金属或半导体熔融液的精制方法和真空精制装置制造方法
【专利摘要】本发明的目标是在对金属或半导体熔体的精炼中，在不损害精炼效率的情况下缓解与由流动熔体中的不稳定性导致的坩埚不平相伴的磨损和撕裂，以及在长时期内允许安全操作从而不发生从坩埚的泄漏。提供一种金属或半导体熔体精炼方法，其中通过使用AC电阻加热加热器作为坩埚加热方法，将熔体保温并通过由电阻加热加热器产生的旋转磁场混合。金属或半导体熔体精炼方法和用于精炼方法的最佳真空精炼装置的特征在于：为了当通过旋转磁场使熔体旋转时在熔体与坩埚底面之间的边界中不出现流体不稳定性，设熔体的运动粘度系数为v(m2/秒)、熔体的流体表面的半径为R(m)、且熔体的旋转角速度为Ω(弧度/秒)，进行使被定义为Re＝R×(Ω/v)^(1/2)的雷诺数(Re)的值不超过600的操作。
【专利说明】金属或半导体熔融液的精制方法和真空精制装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于加热和熔化具有导电性的金属或半导体原料从而从其中移除杂 质的方法和装置，具体地，其涉及设计为实现用于本方法或装置的更长寿命的坩埚的纯化 方法和真空纯化装置。 现有技术
[0002] 典型的纯化方法是真空冶金法和熔渣精炼法。在这些中，真空冶金法是这样一种 方法，其中熔融原料在处于真空状态下的坩埚中，并且通过将具有低蒸气压的组分从熔体 表面蒸发来将熔体中的杂质蒸发。另一方面，熔渣精炼法包括将辅助原料加入至坩埚中的 熔融原料中并在熔体的上部或下部形成熔渣层，以及利用熔体与熔渣界面的化学势的差异 将熔融原料中的杂质转移至熔渣侧。
[0003] 近年来，已经开发了旨在增加纯度的纯化工艺，并且在这些中，就用于太阳能电池 的硅原料的纯化方法而言，已经开发了实现大于6N(99. 9999% )的纯度的处理技术（参考 非专利参考文献3和4,以及专利参考文献2和3)，尤其是，能够处理在界面处反应速度慢 的组分如硼（B)和磷（P)的工艺的进行已经成为可能（参考非专利参考文献4,专利参考文 献 3、4、5)。
[0004] 然而，在硅的纯化中，就以磷代表的具有高蒸气压的元素而言，已经存在通过在真 空炉中将熔融硅保持在其熔点以上的高温的来将其移除的方法的提案（参考专利参考文 献3、4、5)，但是，作为可以在真空条件下洁净地保持熔体的坩埚，可以廉价提供的那些限于 石英或石墨制造的那些（参考专利参考文献6、7、8)。
[0005] 此外，在用于纯化金属或半导体的熔融原料的工艺中，通常对熔体进行搅拌（参 考非专利参考文献1)以便增加纯化效率。因为杂质的排出仅在熔体与气相或与熔渣的界 面进行，适宜的是搅拌熔体以将熔体中的杂质有效地输送至界面。
[0006] 通常使用搅拌部件如桨和叶轮实现熔体的机械搅拌。然而，金属和半导体原料的 熔点是高温，此外它们中的许多是化学反应性的，从而使搅拌构件的寿命变短，或者，使搅 拌部件或搅拌部件中的杂质溶解至熔融原料中，并且在许多情况下这成为对本来的纯化目 的的阻碍。出于这种原因，在金属和半导体的纯化中，因为熔体本身是导电的，在其中在不 与其接触的情况下借助交流电磁场搅拌熔体的方法是广泛使用的。可以实施通过交流电磁 场搅拌熔体的装置分类为借助永磁体的感应炉以及借助移动磁场的电磁搅拌装置。
[0007] 其中，感应炉在熔体中产生感应电流，并且借助伴随其的洛伦兹力实现搅拌的同 时，其借助感应电流实现焦耳加热，并且采用这种形式的炉多数被称为感应加热炉。这些炉 的典型构造具有在坩埚外周的耐火材料的外侧周围盘绕数次至数十次的水冷螺线管，并且 导致交流电流以数百至数KHz的频率在此线圈中流动。这些炉可以借助频率在某种程度上 调节注入至熔体的热能和搅拌的动能的分配，并且当频率低时，搅拌效率高,并且当频率高 时，加热效率高。
