TW201713597A - 以矽石製造高純度矽的裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種利用真空電弧爐用以將含有矽石的材料，例如石英以及石英岩，製造成高純度矽的裝置及方法。

Description

以矽石製造高純度矽的裝置及方法
本發明是關於矽(silicon)的製造，更具體而言，是關於以矽石(silica)製造矽。
用於製造矽金屬的主要製程之一是基於在高溫下的矽石的碳熱還原反應(carbothermic reduction)。這可以藉由在電弧爐(electric arc furnace)中存在有碳的情況下還原矽石來實現。傳統的方法依賴於在環境壓力中將矽石直接還原成矽，在環境壓力中高溫電弧(arc)加熱反應物以形成矽。用這種方法製造的矽產品被稱為冶金級矽(Metallurgical Grade Silicon，MG-Si)，一般認為其純度最高不會超過98-99%。MG-Si在鋁和鋼鐵產業被直接用作為添加劑或者是用於生產更高純度級別的矽材料，例如太陽能級矽(Solar Grade Silicon，SoG-Si)以及電子級矽(Electronic Grade Silicon，EG-Si)的前驅體。因此，較高級別的矽是將較低級別的矽(MG-Si)精煉(refined)至更高純度的產品。精煉加工是後純化處理(post-purification processes)，其經由兩個主要途徑：化學途徑和冶金途徑。
太陽能和電子應用的進展使得矽在二十一世紀成為一種戰略物資。因此，以合理的成本供應高純度的矽已經成為需要。
現有的常規碳熱矽生產製程具有缺點和侷限性，其中包括但不限於：矽中的高雜質含量阻礙了矽直接被使用在許多應用中，例如太陽能，以及矽生產製程高度取決於原料的純度。
以下技術也已為周知。
於1909年3月30日頒發給蘇厄德等人的(Seward et al.)的標題為「矽的製造」的美國專利第916,793號中，即參考文獻[1]，電弧爐被 用於直接碳熱還原矽石成為矽。一種雙電極直流配置(twin electrode direct current configuration)被用於產生在兩個陰極和一個底部陽極之間的電弧。純焦炭和實質上純淨的矽石被用於矽的製造。該專利中並沒有提出任何方法以去除作為主要副產物的CO(g)、或去除在加工製程中形成的冷凝物。該公開僅揭露了小範圍的原料，即那些極端高純度("純淨")的材料。
於1965年11月2日頒發給庫爾曼(Kuhlmann)的標題為「矽金屬的製造」的美國專利第3,215,522號中，即參考文獻[2]，是關於在電弧爐中製造矽金屬以及矽金屬軸承合金(silicon metal-bearing alloys)的方法。類似於上述美國專利第916,793號，矽石的碳熱還原反應被使用於在電弧爐中製造矽。由任一個或兩個反應物(即，矽石和碳來源)所組成的餵給材料通過中空電極供給到爐。相比於美國專利第916,793號，此發明被認為是可以實現較精細的材料餵給和較少電極消耗的改進。中空電極被用於將細微尺寸的反應物攜帶到爐內。雖然細微尺寸的顆粒有很大的趨勢堵塞線路，這個問題並沒有在美國專利第3,215,522號中解決。此外，反應物可能堵塞在其溫度高到足以半熔融矽石的電極的前端，這增加了堵塞的可能性。這個問題也未在美國專利3,215,522號中解決。
於1991年4月23日頒發給阿維德森等人(Arvidson et al.)的標題為「在直流電爐中的矽熔煉製程」的美國專利第5,009,703號中，即參考文獻[3]，藉由應用直流電流(DC)代替交流電流(AC)系統，以及相較於開頂爐在閉合配置的爐中進行還原製程，目標在於改善現有技術的能量消耗。此公開內容提供了在一個頂部封閉的爐中以直流電源製造矽金屬的更加節能的製程。
