(57)【要約】(a)溶媒金属、シリコン、およびハロゲン化アルカリマグネシウムから溶融液を形成する工程;(b)溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程;ならびに(c)母液からシリコン結晶を分離する工程を含む方法を開示する。2015521583.tif 000004
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(a)溶媒金属、シリコン、およびハロゲン化アルカリマグネシウムから溶融液を形成する工程;
(b)溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程;ならびに
(c)母液からシリコン結晶を分離する工程
を含む、方法。
【請求項２】
シリコンを精製するための方法である、請求項1記載の方法。
【請求項３】
シリコン結晶がリンから精製される、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
シリコン結晶がホウ素から精製される、請求項1〜3のいずれか一項記載の方法。
【請求項５】
溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させる、請求項1〜4のいずれか一項記載の方法。
【請求項６】
溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させ、このとき、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分において溶融液と接触させる、請求項1〜5のいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させ、このとき、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分に注入することによって、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分において溶融液と接触させる、請求項1〜6のいずれか一項記載の方法。
【請求項８】
溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させ、このとき、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分に注入することによって、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分において溶融液と接触させて、ハロゲン化アルカリマグネシウムを浮遊させるか、または溶融液の上面まで上がるようにさせる、請求項1〜7のいずれか一項記載の方法。
【請求項９】
溶融液と接触するシリコンが金属グレード(MG)シリコンである、請求項1〜8のいずれか一項記載の方法。
【請求項１０】
溶融液と接触するシリコンが、リンレベルが約60ppmwまでの金属グレード(MG)シリコンである、請求項1〜9のいずれか一項記載の方法。
【請求項１１】
溶融液と接触するシリコンが、ホウ素レベルが約15ppmwまでの金属グレード(MG)シリコンである、請求項1〜10のいずれか一項記載の方法。
【請求項１２】
母液から分離されたシリコン結晶が約8ppmw未満のリンを含む、請求項1〜11のいずれか一項記載の方法。
【請求項１３】
母液から分離されたシリコン結晶が約4ppmw未満のリンを含む、請求項1〜12のいずれか一項記載の方法。
【請求項１４】
母液から分離されたシリコン結晶が約5ppmw未満のホウ素を含む、請求項1〜13のいずれか一項記載の方法。
【請求項１５】
母液から分離されたシリコン結晶が約1ppmw未満のホウ素を含む、請求項1〜14のいずれか一項記載の方法。
【請求項１６】
溶媒金属が銅、スズ、亜鉛、アンチモン、銀、ビスマス、アルミニウム、カドミウム、ガリウム、インジウム、マグネシウム、鉛、およびその合金の少なくとも1つを含む、請求項1〜15のいずれか一項記載の方法。
【請求項１７】
溶媒金属がアルミニウムを含む、請求項1〜16のいずれか一項記載の方法。
【請求項１８】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の少なくとも約0.05重量％で用いられる、請求項1〜17のいずれか一項記載の方法。
【請求項１９】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の少なくとも約0.10重量％で用いられる、請求項1〜18のいずれか一項記載の方法。
【請求項２０】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の約0.10重量％〜約5重量％で用いられる、請求項1〜19のいずれか一項記載の方法。
【請求項２１】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の約10重量％まで用いられる、請求項1〜20のいずれか一項記載の方法。