[0008] 已经存在搅拌熔融硅的装置的提案，其不采用感应炉方式的强力搅拌，此外不采 用外部附设的感应加热装置，而是通过在布置为包围炉内坩埚的电阻加热器中采用三相电 流，在坩埚中的熔体中产生移动磁场，并且旋转坩埚中的熔体（参考专利参考文献6)。
[0009] 电磁搅拌装置在坩埚或炉的外周侧上设置用于产生移动磁场的线圈。因为这些装 置仅搅拌熔体而不负责加热熔体，移动磁场的设计的尺寸大，并且有助于搅拌能力的调节。 这种类型的典型设备是ASEA-SKF炉，并且除非专利参考文献2中公开的旋转磁场装置外， 也已经存在专利参考文献1中公开的装置的提案。
[0010] 以这种方式，通常，具有导电性的熔融金属或半导体以熔融状态容纳在坩埚中，并 且在借助熔渣反应或气体反应将此熔体纯化的工艺中，在通过非接触方式搅拌熔体的方法 中采用电磁力，从而使精炼反应高效并且防止被杂质污染。
[0011] 现有技术参考文献
[0012] 专利参考文献
[0013] 专利参考文献1 :日本特开平10-25190号公报
[0014] 专利参考文献 2 :W0 2008-031229
[0015] 专利参考文献3 :日本特开平2005-231956号公报
[0016] 专利参考文献4 :日本特开平2006-315879号公报
[0017] 专利参考文献5 :日本特开平2007-315879号公报
[0018] 专利参考文献6 :日本特开平10-25190号公报
[0019] 专利参考文献7 :日本特开平9-309716号公报
[0020] 专利参考文献8 :日本特开平2005-281085号公报
[0021] 非专利参考文献
[0022] 非专利参考文献 1 :J. Szekely，Fluid Flow Phenomena in Material Processing(材料处理中的流体流动现象），第191页（1979)Academic Press。
[0023] 非专利参考文献2 :Revolving magnetic field devices (旋转磁场装置），浅井滋 生，An introduction to magnetic materials processing(磁力材料处理入门）（2000) Uchida Rokakuho
[0024] 非专利参考文献 3 J. R. Davis 等人，IEEE Trans. Elec. Dev. ED27,677 (l98〇)
[0025] 非专利参考文献 4 :N. Yuge 等人，Solar Energy Materials and Solar Cells (太 阳能材料和太阳能电池）34, 243 (1994) 发明概要
[0026] 本发明所要解决的问题
[0027] 然而，在使用电磁领域的常规搅拌技术的纯化方法中，出现下列问题。
[0028] 第一个需要解决的问题是坩埚的腐蚀。换句话说，当感应炉将坩埚中的大体积的 具有高熔点的原料纯化时，熔体的搅拌作用过度，并且坩埚的腐蚀高。坩埚的腐蚀的机制并 不清楚，但是理解如下。
[0029] 当存在过度搅拌时，通常伴随流体通量的不稳定性，并且在频繁的过度搅拌情况 下的坩埚的腐蚀是非均匀地进行的。因此，在坩埚的表面中形成明显的起伏。起伏部导致 热应力的集中，破坏坩埚以及产生熔体的泄漏。尤其是，与高频率的使用有关，对于高容量 的坩埚，作为交流电的趋肤效应的结果，从能量效率的观点来看，这种搅拌变得过度，并且 频繁发生腐蚀。因此，在长时间的精炼中，腐蚀的量变高，并且难以通过将坩埚加厚来解决。
[0030] 此外，作为第二个问题，在石英和石墨二者的情况中，因为存在其通过熔体的一些 熔融，在目的为高度精炼的工艺中，限制速度的工艺是与杂质移除直接相关的界面反应，而 不是搅拌，并且在此情况下，已经确认了关于作为过度搅拌的结果的坩埚的腐蚀以及来自 坩埚的杂质与纯化原料的无意混合的问题。
[0031] 考虑到以上确认的问题，建立将坩埚的腐蚀限制至最低的技术是非常重要的问 题。尤其是，在用于太阳能电池的硅的精制中，在近年来对高洁净性的要求已经不断增长地 进行的情况下，该问题是极其重要的。