於1992年4月14日頒發給戈因斯等人(Goins,Jr.et al.)的標題為「用於製作元素矽和其合金的熔煉裝置」的美國專利第5,104,096號，即參考文獻[4]，涉及用於製造實質上純淨(pure)形態的矽金屬的電冶金方法以及裝置。二氧化矽在電弧爐中被碳質還原劑(carbonaceous reductant)還原，其中部分二氧化矽被還原成矽金屬而部分轉化為氣態氧化物。至少一部分氣態氧化物被收集。通過建立和保持所收集的氧化物和一床碳質還原劑之間的逆流接觸，產生額外的元素矽。氣體收集是通過一個或多個的中空電極或一個或多個的排出管(drawoff tubes)所完成。此注射使用中空 電極或排出管以收集部分氣態氧化物，即SiO(g)。使用中空管或電極來捕集可冷凝的氣體是具有挑戰性的，而且一直存在堵塞的可能。然而，在本公開中，這個問題沒有被解決。雖然該專利表明由該方法製造的矽將會是純淨的，該專利並沒有提到在矽相(silicon phase)中的雜質累積問題。
因此，期望提供一種用於從矽石製造高純度矽的裝置以及/或方法。
【專利文獻】
參考文獻[1]G. O. Seward and F. O. Kügelgen, "Production of Silicon"，美國專利第916,793號，1909年3月30日。
參考文獻[2]A. M. Kuhlmann, "Silicon Metal Production"，美國專利第3,215,522號，1965年11月2日。
參考文獻[3]Arvid N. Arvidson, Vishu D. Dosaj and James B. May, "Silicon Smelting Process in Direct Current Furnace"，美國專利第5,009,703號，1991年4月23日。
參考文獻[4]Curtis W. Goins Jr. and Earl K. Stanley, "Smelting Apparatus for Making Elemental Silicon and Alloys Thereof"，美國專利第5,104,096號，1992年4月14日。
因此，期望提供一種用於從矽石製造矽的新穎的裝置及/或方法。
本發明所敘述的實施例在一方面提供一種用於將矽石還原成矽的系統，其利用等離子電弧以及真空的組合以從含有矽石的材料，例如石英或石英岩，製造高純度的矽。
具體而言，提供真空電弧爐，使等離子電弧從含有矽石的材料產生矽熔體。
更具體而言，為了增加含有矽石的材料中所含的雜質的揮發速率，提供揮發劑，例如含氯材料，揮發劑適於通過至少一中空電極被注 射至爐中所產生的熔體。
還有，本發明所述的實施例在另一方面提供一真空電弧爐，包括至少一組中空電極以產生電弧。
具體而言，提供至少一個移動電極，該移動電極適於藉由運動系統作移位以控制電壓，該移動電極與爐的主體電絕緣。
更進一步地，本發明所述的實施例在另一方面提供一種在真空電弧爐中進行將含有矽石的材料還原成高純度的矽的方法，從爐中形成的熱氣在用於冷凝以及收集雜質的內襯有耐火材料的旋風器中被氧化，並且氧化可燃物種，例如一氧化碳。
具體而言，該氣體更進一步在氣體冷卻器-膨脹器以及高效率空氣微粒(high efficiency particulate air,HEPA)淨化系統中清除可冷凝的微粒，以捕集極細微的微粒。
更進一步地，本發明所述的實施例在另一方面提供一種用於從矽石製造矽的裝置，包括：一真空電弧爐，適於接收餵給材料於其中；以及一真空系統，用以在該爐中提供真空，其中，該爐中所產生的等離子電弧適於提供能量以將矽石還原成矽。
甚至，本發明所述的實施例在另一方面提供一種用於將含有矽石的材料還原成矽的方法，包括以下步驟：提供一真空電弧爐；將含有矽石的材料餵給至該爐內；以及在該爐中將該含有矽石的材料加熱以製造矽金屬。
1‧‧‧端口
2‧‧‧真空電弧爐
3‧‧‧坩堝
4‧‧‧電極
5‧‧‧導電板
6‧‧‧電漿電弧
7‧‧‧熔體
8‧‧‧流出孔
9‧‧‧出口端口
10‧‧‧氣體注射端口
11‧‧‧電絕緣材料
12‧‧‧低熱導熱性耐火材料
13‧‧‧護套
14‧‧‧爐
15‧‧‧旋風器
16‧‧‧分歧管
17‧‧‧密封收集壺
18‧‧‧氣體冷卻器-膨脹器
19‧‧‧收集盒
20‧‧‧高效率空氣微粒淨化系統
21‧‧‧活性碳過濾器
22‧‧‧真空幫浦
23‧‧‧排氣管
24、25‧‧‧入口
A‧‧‧從矽石製造矽的裝置
F‧‧‧餵給材料
為了能更清楚了解本發明所述的實施例，並更清楚說明它們可以如何實施，搭配圖式舉例說明至少一範例實施例，其中：第1圖是根據一範例實施例之真空電弧矽石製成矽的還原裝置的縱剖面概略圖；第2圖是根據一範例實施例之矽石製成高純度矽的方法的概略圖；以及 第3圖是根據一範例實施例之純金屬元素的蒸氣壓力作為溫度函數的圖。
