Способ и устройство для очистки расплавленного материала

011381 Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение направлено на рафинирование или очистку материала, который может быть расплавлен и закристаллизован. В частности, но не ограничиваясь указанным, изобретение пригодно для очистки металлов, и в особенности кремния, например, для рафинирования кремниевого сырья при получении солнечных элементов. Уровень техники Направленную кристаллизацию широко используют в фотоэлектрической (ФЭ) промышленности для получения слитков, которые разрезают на пластинки и затем обрабатывают для превращения в солнечные элементы. Современное состояние в данной области техники характеризуется преобладанием систем, в которых кремний направленно кристаллизуют снизу вверх в кварцевом тигле. Тот же самый принцип может быть использован для очистки кремния при получении сырья в ФЭ промышленности. Направленную кристаллизацию в таком случае можно использовать для регулирования уровня содержания примесей посредством сегрегации, при этом можно отрегулировать как абсолютное, так и относительное содержание различных элементов (Al, Ca, Fe, Ti, Mn, B, P и т.д.). Кроме того,при реализации способа следует принять во внимание частицы, которые образовались во время способа осуществления, и частицы, которые присутствовали в загружаемом кремнии. Недостатком сегодняшней технологии является то, что кварцевый тигель может быть использован только один раз из-за разрушения в результате фазового перехода материала тигля при охлаждении кремниевого слитка (и тигля). Кроме того, для осуществления технологии производства с применением кварцевого тигля требуется слой, препятствующий прилипанию, например Si3N4, чтобы избежать прилипания кремния. Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа кристаллизации, который в результате приводит к уменьшению загрязненности отлитого слитка. Другой целью настоящего изобретения является создание конструкции устройства для рафинирования расплавленного материала, такого как кремний, без необходимости проводить замену емкости для размещения расплавленного материала между операциями отливки слитков. Описание изобретения Согласно одному аспекту изобретения разработан способ рафинирования материала, который включает стадии образования расплава материала в емкости; приведения охлажденной поверхности в контакт с поверхностью расплава, что позволяет расплавленному материалу кристаллизоваться и удерживаться на охлажденной поверхности; и постепенной кристаллизации расплавленного материала сверху вниз с образованием твердого слитка материала, удерживаемого на охлажденной поверхности. Несмотря на то что настоящее изобретение определено в качестве способа рафинирования, изобретение также можно рассматривать в качестве способа осуществления направленной кристаллизации. Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованный процесс получения, в котором печную емкость нагревают и слиток отливают, но отсутствует контакт слитка с внутренней частью емкости, и таким образом слиток может быть удален и емкость снова наполнена. Нет необходимости в охлаждении емкости между последовательной отливкой слитков. Предпочтительно стенки и основание емкости нагревают. Предпочтительно расплав содержат в инертной или контролируемой атмосфере. Способ является особенно подходящим для рафинирования и очистки металлов, и в особенности кремния. Способ обладает преимуществом, согласно которому по мере образования слитка уровень загрязненности в слитках уменьшен по отношению к остальному расплаву. Затем слиток удаляют из емкости или тигля, а остающийся расплав с высоким содержанием примеси сливают, и затем возможно повторное осуществление способа. Емкость не подвергается разрушению и может быть использована повторно. Очаг зародышеобразования является более простым в результате его перевода от стенок тигля к поверхности пластинки или нескольких пластинок, расположенных рядом. Пластинка или пластинки, расположенные рядом, состоят из нескольких пластинок, образующих слоистую структуру. Охлажденная поверхность может быть образована с разрывами, тем самым обеспечивая прикрепление слитка. Таким образом, в результате внедрения изобретения процесс рафинирования оптимизируют несколькими путями. Сегрегацию используют для очистки и контроля над содержанием металлических примесей. Примеси будут выталкиваться от границы раздела между твердым и жидким кремнием и оставаться внутри объема жидкости. Требуемое значение сопротивления рафинированного материала может быть получено с помощью отделения и разбавления (до начала или во время отливки). Абсолютный уровень значения сопротивления будет определен, исходя из последующего применения, осуществляемого конечным пользователем, и предъявляемых требований. Частицы с более высокой плотностью, чем плотность расплавленного кремния, удаляются. Частицы, которые привнесены внутрь или образовались во время направленной кристаллизации, будут опускаться на дно в том случае, если они имеют плотность, существенно выше, чем плотность расплавленного кремния. Такие частицы могут образовать плотный слой на дне ванны расплавленного металла.