[0032] 因此，就金属和半导体材料的精制而言，本发明以下列为目的：提供精制方法和真 空精制装置，其为精制反应维持足够的熔体搅拌能力，此外能够将坩埚的腐蚀抑制到最低。 [0033] 解决问题的手段
[0034] 出于这种原因，本发明人对于金属或半导体熔体的精制方法关注流动性、流动形 态、以及被称为通常所说的埃克曼（Ekman)层的区域。之后，通过确保在坩埚的底面与由熔 体旋转所得到的熔体的界面不发生埃克曼流的不稳定性现象，从而维持足以用于精制反应 的搅拌能力，不使其过多或不足，并且发现作为其结果，可以将坩埚的腐蚀抑制为最低，从 而完成了本发明。
[0035] 换句话说，本发明是一种熔融金属或半导体的纯化方法，所述纯化方法在借助旋 转磁场搅拌容纳在坩埚中的所述金属或半导体熔融液的同时进行纯化，所述坩埚由被布置 成包围所述坩埚的外壁的加热器加热，其特征在于，当所述熔融液的动态粘度系数为v(m 2/ 秒），所述熔融液的液面半径为R(m)，并且所述熔融液的旋转角速度为Ω (弧度/秒）时， 进行纯化以使由以下等式（2)表示的雷诺数Re值不超过600。
[0036] Re = RX (Ω/ν) ~ (1/2)... (2)
[0037] 此外，本发明提供一种真空纯化装置，所述真空纯化装置设置有：用于将包括金属 或半导体的纯化对象放入其中的坩埚，收容所述坩埚的、加热并熔融在所述坩埚中的所述 纯化对象的具有圆形开口部的电阻加热器，以及设置成包围所述电阻加热器周围的绝热材 料，它们全部设置在真空容器中，其特征在于，所述电阻加热器设置有：从布置在所述坩埚 底部中央的底部中心发热元件延伸并且沿着所述坩埚底部外壁面周围基本三等分设置的 三个底部圆弧状发热元件、在与所述底部圆弧状发热元件基本平行的位置沿着所述坩埚躯 干部外壁面周围基本三等分设置的三个躯干部圆弧状发热元件、和各自从所述底部圆弧状 发热元件的尖端延伸设置的将底部连接发热元件和所述躯干部圆弧状发热元件相互联结 的连接发热元件，并且所述三个躯干部圆弧状发热元件分别在所述连接发热元件的相反侧 的尖端具备与电极连接的电极端子，形成三相交流电路，并且此外，所述底部圆弧状发热元 件的横截面的中心与所述躯干部圆弧状发热元件的横截面的中心之间的距离为h、并且在 联结所述三个躯干部圆弧状发热元件的横截面的中心所形成的中心线圆的半径为a的情 况下，h/a小于或等于0. 3,此外所述底部圆弧状发热元件与所述躯干部圆弧状发热元件之 间的距离等于或大于20mm。
[0038] 首先，在本发明中关注流动性的原因如下。
[0039] S卩，在当使用旋转磁场搅拌熔融金属或半导体时进行的纯化中的坩埚的腐蚀通过 在坩埚的材料和熔体的界面处的它的溶解或化学反应而使坩埚磨损，并且所述腐蚀的速度 是通过热力学指标例如温度或浓度等确定的，但是在实际的加工装置中，在许多情况下材 料输送是限速因素，并且在实施中受到熔体的流动性大的影响。因此，当存在流动性时，因 为在与熔体的界面处的材料输送的提高，发生较大的腐蚀。
[0040] 此外，在本发明中关注流动形态的原因如下。
[0041] 即，在流动性方面，存在层流、不稳定流和乱流的形态的差异，并且因为腐蚀的形 态也反映熔体的流动形态，腐蚀的速度与流速不是单纯的成比例，而是随流动形态变化。例 如，具有的结构不稳定流导致局部的不均匀腐蚀，并且产生不均匀的界面，并且在产生由不 均匀性引起的增加的界面表面积的同时，存在对熔体的流动性的轻微的阻碍，因此促进了 额外的腐蚀，并且所述腐蚀的速度具有以指数方式加速的特性。
[0042] 此外，在本发明中关注被称为埃克曼层的区域的原因如下。