在一實施例中，真空電弧爐(vacuum electric arc furnace,VEAF)用於從含有矽石的材料一個步驟地製造高純度的矽(例如，大於99%)。電弧是利用交流電或者直流電產生於真空電弧爐中。等離子電弧提供將矽石還原成矽所需要的能量。這種還原製程所用的還原劑通常是碳，因為碳蘊藏豐富以及價格低。對於包括雜質在真空條件下大多揮發的矽石，具有高反應性的任何碳來源均可以被使用。在含有矽石的材料，例如石英的情況下，雜質的內含物包括，但不限於，磷(P)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、鈣(Ca)、鉛(Pb)、錳(Mn)、鋁(Al)以及鐵(Fe)，可以被減少或者完全移除。根據赫茲-克努森公式(Hertz-Knudsen equation)，在高蒸氣壓力物種(相較於矽)的情況下移除速率較高。例如，在提出的方法中，磷可以幾乎完全被移除。
在本實施例中，含有矽石的材料的混合物-例如石英，以及還原劑-通常是碳，被移轉至VEAF。在爐中所產生的等離子電弧傳遞必需能量以使矽石還原成矽，並且在真空下從矽相(silicon phase)揮發雜質。
真空電弧矽石還原反應的作用與電弧爐相似，但是利用真空條件(小於100kpa，通常是小於1000Pa)可以在較低的溫度下揮發雜質，且比在大氣壓力下更有效揮發。這使得在爐中以可實現的中等溫度(1400°C到2000℃)以及高速率來揮發雜質，並減少來自坩堝的汙染變得可能。甚至，在環境壓力下不揮發的那些雜質，例如錳(Mn)、銀(Ag)、鎵(Ga)、錫(Sn)、銅(Cu)、鋁(Al)以及鐵(Fe)，在真空條件下變為可揮發的。來自等離子電弧的劇熱提供適當的溫度用於在還原劑，例如碳的存在下將矽石還原成矽，並提供足夠的熱能以在精煉製程中將矽維持在熔融相(molten phase)。使用替代大氣壓電弧製程的真空電弧製程使得具有蒸氣壓力高於矽的雜質在製程中揮發。相較於藉現有的方法將MG-Si經由後純化處理進行精煉，本方法能夠以一個步驟地製造較高純度的矽。
更進一步，相較於已知的現有方法，本實施例使得矽產品的品質較少被原料中的雜質所決定。這在高純度的矽石或者高純度的碳來源在無法取得或昂貴時變得更為重要。
現在參閱第1圖，第1圖在一個縱剖面概略圖中顯示了根據一範例實施例將矽石製成矽的方法，其中A代表基本上用於從矽石製造矽的裝置。在裝置A中，餵給材料F在入口24經由一個或多個端口1被餵給至真空電弧爐2(VEAF)，餵給材料F被堆疊在例如由低導電的石墨所製成的坩堝3中。可移動的中空石墨電極4將電流輸送至例如由高導電的石墨所製成的導電板5。石墨電極4為中空的，以容許惰性或活性的電弧穩定氣體在入口25導入，並且容許揮發化學劑的導入，揮發化學劑藉由與雜質反應產生揮發性物種或者增加來自熔體的雜質的揮發速率。
電弧6在製程的初期直接形成於電極4與導電板5之間，然後藉此製造矽熔體7(silicon melt)。包含矽的熔體7週期性地通過流出孔8被導出。
爐2的運作壓力是通過連接至出口端口9的真空幫浦(未顯示)而調控。爐環境是藉由通過氣體注射端口10導入的多種氣體所控制，以攜走被揮發的雜質以及氣態副產物，並且部份氧化一氧化物氣態物種例如CO(g)以及SiO(g)。
被運動系統移位以控制電壓(未顯示)之移動的電極4藉由電絕緣材料11與電弧爐2的主體電絕緣，電絕緣材料11如可加工的玻璃-陶瓷，例如Macor®。為了減少電弧爐2的熱損耗，石墨坩堝3的壁在此藉由低熱導熱性耐火材料12所絕緣。為了控制電弧爐2的壁溫，護套13貼附於電弧爐2的外部，氣體或液體的冷卻流體通過該護套13被導入(未顯示)。
第2圖顯示根據一範例實施例之矽石到高純度矽的完整製造方法的概略圖，該範例實施例包括了還原部分以及氣體清潔部分。在例如第1圖中所詳細描述的電弧爐2的爐14中進行將含有矽石的材料還原成高純度矽(例如，大於99%)的製程。從爐短管(furnace spool)形成的熱氣與載體氣體混合並由爐14排出至氧氣輔助的內襯有耐火材料的旋風器15(oxygen-assisted refractory-lined cyclone)。旋風器15的角色是為了收集冷凝後的雜質以及來自氣相(gas phase)的矽石，以氧化可燃物種，例如 一氧化碳。氣體或氧氣通過分歧管16(manifold)被注射至旋風器15。另外，藉由燃料燃燒器或氧燃料燃燒器(未顯示)點火的內襯有耐火材料的容器可以用以在廢氣中將CO(g)氧化成CO2(g)。冷凝物以及殘留微粒被收集於密封收集壺17內。
