通过CEVAR精炼工艺来精炼预加热的硅电极的形式的类金属诸如硅，该CEVAR精炼工艺在利用低矮CEVAR底部打开式坩埚在CEVAR熔炉系统中熔融预加热的电极之后，通过受控加热和冷却来生产铸块。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】通过CEVAR精炼工艺来精炼预加热的硅电极的形式的类金属诸如硅，该CEVAR精炼工艺在利用低矮CEVAR底部打开式坩埚在CEVAR熔炉系统中熔融预加热的电极之后，通过受控加热和冷却来生产铸块。【专利说明】利用可消耗电极真空电弧冶炼工艺来精炼类金属 相关申请的交叉引用本申请主张2011年8月26日申请的美国临时申请案第61/527，799号的利益，该案的全文以引用的方式并入本文中。
本申请涉及利用可消耗电极真空电弧冶炼工艺来制造精炼的类金属，诸如硅。
技术介绍
诸如硅电晶体、硅集成电路和硅太阳能电池等多种类型的电子组件需要高纯度硅。自从专利技术第一个硅电晶体，已开发了用于制造具有所需纯度水准的硅的很多工艺。已用于制造诸如钢、镍基超合金、钛等高品质金属的工艺称为可消耗电极真空电弧冶炼(CEVAR)工艺。例如，参见美国专利第3，187，07号(Pestel);第3，344，840号(Buehl 等人)；第 3,480,716 号(Lynch 等人)；第 4,303,797 号(Roberts)；第 4,569，056号(Veil，Jr.);以及关于CEVAR工艺的各种技术现状的美国专利申请公开案第2008/0142188A1号(Ishigami)，所有上述公开案以其全文引用的方式并入本文中。CEVAR工艺与非可消耗电极真空电弧冶炼不同，在该非消耗电极真空电弧冶炼中非可消耗电极例如石墨或鹤电极用于熔化钛或错，例如，如美国专利第3,546,348号(Serafmo)中所公开的。美国专利申请公开案第2010/0154475A1号(Matheson等人)公开了类似于钛的Kroll精炼工艺的初级硅精炼工艺，并简要涉及硅组合物的高温真空熔融的次级硅组合物精炼工艺，该硅组合物包括掺杂硼和磷的硅，其中硅纯度在99.99%至99.9999%的范围中。通常，CEVAR工艺通过这四个步骤制造精炼的金属:(I)随着金属电极在CEVAR熔炉中熔融且暴露至真空来蒸发杂质；(2)使具有低于正熔融的金属电极的密度的液体(熔融的)金属杂质浮出；(3)通过将分子杂质暴露在电极的下端部与形成的铸块上方的滩熔融(液体)金属之间的电弧区中的高能等离子体而将其分离；以及(4)凝固偏析，其致使该铸块中的凝固的金属的杂质水准对于某些元素而言低于形成固体铸块的毗邻液体金属中的杂质水准。在平常CEVAR工艺中，将室温金属电极装填至CEVAR熔炉中，然后将该CEVAR熔炉抽空至真空。然后在该电极的下端部和CEVAR水冷却式坩埚之间达成高量值直流电流(DC电流)电弧。该电弧致使该电极的下部端熔融，因此该熔融的金属落入封闭的底部坩埚中，其在该封闭的底部坩埚中凝固并且冷却，以形成精炼的铸块。尽管CEVAR工艺有能力精炼各种金属，但是将该工艺用于精炼类金属诸如硅并不为所知。由于硅在其相对纯态(虽然对于上文所提及的最终用途需要进一步精炼)中是半导体并非金属，因此其在室温或接近室温时具有相对高的电阻率。事实上，足够纯的用作CEVAR工艺的精炼的候选的硅电极在室温或接近室温时，在任何合理施加电压下将具有过高而不准许这样的高电弧电流通过的电阻。在惯用CEVAR工艺中形成的凝固铸块的金属首先处于其固相线温度，然后在水冷却式坩埚中逐渐冷却，其中由于铸块的边缘接近毗邻的坩埚的水冷却壁，因此边缘比中心更快地冷却。由于差分热收缩而在铸块中产生应力，使铸块表面经受张力且使中心经受压缩的过程。对于通常利用CEVAR工艺熔融的金属而言这并不是问题，这是因为这些金属是相对易延展的，换言之是耐裂的。然而，在用于熔融硅的任何惯用CEVAR工艺的情况下，这样的铸块将易于不期望地裂解，该硅在宽温度范围内易碎。本专利技术的一个目的是提供用于精炼类金属诸如硅的装置及方法，其包含CEVAR熔炉和工艺。