[0043] 因为熔融金属或半导体的熔体的粘度非常低，就使用磁场搅拌而言，坩埚中大多 数熔体具有固定的角速度并且可以被认为作为刚体（rigid body)旋转。因为在与静止坩 埚的界面处的流速必须不为零，已知的是，在刚体旋转区域与坩埚的内表面之间产生被称 为埃克曼层的区域（参考H.P. Greenspan, The theory of rotating fluids (旋转流体的 理论），（1966) Cambridge Univ. Press)。
[0044] 下面，解释在考虑到流动性、流动形态和通常所说的埃克曼层的情况下构想的本 发明。
[0045] 首先，埃克曼层的厚度δ e由熔体的旋转角速度Ω (弧度/秒）、熔体的动态粘度 系数v(m2/秒）通过以下等式⑴表达：
[0046] δ e = (ν/ Ω ) ~ (1/2)... (1)
[0047] 在刚体旋转区域中，几乎不存在朝向旋转中心的部分，但是在埃克曼层的内部中， 流中存在朝向坩埚的中心部的部分。因此，就坩埚的底表面附近而言，产生了以从坩埚的外 周朝向中央的螺旋描述的流，如在图1中所示。
[0048] 在底面处的坩埚底中央部中集中的流沿坩埚的中心轴上升而在自由表面处露出， 并且是以向着内壁外周侧前进并沿着坩埚内壁侧表面下降的相反的螺旋描述的流，并且在 循环流中产生再次以朝向坩埚中心部的螺旋描述的二次流。图2表示坩埚的中央截面中的 这种二次循环的外观。
[0049] 坩埚内壁表面的腐蚀被认为是受界面层流动的影响，但是这个区域是流速变化大 的位置，并且是发生最不稳定熔体流动的区域，并且已知的是，这种不稳定性被称为埃克 曼流动不稳定性并且已知具有独特的流动形式。例如，在P. J. Thomas和F. Zoueshtiagh， J. Eng. Math. 57, 317 (2007)等中展示了可视化的埃克曼层不稳定流动形式，但是发明人发 现这种形式类似于实际坩埚的腐蚀形式。
[0050] 图3是表示在硅纯化中使用之后石墨坩埚的底部内表面的草图，并且因这种腐蚀 而形成了不计其数的凹痕条带，并且认为在该腐蚀的形貌中反映了埃克曼层的流动的特 性。
[0051] 当这种类型的具有凹痕的腐蚀进一步发展时，这些凹痕中的热应力集中高到不能 被忽略，并且在比如由石墨制成的那些脆性坩埚中产生破裂，并且存在熔体可能从其中泄 漏的高度危险。
[0052] 因为产生不稳定流的条件，考虑到区域的大小（代表长度），受被处理的熔体的粘 度和流速影响，通常，如果代表长度为L，流体的动态粘度系数为v，并且代表流速为U，则作 为可计算的无量纲数的雷诺数Re的值得以确定。
[0053] 发明人认为，在此工艺（金属等的纯化）问题中，认为代表长度是等式（1)中表示 的界面层厚度S e，并且选取熔体表面的圆周速度作为代表速度，是适合的。因此，当熔体表 面的半径为R(m)并且熔体为旋转角速度为Ω (弧度/秒）时，则因为特征流速U为：
[0054] U = Ω X R，
[0055] 使用前式（1)，雷诺数是如在以下等式（2)中所表示的：
[0056] Re = UX δ e/v = Ω XRX δ e/v = RX (Ω /v) ~ (1/2)…（2)
[0057] 在此等式（2)中，因为雷诺Re取决于容器的大小、所使用的原料、和作为运行参数 的熔体的旋转角速度Ω，如果确定将要使用的原料和坩埚的大小，则流动不稳定性的产生 取决于旋转角速度，并且这意味着随着熔体旋转角速度的增大，产生不稳定性的风险增大。
[0058] 根据由发明人在纯化装置中进行的实验的实验结果，发现产生其中坩埚的腐蚀以 指数方式发展的流动不稳定性的Re条件为：当等式（2)中定义的雷诺数Re值大于600时。 因此，根据所使用的原料的动态粘度系数和所使用的坩埚的内径，通过在Re < 600的条件 下运行，实现通过防止产生不稳定性来抑制坩埚的腐蚀。现在，关于雷诺数Re的下限，雷诺 数越低，坩埚的腐蚀越低，但是为了确保熔体的搅拌功能，作用于熔体上的惯性力需要超过 粘滞力，并且根据雷诺数的定义（Re =惯性力/粘滞力），该值必须大于1，并且更优选大于 10。