從旋風器15出來的氣體通過氣體冷卻器-膨脹器18，在其中氣體被冷卻至到達80℃以下的溫度，並且來自在旋風器15中為可揮發的冷凝物的微粒下沉而被收集在收集盒19中。從氣體冷卻器-膨脹器18出來的氣體會通過高效率空氣微粒(HEPA)淨化系統20用以捕集從旋風器15以及氣體冷卻器-膨脹器18逃漏的極細微的微粒，例如小於5μm。沒有微粒的氣體會通過活性碳過濾器21用以捕集殘留的有毒氣體物種，例如廢氣中的Cl2、其他含有氯的氣體物種、SO2、以及其他酸性氣體。系統的運作壓力由真空幫浦22所控制。且廢氣被排出至排氣管23(stack)。
回到第1圖，餵給材料F包括：矽石，為石英或石英岩或任何其他高矽石含量(例如大於60%~70%，其餘在VEAF運作條件下大多為揮發性雜質)的形態；以及還原劑，通常是碳，被直接餵給進VEAF 2內。中空電極4通常由高品質石墨所製造，中空電極4在該製程的初期通過直接接觸，之後再通過電漿電弧6，以將電流傳導至置放於電弧爐2底部的導電板5。電漿電弧6加熱餵給材料F以啟動經由SiO2(s,l)+C(s)的還原反應。
氣體副產物，在使用碳時應為經由此完整反應：SiO2(s)+2C(s)+熱能=Si(l)+2CO(g)所得的一氧化碳，該氣態副產物上升並排出至如第2圖所示之適當的氣體清潔系統。氣體清潔系統的角色在於，例如在廢氣中將CO(g)的水平降低至50ppm以下、移除有毒氣體物種、以及從電弧爐2中出來的氣體中捕集微粒。液體形態的矽累積於坩堝3的底部，並且週期性地經由流出孔8從電弧爐2導出。各導出一般發生在各還原-精煉製程之間，並且取決於真空條件下的雜質的去除速率。電漿電弧6的熱能將矽以及雜質保持在熔融相。提供非常低的運作壓力用於揮發具有蒸氣壓力高於矽的雜質。
所揮發的雜質經由惰性氣體(例如氬氣)或還原載體氣體(例如CO)從電漿爐2被排出。為了加強雜質的揮發速率，多種揮發劑，例如含有氯的材料，可以通過中空電極4被注射至熔體7。揮發劑藉由與雜質反應 以產生具有較高揮發性的新的化合物以及/或藉由在熔體中變為可揮發的，來加強雜質的揮發率。例如，藉由注射氯(Cl2)，雜質通過M(l)+x/2 Cl2(g)=MClx(g)被轉化為金屬鹽，金屬鹽具有較其金屬形態高的揮發性。所注射的揮發性氣體的量根據雜質的量而改變，並且應該根據反應的化學計量來注射。
範例
金屬組份在上升的溫度中的蒸氣壓力的差異是真空精煉的基本原理。所選擇的純物質在1400℃到2000℃之間的蒸氣壓力是利用純物質的有效蒸氣壓力數據(如第3圖所示)來計算。可以看出，許多存在於起始材料(例如石英)的元素的蒸氣壓力高於矽，因而，他們可以從矽相中被蒸發。然而，在大氣壓力下(例如1.013E+05Pa)，僅有少數的元素可在約2000℃的溫度下被蒸發，即凹坑的溫度，凹坑是創造在爐中的空腔，負責將原始材料形成氣態物種，在該處累積矽金屬。
另一方面，藉由減少該製程的運作壓力，例如，減到100Pa，高於第3圖中矽的線的所有元素會在最低1900℃的溫度下被蒸發。甚至，降低壓力還可以幫助在低溫下進行精煉製程，可以降低製程的運作成本。另外，真空精煉藉由降低液-氣介面的阻力來加強可揮發的雜質從液體到氣體相的重量轉移，這並不能在大氣壓力下達成。
在一範例中，石英原料在碳的存在下在真空水平小於0.5kPa運作的直流電(DC)真空電弧爐中被還原。石墨坩堝的底部作用如底部陽極用以接收來自陰極的電極。製程以批量模式進行，在批量模式中，石英-碳混合物(重量比為2.5的SiO2/C)被置放於石墨坩堝內。石英樣本具有98.99%的純度，而碳來源中金屬的雜質由ICP-MS評估為0.4%。利用掃描電子顯微鏡結合能量色散X射線光譜儀(SEM-EDX)的方法，從坩堝的底部所收集的製造樣本中檢測出矽金屬的存在。矽相的純度藉由0.1%(1000ppm)的偵測極限所量化。在一樣本中，22個讀取值顯示100%純矽金屬的存在下，具有相對於偵測極限實際大於99.9%的純度。在此範例中，1%的雜質存在於石英樣本，而碳來源含有0.4%金屬雜質。具有純度高於99.9%的矽金屬的存在顯示不僅矽可以藉由此新穎的方法產生，還顯示此純度可以在一個步驟中實現。
