TW202005911A - 用於製造高純度矽的系統及方法 - Google Patents

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Abstract

一種由包含固態SiO2 的含SiO2 材料生產矽的系統和方法。該方法使用一反應容器，該反應容器包括一第一部分和與該第一部分流體連通的一第二部分。該方法包括：在足夠的溫度下，將包含固態SiO2 的含SiO2 材料加熱成包含液態SiO2 的含SiO2 材料，以將固態SiO2 轉化為液態SiO2 ；在該第一部分中，將液態SiO2 轉化成氣態SiO2 ，其透過將反應容器中的壓力降低到低於大氣壓的壓力而流入該第二部分；在該第二部分中，使用一還原氣體將該氣態SiO2 還原成液態矽。所述的壓力降低係在過渡壓力的連續範圍下進行，其足以由含SiO2 的材料中蒸發污染物，並透過真空移除一種或多種蒸發的氣態污染物。

Description

用於製造高純度矽的系統及方法
示例性實施方式係關於用於生產高純度矽(例如：用來作為高純度太陽能級矽(solar grade silicon, SOG SI))的系統和方法。
太陽能電池板和太陽能電池的製造需要高純度的矽金屬，以使其可以用於製造多晶矽(polycrystalline silicon(或polysilicon或poly-Si))。一般而言，矽金屬是在真空電弧爐或直接電弧爐中，使用碳或焦炭與矽石或石英之間的碳熱反應製造的。此類系統和方法在2016年8月8日提交的Pyrogenesis Canada Inc.的PCT公開WO 2017/024378中舉例說明，其透過引用整體併入本文。
已知的系統和方法需要包含矽石或石英(SiO2 )和碳基還原劑(例如碳(C)的某種形式，例如，石墨、炭黑、焦炭等)的饋料的初始反應加熱程序。
饋料(包括矽石砂或石英顆粒和碳基還原劑(例如：碳顆粒)的混合物)的加熱，通常係在坩堝中進行，其中該饋料係透過使用一個或多個電極的直接碳弧系統弧擊穿饋料(例如：潛弧(submerged arc))來進行反應加熱。反應加熱意味著將熱量施加到矽石砂或石英顆粒與某種形式的碳的混合物上。矽石與碳基還原劑(例如：碳顆粒)發生化學反應，使其可以還原成Si產物。
碳與坩堝中的矽石或石英(SiO2 )之間的高溫反應導致Si和CO或CO2 以及許多其他可能的化合物的產生。理想的液態矽金屬和許多不理想的化合物將排到坩堝的底部。這些不理想的化合物中的一些包括最初是饋料的一部分的各種金屬和其它元素，並且在某些情況下和在特定條件下，這些元素/化合物中的一些可以被蒸發。此外，作為反應物的一些碳本身也可成為不理想的矽-碳化合物(SiC)保留在所產生的材料中。收集在坩堝底部的熔融矽被定期抽出或排出。
在真空電弧爐或直接電弧爐中使用碳或焦炭與矽石或石英之間的碳熱反應生產矽金屬的已知系統和方法將從爐中產生各種溫室氣體如二氧化碳氣體(CO2 )或一氧化碳氣體(CO)成為主要副產物。因此，用於生產矽的已知碳熱反應不是非常環保或環境友好的。
如果在這種程序中生產的矽用於太陽能板的應用，其中至少99.999% Si(即5N)的純度水準可能是最低要求，因此抽出的液態矽金屬需要進一步精煉或升級以移除各種污染物。
一些傳統的程序和方案係用於升級由碳熱法生產的金屬矽，以提高矽金屬的純度，使其可被用於製造用於太陽能板製造的多晶矽(polycrystalline silicon(或polysilicon或poly-Si))。雖然基本的碳熱方法可以產生98.5%至99.5%的Si，但是這樣的純度水準顯著地取決於饋料的純度水準為99.9%或高於99.9%。此外，本領域技術人員將理解，多晶矽需要非常高的矽純度，但是還需要提供特別低量的硼(B)、磷(K)、銅(Cu)、鈦(Ti)、鐵(Fe)和鋁(Al)，它們是饋料(石英和碳)中常見的污染物。
自1980年代以來，研究和開發工作一直在進行，目標是將金屬級矽金屬升級為太陽能級矽金屬。所生產的矽的純度越高，其價值越高。
熔融金屬級矽的真空精煉是一種已經用於試圖從熔融矽金屬中蒸發雜質的方法。這已經在反應爐中和從反應爐中移除熔融矽之後實施，其中透過在熔融狀態下，將它們暴露於真空而在熔融矽的澆斗(ladles)中進行處理。由於流體靜壓力導致在熔融矽中超過數毫米的深度處產生相對高的壓力，使得當熔融矽的深度超過數毫米時，這種方法的有效性有限，需要對液態進行大範圍的垂直攪拌以使污染物暴露於表面。
可能需要其他單獨的程序來移除硼、鈦和可能的其他污染物，其在熔融矽的溫度下具有非常低的蒸氣壓。且事實上，硼和鈦的蒸氣壓低於熔融矽的蒸氣壓，因此僅使用真空精煉難以移除這些重要的污染物。這些和其他污染物通常以各種濃度存在饋料中。一些污染物可被移除，以產生更純的饋料。但是，這會增加步驟並增加總體成本。
因此，現有的製造金屬矽的方法需要反應加熱並導致可能包含許多污染物的矽產物。在此後沒有額外的顯著精煉的情況下，污染物使其生產狀態不適合用於高純度固體狀態的應用(如太陽能電池)。這些精煉方法可能是不理想的，因為除其他事項外，它們增加了額外的時間和資源消耗步驟，並且經常使用對環境有不利影響的化學品。
本申請請求於2017年10月27日提交的名稱為“A SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING HIGH PURITY SOLAR GRADE SILICON (SOG SI)”的美國臨時申請案No.62/578,141的優先權，其內容透過引用併入本文。
在一個示例性實施方式中，提供了由包含矽石的材料製備高純度矽的系統和方法。在一個實施例中，高純度矽可以用於太陽能板和太陽能電池。
根據一態樣，提供了一種使用一反應容器由包含固態SiO2 的包含二氧化矽(SiO2 )材料生產矽的方法，該反應容器包括一第一部分和與該第一部分流體連通的一第二部分，該方法包括： 在一足夠的溫度下，將包含固態SiO2 的含SiO2 材料加熱成包含液態SiO2 的含SiO2 材料，以將固態SiO2 轉化為液態SiO2 ； 在該第一部分中，透過將反應容器中的壓力降低到低於大氣壓的壓力，將該液態SiO2 轉化成流入該第二部分的氣態SiO2 ；以及 在該第二部分中，將該氣態SiO2 還原成液態矽。
根據一態樣，加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在一另一部分中進行，該方法進一步包括： 在該第一部分中接收來自該另一部分的包含液態SiO2 的含SiO2 的材料。
根據一態樣，加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在該第一部分中進行。
根據一態樣，加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在一惰性氣體的存在下進行。根據一態樣，該惰性氣體是氬(Ar)。
根據一態樣，將壓力降低到低於大氣壓的壓力係在一個或多個過渡壓力的連續範圍內進行，其足以從包含液態SiO2 的含SiO2 材料中，將一種或多種污染物蒸發成一種或多種氣態污染物，該方法進一步包括： 在壓力達到將液態SiO2 轉化為氣態SiO2 的低於大氣壓的壓力之前，透過真空移除在包含液態SiO2 的含SiO2 材料中由於一個或多個過渡壓力蒸發的一種或多種氣態污染物。
根據一態樣，一種或多種氣態污染物是磷(P)、鋅(Zn)、鈉(Na)、鈣(Ca)、銻(Bi)、鉛(Pb)、銦(In)、錳(Mg)或鎵(Ga)，或其組合。
根據一態樣，該方法進一步包括： 在轉化為該氣態SiO2 後，移除殘留在該第一部分中的一種或多種未蒸發的污染物。
根據一態樣，所述一種或多種未蒸發的污染物是鋁(Al)、錫(Sn)、銅(Cu)、鐵(Fe)、鈦(Ti)或硼(B)，或其組合。
根據一態樣，在大氣壓下，該足夠的溫度係高於SiO2 的熔點且低於SiO2 的沸點。
根據一態樣，該足夠的溫度係自約1983K至約2500K。根據一態樣，該足夠的溫度係為2100K或約2100K。
根據一態樣，該第二部分中的至少一個葉片在該第二部分中引起氣體的周向流動，因此導致所述將該氣態SiO2 還原成該液態矽的駐留時間的延長。
根據一態樣，該反應容器進一步包括可操作地連接到該第二部分的一熱量回收室，且其中該方法進一步包括： 將包含氣態副產物的一種或多種氣體自該第二部分吸入該熱量回收室，其中儲存在所吸入的氣體中的熱量被引導到該包含固態SiO2 的含SiO2 材料，用於加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料。
根據一態樣，該氣態副產物是H2 O蒸氣。
根據一態樣，該反應容器進一步包括一加熱容器，以從包含在其中的加熱氣體提供直接熱能，來加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料。
根據一態樣，該加熱容器包括： 一個或多個入口，其係用於接收用於加熱容器中的燃燒反應的一燃料和一氧化劑；以及 一個或多個出口，其係用於從該加熱容器中移除燃燒產物。
根據一態樣，該燃料係為氫氣(H2 )，該氧化劑係為空氣或氧氣(O2 )。
根據一態樣，該方法進一步包括： 將可能在第二部分中冷凝的任何液態SiO2 加熱到一第二溫度，以將液態SiO2 轉化回再蒸發的氣態SiO2 ，其中該第二溫度係大於該足夠的溫度；以及 在該第二部分中，將該再蒸發的氣態SiO2 還原成該液態矽。
根據一態樣，該方法進一步包括： 將在該第二部分中形成的任何SiO加熱到將SiO轉化為氣態SiO的溫度； 在該第二部分中，將該氣態SiO還原成該液態矽；及/或 透過真空移除第二部分中任何未反應的氣態SiO。
根據一態樣，該方法進一步包括： 將氣體導入該第二部分中收集的內容物中以促進該內容物的蒸發。
根據一態樣，所述氣體是惰性氣體、一氧化碳(CO)或氫氣(H2 )。
根據一態樣，所述將該氣態SiO2 還原成該液態矽是使用一程序氣體或電漿完成的。
根據一態樣，該程序氣體或電漿的溫度低於該氣態SiO2 的溫度。根據一態樣，該程序氣體或電漿的溫度係在300K或約300K。
根據一態樣，該程序氣體或電漿是一氧化碳(CO)。根據一態樣，該程序氣體或電漿是氫氣(H2 )。
根據一態樣，氫氣(H2 )的量係大於化學計量值。根據一態樣，氫氣(H2 )的量係為化學計量值的至少約7倍。
根據一態樣，所述加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在大氣壓或高於大氣壓下進行。