【請求項２２】
溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程が固相線温度より高い温度まで行われる、請求項1〜21のいずれか一項記載の方法。
【請求項２３】
溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程が固相線温度と液相線温度との間の温度まで行われる、請求項1〜22のいずれか一項記載の方法。
【請求項２４】
母液から分離されたシリコン結晶が約3,000ppmw未満のアルミニウムを含む、請求項1〜23のいずれか一項記載の方法。
【請求項２５】
母液から分離されたシリコン結晶が約1,500ppmw未満のアルミニウムを含む、請求項1〜24のいずれか一項記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも約240kgのシリコン結晶が得られる、請求項1〜25のいずれか一項記載の方法。
【請求項２７】
工程(a)〜(c)のいずれか1つまたは複数が1回または複数回繰り返される、請求項1〜26のいずれか一項記載の方法。
【請求項２８】
工程(a)〜(c)はそれぞれ独立して1回または複数回繰り返される、請求項1〜27のいずれか一項記載の方法。
【請求項２９】
バッチ様式または連続様式で行われる、請求項1〜28のいずれか一項記載の方法。
【請求項３０】
母液が少なくとも約1,000ppmwのアルミニウムを含む、請求項1〜29のいずれか一項記載の方法。
【請求項３１】
シリコン結晶の平均直径が少なくとも約0.5cmである、請求項1〜30のいずれか一項記載の方法。
【請求項３２】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが合成カーナライトを含む、請求項1〜31のいずれか一項記載の方法。
【請求項３３】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが無水カーナライトを含む、請求項1〜32のいずれか一項記載の方法。
【請求項３４】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが塩化カリウムマグネシウムを含む、請求項1〜33のいずれか一項記載の方法。
【請求項３５】
ハロゲン化アルカリマグネシウムがKMgCl3、K2MgCl4、K3Mg2Cl7、Na2MgCl4、およびMgNaCl3の少なくとも1つを含む、請求項1〜34のいずれか一項記載の方法。
【請求項３６】
ハロゲン化アルカリマグネシウムがKMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の少なくとも1つを含む、請求項1〜35のいずれか一項記載の方法。
【請求項３７】
ハロゲン化アルカリマグネシウムがKMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の組み合わせを含む、請求項1〜36のいずれか一項記載の方法。
【請求項３８】
シリコン結晶が少なくとも約98重量％の純度である、請求項1〜37のいずれか一項記載の方法。
【請求項３９】
溶融液を形成するシリコンの純度が約98重量％未満である、請求項1〜38のいずれか一項記載の方法。
【請求項４０】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが微粒子としての塩化カリウムマグネシウムを含む、請求項1〜39のいずれか一項記載の方法。
【請求項４１】
ハロゲン化アルカリマグネシウムが顆粒状の塩化カリウムマグネシウムを含む、請求項1〜40のいずれか一項記載の方法。
【請求項４２】
溶融液をマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、請求項1〜41のいずれか一項記載の方法。
【請求項４３】
溶融液を、溶融液の少なくとも約0.1重量％で用いられるマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、請求項1〜42のいずれか一項記載の方法。
【請求項４４】
溶融液を、溶融液の約10重量％まで用いられるマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、請求項1〜43のいずれか一項記載の方法。
【請求項４５】
溶融液を、溶融液の約0.2〜5重量％で用いられるマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、請求項1〜44のいずれか一項記載の方法。
【請求項４６】
溶融液をMgCl2、KCl、およびNaClの少なくとも1つと接触させる工程をさらに含む、請求項1〜45のいずれか一項記載の方法。
【請求項４７】