-1 011381 Частицы с плотностью, меньшей или несколько превышающей плотность кремния, также могут быть удалены. Они будут выталкиваться и находиться впереди границы раздела между твердым и расплавленным кремнием. Эти частицы будут следовать согласно общей картине конвективного потока в емкости в случае, когда они окажутся достаточно вытолкнутыми внутрь объема расплава. Процесс кристаллизации может быть оптимизирован с помощью комбинирования сил, которые перемещают примеси согласно общей картине потока, и сил, ответственных за осаждение. Расплавленный кремний с высоким содержанием примесей и высокой плотностью будет течь от фронта кристаллизации в направлении дна емкости. Подобная картина будет иметь место для тяжелых частиц, тогда как частицы с небольшой плотностью или не имеющие различий по плотности будут следовать за потоком в емкости. Указанные механизмы могут быть оптимизированы с большей легкостью, чем в том случае, когда кристаллизация происходит в ванне снизу вверх. Направленная кристаллизация сверху вниз поэтому более приспособлена для осуществления контроля над содержанием примесей, чем кристаллизация в ванне расплавленного металла снизу вверх. Кристаллизацию можно осуществлять до тех пор, пока заданная фракция не переведена в твердое состояние (т.е. пока не получен слиток с заданной высотой или размером). Остающаяся кремниевая жидкость будет содержать повышенную концентрацию примесей и более тяжелых частиц, чем первоначально введенный материал, и ее можно удалить из контейнера с помощью слива и т.д. Основные примеси в виде частиц обычно представляют собой SiC, SixNy или SixOyNz. Согласно другому аспекту изобретения предложена конструкция устройства для очистки материала, которая содержит емкость, имеющую основание и боковые стенки, расположенные таким образом,чтобы вмещать материал в расплавленном состоянии и охлаждаемую пластинку, которая может перемещаться внутрь емкости и за пределы верхней части емкости. Предпочтительно емкость характеризуется нагреваемыми стенками и/или дном. Предпочтительно стенки и/или основание емкости сделаны из теплопроводящего, но химически инертного и термоустойчивого материала, такого как графит, нитрид кремния, карбид кремния, диоксид кремния, оксид алюминия, оксинитрид кремния или другие керамические оксиды. Предпочтительно охлаждаемая пластинка содержит несколько слоев, включающих в себя теплопроводящий слой в рабочем контакте со средствами охлаждения, и контактный слой для осуществления контакта с расплавленным материалом. Предпочтительно контактный слой и любой промежуточный слой выполняют из теплопроводящего, но химически инертного и термоустойчивого материала, такого как графит, нитрид кремния, карбид кремния, диоксид кремния, оксид алюминия, оксинитрид кремния или другие керамические оксиды. Теплопроводящий слой может быть металлом, таким как медь, алюминий, или подходящим сплавом. Кроме того, нагревающий слой в виде слоя из электронагревательных элементов резистивного типа или индуктивно нагревающего слоя может быть расположен между другими слоями. Это может обеспечить лучший контроль над процессом охлаждения. Пластинка может содержать промежуточный слой, который прикрепляют к проводящему слою и который может обеспечить фиксацию с контактной пластинкой с помощью скольжения или защелкивания. Предпочтительно наличие газонепроницаемого покрытия по всей поверхности емкости для сохранения инертной или контролируемой атмосферы. Краткое описание чертежей Изобретение может быть осуществлено на практике различными способами, и некоторые варианты реализации будут в данной части описаны с помощью примера со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых показано: фиг. 1 - в продольном направлении вертикальное сечение устройства для осуществления изобретения; фиг. 2 - сечение по линии А-А согласно фиг. 1; фиг. 3 - схематичный разрез, показывающий возможные корректирующие картины потоков в расплавленном материале; фиг. 4 - схематичный разрез в продольном направлении температурно-контролируемой пластинки согласно одному варианту реализации; фиг. 5 и 6 - картины, подобные изображенной на фиг. 4, которые характеризуют два альтернативных варианта реализации. Подробное описание изобретения На фиг. 1 и 2 изображено устройство для направленной кристаллизации расплавленного кремния. Установка включает в себя емкость 11 с нагреваемым основанием 12, нагреваемые торцевые стенки 13 и нагреваемые боковые стенки 14. Емкость 11 футерована внешней футеровкой 15 и внутренней футеровкой 16. Материал для указанных футеровок должно быть теплопроводящим, но химически инертным и термоустойчивым, и подходящие для этого материалы представляют собой графит, карбид кремния,нитрид кремния, диоксид кремния, оксид алюминия, оксинитрид кремния или другие керамические оксиды. Внутренняя футеровка 16 определяет ограждение 17 для расплавленного кремния 18.