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TWI472485B - 利用酸洗以提供純化之矽晶體 - Google Patents

利用酸洗以提供純化之矽晶體 Download PDF

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TWI472485B
TWI472485B TW97128406A TW97128406A TWI472485B TW I472485 B TWI472485 B TW I472485B TW 97128406 A TW97128406 A TW 97128406A TW 97128406 A TW97128406 A TW 97128406A TW I472485 B TWI472485 B TW I472485B
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TW
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molten liquid
crystal
gas
ruthenium
molten
Prior art date
Application number
TW97128406A
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English (en)
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TW200916411A (en
Inventor
Scott Nichol
Jian J Chen
Original Assignee
Silicor Materials Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Silicor Materials Inc filed Critical Silicor Materials Inc
Publication of TW200916411A publication Critical patent/TW200916411A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI472485B publication Critical patent/TWI472485B/zh

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B9/00—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents
    • C30B9/04—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution
    • C30B9/08—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents by cooling of the solution using other solvents
    • C30B9/10—Metal solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
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    • C01B33/02—Silicon
    • C01B33/037—Purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
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    • C30B29/06—Silicon
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    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
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Description

利用酸洗以提供純化之矽晶體 本發明之優先權
本申請案主張於2007年7月23日提出申請之美國專利臨時申請案第60/951,374號及於2007年7月30日提出申請之美國專利臨時申請案第60/952,732號之優先權，該等專利申請案全文併入本案做為參考。
本發明提供一種用於純化矽的方法，及獲得純化矽的方法。
 發明背景
已描述很多用於減少矽中的不純物量之不同方法及設備，包括如區域熔化、矽烷氣體蒸餾、氣體注入、酸性浸出、渣化及方向性固化。然而，依目前已知製程以高困難度及/或昂貴的製程步驟僅能除去硼、磷、鈦、鐵及一些其他元素至需要的純度。
目前，矽基本上以使用可揮發之極純矽化合物的還原及/或熱分解之製程純化，如以三氯矽烷。此製程非常昂貴且為一資本密集方式生產具有比在某些應用中如太陽能電池所需之純度更高純度的矽。
 發明概要
本發明提供用以純化矽的方法，及用以獲得相對純化之矽的方法。本文提及的此些方法可以一相對具成本效益 的方法有效地提供商業數量(如，至少約240 kg)的純化矽。本文提及的此些方法可以一相對具成本效益的方法有效地提供至少約100公噸/年之純化矽。此外，描述於本文的方法可在約24至約94小時完成，基本上不超過約72小時。由本文描述之方法獲得相對之純化矽晶體可接著進一步純化，以提供太陽能級矽。
本發明提供純化矽的方法，此方法包括：(a)由矽及一溶劑金屬形成第一熔融液體，該溶劑金屬為選自銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛、其合金、及其組合；(b)將第一熔融液體與第一氣體接觸，以提供浮渣及第二熔融液體；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(e)分離第一矽晶體及第一母液；(f)將第一矽晶體與可溶解溶劑金屬的酸、鹼、醇或化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸；及(g)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸。
本發明也有關於用以純化矽的方法。此方法包括(a)從矽及鋁形成第一熔融液體；(b)將第一熔融液體與第一氣體接觸，以提供浮渣及第二熔融液體；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(e)分離第一矽晶體及第一母液；(f)熔融第一矽晶體與一溶劑金屬及重複步驟(a)－(e)；(g)將第一矽晶體與可熔解溶劑金屬的酸、鹼、醇或化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸；及(h)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸，足以提供純化矽晶體；(i)熔化純化矽晶體，足以提供 矽熔融物；(j)將矽熔融物與第二氣體接觸；及(k)方向性凝固矽熔融物。
圖式簡單說明
本發明實施例可參考下列描述及配合說明此實施例之附圖而有最佳的瞭解。在本文的圖式之編號為使在一圖式中的特定參考標號之配合圖的編號。在不同圖式中的相同參考標號為指相同的元件。在圖示中：
第1圖繪示一純化矽的方法之方塊流程圖，其包括與一氣體接觸，用以獲得純化矽的方法，以及獲得純化矽晶體、純化粒狀矽、矽塊及/或純化矽錠之方法。
第2圖繪示一純化矽的方法之方塊流程圖，用以獲得純化矽的方法，以及獲得純化矽晶體、純化粒狀矽、矽塊及/或純化矽錠之方法。
第3A－B圖繪示可用於實施本發明方法之例示設備系統。
第4圖繪示一純化矽的方法之方塊流程圖，其包括與第一及第二氣體接觸，用以獲得純化矽的方法，以及獲得純化矽晶體、純化粒狀矽、矽塊及/或純化矽錠之方法。
 較佳實施例之詳細說明
將以詳細說明本發明之特定申請專利範圍及以結構及化學式說明的實施例。雖然本發明與數個申請專利範圍描述，應瞭解其非用以限制本發明至此些申請專利範圍。相反地，本發明傾向涵蓋所有的變化、潤飾及等效物，其等 亦皆包括於本發明申請專利範圍所界定的範疇。
