TW201402881A - 用於純化矽之作為耐火表面之襯裏 - Google Patents

Abstract

一種用以熔融矽之坩堝，包含具有定義用以接受熔融矽之內部之至少一內表面的耐火材料，以及沉積於內表面上之襯裏，襯裏包含矽溶膠。襯裏也可包含可與熔融矽反應以形成爐渣之至少一熔劑材料。一種用於矽純化之方法，包含在熔化坩堝之內部中熔化第一矽以提供第一熔融矽，熔化坩堝包含具有定義內部之第一內表面的第一耐火材料，在定向凝固模具中定向固化第一熔融矽以提供第二矽，定向凝固模具包含具有定義模具內部之第二內表面的第二耐火材料，以及以包含矽溶膠之襯裏塗布至少一部分之第一內表面及第二內表面中之至少一者。

Description

用於純化矽之作為耐火表面之襯裏

本發明係關於用於純化矽之作為耐火表面之襯裏。

太陽能電池是一個利用其能力將陽光轉換成電能的可行能源。矽為使用於太陽能電池的製造中的半導體材料；然而，使用矽的限制涉及純化其至太陽能級(solar grade，SG)的成本。

一些用於太陽能電池之純化矽的技術是已知的。這些技術大部分操作的原則為，矽從熔融溶液中凝固，不希望的雜質可以傾向於停留在熔融溶液中。例如，浮區技術可用於製造單晶錠，並在固體材料中使用移動液體區域，移動雜質至材料邊緣。在另一個例子中，切克勞斯基(Czochralski)技術可以被用於製造單晶錠，並使用慢慢地自溶液拉出的晶種，使得矽之單晶柱形成，同時將雜質留在溶液中。在又一例子中，可使用布里治曼(Bridgeman)或熱交換器技術以製造多晶矽錠，且使用溫度梯度以促使定向凝固。

在目前能源需求和供應限制中，本發明已經認知到，需要以更具成本效益的方式純化冶金級(metallurgical grade，MG)烷(或任何其它比太陽能級具有更大量雜質的矽)至太陽能級矽。本發明揭示描述一種容器，如由耐火材料，例如可用於純化矽例如經由定向凝固之氧化鋁，製得之坩堝。矽可在坩堝中被熔化或熔融矽可在坩堝中被定向凝固以提供於純化矽。襯裏可以沉積在坩堝之耐火材料的內表面上以避免或降低自耐火材料之熔融矽的汙染，例如自硼、磷或鋁的污染。襯裏可以包括一阻隔襯裏，包含藉由矽溶膠結合在一起之碳化矽顆粒，或者襯裏可以包括一活性淨化襯裏，包含矽溶膠及任選地一或多個熔劑材料。襯裏可以提供對於每一定向凝固週期更純的最終矽，特別是相對於硼、磷和鋁的污染物。

本發明描述一種用以容納熔融矽混合物之坩堝，此坩堝包含具有定義用以接納熔融矽之一內部之至少一內表面的至少一耐火材料以及沉積於內表面上之一襯裏，且此襯裏包含矽溶膠(colloidal silica)。

本發明也描述一種用於純化矽之方法，此方法包含在一熔化坩堝之一內部中熔化一第一矽以提供一第一熔融矽，熔化坩堝包含具有定義熔化坩堝之內部之至少一第一內表面的一第一耐火材料、在一定向凝固模具中定向固化第一熔融矽以提供一第二矽，定向凝固模具包含具有定義定向凝固模具之內部之至少一第二內表面的一第二耐火材料，以及以包含矽溶膠(colloidal silica)之一襯裏塗布至少一部分之第一內表面及第二內表面中之至少一者。

發明內容的目的是提供本發明標的物之概述。它的目的不是用以提供本發明的排他或詳盡的解釋。詳細的說明被包括以提供本發明的進一步信息。

10、40、80、124．．．坩堝

12、42、82．．．耐火材料

14、44．．．底部

16、46．．．側部

18、48．．．內部

20、50、84．．．內表面

22、52．．．上表面

24、54．．．內表面

30、60、70、86．．．襯裏

2、4、6．．．熔融矽

32、92．．．顆粒

34、94．．．黏結材料

36、62、76．．．二氧化矽顆粒

38、64、78．．．液相

72．．．熔劑顆粒

74．．．矽溶膠黏合劑

88．．．第一層

90．．．第二層

100、122．．．頂部加熱器

102．．．加熱構件

104．．．絕緣材料

106．．．外套

120．．．裝置

126．．．鏈

128．．．孔

130、140．．．垂直結構構件

132、142．．．水平結構構件

144．．．底部結構構件

134．．．緣

136．．．屏幕框

138．．．絕緣部

200．．．方法

202、204、206、208、210、212、214、216．．．步驟

300．．．點

在附圖中，相似的符號可以用於描述在數個視圖中相似的元件。具有不同的後綴字之相似符號可用以代表相似元件的不同視圖。附圖一般藉由舉例，而不是限制的方式來描述本文中所討論的各種例子。
第1圖係為可用於純化矽的坩堝之一例子的剖面圖。
第2圖係為第1圖中坩鍋之例子之襯裏塗布於內表面之一例子之特寫剖面圖。
第3圖係為可用於純化矽的坩堝之一例子的剖面圖。
第4圖係為第3圖中坩鍋之例子之襯裏塗布於內表面之一例子之特寫剖面圖。
第5圖係為第3圖中坩鍋之例子之襯裏塗布於內表面之另一例子之特寫剖面圖。
第6圖係為可用於純化矽的坩堝之一例子的剖面圖。
第7圖係為第6圖中坩鍋之例子之襯裏塗布於內表面之一例子之特寫剖面圖。
第8圖係為可用於定向凝固矽的加熱器之一例子的剖面圖。
第9圖係為包含位於一定向凝固模具之例子之頂部的加熱器之一例子之用於定向凝固矽之設備之一例子之三維投影圖。
第10圖係為純化矽之方法之流程圖。
第11圖係顯示相較於塗布有襯裏之熔化坩鍋，在熔化坩鍋中矽純化之硼的純度變化之圖。

本發明描述一種設備及使用定向凝固之純化矽的方法。此裝置和方法可包含在容納熔融矽的坩堝內之襯裏的使用，其中襯裏可避免或減低自坩堝之耐火材料之熔融矽的污染。本發明之設備和方法可以用來製造用於太陽能電池的矽晶體。

定義

單數形式“一(a)”、“一(an)”及“該(the)”可包括複數對象，除非上下文中另有明確規定。

如本文所用，在一些例子中，術語如“第一”、“第二”、“第三”及其類似物，應用於其他術語如“母液”、“晶體”、“熔融混合物”、“混合物”、“清洗溶液”、“熔融矽”及其類似物，是簡單地使用為分化步驟之間的通用術語，本身不表明步驟或步驟順序的優先程度，除非另有明確指示。例如，在一些性自中，“第三母液”可以是一個元件，而沒有第一或第二母液可以是元件的例子。在其他例子中，第一、第二和第三母液可以全部是一個例子的元件。

如本文所用，“導管”可意指為通過一材料之管狀通孔，其中此材料不一定是管狀。例如，貫穿材料之塊的孔可以是導管。這個孔可以是長度大於直徑。導管可以藉由將一管(包括管)裝進材料中而形成的材料。

如本文所用，“接觸”可意指為觸碰、使其接觸、或將物質直接鄰近之行為。

如本文所用，“坩堝”可意指一個可以容納熔融材料之容器，例如可容納材料被熔化成熔融之容器、可接受熔融材料並維持此材料於熔融狀態之容器以及可容納固化或結晶之熔融材料之容器，或其組合。

如本文所用，“定向凝固(directional solidification)”或“定向固化(directionally solidify)”及其類似物可意指結晶一材料在約一位置開始，接續以大致線性的方向(例如垂直、水平或垂直於表面)，並在約另一位置結束。在本定義中，一位置可以是一點、一平面、或者包括環或碗狀之一彎曲平面。

如本文所用，“浮渣(dross)”可意指大量的漂浮於熔融金屬浴中的固體雜質。其通常出現於低熔點金屬或合金，如錫、鉛、鋅或鋁的溶化，或者經由氧化金屬。其可以被移除，例如，藉由自表面撇去。對於錫及鉛而言，浮渣也可以藉由加入氫氧化鈉顆粒，其溶解氧化物並形成爐渣，而移除。對於其他金屬而言，可以添加鹽熔劑以分離浮渣。浮渣不同於爐渣，其為一種(黏性)液體藉由固體而漂浮在合金上。

如本文所用，“風扇(fan)”可意指任何可移動空氣之裝置或設備。

如本文所用，“熔劑(flux)”可意指添加到熔融金屬浴中以幫助除去雜質，如在浮渣內，的化合物。熔劑材料可以添加到熔融金屬浴中，使得熔劑材料可與熔融金屬浴中之一或多個材料或化合物反應以形成可被移除之爐渣。

如本文所用，“爐(furnace)”可意指一機器、裝置、設備、或其他具有用於加熱材料的隔室之結構。

如本文所用，“加熱元件”可意指產生熱量的材料之部分。在一些例子中，當電力被允許流過此材料時，加熱元件可以產生熱量。

如本文所用，“感應加熱器(induction heater)”可意指藉由材料中之電流誘導產生熱至材料的加熱器。電流可以藉由交流電流流經靠近欲加熱之材料的金屬線圈而產生電流。

