提供第二熔融混合物。所述方法可包括冷却所述第二熔融混合物，以形成第二硅晶体和第二母液。所述方法可包括分离所述第二硅晶体和所述第二母液。所述分离可提供第二硅晶体。所述方法可包括使所述第二硅晶体与包含铝的第一溶剂金属接触。所述接触可足以提供第三混合物。所述方法可包括熔化所述第三混合物。所述熔化可足以提供第三熔融混合物。所述方法可包括冷却所述第三熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液。所述方法可包括分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

参照图3、6和7，显示了根据一些实施方案的使用级联过程重结晶硅的方法的方块流程图100。起始材料硅102(例如第一硅)可接触106包含铝的溶剂金属(如第二母液104)，以形成第一混合物108。可熔化110第一混合物108，以形成第一熔融混合物112。可随后将第一熔融混合物112冷却并分离114成第一硅晶体120和母液(如第三母液116)。可随后从过程中取出并销售118第三母液116以用于其他工业中，或者可将第三母液116的全部或一部分与第二母液104一起再循环144回。第三母液116具有价值的工业的一个例子为用于铸件的铝硅合金的铝铸造工业。

在一些实施方案中，原料或冶金级硅(例如起始材料硅)可包含例如小于约15ppmw的硼，小于约10ppmw的硼，或小于约6ppmw的硼。溶剂金属可为铝。所述铝可为P1020铝，并包含小于约1.0ppmw，小于约0.6ppmw，或小于约0.4ppmw的硼水平。

硅或硅晶体与母液或溶剂金属的接触可以以本领域技术人员已知的任何合适的方式进行。接触的方式可包括将硅或硅晶体添加至母液，也可包括将母液添加至硅或硅晶体。避免喷溅或避免材料损失的添加方法由预期的接触方式涵盖。可在搅拌或搅动的情况下或不在搅拌或搅动的情况下进行接触。接触可产生搅动。接触可设计为产生搅动。可在加热的情况下或不在加热的情况下进行接触。接触可产生热量，可为吸热的，或可不产生热量或热量损失。

任选的搅拌或搅动可以以本领域技术人员已知的任何合适的方式进行。搅拌可包括使用桨叶或其他搅拌设备的机械搅拌。搅动可包括通过气体的注入和鼓泡进行搅动，也可包括容器的物理搅动，包括打旋或摇动。将一种材料添加至另一材料可导致搅动，并可设计添加的方式以产生搅动。将液体注入另一液体也可产生搅动。

硅或硅晶体的混合物在母液或溶剂金属中的熔化可以以本领域技术人员已知的任何合适的方式进行。熔化的方式可包括通过任何合适的方法将热量添加至混合物，以引起硅或硅晶体的所需熔化。在获得熔融混合物之后，可继续加热。熔化的方式可在搅动的情况下或不在搅动的情况下进行。熔化的方式也可包括由于暴露于在足够高的温度下(例如在硅或硅晶体的熔点处或熔点以上的温度下)的母液或溶剂金属而产生的硅或硅晶体熔化；因此，使硅或硅晶体与母液或溶剂金属接触以产生混合物可与熔化硅或硅晶体的混合物以提供熔融混合物的步骤组合。混合物的熔化温度可为不一致的或可变的，随着熔融材料的组成改变而改变。

将热量添加至混合物的方法包括本领域技术人员已知的任何合适的方法。这些方法包括例如，使用炉子加热或者通过将热气体注入混合物中来加热，或者使用由燃烧气体所产生的火焰来加热。可使用感应加热。加热的方法可为辐射加热。加热方法可利用待加热的材料的导电。还包括使用等离子体来加热、使用放热化学反应来加热或者使用地热能来加热。取决于硅的杂质和母液的含量，硅或硅晶体与母液或溶剂金属的混合可产生热量或吸收热量，这在一些实施方案中可能导致对有利的热源的相应调整。

任选地，在冷却之前可将气体注入熔融混合物中，包括氯气、其他卤素气体或含卤素气体，或者任何合适的气体。熔融混合物的冷却可以以本领域技术人员已知的任何合适的方式进行。包括通过移除热源来冷却，其包括通过暴露于室温或暴露于熔融混合物的温度以下的温度而进行冷却。包括通过倒入非炉子的容器，并允许在炉温以下的温度下冷却，从而进行冷却。在一些实施方案中，所述冷却可为迅速的；然而，在其他实施方案中，所述冷却可为逐渐的，因此，可能有利的是将冷却中的熔融混合物暴露于冷源，所述冷源仅递增地低于熔融混合物的当前温度。当冷却熔融混合物时，可逐渐降低冷源的温度，并且在一些情况中，这可通过在冷却熔融混合物时灵敏监测或常规监测所述熔融混合物的温度而实现。可通过尽可能慢地冷却混合物而改进所得结晶硅的纯度，因此，可预期本发明涵盖了所有合适的逐渐冷却方式。还包括更快速的冷却方法，包括冷冻机制。包括将容纳熔融材料的容器暴露于更冷的材料，所述更冷的材料例如比熔融混合物更冷的液体(如水)，或者例如另一熔融金属，或者例如气体(包括环境空气或冷冻空气)。包括将更冷的材料添加至熔融混合物中，如添加另一种更冷的母液，或者添加更冷的溶剂金属，或者添加另一种更冷的材料，所述另一种更冷的材料可在之后从所述混合物中移出或者可留在所述混合物中。

可预期将得自熔融混合物的冷却和随后的硅晶体和母液的分离的母液任选地再循环至过程中的任何先前步骤。当发生硅从母液中结晶时，通常至少一定量的硅将连同杂质一起保持溶解于母液中，其中希望所述杂质保持溶解于所述母液中。将熔融混合物冷却至所有或大多数的硅为晶体的点在一些情况中是不可能的，或者可不利地影响所得硅晶体的纯度，或者可为低效的。在一些实施方案中，通过仅允许少于全部的硅或少于多数的硅从熔融混合物中结晶出来而制得的硅晶体的纯度可得以显著改进或得以至少部分改进。相比于组合热母液和先前步骤中的母液，或者相比于再利用热母液，加热和熔化溶剂金属所需的能量可能是经济上低效的。相比于不将母液冷却至这种低温并接受较低的硅晶体收率但随后再循环所述母液，将熔融混合物冷却至一定温度以获得一定产率的硅晶体所需的能量可能是低效的。

可预期，本发明的一些实施方案涵盖了将所需材料和不需要的材料有利地留在母液中；因此，在一些实施方案中，将再循环母液以在同一结晶步骤中或在之前的结晶步骤中再次使用有时是有用的特征。通过再循环母液，仍然存在于母液的混合物中的硅得以保存，并且相比于简单地抛弃所述母液或将所述母液作为副产品销售，浪费更少。在一些实施方案中，相比于母液不具有经再循环的母液，或者甚至相比于发生结晶的溶剂为纯溶剂金属，通过使用经再循环的母液，或者通过使用其中具有一些经再循环的母液的母液，可能获得相同纯度程度或几乎相同纯度程度的硅晶体。因此，母液再循环的所有程度及其变体被涵盖于本发明的范围内。

母液与硅固体的分离可通过本领域技术人员已知的任何合适方法来进行。本文描述的方法的实施方案涵盖了从所需固体排出或抽出液体溶剂的任何变体。这些方法包括倾析，或者从所需固体倒出母液。对于倾析，可通过重力，通过固体与自身的粘附或与容器侧面的粘附，通过使用选择性保留固体的格栅或网状分隔物，或者通过将物理压力施加至固体以使其留在适当位置，从而将所需固体保留在适当位置。分离方法包括离心分离。也包括过滤，所述过滤使用任何过滤介质，使用或不使用真空，并且使用或不使用压力。也包括化学方法，如溶解或溶剂的化学转换，包括使用酸或碱。

参照图3和7，第一硅晶体120可随后任选地与第一母液122接触106，以形成第二混合物138。第二混合物138可任选地熔化，以形成第二熔融混合物140。可将所述第二熔融混合物任选地冷却并分离114成第二硅晶体124和第二母液104。可随后将所述第二母液104导回136至所述过程中以接触起始材料硅102，或者可将所述第二母液104的全部或一部分再循环142回所述第一母液122。从接触所述第一硅晶体到获得第二硅晶体的步骤是任选的，因为这些步骤可被跳过，或者这些步骤可进行多次(例如1次、2次、3次、4次等)。如果不进行121这些步骤，则结晶可为双程过程，且第一硅晶体120随后与第一溶剂金属126接触。

在另一实施方案中，进行从接触所述第一硅晶体到获得第二硅晶体的步骤。在这些实施方案中，不进行步骤121。因此，在将所述第一熔融混合物112冷却并分离114成第一硅晶体120和第三母液116之后，所述第一硅晶体120可随后与第一母液122接触106，以形成第二混合物138。第二混合物138可熔化，以形成第二熔融混合物140。可将所述第二熔融混合物冷却并分离114成第二硅晶体124和第二母液104。可随后将所述第二母液104导回136至所述过程中以接触起始材料硅102，或者可将所述第二母液104的全部或一部分再循环142回所述第一母液122。

在另一实施方案中，独立地进行或不进行从接触所述第一硅晶体到获得第二硅晶体的步骤。因此，在将所述第一熔融混合物112冷却并分离114成第一硅晶体120和第三母液116之后，所述第一硅晶体120可随后任选地与第一母液122接触106，以形成第二混合物138，或者可选择地，所述第一硅晶体120可随后与第一母液122接触106，以形成第二混合物138。所述第二混合物138可任选地熔化以形成第二熔融混合物140，或者可选择地，所述第二混合物138可熔化以形成第二熔融混合物140。可任选地将所述第二熔融混合物冷却并分离114成第二硅晶体124和第二母液104，或者可选择地，可将所述第二熔融混合物冷却并分离114成第二硅晶体124和第二母液104。可随后将所述第二母液104导回136至所述过程中以接触起始材料硅102，或者可将所述第二母液104的全部或一部分再循环142回所述第一母液122。

第二硅晶体124可与第一溶剂金属126接触，以形成第三混合物128。第三混合物128可熔化110，以形成第三熔融混合物130。可随后将所述第三熔融混合物130冷却并分离114成最终经重结晶的硅晶体(例如第三硅晶体)132和第一母液122。可随后将所述第一母液122的全部或一部分导回134至所述过程中，以接触所述第一硅晶体120。可将所述第一母液122的全部或一部分再循环123回所述第一溶剂金属126。在本发明的一些实施方案中，将母液122的全部或部分间歇或连续地再循环123回所述第一溶剂金属126中可导致要素(element)126包含由于被母液稀释而达不到完全纯净的溶剂金属；母液的再循环步骤的所有变体包括于本发明的范围内。可选择地或另外地，可将所述第一母液的全部或一部分再循环135回所述第二母液。

在一些实施方案中，不进行从接触所述第一硅晶体到获得第二硅晶体的步骤。因此，在将所述第一熔融混合物112冷却并分离114成第一硅晶体120和第三母液116之后，所述第一硅晶体120可121与第一溶剂金属126接触106，以形成第三混合物128。第三混合物128可熔化110，以形成第三熔融混合物130。可随后将所述第三熔融混合物130冷却并分离114成最终经重结晶的硅晶体132和第一母液122。可随后将所述第一母液122导回134至所述过程中，以接触所述第一硅晶体120。可将所述第一母液122的全部或一部分再循环123回所述第一母液。

产生第一硅晶体120可称为第一程。形成第二硅晶体124可称为第二程。类似地，形成最终经重结晶的硅晶体132的所述方法的部分可称为第三程。在本发明的方法中，所预期的程数不受限制。

为了更有效地使用母液，可通过增加从母液实现结晶的次数，通过增加从所述母液回收的硅的量，或者通过增加进入所述过程中的下一程之前的硅晶体的产率，从而进行重复进程，并且在本发明的方法中所预期的一程的重复次数不受限制。如果进行一个重复进程，则在重复该进程时可全部或部分地再使用各自的母液。重复进程可连续进行或并列进行。如果重复进程连续进行，则所述进程可在单个容器中进行，或者所述进程可连续地在数个容器中进行。如果重复进程并列进行，则可使用数个容器，从而允许数个结晶并列地发生。术语“连续”和“并列”不旨在严格限制进行步骤的次序，而是旨在大致地描述每次进行一个步骤，或几乎同时进行多个步骤。

重复进程(例如第一程、第二程、第三程或任何程的重复)可更有效地利用数个具有递减纯度的母液，包括通过在一程中再使用母液的全部或部分。为了使已有的母液更纯，一种方法可为将另外的溶剂金属(所述另外的溶剂金属比母液更纯)添加至母液。将另一种更纯的母液(如源自例如所述过程中之后的结晶步骤的母液)添加至母液中可为另一种增加母液纯度的方法。已在特定进程中使用的母液的部分或全部也可被抛弃，或者在之前的进程中使用，或者在同一进程的之前的重复中使用。

进程的重复和相应的母液的再使用的一个可能的原因可为，对于整个过程的部分或全部，使级联步骤的质量平衡。可将合适纯度的硅添加至级联的任何阶段，并且可与来自先前进程的硅一起加入，或者不与来自先前进程的硅一起加入，如步骤的重复那样，这样做的一个可能原因可为使级联步骤的质量平衡部分地或完全地守恒。

在重复进程中，母液可全部再使用，而不对所述母液的纯度进行任何提高。可选择地，可通过使用更纯的溶剂金属或来自后续步骤的母液来提高母液的纯度，从而在重复进程中部分地再使用具有提高的纯度的母液。例如，可使用两个不同的容器并列地重复第一程，其中母液朝向所述过程的起点从所述进程的第一次操作流动至所述进程的第一次重复，在所述进程的第一次操作和所述进程的重复操作中均添加硅，并且从所述进程的第一次操作和所述进程的重复中均移出硅以继续送至后续的进程。在另一实施例中，可使用两个不同的容器并列地重复第一程，其中母液中的部分朝向所述过程的起点从所述进程的第一次操作流动至所述进程的第一次重复，且母液的另一部分朝向所述过程的起点流动至先前的步骤而不在所述进程的重复中再使用，在所述进程的第一次操作和所述进程的重复操作中均加入硅，并且从所述进程的第一次操作和所述进程的重复中均移出硅以继续送至后续的进程。

另外，可使用一个容器连续地重复第一程，其中在第一结晶和分离之后，保留来自所述进程的所用母液中的部分以再使用，并添加来自之后进程的一些母液，并且在所述重复的进程中使用另外的硅进行另一结晶。在重复之后，可将母液完全移动至另一先前步骤。可选择地，在重复之后，可将母液中的仅部分移动至另一个先前步骤，并保留母液的其余部分以在进程中再使用。可将母液中的至少部分最终移动至先前步骤，否则该母液的杂质可能积累至不可接受的水平，而且所述级联的质量平衡也可能难以维持。在另一实施例中，可使用一个容器连续地重复第一程，其中在第一结晶和分离之后，保留来自该进程的所用母液的全部以在所述重复进程中再使用，并且在所述重复进程中使用另外的硅进行另一结晶。

后续的进程可在同一容器或不同容器中进行，或者如同先前的进程进行。例如，第一程可在与第二程相同的容器中发生。或者，第一程可在与第二程不同的容器中发生。进程可在同一容器中重复。例如，第一程的第一次操作可在特定的容器中发生，那么所述第一程的第一次重复可在同一容器中发生。在一些实施方案中，大规模加工的经济性可能会使得在多个后续或同时的进程中再使用同一容器是有利的。在一些实施方案中，可能在经济上有益的是从容器到容器移动液体而非移动固体，因此，本发明的实施方案涵盖了再使用容器的所有变体，还涵盖了使用不同容器的所有变体。因此，后续的进程可在与先前进程不同的容器中进行。重复进程可在与该进程的之前操作相同的容器中进行。

当母液朝向所述过程的起点移动时，所述母液的杂质增至更高浓度，包括硼和其他杂质的更高浓度。在每个结晶(形成晶体)步骤中，可根据需要再使用母液以在整个过程平衡质量。再使用的次数可随所用的溶剂金属(例如铝)与硅的比例、所需的化学以及所需的系统通量而变化。

如以下更深入地描述，在提供最终经重结晶的硅晶体之后，可通过使用酸、碱或其他化学品溶解残余溶剂金属或者从晶体中去除残余溶剂金属。任何粉末、剩余的溶剂金属或外来污染物也可通过机械方法去除。盐酸(HCl)可用于将溶剂金属从叠片(cascaded flake)或晶体中溶出。废HCl可作为聚氯化铝(PAC)或氯化铝销售以处理废水或饮用水等。为了将铝从片料中溶出，可使用具有多个槽的逆流系统，所述逆流系统在相反的方向上移动从清洁至脏的片料，以及从清洁至废的酸。可使用袋滤室从片料中取出松散的粉末，并且可在酸浸之后使用V形坡口槽和振动器(vibration)从片料中分离粉末球、外来污染物或未溶解的铝。

在本文公开的方法的过程中的任何时刻，可熔化硅晶体或片料。气体或熔渣可与熔融硅接触。可将约0.5-50wt％的熔渣添加至硅。例如，可利用包含一定量的SiO₂的熔渣。片料可在炉子中熔化，所述炉子可包括熔渣添加，并且熔渣添加可在片料熔化之前或之后进行。可使用熔渣添加熔化片料。片料可在真空、惰性气氛或标准气氛下熔化。可将氩气泵送通过炉子以产生氩气层，或者可使用真空炉子。片料可熔化至约1410℃以上。熔融硅可保持在约1450℃至约1700℃之间。在将熔融硅保持在炉子中的同时，或者在注入气体的过程中，可在造渣过程中从浴表面去除熔渣或浮渣。在一些实施例中，可随后将熔融硅倒入模具以用于定向凝固。熔融硅可首先过滤通过陶瓷过滤器。

母液可使用陶瓷泡沫过滤器过滤，或者可在所述过程的任何阶段注入气体。污染物(如硼或磷)较少的陶瓷材料为可用于容纳和熔化熔融硅的材料的例子。例如，气体可为氧气、氩气、水、氢气、氮气、氯气或含有可用的这些化合物的其他气体，或它们的组合。气体可注射通过喷枪、旋转脱气器或多孔塞进入熔融硅。可将100％氧气注入熔融硅中。气体可注射约30分钟至约12小时。气体可在造渣之前、造渣之后或造渣过程中注入。气体可为以30-40L/min注射通过喷枪进入熔融硅达4小时的100％氧气。