在說明書中提及“一實施例(one embodiment)”、“一實施例(an embodiment)”、“an例示實施例(an example embodiment)”等詞為意指描述的實施例可包括特定的特徵、結構、或特性，但每個實施例可不必要包括此特定的特徵、結構、或特性。此外，此些詞並未用於指稱相同的實施例。再者，當依實施例描述特定的特徵、結構、或特性時，其提出係在熟於此項技術人士的專業知識內感受此些與其他實施例有關的特徵、結構、或特性是否明白描述。
本發明有關於純化矽的方法，及用以獲得純化矽的方法。當描述純化矽的方法及用以獲得純化矽的方法時，除非特別指明，下列詞具有下列定義。
定義
除非另外說明，下列字或詞當用於本文內時，為具有下列定義：在本發明描述的方法中，除非當特別明白提及時間或操作的順序，其步驟可在未偏離本發明技術思想下以任何順序實施。在申請專利範圍中提及先進行一步驟及接著進行數個其他步驟之效用，此視為在任何的其他步驟前進行該第一步驟，但其他步驟可以任何適合的順序執行，除非在其他步驟中再提及一順序。例如，在提及“步驟A、步驟B、步驟C、步驟D、及步驟E”之申請專利元件應解釋為先進行步驟A，步驟E最後進行，及步驟B、C、及可在步驟A及E間以任何順序進行，且此順序仍屬於本發明主張之方法 的解釋範圍內。
此外，除非在專利範圍中明白指出提及特定的步驟為分開進行，則其可用時進行。例如，一製做X之申請專利範圍步驟及一製做Y之申請專利範圍的Y可同時在單一操作中進行，且結果製程將落於申請專利範圍方法所界定的範圍中。
在本文中，“多”意指二或更多，如2、3、4或5。
在本文中，“純化”意指主題之化學物質由外來或污染的物質中之物理性分離。
在本文中，“接觸”意指非常鄰近的接觸或達到接觸之作動。
在本文中，“結晶”包括一物質由溶液中形成晶體(結晶材料)的製程。此製程藉由冷卻餵入流或加入一降低預期產物之溶解度的沉澱物以形成晶體而由一液體流中分離一產物，該產物通常為非常純形式。純固體晶體接著藉由過濾或離心以由殘餘的液體中分離。
在本文中，“晶體”包括在一固體中原子的規則、幾何排列。
在本文中，“傾倒”或“傾倒作用”包括倒出一液體而留下沉積物或沈澱物，因此由沉積物或沈澱物分離液體。
在本文中，“過濾(filtering)”或“過濾(filteration)”意指一藉由將液體通過一多孔性片材如陶瓷或金屬膜以留下固體且允許液體通過以由液體分離固體的機械方法。此可藉由使用如一濾器之重力，或藉由壓力或真空(吸氣)而完成。過 濾可有效由液體中分離沉積物或沈澱物。
在本文中，“分離”意指從另一物質移除一物質的製程(如，從混合物移除固體或液體)。製程可使用對熟知此技藝者任何已知技術，如，傾倒一混合物、從混合物撇渣至少一液體、離心混合物、由混合物過濾該固體，或其組合。
在本文中，“過濾”意指藉由將液體通過一濾器，藉此將固體懸浮濾器上以由混合物除去固體的方法。
在本文中，“傾析”意指在未干擾沉積物下傾倒一液體的製程，或以最小干擾沉積物下傾倒液體的方法。
在本文中，“離心”意指有關使用向心力之混合物分離的製程，如混合物的固體。離心作用在一容器上增加有效之重力，以更快速及完全的造成沈澱物聚集在容器的側邊或底部。此溶液(“上清液”)可迅速地由容器傾倒出而未干擾到沈澱物。離心的速率藉由施加至樣本的加速度而定，基本上以每分鐘轉速(RPM)量測。在離心作用中的顆粒沉降速度為顆粒尺寸及形狀、離心加速度、存在之固體體積分量、顆粒及液體間的密度差異、與黏度間的功能。
在本文中，“撇渣”意指一由混合物中除去組合之至少一液體、固體的製程，其中至少一液體浮在混合物頂端。
在本文中，“攪動”意指將一混合物放入具擾流力作動的製程。適合的攪動方法包括，如攪拌、混合、及搖動。
在本文中，“沈澱”意指將引起固體物質(如，晶體)由溶液分離的製程。沈澱可包括，如結晶。
在本文中，“母液”意指由在固體於液體中之溶液混合 物除去固體(如，晶體)後所得的之固體或液體。因此，母液將不包括一可觀察到的固體量。
在本文中，“矽”意指具有符號Si及原子數14的化學元素。
當用於本文內，“原料矽”意指含有被純化之矽量的混合物或化合物。原料矽可以或可以不是冶金級。
在本文中，“冶金級矽”意指相對純矽(如，至少約95.0 wt.%)。
在本文中，“熔融物”意指一被熔融之物質，其中熔融為一加熱固體物質至其轉變為液體的温度(稱為熔點)之製程。
在本文中，“溶劑金屬”意指至少一金屬或其合金，其當加熱時，可有效地熔解矽以生成一熔解液體。適合的例示溶劑金屬包括，如、銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛、其合金、及其組合。
當用於本文內，一“合金”意指二或更多的元素的均質混合物，至少其中之一為金屬，及其結果材料具有金屬性質。生成之金屬物質通常因其組份而具有不同性質(有時顯著地不同)。
在本文中，“液相線”意指一在相圖上的線，一特定物質在高於此線的温度時為液相安定的。最常見地，此線代表轉化溫度。液相線依物質可以是一直線，或其可以是曲線。液相線最常應用在二元系統如固體溶液，包括金屬合金。液相線可對照至固相線。固相線及液相線不必然對齊 或重疊；若在液相線及固相線間存在差距，則在此差距間時，物質不論在液體或在固體為不安定的。
在本文中，“固相線”意指一在相圖上的線，一特定物質在低於此線的温度時為固相安定的。最常見地，此線代表轉移溫度。固相線依物質可以是一直線，或其可以是曲線。固相線通常應用在二元系統如固體溶液，包括金屬合金。固相線可對照至液相線。固相線及液相線不必然對齊或重疊。若在液相線及固相線間存在差距，則在此差距間時，物質不論在液體或在固體為不安定的；在此例中，例如橄欖石(鎂橄欖石－鐵橄欖石)系統。
在本文中，“釋出”或“釋出一氣體”意指液體或固體在一特定條件(典型地為高溫)下進行化學反應或分解以釋出氣體之製程。
在本文中，“浮渣”意指浮在熔解金屬浴之固體不純物塊。此通常在低熔點金屬或合金如錫、鉛、鋅或鋁，或經由金屬氧化之熔融物上出現。其可被移除，如，藉由表面撇渣移除。對於某些金屬，可加入鹽回流以分離浮渣。浮渣可由熔渣區別，其為以固態的浮在合金上之(黏性)液體。
在本文中，“熔渣”意指熔煉礦砂的副產物以精煉金屬。其可視為金屬氧化物混合物；然而，其可包含元素形式之金屬硫化物及金屬原子。熔渣通常在金屬熔煉上用於廢棄物的移除。在性質上，為不純態、通常氧化且與其他金屬的矽酸鹽混合之金屬礦砂如鐵、銅、鉛、鋁、及其他金屬。在熔煉期間，當礦砂曝露於高溫，這些不純物由熔 解金屬分離且可去除。收集的移除化合物為熔渣。
在本文中，“鈍氣”意指任何氣體、或氣體組合，其在一般狀況下不易反應。不像貴重氣體，一鈍氣不必然是元素且通常是分子氣體。如同高貴氣體，在所有鈍氣中，因為價數，即最外層電子層，而不反應性的傾向為徹底的。例示之鈍氣包括，如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)及氮(N2 )。
在本文中，“旋轉除氣器”意指一用於由熔解金屬除去不純物的設備，其包括一除氣器軸、一動葉輪塊及一偶合器。此軸較佳為中空以允許由其氣體通過。此動葉輪塊可連接至除氣器軸，該葉輪塊基本上由抗熱性材料形成且具有至少一金屬－傳送凹槽，其在當葉輪塊轉動時可排出熔解金屬。此塊較佳地包括至少一與除氣器軸中空部份相通的氣體入口及每一在金屬－傳送凹槽上形成的氣體釋放開口。每一氣體釋放開口與至少一氣體入口相通。偶合器連接除氣器軸以驅動軸並由至少二偶合元件形成。其他在熔解金屬製造小氣泡的方法包括經由多孔性塞、吹管或管注入氣體。
當用於本文內，“渦流”意指一具有密閉流線之旋轉、通常為洶湧的流(或任何螺旋作用)。介質或物質的形狀以一中心快速的旋轉以形成一渦流。其以一圓形成動的流動。
在本文中，"方向性固化"意指熔解金屬的固化作用，其藉當冷凍時，施用一溫度梯度至金屬以使熔融餵入金屬可在進行固化作用中連續地以部份取得。當金屬固化時，適當使用方法使液體及固體金屬邊界的界面向加入的餵入 金屬源移動並遠離固化作用開始的區域。方向性固化可用來作為純化製程。因為大多數不純物在固化作用期間在液體中比在固體相中可溶，不純物將因固化作用"推"向前端，引起完成的大部份鑄造具有一比原料較低濃度之不純物，同時最後固化之金屬將富含不純物。此金屬的最終部份可刮除或回收。方向性固化在金屬中除去特定不純度的合適性係依在討論中的金屬不純度的分配係數而定，如以Scheil方程式描。方向性固化通常在生產太陽能電池之多晶矽使用的一純化步驟。方向性固化製程的範例為柴氏法(Czochralski(Cz))、浮區式(Fz)、熱交換方法(HEM)、布氏法、區域提純、電磁鑄造(EMC)、水平布氏法等。