根據一態樣，所述加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料是非反應性加熱。根據一態樣，係透過真空來排空該含SiO2 材料周圍的氣態污染物來促進所述非反應性加熱。根據一態樣，所述加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在不存在碳(C)或碳基氣體的情況下進行。
根據一態樣，包含固態SiO2 的含SiO2 材料進一步包括一種或多種污染物。
根據一態樣，所述壓力的降低係在該第一部分中在該足夠的溫度下進行。
根據一態樣，所述在該第二部分的還原係在低於大氣壓的壓力下進行。根據一態樣，所述低於大氣壓的壓力係自約3500 Pa至約4000 Pa。根據一態樣，所述低於大氣壓的壓力係為3500 Pa或約3500 Pa。
根據一態樣，該方法進一步包括從該第二部分吸走熱量並將該熱量導向該第一部分。
根據一態樣，該第一部分和該第二部分係處於一同軸佈置，其中該第二部分實質上圍繞該第一部分。根據一態樣，該第一部分係位於該第二部分的一部分的上方。
根據一態樣，提供了一種用於從包含固態SiO2 的含二氧化矽(SiO2 )材料生產矽的系統，該系統包括： 一熱源，其係用於在一足夠的溫度下，將包含固態SiO2 的含SiO2 材料加熱成包含液態SiO2 的含SiO2 材料，以將該固態SiO2 轉化為該液態SiO2 ； 一反應容器，其係包括一第一部分和與該第一部分流體連通的一第二部分，所述第一部分用於容納包含液態SiO2 的含SiO2 材料； 一真空源，其係用於將壓力降低到低於大氣壓，用於在第一部分中將該液態SiO2 轉化成流入該第二部分的氣態SiO2 ； 其中，該第二部分係用於在第二部分中將該氣態SiO2 還原成液態矽。
根據一態樣，該系統進一步包括至少一個氣體入口，以透過引入一定量的一程序氣體來促進在該第二部分中將該氣態SiO2 還原成該液態矽。根據一態樣，該程序氣體的量是化學計量值的至少約7倍。根據一態樣，所述至少一個氣體入口係被配置成將該程序氣體引入該氣態SiO2 進入該第二部分的區域。
根據一態樣，該真空源係被配置成在壓力達到將液態SiO2 轉化為氣態SiO2 的低於大氣壓的壓力之前，在一個或多個過渡壓力的連續範圍內將壓力降低到低於大氣壓的壓力，其足以從包含液態SiO2 的含SiO2 材料中將一種或多種污染物蒸發成一種或多種氣態污染物。
根據一態樣，該系統進一步包括至少一個氣體出口，以移除從該包含液態SiO2 的含SiO2 的材料蒸發的所述一種或多種氣態污染物。根據一態樣，所述至少一個氣體出口係位於該第一部分的上方。根據一態樣，所述至少一個氣體出口包括一管道，該管道係源自該第一部分的切向周邊。根據一態樣，該管道係穿過該第二部分。
根據一態樣，該第二部分進一步包括至少一個葉片，其係用於在該第二部分中引發氣體的周向流動，藉此允許一定量的時間，以將該氣態SiO2 還原成液態矽。根據一態樣，多個葉片從該第二部分的壁延伸，且被配置成形成一螺旋通道，用於引導其中的氣體流動。
根據一態樣，靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積與靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積的比率係為70：1或約為70：1。
根據一態樣，所述熱源包括配置在該第一部分和該第二部分之間的熱量回收室，其中自該熱量回收室中的氣體的熱量可被引向該第一部分。根據一態樣，該熱量回收室還包括至少一個葉片，其係用於在該熱量回收室中引發氣體的周向流動，藉此允許一定量的時間，以將該氣態SiO2 還原成液態矽。根據一態樣，多個葉片從該熱量回收室的壁延伸，且被配置成形成一螺旋通道，用於其中的氣體的移動。
根據一態樣，該系統進一步包括一個或多個通道，其係形成在該第一部分和該第二部分之間的壁中，所述一個或多個通道的尺寸被設計成允許在該第一部分中形成的氣態SiO2 移動到該第二部分中。根據一態樣，所述一個或多個通道的內徑在從該第一部分朝向該第二部分移動的方向上增加，使得靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積係大於靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積，以適應通過一個或多個通道從第一部分移動到第二部分的氣體的膨脹。
根據一態樣，該系統進一步包括一通道，其係形成在該第一部分和該第二部分之間的壁中，該通道的尺寸被設計成允許在該第一部分中形成的氣態SiO2 移動到該第二部分中。根據一態樣，該通道是環形通道，該環形通道係被配置成允許氣態SiO2 從該第一部分到該第二部分的無阻礙向外徑向流動。
根據一態樣，該壁包括一面第一部分側和一面第二部分側，該面第二部分側包括一斜面，其中該環形通道具有在從該面第一部分側移動到該面第二部分側的方向上增加的內徑，使得靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積係大於靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積，以便適應通過該環形通道從該第一部分移動到該第二部分的氣體的膨脹。
根據一態樣，所述至少一個氣體入口包括位於該第二部分上方的一氣體腔室，該氣體腔室定義一孔陣列，該孔陣列係被配置成將該程序氣體向下引導並進入該第二部分。根據一態樣，該氣體腔室實質上是圓形的。
根據一態樣，該熱源包括一加熱容器，該加熱容器係被配置成將來自其中所包含的加熱氣體的熱能朝向該第一部分引導，以加熱該第一部分中的含SiO2 材料。
根據一態樣，該加熱容器包括： 一個或多個入口，其係用於接收用於加熱容器中的燃燒反應的一燃料和一氧化劑；以及 一個或多個出口，其係用於從該加熱容器中移除燃燒產物。
根據一態樣，該燃料係為氫氣(H2 )，且該氧化劑係為空氣或氧氣(O2 )。
根據一態樣，該系統進一步包括一電極，其係用於將電離電流輸送到該程序氣體進入該第二部分的區域中。
根據一態樣，該系統進一步包括一蒸發元件，以促進該第一部分及/或第二部分中的內容物的蒸發。根據一態樣，該蒸發元件係為用於將一氣體直接引入該第一部分及/或第二部分的內容物中的一個或多個注入口。根據一態樣，該氣體係為惰性氣體、一氧化碳(CO)或氫氣(H2 )。
下面將詳細參考示例性實施方式，其在附圖中示出。
參考圖1至10，其示出了用於由含矽石材料12生產矽的系統11的示例性實施方式。含矽石材料12中的矽石可以是SiO2 或二氧化矽的形式。含矽石材料12可包括矽石、石英、石英岩或具有高矽石含量(通常＞90%)的任何其他形式。含矽石材料12可包含固態SiO2 及/或液態SiO2 ，且亦可包括一種或多種其他非二氧化矽固體和液體。
一般而言，根據示例性實施方式的系統11包括真空爐10，其配置成接收包含固態SiO2 及/或液態SiO2 的含矽石材料12，在足以將固態SiO2 轉化為液態SiO2 14的溫度下非活性地加熱含矽石材料12，將液態SiO2 14蒸發成氣態SiO2 16，並將氣態SiO2 16還原成矽18。非反應性加熱意味著在不存在還原劑(例如：碳基還原劑)的情況下加熱含矽石材料12。
真空爐10可具有實質上圓柱形的形狀，具有圓頂形頂部、底部和側壁。圓頂形頂部、底部和側壁定義真空爐10的腔室20。在腔室20內設置有反應容器22，反應容器22具有第一部分24和第二部分26。
第一部分24和第二部分26彼此流體連接，使得一種或多種氣體蒸發，並允許其從分離壁的頂部從第一部分24流入第二部分26中。第一部分24和第二部分26也可以是熱連接，其中由第二部分26中的反應釋放的熱量可以透過第一部分24和第二部分26的熱共用壁傳導到第一部分24中。第一部分24和第二部分26以同軸佈置相對於彼此同心地佈置。
在一個實施方式中，第一部分24是用於接收含矽石材料12的蒸發部分，非反應性地加熱含矽石材料12以將其中包含的固態SiO2 轉化為液態SiO2 14，並將液態SiO2 14蒸發成氣態SiO2 16。如上所述，第一部分24也可用於將含有液態SiO2 的含SiO2 材料12從單獨的供應部分(未示出)接收到第一部分24中，因此，第一部分24用於透過非反應性加熱將SiO2 保持為液態形式。在這樣的實施例中，單獨的供應部分可以進一步被配置為非反應性地加熱包含固態SiO2 的含SiO2 的材料12，以將固態SiO2 轉化為液態SiO2 ，然後將其輸送到第一部分24。
第二部分26是還原反應部分，用於將氣態SiO2 16還原成矽18。在蒸發步驟期間，除了產生的氣態SiO2 16之外，還可能產生各種氣體，例如SiO、O2 ，包括各種污染物的其他氣體將在下面更詳細地討論。
如圖1至9所示，第一部分24包括用於接收待處理的含矽石材料12的開口28。相同的開口28也可以用來作為排氣口30，其配置成允許由含矽石材料12蒸發的氣態SiO2 16遠離第一部分24移動。在其他實施例中，第一部分24包括用於接收含矽石材料12的開口28和單獨的SiO2 氣體排出口(未示出)，其配置成允許由含矽石材料12蒸發的氣態SiO2 16遠離第一部分24移動。
第一部分24可進一步包括至少一個第一部分真空出口32，其可操作地連接到真空源(未示出)以移除一種或多種氣體。第一部分真空出口32可以形成在第一部分24的壁中，在第一部分24中包含的液體的熔體水平面之上(或略高於其)。在第一部分24中，熔體水平面或熔體深度是第一部分24中的熔融液體上升到的水平面。第一部分真空出口32配置成用於在高於SiO2 開始蒸發的壓力的一個或多個過渡壓力下去除由含矽石材料12蒸發的較高蒸氣壓污染物34。如下文將更詳細地討論的，蒸發和移除較高蒸氣壓污染物34可防止這些較高蒸氣壓的氣體到達第二部分26。在一些實施例中，經由第一部分真空出口32移除的較高蒸汽壓污染物34受到加熱，以防止抽空的氣態污染物34在第一部分真空出口32的管道內冷凝。
在示例性實施方式中，多個第一部分真空出口32可將較高蒸汽壓污染物34饋給到沿第一部分24的周邊設置的共用歧管35中。歧管35可將較高蒸汽壓污染物34引向至少一個分離器33，其係配置成用於分離排出的較高蒸氣壓污染物34。如圖1所示，分離器33包括三個分支，並且每個分支用於轉移特定的一個較高蒸氣壓污染物34，以便收集及/或在任何其他程序中使用，根據需要，使用一個或多個可控閥(未示出)。分離器33可根據需要包括至少三個分支或任何數量的分支。如下面將更詳細討論的，這是可能的，因為每個較高蒸氣壓污染物34可以在不同壓力下和不同時間排出。一些較高的蒸氣壓污染物34包括例如：P、Zn、Na、Ca、Bi、Pb、In、Mg和Ga，並且在Safarian J和Tangstad M, “Vacuum Refining of Molten Silicon”,Metallurgical and Materials Transactions B , 2012年12月, Vol 43B, 1427至1445頁中揭露，其全部內容透過引用併入本文。