溶融液を、塩素(Cl2)、酸素(O2)、窒素(N2)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、水素(H2)、六フッ化硫黄(SF6)、ホスゲン(COCl2)、四塩化炭素CCl4、水蒸気(H2O)、酸素(O2)、二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)、テトラクロロシラン(SiCl4)、およびテトラフルオロシラン(SiF4)の少なくとも1つと接触させる工程をさらに含む、請求項1〜46のいずれか一項記載の方法。
【請求項４８】
リンの少なくとも約25重量％がシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、請求項1〜47のいずれか一項記載の方法。
【請求項４９】
リンの少なくとも約33重量％がシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、請求項1〜48のいずれか一項記載の方法。
【請求項５０】
リンの約50重量％までがシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、請求項1〜49のいずれか一項記載の方法。
【請求項５１】
リンの約43重量％までがシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、請求項1〜50のいずれか一項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる、2013年3月15日に出願された米国特許仮出願第61/788,008号に係る優先権の恩典を主張し、2012年6月25日に出願された米国特許仮出願第61/663,874号に係る優先権の恩典を主張する。
【背景技術】
【０００２】
背景
太陽電池は、太陽光を電気エネルギーに変換する能力を用いることによってエネルギー源として現在利用されている。このような光起電力セルにおいてシリコンがほぼ独占的に半導体材料として用いられる。現在、太陽電池の使用の大きな制約はシリコンをソーラーグレード(SG)まで精製するコストと関係がある。現在のエネルギー需要および供給制限を考慮すると、金属グレード(MG)シリコン(またはソーラーグレードより多量の不純物を有する他の任意のシリコン)をソーラーグレードシリコンに精製するより費用効率の高い手法が著しく必要とされている。
【発明の概要】
【０００３】
概要
本発明は、(a)溶媒金属、シリコン、およびハロゲン化アルカリマグネシウムから溶融液を形成する工程;(b)溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程;ならびに(c)母液からシリコン結晶を分離する工程、を含む方法を提供する。
【０００４】
本発明の特定の態様の方法はシリコンを精製する(例えば、本方法は精製シリコンを提供する)。本発明のさらなる特定の態様の方法はリンからシリコンを精製する。本発明のさらなる特定の態様の方法はホウ素からシリコンを精製する。本発明のさらなる特定の態様の方法は、約4ppmw未満のリンを含む精製シリコンを提供する。本発明のさらなる特定の態様の方法は、約5ppmw未満のホウ素を含む精製シリコンを提供する。本発明のさらなる特定の態様の方法は、フレークまたは結晶の形で、少なくとも約0.5cmの平均直径を有する精製シリコンを提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】シリコンを精製する方法のブロックフロー図を示す。
【図２】シリコンを精製する方法のブロックフロー図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
詳細な説明
以下の詳細な説明は、詳細な説明の一部である添付の図面についての記載を含む。図面は、例示として、本発明が実施され得る特定の態様を示す。これらの態様は本明細書において「例」とも呼ばれ、当業者が本発明を実施できる程度に詳細に説明される。これらの態様は組み合わされてもよく、他の態様が用いられてもよく、本発明の範囲から逸脱することなく構造的および論理的な変更が加えられてもよい。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されてはならず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される。
【０００７】
本文書において、「1つの(a)」または「1つの(an)」という用語は1つまたは複数を含むために用いられ、「または」という用語は特に定めのない限り非排他的な「または」を指すために用いられる。さらに、本明細書において用いられ、特に定義がなされていない言葉遣いまたは専門用語は説明にすぎず、限定を目的としないことを理解しなければならない。さらに、本文書において言及された全ての刊行物、特許、および特許文書は一つ一つが参照により組み入れられるように、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。万一、本文書と、このように参照により組み入れられる文書との間で用法が一致しない場合には、組み入れられる参考文献の中の用法は本文書の用法を補うものであるとみなすべきである。相いれない不一致の場合、本文書の中の用法が優先される。