参照图4和图5，显示了根据一些实施方案利用三程级联来重结晶第一材料的方法的图200。在一个具体实施方案中，第一材料为硅，且溶剂金属为铝。可将起始材料硅216进料至第一程204重结晶过程的起点。可将硅216随后地或同时地进料至第一程202过程的第一次重复中。第一程202和204可在同一炉子中连续进行，其中将一定百分比的母液224返回至或留在同一炉子中，并将一定百分比的母液214去除。可选择地，第一程202和204可在不同炉子中进行。来自单程的所得片料可从202和204的每一个中移出并合并成218，或者可将得自过程202的片料进料至过程204中，且得自过程204的片料变成片料218。可将所得的单程片料218进料至第二程208和206过程中，所述第二程208和206过程产生第二程片料220。第二程206和208可在同一炉子中进行。连续地，一定百分比的母液224可在炉子中再熔化，且一定百分比的母液224可被送至单程204。第二程206和208可在不同炉子中进行。图4和5示出了同时进入第二程的第一次操作208和第二程的第一次重复206中的片料218，以及离开过程步骤202和204以进入第三程210的第二程片料220；然而，这些步骤可连续地发生。可随后将第二程片料220进料至第三程210重结晶过程，以制备第三程片料222(例如最终经重结晶的硅)。新的溶剂金属212在所述过程中起始于第三程210，并且在母液224中以与硅相反的方向进料通过所述过程，从而得到可作为有用的副产品售出的共晶液或母液214。以此方式，母液224中的溶剂金属的纯度降低，并且在与纯度增加的硅218、220、222相反的方向上流过系统。

酸洗

提纯硅的方法包括用水性酸溶液洗涤最终经重结晶的硅晶体，以提供最终经酸洗的硅。在洗涤步骤中，使用水性酸溶液的任何合适的洗涤可用于提供最终经酸洗的硅。在一些实施方案中，使用级联溶解和洗涤过程。洗涤步骤(包括溶解和洗涤过程)可含有单个或多个阶段。水和溶解化学品可朝向过程的起点再循环通过所述过程。尽管在以下示例性实施方案中描述了一系列步骤(包括酸洗、水洗和干燥)以由重结晶步骤的最终经重结晶的硅晶体制备最终经酸洗的硅，但应了解，从最终经重结晶的硅溶解铝或其他不希望的杂质以产生最终经酸洗的硅的任何合适的过程作为本发明的方法的酸洗步骤的实施方案的实施例被涵盖。合适的酸洗步骤的一些例子可见于以全文引用方式并入本文的美国专利申请系列号12/760,222。

参照图9，显示了本发明的洗涤步骤的一个具体实施方案2100的一般流程图，其采用最终经结晶的硅作为起始材料，并制得最终经酸洗的硅作为产物。当水2128和溶解化学品2134可在相反或向后的方向上移动通过过程时，不纯材料2101(作为最终经重结晶的硅晶体起始)可在向前的方向上移动通过所述过程。不纯材料2102可通过开始溶解过程2106而进入酸洗过程2104。溶解过程2106可包括多个级联溶解阶段，包括溶解阶段一2108和溶解阶段二2110。溶解过程2106可选择性地溶解待提纯的材料中的一种或多种杂质，或者与待提纯的材料中的一种或多种杂质反应。接着，待提纯的材料可离开2112溶解过程2106，并进入洗涤过程2114。洗涤过程2114可包括多个级联阶段，包括第一洗涤阶段2116和第二洗涤阶段2118。经洗涤的材料可随后离开2120洗涤过程，并进入2120干燥过程2122。在干燥之后，材料可离开2124干燥过程2122，从而提供经干燥的经提纯的材料2126(例如最终经酸洗的硅)。

尽管如上所述溶解过程可包括多个级联阶段，但溶解过程可以可选择地包括一个溶解阶段。来自洗涤过程的冲洗水和水性酸可进入单个溶解阶段，从而形成所需浓度的水性酸。为了保持单个溶解阶段的pH、体积、浓度或比重，可将酸溶液完全或部分转移出单个溶解阶段和溶解过程。开始所述过程的不纯材料可直接进入单个溶解阶段。另外，超过两个溶解阶段可以可选择地包括于溶解过程中。溶解过程的最后阶段通常可为其中添加来自洗涤过程的冲洗水和本体溶解化学品以形成强酸溶液的过程。

尽管如上所述洗涤过程可包括多个级联阶段，但洗涤过程可以可选择地包括一个洗涤阶段。新鲜水可进入单个溶解阶段，来自溶解过程的待洗涤的材料可直接进入单个洗涤阶段。在单个溶解阶段中分离材料和冲洗水之后，冲洗水可直接进入溶解过程。另外，超过两个洗涤阶段可以可选择地包括于洗涤过程中。洗涤过程的最后阶段可通常为其中可添加新鲜水的过程。

当待提纯的材料通过溶解过程时，溶解过程可允许选择性地溶解多种杂质，或者允许选择性地与多种杂质反应。可选择地，当待提纯的材料通过溶解过程时，溶解过程可允许选择性地溶解一种杂质，或者允许选择性地与一种杂质反应。

干燥可通过本领域技术人员已知的任何合适的方式进行。干燥可包括通过如下方式干燥：将空气吹过材料、诸如通过真空将空气抽吸过材料、使用加热、离心力、浸渍或沉浸于与水不溶混的有机溶剂中、摇动、允许滴干，或它们的组合。任何合适数量的干燥过程被涵盖于本发明的实施方案内。

仍然参照图9，当待提纯的材料在向前的方向上移动通过过程时，水2128可进入2130洗涤过程2114的末端。水可通过洗涤过程2114，从而从经提纯的材料中去除酸和经溶解或反应的杂质；因此，含有酸和经溶解或反应的杂质的水可离开2132洗涤阶段2114。水可进入2132溶解过程2106的末端。在溶解过程2106中，水可与足以产生所需浓度的溶解溶液的量的本体酸2134组合。溶解溶液可通过溶解过程2106，从而当其溶解待提纯的材料中的杂质并与所述杂质反应时变成逐渐减弱的酸溶液。酸溶液可离开2136溶解过程2106，从而提供含有经溶解和/或经反应的杂质的酸溶液2138。

酸可为本领域技术人员已知的任何合适的酸。酸可包括在任何合适溶剂中的任何合适浓度的酸。酸可包括HCl、H₂PO₄、H₂SO₄、HF、HNO₃、HBr、H₃PO₂、H₃PO₃、H₃PO₄、H₃PO₅、H₄P₂O₆、H₄P₂O₇、H₅P₃O₁₀，或它们的组合。酸溶液中的至少一者可包含过氧化物化合物，如H₂O₂。

杂质可仅溶解于酸溶液中而不反应。可选择地，杂质可仅通过酸溶液反应而不溶解。可选择地，杂质可使用酸溶液溶解并反应。另外，杂质可首先溶解，然后与酸溶液反应，使得杂质在溶解之前不明显与酸反应。另外，杂质可首先反应，然后由酸溶液溶解，使得杂质在与酸反应之前不明显溶解。与酸溶液反应可包括转化成不同的化合物或与不同的元素或化合物的组合。因此，在杂质在溶解之前首先反应的情况中，所述溶解可能特征在于，由于在溶解之前杂质的化学转化而溶解化合物而非杂质。

在不纯材料2102进入2104溶解过程2106之后，材料可进入2140第一溶解阶段2108，并可与更弱的酸溶液组合以提供混合物。可使不纯的材料和酸溶液在足够的温度下混合足够的时间，以使酸溶液至少部分溶解杂质或与杂质至少部分反应。可随后分离所述组合，使得含有经溶解或反应的杂质的酸溶液可保持在第一溶解阶段2108中，或者可部分或全部离开2144所述阶段，且杂质中的至少一些已反应或溶解掉的材料可离开2146第一溶解阶段2108。可将来自洗涤过程的水部分或全部添加2148至第二溶解阶段2110，并可将酸2134的部分添加2149至溶解过程，所述酸2134的部分可进入2150第二溶解阶段2110，并足以在第二溶解阶段2110中产生所需浓度的溶解溶液。待提纯的材料可进入2146第二溶解阶段2110，并与更强的溶解溶液组合以提供混合物。可使不纯的材料和酸溶液在足够的温度下混合足够的时间，以使酸溶液至少部分溶解杂质或与杂质至少部分反应。可随后分离所述组合，使得含有经溶解或反应的杂质的酸溶液可保持在第二溶解阶段2110中，或者可部分或全部离开2142所述阶段，且杂质中的至少一些已反应或溶解掉的材料可离开2152第二溶解阶段2110，并随后可离开2112溶解过程2106。

如上所述的足够的时间或足够的温度可包括本领域技术人员已知的任何合适的时间或温度。时间的足够性可由组合的物理过程以及反应或溶解时间的局限性决定。使用溶解溶液使杂质反应或溶解作为放热反应或溶解时可产生热量。可选择地，使用溶解溶液使杂质反应或溶解作为吸热反应或溶解时可降低热量。可在某些实施方案中使用由溶解或反应所产生或带走的热量，以协助控制反应的足够温度。在其他实施方案中，可通过加热或冷冻或其他热量控制方法抵消由溶解或反应所产生或带走的热量，以获得足够的温度。可有时超过足够的时间而不会不利地影响所述方法。同样地，比足以完全、大部分或超过至少部分溶解杂质或与杂质反应的时间更短的时间在本发明中可有时仍然是足够的时间。溶解或反应的温度可影响足够的时间量。同样地，所用的时间量可影响被认为足够的温度。

在材料进入2112洗涤过程2114之后，材料可进入2154第一洗涤阶段2116，并可与含有一些酸和经溶解或反应的杂质的冲洗溶液组合。可使材料和冲洗溶液在足够的温度下混合足够的时间，以使经溶解或反应的杂质或者溶解化学品中的至少一些进入冲洗溶液。可随后分离所述组合，使得含有经溶解或反应的杂质或者酸的冲洗溶液可保持在第一洗涤阶段2116中或者可部分或完全离开2158第一洗涤阶段2116，并可随后部分或完全离开洗涤过程2114。经反应或溶解的杂质或者酸中的一些已洗掉的材料可离开2160第一洗涤阶段2116，并可进入2160第二洗涤阶段2118，其中其可与由进入2130洗涤过程2114并随后进入2162第二洗涤阶段2118的水进料2162的第二冲洗溶液组合。可使材料和冲洗溶液在足够的温度下混合足够的时间，以使经溶解或反应的杂质或者酸中的至少一些进入冲洗溶液。可随后分离所述组合，使得含有经溶解或反应的杂质或者酸的冲洗溶液可保持在第二洗涤阶段2118中或者可部分或全部离开2156第二洗涤阶段2118，且经反应或溶解的杂质或者酸中的一些已洗掉的材料可离开2164第二洗涤阶段2118，并随后可离开2120溶解过程2114。

在本发明的实施方案中，可通过本领域技术人员已知的任何合适的方法进行组合以形成混合物。组合包括浇注、浸渍、沉浸、将两个流浇注在一起、共混，或任何其他合适的方法。在本发明的实施方案中混合可包括通过任何合适的方法混合，包括通过搅动、搅拌、将气体注入液体中以产生搅拌、浸渍、茶包浸渍(tea-bagging)、重复茶包浸渍，或通过在无任何搅动或极略微搅动的情况下简单地将组合材料置于一起，或它们的任意组合。搅动可与组合方法一致。

在本发明的实施方案中，组合可通过本领域技术人员已知的任何合适的方法分离，包括倾析、过滤，或从含液体的槽中移出含有固体的穿孔篮或料箱，并使液体中的至少一些排出至槽中，或它们的组合。

在本发明的实施方案中，所述过程的任意阶段的温度可受到加热器或冷却器的影响。

参照图10，显示了在本发明的一个具体实施方案中用于酸洗硅的方法2200的流程图。第一硅-铝络合物2202(例如最终经重结晶的硅)和弱酸溶液2206可组合2204和2208，以提供第一混合物2210。可允许第一混合物2210在足够的温度下存在足够的时间，使得第一络合物2202至少部分与弱酸溶液2206反应，其中反应可包括溶解。第一混合物2210可随后分离2212和2214，从而提供第二硅-铝络合物2216和弱酸溶液2206。接着，第二硅-铝络合物2216和中等酸溶液2218可组合2220和2222，以提供第二混合物2224。可允许第二混合物2224在足够的温度下存在足够的时间，使得第二络合物2216至少部分与中等酸溶液2218反应，其中反应可包括溶解。第二混合物2224可随后分离2226和2228，从而提供第三硅-铝络合物2230和中等酸溶液2218。接着，第三硅-铝络合物2230和强酸溶液2232可组合2234和2236，以提供第三混合物2238。可允许第三混合物2238在足够的温度下存在足够的时间，使得第三络合物2230至少部分与强酸溶液2232反应，其中反应可包括溶解。第三混合物2238可随后分离2240和2242，从而提供第一硅2244和强酸溶液2232。第一硅2244和第一冲洗溶液2246可随后组合2248和2250，从而提供第四混合物2252。可使第四混合物2252在足够的温度下存在足够的时间，使得可作为第一硅2244的部分的经溶解或反应的杂质或者酸溶液中的至少一些进入第一冲洗溶液2246。第四混合物2252可随后分离2254和2256，从而提供第二硅2258和第一冲洗溶液2246。第二硅2258和第二冲洗溶液2260可随后组合2262和2264，从而提供第五混合物2266。可使第五混合物2266在足够的温度下存在足够的时间，使得可作为第二硅2258的部分的经溶解或反应的杂质或者酸溶液中的至少一些进入第二冲洗溶液2260。第五混合物2266可随后分离2268和2270，从而提供湿的经提纯的硅2272和第二冲洗溶液2260。湿的经提纯的硅可随后充分干燥2274，以提供2276经提纯的硅2278。

本领域技术人员将认识到，包括相关单个或多个阶段、多个或单个杂质、干燥方法、任意顺序的溶解或反应、足够的时间和温度以及分离的图9的之前讨论同样适用于图10所示的实施方案。

尽管上述实施方案在溶解过程中具有三个溶解阶段，但本发明的实施方案也涵盖仅具有一个溶解阶段或具有任何合适数量的溶解阶段的溶解过程。而且，尽管上述实施方案在洗涤过程中具有两个洗涤阶段，但本发明的实施方案也涵盖仅具有一个洗涤阶段或具有任何合适数量的洗涤阶段的洗涤过程。同样地，尽管上述实施方案具有一个干燥过程，但本发明的实施方案也涵盖任何合适数量的干燥过程。

硅-铝络合物(例如最终经重结晶的硅，或本发明的实施方案中的任何硅-铝络合物)可包括硅晶体，和硅与铝的合金。组合以提供混合物并随后分离的一系列步骤中的至少一者可提供相比于进入所述系列步骤的硅或硅-铝络合物更纯的硅或硅-铝络合物。与酸溶液组合以提供混合物并随后分离的一系列步骤中的至少一者可提供相比于进入所述系列步骤的硅-铝络合物具有更少的铝的硅。

仍然参照图10所示的具体实施方案，可将新鲜水2280添加2282至第二冲洗溶液2260，以保持第二冲洗溶液2260的体积。可将第二冲洗溶液2260的部分转移2284至第一冲洗溶液2246，以保持第一冲洗溶液2246的体积。可将第一冲洗溶液2246的部分转移2286至强酸溶液2232，以保持强酸溶液2232的pH、保持强酸溶液2232的体积、保持强酸溶液2232的比重，或它们的组合。可将本体酸溶液2288的部分添加2290至强酸溶液2232，以保持强酸溶液2232的pH、保持强酸溶液2232的体积、保持强酸溶液2232的比重，或它们的组合。本体酸溶液可为例如HCl。本体酸溶液可为32％HCl。本体酸溶液可为任何合适浓度的酸。强酸溶液2232可具有例如大约-0.5至0.0之间的pH和大约1.01-1.15的比重。可将强酸溶液2232的部分转移2292至中等酸溶液2218，以保持中等酸溶液2218的pH、保持中等酸溶液2218的体积、保持中等酸溶液2218的比重，或它们的组合。中等酸溶液可具有例如大约0.0至3.0之间的pH和大约1.05-1.3的比重。可将中等酸溶液2218的部分转移2294至弱酸溶液2206，以保持弱酸溶液2206的pH、保持弱酸溶液2206的体积、保持弱酸溶液2206的比重，或它们的组合。可去除2296弱酸溶液2206的部分，以保持弱酸溶液2206的pH和比重。弱酸溶液2206可具有例如大约1.0至3.0之间的pH和大约1.2-1.4的比重。可将弱酸溶液2206的去除部分转移2296至聚氯化铝槽2297。聚氯化铝槽2297可具有例如大约1.5至2.5之间的pH和大约1.3的比重。PAC槽2297也可具有例如大约1.2-1.4的比重。可将来自弱酸溶液上方的气体(其可包括氢气(H₂)、蒸汽和酸气(例如HCl气体))转移2298至洗涤器2299，以在释放至环境中之前去除杂质。中等酸溶液、强酸溶液或冲洗溶液中的至少一者上方的顶部空间可连接至弱酸溶液上方的顶部空间，使得从弱酸溶液的顶部空间去除的气体包括源自弱酸溶液以及中等酸溶液、强酸溶液或第一或第二冲洗溶液中的至少一者的蒸汽或气体。

本发明的实施方案涵盖任选地将来自任意冲洗阶段的新鲜水或冲洗水的部分转移至任意溶液，以保持或调节该溶液的pH、体积或比重。尽管本文给出了在三个阶段酸洗中的三个酸槽的pH和比重以及PAC槽的具体例子，但应了解，pH和比重的范围和值可与这些例子明显不同，并可仍然作为本发明的实施方案涵盖。同样地，标注“强”、“中等”和“弱”旨在表示酸溶液的强度之间的关系，而不旨在将任何特定酸溶液限定至pH或比重的特定值或范围。因此，在具有两个酸洗阶段的实施方案中(其中酸溶液被称为“弱”和“强”)，两个酸溶液可特征在于强酸溶液，尽管酸溶液之间的关系为使得一种酸溶液(“强”)比另一种(“弱”)更强。同样地，在具有两个酸洗阶段的实施方案中(其中酸溶液被称为“弱”和“强”)，两个酸溶液可特征在于弱或中等强度的酸溶液，尽管酸溶液之间的关系为使得一种酸溶液(“弱”)比另一种(“强”)更弱。