在本文中，“太陽能電池”意指經過光電效應直接轉換太陽能為電能的裝置。裝置可主要來自於半導體，典型地為矽
在本文中，“矽太陽能晶圓”意指高純化矽(論是單或多－晶體)薄片，其形成太陽能電池的基材或基礎。
當用於本文內，“旋轉熔爐意指可以電加熱、氣體或油加熱、或雙燃料啟動的熔爐系統。其由旋轉(基本上為圓柱形)加熱區域組成，該區域可為密閉以控制氛圍。在旋轉熔爐中產物及渣化劑與氛圍的翻滾作用而導致高程度之溫度均一度及氣體－固體接觸。此造成較均一的產品、降低的製程時間及提高的生產速率。所有材料及旋轉熔爐內的氣體的緊密接觸確保任何化學或物理反應完成。
在本文中，“渣化”意指加入特定的氧化物及或鹽類或 其他非可溶材料至熔解金屬如矽的作動，目的在於由熔化物除去一元素不純物。一用於金屬純化的技術。
在本文中，“氣體注入”意指注入氣體(如氧、水蒸氣、氫等)至熔解金屬(如矽)浴之作動，其以一可確保氣體與熔融物浴最大接觸之方法達成。此接觸的目的是使不純物在熔化物與氣體反應以形成化合物，此化合物可由熔融物形成之相對無不純物之金屬浴中分離。
在本文中，“真空處理”意指將熔解金屬浴如矽置於壓力低於大氣壓力之密閉容器中，其目的為除去蒸氣壓大於熔解金屬之蒸氣壓的不純物。
“太陽能板”一詞意指一太陽能電池模組，其為一太陽能電池總成以產生電力。在所有例子中，太陽能板基本上為平的且可以高度及寬度不同取得。陣列為一太陽能電池(PV)模組總成；依設計目標，此太陽能板可串聯或並聯。太陽能板典型地使用於住家、商業、機關、及光電工業應用。
在本文中，“mm”代表毫米，“ppm”代表每百萬份，“℃”意指攝氏度數，“wt%”代表重量百分比，“hr”代表小時，“kg”意指公斤，及“ppm wt.%”每百萬份之重量百分比。
參照第1圖，其提供純化矽的方法，及用以獲得純化矽的方法。參照第2圖，提供可用於實施本發明方法之例示設備系統。
簡言之，從原料矽(102)及溶劑金屬(103)形成第一熔融液體(104)。第一熔融液體(104)與第一氣體(106)接觸，以提 供第二熔融液體(108)及浮渣(110)。可移除浮渣(110)。冷卻第二熔融液體(108)以提供第一矽晶體(114)及第一母液(116)。第一母液(116)可從第一矽晶體(114)分離出。第一矽晶體(114)可為如下所述再使用(117)，或與可熔解、浸提或適合於與溶劑金屬反應的酸、鹼、醇或化學品接觸(119)以提供清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)。可分離(125)清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)以提供純化矽晶體(127)。
如上所述，從原料矽(102)及溶劑金屬(103)形成第一熔融液體(104)。較佳地，第一熔融液體(104)應該完全地熔解，沒有可觀察到的漿狀物存在。可替代地，第一熔融液體(104)可包括可觀察到的漿狀物存在。
在一範例中，在從浮渣(110)分離出第二熔融液體(108)後，第二熔融液體(108)可被移到第二容器，如第二熔爐。在另一範例中，分離第一矽晶體(114)後，第一母液(116)可被移到第二或第三容器，如熔爐。經由使用第二或後續容器，可達到一較高純度。當轉移熔融液體或母液時，一實質量之污染物會留在先前的容器上，因此作用如一分離或過濾步驟。
可選擇地，在形成第一熔融液體(104)前，可預先處理原料矽(102)。預－處理可包括渣化、氣體注入、電漿火炬、真空處理或其某些組合。預－處理可發生在感應熔爐、電阻熔爐或旋轉熔爐，或其組合。此外或可替代地，鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈣(Ca)、鉿(Hf)、鎂(Mg)、鍶(Sr)或 其某些組合可加進原料矽(102)。例如，加入作用之進行可在與一氣體接觸前、與一氣體接觸後、或若未用使用氣體導入步驟則加至第一熔融液體(104)。預－處理可降低原料矽(102)中的硼及磷程度。可替代地，原料矽(102)可與二氧化矽及鋁一起加至熔爐，以提供一矽及鋁混合物。可形成氧化鋁浮渣。
若再使用(117)，第一矽晶體(114)可與溶劑金屬(103)加熱或熔融並再次引至第一熔融液體(104)。例如，晶體(114)可以比例為約20%矽晶體及約80%鋁、約50%矽晶體及約50%鋁、或約60%矽及約40%鋁之熔解金屬熔融。也可使用鋁合金。
可使用任何適合的原料矽(102)。例如，冶金級矽或鋁熔爐級之矽(如、553、441、2202、1502、1101等)可作為原料矽(102)。此外，使用的原料矽(102)可包括可觀察到量的不純物(如，高於約10.0 ppm wt.%，高於約50.0 ppmwt.%，或高於約100 ppmwt.%)，如磷及硼。例如，原料矽(102)可以是約95 wt.%至約99.9 wt.%純度。更特別地，原料矽(102)可包括約5 ppm wt%至約15 ppm wt%硼及約30 ppm wt%至約60 ppm wt%磷。在一特定實施例中，使用的原料矽(102)可以是在先前純化之第一矽晶體(114)。
溶劑金屬(103)可包括任何合適的金屬、金屬組合、或其合金，其當加熱時可有效地熔解矽，以生成一熔解液體。適合的例示溶劑金屬(103)包括，如，銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛，其合金，及其組合。一特 定溶劑金屬(103)為鋁，或其合金。
原料矽(102)及溶劑金屬(103)可以任何適合的量或比例存在，但前提為第一熔融液體(104)可有效形成。例如，可使用約20 wt.%至約60 wt.%原料矽(102)，及可使用約40 wt.%至約80 wt.%做為溶劑金屬(103)之鋁或其合金。更特別地，原料矽(102)可以是約40%鋁及約60%第一熔融液體(104)。
如上所述，第一熔融液體(104)與第一氣體(106)接觸，以提供第二熔融液體(108)及浮渣(110)。未受限於任何特定理論，其相信第一氣體(106)改變氣泡(202)及第一熔融液體(104)表面的潤濕角。此造成不預期的包容物或沈澱物附著於的氣泡表面，故其可拉至熔融物表面或留在浮渣(110)中。而且，氣體(106)可由第一熔融液體(104)反應形成鹽類(如，MgCl2 、CaCl2 、SrCl2 及NaCl)，其可移動至表面以與浮渣(110)一起移除。特別地，包含物及沈澱物藉由附著至第一氣體(106)氣泡(202)可被拉至第二熔融液體(108)的表面，以與浮渣(110)一起移除。就此而言，比大氣泡具有相對較大的表面積對體積比例的相對小氣泡(202)特別地適合於本發明。例如，小氣泡(202)可以是大小約1 mm至約5 mm。
使用的第一氣體(106)可被直接導入包含第一熔融液體(104)的容器。在此情勢中，至少氯(Cl2 )、氧(O2 )、氮(N2 )、氫(He)、氬(Ar)、氫(H2 )、六氟化硫(SF6 )、光氣(COCl2 )、四氯化碳(CCl4 )、水蒸氣(H2 O)、氧(O2 )、二氧化碳(CO2 )、一氧化碳(CO)、四氯化矽(SiCl4 )及四氟化矽(SiF4)之一可被 直接導入包含第一熔融液體(104)的容器。第一氣體可導入或接觸至少一次。例如，氣可在氧之後被導入。可替代地，使用的第一氣體(106)可導入至含有第一熔融液體(104)為前驅物之容器，以可有效地釋出第一氣體(106)。前驅物本身可以是固體或液體或鹽熔劑。例如，第一氣體可藉由將第一熔融液體與一液體、固體、或其組合以有效地釋出第一氣體而形成。典型地，液體或固體前驅物將在第一熔融液體(104)的相對高溫情況下進行化學反應或分解以釋放第一氣體(106)。
在一特定實施例中，第一氣體(106)包括100 wt.%氯(Cl2 )。在另一特定實施例中，第一氣體(106)包括氯(Cl2 )及氮(N2 )。例如，在另一特定實施例中，第一氣體(106)包括氯(Cl2 )及氮(N2 )，其比例為高至約1：4，高至約1：6或高至約1：10。例如，第一氣體(106)可包括約30%氯及約70%氮，約15%氯及約85%氮或約5%氯及約95%氮。
在一實施例中，第一熔融液體(104)可接觸使用旋轉除氣器(204)以接觸第一氣體(106)。旋轉除氣器(204)可有效將第一氣體(106)導入至第一熔融液體(104)中。此外，旋轉除氣器(204)可有效地攪動(如，攪拌)第一熔融液體(104)以產生相對小氣泡，同時導入第一氣體(106)至第一熔融液體(104)中。例如，氣泡可以是約1mm至約5 mm。