【０００８】
本明細書に記載の製造方法において、時間または操作の順序が明示的に説明されている場合を除いて、本発明の原理から逸脱することなく任意の順番で工程を行うことができる。最初に、ある工程が実施され、その後に他のいくつかの工程が実施される効果についての請求項における説明は、最初の工程が他の工程のいずれよりも前に実施されるが、他の工程の中で順序がさらに説明されない限り他の工程が任意の適切な順序で実施できることを意味すると解釈されるものとする。例えば、「工程A、工程B、工程C、工程D、および工程E」と説明する請求項の構成要素(claim element)は、最初に工程Aが行われ、最後に工程Eが行われ、工程Aと工程Eとの間で任意の順序で工程B、C、およびDを行うことができ、この順序は依然として、特許請求されたプロセスの文言の範囲内にあることを意味すると解釈されるものとする。所定の工程または工程の部分集合は繰り返されてもよい。
【０００９】
さらに、明示的な請求項の文言が、指定された工程が別々に行われると説明しない限り、指定された工程は同時に行われてもよい。例えば、Xを行う特許請求された工程およびYを行う特許請求された工程は1つの操作の中で同時に行われてもよく、結果として生じるプロセスは特許請求されたプロセスの文言の範囲内にある。
【００１０】
定義
本明細書において使用される場合、「ハロゲン化アルカリマグネシウム」とはMgX2およびYXに基づく二成分塩(binary salt)を意味する。式中、Xはハライドであり(例えば、それぞれのXは独立してClまたはBrである)、Yはアルカリ(例えば、KまたはNa)である。例えば、ハロゲン化アルカリマグネシウムとは、MgCl2、およびKClまたはNaClに基づく二成分塩を意味しうる。ハロゲン化アルカリマグネシウムは、YMgX3(例えば、KMgCl3またはMgNaCl3)、Y2MgX4 (例えば、K2MgCl4またはNa2MgCl4)、およびY3Mg2X7(例えば、K3Mg2Cl7)の少なくとも1つを含む化学組成物である。式中、Xはハライドであり(例えば、それぞれのXは独立してClまたはBrである)、Yはアルカリ(例えば、それぞれのYは独立してKまたはNa)である。具体的には、ハロゲン化アルカリマグネシウムは塩化カリウムマグネシウムを含みうる。
【００１１】
本明細書において使用される場合、「塩化カリウムマグネシウム」とはMgCl2およびKClの二成分塩を意味する。塩化カリウムマグネシウムは、KMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の少なくとも1つを含む化学組成物である。塩化カリウムマグネシウムは、例えば、Pyrotek(登録商標)(Spokane, WA)からPROMAG(合成無水カーナライト)として市販されている。塩化カリウムマグネシウムは水和していてもよく、無水でもよい。塩化カリウムマグネシウムは合成でもよく自然に生じるものでもよい。さらに、塩化カリウムマグネシウムは微粒子でもよく、顆粒状(0.03〜0.12in、すなわち0.8〜3.15mm)でもよい。
【００１２】
本明細書において使用される場合、「カーナライト」とは、式:KMgCl3・6(H2O)を有する、蒸発岩ハロゲン化鉱物である水和ハロゲン化アルカリマグネシウムを意味する。合成カーナライト結晶標本は、1.5モル百分率のKClおよび9.8モルのMgCl2・6H2Oによって、ならびに25℃でゆっくりと結晶化することによって再現することができる。
【００１３】
本明細書において使用される場合、「精製する」とは、1種類または複数種の外来物質または汚染物質からの関心対象の物質の物理的分離を意味する。対照的に、「不純物(impurities)」または「不純物(impurity)」とは、望ましくない1種類または複数種の外来物質または汚染物質を意味する。
【００１４】
本明細書において使用される場合、「溶融した」または「溶融液」とは、溶融されて一緒になった1種類または複数種の物質を意味する。
【００１５】
本明細書において使用される場合、「溶融する」とは、液体になる点(融点と呼ばれる)まで、またはそれより高く1種類または複数種の固形物質を加熱するプロセスを意味する。従って、「溶融する」とは、物質が十分な熱に曝露された時に固体から液体に変わることを意味する。
【００１６】
本明細書において使用される場合、「反応産物」とは、2種類以上の物質の化学反応によって形成される化合物を意味する。例えば、溶融液中の不純物(初期シリコン供給源からの不純物)はハロゲン化アルカリマグネシウムの中の1種類または複数種の物質と反応して反応産物を形成することができる。
【００１７】
本明細書において使用される場合、「固化する」とは、固体になる点(融点と呼ばれる)より低く1種類または複数種の液体物質(例えば、溶融液)を冷却するプロセスを意味する。従って、「固化する」とは、物質を冷却すると液体から固体に変わることを意味する。
【００１８】