第一部分真空出口32可以進一步配置成控制真空爐10的腔室20中的壓力，例如：保持大氣壓力或者將壓力逐漸降低到低於大氣壓的壓力，或者實現一個或多個過渡壓力，將在下面詳細討論。
第一部分真空出口32也可用於在任何非反應性加熱、蒸發及/或還原步驟之前，在真空爐10中產生真空(使用真空源)，以移除任何可能是不理想的氣體，並且促進非反應性加熱、蒸發及/或還原步驟。例如，第一部分真空出口32可用於產生真空以移除在非反應性加熱和蒸發步驟之前可能在真空爐10中的任何H2 、O2 、CO或CO2 。
第一部分24亦包括排出口36，其係用於從含矽石材料12中移除殘留的污染物38，其可在大部分液態SiO2 14蒸發後保留，並且來自含矽石材料12的較高蒸氣壓污染物34經由第一部分真空出口32移除。如下面將詳細討論的，這些污染物38中的一些包括例如B、Al、Sn、Cu、Fe和Ti，並且可以包括也可能存在於含矽石材料12中的任何其他污染物。。
在示例性實施例中，第一部分24還包括一個或多個加熱葉片39，其提供熱量以促進材料從第一部分24的蒸發。
第一部分24的尺寸可以設計成具有相對高的表面積與熔體深度的比率，以防止在第一部分24的底部具有相對高的流體靜壓力。表面積與熔體深度的相對高的比率促進蒸發，因為它允許液體的底部暴露在比深熔體可能的更低的壓力下。
第二部分26包括開口40，開口40配置成接收在第一部分24中由含矽石材料12蒸發的氣態SiO2 16，並將氣態SiO2 16還原成矽18產物。可以提供矽產物接頭42，用於從第二部分26移除Si 18產物。
在一個實施方式中，如圖1至9所示，第一部分24和第二部分26同心地佈置。在這樣的實施方式中，第一部分24實質上是圓柱形的，並且形成內坩堝，以及第二部分26實質上是圓柱形的並且形成外坩堝，其中外坩堝由其自身的面向外的壁和內坩堝的面向外的壁界定。外坩堝與所述內坩堝流體連通和熱連通並圍繞所述內坩堝的周邊。然而，本文公開的反應容器22的形狀、結構、定向和建構材料沒有特別限制，並且可以根據設計和應用要求而變化。建構反應容器22的一種示例性材料是鎢。
真空爐10可包括一個或多個再充注口44，其係用於通過開口30將固態及/或液態含矽石材料12饋給到第一部分24中。可以在真空爐10的圓頂形頂部中形成再充注口44，且可以包括可移動的蓋子(未示出)，用於可逆地和選擇性地密封真空爐10。在一些實施例中，再充注口44可以可操作地連接到包含密封料斗(未示出)的含矽石材料饋給系統，其係用於在真空爐10的操作期間，根據需要分配含矽石材料12。再充注口44可以可操作地連接到外部液態含SiO2 材料儲存器及/或外部熔爐，以熔化固態含SiO2 材料(未示出)，並配置成將含有液態SiO2 的材料輸送到第一部分24中。
真空爐10可包括一個或多個氣體入口46，其係用於將氣體引入第一部分24及/或第二部分26。如下所述，根據一個實施方式，在由含矽石材料12製備Si 18的方法的期間，多個入口46可同時或在不同時間，將相同或各種不同的氣體引導到第一部分24及/或第二部分26。氣體入口46可以垂直於側壁的角度或者與側壁成小於90度的角度穿透第一部分及/或第二部分的側壁。另外，在示例性實施方式中，氣體入口46也可以在任何向上或向下的方向上成角度，並且在一些實施例中，氣體入口46可以向下並朝向真空爐10的底部引導氣流。
在一個實施方式中，可以由一個或多個氣體入口46引入的氣體可以是惰性氣體48。惰性氣體48將移除可能存在的任何空氣，並且減少(如果不能消除)空氣中的濕度和其他可能的污染物。合適的惰性氣體48的實施例是氬氣(Ar)。此外，在一個實施方式中，可由一個或多個氣體入口46引入的氣體可以是程序氣體50，例如氫氣(H2 )或一氧化碳(CO)，為此目的將在下面更詳細地解釋。
如圖1至9所示，惰性氣體48可以通過沿第一部分24的周邊設置的多個氣體入口46a直接引入第一部分24中。多個氣體入口46a中的每一個可以成角度，以向上並朝向第一部分24的頂部引導惰性氣體48的流。在第一部分24中引入惰性氣體48可以促進氣體的蒸發，並且可以促進氣態SiO2 從第一部分24的移動，其中蒸發係朝向進行還原反應的第二部分26進行。
惰性氣體48也可以通過沿第二部分26的周邊設置的多個氣體入口46b直接引入第二部分26。多個氣體入口46b中的每一個可以成角度，以向下並朝向第二部分26的底部引導惰性氣體48的流。
在一個實施方式中，整個反應容器22(包括第一部分24和第二部分26)在加熱循環期間及/或在加熱循環之前用惰性氣體48通過入口46a及/或46b沖注，同時溫度為仍然相對較低，以防止任何意外的反應。惰性氣體48的壓力可以低於或高於標準壓力。
如圖1至9所示，程序氣體50可以通過沿第二部分26的周邊設置的多個氣體入口46b中的至少一個直接引入第二部分26中。在一個實施方式中，多個氣體入口46b通常相對於側壁形成銳角並且向下並朝向第二部分26的底部傾斜。氣體入口46b的這種特定佈置將使引入的程序氣體50的流在第二部分26中以類似渦旋的方式旋轉運動。如下面將進一步詳細說明的那樣，第二部分26中的氣體渦旋自旋可能是有利的，至少是因為：(1)可以增加可用於還原反應的時間；(2)可以增加第一部分24和第二部分26之間的熱交換；以及(3)可以促進液態矽18產物與第二部分26中的低密度氣體的分離(例如：由於離心效應)。
取決於由含矽石材料12生產Si 18的方法的特定階段，相同的氣體入口46b也可用於引入惰性氣體48和程序氣體50的混合物。例如，在一個實施例中，在還原反應的初始階段期間，氣體入口46b可以引入包含惰性氣體48和程序氣體50的氣流，以及進入還原反應的後期，相同的氣體入口46b可以開始減少惰性氣體48的量，使得在某些時候，僅將程序氣體50引入第二部分26中。
真空爐10可包括一個或多個第二真空出口52，其可操作地連接到真空源(未示出)，並且配置成用於移除一種或多種氣態副產物54，其係在氣態SiO2 16在第二部分26中被還原成Si 18產物時產生。一個或多個第二真空出口52位於還原反應的下游，以移除在第二部分26中的還原反應期間產生的一種或多種氣態副產物54。根據一些示例性實施方式，一個或多個第二真空出口52可以在熔體水平面上方的位置穿過第二部分26的壁。
根據一些示例性實施例，第二真空出口52也可以在該程序的反應階段期間使用，以控制真空爐10的腔室20中的壓力，以將壓力保持在SiO2 熔體的沸點附近。類似於真空出口32，真空出口52也可以用於抽空並在真空爐10內產生真空，以在任何加熱、蒸發和還原步驟之前移除任何不理想的氣體。
真空爐10包括二個或多個熱源56，用於直接加熱反應容器22的第一部分24和第二部分26。熱源可以是例如：高頻線圈(例如：感應加熱)或電阻加熱加熱器。在一些實施方式中，取決於情況，熱源可以將第一部分24和第二部分26加熱到相同的溫度或不同的溫度。在一個實施方式中，例如：將第二部分26加熱到等於或大於第一部分24的溫度，以便重新蒸發可能碰巧落入液態矽中的潛在未反應的SiO2 相關的冷凝物。在一些實施例中，熱交換器(未示出)用於在適當的步驟將熱量從第一部分24傳遞到第二部分26。
參考圖4，真空爐10可以進一步包括加熱容器58，該加熱容器58配置成將來自其中包含的熱氣體的熱能導向第一部分。在一個實施方式中，加熱容器58是熱量回收室158，其在第一部分24和第二部分26之間熱操作，其中，第一部分24和第二部分26在共同軸佈置中相對於彼此同心地佈置。熱量回收室158包括中空主體160，中空主體160具有接收端162，接收端162配置成接收當氣態SiO2 16在第二部分26中被還原成Si 18產物時產生的一種或多種氣態副產物54；以及排出端164，其係與接收端相對，用於透過真空源(未示出)經由一個或多個第二真空出口52將氣態副產物54排出真空爐110。在一些實施方式中，熱量回收室158可以具有與第二部分26的流動面積相同或基本相同的流動面積。可以認識到，這種配置可以使流動的速度變化最小化並且避免真空爐10中的背壓。
熱量回收室158配置成能夠將熱量59從其中包含的熱氣體傳導到第一部分24中。在施加的真空下，在第二部分26中，還原反應中產生的熱氣體(包括反應各種副產物54及/或任何未反應的氣體)可被吸入熱量回收室158的主體160中，並且可以將來自所產生的氣體的熱量59導向並用於對進行蒸發步驟的第一部分24提供熱量。
提供熱量回收室158有利地降低了蒸發程序中，使含矽石材料12將液態SiO2 14蒸發成氣態SiO2 16的能量(例如：電能)需求。另外，提供熱量回收室158還使操作者可根據需要監測和調節程序溫度和壓力，以提高方法的速率和效率。
在示例性實施例中，第二部分26及/或熱量回收室158可包括一個或多個葉片168。葉片168配置成形成實質上螺旋形的路徑，用於包含在其中的氣體的運動，藉此調節(減慢)通過其移動的氣體的運輸時間。在一些示例性實施方式中，這使反應物有足夠的時間量來經歷還原反應，並且最小化或避免Si 18產物隨流動而損失。在一些實施方式中，葉片168延長駐留時間以便將氣態SiO2 還原成液態矽。在一些實施方式中，第二部分26的蒸汽流動面積與第一部分24的蒸汽流動面積的比率為約70:1。在一些示例性實施方式中，葉片168被定位和成形為促進和引起第二部分26及/或熱量回收室158中的氣體的周向流動，以便慣性地分離所產生的液態矽18產物的較重顆粒，使得矽18可以冷凝及/或聚結，且隨後沿第二部分26及/或熱量回收室158的壁向下流動，並朝向第二部分底部的儲存器流動，其中其係隨後自Si產物接頭42排出。在一些示例性實施例中，葉片168增加了第二部分26及/或熱量回收室158與第一部分24之間的熱耦合。