如本文所用，“錠(ingot)”可意指鑄造材料之量。在一些例子中，材料的形狀允許錠相對容易地運輸。例如，加熱至熔點之金屬並模塑成條狀或塊狀被稱為錠。

如本文所用，“襯裏(lining)”可意指適用於坩堝表面之至少一部分的材料層。襯裏可以作為坩堝之內表面及包含於坩堝之內部的熔融材料之間的阻隔。

如本文所用，“熔化(melt)”或“熔化(melting)”可意指當暴露至足夠的熱時，從固體至液體的物質變化。術語“熔化”也可意指已經歷此相變化而成為熔融液體之材料。

如本文所用，“熔融(molten)”可意指一種熔化的物質，其中熔化為加熱固體物質加熱至轉變為液體之一點(稱為熔點)的過程。

如本文所用，“單晶矽(monocrystalline silicon)”可意指具有單一且連續晶格結構以及幾乎沒有缺陷或雜質的矽。

如本文所用，“多晶矽(polycrystalline silicon)”或“多-矽(poly-Si)”或“多晶矽(multicrystalline silicon)”可意指包括多個單晶矽晶體之材料。

如本文所用，“淨化”可意指從外來或包含於物質中之污染物質的化學物質之物理或化學分離。

如本文所用，“耐火材料”可意指在高溫下化學及物理穩定的材料，特別是在關於熔化及定向固化矽之高溫下。耐火材料的例子包括但不限於氧化鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化矽、石墨、或其組合。

如本文所用，“側部(side)”或“側部(sides)”可意指一或多個側面，除另有指明外，是指相對於物體之一或多個頂部或底部的物體之面。

如本文所用，“矽”可意指具有化學符號Si之元件，且可意指在任何純化含量的Si，但一般指的是重量純度至少為50%的矽，較佳為重量純度75%，更佳為重量純度85%，更佳為重量純度90%，更佳為重量純度95%，甚至更佳為重量純度99%。

如本文所用，“分離”可意指從另一者中移除物質之過程(例如，從混合物中移除固體或液體)。此過程可以採用在本發明所屬技術領域具有通常知識者已知之任何合適的技術，例如，傾析混合物、從混合物中撇去一或多種液體、離心分離混合物、從混合物中過濾固體，或其組合。

如本文所用，“爐渣(slag)”可意指冶煉礦至純化金屬之副產物。其可以視為金屬氧化物的混合物；然而，其可以包含元素形式之金屬硫化物及金屬原子。爐渣通常在金屬冶煉中作為廢棄物移除機制。在自然界中，金屬礦例如在不純狀態被發現之鐵、銅、鉛、鋁和其他金屬，往往氧化並與其他金屬的矽酸鹽混合。在冶煉過程中，當礦石暴露於高溫下時，這些雜質從熔融金屬中分離並可被移除。收集被去除的化合物是爐渣。爐渣也可以是各種氧化物和其他設計創造材料之共混物，如用以提高金屬純化。

如本文所用，“管”可意指中空管形材料。管可具有大約匹配外形之一內部形狀。管之內部形狀可以是任何合適的形狀，包括圓形、方形、或具有任意數量的側部，包括非對稱形狀的形狀。

用於定向凝固之坩鍋

第1圖顯示依據本發明之坩堝10之一例子。坩堝10可用於定向凝固矽。例如，坩堝10可以用來作為在爐中熔化矽的坩堝。坩堝10也可以用作進行定向凝固之容器，也稱為定向凝固模具。坩堝10可形成由至少一種耐火材料12而形成，其配置以提供用於熔化矽或定向凝固熔融矽，或兩者兼之。

坩堝10可具有底部14和一或多個從底部14向上延伸的側部16。坩堝10的形狀相似於厚壁大碗，其可以有一個圓形或大致圓形的橫截面。坩堝10可具有其他橫截面形狀，包括，但不限於，方形、六角形、八角形、五邊形、或任何適當的形狀，具有任何適當數量的邊緣。

底部14和側部16定義可接收熔融材料，如熔融矽2之坩堝10的內部。內部也可以接收固體材料，如固體矽(圖中未示出)，其可以熔化以形成熔融材料。耐火材料12可包括面向內部18的內表面20。在一例子中，內表面20包括底部14之上表面22以及一或多個側部16之內表面24。

耐火材料12可以是任何適當的耐火材料，特別是適用於坩堝中熔化或定向凝固矽的耐火材料。可使用為耐火材料12的材料的例子包括，但不限於三氧化二鋁(aluminum oxide，Al₂O₃，也稱為氧化鋁(alumina))、氧化矽(silicon oxide，SiO₂，也簡稱為二氧化矽(silica))、氧化鎂(magnesium oxide，MgO，也稱為氧化鎂(magnesia))、氧化鈣(calcium oxide，CaO)、氧化鋯(zirconium oxide，氧化鋯，也稱為二氧化鋯(zirconia))、鉻(III)氧化物(Cr₂O₃，也簡稱為氧化鉻(chromia))，碳化矽(silicon carbide，SiC)，石墨，或其組合。坩堝10可以包括一耐火材料，或一個以上的耐火材料。在坩堝10中所包含的耐火材料或材料可以是混合的，或它們可以位於坩堝10的單獨部分，或它們的組合。一個或多個耐火材料12可以層排列。坩堝10可以包括一或多個耐火材料12之一個以上的層。坩堝10可以包括一或多個耐火材料12的一層。坩堝10的側部16可形成與底部14不同的耐火材料。相較於在坩堝10的底部14，側部16可以是不同的厚度，包括不同的材料組合物，包括不同數量的材料，或它們的組合。在一個例子中，側部16可以包括一個熱面耐火材料，如三氧化二鋁(aluminum oxide)。坩堝10的底部14可以包括導熱材料，例如，舉例來說，碳化矽、石墨、鋼、不銹鋼、鑄鐵、銅、或它們的組合。在一個實例中，側部16包括三氧化二鋁(aluminum oxide(氧化鋁(alumina))耐火材料，底部14包括碳化矽耐火材料與磷黏合劑(binder)。

雜質可以從耐火材料12通過至熔融矽2，使得一些雜質的雜質含量可以高於可接受用於光伏裝置中的矽。這可以特別是在純化矽的定向凝固階段期間的問題，因為定向凝固可以是矽的最終純化步驟的一個，使得在坩鍋中的矽用於定向凝固，如坩堝10，為在整個過程中最純淨的矽的一些。例如，硼或磷的雜質可以存在於耐火材料12中。即使在非常小的硼或磷含量，在由於存在熔融矽2的耐火材料12所經歷的高溫下，硼或磷可以被驅動擴散出耐火材料12並進入熔融矽2。此外，如果耐火材料12是由氧化鋁(aluminum oxide，Al₂O₃)製成或包含氧化鋁，氧化鋁可以在熔融矽2的存在下進行還原反應以形成可能會污染熔融矽2的金屬鋁(Al)。

襯裏30可沉積於耐火材料12的內表面上20，例如上表面22及內表面24。襯裏30可以配置以避免或減少熔融矽2的污染，例如經由雜質的轉移，如從坩堝10的耐火材料12的硼(B)、磷(P)、鋁(Al)至熔融矽2，或經由從耐火材料12的雜質或汙染物的反應至熔融矽2。襯裏30可以提供對於可存在於耐火材料12中的汙染物或雜質的阻隔。

第2圖示出襯裏30沉積於耐火材料12的內表面20上之特寫剖面圖。如第2圖所示，襯裏30可包括複數個顆粒32由黏結材料34結合在一起。在一例子中，顆粒32可以包括碳化矽(SiC)且黏結材料34可以包括矽溶膠(colloidal silica)。每一碳化矽顆粒32可以包括一或多個碳化矽晶體。顆粒32的碳化矽可以作為對於污染物或雜質，如硼、磷和鋁，的阻隔。顆粒32可以是奈米顆粒，例如，顆粒32具有小於5毫米，例如小於3.5毫米的尺寸或粒徑。

碳化矽顆粒32可以從商業供應商被提供。在一例子中，碳化矽顆粒32包含低含量的污染物或雜質，其可能導致表現不佳或在光伏裝置中是不希望的，如硼、磷、鋁及鐵，的高純度碳化矽。在一例子中，碳化矽顆粒32可以從具有小於3ppmw的硼含量，如小於2.5ppmw，例如小於2.11ppmw的商業碳化矽32而形成。商業碳化矽可以有小於55ppmw，如小於51.5ppmw，例如小於50ppmw的磷含量。碳化矽可以有小於約1700 ppmw的，如低於1675 ppmw，例如小於1665 ppmw的鋁含量。碳化矽可以具有小於約4100 ppmw的鐵含量。碳化矽可以具有小於約1145 ppmw的鈦含量。在一例子中，碳化矽顆粒32是不含或基本上不含硼和磷。在一例子中，碳化矽顆粒32可以包括其他材料，只要這些材料不造成不可接受程度的不希望的雜質(如硼、磷或鋁)浸出到熔融矽2中。在一例子中，碳化矽顆粒32可以包括氧化矽(SiO₂)、元素碳(C)、鐵(III)氧化物(Fe₂O₃)及氧化鎂(MgO)。在一例子中，碳化矽顆粒32具有下列組合物(以乾重計)：87.4wt%的SiC、10.9wt%的SiO₂、0.9wt%的碳、0.5wt%的Fe₂O₃及0.1wt%的MgO。在一例子中，碳化矽顆粒32包括Allied Mineral Products， Inc.，Columbus，OH，USA銷售的商品名NANOTEK SiC的碳化矽。NANOTEK SiC具有高純度的硼、磷及鋁，例如，具有約2.11ppmw的硼，或更小，以及大約51.4 ppmw的磷，或更少。