在一些实施方案中，在分离步骤之前，可使硅和冲洗溶液混合大约24小时。在一些实施方案中，在分离步骤之前，可使硅和冲洗溶液混合大约1小时。在一些实施方案中，干燥步骤可进行至少3小时。本发明的步骤的时间可包括任何合适的时间。

酸溶液、混合物和冲洗溶液中的至少一者可在槽中。可使用耐温和耐化学的料箱从槽中转移硅-铝络合物、第一和第二硅和湿的和干的经提纯的硅，所述料箱具有孔穴以允许流体进出料箱。料箱可在分离过程中排干。至少一个酸溶液槽可容纳两个料箱。可设置其中可进行组合和分离的一系列步骤的至少一个槽，从而当内容物达到某一高度时，所述内容物溢出至其中进行组合和分离的之前系列步骤的槽中。包括溢流出口和溢流入口的槽可具有设置于槽的相对侧上的溢流出口和溢流入口。酸溶液、混合物和冲洗溶液中的至少一者可在沉降槽中。固体可从沉降槽中移出。固体的移出可包括打开槽底部的阀门，以使固体从槽底部挤出。固体的去除可包括从槽中排出液体，并从槽底部手动地或机械地取出固体。

本发明的实施方案不仅涵盖每个级联步骤使用一个槽，还涵盖整个过程使用单个槽，以及使用比级联中的步骤更少的槽。例如，一个槽可用于多个酸溶解步骤，然后一个槽可用于冲洗步骤。例如，两个槽可用于多个酸溶解步骤，且两个槽可用于冲洗步骤。另一实施例包括使用一个槽用于一个或多个酸溶解步骤，并使用同一个槽用于一个或多个冲洗步骤。可将酸溶液和冲洗溶液添加至容纳硅-铝络合物或硅的槽中以用于冲洗。一旦酸溶解或冲洗步骤完成，则可将溶液从槽中取出并移动至储存位置或者丢弃，并可将下一溶液添加至槽中以开始下一级联步骤。容纳片料的一个或多个槽可为沉降槽。保持溶液的pH、比重和体积可在容纳片料的一个或多个槽中、在用于每一特定溶液的储存位置中，或在上述两者中进行。硅-铝络合物、第一和第二硅和湿的和干的经提纯的硅可以以任何合适的方式(包括使用耐温和耐化学的料箱，所述料箱具有孔穴以允许流体进出料箱)容纳于一个或多个特定的槽中。可在将溶液转移出时当料箱在槽的内部之时，或者通过将料箱提升出槽以使料箱内部的溶液流回至槽中，从而在分离过程中排干所述料箱。槽可容纳两个料箱或任何合适数量的料箱，包括一个料箱。酸溶液、混合物或冲洗溶液中的至少一者的储存位置可为沉降槽。固体可从沉降槽中移出。固体的移出可包括打开槽底部的阀门，以使固体从槽底部挤出。固体的去除可包括从槽中排出液体，并从槽底部手动或机械地取出固体。

与冲洗溶液组合以提供混合物并随后分离的一系列步骤中的至少一者可提供相比于进入所述系列步骤的硅具有更少的酸溶液与铝的反应产物的硅。

干的经提纯的硅可具有大约1000-3000份/百万份重量的铝。第一、第二或第三硅-铝络合物、第一或第二硅、湿的硅，或干的经提纯的硅中的至少一者可独立地为大约400至1000kg。第一、第二或第三硅-铝络合物、第一或第二硅、湿的硅，或干的经提纯的硅中的至少一者可独立地为大约600至800kg。第一、第二或第三硅-铝络合物、第一或第二硅、湿的硅，或干的经提纯的硅中的至少一者可独立地为大约650至750kg。

上述pH和比重的具体范围为本发明的一个或多个具体实施方案。本发明的实施方案涵盖方法的各个阶段的任何合适范围的pH或比重。例如，在三步骤酸溶解中，强酸溶液可具有大约-0.5至4的pH，中等酸溶液可具有大约0.0至4的pH，且弱酸溶液可具有大约0.0至5的pH。在另一实施例中，强酸溶液可具有大约-0.5至1的pH，中等酸溶液可具有大约0.0至3的pH，且弱酸溶液可具有大约1.0至4.0的pH。在另一实施例中，强酸溶液可具有大约-0.5至0.0的pH，中等酸溶液可具有大约0.0至2.5的pH，且弱酸溶液可具有大约1.5至3.0的pH。在另一实施例中，在两阶段酸溶解中，强酸溶液可具有大约-0.5至4的pH，且弱酸可具有大约0.0至5的pH。在另一实施例中，对于两阶段酸溶解，强酸溶液可具有大约-0.5至3的pH，且弱酸可具有大约0.0至4的pH。在另一实施例中，对于两阶段酸溶解，强酸溶液可具有大约-0.5至1.0的pH，且弱酸可具有大约1.0至3.0的pH。可预期，本发明的实施方案涵盖保持更强和更弱的溶液之间的关系的pH的所有合适的变化。

同样地，例如，在三步骤酸洗中，强酸溶液可具有大约1.01至1.4的比重，中等酸溶液可具有大约1.01-1.4的比重，且弱酸溶液可具有大约1.01-1.4的比重。在另一实施例中，强酸溶液可具有大约1.01-1.3的比重，中等酸溶液可具有大约1.01-1.2的比重，且弱酸溶液可具有大约1.1-1.4的比重。在另一实施例中，强酸溶液可具有大约1.01-1.10的比重，中等酸溶液可具有大约1.05-1.15的比重，且弱酸溶液可具有大约1.2-1.4的比重。在另一实施例中，强酸溶液可具有大约1.05的比重，中等酸溶液可具有大约1.09的比重，且弱酸溶液可具有大约1.3的比重。在另一实施例中，对于两阶段酸溶解，强酸溶液可具有大约1.01-1.4的比重，且弱酸溶液可具有大约1.01-1.4的比重。在另一实施例中，对于两阶段酸溶解，强酸溶液可具有大约1.01-1.3的比重，且弱酸溶液可具有大约1.01-1.4的比重。在另一实施例中，对于两阶段酸溶解，强酸溶液可具有大约1.01-1.2的比重，且弱酸溶液可具有大约1.1-1.4的比重。预期本发明的实施方案涵盖比重的所有合适的变化。

单独的任何步骤的去除部分以保持pH、体积、比重或它们的组合可作为间歇过程或作为连续过程进行。可使用传感器来检测液体高度、pH、比重、流速、温度或它们的组合中的任意一者。可用于检测适于通过本发明的方法来调节性质的溶液的任何特性的任何合适的传感器设备包括于本发明的实施方案内。适合用于连续过程中的传感器可不同于适合用于间歇过程中的那些传感器。

词语“部分”的使用不旨在以任何方式将本发明的实施方案的范围限定至间歇过程。此外，极其小的部分可在连续过程中连续去除；因此，词语“部分”不将本发明局限于间歇过程。

弱酸的经去除的部分可包括聚氯化铝。弱酸的经去除的部分可包括三氯化铝。弱酸溶液的经去除的部分可包括铝与HCl、水或它们的组合的反应产物。第一聚氯化铝槽可包括沉降槽。聚氯化铝槽的内容物的部分可从槽的顶部转移至另一聚氯化铝槽的中部，其中下一聚氯化铝槽包括沉降槽。可使用一系列沉降槽重复将液体从沉降槽的顶部转移至另一沉降槽的中部的步骤，直至来自一系列沉降槽中的最后的沉降槽的液体基本上不含固体材料。可使用一系列沉降槽重复将液体从沉降槽的顶部转移至另一沉降槽的中部的步骤，直至来自一系列沉降槽中的最后的沉降槽的液体基本上不含用于水提纯过程中的固体材料。

参照图11，决策树2300描述了在本发明的一个具体实施方案中何时去除弱酸溶液的部分。可提出何时将弱酸的部分转移至聚氯化铝槽的询问。首先，如果弱酸槽是否具有大于1.5的pH的询问2304的答案为否，2306，则可允许铝溶解或反应在弱酸槽中继续，2308；如果答案为是，2310，则询问弱酸槽的比重值，2312。如果弱酸槽是否具有大于1.3的pH的询问2312的答案为是，2314，则询问PAC槽中的剩余空间，2316。如果PAC储存槽中是否具有充足的空间的询问2316的答案为否，2318，则可将1000L从PAC储存槽转移至替代PAC储存槽2320，并且可随后再次询问PAC槽中的剩余空间，2316。如果PAC储存槽中是否具有充足的空间的询问2316的答案为是，2322，则可将500L弱酸转移至PAC储存槽，2324。如果弱酸槽是否具有大于1.3的pH的询问2312的答案为否，2326，则可询问弱酸槽的pH，2328。如果弱酸槽的pH是否低于1.8的询问2328的答案为是，2330，则可允许铝溶解或反应在弱酸槽中继续，2308；如果答案为否，2332，则可询问弱酸槽中的剩余空间，2334。如果弱酸槽中是否具有足够的空间用于添加液体的询问2334的答案为是，2336，则可将中等酸的部分添加至弱酸以使pH下降至1.8，并且再次询问弱酸槽的pH，2328。如果弱酸槽中是否具有足够的空间用于添加液体的询问2334的答案为否，2340，则可将500L弱酸从弱酸槽转移至PAC储存槽，342，并且可再次询问弱酸槽的pH，2328。在达到允许铝消化继续的决策2308之后，或者在达到将500L弱酸转移至PAC储存槽的决策2324之后，从询问2302重新开始决策树。通常，当在决策树中达到将500L弱酸从弱酸槽转移至PAC储存槽的行动2342时，PAC溶液的品质可能降低。通常，当在决策树中达到将500L弱酸转移至PAC储存槽的行动2324时，PAC溶液的品质可得以改进。然而，本发明的实施方案涵盖产生更低品质的PAC溶液以及高品质的PAC溶液的方法。应了解，在具有两个酸洗步骤的本发明的实施方案中，决策框2338将指示将强酸溶液添加至弱酸槽，以使pH下降至1.8。

本领域技术人员将了解，在图11中示出的决策树中显示的一系列步骤不限于在图中作为例子给出的具体pH水平或转移体积。用于做出决策的pH水平或分别的转移体积可明显不同于给出的具体实施例并且仍然由本发明的实施方案涵盖。例如，决策框2304可询问弱酸槽的pH是否超过约1.0。在另一实施例中，决策框2304可询问弱酸槽的pH是否超过约1.3。在另一实施例中，决策框2304可询问弱酸槽的pH是否超过约1.8。在另一实施例中，决策框2312可询问弱酸槽的比重是否大于大约1.1。在另一实施例中，决策框2312可询问弱酸槽的比重是否大于大约1.2。在另一实施例中，决策框2312可询问弱酸槽的比重是否大于大约1.4。在另一实施例中，决策框2328可询问弱酸槽是否具有小于大约1.6的pH。在另一实施例中，决策框2328可询问弱酸槽的pH是否具有小于大约1.7的pH。在另一实施例中，决策框2328可询问弱酸槽的pH是否具有小于大约2.0的pH。在另一实施例中，决策框2338可添加溶液，直至弱酸溶液的pH达到大约1.6。在另一实施例中，决策框2338可添加溶液，直至弱酸溶液的pH达到大约1.7。在另一实施例中，决策框2338可添加溶液，直至弱酸溶液的pH达到大约2.0。在另一实施例中，在决策框2342或2324中转移的体积可为大约250L。在另一实施例中，在决策框2342或2324中转移的体积可为大约750L。在另一实施例中，在决策框2342或2324中转移的体积可为大约1000L。在另一实施例中，在决策框2320中转移的体积可为大约750L。在另一实施例中，在决策框2320中转移的体积可为大约1250L。预期本发明的实施方案涵盖pH和转移体积的所有合适的变化。

上述聚氯化铝槽可含有任何合适的材料，并且不仅限于聚氯化铝溶液。

参照图12，显示了在本发明的一个具体实施方案中用于酸洗硅的方法2400的流程图。第一硅-铝络合物2402(例如最终经重结晶的硅)和弱酸溶液2406可组合2404和2408，以提供第一混合物2410。可允许第一混合物2410在足够的温度下存在足够的时间，使得第一络合物2402至少部分与弱酸溶液2406反应，其中反应可包括溶解。可随后分离2412和2414第一混合物2410(具有可能的组合和分离的插入步骤)，从而提供第三硅-铝络合物2430和弱酸溶液2406。接着，第三硅-铝络合物2430和强酸溶液2432可组合2434和2436，以提供第三混合物2438。可允许第三混合物2438在足够的温度下存在足够的时间，使得第三络合物2430至少部分与强酸溶液2432反应，其中反应可包括溶解。第三混合物2438可随后分离2440和2442，从而提供第一硅2444和强酸溶液2432。第一硅2444和第一冲洗溶液2446可随后组合2448和2450，从而提供第四混合物2452。可使第四混合物2452在足够的温度下存在足够的时间，使得可作为第一硅2444的部分的经溶解或反应的杂质或者酸溶液中的至少一些进入第一冲洗溶液2446。可随后分离2454和2456第四混合物2452(具有可能的组合和分离的插入步骤)，从而提供湿的经提纯的硅2472和第一冲洗溶液2460。湿的经提纯的硅可随后充分干燥2474，以提供2476经提纯的硅2478(例如最终经酸洗的硅)。

本领域技术人员将认识到，包括相关单个或多个阶段、多个或单个杂质、干燥方法、任意顺序的溶解或反应、足够的时间和温度以及分离的图9的之前讨论同样适用于图12所示的实施方案。

尽管上述实施方案在溶解过程中具有两个溶解阶段，但本发明的实施方案也涵盖仅具有一个溶解阶段或具有任何合适数量的溶解阶段(例如一个、两个、三个、四个或五个溶解阶段)的溶解过程。而且，尽管上述实施方案在洗涤过程中具有一个洗涤阶段，但本发明的实施方案也涵盖具有任何合适数量的洗涤阶段(例如一个、两个、三个、四个或五个冲洗阶段)的洗涤过程。同样地，尽管上述实施方案具有一个干燥过程，但本发明的实施方案也涵盖任何合适数量的干燥过程。

仍然参照图12所示的具体实施方案，可将新鲜水2480添加2482至第一冲洗溶液2460，以保持第一冲洗溶液2460的体积。可将第一冲洗溶液2446的部分转移2486至强酸溶液2432，以保持强酸溶液2432的pH、保持强酸溶液2432的体积、保持强酸溶液2432的比重，或它们的组合。可将本体酸溶液2488的部分添加2490至强酸溶液2432，以保持强酸溶液2432的pH、保持强酸溶液2432的体积、保持强酸溶液2432的比重，或它们的组合。本体酸溶液可为例如HCl。本体酸溶液可为32％HCl。本体酸溶液可为任何合适浓度的酸。可将强酸溶液2432的部分转移2492至弱酸溶液2406，以保持弱酸溶液2406的pH、保持弱酸溶液2406的体积、保持弱酸溶液2406的比重，或它们的组合。可去除2496弱酸溶液2406的部分，以保持弱酸溶液2406的pH和比重。可将弱酸溶液2406的去除部分转移2496至聚氯化铝槽2497。聚氯化铝槽2497可具有例如大约1.5至2.5之间的pH和大约1.3的比重。PAC槽2497也可具有例如大约1.2-1.4的比重。可将来自弱酸溶液上方的气体(其可包括氢气(H₂)、蒸汽和酸气(例如HCl气体))转移2498至洗涤器2499，以在释放至环境中之前去除杂质。中等酸溶液、强酸溶液或冲洗溶液中的至少一者上方的顶部空间可连接至弱酸溶液上方的顶部空间，使得从弱酸溶液的顶部空间去除的气体包括源自弱酸溶液以及中等酸溶液、强酸溶液或第一或第二冲洗溶液中的至少一者的蒸汽或气体。

以上关于三阶段酸溶解过程的变量的全部讨论也同样适用于两阶段酸溶解过程，或者适用于具有任何数量的溶解或冲洗阶段的过程。因此，具有一个或两个或更多个溶解阶段和具有一个或两个或更多个洗涤阶段的本发明的实施方案涵盖任选地将新鲜水或冲洗水的部分从任何冲洗阶段转移至任何溶液，以保持或调节该溶液的pH、体积或比重。“强”和“弱”标识为相对指示，而不限制于某一pH范围。可使用任何数量的槽(包括一个)进行所述过程。液体的转移可以以间歇或连续方式进行。本发明的实施方案涵盖用于阶段的pH或比重的任何合适的值。

定向凝固

用于提纯硅的方法也包括定向凝固最终经酸洗的硅，以提供最终经定向凝固的硅晶体。定向凝固可为允许硅的提纯，以提供最终经定向凝固的硅晶体的任何合适的定向凝固。定向凝固可在定向凝固装置中发生，所述定向凝固装置可包括任何定向凝固装置，包括本文描述的那些，并包括标准已知的定向凝固装置。用于定向凝固的合适的坩埚、装置和方法的一些例子可见于以全文引用方式并入本文的美国专利申请No.12/716,889和No.12/947,936中。

当硅在定向凝固过程中凝固时，杂质往往优选保留在熔融相中，而不是与凝固相一起结晶出来。可通过在锭凝固(例如凝结)时在硅上施加温度梯度或在硅中引发温度梯度，从而定向凝固所述锭。硅可从锭的底部至顶部定向凝固。例如，可在锭的顶部提供热量，以形成或协助形成温度梯度，或者可在锭的底部提供冷却，以形成或协助形成温度梯度。在一些实施例中，硅可定向凝固成例如约1-3吨的大的数吨的锭。

在定向凝固过程中，由于杂质往往留在熔融相中，因此凝固的熔融相的最后部分通常包括与定向凝固的硅的其余部分相比最高浓度的杂质。因此，在定向凝固之后，可去除“最后凝结”的硅的一部分。“最后凝结”的硅可指在样品锭或晶块中最后凝固并且含有最多杂质的硅；因此，去除硅的所述部分可有助于制备总体更纯的硅(例如，其中经修整的硅的平均纯度高于修整前的硅的平均纯度)。在一些实施例中，可去除最后凝结的硅的约5至约30％。

通过从底部到顶部定向凝固并去除例如所形成的硅锭中的每一个的顶部的约5％至约30％，从而可重复定向凝固过程一次或多次。在锭的顶部凝结之前，可例如经由浇注或抽吸而去除锭的顶部。最后凝结的部分可被切除，或者可被折断。可在任何进程下将最后凝结的硅再循环至所述过程中。可将经定向凝固的锭的侧面和底部切除并再循环回所述过程。在步骤中的任意者之间，可使用介质(如喷砂或喷冰)喷射固体硅的表面或蚀刻固体硅的表面。由于例如每种元素不同的分离系数，因此每个另外的定向凝固步骤可进一步提纯硅。如上步骤中的任意者可重复一次或多次。