參考圖10，根據一個實施方式，程序100概括地概述了使用系統11由含矽石材料12製備Si 18的方法。圖10中的元件可以表示執行程序100的系統組件或程序100的材料。總體而言，包含石英或矽石(SiO2 或二氧化矽)的含矽石材料12是程序100的饋料。將含矽石材料12和惰性氣體48饋入第一部分24。在其它實施例中，饋給真空爐10的整個腔室20。然後在惰性氣體48存在下，石英或矽石在第一部分24中以標準壓力或高於標準壓力進行非反應性加熱。在此一步驟中，加熱是非反應性的，因為含矽石材料12的加熱在不存在還原劑的情況下進行，因此此時不發生還原反應。在一個實施方式中，第一部分24(及/或整個腔室20)也可以用惰性氣體48沖注和充滿，以在引入含矽石材料12之前移除任何空氣和濕氣。在另一個實施方式中，在引入含矽石材料12之前，第一部分24(及/或整個腔室20)也可以經歷真空以移除任何濕氣或不需要的氣體。
使用一個或多個熱源56在第一部分24中加熱包含固態SiO2 的含矽石材料12，其溫度足以加熱包含固態SiO2 的含SiO2 材料12，並將其中包含的固態SiO2 在標準壓力或更高的壓力下轉化為液態SiO2 14 (或者如果已經是液態形式，則保持液態形式的SiO2 )。在一些示例性實施方式中，第一溫度高於在常壓或更高壓力下的SiO2 的熔點(SiO2 的熔點為約1983 K (1710 ℃))但低於其沸點(標準壓力下SiO2 的沸點為約2500 K(2227 ℃))。在一些實施方式中，第一溫度為例如約2100 K(~1827 ℃)。第一部分24中的第一溫度可取決於在第二部分26中將液態SiO2 14轉化成氣態SiO2 16所使用的所選操作壓力。例如，如果使用相對高的操作壓力(例如：3500 Pa至4000 Pa)將液態SiO2 14轉化為氣態SiO2 16，則將在第一部分24中使用相對較高的第一溫度(例如：2100 K)。可以預期相對高的操作壓力會增加矽生產速率，因為這將使在第二部分26中參與還原反應的氣體(例如：氣態SiO2 16和一種或多種程序氣體50，例如：H2 )的密度增加。這也將以給定的莫耳率降低一種或多種程序氣體50(例如：H2 )通過反應容器22的速度。
一旦達到第一溫度，SiO2 處於完全液態，並且真空爐10內的壓力透過第一部分真空出口32逐漸減小到例如足以將液態SiO2 14轉化成氣態SiO2 16的低於大氣壓的壓力。可以使用在約3500 Pa至約4000 Pa範圍內的相對較高的操作壓力來實現更高的生產率。這是因為程序氣體(例如：H2 )的密度隨著壓力的增加而增加，這使得更多的氣態SiO2 16產生，隨後在給定時間段內的處理(還原)也增加了對第一部分24的熱輸入。在一些示例性實施方式中，低於大氣壓的壓力係為3500 Pa或大約3500 Pa(SiO2 在約3500 Pa的沸點大約為2100 K)。
在一個示例性實施例中，在加熱含矽石材料12期間及/或逐漸且受控地將壓力降低到足以將液態SiO2 14轉化為氣態SiO2 16的低於大氣壓的壓力，在SiO2 由於一個或多個過渡的低於大氣壓的壓力而蒸發之前，含矽石材料12中存在的一種或多種污染物34可能被蒸發。在第一溫度(例如：2100 K)下，這種污染物34的蒸氣壓高於(或遠高於)SiO2 的蒸氣壓。因此，隨後可以透過真空源(這裡未示出)經由第一部分真空出口32移除由含矽石材料12蒸發的這些污染物34。
在該步驟中已透過第一部分真空出口32蒸發和移除的示例性氣態污染物34可包括磷(P)、鋅(Zn)、鈉(Na)、鈣(Ca)、銻(Bi)、鉛(Pb)、銦(In)、錳(Mg)或鎵(Ga)，或其組合。應當理解，隨著壓力逐漸降低，不同的氣態污染物34將在SiO2 開始蒸發之前的不同時間開始蒸發。例如，P、Zn、Na和Mg預期是首先蒸發的一些元素，因為它們的蒸氣壓在第一溫度(例如：2100 K)下高於標準壓力。隨著壓力進一步降低到恰好低於標準壓力，其他污染物如：Ca、Sb、Bi和Pb將開始蒸發。
在一些實施方式中，如果要將排氣組分34在提取後分離用於不同的處理，則將特定壓力保持一段時間，或者可以使兩種或更多種不同的壓力來回循環。壓力循環可以在相當於熔體表面和最深點之間的流體靜壓力的範圍內進行，並且這樣做可以增強氣態污染物34的蒸發。
一旦較高蒸氣壓的氣態污染物34已被蒸發，真空爐10的壓力可以透過真空進一步降低至例如3500 Pa或大約3500 Pa，此時可以關閉通向第一部分24的第一部分真空出口32，並且可以打開一個或多個其他真空出口(例如：第二真空出口52)。根據一個實施例，第一部分真空出口32的關閉和第二真空出口52的打開係大約低於Ga的蒸氣壓並且大約高於Al的蒸氣壓，以防止將這些污染物結合到矽18產物中或污染反應容器22的還原部分(即，第二部分26)。第一部分真空出口32的關閉和第二真空出口52的打開的時機可以由一個或多個控制系統(未示出)控制。控制系統可以包括一個或多個控制器(硬體、軟體或硬體和軟體的組合)。控制系統可以包括一個或多個處理器，以及用於儲存可由一個或多個處理器執行的指令的記憶體。控制系統可以配置成檢測來自第一部分真空出口32的特定氣體的流速，並且當檢測到該特定氣體時，控制系統將關閉第一部分真空出口32，打開氣體入口46以在第二部分中引入程序氣體50，及/或打開第二真空出口52以開始排出副產物54。在一些實施方式中，特定氣體可以是O2 、SiO或SiO2 ，當程序氣體50是H2 時，其存在代表SiO2 正在經歷蒸發。
此時，液態SiO2 14將開始沸騰，並且現在不含(或實質上不含)已經蒸發的那些污染物34的氣態SiO2 16將填充第一部分24。並且因為第一部分24和第二部分26處於流體連接/連通狀態，氣態SiO2 16將開始以非常純的氣態SiO2 16流出排氣口30並進入第二部分26。
一旦氣態SiO2 16流入第二部分26，可以進行各種反應以將氣態SiO2 還原成液態矽和氣體或蒸汽副產物，其中氣體或蒸汽副產物54可以透過第二腔室出口52從真空爐10中移除，第二腔室出口52可操作地連接到真空源(未示出)。
在第二部分26中，程序氣體或電漿50可以以受控的流速引入第二部分26，以與已經通過排氣口30排出並且溢出並向下流入第二部分26的氣態SiO2 16反應。下面將詳細說明第二部分26中的氣態SiO2 16和程序氣體50的反應。
根據一個實施例，由包含固態SiO2 的含二氧化矽(SiO2 )材料12生產矽18的方法包括：在足夠的溫度下，將包含固態SiO2 的含SiO2 材料12加熱成含有液態SiO2 的含SiO2 材料，以將固態SiO2 轉化為液態SiO2 14；在第一部分24中，將液態SiO2 14轉換成氣態SiO2 16，氣態SiO2 16透過將真空爐10的壓力降低且因而降低反應容器22的第一部分24中的壓力至低於大氣壓的壓力而流到第二部分26；以及在第二部分26中，將氣態SiO2 16還原成液態矽18。
根據一個實施方式，在壓力達到將液態SiO2 14轉化為氣態SiO2 16的低於大氣壓的壓力之前，將真空爐10和第一部分24中的壓力降低到低於大氣壓的壓力是在足以由含SiO2 材料中蒸發一種或多種污染物的一個或多個過渡壓力的連續範圍內進行的，含SiO2 材料含有液態SiO2 至一種或多種氣態污染物34，透過真空移除在包含液態SiO2 14的含SiO2 材料12中由於一個或多個過渡壓力而蒸發的一種或多種氣態污染物34。
因此，系統11用於由包含固態SiO2 的含二氧化矽(SiO2 )的材料12生產矽18。系統11包括：熱源56，其係用於將含有固態SiO2 的含SiO2 材料12加熱成包含液態SiO2 的含SiO2 材料，在足夠的溫度下將固態SiO2 轉化為液態SiO2 14；反應容器22包括第一部分24和與該第一部分24流體連通的第二部分26，該第一部分24用於容納包含液態SiO2 的含SiO2 材料12；真空源，其係用於將真空爐10和第一部分24中的壓力降低到低於大氣壓的壓力，用於在第一部分24中將液態SiO2 14轉換成流入第二部分24的氣態SiO2 16；其中第二部分24用於在第二部分26中將氣態SiO2 16還原成液態矽18。
根據一個實施方式，系統11進一步包括至少一個氣體入口46，以便於透過引入程序氣體50在第二部分26中將氣態SiO2 16還原成液態矽18。
在一些示例性實施方式中，程序氣體或電漿50可以是H2 氣體。根據以下還原反應，H2 氣體將與氣態SiO2 16混合及反應：SiO2 (g) + 2H2 (g) → Si + 2H2 O(g)。其結果，氣態SiO2 16將沉澱及/或聚結成液態矽18，且將落下並被收集在第二部分26中。熱H2 O蒸氣副產物54的釋放將經由第二真空出口52從真空爐10中移除，該第二真空出口52可操作地連接到真空源(未示出)。在一些實施方式中，可以首先將H2 氣體與惰性氣體48(例如：氬氣)混合，並且逐漸地增加H2 與惰性氣體48的比率，直到僅使用程序氣體50。在一些示例性實施方式中，H2 的量可以是化學計量比的約7倍或更大，以防止反應溫度峰值接近Si 18產物的蒸氣溫度。在反應中沒有用完的H2 (約88至93%，或較佳85至86%)可以從H2 O氣體中分離出來，以便透過外部系統(未示出)重新使用。
在其他實施例中，程序氣體或電漿50可以是CO(一氧化碳)氣體，且亦可高於化學計量比。根據以下還原反應，CO氣體將與氣態SiO2 16混合及反應：SiO2 (g) + 2CO(g) → Si + 2CO2 (g)。類似地，氣態SiO2 將沉澱成液態矽18中，且將下落並被收集在第二部分26中，並且所得到的二氧化碳氣體副產物54可以經由可操作地連接到真空源(未示出)的真空室出口52從真空爐10中移除。在一些示例性實施方式中，CO的量可以是化學計量比的約7倍或更大。在反應程序中未轉化的過量CO氣體可以與CO2 氣體分離，以供單獨的系統(未示出)使用。
其他程序(反應性)氣體或電漿50也可用於將氣態SiO2 16還原為液態Si 18、此外，還可以透過電弧、電漿注入、微波或UV輻射形式的額外活化能促進還原反應。此外，透過使用各種已知的催化劑可以提高還原反應的速率。
同時，在大約低於大氣壓的壓力(例如：大約3500 Pa)下在真空爐10中保持壓力，使得SiO2 的汽化點保持在第一溫度(例如：2100 K)附近(其中SiO2 的沸點在約3500Pa約為2100 K)。可以調節真空爐10中的真空流出，以便補償程序氣體或電漿50以及所得H2 O蒸氣或其他氣體副產物54的引入。例如，在蒸發速率意外增加的情況下(例如：由於太多的熱輸入)，可以透過增加控制點壓力來快速地降低增加的蒸發速率。這可以透過將惰性氣體48(例如：Ar)受控制地注入第一部分24及/或第二部分26而非常快速地完成，這將導致快速的壓力增加。因為當壓力升高到其蒸汽點以上時，SiO2 將停止蒸發，導致反應終止。在另一個實施例中，壓力的緩慢調節將用於控制與程序氣體50(例如：H2 )流量和輸入到熱源56的功率相關的蒸發速率，或者當熱量回收室158用於提供熱量至發生在第一部分24中的蒸發程序時的其他調節。