本明細書において使用される場合、「除去する」とは、物質を別の物質から分離する(例えば、固体もしくは液体を混合物から取り出す)、または物質の部分を別の部分から分離する(例えば、固体の部分を固体の別の部分から取り出す)プロセスを意味する。このプロセスは、当業者に公知の任意の技法、例えば、混合物をデカントする、混合物から1つもしくは複数の液体をすくい取る、混合物を遠心分離する、混合物から固体を濾過する、固体を切断してその一部を取り出す、またはその組み合わせを使用することができる。
【００１９】
本明細書において使用される場合、「溶媒金属」とは、加熱するとシリコンを効果的に溶解して溶融液を生じることができる1種類もしくは複数種の金属またはその合金を意味する。適切な例示的な溶媒金属には、例えば、アルミニウム、銅、スズ、亜鉛、アンチモン、銀、ビスマス、カドミウム、ガリウム、インジウム、マグネシウム、鉛、その合金、およびその組み合わせが含まれる。
【００２０】
本明細書において使用される場合、「合金」とは2種類以上の元素の均質な混合物を意味し、このうちの少なくとも1つは金属であり、結果として生じた材料は金属特性を有する。結果として生じた金属物質は、通常、その成分の特性とは異なる(時として著しく異なる)特性を有する。
【００２１】
本明細書において使用される場合、「アルミニウム」とは、記号Alおよび原子番号13を有する化学元素を意味する。この用語は、金属アルミニウムもしくは元素アルミニウム(Al0)またはその合金を含む。典型的に、アルミニウムは本明細書において溶媒金属として用いられる。
【００２２】
本明細書において使用される場合、「ホウ素」とは、記号Bおよび原子番号5を有する化学元素を意味する。この用語は、ホウ素を含む化合物(すなわち、B3+、B2+、またはB+を含むホウ素含有化合物)およびその組み合わせを含む。
【００２３】
本明細書において使用される場合、「リン」とは、記号Pおよび原子番号15を有する化学元素を意味する。この用語は、リンを含む化合物(すなわち、P5+、P4+、P3+、P2+、P+、P-1、P2-、またはP-を含むリン含有化合物)およびその組み合わせを含む。
【００２４】
本明細書において使用される場合、「シリコン」とは、記号Siおよび原子番号14を有する化学元素を意味する。この用語は、金属シリコンもしくは元素シリコン(Si0)またはその合金を含む。
【００２５】
本明細書において使用される場合、「金属グレードシリコン」または「MGシリコン」とは、比較的純粋な(例えば、少なくとも約96.0重量％)シリコンを意味する。
【００２６】
本明細書において使用される場合、「供給源シリコン」とは、本明細書に記載のプロセスにおいて用いられるシリコンを意味する。精製シリコン結晶を提供するために供給源シリコンは精製される(例えば、少なくとも部分的に精製される)。
【００２７】
本明細書において使用される場合、「高純度金属グレードシリコン」または「UMGシリコン」とは、比較的に中間的な純度の(例えば、少なくとも約98.0重量％)シリコンを意味する。
【００２８】
本明細書において使用される場合、「ソーラーグレードシリコン」または「SOGシリコン」とは、比較的に高い純度の(例えば、少なくとも約99.9999重量％)シリコンを意味する。
【００２９】
本明細書において使用される場合、「結晶の」とは、固体における原子の規則正しい幾何学的配置を含む。従って、「シリコン結晶」とは、固体状態にあるシリコン原子の規則正しい幾何学的配置を有するシリコンを意味する。
【００３０】
本明細書において使用される場合、「接触させる」とは、触れる、接点を作る、または物質をすぐ近くまで持っていく行為を意味する。
【００３１】
本明細書において使用される場合、「デカントする」または「デカンテーション」とは、沈降物または沈殿物を残して液体を流し出し、それによって沈降物または沈殿物から液体を分離することを含む。
【００３２】
本明細書において使用される場合、「濾過する」または「濾過」とは、固体を保持し、液体を通す多孔性シート、例えば、セラミック膜または金属膜に供給流を通すことによって液体から固体を分離するための機械的方法を意味する。これは重力、圧力、または真空(吸引)によって達成されてもよい。濾過によって液体から沈降物および/または沈殿物が効果的に分離される。
【００３３】
本明細書において使用される場合、「母液」とは、結晶化および/または洗浄の後に残る溶液の部分を意味する。結晶化では、高温ではほとんどの固体の溶解度が高いという事実を利用して、(通常、不純な)固体を高温で溶媒に溶解する。溶液が冷えるにつれて、溶媒中の溶質の溶解度は徐々に小さくなる。結果として得られた溶液は過飽和していると呼ばれる。過飽和とは、その温度の溶解度により予想されるものより多くの溶質が溶液中に溶けていることを意味する。次いで、この過飽和溶液から結晶化を誘導することができ、結果として得られた純粋な結晶を真空濾過および遠心分離機などの方法によって取り出すことができる。結晶が濾過によって取り出されたら、残留溶液は母液として知られ、(その温度の溶解度によって予想されるような)元々の溶質の一部ならびに濾過によって除去されなかった不純物を含有する。次いで、第2および第3の結晶の集まりを母液から収集することができる。