可以自二氧化矽(SiO₂)的膠體懸浮液形成的黏合劑[u1]34，在此稱為矽溶膠。矽溶膠可以包括懸浮在液相38中的小的、非晶形二氧化矽顆粒36。SiC顆粒32可以混合至矽溶膠黏合劑34中，然後將混合物沉積至耐火材料12之內表面20上，如藉由刷塗、擴散、或其他常見的液體沉積技術。矽溶膠黏合劑34可以作用以黏合和穩定SiC顆粒32，即使在存在熔融矽2存在的高溫下。

黏合劑34的矽溶膠可藉由形成二氧化矽核，隨後在液相38中成長二氧化矽顆粒36而形成。在一例子中，鹼金屬矽酸鹽溶液，如矽酸鈉溶液，是部分中和的，如藉由選擇性從矽酸鈉除去至少一部分的鈉。鹼金屬矽酸鹽的中和可導致二氧化矽核的形成以及二氧化矽的聚合以形成非晶型二氧化矽顆粒。二氧化矽核可以具有1奈米(nm)至5奈米間的尺寸。二氧化矽顆粒36可以具有例如直徑1奈米(nm)至100奈米間的直徑的尺寸。在一個例子中，二氧化矽顆粒36具有10 nm至30 nm間的尺寸，如約20 nm。在一例子中，形成黏合劑34的矽溶膠具有二氧化矽顆粒36重量百分比介於25wt%和60wt%二氧化矽，如30wt%和50wt%二氧化矽，例如，40wt%二氧化矽。

在一例子中，用於製造黏合劑34的矽溶膠是市售的矽溶膠，例如美國特拉華州威明頓威仕邦公司(WesBond Corp., Wilmington, DE, USA)販售商品名BINDZIL 2040的矽溶膠。

SiC顆粒32和黏合劑34可以混合在一起以形成前驅物混合物，其可沉積於內表面20上以形成襯裏30。SiC顆粒32和黏合劑34可以重量比混合在一起，其可提供前驅物混合物的塗佈性或鋪展性、良好的滑塌特性(例如，在鋪展後缺乏滑塌或最小滑塌)、可接受的乾燥時間(例如，足夠長的時間以在乾燥前混合物可充分塗布至內表面20，但足夠短的時間以提供在製造過程中合理的乾燥時間)、對耐火材料12可接受的黏合強度、以及可接受的雜質或汙染物自耐火材料12傳輸至熔融矽2的傳輸。在一例子中，襯裏30包括30wt%的SiC顆粒32及80wt%的SiC顆粒之間的重量組合物，(例如，20wt%的矽溶膠黏合劑34及70wt%的矽溶膠黏合劑34之間)，例如50wt%的SiC顆粒32及70wt%的SiC顆粒32之間(例如，30wt%的矽溶膠黏合劑34及50wt%的矽溶膠黏合劑34之間)，例如約40wt%的SiC顆粒32及約60wt%的矽溶膠黏合劑34。在乾燥後(例如，在從矽溶膠黏合劑34中除去水和其它液體後)，所得襯裏30可以是35wt%的SiC至95wt%的SiC，(例如，5wt%的二氧化矽至65wt%的二氧化矽)，例如60wt%的SiC至90wt%的SiC，(例如，10wt%的二氧化矽至40wt%的二氧化矽)，例如70wt%的SiC至85wt%的SiC(例如，15wt%的二氧化矽至30wt%的二氧化矽)，例如約80wt%的SiC及約20wt%的二氧化矽。

襯裏30可以相對地不含污染物，如硼、磷和鋁。在一例子中，襯裏30中的硼含量小於約5 ppmw，如小於約3 ppmw，例如，小於約2 ppmw。在襯裏30中的磷含量可以小於約70 ppmw，如小於約60 ppmw，例如小於約50ppm ppmw。在一例子中，襯裏30中的磷含量可以低至11.25 ppmw。在一例子中，襯裏30中的鋁含量可以小於約0.75wt%，如小於約0.6wt%，例如小於約0.5wt%。

襯裏30的厚度可以依賴於坩堝10中和周圍以及坩堝10內進行的程序階段的條件。例如，如果坩堝10是被用來作為熔化坩堝以熔化固體矽以形成熔融矽2，可能需要相對厚的襯裏30由於整個坩堝10需要高的溫度，因為坩堝10被放置於爐中。同樣地，如果坩堝10是被用來作為定向凝固的模具，那麼可能需要相對薄的襯裏30由於熔融矽2中較小的揮發環境及相對較低的溫度。在一例子中，襯裏30的厚度為約1毫米(mm)至約25 mm，包括，例如，從約2 mm到約15 mm，例如，從約3mm至約10 mm，例如從約4 mm到約5 mm，如約4、約4.1 mm、約4.2 mm、約4.3 mm、約4.4 mm、約4.5 mm、約4.6 mm、約4.7 mm、約4.8 mm、約4.9 mm、約5 mm、約5.1 mm、約5.2 mm、約5.3 mm、約5.4 mm、約5.5 mm、5.6 mm、約5.7 mm、約5.8 mm、約5.9 mm、以及約6 mm。

在一例子中，SiC顆粒32和矽溶膠黏合劑34的混合物可以是可藉由已知的液體塗布方法塗布到內表面20的液體或液體懸浮液。在一例子中，混合物可以經由刷塗、噴塗、擴散、刮塗、滴塗或浸塗中至少一者塗布至內表面20上。SiC顆粒32和矽溶膠黏合劑34的混合物可施加到內表面20上以具有均勻的或基本上均勻的厚度。然後，使塗層的混合物乾燥，當液相38乾燥時可以此使二氧化矽顆粒36成長，使得SiC顆粒32藉由基本上固體二氧化矽黏合劑34而約束以形成襯裏30。

在一例子中，SiC顆粒32和矽溶膠黏合劑34的混合物可以用作在耐火材料12的內表面20上的複數個塗層。混合物的每一塗層可以應用於，如經由刷塗、噴塗、或任何其他的塗布方法，並在施加後續塗層之前，在指定的一段時間使其乾燥。在一例子中，可應用2到10個塗層至內表面20，如2層、3層、4層、5層、6層、7層、8層、9層、或10層。在一例子中，各塗層之間的襯裏可以在約15分鐘至約6小時乾燥，如約30分鐘至約2小時。在施加所有塗層後，襯裏30可以在約1小時至約10小時被允許乾燥，例如從約2小時至約8小時，如從約4小時至約6小時，如約4小時、約4.5小時、約5小時、約5.5小時及約6小時。

第3圖顯示依據本公開坩堝40的另一例子。如上述第1圖及第2圖討論之坩堝10，坩堝40可用於矽的定向凝固。例如，坩堝40可以用作為在爐中熔化矽的坩堝或作為一定向凝固模具。坩堝40可由配置以提供熔化矽或定向凝固熔融矽，或兩者兼而有之至少一種耐火材料42而形成。耐火材料42可以是相對於坩堝10之耐火材料12所述的一或多個耐火材料。

坩堝40可具有底部44和一或多個從底部44向上延伸的側部46。坩堝40的形狀可相似於厚壁大碗，其可以有一個圓形或大致圓形的橫截面。坩堝40可具有其他橫截面形狀，包括，但不限於，方形、六角形、八角形、五邊形、或任何適當的形狀，具有任何適當數量的邊緣。

底部44和側部46可定義可接收熔融材料，如熔融矽4之坩堝40的內部48。內部48也可以接收固體材料，如固體矽(圖中未示出)，其可以熔化以形成熔融材料。耐火材料42可包括面向內部48的內表面50。在一例子中，內表面50包括底部44之上表面52以及一或多個側部46之內表面54。

襯裏60可沉積於坩堝40的內表面50上，例如於上表面52和內表面或表面54上。如前面第1及2圖所述之襯裏30，襯裏60可以被配置以防止或減少熔融矽4的汙染，如藉由對汙染物或雜質提供可存在於耐火材料42中的阻隔。襯裏60也可以被配置以提供熔融矽4的活性純化。如本文所用，熔融矽的“活性純化”可以意指為一或多個襯裏60組成及能夠在熔融矽4中形成可移除的浮渣或爐渣的一或多個熔融矽4組成之間的一或多個化學反應。