技术实现思路
在一方面，本专利技术是制造精炼的类金属诸如硅的铸块的装置及方法。可自一块或多块硅形成硅电极。将该电极预加热至使其变得足够具有传导性以在后续的CEVAR精炼工艺步骤中使电流通过而没有过高的压降和电极裂解的温度，且然后在包含低矮CEVAR底部打开式且水冷却式坩埚的CEVAR精炼工艺中将其熔融。在铸块仍然热时将自CEVAR工艺产生的该热铸块传送至毗邻该低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部的加热系统中，其中控制该加热系统以防止硅铸块随着冷却而裂解。 在另一方面，本专利技术是类金属精炼CEVAR熔炉系统，其包括低矮CEVAR底部打开式坩埚，该低矮CEVAR底部打开式坩埚具有在CEVAR工艺中用以容纳电弧的构件。在毗邻该低矮CEVAR底部打开式坩埚的打开底部处提供加热系统，并且该加热系统具有用以提供在该低矮CEVAR底部打开式坩埚中形成的热铸块的受控冷却以预防该铸块冷却时裂解的构件。提供铸块收回驱动系统以等于其在CEVAR精炼工艺的稳态期间的垂直生长速率的速率收回来自坩埚的铸块，以使得该电弧区利该凝固铸块的顶部保持在CEVAR坩埚内。可选地，可以提供坩埚/加热器驱动系统以提起该低矮CEVAR底部打开式坩埚、电极和加热器，该加热器在铸块保持固定时为该热铸块提供温控热环境。在说明书和随附的权利要求中阐述本专利技术的上述和其它发面。【专利附图】【附图说明】附图连同说明书和实施例绘示了实践本专利技术的一个或多个非限制模式。本专利技术并不限于绘示的布局和附图的内容。图1是本专利技术的CEVAR熔炉系统的一个实施例的简化剖视图。【具体实施方式】在CEVAR精炼工艺中自硅电极制造硅铸块的本专利技术中，初始工艺步骤是预加热用于CEVAR工艺中的硅电极。硅的电阻率随温度的增加而迅速下降，因此，已预加热到足够高的温度的硅电极但保持在低于其熔融温度以使其保持固态(CEVAR熔融工艺的必要条件)时将准许足够的电弧电流通过以允许开始CEVAR工艺。在特定CEVAR熔融工艺中电极所需的预加热温度可由用于特定CEVAR熔融工艺的工艺参数确定的CEVAR工艺电阻率指定。这样的预加热温度将需要至少数百摄氏度。另外，增加电极的预加热温度会减小电极中的初始电压降，因此，其准许使用较低压、较便宜的电源感应器。电极的预加热可以在CEVAR熔炉的内部或外部完成。例如，在具有真空或惰性气体(受控)氛围的电阻熔炉中的外部加热，随着将在空气中的电极转移到CEVAR熔炉中可造成在电极表面拾取氧气和氮气，这具有增加后续CEVAR铸块中的杂质水准的风险。任选地，可在外部熔炉室与CEVAR熔炉之间提供真空锁闭室以建立受控环境而在转移期间不使电极暴露在空气中。随着加热的电极在CEVAR熔炉中熔融，CEVAR工艺中的电弧电流的通过可用于维持电极的温度，或者CEVAR熔炉内部的辅助电极加热系统可用于在CEVAR工艺期间维持电极的温度。在任一情形中，在CEVAR熔炉内部围绕电极提供热绝缘利于减少工艺期间所消耗的能量。例如，可以利用碳纤维热绝缘材料至少部分的环绕CEVAR熔炉中的电极。在本专利技术中，优选地利用低矮CEVAR坩埚(用于CEVAR熔融中)，其具有大约形成于坩埚中的铸块的直径d的范围中的内部高度h ;例如，该低矮CEVAR坩埚的内部高度可大于所形成的的娃铸块的直径的60%且小于所形成的娃铸块的直径的120%。可,选地如果该低矮CEVAR坩埚的内部壁的剖面的形状是本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷蒙·J·罗伯茨，
申请(专利权)人：康萨克公司，
类型：
国别省市：
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