提供炉子容量的有效利用的坩埚

在一些实施方案中，硅的熔化或硅的定向凝固或上述两者可在坩埚中进行，所述坩埚设计为提供对炉子容量的有效利用。在一些实施方案中，坩埚可大致匹配其中制备熔融硅的炉子的内部形状。

参照图13，显示了本发明的坩埚的一个实施方案(坩埚3100)的俯视图。坩埚3100包括用于制备锭的内部3102。参照图14，显示了坩埚3100中的锭3200的俯视图。锭3200可包括在熔融材料经过凝固、结晶或它们的组合之后修整掉的周边3201的部分。所述锭3200包括多个块3202。可使用切割设备由锭3200形成块3202。锭可包括硅。熔融材料可包括熔融硅。块3202以网格设置于锭3200内。坩埚3100的外部形状大致匹配其中制得锭的炉子的内部形状，所述炉子可为具有内部隔室的炉子，所述内部隔室具有大致圆形的形状。通过大致匹配炉子的内部形状，坩埚3100可适合炉子中的更大量的熔融材料，因此可更有效地利用炉子的容量。通过大致匹配大致圆形的炉子的内部形状，坩埚3100可产生锭3200，相比于可以使用具有方形形状的坩埚而从炉子中产生的块的数量，所述锭3200提供更大数量的块3202。当相比于来自方形形状的坩埚的锭中的网格时，在锭3200中，相对于拐角块的百分比，侧面块或中心块的百分比可更大，且相对于中心块的百分比，侧面块的百分比可得以增加。参见表2。当相比于方形形状的坩埚时，来自坩埚3100的锭3200中的拐角块的百分比降低。

表1：

本发明的坩埚的一些实施方案包括锭，所述锭包括块。所述块在得自坩埚的锭中结合在一起。通过在浇铸过程完成之后将所述块彼此分割，从而使所述块变成分开的块。所述块可以以网格图案切割。切割可通过本领域技术人员已知的任何合适的切割设备进行。合适的切割设备的一个例子为使用研磨材料(如金刚石或切削齿)的锯，所述研磨材料附接至以连续环转动的带。切割可包括用水冷却，以防止刀片的过热。合适的切割设备的另一例子为线锯，所述线锯使用具有冷却流体和SiC磨粒的钢丝或者涂布有金刚石磨粒和冷却流体的钢丝。

在一些实施例中，锭的内部品质的成因可包括经凝固或结晶的材料与坩埚的壁的接近度。坩埚可涂布有如下材料或包括如下材料：所述材料防止材料粘着至坩埚，从而允许更容易地移出固体。尽管有助于防止粘着，但坩埚的涂层或组分可扩散至熔融材料中，从而影响与坩埚的壁最接近的固体材料的纯度。因此，当更少的锭接触坩埚的壁时，更少的材料被来自坩埚的组分或涂层的扩散所污染。另外，在拐角中的坩埚中的硅的顶表面可最后凝固，在结晶中最后凝结的材料可含有最高水平的杂质。在使用锭之前，可例如使用切割设备在使用之前去除锭的最后凝结的部分。当更少的锭接触坩埚的壁时，由于需要在使用之前从锭上修整的材料浪费更少。本发明包括具有更少拐角的锭，使得所述锭包括更少的与坩埚的周边共享两个边缘的块。因此，本发明可制得更少百分比的更低品质的产品，并可产生更少的浪费或更少的经再循环的硅。

再次参照图13，坩埚3100包括周边，所述周边包括八个侧面3104和3106。所述八个侧面包括两组大致相对的具有大致相等长度的第一侧面3104。所述八个侧面也包括两组大致相对的具有大致相等长度的第二侧面3106。坩埚3100的八个侧面对应于由坩埚3100形成的锭3200的八个侧面(包括第一侧面3204和第二侧面3206)。第一侧面3104和第二侧面3106大致平直。第一侧面3104比第二侧面3106更长。第一侧面3104与第二侧面3106交替。在一个具体实施方案中，坩埚100的高度可比其他坩埚高2-20cm，这可允许例如与36块750kg方形坩埚可容纳的量相同的量的硅。通常，在本发明中，坩埚的高度可制备为更高，从而例如可经济地使用更低密度的材料(如更低密度的硅)，从而可将更多的材料装载于坩埚中。

在一个具体实施方案中，第一侧面3204可例如为约5至40英寸，或约10至30英寸，或约24英寸。第二侧面3206可为大约5-15英寸，例如11.14英寸。块3202的尺寸可为约6英寸x约6英寸。坩埚的侧面的厚度可为例如约0.25至约2英寸，或约0.5至约1英寸，或约0.67英寸。从锭200的侧面去除的材料的厚度可为例如约0.5-4英寸，或约1-2英寸，或约1.88英寸。

参照图15，显示了一个具体实施方案中的坩埚3100的侧视图。坩埚3308的宽度可为例如约20-60英寸，或约35-45英寸，或约41英寸。坩埚3306的高度可为例如约5-40英寸，或约15-25英寸，或约18.00英寸。侧面3302可为例如约0.25至约4英寸厚，或约0.5-1英寸厚，或约0.67英寸厚。坩埚可具有底部3304。

在一些实施方案中，坩埚可包括第一侧面和第二侧面，所述第一侧面和第二侧面为大致相同的长度。坩埚可包括弯曲的第一侧面或包括弯曲的第一侧面，且坩埚可独立地包括弯曲的第二侧面或包括弯曲的第二侧面。因此，坩埚可包括弯曲的第一侧面和大致笔直的第二侧面；坩埚也可包括弯曲的第二侧面和大致笔直的第一侧面。侧面的弯曲可包括多个大致平直的表面，所述多个大致平直的表面在一起形成弧线形状，或者所述多个大致平直的表面形成超过一个弧线。侧面的弯曲可包括单个弯曲。侧面的弯曲可包括多个弯曲表面，所述多个弯曲表面在一起形成弧线形状，或者所述多个弯曲表面形成超过一个弧线。

在一些实施方案中，总体设计可包括其中具有四个坩埚的炉子，在每个坩埚中仅一个拐角面积减小。

在一些实施方案中，坩埚可由如下材料制得或包括如下材料：例如二氧化硅、SiC、石英、石墨、Si₃N₄，或它们的组合。组分或涂层的选择可包括例如不粘性质以及耐热性质。坩埚可包括含有Si₃N₄、石墨或SiO₂的涂层，所述涂层可部分、完全或介于部分与完全之间的任何程度地涂布坩埚。坩埚可包括大约110-160度的包括于周边中的侧面之间的内角。坩埚可包括大约125-145度的包括于周边中的侧面之间的内角。坩埚也可包括弯曲的外角或内角和外边或内边。

本发明提供了一种使用具有用于制备锭的内部形状的坩埚的方法，包括如上所述的坩埚，其中所述坩埚的外部形状大致匹配炉子的内部形状，在所述炉子中制得产生锭的熔融材料。炉子的内部形状可为大致圆形。可改变炉子的内部形状以适应坩埚。

在一个具体实施方案中，坩埚的尺寸为使得方法可由炉子产生约32个尺寸为约156mm x约156mm的块，所述炉子具有大约450kg容量，并设计用于使用标准方形坩埚制备约25个尺寸为约156mm x约156mm的块。在另一实施方案中，尺寸为使得方法可由炉子产生约21个尺寸为约180mm x约180mm的块，所述炉子具有大约450kg容量，并设计用于使用标准方形坩埚制备约25个块。

本发明可提供一种用于改进高品质材料的通量的方法。本发明可提供一种用于所得锭的有效且成本有效的品质控制的方法。参照图14所示的具体实施方案，可使用额外4个半块3203用于破坏和非破坏性测试，以改进品质并加速晶片制造的产出时间。测量仅4个拐角块3203而非全部的块3202可节省时间和相关的成本，包括：节省测量时间、节省在进行测量之后清洁块所需的时间，以及节省在进行块切割后测量之前清洁块所需的时间。这可有助于获得更高的通量，并同时保持所需的材料品质。

在可进行以协助控制所产生的材料的品质的那些测量中，包括如下测量：a)块上的轴向(自下而上)电阻率分布的测量，以及补充的b)绘制复合寿命(自下而上)，以及在高碳原料或浇铸工具的差的碳控制的情况中，另外的步骤c)碳化硅粒子的红外(IR)扫描(自下而上)。对4个拐角块进行这些测量可具有有利结果。如果单个浇铸工具的具体生长特性是已知的(每个浇铸工具可确定此)，则测量a)可提供有关整个锭的生长前沿的可靠信息。随后的切片可基于有关生长前沿的信息。测量b)可允许测量随距离坩埚壁的距离而变化的寿命，这转而可提供关于待发起的可能的测量的一些指导，以获得在晶片水平上的材料品质改进。测量c)可提供有关锭的取向信息。

改变炉子以适应坩埚可为本领域技术人员已知的任何合适的改变。改变可包括使容纳或围绕陶瓷坩埚的箱体的螺栓、垫圈或板更薄。容纳坩埚的箱体可由石墨板制得。改变也可包括将作为箱体的部分的螺母锪孔或扩孔至石墨板中，或者减少将箱体保持在一起的硬件的轮廓。石墨板之间的接合可为插槽的(dadoed)、榫接的或楔形接合的。可扩大保持坩埚的底部石墨板。用于容纳可移动元件的不锈钢笼可制备为八角形，且将斜线添加至拐角，或者斜线的尺寸可扩大。可使笼的绝缘更薄。加热元件可移动为更接近炉子的壁或加热器笼。将加热元件保持在一起的石墨螺母可为锪孔或扩孔的。成角度的石墨垫圈可在斜线支撑板上使用，以保持平直表面，或者可使用定制形状来保持平直部段，以将石墨板固定在一起。可将拐角扩展添加至加热元件的弯角，以在所有侧面上移出加热元件，包括在所有侧面上移出加热元件3”。可使用于密封笼底部的唇缘更小。改变也可包括降低保持坩埚的支架，以提供更高的坩埚。可改良支撑坩埚支架的支柱，以通过添加另一个支柱、将支柱进一步分开或螺纹连接至更厚的冷却板中而支撑额外的重量。可使用其他绝缘材料用于绝缘钢笼而非硬化的石墨毡，从而可使部段更薄。可使用两种绝缘材料，其中一种材料远离双层设计中的热表面使用。第二绝缘材料具有更好的绝缘性质，从而可使用更薄的横截面用于笼。

定向凝固组件

在一些实施方案中，可在定向凝固组件中进行硅的熔化，或硅的定向凝固，或上述两者。组件可包括任何合适的定向凝固组件。在一些实施方案中，定向凝固组件可包括上述坩埚，其中坩埚的形状允许有效使用炉子容量。在其他实施方案中，定向凝固组件不包括设计为进入炉子的坩埚，相反硅的熔化在不同的坩埚中(如设计为大致匹配炉子的内部形状的坩埚或另一坩埚)发生，并随后转移至定向凝固装置。在本部分中描述的定向凝固组件的底部模具部分的任意特征可包括于设计用于上述有效炉子容量利用的坩埚的实施方案中。

定向凝固装置-底部模具

图16示出了定向凝固装置的一个实施方案。显示了装置4100的剖面侧视图。装置4100包括定向凝固模具4110，所述定向凝固模具4110包括至少一种耐火材料。所述至少一种耐火材料构造为允许硅在模具内定向凝固。装置4100也包括外夹套4130。另外，装置4100包括绝缘层4120，所述绝缘层4120至少部分设置在定向凝固模具4110与外夹套4130之间。装置4100可超过一次用于硅的定向凝固。

定向凝固装置的一个实施方案的总体三维形状可类似于具有圆形形状的厚壁大碗。或者，总体形状可类似于具有方形形状或六边形、八边形、五边形或具有任何合适数量的边缘的任何合适的形状的大碗。在其他实施方案中，装置的总体形状可为用于硅的定向凝固的任何合适的形状。在一个实施方案中，底部模具可容纳约1公吨的硅或更多。在一个实施方案中，底部模具可容纳约1.4公吨的硅或更多。在另一实施方案中，底部模具可容纳约2.1公吨的硅或更多。在另一实施方案中，底部模具可容纳大约1.2、1.6、1.8、2.0、2.5、3、3.5、4、4.5或5公吨的硅或更多。

在定向凝固装置的优选实施方案中，所述装置围绕中心垂直轴线大致对称。其中材料包括于偏离围绕中心轴线的紧密对称的装置或装置形状中的一个实施方案仍然作为一个优选实施方案被包括；对对称性的优选为大致的，如本领域技术人员易于理解。在一些实施方案中，装置不围绕中心垂直轴线对称。在其他实施方案中，装置围绕中心垂直轴线部分大致对称，和围绕中心垂直轴线部分非对称。在包括非对称特征的实施方案中，可包括本文描述的任何合适的特征，包括描述为完全或部分围绕中心轴线大致对称的一个实施方案的部分的特征。

如图16所示，定向凝固模具4110在定向凝固模具的底部与定向凝固模具的侧面之间具有大于90度的内角，在本文称为凹模斜角(draft)。凹模斜角允许移出在模具中凝固的一片硅，而无需打破所述硅或定向凝固模具。在一个优选实施方案中，如图16所示，定向凝固模具具有足以允许如所述从模具中移出硅的凹模斜角。然而，在可选择的实施方案中，定向凝固不具有凹模斜角，或具有凹模斜角的反转(reverse)。在不具有凹模斜角的可选择的实施方案中，装置优选具有通过中部的切口，所述切口允许所述装置易于分成两个半部以移出固体硅。然后可再结合所述两个半部以再次形成一个整体，并再使用所述装置。然而，可分成两个半部的实施方案不限于缺少凹模斜角的那些实施方案。本文所述的所有实施方案可包括或不包括分成两个半部以易于移出固体硅的能力。

图16所示的定向凝固模具4110的实施方案包括耐火材料。耐火材料可为任何合适的耐火材料。耐火材料可为氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或它们的组合。定向凝固模具可包括一种耐火材料。定向凝固模具可包括超过一种耐火材料。包括于定向凝固模具中的一种或多种耐火材料可混合，或者它们可位于定向凝固模具的分离的部分中，或者它们的组合。一种或多种耐火材料可以以层设置。定向凝固模具可包括超过一层的一种或多种耐火材料。定向凝固模具可包括一层的一种或多种耐火材料。耐火材料的侧面可为与耐火材料的底部不同的材料。相比于定向凝固模具的底部，定向凝固模具的侧面可具有不同的厚度、包括不同的材料组成、包括不同的材料量，或它们的组合。在一个实施方案中，定向凝固模具的侧面包括热表面(hot face)耐火材料，且定向凝固模具的底部包括传导耐火材料。定向凝固模具的侧面可包括氧化铝。定向凝固模具的底部可包括导热材料，例如碳化硅、石墨、钢、不锈钢、铸铁、铜，或它们的组合。

在一些实施方案中，包括于定向凝固模具的侧面中的一种或多种材料可从定向凝固模具的外底部的高度向上延伸，且包括于定向凝固模具的底部中的一种或多种材料可从对应于定向凝固模具的一个侧面的内部的竖直位置竖直延伸经过所述底部直至对应于相对侧面的内部的竖直位置。在另一实施方案中，包括于定向凝固模具的侧面中的一种或多种材料可从定向凝固模具的内底部的高度向上延伸，而包括于定向凝固模具的底部中的一种或多种材料可从对应于定向凝固模具的一个侧面的外部的竖直位置竖直延伸经过定向凝固模具的底部直至对应于定向凝固模具的相对侧面的外部的竖直位置。在另一实施例中，包括于定向凝固模具的侧面中的一种或多种材料可从定向凝固模具的底部的高度上方的高度向上延伸，而包括于定向凝固模具的底部中的一种或多种材料可从对应于定向凝固模具的一个外侧面的竖直位置竖直延伸经过定向凝固模具的底部直至对应于定向凝固模具的另一外侧面的竖直位置，也延伸至在定向凝固模具的底部的高度以上的侧面之上。在另一实施例中，包括于定向凝固模具的侧面中的一种或多种材料可从定向凝固模具的内底部的高度向上延伸，而包括于定向凝固模具的底部中的一种或多种材料可从外夹套的侧面的内侧竖直延伸经过外夹套的内底部直至外夹套的相对侧面的内侧，或者包括于定向凝固模具的底部中的一种或多种材料可从外夹套的侧面的内侧与对应于定向凝固模具的外侧的竖直位置之间竖直延伸经过定向凝固模具的底部直至外夹套的相对内侧与对应于定向凝固模具的相对侧的外侧的竖直位置之间。

图16所示的装置4100的绝缘层4120可包括绝缘材料。绝缘材料可为任何合适的材料。例如，绝缘材料可为绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的组合。绝缘板可包括高温陶瓷板。绝缘层可包括超过一种绝缘材料。包括于绝缘层4120中的一种或多种绝缘材料可共混、混合，或者它们可位于绝缘层的分离的部分中，或者它们的组合。一种或多种绝缘材料可以以层设置。在一个实施例中，绝缘层可包括超过一层的一种或多种绝缘材料。在另一实施例中，绝缘层可包括一层的一种或多种绝缘材料。绝缘层的侧面可为与绝缘层的底部不同的材料。例如，相比于绝缘层的底部，绝缘层的侧面可具有不同的厚度、包括不同的材料组成，或它们的组合。在一个实施方案中，绝缘层设置在定向凝固模具的底部与外夹套之间。在一个优选实施方案中，绝缘层至少部分设置在定向凝固模具的侧面与外夹套的侧面之间，且绝缘层不设置在定向凝固模具的底部与外夹套的底部之间，如图16所述。

装置4100的绝缘层4120在图16中显示为设置于装置的外夹套的侧面与装置的定向凝固模具的侧面之间。如所示，绝缘层的侧面从对应于外夹套的底部的内侧的高度向上延伸。定向凝固装置的实施方案也可包括绝缘层4120的构造，其中绝缘层从对应于定向凝固模具的内部的底部的高度向上延伸。在另一实施例中，绝缘层在外夹套的底部的内侧与外夹套的底部的内侧的高度之间向上延伸。在另一实施方案中，绝缘层从对应于定向凝固模具的内部的底部的高度上方向上延伸。