襯裏60可提供熔融矽4的活性純化，藉由包含至少一可作為在熔融矽4中形成爐渣的熔劑之材料。在一例子中，襯裏60可以包括二氧化矽(SiO₂)。二氧化矽往往是作為熔劑添加至熔融矽，例如鬆散顆粒的二氧化矽，以從熔融矽中除去鋁或其他不需要的雜質。提供主要包括二氧化矽的襯裏60是顯著地增加熔融矽4的暴露於二氧化矽的表面積。熔融矽4的高溫可以調整襯裏60中的二氧化矽，因此襯裏60可以基本上相同於熔融矽4中熔劑的方式而與熔融矽4化學反應。這可以使得污染物或雜質的質量傳輸從熔融矽4到襯裡60，例如經由吸收、或與襯裏60之組成反應、或兩者，以從熔融矽4除去污染物或雜質。

在一例子中，襯裏60可從二氧化矽的膠體懸浮而形成，本文中描述為矽溶膠，如上所述，相似於形成襯裏60之黏合劑34的矽溶膠。然而，襯裏60不包括SiC顆粒32。當SiC顆粒不存在時，襯裏60之二氧化矽是游離的以與熔融矽4的組成反應以形成爐渣。因此，襯裏60可以作為熔劑塗層，提供熔融矽4進一步的活性純化。

第4圖顯示沉積於耐火材料52之內表面50上的襯裏60的特寫剖面圖。可形成襯裏60之矽溶膠可以包括懸浮在液相64中的小的、非晶型二氧化矽顆粒62的懸浮液。矽溶膠可以經由二氧化矽核的形成而形成，隨後液相64中的二氧化矽顆粒62生長。在一例子中，鹼金屬矽酸鹽溶液，如矽酸鈉溶液，是部分中和的，例如藉由從矽酸鈉中選擇性除去至少一部分的鈉。鹼金屬矽酸鹽的中和可導致二氧化矽核的形成及二氧化矽的聚合以形成非晶型二氧化矽顆粒。二氧化矽核可以有1奈米(nm)至5奈米間之一尺寸，包括之間。二氧化矽顆粒62可以有一尺寸，例如1奈米(nm)至100奈米間之直徑，包括之間。在一例子中，二氧化矽顆粒62具有10 nm至30 nm間之尺寸，包容之間，如約20nm。在一例子中，形成襯裏60之矽溶膠具有重量百分比25 wt%至60 wt%間二氧化矽的二氧化矽顆粒62，包括之間，如30 wt%至50 wt%間的二氧化矽，包括之間，例如40 wt%的二氧化矽。

在一例子中，用以形成襯裏60的矽溶膠為市售的矽溶膠，例如美國特拉華州威明頓威仕邦公司所售的商品名BINDZIL 2040。

在一例子中，襯裏60主要由二氧化矽所組成，例如，由矽溶膠形成，如上所述，使得實質上改變襯裏60活性純化熔融矽4能力的材料不存在於襯裏60中。在一例子中，襯裏60是由二氧化矽所組成，例如，從上述的矽溶膠形成。

襯裏60的厚度可以依賴於坩堝40中和周圍以及坩堝40內進行的程序階段的條件。例如，如果坩堝40是被用來作為熔化坩堝以熔化固體矽以形成熔融矽4，可能需要相對厚的襯裏60由於整個坩堝40需要高的溫度，因為坩堝40被放置於爐中。同樣地，如果坩堝40是被用來作為定向凝固的模具，那麼可能需要相對薄的襯裏60由於熔融矽2中較小的揮發環境及相對較低的溫度。在一例子中，襯裏60的厚度為約1毫米(mm)至約25 mm，包括，例如，從約2 mm到約15 mm，例如，從約3mm至約10 mm，例如從約4 mm到約5 mm，如約4、約4.1 mm、約4.2 mm、約4.3 mm、約4.4 mm、約4.5 mm、約4.6 mm、約4.7 mm、約4.8 mm、約4.9 mm、約5 mm、約5.1 mm、約5.2 mm、約5.3 mm、約5.4 mm、約5.5 mm、5.6 mm、約5.7 mm、約5.8 mm、約5.9 mm、以及約6 mm。

在一例子中，矽溶膠可以是可藉由已知的液體塗布方法以形成襯裏60的液體或液體懸浮液。在一例子中，矽溶膠可以經由刷塗、噴塗、擴散、刮塗、滴塗或浸塗中至少一者塗布至內表面50上。矽溶膠可施加到內表面50上以具有均勻的或基本上均勻的厚度。然後，使塗布的矽溶膠乾燥，當液相64乾燥時可以使二氧化矽顆粒62成長，使得SiC顆粒62形成基本上固體的二氧化矽襯裏60。如同襯裏30，如上所述，襯裏60可以應用作為複數個塗層，每一塗層可以在塗層間被允許乾燥一第一乾燥時間，以及在一最終乾燥時間，例如從約2小時至約10小時，包括，例如約6小時，在進行最後塗層之後。

在一個例子中，襯裏60可包括其他材料，其可以提供進一步活性純化熔融矽4。例如，襯裏60可以包括其它熔劑材料，其可以提供從熔融矽4中的組成爐渣的形成。可以被包括在襯裏60中的熔劑材料的例子包括，但不限於，碳酸鈉(Na₂CO₃)、氧化鈣(CaO)和氟化鈣(CaF₂)。在一例子中，襯裏60可以約30 wt%的SiO₂和約55 wt%的SiO-₂之間的組成物，包括，約40 wt%的Na₂CO₃及約65 wt%的Na₂CO₃之間，包括，約0 wt%至約15 wt%之間的CaO，包括，以及約0 wt%的CaF₂至約25 wt%的CaF₂之間，包括。在一例子中，襯裏60的組成物可以包括約42.7 wt%的SiO₂、約50.6 wt%的Na₂CO₃、約1.7 wt%的CaO以及約5 wt%的CaF₂。在蒂雷納(Turenne)等人申請的美國臨時申請案中可發現熔劑組成物的進一步描述，名稱為“用於純化矽之於定向凝固中有用的助熔劑組成物(FLUX COMPOSITIONUSEFUL IN DIRECTIONAL SOLIDICIATION FOR PURIYING SILICON)”，代理人卷號2552.036PRV，與本申請同日提交，在此併入全文以作為參考。

在一例子中，如第5圖所示，襯裏70可以包括額外的熔劑材料以與膠體二氧化劑黏合劑74結合之熔劑顆粒72的形式添加到襯裏70，相似於SiC顆粒32如何與矽溶膠黏合劑34結合以形成襯裏30，如上所述。如同矽溶膠黏合劑34及襯裏60的矽溶膠，如上所述，矽溶膠黏合劑74可以包括懸浮在液相78中小的、非晶型二氧化矽顆粒76的懸浮液。二氧化矽顆粒76可以有一尺寸，例如1奈米(nm)至100奈米之間的直徑，包括之間。在一例子中，二氧化矽顆粒76具有10 nm至30 nm之間的尺寸，包括之間，如約20nm。在一例子中，形成黏合劑74的矽溶膠具有重量百分比25 wt%至60 wt%之間的二氧化矽顆粒76，包括之間，如30 wt%和50 wt%之間的二氧化矽，包括之間，例如40 wt%的二氧化矽。

熔劑顆粒72和黏合劑74可以混合在一起以形成前驅物混合物，其可沉積於內表面50上以形成襯裏70。熔劑顆粒72和黏合劑74可以重量比混合在一起，其可提供前驅物混合物良好的塗布性或鋪展性，也可以提供對耐火材料52良好的黏合強度。熔劑顆粒72及黏合劑74的重量重量比也可以被選擇，以使矽溶膠黏合劑74的二氧化矽及熔劑顆粒72可與一或多個熔融矽4的成分反應，故可形成爐渣。因此，熔劑顆粒72對黏合劑74的重量比可實質上低於關於前述關於襯裏30中SiC顆粒32對黏合劑34的重量比(第1及2圖)，因此矽溶膠74的較大表面積將暴露於熔融矽4。在一例子中，襯裏70包括重量組成物5 wt%的熔劑顆粒72至50 wt%的熔劑顆粒72之間，包括之間，(如，50 wt%的矽溶膠黏合劑74至95 wt%的矽溶膠黏合劑74之間，包括)，例如10 wt%的熔劑顆粒72至35 wt%的熔劑顆粒72之間，包括(如，65 wt%的矽溶膠黏合劑74至90 wt%的矽溶膠黏合劑74，包括)，例如15 wt%的熔劑顆粒72至25 wt%的熔劑顆粒72之間(如，75 wt%的矽溶膠黏合劑72至85 wt%的矽溶膠黏合劑74之間，包括)，如約20 wt%的熔劑顆粒72及約80 wt%的矽溶膠黏合劑74。

在一例子中，襯裏70基本上由二氧化矽所組成，例如，由矽溶膠黏合劑74形成，且至少一熔劑材料，如碳酸鈉(Na₂CO₃)、氧化鈣(CaO)及氟化鈣(CaF₂)中至少一者，使得將實質上改變襯裏70活化純化熔融矽能力的材料不存在於襯裏70中。在一例子中，襯裏70由二氧化矽所組成，例如，由矽溶膠黏合劑74形成，且至少一熔劑材料，如碳酸鈉(Na₂CO₃)、氧化鈣(CaO)及氟化鈣(CaF₂)中至少一者。

第6圖顯示依據本發明之坩堝80的另一例子。坩堝80可以包括具有內表面84的耐火材料82，其中襯裏86可沉積於耐火材料82上。襯裏86可以包括接觸耐火材料82之內表面84的第一層88以及若熔融矽存在於坩堝80中接觸熔融矽6的第二層90。耐火材料82可以是關於前述坩堝10之耐火材料12的一或多個耐火材料。