浮渣(110)可接著由第二熔融液體(108)中移除，例如使用一撇渣器。典型地，浮渣(110)可以是與母液混合之白、灰或黑粉末、半－固體浮渣及氧化物，位於第二熔融液體(108) 表面。第二熔融液體(108)可過濾包容物(如，二硼化鈦包容物)或沈澱物，如藉由利用一陶瓷泡沫體濾器、過濾床、在過濾床中的過濾餅或玻璃纖維布。此過濾亦可移除任何加至原料矽(102)之預－處理製程部份之元素。在一可選擇之實施例中，旋轉除氣器(204)可建立第二熔融液體渦流(108)，其可有效地混合第二熔融液體(108)中的浮渣(110)。在此實施例中，渦流可接觸氧以提供額外的浮渣(110)。
在一實施例中，在接觸第一氣體(106)前，可冷卻第一熔融液體(104)。特別地，在接觸第一氣體(106)前，可冷卻第一熔融液體(104)，至剛好高於液相線溫度(如，在高於液相線溫度之約50℃內)或冷卻至介於液相線及固相線溫度的溫度。預期溫度將依混合物中的矽及溶劑金屬比例而定。
在一實施例中，可加熱第二熔融液體(108)在將第一熔融液體(104)接觸第一氣體(106)後，及在浮渣(110)及第二熔融液體(108)分離前。特別地，在第一熔融液體(104)與第一氣體(106)接觸後，及在浮渣(110)及第二熔融液體(108)分離前可加熱第二熔融液體(108)至高於液相線溫度。更特別地，在第一熔融液體(104)與第一氣體(106)接觸後，及在浮渣(110)及第二熔融液體(108)分離前，加熱第二熔融液體(108)高於液相線溫度之約20℃內。
如上所述，冷卻(112)第二熔融液體(108)以提供第一矽晶體(114)及第一母液(116)。在一實施例中，當攪動第二熔融液體(108)時，可冷卻(112)第二熔融液體(108)。未關聯至任何特定的理論，其相信在冷卻(112)期間，攪動可提供具 有相對高約純度之相對小矽晶體(114)，其難以過濾。一小量的混合可提供約1 mm(厚度)、約3 mm(寬度)及約3 mm(長度)的矽晶體(114)。
此外，若在第一母液(116)中獲得第一矽晶體(114)，可冷卻(112)第二熔融液體(108)至任何適合及適當溫度提。特別地，第二熔融液體(108)可冷卻(112)接近但高於固相線溫度(如，在高於固相線溫度之約100℃內，在高於固相線溫度之約125℃內，或在高於固相線溫度之約150℃內)。更特別地，第二熔融液體(108)可被冷卻(112)至高於固相線溫度及低於液相線溫度。預期的溫度依矽對溶劑金屬的比例及加至之混合物的預－處理元素型式與量而定。
若在第一母液(116)中第一矽晶體(114)以一可接受純度獲得，則第二熔融液體(108)可在任何適合的速率冷卻(112)。若在第一母液(116)中獲得第一矽晶體(114)，則第二熔融液體(108)可在任何適合且適當長的時間冷卻(112)。例如，第二熔融液體(108)可在至少約1小時、至少約8小時或至少約24小時的時間冷卻(112)。
在一實施例中，可分離第一矽晶體(114)及第一母液(116)。此分離可以任何適合及適當方法進行。例如，此分離可以由第一矽晶體(114)中傾倒第一母液(116)而實施。可替代地，分離可使用離心實施。如第2(b)圖中可見，可使用一濾器(115)以施用壓力至第一矽晶體(114)，藉此助於分離。
在一特定實施例中，在後續純化中，可使用或再使用 (117)獲得的第一矽晶體(114)為第二熔融液體(108)。此再使用或回收(117)可進行多次(如，2、3、4或5)以提供具有需要純度程度的第二熔融液體(108)。在此一實施例中，在形成後續第二熔融液體(108)前，鋁(Al)可加入至第一矽晶體(114)。
第一矽晶體(114)可使用任何適合及有效技術由第一母液(116)分離。第一矽晶體(114)與酸、鹼、醇或可熔解溶劑金屬的化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)。可分離清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)，以提供純化矽晶體。使用過的酸(123)意指不僅為任何存在之使用過的酸，但亦為用於溶解、浸提或易於與溶劑金屬反應之使用過的鹼、醇或其他化合物。使用過的酸意指在與第一矽晶體(114)接觸後存在之至少一此材料。
酸可包括氯化氫(HCl)、硝酸(HNO3 )、硫酸(H2 SO4 )、氫氟酸(HF)、乙酸、水或其組合。酸可包括約8莫耳酸；及水。例如，8莫耳酸可包括約95%(v)氯化氫(HCl)及約5%(v)硝酸(HNO3 )、硫酸(H2 SO4 )、氫氟酸(HF)、或其組合。使用的鹼，如強鹼，可包括氫氧化鈉(NaOH)及氫氧化鉀(KOH)。清洗過的矽晶體可包括約800ppm(wt.)至約2,000ppm(wt)鋁(Al)，如以感應耦合電漿光學放射光譜儀(Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer(ICPOES))測量。
參照第2圖，其提供純化矽的方法，及用以獲得純化矽的方法。簡言之，從原料矽(102)及溶劑金屬(103)形成第一 熔融液體(104)。冷卻第一熔融液體(104)以提供第一矽晶體(114)及第一母液116)。第一矽晶體(114)可為如下所述再使用過的(117)，或與可有效溶解或浸提鋁的酸、鹼、醇或化學品(119)接觸，以提供清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)。可分離(125)清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)以提供純化矽晶體(127)。
如上所述，冷卻(112)第一熔融液體(104)以提供第一矽晶體(114)及第一母液(116)。在一實施例中，當攪動時可冷卻(112)第一熔融液體(104)。不受任何理論限制任何特別的理論，其相信在冷卻(112)期間，攪動可提供相對高純度之相對小的矽晶體(114)，其難以過濾。一小量之混合提供約1 mm(厚度)、約3 mm(寬度)及約3 mm(長度)的矽晶體(114)。假如晶體沒有混合，其大小可高至約1 mm(厚度)、約15 mm(寬度)及約15 mm(長度)或高至約2 mm(厚度)、約60 mm(寬度)及約60 mm(長度)。
此外，若第一矽晶體(114)在第一母液(116)中獲得，則可冷卻(112)第一熔融液體(104)至任何適合且適當的溫度。更特別地，可冷卻(112)第一熔融液體(104)至高於固相線溫度及低於液相線溫度。
若第一矽晶體(114)在第一母液(116)中獲得，則第一熔融液體(104)可在任何適合且任何適當之速率被冷卻(112)。若第一矽晶體(114)在第一母液(116)中獲得，則第一熔融液體(104)可在任何適合且任何適當長之時間被冷卻(112)。例如，可在至少約1小時、至少約8小時或至少約24 小時之時間冷卻(112)第一熔融液體(104)。
在一實施例中，可分離第一矽晶體(114)及第一母液(116)。分離可以任何適合的及適當的方式進行。例如，藉由從第一矽晶體(114)倒出第一母液(116)進行分離。可替代地，分離可使用離心實施。如第2(b)圖所示，可使用一濾器(115)以施加壓力至第一矽晶體(114)，而促進分離。
在一特定實施例中，在後續純化中，可使用或再使用(117)獲得的第一矽晶體(114)為第一熔融液體(104)之部份。此再使用或回收(117)可實施多次(如，2、3、4或5)以提供具有需要純度程度的第一熔融液體(104)。在此實施例中，在形成後續第一熔融液體(104)前，鋁(Al)可加入至第一矽晶體(114)。
第一矽晶體(114)可使用任何適合及有效技術由第一母液(116)分離。將第一矽晶體(114)接觸酸，以提供清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)。可分離清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)，以提供純化矽晶體。