图16中所示的装置4100的外夹套4130可包括任何合适的材料以围绕绝缘层和定向凝固模具。外夹套可包括一种或多种材料。在一个实施方案中，外夹套包括钢。在另一实施方案中，外夹套包括钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。外夹套的不同部分可包括不同的材料、不同的材料厚度、不同的材料组成，或它们的组合。

在一些实施方案中，外夹套可包括结构构件。结构构件可为装置增加强度和刚性，并可包括任何合适的材料。例如，结构构件可包括钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。在一个实施例中，外夹套可包括一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件在远离装置中心的方向上从外夹套的外部延伸，并围绕装置的圆周或周边水平延伸。一个或多个水平结构构件可位于例如外夹套的外部的上边缘、外夹套的外部的底部边缘、外夹套的外部的顶部边缘与底部边缘之间的任意位置。在一个实施例中，装置包括三个水平结构构件，一个结构构件位于外夹套的上边缘，一个结构构件位于外夹套的底部边缘，且一个结构构件位于外夹套的上边缘和下边缘之间。外夹套可在外夹套的外部包括一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件在远离装置中心的方向上从外夹套的外部延伸，并从外夹套的外部的底部竖直延伸至外夹套的外部的顶部。在一个实施例中，外夹套可包括8个竖直结构构件。竖直结构构件可围绕外夹套的圆周或周边均匀间隔。在另一个实施例中，外夹套包括竖直结构构件和水平结构构件。外夹套可包括延伸经过外夹套的底部的结构构件。底部上的结构构件可从外夹套的底部的一个外边缘延伸至外夹套的底部的另一边缘。底部上的结构构件也可部分延伸经过外夹套的底部。结构构件可为条、棒、管，或用于为装置增加结构支撑的任何合适的结构。结构构件可经由焊接、钎接或任何其他合适的方法附接至外夹套。结构构件可适应于有利于装置的运输和物理操纵。例如，外夹套的外部的底部上的结构构件可为具有足够尺寸、强度、取向、间隔或它们的组合的管，使得特定的叉车或其他起重机可提升或移动或其他物理操纵装置。在另一实施方案中，如上描述为位于外夹套的外部的结构构件可以可选择地或另外地位于外夹套的内部。

外夹套4130在图16中显示为在绝缘层4120的顶部上延伸，并部分覆盖定向凝固模具4110的顶部。然而，定向凝固装置的实施方案也涵盖广泛范围的相对于绝缘层4120和定向凝固模具4110的外夹套4130的各种结构构造。实施方案可包括完全延伸至定向凝固模具4110的顶部的内缘的外夹套4130、仅部分延伸经过绝缘层4120的顶部的外夹套4130，或不延伸经过绝缘层4120的任意部分的外夹套4130。也包括如下构造：其中外夹套4130不完全向上延伸至绝缘层的外部的侧面。在其中外夹套在定向凝固模具或绝缘层的顶部的任意部分上延伸的一个实施方案中，在顶部延伸的外夹套的部分可包括具有比外夹套的侧面和底部更大的绝缘性质的材料。在一些实施方案中，这种材料选择可促进装置中所需的温度梯度的形成。

图16中所示的装置4100的顶部边缘表示为定向凝固模具4110和绝缘层4120在大致相等的高度处，且外夹套的顶部在绝缘层的顶部上延伸，并在定向凝固层的顶部上部分延伸。如上所述，外夹套的顶部、绝缘层的顶部和定向凝固模具的顶部的其他构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖，包括所有合适的排列。例如，绝缘层可竖直延伸至定向凝固模具的顶部边缘上方的高度。或者，定向凝固模具可竖直延伸至定向凝固模具的顶部边缘上方的高度。绝缘层可部分或完全在定向凝固模具的顶部边缘上延伸。或者，定向凝固模具可部分或完全在绝缘层的顶部边缘上延伸。

图16所示的装置4100表示为定向凝固模具4110、绝缘层4120和外夹套4130具有特定相对厚度。然而，定向凝固装置的实施方案涵盖模具4110、绝缘件4120和外夹套4130的任何合适的相对厚度。

可使用图16中的装置4100超过一次，以定向凝固硅。当能够使用超过一次时，则可在使用之间不进行修复或者在使用之间进行最少修复的情况下再使用装置以用于定向凝固。最少修复可包括完全修补或再施用作为定向凝固模具的内部侧面的部分的涂层，例如修复顶层，包括滑移面耐火涂层。定向凝固装置的实施方案也包括可使用超过两次以用于硅的定向凝固的装置。也包括可使用超过三次、四次、五次、六次、十二次或更多次以用于硅的定向凝固的装置。

在一些实施方案中，装置仅包括底部模具。在其他实施方案中，定向凝固装置包括底部模具和顶部加热器。

图17示出了定向凝固装置的一个实施方案。显示了装置4200的剖面侧视图。装置4200包括定向凝固模具4201，所述定向凝固模具4201包括至少一种耐火材料。所述至少一种耐火材料构造为允许硅在模具内定向凝固。装置4200也包括外夹套4203。另外，装置包括绝缘层4202，所述绝缘层4202至少部分设置在定向凝固模具4201与外夹套4203之间。装置4100可超过一次用于硅的定向凝固。

图17中所示的定向凝固模具4201包括一种或多种耐火材料。定向凝固模具的侧面包括热表面耐火材料4220。在图17中，定向凝固模具的热表面耐火材料4220从外夹套的底部的内部向上延伸；如上所述，定向凝固模具的侧面的各种构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖。热表面耐火材料4220可为任何合适的耐火材料。例如，热表面耐火材料4220可为氧化铝。

在定向凝固装置的底部模具装置的构建实施方案中，可以以类似于施用湿水泥的方式施用耐火材料。可使用拖网或其他合适的工具(包括模子)以将湿的耐火材料操作成所需的形状，之后使耐火材料干燥并凝固。

图17所示的定向凝固模具4201的底部包括传导耐火材料4230。在图17中，定向凝固模具的传导耐火材料4230在对应于定向凝固模具的侧面的外部的竖直位置与对应于定向凝固模具的侧面的内部的竖直位置之间竖直延伸经过定向凝固模具的底部，至对应于定向凝固模具的相对侧面的外部的竖直位置与对应于定向凝固模具的相对侧面的外部的竖直位置之间；如上所述，定向凝固模具的侧面的各种构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖。传导耐火材料4230可为任何合适的材料。例如，传导耐火材料可含有碳化硅。通过将传导材料设置于装置底部上，从而促进定向凝固模具内的熔融硅的底部的冷却。模具底部的容易冷却有助于形成和控制定向凝固模具的底部与顶部之间的温度梯度，从而允许在模具内发生起始于底部并终止于顶部的所需定向凝固。

在一个可选择的实施方案中，定向凝固模具的底部可包括用于元件4230的任何合适的导热材料，包括碳化硅、石墨、铜、钢、不锈钢、石墨、铸铁，或它们的组合。如图17所示的实施方案，这种实施方案可包括顶层4210。或者，这种实施方案不包括顶层4210。

传导耐火材料4230在图17中显示为在其外边缘处具有附加构件4231。传导耐火材料4230的附加构件4231将传导耐火材料固定至位于热表面耐火材料4220中的接收槽4232中。将热表面耐火材料固定至传导耐火材料防止其从装置中松动。在一个实施方案中，包括附件4231和接收槽4232。在另一实施方案中，不包括附件4231和接收槽4232。在其他实施方案中，包括固定传导耐火材料的可选择的装置。

图17所示的定向凝固模具4201也包括顶层4210。顶层包括至少一种滑移面耐火材料。滑移面耐火材料可包括任何合适的耐火材料。滑移面耐火材料包括熔融二氧化硅、二氧化硅、氧化铝、氮化硅、石墨，或它们的组合。顶层4210为在从模具中移出经定向凝固的硅时保护定向凝固模具的剩余部分免于损坏。例如，图17中的定向凝固模具4201的剩余部分为热表面耐火材料4220和传导耐火材料4230。顶层4210整个可具有大致一致的厚度和组成，如图17所示。在其他实施方案中，顶层可具有可变的厚度或组成。或者，顶层的一些部分可具有大致一致的厚度和组成，且顶层的其他部分可具有可变的厚度或组成。在移出固体硅时保护定向凝固模具的剩余部分免于损坏，以及促进固体硅的移出中，当移出硅时，顶层可变得部分或全部受损。可在装置的一次或多次使用之间替换或修复顶层。可以以任何合适的方式施用顶层。顶层可作为喷雾施用，或刷涂。在另一实施例中，可使用拖网施用顶层，并类似于湿水泥铺展。在施用之后，可使顶层干燥并凝固。在一些实施方案中，胶体二氧化硅可用作顶层(包括滑移面耐火材料喷雾)的粘结剂。在顶层用于干透并准备使用之前，可加热顶层。

图17所示的装置4200的绝缘层4202至少部分设置在定向凝固模具4201与外夹套4203的侧面之间。如图17所示，具体实施方案的绝缘层从外夹套的底部的内部向上延伸。如上所述，绝缘层的各种构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖。图17所示的绝缘层4202包括两个层：内层4240和外层4250。层4240和4250可包括任何合适的绝缘材料。在一个实施方案中，外绝缘层4250包括陶瓷纸和高温陶瓷板。在一个实施方案中，外绝缘层4250包括陶瓷纸、高温毛料、高温陶瓷板，或它们的组合。在一个实施方案中，内绝缘层4240包括绝缘砖或耐火材料，其中耐火材料可包括可浇铸耐火材料。

图17所示的装置4200的外夹套4203包括任何合适的材料。例如，外夹套4203包括钢或不锈钢。在图17中，外夹套显示为在外层4250的顶部上延伸，并在内层4240的顶部上部分延伸；如上所述，绝缘层的各种构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖。

图17所示的装置4200包括锚4260。所述锚可将耐火层固定于装置中，以防止耐火层松动。例如，在图17中，锚4260可将热表面耐火材料4220固定至内层4240，并可协助固定装置。在其他实施方案中，锚可被固定至外夹套中，并可延伸通过任意数量的层以固定所述层。在其他实施方案中，锚可在任何合适的层中开始和结束。锚可包括任何合适的材料。例如，锚可包括钢、不锈钢或铸铁。锚可为任何合适的形状和任何合适的取向。通过使用锚4260、使用附件4231和槽4232、使用它们的组合，或使用可选择的固定方式来固定装置，所述装置可具有更长的寿命，并可承受更不同的处理且具有最少的损坏。另外，使用锚4260、使用附件4231和槽4232、使用它们的组合，或使用可选择的固定方式来固定装置可有助于在装置倒转时防止层从装置中脱落。

定向凝固装置-顶部加热器

在一个实施方案中，定向凝固装置也包括顶部加热器。顶部加热器可设置于底部模具的顶部上。顶部加热器的底部的形状大致匹配底部模具的顶部的形状。顶部加热器可将热量施加至底部模具的顶部，从而加热其中的硅。将热量施加至底部模具可引起底部模具中的硅熔化。另外，将热量施加至底部模具可允许控制底部模具中的硅的温度。而且，顶部加热器可设置于底部模具的顶部上而无加热，从而用作绝缘体以控制热量从底部模具的顶部释放。通过控制底部模具的顶部的温度或热量释放，可更容易地获得所需的温度梯度，这可允许更加高度控制的定向凝固。最终，对温度梯度的控制可允许更有效的定向凝固，其中所得的硅的纯度得以最大化。在一个实施方案中，可使用B型热电偶来监测炉室内部的温度。

图18示出了顶部加热器4300。顶部加热器可包括一个或多个加热构件4310。所述一个或多个加热构件中的每一个可独立地包括任何合适的材料。例如，所述一个或多个加热构件中的每一个可独立地包括加热元件，其中所述加热元件可包括碳化硅、二硅化钼、石墨或它们的组合；且所述一个或多个加热构件中的每一个可以可选择地独立地包括感应加热器。在一个实施方案中，所述一个或多个加热构件设置在大约相同高度处。在另一实施方案中，所述一个或多个加热构件设置在不同高度处。

在一个实施例中，加热元件包括碳化硅，其具有某些优点。例如，碳化硅加热元件在氧气的存在下在高温下不腐蚀。可通过使用真空室而降低包括可腐蚀材料的加热元件的氧腐蚀，但碳化硅加热元件可在无真空室的情况下避免腐蚀。另外，碳化硅加热元件可在无水冷引线的情况下使用。在一个实施方案中，加热元件可在真空室中、使用水冷引线，或上述两者的情况下使用。在另一实施方案中，加热元件可在无真空室、无水冷引线，或无上述两者的情况下使用。

在一个实施方案中，一个或多个加热构件为感应加热器。可将感应加热器浇铸至一种或多种耐火材料中。可随后将含有一个或多个感应加热线圈的耐火材料设置于底部模具上。耐火材料可为任何合适的材料。例如，耐火材料可包括氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或它们的组合。在另一实施方案中，不将感应加热器浇铸至一种或多种耐火材料中。

在一个实施方案中，一个或多个加热构件具有电系统，从而如果至少一个加热构件故障，则任何剩余的功能加热构件继续接收电力以产生热量。在一个实施方案中，每个加热构件具有其自身的回路。

顶部加热器可包括绝缘件，例如图18所示的顶部加热器4300包括绝缘件4320。绝缘件可包括任何合适的绝缘材料。绝缘件可包括一种或多种绝缘材料。例如，绝缘件可包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的混合物。绝缘板可包括高温陶瓷板。如图18所示，绝缘材料的底部边缘和一个或多个加热构件4310在大致相同的高度。一个或多个加热构件和绝缘件的其他构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖。例如，一个或多个加热构件可包括感应加热器，绝缘件可包括耐火材料，一个或多个加热构件可包入耐火材料中。在这种实施方案中，也可任选地包括另外的绝缘材料，其中另外的绝缘件可为耐火材料，或者另外的绝缘件可为另一合适的绝缘材料。在另一实施例中，一个或多个加热构件可包括感应加热器，加热构件可如图18所示的加热构件那样设置，或者以类似地不包入耐火材料中的另一构造设置。在另一实施例中，一个或多个加热构件可设置于绝缘件的底部边缘的高度的上方。在另一实施例中，绝缘件的底部边缘可设置于一个或多个加热构件的高度的上方。在其中一个或多个加热构件设置于不同高度的一个实施方案中，绝缘件的边缘可在加热构件的高度之间，或者为如上所述的任何其他构造。

顶部加热器可包括外夹套，例如图18所示的顶部加热器300包括外夹套4330。外夹套可包括任何合适的材料。例如，外夹套可包括钢或不锈钢。在另一实施方案中，外夹套包括钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。绝缘件4320至少部分设置在一个或多个加热构件与外夹套之间。在图18中，外夹套4330的底部边缘显示为与绝缘件的底部边缘以及与一个或多个加热构件大致齐平。然而，如关于如上一个或多个加热构件和绝缘件所述，外夹套、绝缘件和一个或多个加热构件的各种构造作为定向凝固装置的实施方案被涵盖。例如，外夹套的边缘可延伸至绝缘件的边缘和一个或多个加热构件的下方。在另一实施例中，外夹套的边缘可延伸至绝缘件的边缘的下方，延伸至一个或多个加热构件的下方，或它们的组合。在一个实施例中，外夹套可延伸至绝缘件的底部边缘的下方，并继续经过而完全或部分覆盖绝缘件的底部边缘。在一些实施方案中，覆盖绝缘件的边缘的外夹套的部分可包括具有相对较低的传导性的材料，如合适的耐火材料，如氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钙、氧化锆、氧化铬、碳化硅、石墨，或它们的组合。在另一实施例中，外夹套不延伸至绝缘件的底部边缘或一个或多个加热构件的高度的下方。在另一实施方案中，外夹套延伸至一个或多个加热构件的高度的下方，但仍然在绝缘件的底部边缘的上方。在其中一个或多个加热构件设置于不同高度的一个实施方案中，外夹套可延伸至加热构件的高度之间的高度，或者为如上所述的任何其他构造。

在一些实施方案中，顶部加热器外夹套可包括结构构件。结构构件可为顶部加热器增加强度和刚性。结构构件可包括钢、不锈钢、铜、铸铁、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。在一个实施例中，顶部加热器外夹套可包括一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件在远离顶部加热器中心的方向上从顶部加热器外夹套的外部延伸，并围绕顶部加热器的圆周或周边水平延伸。一个或多个水平结构构件可位于例如顶部加热器外夹套的外部的下边缘、顶部加热器外夹套的外部的顶部边缘、顶部加热器外夹套的外部的底部边缘与顶部边缘之间的任意位置。在一个实施例中，顶部加热器包括三个水平结构构件，一个结构构件位于顶部加热器外夹套的底部边缘，一个结构构件位于顶部加热器外夹套的上边缘，且一个结构构件位于顶部加热器外夹套的下边缘和上边缘之间。顶部加热器外夹套可在顶部加热器外夹套的外部包括一个或多个结构构件，所述一个或多个结构构件在远离顶部加热器中心的方向上在顶部加热器外夹套的外部延伸，并从顶部加热器外夹套的外部的底部竖直延伸至顶部加热器外夹套的外部的顶部。在一个实施例中，顶部加热器外夹套可包括8个竖直结构构件。竖直结构构件可围绕顶部加热器的圆周或周边均匀间隔。在另一个实施例中，顶部加热器外夹套包括竖直结构构件和水平结构构件。顶部加热器外夹套可包括延伸经过顶部加热器外夹套的顶部的结构构件。顶部的结构构件可从顶部加热器外夹套的顶部的一个外边缘延伸至顶部加热器外夹套的顶部的另一边缘。顶部的结构构件也可部分延伸经过外夹套的顶部。结构构件可为条、棒、管，或用于为顶部加热器增加结构支撑的任何合适的结构。结构构件可经由焊接、钎接或其他合适的方法附接至顶部加热器外夹套。结构构件可适应于有利于装置的运输和物理操纵。例如，顶部加热器外夹套的外部的顶部上的结构构件可为具有足够尺寸、强度、取向、间隔或它们的组合的管，使得特定的叉车或其他起重机可提升或移动或其他物理操纵顶部加热器。在另一实施方案中，如上描述为位于顶部加热器外夹套的外部的结构构件可以可选择地或另外地位于顶部加热器外夹套的内部。在另一实施方案中，可使用吊车或其他提升装置、使用附接至顶部加热器的链条(包括附接至顶部加热器的结构构件的链条或附接至顶部加热器的非结构构件的链条)移动顶部加热器。例如，可将4个链条附接至顶部加热器外夹套的上边缘而形成用于吊车的系带，以提升或移动顶部加热器。