第7圖顯示沉積於耐火材料82的內表面84上的襯裏86的特寫剖面圖。在一例子中，第一層88可以包括由黏結材料94結合在一起的複數個顆粒92。第一層88實質上可相同於關於第1及2圖所述之襯裏30。例如，顆粒92可以包括碳化矽(SiC)且黏合劑94可包括矽溶膠(SiO₂)。第二層90可以包括活性純化層，其實質上相同於關於第3及4圖所述之襯裏60(例如，矽溶膠襯裏)或者相同於關於第5及6圖所述之襯裏70(例如，以矽溶膠黏合劑結合在一起之熔劑材料顆粒的襯裏)。第一層88可以提供一被動的阻隔層，以防止或減少污染物或雜質從耐火材料82至熔融矽6且第二層90可以提供作為含熔劑層的熔融矽6的活性純化。

在一例子中，坩堝，如坩堝10、40或80，如上所述，可容納約1公噸的熔融矽，或更多。在一例子中，坩堝可容納約1.4公噸的熔融矽，或更多。在一例子中，坩堝可容納約2.1公噸的熔融矽，或更多。在一例子中，坩堝可容納至少約1、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.1、2.5、3、3.5、4、4.5、或5公噸的熔融矽，或更多。

坩堝，如前所述之坩堝10、40、80，可以包括其他功能，例如可以在坩堝中提供更有效的熔化或定向凝固矽。可以被包括在坩堝中的結構或功能的例子包括，但不限於，一或多個絕緣層或其他結構、一或多個熱傳導層或其他結構、一或多個外套以及用以維持層在一起或用以防止或減少鬆動的一或多個錨(anchor)。可以包括在坩堝中的結構的例子被描述於尼可(Nichol)等人在2010年11月17日提交的美國專利申請號12/947,936，名稱“用於矽的定向凝固之設備與方法(APPARATUS AND METHOD FOR DIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF SILICON)”，分配給此申請的受讓人，在此引入其全部內容以作為參考。

頂部加熱器

依據本公開，若坩堝，例如上述之坩堝10、40、80，是用於定向凝固，頂部加熱器也可以被包含且放置在坩堝的頂部以加熱坩堝以及在坩堝內的熔融矽。頂部加熱器可以有一個橫截面形狀，其大致吻合坩堝的橫截面形狀。以頂部加熱器加熱坩堝的應用可以允許坩堝中的熔融矽的溫度的控制。頂部加熱器也可以在不加熱之情況下位於坩堝的頂部，所以頂部加熱器可以作為絕緣體以控制從坩堝釋放的熱。藉由控制溫度或釋放坩堝的熱，可以提供所希望的溫度梯度，其可以更高度地控制定向凝固。最終，在溫度梯度的控制下可以在所得矽的純度最大化下允許更有效的定向凝固。

第8圖顯示頂部加熱器100的一個例子。頂部加熱器100可以包括一或多個加熱構件102。每一一或多個加熱構件102可以獨立地包括任何合適的材料。例如，每一一或多個加熱構件102可以獨立地包括一個加熱元件，加熱元件可以包括碳化矽、二矽化鉬(molybdenum disilicide)、石墨，或它們的組合；並且，每一一或多個加熱構件102可以或者獨立可選地包括一感應加熱器。在一例子中，一或多個加熱構件位於大致相同的高度。在另一例子中，一或多個加熱構件位於不同的高度。

在一例子中，加熱構件102可以包括碳化矽，其可以有特定的優點。例如，碳化矽加熱構件102在高溫氧的存在下可以有較小可能性的腐蝕。藉由使用真空室可以降低包含腐蝕材料的加熱構件的氧腐蝕，然而碳化矽加熱構件102可以在不須真空室下避免腐蝕。此外，碳化矽加熱構件102可以在不須水冷式引線下使用。在一例子中，加熱元件被用於真空室中，以及水冷式引線，或兩者皆有。在一例子中，加熱構件102在不須真空室、不須水冷式引線，或兩者皆不須下被使用。

在一例子中，一或多個加熱構件102為感應加熱器。感應加熱器102可以被鑄造為一或多個耐火材料。包含感應加熱線圈或線圈的耐火材料可接著定位於底部模具上。耐火材料可以是任何合適的材料，包括，但不限於三氧化二鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化矽、石墨、或它們的組合。在另一例子中，感應加熱器102不被鑄造為一或多個耐火材料。

一或多個加熱構件102可具有電力系統，使得如果至少一個加熱構件102出現故障時，任何維持功能的加熱構件102可以繼續接收電力並產生熱。在一例子中，每一加熱構件102具有自己的電路。

頂部加熱器100可以包括絕緣體104。絕緣體104可以包括任何合適的絕緣材料，包括，但不限於，絕緣磚、耐火材料、耐火材料的混合物、絕緣板、陶瓷紙、高溫羊毛、，或它們的混合物。絕緣板可以包括高溫陶瓷板。絕緣材料104的底部邊緣及一或多個加熱構件102可以在大約相同的高度，或者加熱構件102可被定位於絕緣材料104的底部邊緣的高度之上，或者絕緣材料104的底部邊緣可以定位於加熱構件102的高度上。可以使用一或多個加熱件102和絕緣材料104的其他配置，例如作為感應加熱器的一或多個加熱構件102、包括耐火材料的絕緣材料104，其中一或多個加熱構件102被包裹在耐火材料104中。在上述例子中，額外的絕緣材料也可以任選地被包含，其中額外的絕緣材料可以是耐火材料，或者額外的絕緣材料可以是另一種合適的絕緣材料。

頂部加熱器100可以包括外套106。中，外套106可以包括任何合適的材料，包括，但不限於鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物、或它們的組合。絕緣材料104可以至少部分地設置在一或多個加熱構件102和外套106之間。外套106的底部邊緣可以大致與絕緣材料104的底部邊緣以及一或多個加熱構件102吻合，或者外套106的底部邊緣可以從絕緣材料104或一或多個加熱構件102，或兩者兼而有之而抵消。在一例子中，覆蓋絕緣材料104邊緣的外套106的部分可以包括相對低導電性的材料，如合適的耐火材料，如三氧化二鋁、氧化矽、氧化鎂、氧化鈣、氧化鋯、氧化鉻、碳化矽、石墨、或它們的組合。

頂部加熱器的外套106可以包括結構構件，如可以增加頂部加熱器100強度或剛性的構件。結構構件可以包括鋼、不銹鋼、銅、鑄鐵、耐火材料、耐火材料的混合物、或它們的組合。在一例子中，頂部加熱器的外套106可以包括一或多個結構構件，其從頂部加熱器的外套106的外部以遠離頂部加熱器100的中心的方向延伸，以及其在頂部加熱器100的周圍或周長周圍水平地延伸。一或多個水平結構構件可以位於，例如，在頂部加熱器外套106外部的較低邊緣、在頂部加熱器外套106外部的頂部邊緣、或者在頂部加熱器外套106外部的底部及頂部邊緣之間。在一例子中，頂部加熱器100包括三個水平結構構件，一個位於頂部加熱器的外套106的頂部邊緣，一個位於頂部加熱器的外套106的上部邊緣，以及一個位於頂部加熱器的外套106的上部邊緣及下部邊緣。

頂部加熱器外套106可以包括一或多個結構構件位於頂部加熱器外套106的外部，其以遠離頂部加熱器100中心之方向從頂部加熱器外套106外部的底部垂直地延伸至頂部加熱器外套106外部的頂部。在一例子中，頂部加熱器外套106可以包括8個垂直結構構件。垂直結構構件可以在頂部加熱器100的圓周或周邊周圍均勻地隔開。在一例子中，頂部加熱器外套106可以包括垂直和水平結構構件。頂部加熱器外套106可以包括延伸穿過頂部加熱器外套106頂部的結構構件。位於頂部的結構構件可以從頂部加熱器外套106的頂部的一外邊緣延伸至頂部加熱器外套106的頂部的另一邊緣。位於頂部的結構構件也可以部分地延伸穿過外套106的頂部。結構構件可以是條、棒、管、或任何合適的結構，以增加對頂部加熱器的結構支撐。結構構件可以藉由焊接、釬焊、或其它合適的方法而連接到頂部加熱器外套106。結構構件可以應用以便於裝置的運輸和物理操縱。例如，位於頂部加熱器外套106外部的頂部可以是足夠尺寸、強度、方向、間距、或它們的組合的管，使得特定的叉式起重器或其他起重機可以提起或移動或以其他方式操縱頂部加熱器。在另一例子中，上述位於頂部加熱器外套106外部上的結構構件可以選擇性地或額外地位於頂部加熱器外套106之內部。在另一例子中，頂部加熱器100可以使用起重機或其它起重設備、使用包括連接到頂部加熱器之結構構件或頂部加熱器之非結構構件的鏈的頂部加熱器100的鏈。例如，鏈可以連接到頂部加熱器外套106的上部邊緣以形成用於起重機抬起並以其他方式移動頂部加熱器100的轡。