當獲得純化矽晶體，不論使用前述之何者方法，晶體可熔化於熔爐中以提供熔融矽。此熔融矽可接著與氣體接觸，如實質之純O2 (如，99.5%O2 )及接著可選擇地過濾。矽可被方向性固化以提供矽錠。錠的頂部可選擇的移除，如藉由切除、打斷或傾倒掉部份熔融錠的頂部。矽可被後處理，如經由氣體注入(如，使用水、氫、氬或氧)、渣化、電漿火炬或真空處理。後－處理可發生於感應熔爐、電阻熔爐、旋轉熔爐或其組合以降低硼、鋁及磷程度。氣體注入 可藉由例如在一熔爐中利用旋轉除氣器、吹管或多孔性插塞而產生。可選擇地，矽可被方向性固化以提供多晶系錠或單晶系梨晶。方向性固化可重複多次。
參照第4圖，顯示用以純化矽之方法的一範例，包括從原料矽(102)及溶劑金屬(103)，如鋁，形成第一熔融液體(104)；將第一熔融液體(104)與第一氣體(106)接觸，以提供浮渣(110)及第二熔融液體(108)；分離浮渣及第二熔融液體(108)；冷卻(112)第二熔融液體以形成第一矽晶體(114)及第一母液(116)及接著分離第一矽晶體及第一母液。第一矽晶體(114)藉由與溶劑金屬(103)熔融以形成另一第一熔融液體(104)或與溶劑金屬(103)熔融並與一氣體以形成第二熔融液體(108)而再使用(117)。此方法亦可選擇地包括熔融第一矽晶體與溶劑金屬及重複上述步驟。
第一矽晶體(114)可與酸、鹼、醇或可熔解鋁或溶劑金屬(119)的化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體(121)及使用過的酸(123)。清洗過的矽晶體(121)可從使用過的酸(123)分離(125)，足以提供純化矽晶體(127)。可接著熔解(129)純化矽晶體(127)以形成矽熔融物(131)。第二氣體(133)，如氧，可接觸矽熔融物(131)。接觸第二氣體的矽熔融物(135)，可接著方向性固化(137)以形成多晶矽(139)。
在一實施例中，第一矽晶體(114)在接觸酸之前，粉碎至約1 mm或至約較小的塊。
在酸性浸出後由一例示GDMS測試的分析結果提供於下表，單位為ppm(wt)。
在酸性浸出後由一例示GDMS測試的分析結果，單位為ppm(wt)，
及重複步驟：(a)從矽及選自於銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛、其合金、及其組合之群組的溶劑金屬形成第一熔融液體；(b)將第一熔融液體與第一氣體接觸，以提供浮渣及第二熔融液體；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；及(e)分離第一矽晶體及第一母液。
描述於本文的方法在一相對有成本效益的方法及相對短時間(如，在約24－94小時內)可有效地提供商業數量的 (如，至少約240 kg)純化矽晶體。本文描述的方法在一相對有成本效益的方法及相對短時間(如，在約24－94小時內)有效地提供至少約100公噸/年的純化矽。獲得的相對純化矽可接著進行進一步處理以提供太陽能板、太陽能電池、晶圓或積體電路。
獲得之相對純矽可由週期表的所有元素中純化，包括鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、釩(V)、鋅(Zn)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、氯(Cl)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋁(Al)、砷(As)、銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、鎳(Ni)及銅(Cu)之至少一者。本發明實施例可提供包含下列任一者之相對純矽，其中每一者為少於約15 ppm：鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、釩(V)、鋅(Zn)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、氯(Cl)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋁(Al)、砷(As)、銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、鎳(Ni)及銅(Cu)。更特別地，獲得之相對純矽可包含下列任一者之相對純矽，其中每一者為少於約15 ppm：鐵(Fe)及鋁(Al)。此外，獲得之相對純矽可包含下列任一者之相對純矽，其中每一者為少於約1 ppm：鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鈦(Ti)、鎂(Mg)、釩(V)、鋅(Zn)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、氯(Cl)、鉻(Cr)、錳(Mn)、砷(As)、銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鐵(Fe)及鋁(Al)。
任何上述步驟可在高純度耐火材料中進行。耐火材料可包含低程度的硼及磷。耐火材料可以是熔矽石或65－85%矽土，例如。任何上述所用的容器(如，坩鍋)可以例如石英、 熔矽石、石墨、Si3 N4 或SiC製造或內襯。容器可具有一低P及B程度的高純度模塗漿(塗層)。
實例1
熔解950 lb的40%冶金矽及60%初生鋁混合物及在熔爐中加熱至975℃。使用鋁－鈣母合金將0.25 lb的Ca加進熔化物。浮渣由熔化物表面撇去。降低溫度至950℃且85% N2 及15% Cl2 氣體以一旋轉除氣器在3小時內注入熔融混合物中，接著注入100% N2 氣體15分鐘。每30分鐘，由熔化物表面撇去浮渣。加熱混合物至1000℃。熔融混合物被倒入新熔爐及溫度在8小時期間降低至750℃。熔融母液接著倒出熔爐，且殘留的矽晶體/薄片耙出熔爐。矽薄片/晶體與鋁以50－50 wt%之比例在一熔爐中熔融。重複氣體注入、浮渣去除及晶體成長的程序。此薄片接著置於8 wt% HCl＋水的溶液中且在72小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在熔爐中熔融。一旦熔融，經由一吹管在3小時期間注入99.5% O2 至熔融的矽中。浮渣或熔渣由熔爐撇去且熔融的矽倒入熔爐中，其由底部向上方向性固化該矽。切除矽錠頂部並在美國新罕不什爾州美利默克市(Merrimack，NH)GT Solar公司製造的GT－DSS240熔爐中熔融殘餘的矽以得方向性固化的矽。生成之多晶矽具有硼量為0.79－1.1 ppmw及介於0.27－1.1 ppmw間之P與低於1 ppmw之其他金屬，其係以GDMS測量。
範例2
熔解950 lb的40%冶金矽及60%初生鋁混合物及在熔爐 中加熱至975℃。使用鋁－鈣母合金將1 lb的Ca加進熔化物。浮渣由熔化物表面撇去。降低溫度至950℃且85% N2 及15% Cl2 氣體氣體以一旋轉除氣器在3小時內注入熔融混合物中，接著注入100% N2 氣體15分鐘。加熱混合物至975℃及浮渣由熔化物表面撇去。將熔融混合物倒入新熔爐及溫度在8小時期間降低至750℃。熔融母液接著倒出熔爐，且殘留的矽晶體/薄片耙出熔爐。鋁母液可賣至晶圓代工業以製成鋁鑄塊。矽薄片與鋁以50－50 wt%之比例在一熔爐中熔融。重複氣體注入、浮渣去除及晶體成長的程序。此薄片接著置於8 wt% HCl＋水的溶液中且在48小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在DSS240 GT熔爐中熔融。切除矽錠頂部並在美國新罕不什爾州美利默克市(Merrimack，NH)GT Solar公司製造的GT－DSS240熔爐中熔融殘餘的矽以得方向性固化的矽。生成之多晶矽具有硼量為0.41－1.1 ppmw及介於0.27－1.1 ppmw間之P與低於1 ppmw之其他金屬，其係以GDMS測量。
實施例3
熔解950 lb的40%冶金矽及60%初生鋁混合物及在熔爐中加熱至975℃。浮渣由熔化物表面撇去。熔融混合物被倒入新熔爐及溫度在2小時期間降低至750℃。熔融母液接著倒出熔爐，且殘留的矽晶體/薄片耙出熔爐。此已生長的薄片接著置於8 wt% HCl＋水的溶液中且在48小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在熔爐中熔融。一旦熔融，經由一吹管在3小時期間注入99.5% O2 至熔融的矽中。浮渣或熔渣由熔爐撇去且熔融的矽倒入熔爐中，其由底部向上方向性固化該矽。切除矽錠頂部且剩餘的矽在GT－DSS240熔爐中熔融以得方向性固化的矽。