定向凝固装置-冷却

如上所述，通过控制装置中的温度梯度，可获得高度受控的定向凝固。对温度梯度和相应的定向结晶的高程度的控制可允许更有效的定向凝固，从而提供高纯度的硅。在定向凝固装置的各个实施方案中，定向结晶从大约底部进行至顶部，因此所需的温度梯度在底部具有更低的温度，在顶部具有更高的温度。在具有顶部加热器的实施方案中，顶部加热器为控制热量从定向凝固模具的顶部进入或损失的一种方式。定向凝固装置的一些实施方案在定向凝固模具中包括传导耐火材料以引起来自装置的底部的热量损失，而一些实施方案也在定向凝固模具的侧面包括绝缘材料以防止热量从其损失，并促进竖直热梯度的形成且阻止水平热梯度的形成。在使用定向凝固装置的一些方法中，风扇可穿过装置底部(例如穿过外夹套的底部)吹风，以控制来自装置底部的热量损失。在使用定向凝固装置的一些方法中，在不使用风扇的情况下使用环境空气的循环来冷却装置，包括装置的底部。

在定向凝固装置的一些实施方案中，可将一个或多个热传递翅片附接至外夹套的底部，以促进装置的空气冷却。风扇可通过吹风经过外夹套的底部而提高冷却翅片的冷却效果。可使用任何合适数量的翅片。一个或多个翅片可从装置底部吸收热量，并允许通过空气冷却而去除热量，翅片的表面积促进所述空气冷却。例如，翅片可由铜、铸铁、钢或不锈钢制得。

在定向凝固装置的一些实施方案中，包括至少一个液体导管。所述至少一个液体导管构造为允许冷却液体通过导管，由此将热量传递离开定向凝固模具。冷却液体可为任何合适的冷却液体。冷却液体可为一种液体。冷却液体可为超过一种液体的混合物。冷却液体可包括水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、油、油的混合物，或它们的组合。

在一些实施方案中，至少一个液体导管包括管。管可包括任何合适的材料。例如，管可包括铜、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。至少一个液体导管可包括通过材料的导管。导管可通过任何合适的材料。例如，导管可通过包括如下的材料：铜、碳化硅、石墨、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。至少一个液体导管可为管和通过材料的导管的组合。在一些实施方案中，至少一个液体导管可与装置的底部相邻设置。至少一个液体导管可设置于装置的底部内。至少一个液体导管的位置可包括与装置的底部相邻和在装置的底部内的组合。

包括于定向凝固装置的一些实施方案中的液体导管涵盖允许冷却液体将热量传递远离定向凝固模具的多种构造。可使用泵来移动冷却液体。可使用冷却系统以从冷却液体去除热量。例如，可使用一个或多个管，包括管道。一个或多个管可为任何合适的形状，包括圆形、方形或平直的。管可为盘绕的。管可与外夹套的外部相邻。在优选实施方案中，管可与外夹套的外部的底部相邻。管可接触外夹套，从而产生足够的表面积接触以允许热量从装置有效传递至冷却液体。管可以以任何合适的方式(包括沿着管的边缘)接触外夹套。管可焊接、钎接或通过任何合适的方法附接至外夹套的外部。可使管平直至外夹套的外部，以提高热传递的效率。在一些实施方案中，至少一个液体导管为通过底部模具的底部的一个或多个导管。通过底部模具的底部的导管可为包入包括于定向凝固模具中的耐火材料中的管。管可进入外夹套的一部分，通过定向凝固模具底部的耐火材料或传导材料或它们的组合，并离开外夹套的另一部分。包入定向凝固模具的底部耐火材料或底部传导材料中的管可为盘绕的，或者以任何合适的形状设置，包括在进入装置底部之前前后移动一次或多次。

在另一实施方案中，至少一个液体导管包括包入耐火材料、导热材料或它们的组合中的管，其中材料为足够大以设置装置的一块材料。导管可通过任何合适的材料。例如，导管可通过包括如下的材料：铜、碳化硅、石墨、铸铁、钢、不锈钢、耐火材料、耐火材料的混合物，或它们的组合。冷却液体可从其上设置底部模具的耐火材料去除热量，由此从装置底部去除热量。

定向凝固装置-总体

图19示出了用于硅的定向凝固的装置4400的一个具体实施方案，其包括设置于底部模具4420的顶部的顶部加热器部分。顶部加热器包括链条4401，所述链条4401经由竖直结构构件4403中的孔穴4402而连接至顶部加热器4410。链条4401形成系带，所述系带可允许通过使用吊车而移动顶部加热器。也可例如通过在剪刀式升降机上设置装置的底部半部，并同时将顶部加热器留在底部半部上而移动所述装置。所述装置可以以任何合适的方式移动。竖直结构构件4403从顶部加热器4410的外夹套的底部边缘竖直延伸至顶部加热器4410的不锈钢外夹套的顶部边缘。竖直结构构件设置于顶部加热器外夹套的外部，并平行于远离顶部加热器的中心的方向从夹套延伸。顶部加热器也包括水平结构构件4404，所述水平结构构件4404设置于顶部加热器外夹套的外部，并在与远离顶部加热器的中心的方向平行的方向上从夹套延伸。顶部加热器也包括唇缘4405，所述唇缘4405为顶部加热器的外夹套的部分。所述唇缘从顶部加热器的外夹套突出。所述唇缘可朝向顶部加热器的中心轴线向内延伸，使得其覆盖顶部加热器的绝缘件达到任何合适的程度。或者，唇缘可向内延伸至仅仅足以覆盖顶部加热器的外夹套的底部边缘。筛箱4406围绕从顶部加热器的外夹套突出的加热构件的端部，从而保护使用者免于可能在这些构件的端部中存在或这些构件的端部附近存在的热量和电力。

在图19所示的具体实施方案中，来自底部模具4420的绝缘件4411在顶部加热器4410与底部模具4420之间。底部模具的一个或多个绝缘层中的至少部分延伸至底部模具的外夹套的高度的上方。底部模具包括竖直结构构件4412。竖直结构构件4412在底部模具的外夹套的外表面上，并平行于远离底部模具中心的方向远离外夹套延伸。竖直结构构件4412从外夹套的底部边缘竖直延伸至外夹套的顶部边缘。底部模具也包括水平结构构件4413。水平结构构件4413在底部模具的外夹套的外表面上，并平行于远离底部模具中心的方向远离外夹套延伸。水平结构构件4413围绕底部模具的圆周水平延伸。底部模具也包括底部结构构件4414和4415。底部结构构件4414和4415平行于远离底部模具中心的方向远离外夹套延伸。底部结构构件延伸经过底部模具的底部。底部结构构件4415中的一些成形为允许叉车或其他机器提升或物理操纵装置。

图20示出了朝向顶部加热器4500的底部的视图，其为用于硅的定向凝固的装置的一个实施方案的部分。在该具体实施方案中，外夹套在顶部加热器的底部边缘处在绝缘层4520的部分上延伸。加热构件4530在相等高度处，且顶部加热器的外夹套4510和绝缘件4520的底部边缘在加热元件的高度的下方。

图21示出了朝向用于硅的定向凝固的装置4600的一个实施方案的定向凝固模具的内部的视图。在该具体实施方案中，外夹套4610的边缘不在绝缘层4620的边缘上延伸。相反，绝缘层4620在定向凝固模具4630的顶部边缘上延伸。定向凝固模具的顶部边缘在绝缘件4620和外夹套4610的顶部边缘的高度的下方。所述实施方案的总体三维形状类似于大的厚壁碗的总体三维形状。

图22示出了通过使用定向凝固装置的本发明的方法的实施方案而产生的硅锭4700。所述锭显示为具有面向上的锭的底部4701和面向下的锭的顶部4702。在通过在定向凝固装置的一个实施方案中定向结晶而产生锭4700之后，锭4700在最后凝结的部分(在锭的顶部4702处)中具有最大量的杂质。因此，在一些实施方案中，使用例如带锯去除锭的顶部4702，以增加锭4700的总体纯度。

定向凝固装置-使用方法

本发明可包括一种使用本文描述的定向凝固装置提纯硅的方法，其中所述装置可为装置的任意实施方案。本发明的定向凝固步骤可使用任何方法在任何合适的装置中进行，本文给出的以某种方式使用定向凝固装置的特定实施方案的实施例仅为进行定向凝固步骤的一个实施例。使用本文描述的定向凝固装置的方法可为任何合适的方法。在一个实施方案中，所述方法可包括提供或接收第一硅。所述第一硅可包括任何合适的纯度级别的硅。所述方法可包括至少部分熔化第一硅。所述方法可包括完全熔化所述第一硅。至少部分熔化第一硅可包括完全熔化第一硅、几乎完全熔化第一硅(熔化超过约99重量％、95重量％、90重量％、85重量％或80重量％)，或部分熔化第一硅(熔化少于约80重量％或更少)。熔化第一硅可提供第一熔融硅。所述方法可包括提供或接收定向凝固装置。定向凝固装置可基本上类似于上述定向凝固装置。所述方法可包括定向凝固第一硅，以提供第一熔融硅。在一些实施方案中，硅定向凝固大约起始于定向凝固模具的底部，并大约终止于定向凝固模具的顶部。所述定向凝固可提供第二硅。第二硅的最后凝结的部分包括比第一硅更大浓度的杂质。除了最后凝结的部分之外的第二硅的部分可包括比第一硅更低浓度的杂质。

在一些实施方案中，第二硅可为硅锭。硅锭可适用于切割成太阳能晶片，以用于制造太阳能电池。可使用例如带锯、线锯或任何合适的切割设备将硅锭切割成太阳能晶片。

在一些实施方案中，所述方法在真空中、在惰性气氛中，或在环境空气中进行。为了在真空中或在惰性气氛中进行所述方法，可将装置设置于室中，所述室能够小于大气压，或能够填充具有比环境空气更大浓度的惰性气体的气氛。在一些实施方案中，可将氩气泵送至装置中或泵送至容纳装置的室中，以置换来自装置的氧气。

在一些实施方案中，所述方法包括将上述顶部加热器设置于定向凝固模具上。在添加熔融硅之前，可预热底部模具(包括定向凝固模具)。可使用顶部加热器预热底部模具。预热底部模具可有助于防止硅在模具壁上的过度快速凝固。可使用顶部加热器熔化第一硅。在硅熔化之后，可使用顶部加热器将热量传递至硅。当硅在定向凝固模具中熔化时，在硅熔化之后，顶部加热器可将热量传递至硅。可使用顶部加热器控制硅顶部的热量。顶部加热器可用作绝缘体，以控制底部模具顶部的热损失量。可在装置外部(如在炉子中)熔化第一硅，然后添加至装置。在一些实施方案中，在将在装置外部熔化的硅添加至装置之后，可使用顶部加热器将所述硅进一步加热至所需的温度。

在包括顶部加热器(其包括感应加热器)的定向凝固装置中，在将硅添加至底部模具之前可熔化所述硅。或者，顶部加热器可包括加热元件以及感应加热器。对于熔融硅，感应加热可更有效。感应可引起熔融硅的混合。在一些实施方案中，可充分调节功率，以优化混合的量，因为过多的混合可改进杂质的分离，但例如如果将过大量的小气泡引入熔融硅中，则也可在最终硅锭中产生不希望的孔隙率。

定向凝固可包括从定向凝固装置的底部去除热量。热量的去除可以以任何合适的方式进行。例如，热量的去除可包括穿过定向凝固装置的底部鼓吹风扇。热量的去除可包括在不使用风扇的情况下使环境空气冷却装置的底部。热量的去除可包括使冷却液体通过与装置底部相邻的管、通过经过装置底部的管、通过经过其上设置装置的材料的管，或它们的组合。从装置底部去除热量允许在装置中建立热梯度，所述热梯度使装置中的熔融硅大约从定向凝固模具的底部至模具的顶部定向凝固。

从装置底部去除热量可进行达到定向凝固的整个持续时间。可使用多个冷却方法。例如，装置的底部可为液体冷却以及使用风扇冷却。风扇冷却可作为定向凝固的部分进行，液体冷却作为定向凝固的另一部分进行，在两个冷却方法之间具有任何合适量的重叠或缺乏任何合适量的重叠。使用液体冷却可作为定向凝固的部分进行，单独的环境空气冷却作为另一部分进行，在两个冷却方法之间具有任何合适量的重叠或缺乏任何合适量的重叠。将装置设置于经冷却的材料块上进行冷却也可达到定向凝固的任何合适的持续时间，包括与具有任何合适量的重叠的其他冷却方法的任何合适的组合。可进行底部的冷却，并同时将热量添加至顶部；例如，同时将热量添加至顶部以增加顶部的温度，以保持顶部的温度或允许顶部的特定冷却速率。加热装置的顶部、冷却底部和它们的组合的所有合适的构造和方法(具有任何合适量的暂时重叠或缺乏任何合适量的暂时重叠)作为使用定向凝固装置进行定向凝固步骤的实施方案被涵盖。

定向凝固可包括使用顶部加热器将硅加热至至少约1450℃，并在大约10至16小时内将硅顶部的温度由大约1450℃缓慢冷却至1410℃。定向凝固可包括使用顶部加热器将硅加热至至少约1450℃，并将硅顶部的温度在大约1425至1460℃之间保持大致恒定达约10-20小时或大约14小时。定向凝固可包括关闭顶部加热器，从而使硅冷却达到大约4-12小时，然后从定向凝固模具去除顶部加热器。

在一个实施方案中，定向凝固包括使用顶部加热器将硅加热至至少约1450℃，并将硅顶部的温度在大约1425至1460℃之间保持大致恒定达大约14小时。所述实施方案可包括关闭顶部加热器，从而使硅冷却达到大约4-12小时，然后从定向凝固模具去除顶部加热器。

在另一实施方案中，定向凝固包括使用顶部加热器将硅加热至至少约1450℃，并在大约10至16小时内将硅顶部的温度由大约1450℃缓慢冷却至1410℃。所述实施方案包括关闭顶部加热器，从而使硅冷却达到大约4-12小时，然后从定向凝固模具去除顶部加热器。

所述方法可包括从定向凝固装置中移出第二硅。可通过任何合适的方法移出硅。例如，可通过倒置装置，并使第二硅落出定向凝固模具而移出硅。在另一实施例中，将定向凝固装置从中间分开而形成两个半部，从而使第二硅易于从模具中移出。

所述方法可包括从经定向凝固的第二硅去除任何合适的部段。优选地，合适部段的去除造成硅锭的总体纯度的增加。例如，所述方法可包括从经定向凝固的第二硅去除最后凝结的部分的至少部分。优选地，经定向凝固的硅的最后凝结的部分为锭的顶部，因为所述最后凝结的部分在自下而上的定向凝固过程中取向。最大浓度的杂质通常在经凝固的硅的最后凝结的部分中出现。因此，去除最后凝结的部分可从经凝固的硅上去除杂质，从而产生具有比第一硅更低浓度的杂质的经修整的第二硅。硅的部段的去除可包括使用带锯切割固体硅。硅的部段的去除可包括喷丸或蚀刻。喷丸或蚀刻也可通常用于清洁或去除第二硅的任意外表面，而不仅仅是最后凝结的部分。从经定向凝固的部段去除合适的部段也可包括使用喷砂而从硅的表面去除杂质，如下所述。

本发明的方法可任选地包括喷砂步骤，其中将合适的介质喷砂至固体硅的表面上，以从固体硅的表面去除杂质。可使用任何合适的介质进行喷砂。将介质加速至高速以将其喷砂至介质的表面的方法可为任何合适的加速方法。在一些实施方案中，介质足以导致硅表面的磨损，以从硅表面去除表面杂质。在一些实施方案中，磨损也可能从固体硅上去除一些硅，但通过也从硅上去除表面杂质并由此增加经喷砂的硅的总体体积的平均纯度，硅的略微损失是可接受的。可使用任何合适体积的介质用于喷砂。喷砂可以以任何合适的速率进行。喷砂可进行任何合适的持续时间。在一些实施方案中，喷砂可在合适的室中进行，以有助于防止介质在进行喷砂的环境周围散布。

在一个实施方案中，用于喷砂的合适的介质包括砂子。所述砂子可为任何合适的砂子。在另一实施方案中，用于喷砂的合适的介质包括固体二氧化碳(也称为干冰)。可将干冰研磨至任何合适的尺寸。干冰可为有利的，因为在干冰升华至气相之后，其留下极少残余材料或不留下残余材料。在一些实施方案中，可在喷砂之后使用喷干冰，以消除可能在喷砂之后留下的颗粒物质。

在各个实施方案中，将介质加速至高速以将其喷砂至介质表面的方法可包括使用增压空气。增压空气可以以高速从孔口逸出，并用于以高速将合适的介质携带至硅，从而允许介质喷砂硅。

经提纯的硅

通过本文描述的方法提纯的硅可足够纯，使得硅足以用于形成太阳能电池。通过本文描述的方法提纯的硅可适用于光伏设备中，并可含有比磷更少的硼(以ppmw计)。在一些实施方案中，如果硼水平足够低，则有利的是在UMG中具有比磷水平更高的硼水平，因为这允许UMG与来自Siemens过程的多晶硅共混，并获得更高的产率和电池效率。来自Siemens过程的多晶硅通常具有约0.1ppmw以下的硼水平和磷水平。将UMG与硼水平和磷水平低于所述UMG的多晶硅共混降低了经共混的UMG/多晶硅中的平均磷水平和平均硼水平。因此，相比于由硼水平低于磷水平的UMG硅制得的多晶锭，由硼水平高于磷水平的UMG硅制得的多晶锭可具有更接近多晶锭中的表面的P/N结。如果硼水平足够低，并且磷水平低于硼水平，则有可能完全不具有P/N结。磷水平高于硼水平的UMG硅趋于具有距离多晶锭中的表面更深且更远的P/N结，这限制了来自所述锭的可用材料的产率。在一些实施方案中，可能有利的是硼含量低于约0.7ppmw，因为此时可在由UMG或经共混的UMG生长的多晶锭的底部处或底部附近获得更高的最小电阻率。通常补偿硼和/或磷的水平高于0.7ppmw的UMG硅，以增加晶片的电阻率，从而改进电池效率。可补偿硼和/或磷的水平高于0.3ppmw的UMG硅，以增加晶片的电阻率，从而改进电池效率。补偿改进了平均电池效率，但是由于降低的载流子迁移率以及经由诸如俄歇复合的机理而增加的复合，所述补偿趋于阻碍UMG具有与得自Siemens过程的多晶硅可相比的电池效率。也可在不与多晶硅共混的情况下将磷水平低于硼水平的经提纯的硅加工成太阳能电池。在一些实施方案中，有可能不将任何掺杂剂(硼或磷)添加至由本过程的实施方案制得的太阳能硅中。可使用硼少于磷(以ppmw计)、硼少于0.7ppmw，且其他金属杂质少于1ppmw的由冶金过程制得的经提纯的UMG硅来制备太阳能电池。