冷卻

如上所述，藉由控制坩堝中的溫度梯度，可完成高度控制的定向凝固。高度控制的溫度梯度和相應的定向凝固可以允許更有效的定向凝固，提供矽的高度純化。在一例子中，定向凝固可以約從坩堝底部到頂部而進行，使得溫度梯度具有在底部較低的溫度以及在頂部較高的溫度。在具有頂部加熱器100的一例子中，頂部加熱器100可以是一個方法以控制從坩堝進入或散失的熱。導電耐火材料也可用於在坩堝中以誘導從坩堝底部的熱散失。坩堝也可以包括位於坩堝的側面上的絕緣材料，以防止熱散失、促進垂直熱梯度的形成以及勸阻水平熱梯度的形成。在一例子中，可以使用一或多個風扇冷卻坩堝底部的空氣，例如坩堝之外套的底部，以控制從坩堝底部的熱散失。在一例子中，不使用風扇的空氣循環的周圍可用於冷卻坩堝，包含坩堝的底部。

在一例子中，一或多個傳輸風扇可被連接至坩堝外套的底部以有利於空氣冷卻。一或多個風扇可藉由吹動空氣穿過外套的底部而促進冷卻風扇的冷卻效果。可使用任何適合數量之風扇。一或多個風扇可藉由空氣冷卻吸收從裝置底部的熱並允許熱被移除，有利於風扇的表面積。例如，風扇可以銅、鑄鐵、鋼或不銹鋼製成。

在一例子中，可包含至少一液體導管，其中至少一液體導管係配置以允許冷卻液體流過導管，藉以從坩堝傳送熱離開。冷卻液體可為任何適合的冷卻液體。冷卻液體可為一液體或一個以上液體的混合物。可被使用的冷卻液體的例子包含，但不限於，水、乙二醇、二乙二醇、丙二醇、油、以及油的混合物中至少一者。

在一例子中，至少一液體導管可包含一管。管可包含任何用於熱傳送的適當材料，例如銅、鑄鐵、鋼、不鏽鋼、耐火材料、耐火材料的混合物、或它們的組合。至少一液體導管可包含由一材料構成之一導管。此導管可由任何適當材料所構成，例如包含銅、碳化矽、石墨、鑄鐵、鋼、不鏽鋼、耐火材料、耐火材料的混合物、或其組成物之材料。至少一液體導管可為一管及由材料構成之一導管的組成。在一例子中，至少一液體導管可位於相鄰於裝置的底部、位於裝置之底部、或者組成物相鄰於裝置之底部且在裝置之底部。

液體導管可包含不同的形貌，其可使冷卻液體從定向凝固模具傳送熱離開。可使用幫浦以移動冷卻液體。可使用冷卻系統以從冷卻液體移除熱。例如，一或多個管，包含管可被使用。一或多個管可為任何適當的形狀，包含圓形、方型或平面。一或多個管可被捲曲。一或多個管可相鄰於外套之外部。在一例子中，一或多個管可相鄰於外套之外部的底部。一或多個管可接觸外套，使得可發生足夠的表面積接觸以允許從裝置至冷卻液體有效的傳送。一或多個管可以任何適當的形式接觸外套，包含沿著管之邊緣。一或多個管可以任何適當方法焊接、釬焊、焊接或連接至外套之外部。一或多個管可壓平至外套之外部以促進熱傳送的效率。

在一例子中，至少一液體導管可為一或多個導管穿過坩堝之底部。穿過坩堝底部之導管可為包含於包含於坩堝中的耐火材料中的管。管可進入一部分的外套，穿過坩堝底部之耐火材料或導熱材料或其組成，並從另一部份的外套離開。包含於坩堝之底部耐火材料或底部導熱材料之管可被捲曲、或以任何適當形狀排列，包含在離開坩堝底部前來回移動多次。

在一例子中，至少一液體導管包含容納於耐火材料中之管、導熱材料、或其組成物，其中材料為足夠大以使坩堝放置於上的材料塊。導管可由任何適當材料所構成。例如，導管可由包含銅、碳化矽、石墨、鑄鐵、鋼、不鏽鋼、耐火材料、耐火材料的組成物、或其組成之材料所構成。冷卻液體可從坩堝位於之耐火材料移除熱，藉以坩堝底部移除熱。

一般而言

第9圖描述用以定向凝固矽之裝置120的例子，包含位於坩堝124頂部之頂部加熱器122。鏈126可經由垂直結構構件130中的孔128而連接至頂部加熱器122。鏈126可形成轡，其可允許頂部加熱器122藉由使用起重機而移除。裝置也可以被移除，例如，藉由在剪式起重機(scissor lift)上放置坩堝124，當移動頂部加熱器122於坩堝124上。

垂直結構構件130可以從頂部加熱器122的外套的底部邊緣垂直地延伸至頂部加熱器122的外套的頂部邊緣。垂直結構構件130可以位於頂部加熱器外套的外部並從外套平行於遠離頂部加熱器122中心的方向而延伸。頂部加熱器122也可以包括一或多個水平結構構件132，其可以位於頂部加熱器外套的外部並可以從外套平行於遠離頂部加熱器122中心的方向而延伸。頂部加熱器122也可以包括一緣134，其可以是頂部加熱器122的外套的一部分。緣134可以從頂部加熱器122之外套突出。緣134可以從頂部加熱器122的中心軸線向內延伸，使其覆蓋頂部加熱器122之絕緣部至任何合適的程度。或者，緣134可以只向內延伸到足以覆蓋頂部加熱器122之外套的底部邊緣。一或多個屏幕框136可以包圍從頂部加熱器122之外套突出的加熱構件的端點，保護使用者免於可能存在於或在接近這些構件之端點的熱和電。

絕緣部138可位於頂部加熱器122和坩堝124之間。坩堝124之一或多個絕緣層的至少一部分可以在坩堝124之外套之高度上延伸。坩堝124可以包括一或多個垂直結構構件140。垂直結構構件140可以位於坩堝124之外套之外表面上，從遠離外套平行於遠離坩堝124中心的方向延伸。垂直結構構件140可以從外套之底部邊緣垂直地延伸至外套的頂邊。坩堝124也可以包括一或多個水平結構構件142。水平結構構件142可以位於坩堝124之外套的外表面上，從遠離外套平行於遠離坩堝124中心之方向延伸。水平結構構件142可以水平地在坩堝124的圓周周圍延伸。坩堝124也可以包括底部結構構件144和146。底部結構構件144和146可以從遠離外套平行於遠離坩堝124中心之方向延伸。底部結構構件144和146可以延伸穿過坩堝124的底部。部分的底部結構構件146可以成形，使得它們允許叉車或其它機器抬起或以其他方式物理地操作裝置。

純化矽的方法

第10圖是用於純化矽的示例方法200的流程圖。方法200可以包括，在步驟202中，以襯裏塗布至少一部分熔化坩堝的內表面。在一例子中，塗布於熔化坩堝內表面上的襯裏包括一阻隔層，其包括藉由矽溶膠黏合劑結合在一起之碳化矽顆粒，如關於的1及2圖所述。在另一例子中，塗布於熔化坩堝內表面上的襯裏包括一活性純化層，其包括包含矽溶膠的熔劑，如關於第3及4圖所述之示例襯裏。熔劑組成物也可以包括一或多個熔劑材料，包括，但不限於，碳酸鈉(Na₂CO₃)、氧化鈣(CaO)及氟化鈣(CaF₂)中至少一者，如關於第5圖所述之示例襯裏。塗布於熔化坩堝內表面上的襯裏可以包括藉由矽溶膠黏合劑結合在一起的包含碳化矽顆粒的阻隔層以及包含矽溶膠的活性純化層，以及選擇性的一或多個熔劑材料，如關於第6及7圖所述之襯裏。

在步驟204中，襯裏可塗布到定向凝固模具的內表面的至少一部分上。在一例子中，塗布到定向凝固模具內表面上的襯裏包括一阻隔層，其包括藉由矽溶膠黏合劑結合在一起的碳化矽顆粒，如關於第1及2圖所述。在另一例子中，塗布至定向凝固模具內表面上的襯裏包括一活性純化層，其包括包含矽溶膠之熔劑組成物，如關於第3及4圖所述之示例襯裏。熔劑組成物也可以包括一或多個熔劑材料，包括，但不限於，碳酸鈉(Na₂CO₃)、氧化鈣(CaO)及氟化鈣(CaF₂)中至少一者，如關於的5圖所述之示例襯裏。塗布於定向凝固模具內表面上的襯裏可以包括藉由矽溶膠黏合劑結合在一起的包含碳化矽顆粒的阻隔層以及包含矽溶膠的活性純化層，以及選擇性的一或多個熔劑材料，如關於第6及7圖所述之襯裏。

在一些例子中，僅有熔化坩堝的內表面可以被塗布。在其他例子中，僅有定向凝固模具的內表面可以被塗布。在又一其他例子中，熔化坩堝的內表面及定向凝固模具的內表面可以被塗布。

在步驟206中，第一矽可以被熔化於熔化坩堝的內部中，以提供第一熔融矽。第一矽可以包括任何合適純度等級的矽。第一矽可以至少部分地熔化。至少部分地熔化第一矽可以包括完全地熔化第一矽、幾乎完全地熔化第一矽(熔化重量大於約99%、95%、90%、85%或80%)、或部分熔化第一矽(熔化重量小於約80%或更少)。此方法也可以包括從熔化坩堝傳送第一熔融矽至定向凝固模具，如藉由將第一熔融矽倒入到定向凝固模具中。