[0059] 在这里，为了理解Re值，需要知道熔体的旋转角速度Ω，但是其可以通过在单位 时间段内观察坩埚中熔体表面，对自由漂浮在熔体表面上的杂质等的转数直接计数而容易 地导出。此外，因为由于熔体表面的热对流引起的温度微扰几乎随熔体的旋转而旋转，通过 使用辐射温度传感器连续测量熔体表面的温度变化，能够通过分析该时序信号的峰频率而 将其导出。
[0060] 如果在运行期间的旋转角速度高，并且Re值大于临界值，仅需降低旋转角速度 Ω ,从而使Re值变得小于临界值。
[0061] 另一方面，理论上已知，计算出的熔体的旋转角速度(弧度/秒），当由加热 器产生的熔体中的旋转磁场的平均强度为Β(特斯拉）、加热器中所使用的交流电的频率 为f (Hz)、因设置加热器而得到的旋转磁场的极数为η时，是可以按照等式￠)中估算的 (P. A. Davidson 和 J. C. R. Hunt，J. Fluid Mech.，185,67,（1987))。之后，优选地，进行金属 或半导体的纯化，以使由以下等式（2'）表示的雷诺数 Re的值不超过600。
[0062] Qb = 2X π XfXn... (4)
[0063] V = QbXRX ((〇B~2/(16X QbX ρ))~(1/2)- (5)
[0064] Qc = (V/R) X (0· 88XLn(VXR/v)+l)…（6)
[0065] Re = RX ( Ω c/v) ~ (1/2)…（2，）
[0066] 在这里，等式（4)的Qb是旋转磁场的转数（rpm)，v是熔体的动态粘度系数（m2/ 秒），σ是熔体的电导率（1/Ωπι)，p是熔体的密度（kg/m 3)，R是熔体的熔融表面半径（m)， 并且等式（5)中的V是代表速度。此外，Ln是自然对数，·'表示指数。
[0067] 如可以根据这些等式理解的，为了降低熔体的旋转角速度的理论估算值Ω c，并因 此将Re降低至600以下，使B变得足够小就足够了，但是这是通过降低流经加热器的电流 而实现的。电流的降低意味着向电阻加热器提供的电功率降低。实际上，这类似于在低温 下进行操作。然而，因为低温操作降低在界面处的反应速度，这可能会造成对纯化工艺效率 的负面影响。出于这种原因，当这些类型的问题出现时，如下所述，可以通过改进设备如改 进炉内材料来解决这些问题。
[0068] 第一，存在下列措施：增加炉中绝热材料的材料厚度，以及通过其中将这种材料更 换为具有更低导热率的材料的方法，以及借助添加辐射热阻挡面板等，其中坩埚与炉壁之 间的绝热能力可以得到增强。通过这些措施，能够在低电功率下，除了抑制熔体的旋转角速 度之外，同时维持熔体的所需温度，来进行操作。
[0069] 第二，存在对所采用的电阻加热器的构造的更改。例如，通过借助减小加热元件的 横截面积或延长电阻加热器的长度来增加加热器的电阻值，能够在较低电流下进行操作， 同时维持加热功率，实现小于等式（2)的条件的熔体的旋转角速度。
[0070] 此外，当存在使加热器的加热元件的一部分折叠的构造时，将元件与元件相邻设 置，此外每个折叠的部件的电流方向相对，使得由每个加热元件产生的磁场彼此抵消，且熔 体接收的磁场的强度可以降低。例如，当电阻加热器具有设置在坩埚底部中央的底部中心 发热元件时，通过设置从其延伸并沿着坩埚的底部外壁面周围基本三等分设置的3个底部 圆弧状发热元件、在与底部圆弧状发热元件基本平行的位置并且沿着坩埚的躯干部外壁面 周围基本三等分设置的3个躯干部圆弧状发热元件、以及从底部圆弧状元件的尖端延伸形 成的使底部连接发热元件和躯干部圆弧状发热元件各自联结的连接发热元件，来形成三相 交流电路，因为经由连接发热元件所连接的底部圆弧状发热元件和躯干部圆弧状发热元件 中的电流方向相反，所以熔体接收的磁场强度降低，并且是更优选的。