以上敘述提供實施例的範例，可以想見在不脫離所述實施例的操作的原理及精神下，所述實施例的一些特徵以及/或功能容許作改變修飾。因此，以上說明僅旨在說明實施例而非限制，所屬領域技術人員可以了解在不脫離本發明請專利範圍要旨下，尚可進行其它改變以及修飾的可能。
1‧‧‧端口
2‧‧‧真空電弧爐
3‧‧‧坩堝
4‧‧‧電極
5‧‧‧導電板
6‧‧‧電漿電弧
7‧‧‧熔體
8‧‧‧流出孔
9‧‧‧出口端口
10‧‧‧氣體注射端口
11‧‧‧電絕緣材料
12‧‧‧低熱導熱性耐火材料
13‧‧‧護套
24、25‧‧‧入口
A‧‧‧從矽石製造矽的裝置
F‧‧‧餵給材料

Claims (50)

  1. 一種用於從矽石製造矽的裝置，包括：一真空電弧爐，適於接收餵給材料於其中；以及一真空系統，用以在該爐中提供真空，其中，在該真空電弧爐中所產生的一電漿電弧適於提供能量以將矽石還原成矽。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的裝置，其中，含有矽石的材料的一混合物，例如石英，以及一還原劑，例如碳，適於被餵給至該真空電弧爐。
  3. 根據申請專利範圍第1項或第2項所述的裝置，其中，該真空電弧爐適於在真空條件下運作，例如小於100kPa，或一般小於1000Pa。
  4. 根據申請專利範圍第1項至第3項中任一項所述的裝置，其中，在該真空電弧爐中的該電漿電弧適於在真空下從矽相揮發雜質，以及提供熱量使矽在精煉製程中保持熔融相。
  5. 根據申請專利範圍第4項所述的裝置，其中，該真空適於在1400~2000℃的低溫中揮發雜質。
  6. 根據申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的裝置，其中，該餵給材料經由至少一個餵給端口被餵給至該真空電弧爐，以及提供一坩堝，用以接收該餵給材料。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的裝置，其中，該餵給材料適於在該坩堝中堆疊。
  8. 根據申請專利範圍第6項或第7項所述的裝置，其中，該坩堝由低導電石墨製成。
  9. 根據申請專利範圍第1項至第8項中任一項所述的裝置，其中，提供至少一電極，用以輸送電流至一導電板，該導電板例如提供於該坩堝的底部。
  10. 根據申請專利範圍第9項所述的裝置，其中，該導電板是由高導電石墨製成。
  11. 根據申請專利範圍第9項或第10項所述的裝置，其中，該電極為中空的，用以容許在該真空電弧爐中電弧穩定氣體的導入，該氣體為惰性或活性。
  12. 根據申請專利範圍第11項所述的裝置，其中，該電極為中空的，用以容許揮發化學劑的導入，該揮發化學劑用以與雜質反應或加強雜質從熔體的揮發速率。
  13. 根據申請專利範圍第9項至第12項中任一項所述的裝置，其中，該電極由例如石墨所製造。
  14. 根據申請專利範圍第9項至第13項中任一項所述的裝置，其中，該電極為可移動的。
  15. 根據申請專利範圍第9項至第14項中任一項所述的裝置，其中，該電弧適於在該製程的初期直接形成於該電極與該導電板之間，藉此然後製造一矽熔體，即含有矽的熔體。
  16. 根據申請專利範圍第15項所述的裝置，其中，提供一出口，用以週期性地從該真空電弧爐導出液態的該熔體。
  17. 根據申請專利範圍第1項至第16項中任一項所述的裝置，其中，該真空電弧爐的環境適於藉經由一氣體注射端口導入多種氣體至該真空電弧爐中來控制，用以帶走所揮發的雜質以及氣態副產物並且用以部份氧化該一氧化物氣態物種，例如CO(g)以及SiO(g)。
  18. 根據申請專利範圍第9項至第16項中任一項所述的裝置，其中，該電極適於由一運動系統來移位，以控制電壓。
  19. 根據申請專利範圍第9項至第16項中任一項所述的裝置，其中，該電極適於由一運動系統來移位，以控制電壓，該電極藉由電絕緣材料從該真空電弧爐的主體電絕緣，該電絕緣材料如可加工的玻璃-陶瓷，例如Macor®。
  20. 根據申請專利範圍第1項至第19項中任一項所述的裝置，其中，該坩堝的壁由低熱導熱性耐火材料所絕緣，以限制該爐的熱損耗。