在步驟208中，若塗布到坩堝的襯裏是活性純化襯裏，在第一熔融矽中的一或多個污染物或雜質可與襯裏的一或多個成分反應以形成爐渣或浮渣。在一例子中，爐渣可以形成於襯裏本身。

在步驟210中，第一熔融矽被定向固化在定向凝固模具中以提供包括第二矽的錠。在一例子中，第一熔融矽可在約定向凝固模具的底部開始固化，且在約定向凝固模具的頂部結束以形成第二矽。相較於第二矽的較先凝固部分，定向凝固可能會導致第二矽的最後凝固部分包括較大濃度的雜質。相較於第二矽的最後凝固部分，最後凝固部分以外的第二矽的部分可以包括較低濃度的雜質。第二矽可以是矽錠。矽錠可適用於切割成太陽能晶片，例如，用於製造太陽能電池。

在一例子中，定向凝固可以包括定位一頂部加熱器於定向凝固模具上。定向凝固模具可以在添加熔融矽之前進行預熱。頂部加熱器可用於預熱定向凝固模具。預熱定向凝固模具可以幫助防止過度快速凝固的矽於定向凝固模具的壁上。頂部加熱器可用於熔化第一矽以形成第一熔融矽。頂部加熱器可以使用以將熱傳遞至第一熔融矽。當矽被熔化在定向凝固模具中時，頂部加熱器可將熱量傳遞至第一熔融矽。頂部加熱器可用於控制第一熔融矽頂部的熱。頂部加熱器可以用來作為絕緣體，以控制定向凝固模具頂部的熱散失。第一矽可以在裝置外部被熔化，如在爐中的熔化坩堝中，然後添加到定向凝固模具。在一些例子中，在裝置外部被熔化的矽在添加至定向凝固模具後也可以使用頂部加熱器進一步加熱到所需溫度。

在一例子中，頂部加熱器可以包括感應加熱裝器，矽可以在添加至定向凝固模具之前被熔化。或者，頂部加熱器可以包括加熱元件以及感應加熱器。感應加熱器可以更有效地熔融矽。感應可引起熔融矽的混合。在一些例子中，粉末可以被充分地調整以最佳化混合的量，過多的混合可以提高雜質的偏析，但也會在最終矽錠中產生不希望的孔隙度。

定向凝固可以包括從定向凝固模具的底部移除熱。熱的去除可以發生在任何合適的方式。例如，熱的移除可以包括至少一部分的風吹過定向凝固模具的底部、使周圍空氣在使用或不使用風扇下冷卻定向凝固模具的底部、使冷卻液體通過相鄰於裝置底部的管、貫穿裝置底部的管、貫穿裝置所在之材料的管、或其組合。從定向凝固模具的底部移除熱可以使熱梯度在定向凝固模具中被建立，可以提供約從定向凝固模具的底部到定向凝固模具的頂部的第一熔融矽的定向凝固的更好的控制。

從定向凝固模具的底部移除的熱可以在整個定向凝固的期間被進行。多種冷卻方法可以被使用。例如，定向凝固模具的底部可以被液體冷卻及以風扇冷卻。風扇冷卻可以發生在定向凝固的部分，另一部分以液體冷卻，在兩種冷卻方式之間以任何合適的重疊或缺乏。以液體冷卻可能發生於部分的定向凝固，另一部分以周圍空氣冷卻，在兩種冷卻方式之間以任何合適的重疊或缺乏。藉由設置定向凝固模具於材料之冷卻塊上的冷卻也可以發生於定向凝固中任何合適的期間，包括以任何合適重疊量與以其他冷卻方法在任何適當的組合。當熱被加至頂部時，可以進行定向凝固模具底部的冷卻，例如，當熱被添加到頂部以增加頂部的溫度時，保持頂部的溫度，或允許頂部特定速率的冷卻。所有定向凝固模具的頂部加熱的合適的構造和方法、冷卻定向凝固模具的底部、以及它們的組合，與任何合適量的時間重疊或缺乏，也包含作為本發明的例子。

定向凝固可包括使用頂部加熱器加熱矽到至少約1200℃，並緩慢冷卻矽的頂部的溫度從約10至約16小時。定向凝固可以包括使用頂部加熱器加熱矽約1200℃至約1600℃之間，包括之間，保持矽的頂部的溫度大致恆定約14小時。定向凝固可以包括關閉頂部加熱器，使矽冷卻約2至約60小時，然後從定向凝固模具移除頂部加熱器。在步驟212中，第二矽可以從定向凝固模具被移除。矽可以藉由任何合適方法移除。例如，矽可以藉由反轉定向凝固模具而移除，並允許第二矽從定向凝固模具下降。在另一例子中，定向凝固裝置可以分離成二或多個部分，例如藉由能夠實質上攔腰被分開形成兩半，允許第二矽從定向凝固模具中被移除。

在步驟214中，第二矽的一部分，例如，矽錠，可以被移除。較佳地，第二矽的部分的移除導致所得矽錠整體純度增加。例如，此方法可以包括從定向凝固移除第二矽最後凝固部分的至少一部分。定向凝固矽的最後凝固部分可以是第二矽錠的頂部，由於其在底部到頂部的定向凝固過程中被定向。最大濃度雜質一般發生在凝固矽的最後凝固部分。因此，移除最後凝固部分可以從固化的矽中除去雜質，造成在裁剪後的第二矽相較於第一矽具有較低濃度的雜質。矽的部分的移除可以包括以帶鋸、線鋸、或任何合適的切割裝置切割固體矽。矽的部分的移除可包括珠粒噴擊或蝕刻。珠粒噴擊或蝕刻一般也可用於清除或移除任何第二矽的外表面，而不只是最後凝固部分。矽的部分的移除可以包括最後凝固液體部分的移除，例如藉由從坩堝倒入剩餘的液體。

在步驟216中，在移除第二矽錠之部分後，例如，最後凝固部分，可以切割矽錠成一或多個太陽能晶片，藉由使用，例如，帶鋸、線鋸、或任何合適的切割裝置。

實施例

為了更好地說明在此所公開的方法和裝置，提供實施例之非限制性列表：

實施例1包括用於容納熔融矽混合物的坩堝，坩堝包括一主體，其包括具有定義用以接受熔融矽之內部之至少一內表面的至少一耐火材料，以及沉積於內表面上之一襯裏，襯裏包括矽溶膠。

實施例2包括實施例1的坩堝，其中襯裏更包括可與熔融矽反應以形成爐渣之至少一熔劑材料。

實施例3包括實施例2之坩堝，其中熔劑材料包括碳酸鈉、氧化鈣及氟化鈣中至少一者。

實施例4包括實施例1-3中任一者之坩堝，其中襯裏避免或降低在主體之內部中自至少一耐火材料之熔融矽的汙染染。

實施例5包括實施例之坩堝，其中襯裏避免或降低自硼、磷或鋁中至少一者之熔融矽的汙染。

實施例6包括實施例1-5中任一者之坩堝，其中矽溶膠包含懸浮於水中之二氧化矽顆粒，二氧化矽顆粒具有10奈米至30奈米間之一尺寸。

實施例7包括實施例1-6中任一者之坩堝，其中襯裏具有2毫米至10毫米間之一厚度。

實施例8包括實施例1-7中任一者之坩堝，其中至少一耐火材料包含氧化鋁(alumina)。

實施例9包括實施例1-8中任一者之坩堝，其中坩堝用以熔化第一矽以形成熔融矽。

實施例10包括實施例1-9中任一者之坩堝，其中坩堝用以作為定向凝固之模具。

實施例11包括用於純化矽之方法，此方法包含：在熔化坩堝之內部中熔化第一矽以提供第一熔融矽，熔化坩堝包含具有定義熔化坩堝之內部之至少一第一內表面的至少一第一耐火材料，在定向凝固模具中定向固化第一熔融矽以提供第二矽，定向凝固模具包含具有定義定向凝固模具之內部之至少一第二內表面的第二耐火材料，以及以包含矽溶膠之襯裏塗布至少一部分之第一內表面及第二內表面中之至少一者。

實施例12包括實施例11之方法，其中襯裏更包含可與熔融矽反應以形成爐渣之至少一熔劑材料。

實施例13包括實施例12之方法，其中熔劑材料包含碳酸鈉、氧化鈣及氟化鈣中至少一者。

實施例14包括實施例11-13中任一者之方法，其中襯裏避免或降低在主體之內部中自至少一耐火材料之熔融矽的汙染。

實施例15包括實施例14之方法，其中襯裏避免或降低自硼、磷或鋁中之至少一者之熔融矽的汙染。

實施例16包括實施例11-15中任一者之方法，其中矽溶膠包含懸浮於水中之二氧化矽顆粒，該二氧化矽顆粒具有10奈米至30奈米間之一尺寸。

實施例17包括實施例11-16中任一者之方法，其中襯裏具有2毫米至10毫米間之一厚度。

實施例18包括實施例11-17中任一者之方法，其中熔融矽之第一耐火材料包含氧化鋁(alumina)。

實施例19包括實施例11-18中任一者之方法，其中定向凝固模具之第二耐火材料包含氧化鋁。

實施例20包括實施例11-19中任一者之方法，其中定向凝固模具之第二耐火材料包含碳化矽及磷黏合劑。

實施例21包括實施例11-20中任一者之方法，其中以襯裏塗布至少一部分之第一內表面及第二內表面中之至少一者包括以襯裏塗布至少一部分之每一第一內表面及至少一部分之第二內表面。