【００３４】
本明細書において使用される場合、「共融」とは、可能性のある最も低い完全に融解する点をもたらす、合金または他の混合物における構成成分の比率を意味する。他の全ての比率では混合物は一定の融点を有さず、混合物の一部は固体のままであり、一部は液体のままである。共融点において固相線温度および液相線温度は同じである。
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【００３５】
上記の図において、物質Xは2つの成分AおよびBからなる(約80％のAおよび20％のB)。液相線(第1の固体が形成し始める温度)より高いと両成分とも液体になる。温度が液相線まで低下するにつれて、成分Aは凝固し始め、残っている液体は成分Aが少なく、成分Bが多くなる。温度が共融温度と同じ固相線まで低下した時に、固体Bも形成し始める。固相線より低いと混合物全体が固体になる。組成物Y(約80％のBおよび20％のAからなる)の液体は同じ様に冷えるが、最初に固体Bが形成する。典型的に、共融比の混合物は常に全体が固体であるか、全体が液体である。The American Heritage(登録商標) Science Dictionary, 2010 by Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Published by Houghton Mifflin Harcourt Publishing Companyを参照されたい。
【００３６】
本明細書において使用される場合、「液相線」とは、これより高ければ、所与の物質が液相で安定する状態図上の線を意味する。最も一般的には、この線は転移温度を表す。液相線は物質によって、直線のこともあり、曲線のこともある。液相線は、最も多くの場合、金属合金を含む固体溶液などの二元系に適用される。液相線は固相線と対比することができる。液相線および固相線は必ずしも揃うとも、重なるとも限らない。液相線と固相線との間にギャップが存在すれば、このギャップの間では物質は液体としても固体としても安定でない。
【００３７】
本明細書において使用される場合、「固相線」とは、これより低ければ、所与の物質が固相で安定する状態図上の線を意味する。最も一般的には、この線は転移温度を表す。固相線は物質に応じて直線のこともあり、曲線のこともある。固相線は、最も多くの場合、金属合金を含む固体溶液などの二元系に適用される。固相線は液相線と対比することができる。固相線および液相線は必ずしも揃うとも、重なるとも限らない。固相線と液相線との間にギャップが存在すれば、このギャップの間では物質は単独で固体としても液体としても安定でない。
【００３８】
本明細書において使用される場合、「バッチ」とは、非連続の生産または使用；1回の操作で作られるもの、または使用されるものを意味する。
【００３９】
本明細書において使用される場合、「連続の」とは、とぎれない製造または使用である非バッチの生産または使用を意味する。連続プロセスは無限に連続している必要はないが、プロセスを含む方法が稼働している間、実質的に連続していなければならない。
【００４０】
粒径は、固体粒子の寸法を比較するために導入された概念である。球状物体の粒径はその直径によって明確かつ量的に定義することができる。しかしながら、典型的な材料物体は形が不規則であり、かつ非球形である可能性が高い。粒径を測定するためにいくつかの方法がある。これらのあるものは光に基づいており、他のものは超音波、または電場、または重力、または遠心分離に基づいている。
【００４１】
本明細書において使用される場合、「平均直径」とは粒径の平均であり、一組の粒子の直径の平均を意味する。
【００４２】
本明細書において使用される場合、「インサイチュー」とは混合物中または反応混合物中を意味する。
【００４３】
物質の混合物は、典型的に、混合物の作製において有用な出発材料または中間成分(例えば、溶媒金属、ハロゲン化アルカリマグネシウム、およびシリコン)によって特徴付けられることを当業者は理解することが認められる。これらの材料は実施的な変換を受ける場合があるが、混合物がこれらの材料または物質を含んでいると呼ぶことは当業者に許容され、かつ適切である。例えば、溶融液はアルミニウムおよびハロゲン化アルカリマグネシウムから形成されてもよい。これらの物質が導入された後、これらの物質のいずれか1つもしくは複数(またはその中にある不純物)は、アルミニウムまたはハロゲン化アルカリマグネシウムと分類される基準をもはや明確かつ文字どおりには満たし得ないように、化学的変換および/または物理的変換を受ける場合がある。しかしながら、混合物がアルミニウムおよびハロゲン化アルカリマグネシウムを含んでいると呼ぶことは当業者に許容され、かつ適切である。このことは、溶融液をアルミニウムと接触させた時に(または形成した時に)、ハロゲン化アルカリマグネシウムが分解する、またはアルミニウムからの不純物と反応すると考えられるが、既に述べたとおりである。しかしながら、溶融液がアルミニウムおよびハロゲン化アルカリマグネシウムを含んでいると呼ぶことは適切である。
