Спосіб і пристрій для рафінування розплавленого матеріалу

1. Спосіб рафінування матеріалу, який включає стадії: утворення розплаву матеріалу в ємності; приведення температурноконтрольованої контактної поверхні у контакт з поверхнею розплаву, при цьому вказана температурно-контрольована контактна поверхня не контактує зі стінками ємності і забезпечує кристалізацію розплавленого матеріалу та його утримування; і поступової кристалізації розплавленого матеріалу зверху вниз з утворенням твердого зливка матеріалу, утримуваного на 2. Спосіб за п.1, в якому температурноконтактній поверхні. контрольовану контактну поверхню охолоджують. 3. Спосіб за п.1 або п.2, в якому стінки та основу ємності нагрівають. 4. Спосіб за будь-яким з пп.1-3, в якому розплав утримують в інертній або контрольованій атмосфері. 5. Спосіб за будь-яким з пп.1-4, в якому розплавлений матеріал, який залишається після кристалізації зливка, містить більш високий рівень домішок, ніж початковий матеріал, і його видаляють з ємності. 6. Спосіб за будь-яким з пп.1-5, в якому матеріал є кремнієм. 7. Спосіб за п.6, в якому кремній розбавляють так, щоб забезпечити необхідний опір в одержаному у результаті кристалічному зливку. 8. Пристрій рафінування матеріалу, який містить ємність, яка має основу і бічні стінки, розташовані 2 (19) 1 3 Даний винахід спрямований на рафінування або очищення матеріалу, який може бути розплавлений і закристалізований. Зокрема, але не обмежуючись вказаним, винахід придатний для очищення металів, і особливо кремнію, наприклад, для рафінування кремнієвої сировини при отриманні сонячних елементів. Направлену кристалізацію широко використовують у фотоелектричній (ФЕ) промисловості для отримання зливків, які розрізають на пластинки і потім обробляють для перетворення у сонячні елементи. Сучасний стан у даній галузі техніки характеризується переважанням систем, в яких кремній направлено кристалізують знизу вверх у кварцовому тиглі. Той же самий принцип може бути використаний для очищення кремнію при отриманні сировини у ФЕ промисловості. Направлену кристалізацію у такому випадку можна використовувати для регулювання рівня вмісту домішок за допомогою сегрегації, при цьому можна відрегулювати як абсолютний, так і відносний вміст різних елементів (Al, Ca, Fe, Ti, Mn, В, P і т.д.). Крім того, при реалізації способу потрібно взяти до уваги частинки, які утворилися під час способу здійснення, і частинки, які були присутні у кремнії, який завантажувався. Недоліком сьогоднішньої технології є те, що кварцовий тигель може бути використаний тільки один раз через руйнування у результаті фазового переходу матеріалу тигля при охолодженні кремнієвого зливка (і тигля). Крім того, для здійснення технології виробництва із застосуванням кварцового тигля потрібний шар, який перешкоджає прилипанню, наприклад, Si3N4, щоб уникнути прилипання кремнію. Метою даного винаходу є забезпечення поліпшеного способу кристалізації, який у результаті призводить до зменшення забрудненості вилитого зливка. Іншою метою даного винаходу є створення конструкції пристрою для рафінування розплавленого матеріалу, такого як кремній, без необхідності проводити заміну ємності для розміщення розплавленого матеріалу між операціями виливання зливків. Згідно з одним аспектом винаходу розроблений спосіб рафінування матеріалу, який включає стадії: утворення розплаву матеріалу в ємності; приведення охолодженої поверхні у контакт з поверхнею розплаву, що дозволяє розплавленому матеріалу кристалізуватися та утримуватися на охолодженій поверхні; і поступової кристалізації розплавленого матеріалу зверху вниз з утворенням твердого зливка матеріалу, який утримується на охолодженій поверхні. Незважаючи на те, що даний винахід визначений як спосіб рафінування, винахід також можна розглядати як спосіб здійснення направленої кристалізації. Таким чином, даний винахід забезпечує вдосконалений процес отримання, в якому пічну єм 86168 4 ність нагрівають і зливок виливають, але відсутній контакт зливка з внутрішньою частиною ємності, і таким чином зливок може бути