  21. 根據申請專利範圍第1項至第20項中任一項所述的裝置，其中，於該真空電弧爐的外部上提供一護套，為氣體或液體的一冷卻流體循環通過該護套，以控制該真空電弧爐的壁溫。
  22. 根據申請專利範圍第9項至第16項、第18項以及第19項中任一項所述的裝置，其中，該電極適於在該製程的初期通過直接接觸、之後再通過該電漿電弧，將電流傳導至置放於該真空電弧爐底部的該導電板，該電漿電弧適於加熱該餵給材料以啟動經由SiO2(g，l)+C(s)的還原反應。
  23. 根據申請專利範圍第1項至第22項中任一項所述的裝置，其中，該餵給材料包括：矽石，為石英或石英岩或任何其他高矽石含量的形式，例如大於60%~70%，其餘適於在該真空電弧爐運作條件下大多為揮發性雜質；以及還原劑，通常是碳，該餵給材料適於被直接餵給進該真空電弧爐內。
  24. 根據申請專利範圍第16項所述的裝置，其中，該坩堝的各導出適於發生在各還原-精煉製程之間，並且取決於真空條件下的雜質的去除率。
  25. 根據申請專利範圍第1項至第24項中任一項所述的裝置，其中，低運作壓力適於提供用以揮發具有蒸氣壓力高於矽的雜質。
  26. 根據申請專利範圍第1項至第25項中任一項所述的裝置，其中，所揮發的雜質適於經由惰性氣體，例如氬氣，或還原載體氣體，例如CO，從該真空電弧爐被排出。
  27. 根據申請專利範圍第1項至第26項中任一項所述的裝置，其中，多種揮發劑，例如含有氯的材料，適於通過該中空電極被注射至該熔體，以加強雜質的揮發速率。
  28. 根據申請專利範圍第1項至第27項中任一項所述的裝置，其中，揮發劑提供用於加強雜質的揮發速率，藉由與雜質反應以產生具有較高揮發性之新的化合物及/或藉由在熔體中變為可揮發的，例如，藉由注射氯，雜質適於通過M(l)+x/2 Cl2(g)=MClx(g)被轉化為金屬鹽，該金屬鹽具有較其金屬形態高的揮發性。
  29. 一種用於從矽石製造矽的方法，係利用申請專利範圍第1項至第28項中任一項所述的裝置。
  30. 根據申請專利範圍第29項所述的方法，其中，包括：一還原系統以及一氣體清潔系統，在該真空電弧爐中進行還原製程，將含有矽石的材料還原成高純度矽，例如大於99%。
  31. 根據申請專利範圍第30項所述的方法，其中，從該真空電弧爐中形成的熱氣與載體氣體混合，適於從該真空電弧爐中排出至氧氣輔助之內襯有耐火材料的一旋風器。
  32. 根據申請專利範圍第31項所述的方法，其中，該旋風器適於收集冷凝後的雜質和來自氣相的矽石，並且適於氧化可燃物種，例如一氧化碳。
  33. 根據申請專利範圍第31項或第32項所述的方法，其中，空氣或氧氣通過一分歧管被注射至該旋風器。
  34. 根據申請專利範圍第31項或第32項所述的方法，其中，提供藉由一燃料燃燒器或一氧燃料燃燒器點火之內襯有耐火材料的一容器，用以在廢氣中將CO(g)氧化成CO2(g)。
  35. 根據申請專利範圍第31項至第34項中任一項所述的方法，其中，提供一密封收集壺，用以收集冷凝物以及殘留微粒。
  36. 根據申請專利範圍第31項至第35項中任一項所述的方法，其中，從該旋風器進入的氣體適於通過一氣體冷卻器-膨脹器，在該氣體冷卻器-膨脹器中該氣體適於被冷卻至到達80℃以下的溫度，並且來自在該旋風器中為可揮發的該等冷凝物的該等微粒適於安定於並被收集在一收集盒中。
  37. 根據申請專利範圍第36項所述的方法，其中，從該氣體冷卻器-膨脹器出來的氣體適於通過一高效率空氣微粒淨化系統用以捕集從該旋風器以及該氣體冷卻器-膨脹器漏出的極細微的微粒，例如小於5μm。
  38. 根據申請專利範圍第37項所述的方法，其中，沒有微粒的該氣體適於通過一活性碳過濾器用以捕集殘留的有毒氣體物種例如從廢氣中的Cl2、其他含有氯的氣體物種、SO2以及其他酸性氣體，以及其中，一運作壓力例如由一真空幫浦所控制，且廢氣被排出至一排氣管。
  39. 根據申請專利範圍第30項至第38項中任一項所述的方法，其中，氣態副產物在使用碳時為經由以下完整反應：SiO2(s)+2C(s)+熱能 =Si(l)+2CO(g)所得到的一氧化碳，該氣態副產物適於上升並排出至該氣體清潔系統。