[0071] 尤其是，作为发明人在反复试验和错误的同时进行开发的结果，发现当底部圆弧 状加热元件的横截面的中心与躯干部圆弧状发热元件的横截面的中心之间的距离为h时， 并且当连接三个躯干部圆弧状发热元件的横截面的中心形成的中心线圆的半径为a时，如 果电阻加热器中h/a小于0. 3,而且当底部圆弧状发热元件与躯干部圆弧状发热元件之间 的距离大于20mm时，可以有效地进行纯化工艺，同时确保不超过临界角速度，以使雷诺数 Re不超过600。
[0072] 此外，即使将加热器设置在远离坩埚的位置处，也可以在维持加热能力的同时抑 制熔体中的磁场强度，使得熔体的旋转角速度降低。
[0073] 第三，存在对所采用的坩埚的材料规格的更改。作为坩埚的材料，因为可以通过坩 埚的电磁屏蔽效应，通过增加坩埚的材料厚度或采用具有高电导率的材料作为坩埚的材料 来削弱熔体中的磁场，可以在维持加热能力的同时抑制熔体中的磁场强度，使得熔体的旋 转角速度降低。
[0074] 从上面提出的三个措施出发，基于如在等式（5)和（6)中所表示的与B的关 系，因此熔体的旋转角速度不超过引起如以上所示出的熔体的流动不稳定性的临界值，通 过实现上述三个改进措施，在炉中绝热材料、坩埚、加热器方面，对包括它们的构造和炉内 配置在内进行设计，实现了具有提高的效率的装置。实际上，可以使用广泛用于电磁场分布 分析的数值模拟程序包（J-MAG、ANSYS-Emag、VF-〇pera等），精确计算熔体中由电阻加热器 产生的磁场强度（磁场强度的平均值B)。
[0075] 此外，在本发明的金属和半导体熔体的纯化方法中，作为多次累积运行的结果，从 防止在坩埚底部的一定方向（右螺旋或左螺旋）上的连续腐蚀的观点来看，可以在进行纯 化操作时以任意间隔加入坩埚中熔体的旋转方向的反向操作。换句话说，当如从坩埚上方 观察坩埚中熔体顺时针旋转时切换为逆时针方向，而且，当逆时针方向时切换至顺时针方 向，可以以特定的间隔进行操作，并且发现，只要让坩埚中熔体的旋转方向在加工期间一样 地反转就可以了。
[0076] 为了反转坩埚中熔体的旋转方向，例如，当由向电阻加热器供电的三相电流电源 产生旋转磁场时，仅需要反转该旋转磁场的旋转方向。具体地，如果存在的话，三相电流的 三条线缆中的两条交叉，三条线缆的旋转对称性导致反向旋转。当然，可以采用除了将线缆 交叉以外的方法，在保持线缆连接为原样的同时，进行任何类型的交流电源换向，可以实现 其旋转磁场的旋转方向的反转。
[0077] 发明效果
[0078] 在采用旋转磁场的纯化方法中，坩埚腐蚀增加的主要原因是埃克曼流不稳定现 象，并且防止这种不稳定现象的发生在实现坩埚腐蚀速度的显著抑制方面是非常有效的。
[0079] 此外，通过在不超过产生流动不稳定性的临界条件的条件下进行操作，使流动能 够保持形态，从而在保持光滑形貌的同时在设定速度下进行，而不加重因流动不稳定性而 造成的坩埚的加速腐蚀，具有本质上延长坩埚寿命的明显效果。
[0080] 在金属和半导体材料的精炼中，在维持用于精制反应的熔体的足够的搅拌能力且 将坩埚的磨损抑制到最低的同时，连续使用一个坩埚实现了增加量的原料的精炼，在与基 于坩埚材料的材料成本、更换坩埚所需的时间、电源的公用设施费用等相关的方面实现了 明显的效果，得到了减少的运行损失。
[0081] 此外，能够防止由伴随因腐蚀导致的凹痕加深的热应力集中所导致的坩埚破裂而 引起的泄漏事故，并且实现归因于长期连续安全运行的明显效果。
[0082] 此外，作为结果，具有实现促成以较便宜的价格提供高纯度金属材料或半导体材 料的明显益处。
[0083] 附图简述
[0084] 图1 :坩埚底部边界层中流动形式的示意图。
[0085] 图2 :坩埚截面的二次循环流的示意图。
[0086] 图3 :坩埚底面的腐蚀状态的示意图
[0087] 图4 :纯化炉的截面图
[0088] 图5 :组装的加热器的外观图
[0089] 图6 :加热器的部件图
[0090] 图7:加热器的电路图
[0091] 图8 :实施例2中使用的组装的加热器的外观图
[0092] 图9 :比较例1中使用的坩埚的截面图