-2 011381 Над ограждением 17 и расплавом 18 расположена температурно-контролируемая пластинка 19. Пластинка 19 удерживается в подвешенном состоянии опорами 21 и содержит проводящий слой 22,промежуточный изолирующий слой 23 и контактный слой 24. Проводящий слой 22 содержит ряд охлаждающих трубок 25, а контактный слой 24 обладает шероховатой контактной поверхностью 26. Проводящий слой 22 обычно делают из проводящего металла, такого как медь или алюминий. Охлаждающей средой в трубках 25 является любая подходящая жидкость/газ, такая как вода или масло. Изолирующий слой 23 и контактный слой 24 выполняют из теплопроводящего, но химически инертного и термоустойчивого материала, такого как графит, карбид кремния или нитрид кремния. Емкость 11 и пластинку 19 накрывают газонепроницаемой оболочкой 30. Под оболочкой создается инертная атмосфера 27 над расплавом 18. Также имеются две изолирующие заслонки 28, которые можно перемещать над ограждением 17, когда оболочку 30 удаляют. При работе кремний помещают в ограждение 17 и нагревают посредством нагреваемого основания 12 и стенок 13, 14 до тех пор, пока кремний не образует расплав 18. Альтернативно, расплавленный кремний можно загрузить непосредственно внутрь ограждения 17. Пластинку 19 опускают так, чтобы контактная поверхность 26 оказалась слегка погруженной ниже поверхности расплава 18. Охлаждающее воздействие, оказываемое на пластинку 19 с помощью трубок 25, инициирует кристаллизацию расплавленного кремния 18 и его удерживание на контактной поверхности 26, при этом происходит образование слитка 29 из твердого кремния. Пластинку 19 затем поднимают так, чтобы она находилась выше уровня расплава 18, при этом слиток 29 все еще остается погруженным (в расплав). Дальнейшее охлаждение в таком случае инициирует большую кристаллизацию расплавленного кремния 18, в результате которой слиток 29 растет вниз. Когда слиток 29 достигает требуемого размера, его поднимают в свободное пространство ограждения 17 и удаляют. Ограждение 17 повторно загружают кремнием, а изолирующие задвижки 28 перемещают над ограждением для сохранения расплавленного состояния кремния. Тем временем кремниевый слиток 29 и контактный слой 24 снимают с пластинки 19 для использования при последующем изготовлении, либо в слитках для повторного расплавления с получением слитков для изготовления пластинок для солнечных элементов или для непосредственного изготовления пластинок фотоэлементов. Контактный слой 24 заменяют и процесс повторяют. Следует понимать, что примеси, более тяжелые, чем расплавленный кремний, будут собираться вдали от слитка 29 в расплаве 18, в то время как более легкие загрязнители будут циркулировать внутри расплава в результате действия конвективных сил. Таким образом, примеси и загрязнители, присутствующие в расплаве 18, будут иметь тенденцию оставаться в расплаве 18 и не окажутся захваченными внутри слитка 29. Это будет вызывать эффект рафинирования кремния, из которого образуется слиток 29. В свою очередь, также это будет вызывать эффект концентрирования примесей и загрязнителей в сохраняющемся расплаве 18. По этой причине такой расплавленный кремний, остающийся после удаления слитка 29, можно удалить и заменить свежей порцией кремния. Направление циркуляции расплавленного кремния в расплаве 18 показано на фиг. 3. Стрелки показывают его движение в результате действия конвективных сил. Жидкий кремний вблизи нагретых стенок 13, 14 становится менее плотным и течет вверх 31. Он охлаждается при контакте со слитком 29 и течет вниз 32 посередине расплава 18, где он оказывается наиболее удаленным из источника теплоты. Более плотные примеси имеют тенденцию оседать 33 и образовывать завихрения 34 на дне 12 вблизи стенок 13, 14. На фиг. 4 показана предпочтительная форма пластинки 19. Проводящий слой 22 сделан из меди и содержит охлаждающие трубки 25. Промежуточный слой 23 обладает профильной структурой с внутренними проточенными канавками 41 вдоль каждой продольной кромки. Контактный слой 24 изготовляют с соответствующим выступающим профилем 42 вдоль каждой продольной кромки. Контактный слой 24 просто задвигают внутрь промежуточного слоя 23 с выступающими профилями 42, поддерживаемыми профильной структурой с внутренними проточенными канавками 41. Следует понимать, что такое расположение обеспечивает небольшую кондуктивную передачу