在一些实施例中，磷水平为约0.2ppmw且硼水平为约0.5ppmw、其他杂质少于1ppmw的由冶金过程制得的经提纯的UMG硅可产生15.0至15.5％之间的平均电池效率。磷水平为约0.40ppmw且硼水平为约0.45ppmw、其他杂质少于0.2ppmw的由冶金过程制得的经目前的标准电池过程提纯的UMG硅可产生15.5至16.3％之间的平均电池效率以及经优化的电池结构。磷水平为2.5ppmw且硼水平为1.0ppmw并且其他金属在辉光放电质谱仪(GDMS)的检出限以下的UMG硅(标准电池生产线，无用于UMG的特定处理)可制得效率为14.3-15.0％之间的电池。因此，由于用以获得良好的平均电池效率的所得的可接受的电阻率和足够高的载流子迁移率，可能有利的是磷水平低于硼水平。

实施例

通过参考以举例说明的方式提供的如下实施例，可更好地理解本发明。本发明不局限于本文提供的实施例。

实施例1

将单程母液A与MG-Si或其他硅原料混合。将熔融混合物SP(单程)B冷却，以生长硅晶体“SP片料B”和SP母液B。分离SP母液B和SP片料B。所述SP母液B作为副产品销售至铝件铸造业、压铸业和二次熔炼业。混合物为约40％的硅和60％的铝。将所述混合物熔化至约液相线温度。将所述混合物加热至约950℃以上。将所述混合物冷却至约720℃。所述混合物产生约32重量％的片料。冷却进行超过约15小时。使用约2,200kg或更多作为批量大小。

将双程(DP)母液B与MG-Si或其他硅源混合。冷却熔融混合物SP A，以生长硅晶体SP片料A和SP母液A。分离SP母液A和SP片料A。

混合SP A片料和/或SP B片料和DP母液A。冷却熔融混合物3“DP B”，以生长硅晶体DP片料B和DP母液B。分离DP母液B和DP片料B。

混合SP A片料和/或SP B片料和母液TP。冷却熔融混合物4“DP A”，以生长硅晶体DP片料A和DP母液A。混合DP母液A和DP片料A。

混合DP A片料和/或DP B片料和铝。使熔融混合物5“TP”的温度缓慢下降，以生长硅晶体TP片料A和TP母液。分离TP母液与TP片料。

使用HCl将铝从TP片料中溶出，并且将所述片料与水和HCl一起置于塑料筐中并与逐渐增强的HCl反应，以将铝溶解成聚氯化铝。将所述聚氯化铝作为副产品销售以用于废水或饮用水处理。使用来自HCl与铝的放热反应的热量在50-90℃之间完成所述反应。在HCl反应之后，用水冲洗片料。干燥所述片料以去除任何痕量的冲洗水。

任何粉末或任何剩余的铝和/或外来污染物被机械地去除。在筛或栅板上振动所述片料，并使用袋滤室从片料中取出硅粉。使用一系列的栅板以从粉末球、耐火污染物或其他外来物中分离所述片料。将所述粉末状的硅作为副产品销售。

使用熔渣将所述片料熔化成熔融硅。所述熔渣为NaCO₃+CaO+SiO₂的7重量％硅的混合物。在倒出之前，可从浴的表面撇除所述熔渣。可将所述硅倾倒通过泡沫陶瓷过滤器。

1.5吨的锭从底部至顶部定向凝固。使用顶部加热器，在模具上使用比侧面绝缘更加导热的底部。使用风扇来冷却模具的底部。可使用具有经金刚石涂布的刀片的带锯或圆盘锯来切除顶部。可在顶部仍为液体时将其倒掉。可用来自机械进风的夹剪(chunking)或者通过热淬火来折断顶部或最后凝结的硅。可使用Al₂O₃介质将所述锭喷砂以清洁表面。切除最后凝结的硅的顶部。将定向凝固过程和最后凝结去除过程重复2次。

在一个实施方案中，所述过程可制得经提纯的硅，所述经提纯的硅的硼水平小于0.75ppmw，铝水平小于1.0ppmw，磷水平小于0.8ppmw，且其他金属元素水平总计小于1ppmw。在另一实施方案中，所述过程可制得经提纯的硅，所述经提纯的硅的硼水平小于0.5ppmw，铝水平小于0.5ppmw，磷水平小于0.5ppmw，金属水平小于0.25ppmw，且其他元素水平总计小于1ppmw。可添加磷或其他N型掺杂剂，以将硅的电阻率增加至0.30ohm/cm或更高。可使用所述过程制备超过20吨/月。其他金属杂质可包括镁、钛、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钼、镉、锡、钨、铅和铀中的一种或多种。

来自所述过程的硅(如最后凝结的硅、碎片或废料)可通过在同一步骤或之前的步骤时将它们放回至所述过程中，从而在所述过程中再循环。

使用SIMS(次级离子质谱法)测试由所述过程制得的硅，所述硅具有Ca<0.0001pppmw、Al<0.01pppmw、P为0.172pppmw、B为0.623pppmw、C为5.205pppmw且O为3.771pppmw。使用GDMS测试所述硅，所述硅具有B为0.77ppmw、Al为0.22ppmw、P为0.26ppmw，且所有其他测试元素均在检出限以下。以ppmw计，在经提纯的硅中磷水平低于硼水平。

实施例2

将SP母液A与MG-Si或其他硅源混合。使熔融混合物“SP B”的温度下降,以生长硅晶体“SP片料B”和SP母液B。分离SP母液B和SP片料B。

将DP母液与MG-Si或其他硅源混合。冷却熔融混合物“SP A”，以生长硅晶体“SP片料A”和SP母液A。分离SP母液A和SP片料A。

混合SP A片料和/或SP B片料和铝。使熔融混合物“DP”的温度缓慢下降，以生长硅晶体“DP片料A”和DP母液。分离DP母液与DP片料。

使用HCl从DP片料中溶出铝。粉末或任何剩余的铝和/或外来污染物被机械地去除。使用熔渣熔化所述片料，并注入气体，使氧气进入熔融硅中。

使硅定向凝固。切除最后凝结的硅的顶部。将定向凝固和最后凝结的硅的去除重复2次。在一个实施方案中，该过程制得经提纯的硅，如通过SIMS所测得，所述经提纯的硅具有P为0.29ppmw、B为1.2ppmw，且Al小于0.01ppmw。在另一实施方案中，该过程制得经提纯的硅，如通过SIMS所测得，所述经提纯的硅具有P为0.40ppmw、B为0.88ppmw，且Al小于0.01ppmw。

具有2次定向凝固的所述过程制得经提纯的硅，如通过SIMS所测得，所述经提纯的硅具有P为0.40ppmw、B为0.40ppmw，且Al为0.86ppmw。所述过程可仅使用2次定向凝固而将铝水平降低至GDMS的检出限以下。

实施例3

图8显示了作为四程级联的本发明的一个实施方案，所述四程级联使用4个炉子进行，以制备硼小于0.52ppmw的四程硅片料722。单程炉子具有10,000kg的容量。对于第一程704，将2,200kg的熔融的60％铝和40％硅(850kg的来自第二程的母液724，850kg的来自第一程的第一次重复702的再使用的母液703，和500kg的硅716)倒入可保持熔融混合物的容器中，使其在所述容器中冷却大约16小时，这制得约704kg的硅的第一程片料718。在冷却之前，可将任选的含氯气体添加至熔融混合物中。将约50％的液体母液741倒出至沟模(sow mould)中，以作为副产品销售用于制备铝铸造合金。将另外50％的母液724(来自第一程704)或850kg以液体形式倒回，或者作为固体沟料(sow)添加回至同一单程炉子中，以用于第一程的第一次重复702。也将850kg的作为液体或固体的第二程母液742与500kg的硅716一起添加至单程炉子中，以用于第一程的第一次重复702。当冷却熔浴以生长片料时，这制得大约704kg的单程硅片料718。对于每2,200kg的批量，将500kg的冶金等级硅或废料硅716添加至炉子中。所述废料硅、由另一过程提纯的硅或者冶金硅可具有大约小于5ppmw的硼水平。在每个完整的循环中进行该步骤2次(例如，第一程704和第一程的第一次重复702)，以在所述过程中具有母液和片料的平衡量。

接下来，在容量为10,000kg的双程炉子中，对于第二程708，704kg的单程片料718与1,496kg的母液一起熔化，其中50％的母液来自双程加热(约748kg，724，来自第二程708)，50％的母液来自三程加热(约748kg，743)，所述来自三程加热的母液已在三程炉子中使用2次。这制得704kg的双程片料720。所述母液可以以液体或固体形式添加至炉子中。所述1496kg母液中的一半用于724(来自第二程708)第二程的第一次重复706，且所述母液的另一半742用于提高在所述第一程的第一次重复702中的母液的纯度。在所述第二程的重复706之后，所述母液的一半707在第二程708中再使用，且另一半724(来自第二程的重复706)在第一程704中使用。可将废料硅而不是单程片料718添加至炉子中，并且所述废料硅可具有小于2.1ppmw的硼水平。如同在第一程中一样，该步骤在每次完整的循环中进行2次(例如，第二程708和第二程的第一次重复706)，但可进行1次或多次以调节质量平衡和使用母液的次数。

接下来，使用容量为2,200kg的三程炉子。对于第三程712，704kg的双程片料720与1,496kg的四程母液724一起熔化。这制得704kg的三程片料730和1,496kg的三程母液724，所述三程母液724已使用1次。三程母液724(来自第三程712)在同一炉子中与704kg的双程片料720一起完全再使用而用于第三程的第一次重复710。这制得704kg的三程片料730和1,496kg的三程母液(724(来自第三程的第一次重复710)和743)，所述三程母液已使用2次。可使用硼水平小于1.3ppmw的废料硅而非使用双程片料720。

接下来，使用容量为2,200kg的四程炉子。1,210kg的三程片料730与990kg的铝712一起熔化，所述铝712含有小于0.80ppmw的硼。这制得四程母液724和四程片料722。可使用硼小于0.80ppmw的废料硅而非三程片料以用于该步骤。

通过再使用母液或一定百分比的母液一次或多次而完成每个步骤。对于本领域技术人员而言清楚的是，通过调节步骤的重复次数、通过调节再循环的母液量，以及通过调节在每一步骤中添加的硅量和硅源，可使级联700的质量平衡稳定地守恒。母液可不在一个步骤中使用而跳至下游的步骤。可在所述过程的任何步骤中添加废料硅、冶金硅或通过另一方法提纯的硅而非用于硅单元的片料。片料生成步骤可进行2次或更多次，该实施例显示在循环中的4个进程和7次结晶。所述过程可在不同尺寸的炉子中以不同的批量大小进行。在每个步骤中，硅与铝的比例可调节为20-70％。

在HCl和水中处理四程片料722，并使铝水平降低至约1000-3500ppmw。所产生的聚氯化铝可作为副产品销售以用于提纯水。可随后在炉子中熔化四程片料，在所述炉子中所述四程片料与熔渣反应。任选地，可过滤熔融硅，或者在定向凝固之前将气体注入熔融硅中。任选地，可过滤熔融铝-硅混合物或母液。

随后将熔融硅定向凝固，并去除最后凝结的部分。随后再次将硅定向凝固，并去除最后凝结的硅的一些部分。在生长晶体之前，可将含氯的气体或化合物添加至进程中的任意者中。该过程产生经提纯的硅，所述经提纯的硅具有B为小于0.45ppmw，P为小于0.60ppmw，且Al小于0.50ppmw。所述硅可用于制备锭和晶片，所述锭和晶片用于制备具有15.5％以上的高效率的光伏电池。所述硅可与其他废料硅或与使用其他方法提纯的硅共混，以制备用于制造光伏锭、晶片和电池的原料。以所述实施例的方式提纯的硅的纯度的例子在下表中给出。

表2

Si中的B的全分析

检出限<0.001ppmw

表3

Si中的P的全分析

检出限<0.003ppmw

表4

Si中的Al的全分析

实施例4

在使用高温毛料绝缘件绝缘的顶部加热器和钢壳中使用碳化硅电阻元件。将熔融硅(1.4吨)倒入装置的耐火材料内衬的预热的底部部段中。装置具有包括凹模斜角的氧化铝耐火材料壁，以允许在冷却之后倒出硅。耐火材料的壁涂布有氧化铝耐火材料的薄的滑移面，以及Si₃N₄粉末的第二层。定向凝固模具的底部由碳化硅耐火材料制得，钢壳的外部由风扇冷却，所述风扇在外壳的底部吹风。加热器设定在1450℃下达14小时，然后关闭元件。6小时之后，移出顶部加热器部段，使硅冷却至室温。翻转模具。将1.4吨的锭切成两半，切除锭的顶部25％以去除杂质。晶粒为约1-2cm宽且3-10cm高，从而类似于来自Bridgeman过程的标准锭在竖直方向上形成柱。

实施例5

在使用高温毛料绝缘件绝缘的顶部加热器和钢壳中使用碳化硅电阻元件。将熔融硅(0.7吨)倒入装置的耐火材料内衬的预热的底部部段中。装置具有氧化铝耐火材料壁，所述氧化铝耐火材料壁包括中间分型线以移出硅锭。耐火材料的壁涂布有SiO₂耐火材料的薄的滑移面。定向凝固模具的底部由石墨制得，钢壳的外部由风扇冷却，所述风扇在外壳的底部吹风。加热器设定在1450℃下达12小时，然后关闭元件。6小时之后，移出顶部加热器部段，使硅冷却至室温。在分型线处打开模具。将0.7吨的锭切成两半，切除锭的顶部15％以去除杂质。晶粒为约1cm宽且3-10cm高，从而类似于来自Bridgeman过程的标准锭在竖直方向上形成柱。

已使用的术语和表述用作描述的术语而不是限制性的术语，且在这些术语和表述的使用中不旨在排除所示和所描述的特征或其部分的任何等同替代，但应认识到在所要求保护的本发明的范围内各种修改是可能的。因此，应了解尽管本发明已通过优选的实施方案和任选的特征具体公开，但本领域技术人员可采取对所公开的本文的概念的修改和改变，且这些修改和改变被认为在由所附权利要求书所限定的本发明的范围内。

另外的实施方案。

本发明提供了如下示例性实施方案，所述示例性实施方案的编号不被解释为表示重要的水平：

实施方案1提供了一种用于提纯硅的方法，其包括：从包括铝的熔融溶剂中重结晶起始材料硅，以提供最终经重结晶的硅晶体；使用水性酸溶液洗涤所述最终经重结晶的硅晶体，以提供最终经酸洗的硅；以及定向凝固所述最终经酸洗的硅，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

实施方案2提供了根据实施方案1所述的方法，其还包括喷砂或喷冰所述最终经定向凝固的硅晶体，以提供经喷砂或喷冰的最终经定向凝固的硅晶体，其中所述经喷砂或喷冰的最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度大于所述最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度。

实施方案3提供了根据实施方案1-2中任一者所述的方法，其还包括去除所述最终经定向凝固的硅晶体的一部分，以提供经修整的最终经定向凝固的硅晶体，其中所述经修整的最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度大于所述最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度。

实施方案4提供了根据实施方案1-3中任一者所述的方法，其中起始材料硅的重结晶包括：使所述起始材料硅与包含铝的溶剂金属充分接触，以提供第一混合物；充分熔化所述第一混合物，以提供第一熔融混合物；充分冷却所述第一熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和母液；以及分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

实施方案5提供了根据实施方案1-4中任一者所述的方法，其中起始材料硅的重结晶包括：使所述起始材料硅与第一母液充分接触，以提供第一混合物；充分熔化所述第一混合物，以提供第一熔融混合物；充分冷却所述第一熔融混合物，以形成第一硅晶体和第二母液；分离所述第一硅晶体和第二母液，以提述第一硅晶体；使所述第一硅晶体与包含铝的第一溶剂金属充分接触，以提供第二混合物；充分熔化所述第二混合物，以提供第二熔融混合物；充分冷却所述第二熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液；以及分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

实施方案6提供了根据实施方案1-5中任一者所述的方法，其中起始材料硅的重结晶包括：使所述起始材料硅与第二母液充分接触，以提供第一混合物；充分熔化所述第一混合物，以提供第一熔融混合物；冷却所述第一熔融混合物，以形成第一硅晶体和第三母液；分离所述第一硅晶体和第三母液，以提述第一硅晶体；使所述第一硅晶体与第一母液充分接触，以提供第二混合物；充分熔化所述第二混合物，以提供第二熔融混合物；冷却所述第二熔融混合物，以形成第二硅晶体和第二母液；分离所述第二硅晶体和第二母液，以提述第二硅晶体；使所述第二硅晶体与包含铝的第一溶剂金属充分接触，以提供第三混合物；充分熔化所述第三混合物，以提供第三熔融混合物；冷却所述第三熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液；以及分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

实施方案7提供了根据实施方案1-6中任一者所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：充分组合所述最终经重结晶的硅与酸溶液，以使得所述最终经重结晶的硅至少部分与所述酸溶液反应，从而提供第一混合物；以及分离所述第一混合物，以提供最终经酸洗的硅。

实施方案8提供了根据实施方案1-7中任一者所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：充分组合所述最终经重结晶的硅与酸溶液，以使得所述最终经重结晶的硅至少部分与所述酸溶液反应，从而提供第一混合物；分离所述第一混合物，以提供经酸洗的硅和酸溶液；组合所述经酸洗的硅与冲洗溶液，以提供第四混合物；分离所述第四混合物，以提供湿的经提纯的硅和冲洗溶液；以及充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅。

实施方案9提供了根据实施方案1-8中任一者所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：充分组合所述最终经重结晶的硅与弱酸溶液，以使得第一络合物至少部分与所述弱酸溶液反应，从而提供第一混合物；分离所述第一混合物，以提供第三硅-铝络合物和弱酸溶液；充分组合所述第三硅-铝络合物与强酸溶液，以使得第三络合物至少部分与所述强酸溶液反应，从而提供第三混合物；分离所述第三混合物，以提供第一硅和强酸溶液；组合所述第一硅与第一冲洗溶液，以提供第四混合物；分离所述第四混合物，以提供湿的经提纯的硅和第一冲洗溶液；以及充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅。