  40. 根據申請專利範圍第39項所述的方法，其中，該氣體清潔系統適於，例如，在廢氣中將CO(g)的水平降低至50ppm以下、移除有毒氣體物種以及從該真空電弧爐中出來的氣體中捕集微粒。
  41. 根據申請專利範圍第1項至第28項中任一項所述的裝置，其中，該真空由與該真空電弧爐連通的一真空幫浦所提供，例如經由一出口端口。
  42. 根據申請專利範圍第1項至第28項中任一項所述的裝置，其中，該真空電弧爐的運作壓力適於由與該真空電弧爐連通的一真空幫浦一起調控，例如經由一出口端口。
  43. 一種用於將矽石還原成矽的系統，為利用一電漿電弧以及真空的組合，用以從含有矽石的材料，例如石英或石英岩，產生高純度的矽。
  44. 根據申請專利範圍第43項所述的系統，其中，提供一真空電弧爐，以使該漿電弧從該含有矽石的材料中產生一矽熔體。
  45. 根據申請專利範圍第44項所述的系統，其中，提供揮發劑，以加強該含有矽石的材料中所含的雜質的揮發速率，該揮發劑例如含氯材料，且該揮發劑適於通過至少一個中空電極被注射至該真空電弧爐中所產生的熔體。
  46. 一種真空電弧爐，包括至少一組中空電極以產生電弧。
  47. 根據申請專利範圍第46項所述的真空電弧爐，其中，提供至少一個移動的電極，該電極適於由一運動系統來移位以控制電壓，該電極與該真空電弧爐的主體電絕緣。
  48. 一種在真空電弧爐中進行還原製程將含有矽石的材料還原成高純度的矽的方法，其中，從該真空電弧爐中形成的熱氣在用於冷凝以及收集雜質之內襯有耐火材料的一旋風器中被氧化，並且氧化可燃物種，例如一氧化碳。
  49. 根據申請專利範圍第48項所述的方法，其中，該氣體更進一步在一氣體冷卻器-膨脹器以及一高效率空氣微粒淨化系統中清除可冷凝的微粒，以捕集極細微的微粒。
  50. 一種用於將含有矽石的材料還原成矽的方法，包括以下步驟：提供一真空電弧爐；將含有矽石的材料餵給至該真空電弧爐內；以及在該真空電弧爐中將該含有矽石的該材料加熱以製造一矽金屬。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI691459B (zh) * 2017-10-27 2020-04-21 加拿大商凱文艾倫杜拉股份有限公司 用於製造高純度矽的系統及方法

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101617167B1 (ko) * 2015-08-12 2016-05-03 한국수력원자력 주식회사 측면 배출게이트가 구비된 플라즈마 용융로
CN107604174B (zh) * 2017-10-23 2020-08-25 沈阳真空技术研究所有限公司 真空冷坩埚凝壳炉电极传动系统
KR102103646B1 (ko) 2018-09-03 2020-04-22 한성현 실리카 가공 장치 및 방법
CN108823638A (zh) * 2018-09-10 2018-11-16 孟静 太阳能电池用大尺寸硅锭的制备方法
BR112021017118A2 (pt) * 2019-03-22 2021-11-03 Wacker Chemie Ag Método para produção de silício técnico
CN111495298A (zh) * 2020-05-15 2020-08-07 广东先导稀材股份有限公司 一种等离子体弧磁力旋转气化制粉炉
KR102355088B1 (ko) * 2020-07-27 2022-02-07 강원대학교산학협력단 실리카 환원을 이용한 실리콘 제조방법 및 이를 위한 장치
CN115196642B (zh) * 2022-07-04 2023-09-26 柯瑞林 一种二氧化硅的提纯方法
FR3145359A1 (fr) * 2023-01-27 2024-08-02 HPQ Silicium Inc. Appareil et procede de production de silicium par carboréduction
FR3146672A1 (fr) * 2023-03-15 2024-09-20 HPQ Silicium Inc. Appareil et procede de production de silicium de purete 3n ou superieure par purification d’un silicium de purete 2n