在該程序結束時，在反應部分26底部收集的所得高純度液態矽18產物可以透過產物接頭42分接或真空排出。
根據一個實施方式，使用一個或多個熱源56，第二部分26可以保持在與第一部分24不同的溫度。在該實施方式中，第二部分26中的溫度可以是足以蒸發各種不期望的雜質的溫度，不期望的雜質可能與第二部分26中的液態矽18產物一起被收集。在一個實施方式中，第二部分26中的溫度比第一部分24中的溫度高(即高於2100 K)。例如，在這些條件下，任何未反應的氣態SiO2 16，在被還原成液態矽18之前可能已經發生凝聚成液態SiO2 14進入第二部分26，這將導致再次蒸發並允許另一個與程序氣體或電漿50進行還原反應的機會。這是可能的，因為在程序壓力下液態矽18的蒸汽溫度超過2800 K，因此，在該程序中由於蒸發而沒有矽18的潛在損失。
類似地，其他不理想的雜質可包括SiO，其可透過將第二部分26中的溫度調節到足以蒸發SiO的溫度而蒸發。然後，任何蒸發的SiO可以與程序氣體50反應或者透過真空移除，在第二部分26中留下更純的液態矽18產物。
根據一個實施例，取決於所使用的程序氣體或電漿50的性質以及產生的相應的氣體副產物54，可以實現透過使用本文公開的系統11和方法100獲得的額外優點。
例如，根據一個實施方式，當使用H2 作為程序氣體50時，可以實現系統11和方法100的總能量需求的減少和環境影響的減少。在此一實施方式中，SiO2 (g) + 2H2 (g)的反應將產生Si + 2H2 O(g)。所得的H2 O氣體的副產物將處於高溫。在透過第二真空出口52施加的真空下，第二部分26中的氣體(包括反應副產物，例如：熱H2 O蒸氣54或未反應的氣體，包括與H2 或SiO2 相關的蒸汽)可被吸入熱量回收室158，且來自在還原反應中產生的熱H2 O蒸氣54的熱量59可用於加熱第一部分24並降低在第一部分24中將液態SiO2 14蒸發成氣態SiO2 16所需的熱量供應中的能量(例如：電能)需求。可以預期熱H2 O蒸氣54的溫度超過1600 ℃，並且在一些實施方式中，超過2200 ℃。
在另外的實施方式中，系統11可包括多個真空爐10，藉此在一個真空爐10中由上述還原反應產生的熱量59可用於加熱一個或多個其他真空爐10、在包括三個真空爐10的一個實施方式中，真空爐10以交錯的循環佈置操作，使得來自第一真空爐10的產生的熱量59依序促進於第二真空爐10中的加熱步驟，以及來自第二真空爐10的熱量59促進第三真空爐10中的加熱步驟。
另外，H2 可以被引導到熱量回收室158中，且在氧氣或空氣170的存在下燃燒。結果所形成的熱量59也可以用於加熱第一部分24並降低在第一部分24中發生的初始非反應性加熱步驟中所需的能量(例如：電能)。
或者，作為根據示例性實施例的降低總能量消耗(例如：電能消耗)的另一種方式，系統11可以設置有一個或多個外部熱交換器(未示出)，其可以使用儲存在所產生的熱H2 O蒸氣中的能量，以在同一真空爐10中進行或在另一個不同/單獨的真空爐10中進行的初始加熱步驟期間，加熱第一部分24中的含矽石材料12。
附加地或替代地，相較於目前導致產生CO2 和CO溫室氣體的碳熱法，作為減少環境影響的方式，隨後可以將熱H2 O蒸氣54冷卻成液態H2 O及/或在H2 O 173排放到環境中之前過濾以移除程序模組172中的任何顆粒，或在電解槽或其他無碳程序中使用它來產生用於反應程序的氫氣。
當使用H2 作為程序氣體50時，可以獲得額外的優點。例如，所產生的熱H2 O蒸氣54可以用於其他程序中。例如，來自熱H2 O蒸汽的熱量可用於蒸汽-甲烷重整程序以從天然氣(CH4 )產生氫氣。可以特別有益的是，可以在不需要額外的熱輸入的情況下進行用於從天然氣生產氫的重整程序。在一個實施方式中，根據系統11和方法100產生的H2 O蒸氣排出溫度係預計大於約1800至約2200 ℃，較佳約1800℃，其實質上大於甲烷重整程序中所需的1000 ℃的H2 O蒸汽。用於還原程序的氫的電解生產將簡單地使用電能和蒸餾水，其可以透過冷卻來自反應器的H2 O產物來提供。在一個實施方式中，用於還原反應的氫氣可以透過在單獨的系統中使用Kvearner程序或一些類似的天然氣(甲烷或CH4 )電漿熱解(Plasma Pyrolysis)方法來提供，該系統產生氫和捕獲的炭黑，這是有價值的有用產物，其可以被其他行業使用，同時碳的捕獲亦使本發明的矽生產程序保持為環保程序。
原始原料中的許多污染物在初始加熱步驟期間從未達到其蒸汽點，因此未蒸發的污染物38保持在第一部分24中。這些未蒸發的污染物38包括但不限於鋁(Al)、錫(Sn)、銅(Cu)、鐵(Fe)、鈦(Ti)、硼(B)。在一些實施方式中，在以用於下一批次運行的新填充的含矽石材料12重新填充第一部分24之前，剩餘的未蒸發的污染物38可以用一些剩餘的受污染的液態SiO2 14從第一部分24沖注出來。
在常規程序中，許多污染物，包括未蒸發的污染物38和許多蒸發的污染物34(目前係根據系統11和示例性實施方式的方法100移除)將通常與液態矽混合，同時SiO2 與Si的還原反應正在發生。在Si可用於諸如太陽能電池板應用的應用之前，所有這些剩餘的污染物可能必須在單獨的程序中從Si中移除。
參考圖10，根據另一個實施例，透過第二真空出口52透過真空移除的任何未反應的氣體174在可以分離器模組176中進一步處理，以分離出可以再循環回到系統11中的氣體。例如，在使用H2 作為程序氣體50的情況下，可能需要的H2 的量遠遠超過確保在盡可能短的時間內在限制反應的峰值溫度的同時完全反應的化學計量需求。因此，可以收集並進一步處理任何未反應和未使用的H2 ，其可以是H2 O蒸氣的一部分並被排出，以分離出H2 ，然後可以將分離出的H2 作為程序氣體50再次注入系統11和第二部分26，或者路由到其他類似的反應器10或冷卻並儲存以備後續使用。
參考圖10，根據另一個實施例，在第一部分24中產生的氣態SiO2 16可以被引導到一個或多個冷卻模組178中，該冷卻模組178可以在真空爐10的外部，例如，使得氣態SiO2 16可以被濃縮回到液態SiO2 14中以用於常規的碳熱反應，其中在還原劑如碳180存在下的高純度液態SiO2 14在任何其他已知的反應容器182或氣態SiO2 16中被反應加熱，或者氣態SiO2 16可以在一個或多個冷卻模組178中進一步冷卻，該冷卻模組178可以在真空爐10的外部，例如，形成用於可能需要高純度固態SiO2 的任何其它程序的固態SiO2 。
圖11至26示出了系統1000的另一個實施例，其包括真空爐110，其係用於由含矽石材料12生產矽的系統1000。系統1000與圖1至9的系統11的主要不同之處在於系統1000的第一部分位於系統1000的第二部分的一部分上。圖27示出了程序1100，其概述了使用根據一個實施方式的系統10000的由含矽石材料12製備Si 18的方法。圖27中的元素可以表示執行程序1100的系統組件或程序1100的材料。
在圖11至26所示的實施例中，設置在腔室20內的是具有第一部分124和第二部分126的反應容器122。第一部分124具有實質上圓柱形的形狀，具有相對大的寬高比，以及因此，第一部分124被配置為由於其大的表面積和相對淺的深度而促進蒸發。在圖11至26所示的實施方式中，第一部分124定位在第二部分126的一部分上。這與圖1至9中所示的實施例形成對比，其中第一部分24未定位在第二部分26上方。第一部分124可包括一個或多個加熱葉片39以促進蒸發。
第二部分126也具有實質上圓柱形的形狀，第二部分126與第一部分124同軸。如下所述，第二部分126的尺寸設計成允許其中的氣體顯著膨脹。第二部分126包括一個或多個氣體入口46，其係用於將各種氣體引入第二部分126。入口46可以配置成引入惰性氣體(例如：Ar)。
提供一個或多個葉片168以增加第二部分126中的蒸汽流動面積。在一些實施方式中，第二部分126的蒸汽流動面積與第一部分124的蒸汽流動面積的比率為約70:1。在一個實施方式中，透過強制螺旋路徑來增加流動路徑長度，這防止了下降到矽18產物在第二部分126的底部收集的位置的直接軸向路徑。這增加了氣體混合物通過反應部分126傳播所需的時間，這可以在任何給定的流速下產生更完全的反應程序。該區域(並非與路徑長度相關的體積)決定了任何給定體積流量下的流速。擴散(增加氣體通道面積)的目的是透過調節流動通道的面積來保持恆定的速度，以補償由於添加氣體(即程序氣體)而導致的體積增加，以及由於反應熱釋放而導致程序氣體的溫度升高而增加的體積(提高冷卻的程序氣體和來自蒸發器的熱蒸汽的所得混合物溫度的溫度)。不受任何特定實施方式的限制，保持恆定速度可以防止由於流動氣體的加速引起的壓力變化。氣體速度的加速可能是不理想的，因為它將在第一部分124上產生背壓(作用在加速氣體團所需的區域上的力係為壓力 = F/A)，當該壓力返回第一部分124時，這將導致汽化速率改變。這可能導致不理想的程序速率的振盪。如果速度減速導致壓力降低，則可能導致類似的不穩定性。
如下所述，第一部分124和第二部分126彼此流體連接，使得當一種或多種氣體在第一部分124中蒸發時，可以使一種或多種氣體流入第二部分126。
參考圖11至26，壁127將第一部分124和第二部分126分開。壁127具有面第一部分側127a和面第二部分側127b。在壁127中形成至少一個通道129，通道129或多個通道129的尺寸被設計成允許第一部分124中的一種或多種氣體流入第二部分126。由於下面更詳細地討論的原因，一個或多個通道129可以具有從面第一部分側127a移動到面第二部分側127而增加的內徑。
一個或多個通道129的近端是一個或多個氣體入口146，其係用於將程序氣體50引入第二部分126。如圖所示，可以有九個氣體入口146，其與單一氣體腔室147流體連通。氣體腔室147實質上佈置在第二部分126上方，腔室147可以是實質上圓形的(配置成分別通過各個管道供應氣體的部分)，並且包括孔陣列149，其係配置成向下輸送程序氣體50並進入第二部分。氣體入口146配置成能夠將大量的程序氣體50輸送到第二部分126中。在一些實施方式中，輸送的程序氣體50的量大為超過化學計量值。在一個實施方式中，程序氣體50的量係約為化學計量值的7倍。例如，如果程序氣體50是H2 ，則H2 與SiO2 的比率可以是約14:1。