[0093] 图10 :实施例3中使用的坩埚的截面图
[0094] 图11 :表示加热器的底部圆弧状发热元件与躯干部圆弧状发热元件的位置关系 的图
[0095] 图12 :表示加热器h/a值与内部侧的磁场强度的关系的图
[0096] 发明实施方案
[0097] 用于采用本发明的纯化方法来纯化熔融金属或半导体的纯化装置，例如，如在图4 中所示，采用真空，并且通过将杂质从金属或半导体的熔融原料中蒸发，可以提高这些原料 的纯度。所述装置具有对称的旋转轴型构造，并且将作为纯化对象的原料3装载至坩埚4 中，并且将电阻加热器5设置成包围所述坩埚4的外侧。通过使电流经过并加热所述加热 器5,借助辐射热使坩埚4中的原料5熔融，此外使得可以加热至将杂质有效蒸发的温度。
[0098] 此外，为了有效蒸发杂质，将加热器5和在其中具有原料3的坩埚4以被绝热材料 7包围的状态设置在真空容器2内。将排气端口 8设置在真空容器2的上部，并且构造是其 中真空泵1与该位置连接的构造。此外，电极端口 9设置在真空容器2上以便向通过它加 热器电极6供电，并且与加热电源11连接。
[0099] 如在附图5和6的组装外观图和部件图中所示的，在此所采用的电阻加热器5是 具有包括三个电极端子的三角形硬连线（delta hardwired)三相交流电路的构造的加热 器。这个实施方案的电阻加热器5具有在环外侧周围连接三个臂的形状：布置在坩埚4的 底部中央的底部中心发热元件5e ;从所述底部中心发热元件5e延伸设置并沿着坩埚4的 底部外壁面周围基本三等分设置的三个底部圆弧状发热元件5al、5a2和5a3 ;在与底部圆 弧状发热元件基本平行的位置且沿着坩埚的躯干外壁面周围基本三等分设置的三个躯干 部圆弧状发热元件5cl、5c2和5c3 ;从每个底部圆弧状元件5al、5a2和5a3的尖端延伸的、 联结底部连接发热元件5al、5a2和5a3与躯干部圆弧状发热元件5cl、5c2和5c3的连接发 热元件5bl、5b2和5b3 ;并且在三个躯干部圆弧状发热元件5cl、5c2和5c3上的在连接发 热元件5bl、5b2和5b3的相反侧的尖端设置与电极连接的电极端子5dl、5d2和5d3。之后， 由与这些电极端子连接的三个电极6a、6b和6c形成三相交流电路。
[0100] 如在图7中所示的此加热器的电路以及3个端子与50Hz或60Hz三相电流电源连 接。因此，这个加热器不仅通过电阻加热产生热，而且旋转磁场到达坩埚的内部，实现坩埚 中熔体的搅拌。此外，在以上实施方案的电阻加热器中，布置在坩埚底部中央的底部中心发 热元件5e配备有在周围的三个臂工具，从而与单纯的环形的或盘形的并且从那些底部圆 弧状发热元件延伸设置的底部中心发热元件5e相比，进一步增加加热能力。此外，作为从 中央的中心点的三个方向上放射状延伸的底部中心发热元件5e，可以采用形成Y硬连线型 三相交流电路的电阻加热器。
[0101] 在这种纯化装置中，借助磁场分布的数值模拟，就精制操作中所需的最大的导入 功率点而言，优选将坩埚内部的平均磁场强度B设计为满足具有基于等式（4)和（5)、按照 等式（6)计算的小于600的雷诺数的条件。其原因是，通常，最大的导入电功率是在最初使 作为纯化对象的原料熔融时，并且之后在进行超过大约数十小时的纯化时，运行的功率是 约为以上功率的70%的功率。现在，这种纯化装置提供了在将纯化的熔体排出之后，实现 对向空坩埚中加入原料的处理的熔体排出功能，实现了在一个坩埚中连续进行多次纯化过 程。
[0102] 在上下文中，关于电阻加热器，由每个发热元件产生的磁场彼此抵消，并且因此可 以降低作用于熔体上的磁场强度，当底部圆弧状发热元件的横截面的中心与躯干部圆弧状 发热元件的横截面的中心之间的距离为h、并且连接三个躯干部圆弧状发热元件的横截面 的中心形成的中心线圆的半径为a时，优选的是，h/a小于0. 3,而且底部圆弧状发热元件与 躯干部圆弧状发热元件之间的距离大于20mm。下面描述在这里h/a小于0. 3的原因。此 夕卜，底部圆弧状发热元件与躯干部圆弧状发热元件之间的距离大于20mm的原因是因为，当 发热元件之间的距离变得比这小时，可能产生放电。