тепла между этими двумя пластинками, поскольку контакт осуществляется вдоль двух относительно узких границ. Такое расположение поэтому может обеспечить эффект медленного охлаждения слитка, обеспечивая, тем самым, время, требуемое для осуществления кристаллической ориентации в слитке, по мере того, как материал кристаллизуется. На фиг. 5 показана альтернативная схема расположения, при которой охлаждающие трубки 51 располагают между верхним слоем 52 и промежуточным слоем 53. Оба слоя 52, 53 могут быть сделаны из графита, карбида кремния или нитрида кремния или подобного. На фиг. 6 показана альтернативная схема расположения, которая включает в себя нагреваемый слой 61, расположенный между двумя промежуточными слоями 62 и 63. Проводящий слой 64 с охлаждающими трубками 65 располагают над промежуточными слоями 62, 63. Такое размещение сможет обеспечить улучшенный температурный контроль и, кроме того, позволит осуществить в контактном слое (не показанном) повышение температуры до значения, превышающего точку плавления кремния до его погружения (в расплав). Тем самым избегают нежелательного охлаждения кремниевого расплава на на-3 011381 чальных стадиях кристаллизации. Следует понимать, что хотя предпочтительные варианты реализации были описаны со ссылкой на кремний, изобретение применимо для направленной кристаллизации (и рафинирования) других материалов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ рафинирования материала, который включает стадии образования расплава материала в емкости; приведения температурно-регулируемой контактной поверхности элемента в контакт с поверхностью расплава, при этом указанная температурно-регулируемая контактная поверхность не контактирует со стенками емкости и поддерживаются условия для кристаллизации расплавленного материала и его удерживания на температурно-регулируемой контактной поверхности; а также постепенной кристаллизации расплавленного материала сверху вниз с образованием твердого слитка материала, удерживаемого на указанной контактной поверхности. 2. Способ по п.1, в котором температурно-регулируемую контактную поверхность охлаждают. 3. Способ по п.1 или 2, в котором стенки и основание емкости нагревают. 4. Способ по любому из пп.1-3, в котором расплав сохраняют в инертной или контролируемой атмосфере. 5. Способ по любому из пп.1-4, в котором расплавленный материал, остающийся после кристаллизации слитка, содержит более высокий уровень примесей, чем исходный материал, и его удаляют из емкости. 6. Способ по любому из пп.1-5, в котором материал является кремнием. 7. Способ по п.6, в котором кремний разбавляют так, чтобы обеспечить требуемое сопротивление в полученном в результате кристаллическом слитке. 8. Устройство рафинирования материала, содержащее емкость, имеющую основание и боковые стенки, расположенные таким образом, чтобы вмещать материал в расплавленном состоянии, и пластинку с температурно-регулируемой контактной поверхностью, которая может перемещаться внутрь емкости и за пределы верхней части емкости, при этом указанная температурно-регулируемая контактная поверхность пластины не контактирует с боковыми стенками емкости. 9. Устройство по п.8, в котором емкость имеет нагреваемые стенки и/или дно. 10. Устройство по п.8 или 9, в котором емкость футерована нитридом кремния, графитом, карбидом кремния, диоксидом кремния, оксидом алюминия, оксинитридом кремния или другими керамическими оксидами. 11. Устройство по любому из пп.8-10, в котором пластинка содержит несколько слоев, включающих в себя теплопроводящий слой в рабочем контакте со средствами охлаждения и контактный слой для осуществления контакта с расплавленным материалом. 12. Устройство по п.11, в котором проводящий слой состоит из меди, алюминия или сплавов одного или обоих металлов. 13. Устройство по п.11 или 12, в котором контактный слой состоит из графита, нитрида кремния,карбида кремния, диоксида кремния, оксида алюминия, оксинитрида кремния или других керамических оксидов. 14. Устройство по любому из пп.11-13, дополнительно содержащее промежуточный слой, который прикрепляют к проводящему слою и который может обеспечить фиксацию с контактной пластинкой с помощью скольжения или защелкивания. 15. Устройство по любому из пп.8-14, в котором пластинка содержит нагреваемый слой. 16. Устройство по любому из пп.8-15, в котором пластинка содержит единственную пластинку или несколько пластинок рядом. 17. Устройство по любому из пп.8-16, в котором поверхность пластины, которая осуществляет контакт с расплавленным материалом во время работы, имеет шероховатость, или она характеризуется наличием разрывов. 18. Устройство по любому из пп.8-17, в котором обеспечивается газонепроницаемое покрытие по всей поверхности емкости для обеспечения контролируемой или инертной атмосферы.