可以透過外部系統(未示出)調節及/或維持程序氣體50的溫度以適應特定需要。在一個實施方式中，程序氣體50的溫度顯著低於進入第二部分126的氣態SiO2 16的蒸發溫度。雖然不受任何特定實施方式的限制，由於促進某些有利的熱力學條件，可以提高產率。例如，程序氣體50可以冷卻到(或保持在)約300K的溫度，藉此這樣的溫度意味著相對低的熵值和吉布斯自由能條件，這促進了液態矽18產物的產生。另外，如果無法避免的話，較低的峰值反應溫度將至少最小化由於非預期的產物蒸發和隨後的移除而導致的所得矽18產物的損失。在程序氣體50是冷卻的程序氣體50的實施例中，用於輸送程序氣體50的整個系統可以是隔熱的，以保持低溫以促進有利的條件。例如，氣體入口146，氣體腔室147和所有相關的管道可以是隔熱的。
初始混合和還原反應可以在第二部分126的混合區域131中進行。混合區域131包括第二部分126的外壁、壁127、通道129，以及氣體入口146和氣體腔室147。混合區域131被配置成當程序氣體50最初與流過通道129並進入第二部分126的氣態SiO2 16反應時適應氣體的膨脹。
不限於任何特定實施方式，如果程序氣體50設定在相對於氣態SiO2 16的初始低溫，則預期程序氣體50將膨脹(且氣態SiO2 14將收縮)，這需要混合區域131的尺寸適於容納這種膨脹。混合區域131配置成避免蒸發部分(即第一部分124)的背壓，這可能透過改變直接影響液態SiO2 的蒸發的蒸發部分的背壓而引起蒸發不穩定(由於SiO2 的溫度決定了它的蒸汽壓力，背壓的瞬間增加將暫時阻止蒸發過程，這可能導致蒸汽流和程序中的振盪不穩定性）。
根據一個實施方式，一個或多個通道129具有內徑，該內徑在從第一部分124朝向第二部分126移動的方向上增加，使得靠近第二部分126的氣體的蒸汽流動面積大於靠近第一部分124的氣體的蒸汽流動面積，以便適應通過一個或多個通道129從第一部分124移動到第二部分124的氣體的膨脹。
根據一個實施例，通道129是環形通道129，其實質上環繞第一部分124。如圖17所示，可以存在流動區域的擴展，其包括由壁127形成的傾斜斜面150，其終止於側面127b。在孔149所在的位置的近側，來自第一部分124的蒸汽加上程序氣體50的流動面積可以比蒸汽首先從第一部分124流出並從側127a流入通道129的位置大出約14倍。由於環的直徑和環的垂直範圍都基於幾何形狀而增加，流動面積因而增加。可以預期還原程序在區域131中開始，且因此蒸汽和程序氣體50的混合物的溫度將開始增加，因而引起膨脹。由於環的半徑和幾何形狀的增加，增加的面積(和體積)適應膨脹，氣體透過真空系統被吸入，從第二部分126進一步將產物拉出第二真空出口52。
根據一個實施例，環形通道129配置成允許氣態SiO2 16從第一部分124到第二部分126的無阻礙向外徑向流動。
在冷卻的程序氣體50係為冷卻的H2 的實施例中，所產生的H2 O蒸汽排氣溫度可以預期為約1660 ℃。
此外，混合區域131的區域中的還原反應可以利用來自電極266和導線268的電漿弧形式的額外活化能來促進，以通過氣體入口146向通向第二部分126的電極266提供電流。在一個實施方式中，電極266配置成將電離電流傳送到混合區域131中，其中程序氣體50進入第二部分126。
如圖11至26所示，惰性氣體48可以通過沿第一部分124的周邊設置的多個氣體入口146a直接引入第一部分124。多個氣體入口146a中的每一個可以成角度以向下指向惰性氣體流48並朝向第一部分124中存在的任何液態的表面。在第一部分124中引入惰性氣體48可促進蒸發程序，並可促進氣態SiO2 從進行蒸發的第一部分124向進行還原反應第二部分126移動。
在一些實施方式中，加熱容器58是燃燒室258，其包括用於接收燃料300和氧化劑302的一個或多個入口262以及用於移除燃燒產物304的一個或多個出口264。在一個實施方式中，燃料300是H2 (可以將來自被重新注入系統1000的未使用的程序氣體50或來自一個全新的來源)可被引入燃燒室258並與外部供應用於燃燒的氧化劑302(例如：空氣或氧氣)結合。產生的熱量59可用於加熱第一部分24及/或124，並減少在第一部分24及/或124中將液態SiO2 14蒸發成氣態SiO2 16所需的熱量供應中的電能需求。在其他實施方式中，加熱容器58可以透過引導高溫程序氣體(例如：氫氣)而作為無須燃燒的復熱器，並且如果需要額外的熱量，則可以添加氧化劑以補充所需的熱量。
在一些實施例中，第一部分24和124以及第二部分26和126可進一步包括蒸發元件(未示出)，該蒸發元件配置成促進從部分24、26、124和126中的一個或多個的底部收集的液態熔體中的一種或多種氣體的深度到表面的循環和蒸發。例如，約10 cm的SiO2 的液態深度可導致底部第一部分24和124處的流體靜壓力比表面壓力高約2040 Pa。
在一些實施方式中，蒸發元件包括一個或多個注入口(未示出)，其配置用於將一種或多種氣體直接引入液態熔體中。一個或多個注入口可以是位於部分24、26、124和126中的一個或多個的底部上的歧管(未示出)的一部分，其中注入口配置成向上噴射一個或多個氣體並進入液態熔體。在一些實施方式中，在一個或多個氣體(例如：惰性氣體或任何其他氣體)從一個或多個注入口噴出之後發生的第一部分24和124中的液態熔體的鼓泡促進一個或多個可在含SiO2 的材料12中找到的較高蒸氣壓污染物34的表面暴露。在其他實施方式中，液態熔體在第二部分26和126中的鼓泡可以使用程序氣體(例如：H2 )及/或惰性氣體(例如：Ar)進行，以促進蒸發和與任何未反應的SiO沉積物(可以是固體沉積物)或SiO2 的反應，其可能已經被收集在第二部分26和126底部的液體Si熔體中。
在一些其他實施例中，蒸發元件包括攪拌構件，其係用於機械攪拌在部分24、26、124和126中的一個或多個的底部收集的液態熔體。
在一些其他實施方式中，可以透過電磁攪拌促進蒸發。例如，當部分24、26、124和126中的一個或多個的底部的液態熔體含有液態金屬污染物時，這些液態金屬污染物可以作為導電介質以實現渦流攪拌作用。
根據另一個實施例，可以使用一個或多個冷卻元件(未示出)來降低第二部分26和126的溫度並重新獲得任何熱量，並將該熱量分別引導到第一部分24和124中以促進這些部分中的蒸發步驟。例如，冷卻元件可包括冷卻盤管(未示出)和循環通過冷卻盤管的液態冷卻劑(未示出)。
以上描述的本申請的實施方式僅旨在作為示例。在不脫離本申請的預期範圍的情況下，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以對特定實施方式進行改變、修改和變化。特別地，可以選擇來自一個或多個上述實施方式的特徵以創建包括可能未在上面明確描述的特徵的子組合的替代實施方式。另外，可以選擇和組合來自一個或多個上述實施方式的特徵，以創建包括可能未在上面明確描述的特徵的組合的替代實施例。適合於這種組合和子組合的特徵對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者來說在整體參照本申請時是顯而易見的。圖式中所提供的任何尺寸僅用於說明目的，並不旨在限制本公開的範圍。本文和所述申請專利範圍中描述的標的旨在涵蓋並包含所有適當的技術變化。
10‧‧‧真空爐 11‧‧‧系統 12‧‧‧含SiO2材料 14‧‧‧液態SiO2 16‧‧‧氣態SiO2 18‧‧‧矽20‧‧‧腔室22‧‧‧反應容器24‧‧‧第一部分26‧‧‧第二部分28‧‧‧開口30‧‧‧排氣口32‧‧‧第一部分真空出口33‧‧‧分離器34‧‧‧氣態污染物35‧‧‧歧管36‧‧‧排出口38‧‧‧污染物39‧‧‧加熱葉片40‧‧‧開口42‧‧‧Si產物接頭44‧‧‧再充注口46‧‧‧氣體入口46a‧‧‧氣體入口46b‧‧‧氣體入口48‧‧‧惰性氣體50‧‧‧程序氣體或電漿52‧‧‧第二真空出口54‧‧‧副產物56‧‧‧熱源58‧‧‧加熱容器59‧‧‧熱量100‧‧‧程序110‧‧‧真空爐122‧‧‧反應容器124‧‧‧第一部分126‧‧‧第二部分127‧‧‧壁127a‧‧‧面第一部分側127b‧‧‧面第二部分側129‧‧‧通道131‧‧‧混合區域146‧‧‧氣體入口146a‧‧‧氣體入口147‧‧‧氣體入口腔室149‧‧‧孔150‧‧‧斜面158‧‧‧熱量回收室160‧‧‧中空主體162‧‧‧接收端164‧‧‧排出端168‧‧‧葉片170‧‧‧氧氣或空氣172‧‧‧程序模組173‧‧‧H2O174‧‧‧未反應的氣體176‧‧‧分離器模組178‧‧‧冷卻模組180‧‧‧碳182‧‧‧反應容器258‧‧‧燃燒室260‧‧‧空心主體262‧‧‧入口264‧‧‧出口266‧‧‧電極268‧‧‧導線300‧‧‧燃料302‧‧‧氧化劑1000‧‧‧系統1100‧‧‧程序
現在將透過示例的方式參考示出示例實施方式的附圖，其中： ［圖1］是根據示例性實施方式的系統的透視圖，包括真空爐，其中側壁和頂壁的一部分被移除，暴露出反應容器； ［圖2］是根據一個示例性實施方式的圖1的反應容器的透視圖； ［圖3］是圖2的反應容器的頂視圖； ［圖4］是沿圖3中4-4線的剖視圖； ［圖5］是沿圖4中5-5線的剖視圖； ［圖6］是沿圖4中6-6線的剖視圖； ［圖7］是沿圖4中7-7線的剖視圖； ［圖8］是沿圖4中8-8線的剖視圖； ［圖9］是沿圖4中9-9線的剖視圖； ［圖10］是根據一個示例性實施方式的由含矽石材料製備矽的方法的程序流程圖； ［圖11］是根據另一示例性實施方式的系統的透視圖，包括真空爐，其中側壁和頂壁的一部分被移除，暴露出反應容器； ［圖12］是圖11的真空爐的側視頂視圖； ［圖13］是圖11的真空爐的透視圖； ［圖14］是圖13的反應容器的頂視圖； ［圖15］是圖14的反應容器的透視圖； ［圖16］是沿圖14的16-16線的剖視圖； ［圖17］是圖16的細節A的放大圖； ［圖18］是沿圖16的18-18線的剖視圖； ［圖19］是圖18的反應容器的透視圖； ［圖20］是沿圖16的20-20線的剖視圖； ［圖21］是圖20的反應容器的透視圖； ［圖22］是沿圖16的22-22線的剖視圖； ［圖23］是圖22的反應容器的透視圖； ［圖24］是圖23的細節B的放大圖； ［圖25］是沿圖20中25-25線的剖視圖； ［圖26］是沿圖20中26-26線的剖視圖；以及 ［圖27］是根據另一個示例性實施方式的由含矽石材料製備矽的方法的程序流程圖。
在不同的圖中可以使用類似的元件符號來表示類似的部件。
10‧‧‧真空爐
11‧‧‧系統
20‧‧‧腔室
22‧‧‧反應容器
24‧‧‧第一部分
26‧‧‧第二部分
28‧‧‧開口
30‧‧‧排氣口
32‧‧‧第一部分真空出口
33‧‧‧分離器
39‧‧‧加熱葉片
42‧‧‧Si產物接頭
44‧‧‧再充注口
46‧‧‧氣體入口