例子

包含包括氧化鋁的耐火材料12的熔化坩堝10是以襯裏30塗布，其被配置以防止或減少在坩堝10中從耐火材料12至熔融矽2的污染或雜質。襯裏30包含藉由從矽溶膠形成之黏合劑34結合在一起之碳化矽顆粒32。SiC顆粒32是從美國俄亥俄州哥倫布市的聯合礦產有限責任公司(Allied Mineral Products, Inc., or Columbus, OH, USA)販售商品名NANOTEK SiC的市售碳化矽所形成。用於形成黏合劑34的矽溶膠是美國特拉華州威明頓威仕邦公司販售商品名BINDZIL 2040的市售矽溶膠。SiC顆粒32和矽溶膠黏合劑34以重量比例約約60 wt%的SiC顆粒32以及約40 wt%的二氧化矽混合在一起。

SiC顆粒32和矽溶膠黏合劑34的混合物藉由繪塗或刷塗方式塗布到坩堝10的內表面20上。混合物的三個塗層塗布至內表面20上且這三個塗層在空氣中乾燥約6小時。所得襯裏30具有厚度約4毫米至約5毫米。

坩堝10是用於熔化矽以形成熔融矽2，然後將其倒入定向凝固模具以藉由定向凝固(如上所述)純化熔融矽2。使用了特定的坩堝10和襯裏30在熔融矽2的1至4鑄件中(例如，熔化固體矽的1至4單個批次以形成熔融矽2)。在定向凝固模具之襯裏的一例子中，襯裏30在每一錠的定向凝固後被刷新。在1至4個鑄件後，坩堝10的襯裏30可以被刷新，例如藉由除去任何先前襯裏30的殘存物，然後藉由上述相同的塗布及乾燥方法重新塗布一個新的襯裏30。

第11圖顯示一特定污染物的程度之例子，在此例中為硼，在使用坩堝10定向凝固後所得的矽錠。第11圖顯示硼的濃度，每百萬重量份(parts per million weight，ppmw)，這是從單個熔化和定向凝固進行所決定，在本文中稱為“鑄件”。在點300左方的鑄件是不具襯裏熔化坩堝的結果，例如，熔融矽2可以與氧化鋁折射材料直接接觸。在以坩堝10熔化前饋送到坩堝10中的矽程度是眾所周知不超過約0.25 ppmw的硼。因此，如果在所得到的矽錠中硼程度大於0.25 ppmw的硼，則所增加的硼被假設為從坩堝10內而來，且最有可能從耐火材料12而來。

如第11圖所示，點300左方的鑄件(例如，由熔化於不包括阻隔襯裏的熔化坩堝中的矽所製成的鑄件)一般具有高於0.25 ppmw的硼程度，並且在大多數情況下，大於產品矽錠中硼程度選作為上部閾值的0.30 ppmw。點300右方的鑄件(例如，由熔化於包括阻隔襯裏的坩堝10中的矽所製成的鑄件)基本上均小於0.30 ppmw的閾值，且大多低於0.25 ppmw的線。第11圖顯示襯裏30可以作為硼從坩堝10到熔融矽2的一個阻隔。顯示在所得矽錠程度中磷濃度的類似圖顯示襯裏30可作為磷從坩堝10到熔融矽2的一個阻隔。

上面詳細描述包括參考附圖，其形成詳細說明的一部分。附圖顯示，舉例而言，在本發明中可以實施的特定實施例。這些實施例在此也稱為“例子”。上述例子可以包括除了那些顯示或描述的元件。然而，本發明也考慮所提供的例子中只示出或描述的那些元件。此外，本發明也考慮使用所顯示或描述的這些元件的任何組合或排列(或一或多個方面)、關於特定例子(或一或多個方面)、或本文中所顯示或描述的關於其他例子(或一或多個方面)的例子。

在本文與任何文件藉由參閱結合的用法不一致的情況下，控制本文的使用。

在本文中，術語“一”或“一個”的使用，如常用於專利文獻中，包括一或一個以上，獨立於任何其他的實例或“至少一”或“一或多個”的用法。在本文中，術語“或”是用來指非排他性，如“A或B”包括“A，但不是B”、“B，但不是A”以及“A以及B”，除非另有說明。在本文中，術語“包括”和“其中”用作純英語當量的各自的術語“包括”和“其中”。並且，在下列申請專利範圍中，術語“包括”及“包含”為開放式用語，也就是說，除了所列之元件，系統、裝置、物品、成分、配方、或過程包括元件，在上述申請專利範圍中的術語不落於申請專利範圍中。此外，在下列申請專利範圍中，術語“第一”、“第二”及“第三”等僅僅用來作為標記，不作為對它們的物件施加數字要求。

在此所描述的方法的例子可以是機器或計算機執行的至少部分。一些例子可包括與用以配置電子裝置來執行上述例子中描述的方法的計算機可讀介質或機器可讀介質。這種方法的一個實現可以包括代碼，如微代碼、彙編語言代碼、較高級別語言代碼、或類似物。這樣的代碼可以包括用於執行各種方法的計算機可讀指令。代碼可形成計算機程序產品的部分。另外，在一例子中，代碼可以被有形地儲存於一或多種易失性、非短暫性、或非易失性有形的計算機可讀介質，如在執行過程中，或在其他時間。這些有形的計算機可讀介質的例子可以包括，但不限於，硬碟、可移動磁碟、可移動光碟(例如，光盤、數字視頻盤)、磁帶盒、存儲卡或棒、隨機存取記憶體(random access memories，RAMs)、唯讀記憶體(read only memories，ROMs)，等等。

以上的描述旨在是說明性的，而不是限制性的。例如，上述例子(或它們的一或多個方面)可以被相互組合使用。可使用其它例子，如本發明所屬技術領域中具有通常知識者在參閱上述描述後。提供摘要以符合37 C.F.R. §1.72(b)，允許讀者快速地確定技術公開的性質。被明確地提交的是，其不會被用來解釋或限制申請專利範圍的範圍或含義。並且，在上述詳細說明中，各種功能可被組合在一起以簡化本公開。這不應該被解釋為，非所請求之揭示特徵對於任一申請專利範圍是必需的。相反地，本發明的主題在於小於一特定公開實施例的所有特徵。因此，下列申請專利範圍在此併入作為例子或實施例的詳細說明中，每一申請專利範圍在其本身為單獨的實施例，且可以預期的是這樣的實施例可以以各種組合或排列而彼此結合。本發明的範疇應當參考所附的申請專利範圍而決定，以及這些申請專利範圍的等同物的全部範圍。

10．．．坩堝

12．．．耐火材料

14．．．底部

16．．．側部

18．．．內部

20．．．內表面

22．．．上表面

24．．．內表面

30．．．襯裏

2．．．熔融矽

Claims (10)

1. 一種用以容納熔融矽混合物之坩堝，該坩堝包含：
   一主體，包含具有定義用以接納熔融矽之一內部之至少一內表面的至少一耐火材料；以及
   一襯裏，沉積於該內表面上，該襯裏包含矽溶膠(colloidal silica)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之坩堝，其中該襯裏更包含可與熔融矽反應以形成爐渣之至少一熔劑材料(flux material)；且該熔劑材料包含碳酸鈉、氧化鈣及氟化鈣中至少一者。
3. 如申請專利範圍第1項所述之坩堝，其中該矽溶膠包含懸浮於水中之二氧化矽顆粒，該二氧化矽顆粒具有10奈米至30奈米間，包含10奈米與30奈米之一尺寸。
4. 如申請專利範圍第1項所述之坩堝，其中該襯裏具有2毫米至10毫米間，包含2毫米與10毫米之一厚度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之坩堝，其中該至少一耐火材料包含氧化鋁(alumina)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之坩堝，其中該坩堝係配置以熔化一第一矽以形成一熔融矽；或者配置為用以定向凝固之一模具。
7. 一種用於純化矽之方法，該方法包含：
   在一熔化坩堝之一內部中熔化一第一矽以提供一第一熔融矽，該熔化坩堝包含具有定義該熔化坩堝之該內部之至少一第一內表面的至少一第一耐火材料；
   在一定向凝固模具中定向固化該第一熔融矽以提供一第二矽，該定向凝固模具包含具有定義該定向凝固模具之一內部之至少一第二內表面的一第二耐火材料；以及
   以包含矽溶膠(colloidal silica)之一襯裏塗布至少一部分之該第一內表面及該第二內表面中之至少一者。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該襯裏更包含能夠與該第一熔融矽反應以形成爐渣之至少一熔劑材料(flux material)，其中該熔劑材料包含碳酸鈉、氧化鈣及氟化鈣中至少一者。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該襯裏避免或降低在主體之該內部中之該第一熔融矽被該至少一耐火材料汙染，其中該襯裏避免或降低該第一熔融矽被硼、磷或鋁中之至少一者汙染。
10. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該襯裏具有2毫米至10毫米間，包含2毫米與10毫米之一厚度。