видалений і ємність знову наповнена. Немає необхідності в охолодженні ємності між послідовним виливанням зливків. Переважно, стінки та основу ємності нагрівають. Переважно, розплав утримують в інертній або контрольованій атмосфері. Спосіб особливо підходить для рафінування та очищення металів, і особливо кремнію. Спосіб має перевагу, згідно з якою в міру утворення зливка рівень забрудненості у зливках зменшений у відношенні до решти розплаву. Потім зливок видаляють з ємності або тигля, а розплав з високим вмістом домішки, який залишається, зливають, і потім можливе повторне здійснення способу. Ємність не зазнає руйнування і може бути використана повторно. Осередок зародкоутворення є більш простим у результаті його переведення від стінок тигля до поверхні пластинки або декількох пластинок, розташованих поряд. Пластинка або пластинки, розташовані поряд, складаються з декількох пластинок, які утворюють шарувату структуру. Охолоджена поверхня може бути утворена з розривами, тим самим забезпечуючи прикріплення зливка. Таким чином, у результаті впровадження винаходу, процес рафінування оптимізують декількома шляхами. Сегрегацію використовують для очищення і контролю над вмістом металевих домішок. Домішки будуть виштовхуватися від межі розділу між твердим і рідким кремнієм і залишатися всередині об'єму рідини. Необхідне значення опору рафінованого матеріалу може бути отримане за допомогою відділення і розбавлення (до початку або під час виливання). Абсолютний рівень значення опору буде визначений, виходячи з подальшого застосування, яке здійснюється кінцевим користувачем, і поставлених вимог. Частинки з більш високою густиною, ніж густина розплавленого кремнію, видаляються. Частинки, які привнесені всередину або утворилися під час направленої кристалізації, будуть опускатися на дно у тому випадку, якщо вони мають густину, істотно вищу, ніж густина розплавленого кремнію. Такі частинки можуть утворити густий шар на дні ванни розплавленого металу. Частинки з густиною, яка менша або трохи перевищує густину кремнію, також можуть бути видалені. Вони будуть виштовхуватися і знаходитися поперед межі розділу між твердим і розплавленим кремнієм. Ці частинки будуть проходити згідно із загальною картиною конвективного потоку в ємності у випадку, коли вони виявляться достатньо виштовхнутими всередину об'єму розплаву. Процес кристалізації може бути оптимізований за допомогою комбінування сил, які переміщують домішки згідно із загальною картиною потоку, і сил, які відповідають за осадження. Розплавлений 5 кремній з високим вмістом домішок і високою густиною буде текти від фронту кристалізації у напрямі дна ємності. Подібна картина буде мати місце для важких частинок, тоді як частинки з невеликою густиною, або які не мають відмінностей за густиною, будуть йти за потоком в ємності. Вказані механізми можуть бути оптимізовані з більшою легкістю, ніж у тому випадку, коли кристалізація відбувається у ванні знизу вверх. Направлена кристалізація зверху вниз тому більш пристосована для здійснення контролю над вмістом домішок, ніж кристалізація у ванні розплавленого металу знизу вверх. Кристалізацію можна здійснювати доти, поки задана фракція не переведена у твердий стан (тобто поки не отриманий зливок із заданою висотою або розміром). Кремнієва рідина, яка залишається, буде містити підвищену концентрацію домішок і більш важких частинок, ніж введений спочатку матеріал, і її можна видалити з контейнера за допомогою зливу і так далі. Основні домішки у вигляді частинок звичайно являють собою SiC, SixNy або SixOyNz. Згідно з іншим аспектом винаходу запропонована конструкція пристрою для очищення матеріалу, яка містить ємність, яка має основу і бічні стінки, розташовані таким чином, щоб вміщувати матеріал у розплавленому стані та охолоджувану пластинку, яка може переміщатися всередину ємності і за межі верхньої частини ємності. Переважно, ємність характеризується стінками і/або дном, які нагріваються. Переважно, стінки і/або основа ємності зроблені з теплопровідного, але хімічно інертного і термостійкого