46a‧‧‧氣體入口
46b‧‧‧氣體入口
52‧‧‧第二真空出口

Claims (72)

  1. 一種使用一反應容器由包含固態SiO2 的包含二氧化矽(SiO2 )材料生產矽的方法，該反應容器包括一第一部分和與該第一部分流體連通的一第二部分，該方法包括： 在一足夠的溫度下，將包含固態SiO2 的含SiO2 材料加熱成包含液態SiO2 的含SiO2 材料，以將固態SiO2 轉化為液態SiO2 ； 在該第一部分中，透過將反應容器中的壓力降低到低於大氣壓的壓力，將該液態SiO2 轉化成流入該第二部分的氣態SiO2 ；以及 在該第二部分中，將該氣態SiO2 還原成液態矽， 其中，靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積大於靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積。
  2. 如請求項1所述的方法，其中，加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在一另一部分中進行，該方法進一步包括： 在該第一部分中接收來自該另一部分的包含液態SiO2 的含SiO2 的材料。
  3. 如請求項1所述的方法，其中，加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在該第一部分中進行。
  4. 如請求項1至3中任一項所述的方法，其中，加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在一惰性氣體的存在下進行。
  5. 如請求項4所述的方法，其中該惰性氣體是氬氣(Ar)。
  6. 如請求項1至5中任一項所述的方法，其中，將壓力降低到低於大氣壓的壓力係在一個或多個過渡壓力的連續範圍內進行，其足以從包含液態SiO2 的含SiO2 材料中，將一種或多種污染物蒸發成一種或多種氣態污染物，該方法進一步包括： 在壓力達到將液態SiO2 轉化為氣態SiO2 的低於大氣壓的壓力之前，透過真空移除在包含液態SiO2 的含SiO2 材料中由於一個或多個過渡壓力蒸發的一種或多種氣態污染物。
  7. 如請求項6所述的方法，其中所述一種或多種氣態污染物是磷(P)、鋅(Zn)、鈉(Na)、鈣(Ca)、銻(Bi)、鉛(Pb)、銦(In)、錳(Mg)或鎵(Ga)，或其組合。
  8. 如請求項6或7所述的方法，進一步包括： 在轉化為該氣態SiO2 後，移除殘留在該第一部分中的一種或多種未蒸發的污染物。
  9. 如請求項8所述的方法，其中所述一種或多種未蒸發的污染物是鋁(Al)、錫(Sn)、銅(Cu)、鐵(Fe)、鈦(Ti)或硼(B)，或其組合。
  10. 如請求項1至9中任一項所述的方法，其中在大氣壓下，該足夠的溫度係高於SiO2 的熔點且低於SiO2 的沸點。
  11. 如請求項10所述的方法，其中該足夠的溫度係自約1983K至約2500K。
  12. 如請求項10所述的方法，其中該足夠的溫度係為2100K或約2100K。
  13. 如請求項1至12中任一項所述的方法，其中： 該第二部分中的至少一個葉片在該第二部分中引起氣體的周向流動，因此導致所述將該氣態SiO2 還原成該液態矽的駐留時間的延長。
  14. 如請求項1至13中任一項所述的方法，其中加熱係透過使用儲存在一氣態副產物中的熱量來進行，該氣態副產物係在將該氣態SiO2 還原成該液態矽時形成。
  15. 如請求項14所述的方法，其中該反應容器進一步包括可操作地連接到該第二部分的一熱量回收室，且其中該方法進一步包括： 將包含氣態副產物的一種或多種氣體自該第二部分吸入該熱量回收室，其中儲存在所吸入的氣體中的熱量被引導到該包含固態SiO2 的含SiO2 材料，用於加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料。
  16. 如請求項14或15所述的方法，其中該氣態副產物是H2 O蒸氣。
  17. 如請求項1至12中任一項所述的方法，其中該反應容器進一步包括一加熱容器，以從包含在其中的加熱氣體提供直接熱能，來加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料。
  18. 如請求項17所述的方法，其中該加熱容器包括： 一個或多個入口，其係用於接收用於加熱容器中的燃燒反應的一燃料和一氧化劑；以及 一個或多個出口，其係用於從該加熱容器中移除燃燒產物。
  19. 如請求項18所述的方法，其中該燃料係為氫氣(H2 )，該氧化劑係為空氣或氧氣(O2 )。
  20. 如請求項1至19中任一項所述的方法，進一步包括： 將可能在第二部分中冷凝的任何液態SiO2 加熱到一第二溫度，以將液態SiO2 轉化回再蒸發的氣態SiO2 ，其中該第二溫度係大於該足夠的溫度；以及 在該第二部分中，將該再蒸發的氣態SiO2 還原成該液態矽。
  21. 如請求項1至20中任一項所述的方法，進一步包括： 將在該第二部分中收集的任何SiO加熱到將SiO轉化為氣態SiO的溫度； 在該第二部分中，將該氣態SiO還原成該液態矽；及/或 透過真空移除第二部分中任何未反應的氣態SiO。
  22. 如請求項20或21所述的方法，進一步包括： 將氣體導入該第二部分中收集的內容物中以促進該內容物的蒸發。
  23. 如請求項22所述的方法，其中所述氣體是惰性氣體、一氧化碳(CO)或氫氣(H2 )。
  24. 如請求項1至23中任一項所述的方法，其中所述將該氣態SiO2 還原成該液態矽是使用一程序氣體或電漿完成的。
  25. 如請求項24所述的方法，其中該程序氣體或電漿的溫度低於該氣態SiO2 的溫度。
  26. 如請求項25所述的方法，其中該程序氣體或電漿的溫度係在300K或約300K。
  27. 如請求項24-26中任一項所述的方法，其中該程序氣體或電漿的量係大於化學計量值。
  28. 如請求項24-26中任一項所述的方法，其中該程序氣體或電漿的量係為化學計量值的至少約7倍。
  29. 如請求項24-28中任一項所述的方法，其中該程序氣體或電漿是一氧化碳(CO)或氫氣(H2 )。
  30. 如請求項1至29中任一項所述的方法，其中所述加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在大氣壓或高於大氣壓下進行。
  31. 如請求項1所述的方法，其中所述加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料是非反應性加熱。
  32. 如請求項31所述的方法，其中係透過真空來排空該含SiO2 材料周圍的氣態污染物來促進所述非反應性加熱。
  33. 如請求項1至32中任一項所述的方法，其中所述加熱該包含固態SiO2 的含SiO2 材料係在不存在碳(C)或碳基氣體的情況下進行。
  34. 如請求項1所述的方法，其中包含固態SiO2 的含SiO2 材料進一步包括一種或多種污染物。
  35. 如請求項1所述的方法，其中所述壓力的降低係在該第一部分中在該足夠的溫度下進行。
  36. 如請求項1至35中任一項所述的方法，其中所述在該第二部分的還原係在低於大氣壓的壓力下進行。
  37. 如請求項1至36中任一項所述的方法，其中所述低於大氣壓的壓力係自約3500 Pa至約4000 Pa。
  38. 如請求項1至36中任一項所述的方法，其中所述低於大氣壓的壓力係為3500 Pa或約3500 Pa。
  39. 如請求項1至38中任一項所述的方法，進一步包括從該第二部分吸走熱量並將該熱量導向該第一部分。
  40. 如請求項1至39中任一項所述的方法，其中該第一部分和該第二部分係處於一同軸佈置，其中該第二部分實質上圍繞該第一部分，或者該第一部分係位於該第二部分的一部分的上方。
  41. 一種用於從包含固態SiO2 的含二氧化矽(SiO2 )材料生產矽的系統，該系統包括： 一熱源，其係用於在一足夠的溫度下，將包含固態SiO2 的含SiO2 材料加熱成包含液態SiO2 的含SiO2 材料，以將該固態SiO2 轉化為該液態SiO2 ； 一反應容器，其係包括一第一部分和與該第一部分流體連通的一第二部分，所述第一部分用於容納包含液態SiO2 的含SiO2 材料； 一真空源，其係用於將壓力降低到低於大氣壓，用於在第一部分中將該液態SiO2 轉化成流入該第二部分的氣態SiO2 ； 其中，該第二部分係用於在第二部分中將該氣態SiO2 還原成液態矽， 其中，靠近第二部分的氣體的蒸汽流動面積係大於靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積。
  42. 如請求項41所述的系統，其中進一步包括至少一個氣體入口，以透過引入一定量的一程序氣體來促進在該第二部分中將該氣態SiO2 還原成該液態矽。
  43. 如請求項42所述的系統，其中該程序氣體的量是化學計量值的至少約7倍。
  44. 如請求項42或43所述的系統，其中所述至少一個氣體入口係被配置成將該程序氣體引入該氣態SiO2 進入該第二部分的區域。
  45. 如請求項41至44中任一項所述的系統，其中該真空源係被配置成在壓力達到將液態SiO2 轉化為氣態SiO2 的低於大氣壓的壓力之前，在一個或多個過渡壓力的連續範圍內將壓力降低到低於大氣壓的壓力，其足以從包含液態SiO2 的含SiO2 材料中將一種或多種污染物蒸發成一種或多種氣態污染物。
  46. 如請求項45所述的系統，進一步包括至少一個氣體出口，以移除從該包含液態SiO2 的含SiO2 的材料蒸發的所述一種或多種氣態污染物。
  47. 如請求項46所述的系統，其中所述至少一個氣體出口係位於該第一部分的上方。
  48. 如請求項44至47中任一項所述的系統，其中所述至少一個氣體出口包括一管道，該管道係源自該第一部分的切向周邊。
  49. 如請求項48所述的系統，其中該管道係穿過該第二部分。
  50. 如請求項41至49中任一項所述的系統，其中該第二部分進一步包括至少一個葉片，其係用於在該第二部分中引發氣體的周向流動，藉此允許一定量的時間，以將該氣態SiO2 還原成液態矽。
  51. 如請求項50所述的系統，其中多個葉片從該第二部分的壁延伸，且被配置成形成一螺旋通道，用於引導其中的氣體流動。
  52. 如請求項50或51所述的系統，其中靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積與靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積的比率係為70：1或約為70：1。