[0103] 首先，借助在躯干部圆弧状发热元件和底部圆弧状发热元件中流动的电流所产生 的磁场是借助具有相同轴的两个环形电流产生的磁场的一部分，并且基于图11中表不的 关于加热器的中心轴的垂直截面估算。在这里，在轴左侧表示躯干部圆弧状发热元件5cl 和底部圆弧状发热元件5al，并在中心轴的右侧镜像表示5cl'和5al'，并且在5cl和5al' 中，电流从纸面内流向纸面外，而在5al和5cl'中，电流从纸面外流向纸面内。
【权利要求】
1. 一种金属或半导体熔融液纯化方法，所述金属或半导体熔融液纯化方法在借助旋转 磁场搅拌容纳在坩埚中的所述金属或半导体熔融液的同时进行纯化，所述坩埚由被布置成 包围所述坩埚的外壁的加热器加热， 其特征在于，当所述熔融液的动态粘度系数为V(m2/秒），所述熔融液的液面半径为 R(m)，并且所述熔融液的旋转角速度为Ω (弧度/秒）时，进行纯化以使由以下等式（2)表 示的雷诺数Re值不超过600 Re = RX (Ω/ν)~(1/2)... (2)。
2. 根据权利要求1所述的金属或半导体熔融液纯化方法，其特征在于，以所述熔融液 中磁场强度的平均值为Β (特斯拉），旋转磁场的转数为Ω b (rpm)，所述熔融液的液面半径 为R(m),所述烙融液的动态粘度系数为v(m2/秒），所述烙融液的电导率为σ (1/Ωηι)和 所述熔融液的密度为P (Kg/m3)为基础，基于以下等式（5)中表示的代表速度V，导出由以 下等式（6)表示的所述熔融液的旋转角速度的理论推定值Q C，进行纯化以使由下列等式 (2'）表示的雷诺数Re值不超过600 : V = QbXRX ((〇B~2)/(16X QbX Ρ)Γ(1/2)…（5) Ω c = (V/R) X (0· 88 X Ln (V X R/v)+1)…（6) Re = RX ( Ω c/v)~ (1/2)…（2,）。
3. 根据权利要求1或2所述的金属或半导体熔融液纯化方法，其特征在于，以任意间隔 加入将所述坩埚中所述熔融液的旋转方向反转的操作。
4. 一种真空纯化装置，所述真空纯化装置设置有：用于将包括金属或半导体的纯化对 象放入其中的坩埚，收容所述坩埚的、加热并熔融在所述坩埚中的所述纯化对象的具有圆 形开口部的电阻加热器，以及设置成包围所述电阻加热器周围的绝热材料，它们全部设置 在真空容器中， 其特征在于，所述电阻加热器设置有：从布置在所述坩埚底部中央的底部中心发热元 件延伸并且沿着所述坩埚底部外壁面周围基本三等分设置的三个底部圆弧状发热元件、在 与所述底部圆弧状发热元件基本平行的位置沿着所述坩埚躯干部外壁面周围基本三等分 设置的三个躯干部圆弧状发热元件、和各自从所述底部圆弧状发热元件的尖端延伸设置的 将底部连接发热元件和所述躯干部圆弧状发热元件相互联结的连接发热元件，并且所述三 个躯干部圆弧状发热元件分别在所述连接发热元件的相反侧的尖端具备与电极连接的电 极端子，形成三相交流电路，并且此外，所述底部圆弧状发热元件的横截面的中心与所述躯 干部圆弧状发热元件的横截面的中心之间的距离为h、并且在联结所述三个躯干部圆弧状 发热元件的横截面的中心所形成的中心线圆的半径为a的情况下，h/a小于或等于0. 3,此 外所述底部圆弧状发热元件与所述躯干部圆弧状发热元件之间的距离等于或大于20mm。
【文档编号】C01B33/037GK104245579SQ201280069123
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年2月6日 优先权日:2012年2月6日
【发明者】岸田丰, 堂野前等, 近藤次郎, 后藤洁, 大桥渡 申请人:菲罗索拉硅太阳能公司