[发明专利]金属硅的凝固方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业制造较高纯度的金属硅的方法，更具体地，涉及一种通过定向凝固来实现较高纯度的方法。

背景技术

当认识到将化石燃料作为释放出CO₂从而促进全球温室效应的能源时，提出并采用了许多能源作为化石燃料的替代。其中，太阳能发电的优势是可以在地球上各处获得能量来产生电，并可采用相对小型的设备，而且实际应用的历史长。由太阳能装置产生的电量在逐年增长。

尽管已知太阳能发电有多种方法，但具有由硅晶片制成的光电池阵列的太阳能电池是应用最广泛的太阳能发电系统。太阳能电池中的硅晶片所用的硅具有的杂质浓度无需像用于半导体设备中的硅的杂质浓度那么低。具体地，认为应用于半导体设备中硅的所需纯度应当尽可能低，需要99.999999999％的纯度，而用于太阳能电池中硅的纯度为99.9999％是可接受的。

为了使用于太阳能电池的硅具有这样的杂质级别，现有技术中所用的原料包括用于半导体的99.999999999％纯的硅以及硅材料，该硅材料通过将在半导体硅制造工艺中要作为富集杂质或含异物的材料被丢弃的所谓等外材料进行再加工和提纯来获得。

具体地，虽然太阳能电池中所用的硅相对于半导体所用的硅可具有较低的纯度，但是其供应源来自于半导体用途所用的硅或其衍生物。由于该原因，用于太阳能电池的硅的供应量受到半导体工业的影响，这表明在太阳能电池工业需求的硅与来自半导体工业中为太阳能电池用途而供应的硅的量之间存在差距，所述太阳能电池工业的特征在于高于半导体工业的增长率。这导致太阳能电池用途所需硅的供应出现短缺。

因此，进行了研究以便提高以很大量进行商业生产的金属硅的纯度，从而可以将其用作太阳能电池用途的硅。

金属硅包含的杂质主要是金属元素例如铁，铝，钙和钛，以及用作掺杂剂的非金属元素例如硼和磷。在这些杂质中，金属元素通过提纯技术来去除，例如通过酸洗而溶解掉，用熔剂进行冶金精炼以及根据凝固分配系数进行熔化-凝固。

其中，利用固-液相界面处硅的凝固分凝的提纯技术是有效的提纯技术，能够同时去除许多金属元素杂质。如JP-A H10-182137(专利文献1)所述，一种利用凝固分凝制造较高纯度硅的示例性技术是，通过在炉中使硅熔体沿一方向移动使其凝固，其中杂质成分被排斥到液相侧，从而凝固的硅具有较高的纯度。尽管该技术包括一次熔化硅的复杂步骤，但其还具有从硅凝固的最初到中间阶段获得高纯硅的优点，这是因为大多数金属成分在它们和硅之间具有非常低的分配系数。

进一步对该技术进行描述。关于硅材料中的杂质金属元素在固-液相界面处的凝固分凝现象，分凝状态由凝固的分配系数支配。较低的凝固分配系数确保在固相中俘获较少的杂质金属元素，而较多的被转移到液相侧。杂质金属元素的这种行为导致固相中的杂质浓度降低。硅中的许多杂质金属元素具有非常低的凝固分配系数，例如，在金属硅的杂质元素中以最大含量存在的铁具有最多8×10^-6的凝固分配系数。因此，固态硅在凝固的初始阶段具有小的铁浓度，且铁浓度从凝固的中间阶段到最终阶段逐渐增加。如果利用该凝固分凝现象从铸造物料中选出具有所需铁浓度的部分，就可以获得具有低铁浓度的硅。对于除铁以外的任何杂质金属元素，可类似地获得具有低杂质浓度的硅。

对此进行详细阐述。为了利用凝固分凝使硅中的杂质得到分凝，采用了硅的定向凝固。该方法包括(1)使装有熔融硅的坩锅在炉中向下移动的方法，其中坩锅中的熔融硅从其底部经受了足够的降温以开始凝固，并且随着坩锅的进一步向下移动，定向地从底部到顶部进行凝固，(2)在炉中的坩锅底部处或附近设置冷却机构的方法，其中该冷却机构用来从坩锅底部除去热，以便从低部到顶部进行凝固，(3)将坩锅置于炉中这样的位置以在炉中提供温度分布的方法，使坩锅底部的温度比坩锅顶部的温度低，并降低炉子的设定温度以引起炉温从坩锅底部降低，由此从底部向顶部在熔融硅中发生凝固，和(4)这些方法的结合。所有这些方法旨在实现定向凝固，其中硅的凝固开始于坩锅底部，并朝顶部进行。