матеріалу, такого як графіт, нітрид кремнію, карбід кремнію, діоксид кремнію, оксид алюмінію, оксинітрид кремнію або інші керамічні оксиди. Переважно, охолоджувана пластинка містить декілька шарів, які включають у себе теплопровідний шар у робочому контакті із засобами охолодження, і контактний шар для здійснення контакту з розплавленим матеріалом. Переважно, контактний шар і будь-який проміжний шар виконують з теплопровідного, але хімічно інертного і термостійкого матеріалу, такого як графіт, нітрид кремнію, карбід кремнію, діоксид кремнію, оксид алюмінію, оксинітрид кремнію або інші керамічні оксиди. Теплопровідний шар може бути металом, таким як мідь, алюміній, або відповідним сплавом. Крім того, нагрівальний шар у вигляді шару з електронагрівних елементів резистивного типу або індуктивно нагрівального шару може бути розташований між іншими шарами. Це може забезпечити кращий контроль над процесом охолодження. Пластинка може містити проміжний шар, який прикріпляють до провідного шару і який може забезпечити фіксацію з контактною пластинкою за допомогою ковзання або защіпання. Переважна наявність газонепроникного покриття по всій поверхні ємності для збереження інертної або контрольованої атмосфери. Винахід може бути здійснений на практиці різними способами, і деякі варіанти реалізації будуть у даній частині описані за допомогою прикладу з посиланням на додані фігури, на яких показано: 86168 6 Фіг.1 - у поздовжньому напрямі вертикальний переріз пристрою для здійснення винаходу; Фіг.2 - переріз по лінії A-A згідно з Фіг.1; Фіг.3 - схематичний розріз, який показує можливі коректувальні картини потоків у розплавленому матеріалі; Фіг.4 - схематичний розріз у поздовжньому напрямі температурно-контрольованої пластинки згідно з одним варіантом реалізації; Фіг.5 і 6 - картини, подібні до зображеної на Фіг.4, які характеризують два альтернативних варіанти реалізації. На Фіг.1 і 2 зображений пристрій для направленої кристалізації розплавленого кремнію. Установка включає у себе ємність 11 з основою 12, яка нагрівається, торцеві стінки 13, які нагріваються, і бічні стінки 14, які нагріваються. Ємність 11 футерована зовнішньою футерівкою 15 і внутрішньою футерівкою 16. Матеріал для вказаних футерівок повинен бути теплопровідним, але хімічно інертним і термостійким, і матеріали, які підходять для цього, являють собою графіт, карбід кремнію, нітрид кремнію, діоксид кремнію, оксид алюмінію, оксинітрид кремнію або інші керамічні оксиди. Внутрішня футерівка 16 визначає огорожу 17 для розплавленого кремнію 18. Над огорожею 17 і розплавом 18 розташована температурно-контрольована пластинка 19. Пластинка 19 утримується у підвішеному стані опорами 21 і містить провідний шар 22, проміжний ізолювальний шар 23 і контактний шар 24. Провідний шар 22 містить ряд охолоджувальних трубок 25, а контактний шар 24 має шорстку контактну поверхню 26. Провідний шар 22 звичайно роблять з провідного металу, такого як мідь або алюміній. Охолоджувальним середовищем у трубках 25 є будь-яка відповідна рідина/газ, така як вода або масло. Ізолювальний шар 23 і контактний шар 24 виконують з теплопровідного, але хімічно інертного і термостійкого матеріалу, такого як графіт, карбід кремнію або нітрид кремнію. Ємність 11 і пластинку 19 накривають газонепроникною оболонкою ЗО. Під оболонкою створюється інертна атмосфера 27 над розплавом 18. Також є дві ізолювальні заслінки 28, які можна переміщувати над огорожею 17, коли оболонку ЗО видаляють. При роботі кремній вміщують в огорожу 17 і нагрівають за допомогою основи 12 і стінок 13, 14, які нагріваються, доти, поки кремній не утворить розплав 18. Альтернативно, розплавлений кремній можна завантажити безпосередньо всередину огорожі 17. Пластинку 19 опускають так, щоб контактна поверхня 26 була трохи зануреною нижче поверхні розплаву 18. Охолоджувальний вплив, який здійснюється на пластинку 19 за допомогою трубок 25, ініціює кристалізацію розплавленого кремнію 18 і його утримування на контактній поверхні 26, при цьому відбувається утворення зливка 29 з твердого кремнію. Пластинку 19 