實施例4
熔解950 lb的40%冶金矽及60%初生鋁混合物及在熔爐中加熱至975℃。浮渣由熔化物表面撇去。降低溫度至950℃且85% N2 及15% Cl2 氣體以一旋轉除氣器在3小時內注入熔融混合物中，接著注入100% N2 氣體15分鐘。加熱混合物至975℃及浮渣由熔化物表面撇去浮渣。熔融混合物被倒入新熔爐及溫度在8小時期間降低至750℃。熔融母液接著倒出熔爐，且殘留的矽晶體/薄片耙出熔爐。此已生長之薄片接著置於8wt% HCl＋水的溶液中且在72小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在熔爐中熔融。一旦熔融，經由一吹管在3小時期間注入99.5% O2 至熔融的矽中。浮渣或熔渣由熔爐撇去且熔融的矽倒入熔爐中，其由底部向上方向性固化該矽。切除矽錠頂部並及在GT－DSS240熔爐中熔融殘餘的矽以得方向性固化的矽。生成之多晶矽具有硼量為1.2－1.8 ppmw及介於0.5－2.0 ppmw間之P與低於1 ppmw之其他金屬，其係以GDMS測量。
實施例5
熔解950 lb的30%冶金矽及70%初生鋁混合物及在熔爐中加熱至850℃。使用鈦鋁母合金合金將1 lb鈦及1 lb鋯加進熔化物。浮渣由熔化物表面撇去。降低溫度至800℃且95% N2 及5% Cl2 氣體以一旋轉除氣器在4小時內注入熔融混合 物中，接著注入100% N2 氣體15分鐘。浮渣由熔化物表面撇去。將熔融混合物經陶瓷泡沫體濾器倒進新熔爐且溫度在8小時期間降低至690℃。熔融母液接著倒出熔爐，且殘留的矽晶體/薄片耙出熔爐。此已生長之薄片接著置於8 wt% HCl＋水的溶液中且在48小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在熔爐中熔融。一旦熔融，經由一吹管在3小時期間注入99.5% O2 至熔融的矽中。浮渣或熔渣由熔爐撇去且熔融的矽經陶瓷泡沫體濾器倒入熔爐中，其由底部向上方向性固化該矽。矽錠斷裂成塊且移除最後凝結的矽。
實施例6
冶金級矽在熔爐中熔融且一Ar、H2 O及H2 氣體混合物在3小時經由一吹管注入熔融矽中。接著加入鋁以達一40%冶金矽及60%初生鋁之組合物並在熔爐中加熱至975℃。浮渣由熔化物表面撇去。降低溫度至950℃且85% N2 及15% Cl2 氣體以一旋轉除氣器在3小時內注入熔融混合物中，接著注入100% N2 氣體15分鐘。加熱混合物至975℃及由熔化物表面撇去浮渣。將熔融混合物倒進新熔爐及溫度在8小時期間降低至750℃。熔融母液接著倒出熔爐，且殘留的矽晶體/薄片耙出熔爐。此已生長之薄片接著置於8 wt% HCl＋水的溶液中且在48小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在熔爐中熔融。一旦熔融，經由一吹管在3小時期間注入99.5% O2 至熔融的矽中。在氣體注入期間將SiO2 、Na2 SiO3 、及CaO組成的熔渣加至熔融矽的 表面。熔渣經在熔融矽中的感應熔爐電流拉至表面下。一旦熔融，經由一吹管在3小時期間注入99.5% O2 至熔融的矽中。切除矽錠頂部，且殘餘的矽熔融並倒回至方向性固化作用的熔爐中並再次由底部向上方向性固化矽。接著切除頂部。
實施例7
熔解950 lb的40%冶金矽及60%初生鋁混合物及在熔爐中加熱至975℃。浮渣由熔化物表面撇去。降低溫度至950℃且85% N2 及15% Cl2 氣體以一旋轉除氣器在3小時內注入熔融混合物中，接著注入100% N2 氣體15分鐘。加熱混合物至975℃及浮渣由熔化物表面撇去浮渣。熔融混合物被倒入新熔爐及溫度在8小時期間降低至750℃。熔融母液接著由熔爐倒出至第二熔爐。將殘留的矽晶體/薄片耙出第一熔爐。在第二熔爐中的母液冷卻至650℃並接著將第二母液倒出且薄片/晶體由第二熔爐耙出。此增加薄片的量，其可由一加熱達成。此長成的薄片置於8 wt% HCl＋水的溶液中且在48小時此薄片溶去鋁。薄片接著由酸過濾並乾燥。乾燥之薄片接著在熔爐中熔融。一旦熔融，經由一吹管在4小時期間注入空氣至熔融的矽中。浮渣或熔渣由熔爐撇去且熔融的矽倒入熔爐中，其由底部向上方向性固化該矽。切除矽錠頂部並及在GT Solar DSS240熔爐中熔融殘餘的矽以得方向性固化的矽。
實施例
1.一種純化矽之方法，該方法包括： (a)由原料矽及選自於銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛、其合金、及其組合之群組的溶劑金屬形成第一熔融液體；(b)將第一熔融液體與一第一氣體接觸，以提供浮渣及一第二熔融液體；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(e)分離第一矽晶體及第一母液；(f)將第一矽晶體與可熔解溶劑金屬的酸、鹼、醇或化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸；及(g)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸。
2.如實施例1之方法，其更包含在形成第一熔融液體前，藉由渣化、氣體注入、電漿火炬、真空處理、或其組合預處理原料矽。
3.如實施例1之方法，其更包含在形成第一熔融液體前，添加鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈣(Ca)、鉿(Hf)、鎂(Mg)、鍶(Sr)或其等之組合至原料矽中。
4.如實施例1之方法，其中與第一氣體接觸以提供小氣泡。
5.如實施例1之方法，其更包含過濾第二熔融液體。
6.如實施例1之方法，其中在步驟(a)中，第一熔融液體藉由加熱至高於液相線溫度之溫度而形成。
7.如實施例1之方法，其中在步驟(a)中，使用具有磷量 低於60 ppmw及硼量低於15 ppmw之冶金級矽。
8.如實施例1之方法，其中在步驟(a)中，矽使用量為約20 wt.%至約60 wt.%。
9.如實施例1之方法，其中在步驟(a)中，使用約40 wt.%至約80 wt.%鋁或其合金為溶劑金屬。
10.如實施例1之方法，其中實施步驟(b)時同時攪動第一熔融液體。
11.如實施例1之方法，其更包含步驟(b)使用一旋轉除氣器實施。
12.如實施例1之方法，其更包含在步驟(a)之後及在步驟(b)之前，冷卻第一熔融液體至低於液相線溫度。
13.如實施例1之方法，其中在步驟(a)之後及在步驟(b)之前，冷卻第一熔融液體至稍微高於液相線溫度。
14.如實施例1之方法，其中在步驟(c)中，浮渣由第二熔融液體表面移除。
15.如實施例1之方法，其中在步驟(c)之後，第二熔融液體轉移至第二容器。
16.如實施例1之方法，其中在步驟(d)中，冷卻第二熔融液體至高於固相線溫度並低於及液相線溫度。
17.如實施例1之方法，其中實施步驟(d)時同時攪動第二熔融液體。
18.如實施例1之方法，其中步驟(e)藉由第一矽晶體傾倒第一母液而實施。
19.如實施例1之方法，其中在步驟(e)之後及在步驟(f) 之前，重複步驟(a)－(e)。
20.如實施例1之方法，其中在步驟(e)之後及在步驟(f)之前，重複步驟(a)、(c)、(d)及(e)。
21.如實施例1之方法，其中在步驟(g)的分離使用一濾器實施。
22.如實施例1之方法，其中步驟(a)－(g)之至少一者進行多次。
23.如實施例1之方法，其步驟(a)－(g)之每一者獨立進行多次。
24.如實施例1之方法，其中第一矽晶體包括約85 wt.%至約98 wt.%的矽。
25.如實施例1之方法，其中清洗過的矽晶體包括約800 ppm(wt.)至約2,000 ppm(wt)的鋁(Al)。
26.如實施例1至25任一者之方法，其中矽由鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、釩(V)、鋅(Zn)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、氯(Cl)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋁(Al)、砷(As)、銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、鎳(Ni)及銅(Cu)之至少一者純化。
27.如實施例1之方法，其中清洗過的矽晶體包括少於約9 ppm(wt)的磷(P)及少於約3 ppm(wt)的硼(B)。