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3215522A (en) * 1960-11-22 1965-11-02 Union Carbide Corp Silicon metal production
US3393266A (en) * 1966-06-20 1968-07-16 Mc Graw Edison Co Electric arc furnace
US3505460A (en) * 1968-05-15 1970-04-07 Westinghouse Electric Corp Electric arc vacuum furnace employing nonconsumable electrode
US3912498A (en) * 1971-02-19 1975-10-14 Ticoa Company Inc Process for class iv-b metals ore reduction
US5104096A (en) * 1988-02-17 1992-04-14 Globe Metallurgical Inc. Smelting apparatus for making elemental silicon and alloys thereof
US5009703A (en) * 1990-08-13 1991-04-23 Dow Corning Corporation Silicon smelting process in direct current furnace
CN1112463C (zh) * 2000-12-15 2003-06-25 北京航空航天大学 一种等离子化学气相沉积镀膜方法和设备
FR2827592B1 (fr) * 2001-07-23 2003-08-22 Invensil Silicium metallurgique de haute purete et procede d'elaboration
NO20061105L (no) * 2006-03-07 2007-09-10 Kopperaa Miljoinvest As Fremstilling av rent silisium metall og amorf silika ved reduksjon av kvarts (Sio2)
RU2458150C2 (ru) * 2007-08-07 2012-08-10 Дау Корнинг Корпорейшн Способ производства металлов и сплавов путем карботермального восстановления оксидов металлов
CN101240448A (zh) * 2007-11-29 2008-08-13 晶湛（南昌）科技有限公司 特别用于金属硅/二氧化硅的真空纯化炉及纯化方法
CN101555011A (zh) * 2008-04-12 2009-10-14 于旭宏 硅石还原法生产硅
RU2413595C2 (ru) * 2008-12-16 2011-03-10 Сергей Викторович Агеев Способ получения сферических гранул жаропрочных и химически активных металлов и сплавов, устройство для его осуществления и устройство для изготовления исходной расходуемой заготовки для реализации способа

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI691459B (zh) * 2017-10-27 2020-04-21 加拿大商凱文艾倫杜拉股份有限公司 用於製造高純度矽的系統及方法

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