потім піднімають так, щоб вона знаходилася вище рівня розплаву 18, при цьому зливок 29 все ще залишається зануреним (у розплав). Подальше охолодження у такому випадку 7 ініціює більшу кристалізацію розплавленого кремнію 18, у результаті якої зливок 29 росте вниз. Коли зливок 29 досягає необхідного розміру, його піднімають у вільний простір огорожі 17 і видаляють. Огорожу 17 повторно завантажують кремнієм, а ізолювальні засувки 28 переміщують над огорожею для збереження розплавленого стану кремнію. Тим часом, кремнієвий зливок 29 і контактний шар 24 знімають з пластинки 19 для використання при подальшому виготовленні, або у зливках для повторного розплавлення з отриманням зливків для виготовлення пластинок для сонячних елементів або для безпосереднього виготовлення пластинок фотоелементів. Контактний шар 24 замінюють і процес повторюють. Потрібно розуміти, що домішки, більш важкі, ніж розплавлений кремній, будуть збиратися далеко від зливка 29 у розплаві 18, у той час як більш легкі забруднювачі будуть циркулювати всередині розплаву у результаті дії конвективних сил. Таким чином, домішки і забруднювачі, присутні у розплаві 18, будуть мати тенденцію залишатися у розплаві 18 і не виявляться захопленими всередині зливка 29. Це буде викликати ефект рафінування кремнію, з якого утвориться зливок 29. У свою чергу, також це буде викликати ефект концентрування домішок і забруднювачів у розплаві 18, який зберігається. З цієї причини такий розплавлений кремній, який залишається після видалення зливка 29, можна видалити і замінити свіжою порцією кремнію. Напрям циркуляції розплавленого кремнію у розплаві 18 показаний на Фіг.3. Стрілки показують його рух у результаті дії конвективних сил. Рідкий кремній поблизу нагрітих стінок 13, 14 стає менш густим і тече вверх 31. Він охолоджується при контакті зі зливком 29 і тече вниз 32 посередині розплаву 18, де він виявляється найбільш видаленим з джерела теплоти. Більш густі домішки мають тенденцію осідати 33 і утворювати завихрення 34 на дні 12 поблизу стінок 13, 14. На Фіг.4 показана переважна форма пластинки 19. Провідний шар 22 зроблений з міді і містить 86168 8 охолоджувальні трубки 25. Проміжний шар 23 має профільну структуру з внутрішніми проточеними канавками 41 вздовж кожної поздовжньої кромки. Контактний шар 24 виготовляють з відповідним виступним профілем 42 вздовж кожної поздовжньої кромки. Контактний шар 24 просто засовують всередину проміжного шару 23 з виступними профілями 42, які підтримуються профільною структурою з внутрішніми проточеними канавками 41. Потрібно розуміти, що таке розташування забезпечує невелику кондуктивну передачу тепла між цими двома пластинками, оскільки контакт здійснюється вздовж двох відносно вузьких меж. Таке розташування тому може забезпечити ефект повільного охолодження зливка, забезпечуючи, тим самим, час, необхідний для здійснення кристалічної орієнтації у зливку, у міру того, як матеріал кристалізується. На Фіг.5 показана альтернативна схема розташування, при якій охолоджувальні трубки 51 розташовують між верхнім шаром 52 і проміжним шаром 53. Обидва шари 52, 53 можуть бути зроблені з графіту, карбіду кремнію або нітриду кремнію або подібного. На Фіг.6 показана альтернативна схема розташування, яка включає у себе шар 61, який нагрівається, розташований між двома проміжними шарами 62 і 63. Провідний шар 64 з охолоджувальними трубками 65 розташовують над проміжними шарами 62, 63. Таке розміщення зможе забезпечити поліпшений температурний контроль і, крім того, дозволить здійснити у контактному шарі (не показаному) підвищення температури до значення, яке перевищує точку плавлення кремнію до його занурення (у розплав). Тим самим уникають небажаного охолодження кремнієвого розплаву на початкових стадіях кристалізації. Потрібно розуміти, що хоча переважні варіанти реалізації були описані з посиланням на кремній, винахід застосовний для направленої кристалізації (і рафінування) інших матеріалів. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 86168 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601