28.如實施例18至19任一者之方法，其中清洗過的矽晶體包括少於約4 ppm(wt)的磷(P)及少於約2 ppm(wt)的硼(B)。
29.如實施例1至28任一者之方法，其中可獲得至少約 100公噸/年清洗過的矽晶體。
30.如實施例1至29任一者之方法，其中該方法少於約24小時下實施。
31.如實施例1之方法，其更包含處理清洗過的晶體以能充分提供太陽能電池、太陽能板、晶圓或積體電路。
32.如實施例31之方法，其中該處理該清洗過的矽晶體的步驟包含至少一：(a)真空處理，(b)熔渣處理，(c)氣體注入，以至少一氧、水、氫及氬；(d)方向性固化，及(e)使用清洗過的矽晶體為用於矽烷/Siemen氣體製程的原材料。
33.如實施例1至32任一者之方法，其更包含純化該清洗過的矽晶體以提供太陽能級矽，其可與其他矽混合以提供太陽能板級矽。
34.一種純化矽的方法矽，該方法包括：(a)由原料矽及一溶劑金屬形成第一熔融液體，該溶劑金屬為選自銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛、其合金、及其組合；(b)冷卻第一熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(c)分離第一矽晶體及第一母液；(d)將第一矽晶體與可溶解溶劑金屬的酸、鹼、醇或化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸； 及(e)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸。
35.如實施例34之方法，其中在步驟(a)中，藉由高於液相線溫度之加熱以形成第一熔融液體。
36.如實施例34之方法，其中在步驟(a)中，使用冶金級矽，其具有磷量為低於60 ppmw及硼量為低於15 ppmw。
37.如實施例34之方法，其中在步驟(a)中，矽的使用量為在約20 wt.%至約60 wt.%間。
38.如實施例34之方法，其中在步驟(a)中，使用鋁或其合金為溶劑金屬且使用量為約40 wt.%至約80 wt.%。
39.如實施例34之方法，其中在步驟(b)中，冷卻第二熔融液體至稍微高於固相線溫度及低於液相線溫度。
40.如實施例34之方法，其中步驟(c)藉由自第一矽晶體傾倒第一母液而實施。
41.如實施例34之方法，其中鋁與第一矽晶體接觸，及熔融以提供後續之第二熔融液體。
42.如實施例34之方法，其中在步驟(e)的分離步驟使用一濾器實施。
43.如實施例34之方法，其中步驟(a)－(e)之至少一者進行多次。
44.如實施例34之方法，其步驟(a)－(e)之每一者獨立進行多次。
45.如實施例34之方法，其中第一矽晶體包括約85 wt.%至約99 wt.%的矽。
46.如實施例34之方法，其中清洗過的矽晶體包括約500 ppm(wt.)至約2,000 ppm(wt)的鋁(Al)。
47.如實施例1至46任一者之方法，其中矽由鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、釩(V)、鋅(Zn)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、氯(Cl)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋁(Al)、砷(As)、銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、鎳(Ni)及銅(Cu)之至少之一者純化。
48.如實施例34之方法，其中清洗過的矽包括少於約15 ppm(wt)的磷(P)及少於約5 ppm(wt)的硼(B)。
49.如實施例1至48任一者之方法，其中獲得至少約100公噸/年之清洗過的矽晶體。
50.如實施例1至49任一者之方法，其中該方法在少於約24小時內實施。
51.如實施例34至50任一者之方法，其更包含純化該清洗過的矽晶體以提供太陽能級矽，其可與其他矽混合以提供太陽能板級矽。
52.如實施例1至51任一者之方法，其更包含純化該清洗過的矽晶體以提供太陽能級矽，其可與其他矽混合以提供太陽能板級矽。
53.如實施例52之方法，其中純化清洗過的矽晶體以提供太陽能級矽，其包含下列至少一者：(a)真空處理，(b)熔渣處理，(c)以至少一氧、水、氫或氬之氣體注入； (d)方向性固化，及(e)使用清洗過的矽晶體為用於矽烷/Siemen氣體製程的原材料。
54.一種純化矽的方法矽，該方法包括：(a)從原料矽及鋁形成第一熔融液體(b)將第一熔融液體與第一氣體接觸，以提供浮渣及第二熔融液體；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(e)分離第一矽晶體及第一母液；(f)可選擇地以與溶劑金屬熔融第一矽晶體並重複步驟(a)－(e)；(g)將第一矽晶體與可溶解溶劑金屬的酸、鹼、醇或化學品接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸；及(h)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸，其足以提供純化矽晶體；(i)熔融純化矽晶體，其足以提供一矽熔融物；(j)將矽熔融物與第二氣體接觸；及(k)方向性固化矽熔融物。
55.如實施例54之方法，其中產生一錠。
56.如實施例55之方法，其更包含除去錠的頂部。
57.如實施例56之方法，其中該去除包含傾一部份熔融錠的頂部。
58.如實施例55之方法，其更包含方向性固化錠或梨晶，其足以形成多晶錠或單晶梨晶。
59.如實施例54之方法，其中該第二氣體包含氧或氧及一鈍氣之混合物。
60.如實施例54之方法，其中該第一氣體包含氯或氯及一鈍氣之混合物。
61.如實施例1之方法，其更包含過濾第二熔融液體。
62.如實施例54之方法，其更包含過濾矽熔融物。
本發明方法
本發明所描述之方法可以任何熟於化學、治金及材料科學技術領域人士所知的應用技術實施。
所有的文獻、專利及專利申請案為併入本案做為參考。雖然在前述說明書中已以特定本發明之較佳實施例清楚描述本發明，且為說明之目的已詳述許多細節，熟於此技人士可瞭解本發明易於完成其他的實施例且其等在本說明書中描述的細節可在未偏離本發明技術思想下變化。
102‧‧‧原料矽
103‧‧‧溶劑金屬
104‧‧‧第一熔融液體
106‧‧‧第一氣體
108‧‧‧第二熔融液體
110‧‧‧浮渣
112‧‧‧冷卻
114‧‧‧第一矽晶體
115‧‧‧濾器
116‧‧‧第一母液
117‧‧‧再使用
119‧‧‧酸、鹼、醇或化學品
121‧‧‧矽晶體
123‧‧‧使用過的酸
125‧‧‧分離
127‧‧‧純化矽晶體
129‧‧‧熔融
131‧‧‧矽熔融物
133‧‧‧第二氣體
135‧‧‧矽熔融物
137‧‧‧方向性固化
139‧‧‧多晶矽
202‧‧‧氣泡
204‧‧‧除氣器
第1圖繪示一純化矽的方法之方塊流程圖，其包括與一氣體接觸，用以獲得純化矽的方法，以及獲得純化矽晶體、純化粒狀矽、矽塊及/或純化矽錠之方法。
第2圖繪示一純化矽的方法之方塊流程圖，用以獲得純化矽的方法，以及獲得純化矽晶體、純化粒狀矽、矽塊及/或純化矽錠之方法。
第3A－B圖繪示可用於實施本發明方法之例示設備系 統。
第4圖繪示一純化矽的方法之方塊流程圖，其包括與第一及第二氣體接觸，用以獲得純化矽的方法，以及獲得純化矽晶體、純化粒狀矽、矽塊及/或純化矽錠之方法。
102‧‧‧原料矽
103‧‧‧溶劑金屬
104‧‧‧第一熔融液體
106‧‧‧第一氣體
108‧‧‧第二熔融液體
110‧‧‧浮渣
112‧‧‧冷卻
114‧‧‧第一矽晶體
116‧‧‧第一母液
117‧‧‧再使用(可選擇)
119‧‧‧可溶解鋁(Al)之酸、鹼、醇或化學品
121‧‧‧沖洗過之矽晶體
123‧‧‧使用過的酸
125‧‧‧分離
127‧‧‧純化矽晶體

Claims (41)