  53. 如請求項41至52中任一項所述的系統，其中該第一部分和該第二部分係處於一同軸佈置，其中該第二部分實質上圍繞該第一部分。
  54. 如請求項53所述的系統，其中所述熱源包括配置在該第一部分和該第二部分之間的熱量回收室，其中該熱量回收室允許在該第二部分中產生的熱量被引向該第一部分。
  55. 如請求項54所述的系統，其中該熱量回收室還包括至少一個葉片，其係用於在該熱量回收室中引發氣體的周向流動，藉此允許一定量的時間，以將該氣態SiO2 還原成液態矽。
  56. 如請求項55所述的系統，其中多個葉片從該熱量回收室的壁延伸，且被配置成形成一螺旋通道，用於其中的氣體的移動。
  57. 如請求項41至52中任一項所述的系統，其中所述第一部分係位於在該第二部分的一部分上。
  58. 如請求項57所述的系統，進一步包括一個或多個通道，其係形成在該第一部分和該第二部分之間的壁中，所述一個或多個通道的尺寸被設計成允許在該第一部分中形成的氣態SiO2 移動到該第二部分中。
  59. 如請求項58所述的系統，其中所述一個或多個通道的內徑在從該第一部分朝向該第二部分移動的方向上增加，使得靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積係大於靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積，以適應通過一個或多個通道從第一部分移動到第二部分的氣體的膨脹。
  60. 如請求項57至59中任一項所述的系統，進一步包括一通道，其係形成在該第一部分和該第二部分之間的壁中，該通道的尺寸被設計成允許在該第一部分中形成的氣態SiO2 移動到該第二部分中。
  61. 如請求項60所述的系統，其中該通道是環形通道，該環形通道係被配置成允許氣態SiO2 從該第一部分到該第二部分的無阻礙向外徑向流動。
  62. 如請求項61所述的系統，其中該壁包括一面第一部分側和一面第二部分側，該面第二部分側包括一斜面，其中該環形通道具有在從該面第一部分側移動到該面第二部分側的方向上增加的內徑，使得靠近該第二部分的氣體的蒸汽流動面積係大於靠近該第一部分的氣體的蒸汽流動面積，以便適應通過該環形通道從該第一部分移動到該第二部分的氣體的膨脹。
  63. 如請求項57至62所述的系統，其中所述至少一個氣體入口包括位於該第二部分上方的一氣體腔室，該氣體腔室定義一孔陣列，該孔陣列係被配置成將該程序氣體向下引導並進入該第二部分。
  64. 如請求項63所述的系統，其中該氣體腔室實質上是圓形的。
  65. 如請求項57至64中任一項所述的系統，其中該熱源包括一加熱容器，該加熱容器係被配置成將來自其中所包含的加熱氣體的熱能朝向該第一部分引導，以加熱該第一部分中的含SiO2 材料。
  66. 如請求項65所述的系統，其中該加熱容器包括： 一個或多個入口，其係用於接收用於加熱容器中的燃燒反應的一燃料和一氧化劑；以及 一個或多個出口，其係用於從該加熱容器中移除燃燒產物。
  67. 如請求項66所述的系統，其中該燃料係為氫氣(H2 )，且該氧化劑係為空氣或氧氣(O2 )。
  68. 如請求項57至67中任一項所述的系統，進一步包括一電極，其係用於將電離電流輸送到該程序氣體進入該第二部分的區域中。
  69. 如請求項41至68中任一項所述的系統，進一步包括一蒸發元件，以促進該第一部分及/或第二部分中的內容物的蒸發。
  70. 如請求項69所述的系統，其中該蒸發元件係為用於將一氣體直接引入該第一部分及/或第二部分的內容物中的一個或多個注入口。
  71. 如請求項70所述的系統，其中該氣體係為惰性氣體、一氧化碳(CO)或氫氣(H2 )。
  72. 如請求項41至71中任一項所述的系統，其中該系統係為隔熱的。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113357913B (zh) * 2021-06-29 2022-12-09 吉利硅谷(谷城)科技有限公司 一种用于多晶硅提纯的电磁加热炉

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL6917398A (zh) 1969-03-18 1970-09-22
US4352784A (en) 1979-05-25 1982-10-05 Western Electric Company, Inc. Double crucible Czochralski crystal growth apparatus
JPS6227318A (ja) 1985-07-29 1987-02-05 Kawasaki Steel Corp Ｓｉｏ微粉末の製造方法およびその装置
CN87104483A (zh) * 1985-12-26 1988-12-07 陶氏康宁公司 一种用等离子弧精炼硅的工艺方法
JPH0733305B2 (ja) 1987-03-20 1995-04-12 三菱マテリアル株式会社 石英製二重ルツボの製造方法
JP3077273B2 (ja) 1991-07-30 2000-08-14 三菱マテリアル株式会社 単結晶引上装置
CN1039898C (zh) * 1995-03-28 1998-09-23 吴国华 一种提取二氧化硅的生产工艺方法
JP3484870B2 (ja) 1996-03-27 2004-01-06 信越半導体株式会社 連続チャージ法によるシリコン単結晶の製造方法およびドーパント供給装置
US6395249B1 (en) 1997-12-25 2002-05-28 Nippon Steel Corporation Production process and apparatus for high purity silicon
DE10061682A1 (de) 2000-12-11 2002-07-04 Solarworld Ag Verfahren zur Herstellung von Reinstsilicium
US20060105105A1 (en) 2004-11-12 2006-05-18 Memc Electronic Materials, Inc. High purity granular silicon and method of manufacturing the same
EP1857640A3 (de) * 2006-05-10 2010-05-05 Silicon Fire AG Neuartiger kaskadierter Kraftwerksprozess und Verfahren zum Bereitstellen von reversibel einsetzbaren Wasserstoffträgern in einem solchen Kraftwerksprozess
DE102006021960A1 (de) * 2006-05-10 2007-11-15 Sincono Ag Ölhaltige Sande und Schiefer und ihre Gemische als Ausgangssubstanzen zur Darstellung von kristallinem Silizium und Wasserstoffgas sowie zur Herstellung von Siliziumnitrid, Siliziumcarbid und Silanen
EP2215192A2 (de) 2007-10-26 2010-08-11 Sincono Ag Verfahren zum bereitstellen von energie unter einsatz eines gemisches und entsprechende anlage
DE102008010744B4 (de) * 2008-02-20 2010-09-30 CBD Labs Pty Ltd., Double Bay Reduktion von Siliziumdioxid
CN102171142A (zh) * 2008-09-30 2011-08-31 赢创德固赛有限公司 由二氧化硅生产太阳能级硅
CN101372334B (zh) * 2008-10-22 2010-11-10 昆明理工大学 一种高纯硅的制备方法
GB2479685B (en) 2009-02-09 2013-04-24 Baker Hughes Inc Downhole apparatus with a wireless data communication device between rotating and non-rotating members
US8168123B2 (en) 2009-02-26 2012-05-01 Siliken Chemicals, S.L. Fluidized bed reactor for production of high purity silicon
CN101837978B (zh) 2009-03-19 2012-02-01 金亦石 由硅矿产出单晶硅或多晶硅连续纯化反应处理装置及方法
CN101948113B (zh) * 2010-09-19 2014-01-01 江西盛丰新能源科技有限公司 一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备
CN102153087B (zh) * 2010-12-24 2013-01-23 上海普罗新能源有限公司 双室单联真空循环脱气炉及太阳能级多晶硅的制备
DE102011089501B4 (de) 2011-12-21 2013-10-10 Freiberger Compound Materials Gmbh Vorrichtung und Verfahren zum Verdampfen von Material aus einer Metallschmelze
CA2994466A1 (en) 2015-08-07 2017-02-16 Pyrogenesis Canada Inc. Silica to high purity silicon production process

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