实施方案10提供了根据实施方案9所述的方法，其还包括：分离所述第一混合物，以提供第二硅-铝络合物和弱酸溶液；充分组合所述第二硅-铝络合物与中等酸溶液，以使所述第二络合物至少部分与所述中等酸溶液反应，从而提供第二混合物；以及分离所述第二混合物，以提供第三硅-铝络合物和中等酸溶液。

实施方案11提供了根据实施方案9-10中任一者所述的方法，其还包括：分离所述第四混合物，以提供第二硅和第一冲洗溶液；组合所述第二硅与第二冲洗溶液，以提供第五混合物；以及分离所述第五混合物，以提供湿的硅和第二冲洗溶液。

实施方案12提供了根据实施方案1-11中任一者所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：充分组合所述最终经重结晶的硅与弱HCl溶液，以使得第一络合物至少部分与所述弱HCl溶液反应，从而提供第一混合物；分离所述第一混合物，以提供第三硅-铝络合物和弱HCl溶液；充分组合所述第三硅-铝络合物与强HCl溶液，以使得第三络合物至少部分与所述强HCl溶液反应，从而提供第三混合物；分离所述第三混合物，以提供第一硅和强HCl溶液；组合所述第一硅与第一冲洗溶液，以提供第四混合物；分离所述第四混合物，以提供湿的经提纯的硅和第一冲洗溶液；充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅；从弱HCl溶液中去除弱HCl溶液的部分，以保持弱HCl溶液的pH和比重；将强HCl溶液的部分转移至弱HCl溶液，以保持弱HCl溶液的pH、弱HCl溶液的体积、中等HCl溶液的比重，或它们的组合；将本体HCl溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；将第一冲洗溶液的部分转移至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；将新鲜的水添加至第二冲洗溶液中，以保持第二冲洗溶液的体积。

实施方案13提供了根据实施方案1-12中任一者所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：充分组合所述最终经重结晶的硅与弱HCl溶液，以使得第一络合物至少部分与所述弱HCl溶液反应，从而提供第一混合物；分离所述第一混合物，以提供第二硅-铝络合物和弱HCl溶液；充分组合所述第二硅-铝络合物与中等HCl溶液，以使得第二络合物至少部分与所述中等HCl溶液反应，从而提供第二混合物；分离所述第二混合物，以提供第三硅-铝络合物和中等HCl溶液；充分组合所述第三硅-铝络合物与强HCl溶液，以使得第三络合物至少部分与所述强HCl溶液反应，从而提供第三混合物；分离所述第三混合物，以提供第一硅和强HCl溶液；组合所述第一硅与第一冲洗溶液，以提供第四混合物；分离所述第四混合物，以提供第二硅和第一冲洗溶液；组合所述第二硅与第二冲洗溶液，以提供第五混合物；分离所述第五混合物，以提供湿的经提纯的硅和第二冲洗溶液；充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅；从弱HCl溶液中去除弱HCl溶液的部分，以保持弱HCl溶液的pH和比重；将中等HCl溶液的部分转移至弱HCl溶液，以保持弱HCl溶液的pH、弱HCl溶液的体积、弱HCl溶液的比重，或它们的组合；将强HCl溶液的部分转移至中等HCl溶液，以保持中等HCl溶液的pH、中等HCl溶液的体积、中等HCl溶液的比重，或它们的组合；将本体HCl溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；将第一冲洗溶液的部分转移至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；将第二冲洗溶液的部分转移至第一冲洗溶液，以保持第一冲洗溶液的体积；将新鲜的水添加至第二冲洗溶液中，以保持第二冲洗溶液的体积。

实施方案14提供了根据实施方案1-13中任一者所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括两个连续定向凝固，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

实施方案15提供了根据实施方案1-14中任一者所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括在坩埚中进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述坩埚包括：用于制备锭的内部，其中所述锭包括多个块；和与炉子的内部形状大致匹配的外部形状，其中制得熔融材料，所述熔融材料凝固以形成所述锭。

实施方案16提供了根据实施方案15所述的坩埚，其中所述块包括网格，其中相比于在方形坩埚中的网格，相对于拐角块的百分比的侧面块或中心块的百分比得以增加。

实施方案17提供了根据实施方案15-16中任一者所述的坩埚，其中所述坩埚的周边包括大约8个主要侧面，其中所述8个侧面包括两组具有大约相等长度的大致相对的第一侧面，和两组具有大约相等长度的大致相对的第二侧面，其中所述第一侧面与所述第二侧面交替。

实施方案18提供了根据实施方案1-17中任一者所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括使用坩埚进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述坩埚包括：用于制备锭的内部；与炉子的内部形状大致匹配的外部形状，其中制得熔融材料，所述熔融材料凝固以形成所述锭；其中所述锭包括多个块；其中所述多个块包括网格；其中相比于可使用具有方形形状的坩埚从炉子产生的块的数量，与炉子的内部形状匹配的外部形状允许产生更大数量的块；其中所述炉子的内部形状包括大致圆形的形状；且其中所述坩埚的周边包括大约8个主要侧面，其中所述8个侧面包括两组具有大约相等长度的大致相对的长侧，和两组具有大约相等长度的大致相对的短侧，其中所述长侧与所述短侧交替。

实施方案19提供了根据实施方案1-18中任一者所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括在装置中进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述装置包括：包括至少一种耐火材料的定向凝固模具、外夹套，和至少部分设置在所述定向凝固模具与所述外夹套之间的绝缘层。

实施方案20提供了根据实施方案1-19中任一者所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括：提供定向凝固装置，其中所述装置包括定向凝固模具、外夹套，和至少部分设置在所述定向凝固模具与所述外夹套之间的绝缘层，所述定向凝固模具包括至少一种耐火材料；至少部分熔化所述最终经酸洗的硅，以提供第一熔融硅；以及在所述定向凝固模具中定向凝固所述第一熔融硅，以提供第二硅。

实施方案21提供了根据实施方案20所述的方法，其还包括在所述定向凝固模具上设置加热器，包括在所述定向凝固模具上设置选自加热元件和感应加热器的一个或多个加热构件。

实施方案22提供了根据实施方案1-21中任一者所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括使用装置进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述装置包括：定向凝固模具和顶部加热器，所述定向凝固模具包括耐火材料、顶层、外夹套、绝缘层，所述顶层包括滑移面耐火材料，所述顶层构造为在从模具中移出经定向凝固的硅时保护所述定向凝固模具的剩余部分免于损坏；所述外夹套包括钢；所述绝缘层包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的混合物，且所述绝缘层至少部分设置在所述定向凝固模具的一个或多个侧壁与所述外夹套的一个或多个侧壁之间；其中所述定向凝固模具的一个或多个侧壁包括氧化铝；其中所述定向凝固模具的底部包括碳化硅、石墨，或它们的组合；所述顶部加热器包括一个或多个加热构件、绝缘件和外夹套，所述加热构件中的每一个包括加热元件或感应加热器；其中所述加热元件包括碳化硅、二硅化钼、石墨，或它们的组合；所述绝缘件包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的组合；所述外夹套包括不锈钢；其中所述绝缘件至少部分设置在一个或多个加热构件与顶部加热器外夹套之间，其中所述装置构造为超过两次用于硅的定向凝固。

实施方案23提供了根据实施方案1-22中的任一者或任意组合所述的装置或方法，其任选地构造为可获得所述的所有元件或选择以使用或选择。

Claims (22)

1.一种用于提纯硅的方法，其包括：

从包含铝的熔融溶剂中重结晶起始材料硅，以提供最终经重结晶的硅晶体；

用水性酸溶液洗涤所述最终经重结晶的硅晶体，以提供最终经酸洗的硅；以及

定向凝固所述最终经酸洗的硅，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

2.根据权利要求1所述的方法，其还包括喷砂或喷冰所述最终经定向凝固的硅晶体，以提供经喷砂或喷冰的最终经定向凝固的硅晶体，其中所述经喷砂或喷冰的最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度大于所述最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其还包括去除所述最终经定向凝固的硅晶体的一部分，以提供经修整的最终经定向凝固的硅晶体，其中所述经修整的最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度大于所述最终经定向凝固的硅晶体的平均纯度。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中起始材料硅的重结晶包括：

使所述起始材料硅与包含铝的溶剂金属充分接触，以提供第一混合物；

充分熔化所述第一混合物，以提供第一熔融混合物；

充分冷却所述第一熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和母液；以及

分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中起始材料硅的重结晶包括：

使所述起始材料硅与第一母液充分接触，以提供第一混合物；

充分熔化所述第一混合物，以提供第一熔融混合物；

充分冷却所述第一熔融混合物，以形成第一硅晶体和第二母液；

分离所述第一硅晶体和第二母液，以提供第一硅晶体；

使所述第一硅晶体与包含铝的第一溶剂金属充分接触，以提供第二混合物；

充分熔化所述第二混合物，以提供第二熔融混合物；

充分冷却所述第二熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液；以及

分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中起始材料硅的重结晶包括：

使所述起始材料硅与第二母液充分接触，以提供第一混合物；

充分熔化所述第一混合物，以提供第一熔融混合物；

冷却所述第一熔融混合物，以形成第一硅晶体和第三母液；

分离所述第一硅晶体和第三母液，以提述第一硅晶体；

使所述第一硅晶体与第一母液充分接触，以提供第二混合物；

充分熔化所述第二混合物，以提供第二熔融混合物；

冷却所述第二熔融混合物，以形成第二硅晶体和第二母液；

分离所述第二硅晶体和第二母液，以提述第二硅晶体；

使所述第二硅晶体与包含铝的第一溶剂金属充分接触，以提供第三混合物；

充分熔化所述第三混合物，以提供第三熔融混合物；

冷却所述第三熔融混合物，以形成最终经重结晶的硅晶体和第一母液；以及

分离所述最终经重结晶的硅晶体和所述第一母液，以提供最终经重结晶的硅晶体。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：

充分组合所述最终经重结晶的硅与酸溶液，以使得所述最终经重结晶的硅至少部分与所述酸溶液反应，从而提供第一混合物；以及

分离所述第一混合物，以提供最终经酸洗的硅。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：

充分组合所述最终经重结晶的硅与酸溶液，以使得所述最终经重结晶的硅至少部分与所述酸溶液反应，从而提供第一混合物；

分离所述第一混合物，以提供经酸洗的硅和酸溶液；

组合所述经酸洗的硅与冲洗溶液，以提供第四混合物；

分离所述第四混合物，以提供湿的经提纯的硅和冲洗溶液；以及

充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：

充分组合所述最终经重结晶的硅与弱酸溶液，以使得第一络合物至少部分与所述弱酸溶液反应，从而提供第一混合物；

分离所述第一混合物，以提供第三硅-铝络合物和弱酸溶液；

充分组合所述第三硅-铝络合物与强酸溶液，以使得第三络合物至少部分与所述强酸溶液反应，从而提供第三混合物；

分离所述第三混合物，以提供第一硅和强酸溶液；

组合所述第一硅与第一冲洗溶液，以提供第四混合物；

分离所述第四混合物，以提供湿的经提纯的硅和第一冲洗溶液；以及

充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅。

10.根据权利要求9所述的方法，其还包括：

分离所述第一混合物，以提供第二硅-铝络合物和弱酸溶液；

充分组合所述第二硅-铝络合物与中等酸溶液，以使得第二络合物至少部分与所述中等酸溶液反应，从而提供第二混合物；以及

分离所述第二混合物，以提供第三硅-铝络合物和中等酸溶液。

11.根据权利要求9-10中任一项所述的方法，其还包括：

分离所述第四混合物，以提供第二硅和第一冲洗溶液；

组合所述第二硅与第二冲洗溶液，以提供第五混合物；以及

分离所述第五混合物，以提供湿的硅和第二冲洗溶液。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：

充分组合所述最终经重结晶的硅与弱HCl溶液，以使得第一络合物至少部分与所述弱HCl溶液反应，从而提供第一混合物；

分离所述第一混合物，以提供第三硅-铝络合物和弱HCl溶液；

充分组合所述第三硅-铝络合物与强HCl溶液，以使得第三络合物至少部分与所述强HCl溶液反应，从而提供第三混合物；

分离所述第三混合物，以提供第一硅和强HCl溶液；

组合所述第一硅与第一冲洗溶液，以提供第四混合物；

分离所述第四混合物，以提供湿的经提纯的硅和第一冲洗溶液；

充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅；

从弱HCl溶液中去除弱HCl溶液的部分，以保持弱HCl溶液的pH和比重；

将强HCl溶液的部分转移至弱HCl溶液，以保持弱HCl溶液的pH、弱HCl溶液的体积、中等HCl溶液的比重，或它们的组合；

将本体HCl溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；

将第一冲洗溶液的部分转移至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；

将新鲜的水添加至第二冲洗溶液中，以保持第二冲洗溶液的体积。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的方法，其中最终经重结晶的硅的洗涤包括：

充分组合所述最终经重结晶的硅与弱HCl溶液，以使得第一络合物至少部分与所述弱HCl溶液反应，从而提供第一混合物；

分离所述第一混合物，以提供第二硅-铝络合物和弱HCl溶液；

充分组合所述第二硅-铝络合物与中等HCl溶液，以使得第二络合物至少部分与所述中等HCl溶液反应，从而提供第二混合物；

分离所述第二混合物，以提供第三硅-铝络合物和中等HCl溶液；

充分组合所述第三硅-铝络合物与强HCl溶液，以使得第三络合物至少部分与所述强HCl溶液反应，从而提供第三混合物；

分离所述第三混合物，以提供第一硅和强HCl溶液；

组合所述第一硅与第一冲洗溶液，以提供第四混合物；

分离所述第四混合物，以提供第二硅和第一冲洗溶液；

组合所述第二硅与第二冲洗溶液，以提供第五混合物；

分离所述第五混合物，以提供湿的经提纯的硅和第二冲洗溶液；

充分干燥所述湿的经提纯的硅，以提供最终经酸洗的硅；

从弱HCl溶液中去除弱HCl溶液的部分，以保持弱HCl溶液的pH和比重；

将中等HCl溶液的部分转移至弱HCl溶液，以保持弱HCl溶液的pH、弱HCl溶液的体积、弱HCl溶液的比重，或它们的组合；

将强HCl溶液的部分转移至中等HCl溶液，以保持中等HCl溶液的pH、中等HCl溶液的体积、中等HCl溶液的比重，或它们的组合；

将本体HCl溶液的部分添加至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；

将第一冲洗溶液的部分转移至强HCl溶液，以保持强HCl溶液的pH、强HCl溶液的体积、强HCl溶液的比重，或它们的组合；

将第二冲洗溶液的部分转移至第一冲洗溶液，以保持第一冲洗溶液的体积；

将新鲜的水添加至第二冲洗溶液中，以保持第二冲洗溶液的体积。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括两个连续定向凝固，以提供最终经定向凝固的硅晶体。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括在坩埚中进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述坩埚包括：

用于制备锭的内部，其中所述锭包括多个块；和

与炉子的内部形状大致匹配的外部形状，其中制得熔融材料，所述熔融材料凝固以形成所述锭。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述块包括网格，其中相比于在方形坩埚中的网格，相对于拐角块的百分比的侧面块或中心块的百分比得以增加。

17.根据权利要求15-16中任一项所述的方法，其中所述坩埚的周边包括大约8个主要侧面，其中所述8个侧面包括两组具有大约相等长度的大致相对的第一侧面，和两组具有大约相等长度的大致相对的第二侧面，其中所述第一侧面与所述第二侧面交替。

18.根据权利要求1-17中任一项所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括使用坩埚进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述坩埚包括：

用于制备锭的内部；

与炉子的内部形状大致匹配的外部形状，其中制得熔融材料，所述熔融材料凝固以形成所述锭；

其中所述锭包括多个块；

其中所述多个块包括网格；

其中相比于可使用具有方形形状的坩埚从炉子产生的块的数量，与炉子的内部形状匹配的外部形状允许产生更大数量的块；

其中所述炉子的内部形状包括大致圆形的形状；且

其中所述坩埚的周边包括大约8个主要侧面，其中所述8个侧面包括两组具有大约相等长度的大致相对的长侧，和两组具有大约相等长度的大致相对的短侧，其中所述长侧与所述短侧交替。

19.根据权利要求1-18中任一项所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括在装置中进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述装置包括：

包括至少一种耐火材料的定向凝固模具；

外夹套；和

至少部分设置在所述定向凝固模具与所述外夹套之间的绝缘层。

20.根据权利要求1-19中任一项所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括：

提供定向凝固装置，其中所述装置包括

包括至少一种耐火材料的定向凝固模具；

外夹套；和

至少部分设置在所述定向凝固模具与所述外夹套之间的绝缘层；

至少部分熔化所述最终经酸洗的硅，以提供第一熔融硅；以及

在所述定向凝固模具中定向凝固所述第一熔融硅，以提供第二硅。

21.根据权利要求20所述的方法，其还包括在所述定向凝固模具上设置加热器，包括在所述定向凝固模具上设置选自加热元件和感应加热器的一个或多个加热构件。

22.根据权利要求1-21中任一项所述的方法，其中最终经酸洗的硅的定向凝固包括使用装置进行最终经酸洗的硅的定向凝固，所述装置包括：

定向凝固模具，所述定向凝固模具包括

耐火材料；

顶层，所述顶层包括滑移面耐火材料，所述顶层构造为在从模具中移出经定向凝固的硅时保护所述定向凝固模具的剩余部分免于损坏；

外夹套，所述外夹套包括钢；

绝缘层，所述绝缘层包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的混合物，所述绝缘层至少部分设置在所述定向凝固模具的一个或多个侧壁与所述外夹套的一个或多个侧壁之间；

其中所述定向凝固模具的一个或多个侧壁包括氧化铝；

其中所述定向凝固模具的底部包括碳化硅、石墨，或它们的组合；以及

顶部加热器，所述顶部加热器包括

一个或多个加热构件，所述加热构件中的每一个包括加热元件或感应加热器；

其中所述加热元件包括碳化硅、二硅化钼、石墨，或它们的组合；

绝缘件，所述绝缘件包括绝缘砖、耐火材料、耐火材料的混合物、绝缘板、陶瓷纸、高温毛料，或它们的组合；和

外夹套，所述外夹套包括不锈钢；

其中所述绝缘件至少部分设置在一个或多个加热构件与顶部加热器外夹套之间，

其中所述装置构造为超过两次用于硅的定向凝固。