  1. 一種純化矽之方法，該方法包括：(a)由原料矽及選自於銅、錫、鋅、銻、銀、鉍、鋁、鎘、鎵、銦、鎂、鉛、其合金、及其組合之群組的溶劑金屬形成第一熔融液體；(b)將第一熔融液體與一第一氣體接觸，以提供浮渣及一第二熔融液體，其中該第一氣體係選自於由氧(O2 )、氮(N2 )、氦(He)、氬(Ar)、氫(H2 )、六氟化硫(SF6 )、水蒸氣(H2 O)、二氧化碳(CO2 )、一氧化碳(CO)、四氟化矽(SiF4)及其組合所構成之群組，其中該第一熔融液體與該第一氣體的接觸係使用一旋轉除氣器，藉此建立第二熔融液體渦流，其可有效地混合該第二熔融液體中的浮渣；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(e)分離第一矽晶體及第一母液；(f)將第一矽晶體與酸接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸；及(g)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含在形成第一熔融液體前，藉由渣化、氣體注入、電漿火炬、真空處理、或其組合預處理原料矽。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含在形成第一熔 融液體前，添加鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、鋯(Zr)、鈣(Ca)、鉿(Hf)、鎂(Mg)、鍶(Sr)或其等之組合至原料矽中。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中與第一氣體接觸以提供小氣泡。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含過濾第二熔融液體。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(a)中，第一熔融液體藉由加熱至高於液相線溫度之温度而形成。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(a)中，使用具有磷量低於60ppmw及硼量低於15ppmw之冶金級矽。
  8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(a)中，矽使用量為20wt.%至60wt.%。
  9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(a)中，使用40wt.%至80wt.%鋁或其合金為溶劑金屬。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中實施步驟(b)時同時攪動第一熔融液體。
  11. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含在步驟(a)之後及在步驟(b)之前，冷卻第一熔融液體至低於液相線溫度。
  12. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(a)之後及在步驟(b)之前，冷卻第一熔融液體至高於液相線溫度。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(c)中，浮渣由第二熔融液體表面移除。
  14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(c)之後，第 二熔融液體轉移至第二容器。
  15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(d)中，冷卻第二熔融液體至高於固相線溫度並低於及液相線溫度。
  16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中實施步驟(d)時同時攪動第二熔融液體。
  17. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(e)藉由第一矽晶體傾倒第一母液而實施。
  18. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(e)之後及在步驟(f)之前，重複步驟(a)-(e)。
  19. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(e)之後及在步驟(f)之前，重複步驟(a)、(c)、(d)及(e)。
  20. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在步驟(g)的分離使用一濾器實施。
  21. 如申請專利範圍第1項之方法，其中步驟(a)-(g)之至少一者進行多次。
  22. 如申請專利範圍第1項之方法，其步驟(a)-(g)之每一者獨立進行多次。
  23. 如申請專利範圍第1項之方法，其中第一矽晶體包括85wt.%至98wt.%的矽。
  24. 如申請專利範圍第1項之方法，其中清洗過的矽晶體包括800ppm(wt.)至2,000ppm(wt)的鋁(Al)。
  25. 如申請專利範圍第1至24項任一項之方法，其中矽由鋰(Li)、硼(B)、鈉(Na)、鈦(Ti)、鐵(Fe)、鎂(Mg)、釩(V)、鋅(Zn)、磷(P)、硫(S)、鉀(K)、鈣(Ca)、鍶(Sr)、氯(Cl)、 鉻(Cr)、錳(Mn)、鋁(Al)、砷(As)、銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、鎳(Ni)及銅(Cu)之至少一者純化。
  26. 如申請專利範圍第1至24項任一項之方法，其中清洗過的矽晶體包括少於9ppm(wt)的磷(P)及少於3ppm(wt)的硼(B)。
  27. 如申請專利範圍第1至24項任一項之方法，其中清洗過的矽晶體包括少於4ppm(wt)的磷(P)及少於2ppm(wt)的硼(B)。
  28. 如申請專利範圍第1至24項任一項之方法，其中可獲得至少100公噸/年清洗過的矽晶體。
  29. 如申請專利範圍第1至24項任一項之方法，其中該方法少於24小時下實施。
  30. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含處理清洗過的晶體以能充分提供太陽能電池、太陽能板、晶圓或積體電路。
  31. 如申請專利範圍第30項之方法，其中該處理該清洗過的矽晶體的步驟包含至少一：(a)真空處理，(b)熔渣處理，(c)氣體注入，以至少一氧、水、氫及氬；(d)方向性固化，及(e)使用清洗過的矽晶體為用於矽烷/Siemen氣體製程的原材料。
  32. 如申請專利範圍第1至24項任一項之方法，其更包含純 化該清洗過的矽晶體以提供太陽能級矽，其可與其他矽混合以提供太陽能板級矽。
  33. 一種純化矽的方法矽，該方法包括：(a)從原料矽及鋁形成第一熔融液體(b)將第一熔融液體與第一氣體接觸，以提供浮渣及第二熔融液體，其中該第一氣體係選自於由氧(O2 )、氮(N2 )、氦(He)、氬(Ar)、氫(H2 )、六氟化硫(SF6 )、水蒸氣(H2 O)、二氧化碳(CO2 )、一氧化碳(CO)、四氟化矽(SiF4)及其組合所構成之群組，其中該第一熔融液體與該第一氣體的接觸係使用一旋轉除氣器，藉此建立第二熔融液體渦流，其可有效地混合該第二熔融液體中的浮渣；(c)分離浮渣及第二熔融液體；(d)冷卻第二熔融液體以形成第一矽晶體及第一母液；(e)分離第一矽晶體及第一母液；(f)可選擇地以與溶劑金屬熔融第一矽晶體並重複步驟(a)-(e)；(g)將第一矽晶體與酸接觸，以提供清洗過的矽晶體及使用過的酸；及(h)分離清洗過的矽晶體及使用過的酸，其足以提供純化矽晶體；(i)熔融純化矽晶體，其足以提供一矽熔融物；(j)將矽熔融物與第二氣體接觸；及(k)方向性固化矽熔融物。
  34. 如申請專利範圍第33項之方法，其中產生一錠。
  35. 如申請專利範圍第34項之方法，其更包含除去錠的頂部。
  36. 如申請專利範圍第35項之方法，其中該去除包含傾一部份熔融錠的頂部。
  37. 如申請專利範圍第34項之方法，其更包含方向性固化錠或梨晶，其足以形成多晶錠或單晶梨晶。
  38. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該第二氣體包含氧或氧及一鈍氣之混合物。
  39. 如申請專利範圍第33項之方法，其中該第一氣體包含氯或氯及一鈍氣之混合物。
  40. 如申請專利範圍第1項之方法，其更包含過濾第二熔融液體。
  41. 如申請專利範圍第33項之方法，其更包含過濾矽熔融物。
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