【００４４】
図1を見ると、一部の態様によるシリコンを精製するための方法100のブロックフロー図の一例が示されている。溶媒金属103およびシリコン109の加熱105によって第1の溶融液107が形成される。第1の溶融液107にハロゲン化アルカリマグネシウム101を接触させる(例えば、添加する)ことによって第2の溶融液111が形成される。シリコン結晶および母液115を提供するために第2の溶融液111は冷却113される。シリコン結晶121および母液119を提供するためにシリコン結晶および母液115は分離117される。
【００４５】
図2を見ると、一部の態様によるシリコンを精製するための方法200のブロックフロー図の一例が示されている。溶媒金属203、ハロゲン化アルカリマグネシウム201、およびシリコン209を加熱205することによって溶融液207が形成される。シリコン結晶および母液215を提供するために溶融液207は冷却213される。シリコン結晶221および母液219を提供するためにシリコン結晶および母液215は分離217されてもよい。
【００４６】
任意の特定の理論に拘束されるものではないが、ハロゲン化アルカリマグネシウム(101または201)は第1の溶融液107(または溶融液207)と接触した際に、その中にある不純物と反応し、除去すると考えられる。これらの不純物(例えば、ナトリウム、リチウム、カルシウム、ホウ素、および/またはリン)は供給源シリコン(109もしくは209)および/または溶媒金属(103もしくは203)に由来し得る。特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウム(101または201)は溶融液の底部分に注入され、浮遊するか、第1の溶融液107(または溶融液207)の上面まで上がるようにされる。ハロゲン化アルカリマグネシウム(101または201)は浮遊するか、または第1の溶融液107(または溶融液207)の上面まで上がるので、ハロゲン化アルカリマグネシウム(101または201)はその中にある不純物と反応し、除去することができる。
【００４７】
処理用のシリコンは複数の供給源から得ることができる。シリコンは、例えば、太陽電池パネル、半導体ウェーハの製造、またはインゴットの成型からのスクラップシリコンまたは廃棄シリコンでもよい。多くの場合、シリコンはスラリーの一部である。スラリーには、水、ポリエチレングリコール(PEG)、炭化ケイ素、鉄、アルミニウム、カルシウム、銅および他の汚染物質が含まれ得る。シリコンはスラリーから取り出され(例えば、分離され)、余分な水を除去するように乾燥されてもよい。遠心、沈降、または他のプロセスによってスラリーから粉末が分離されてもよい。水をスラリーに添加すると比重が低下して、沈降または遠心分離の改善に役立つことができる。シリコンは、汚染物質を除去するために、例えば、酸処理を経るなどさらなる処理を経てもよい。例えば、塩酸を用いてシリコン粉末の表面から鉄などの金属を溶解除去することができる。粉末の表面から二酸化ケイ素を溶解除去したり、粉末の表面を溶解するために、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、またはその組み合わせを用いることもできる。または、粉末の表面を溶解するために、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、またはその組み合わせが用いられてもよい。粉末はまた、鉄および他の磁性元素を除去する磁気分離プロセスによって処理されてもよい。
【００４８】
具体的には、シリコンは高純度金属グレード(UMG)シリコンまたは金属グレード(MG)シリコンを含んでもよい。または、シリコンは金属グレード(MG)シリコンより低いグレードまたは質のものでもよい。純度の低いシリコン(例えば、金属グレード(MG)シリコンより低いグレードまたは質のシリコン)を使用するとコストを削減することができ、他の場合では実行不可能であり現実的でないシリコンの使用が可能になる。
【００４９】
第1の溶融液107は、例えば、(i)第1の溶融液107を形成するのに十分な溶媒金属103を加熱105し、その後にシリコン109を添加することによって形成されてもよく(図1に図示せず)、(ii)第1の溶融液107を形成するのに十分な、溶媒金属103およびシリコン109の混合物を加熱105することによって形成されてもよく(図1)、(iii)第1の溶融液107を形成するのに十分なシリコン109を加熱105し、その後に溶媒金属103を添加することによって形成されてもよい(図1に図示せず)。どちらにしても、溶媒金属103およびシリコン109を含む第1の溶融液107を形成することができる。従って、溶媒金属103およびシリコン109は存在することができ、一緒に加熱105して第1の溶融液107を形成することができる(図1)。または(図1に図示せず)、第1の溶融液107を形成するのに十分な溶媒金属103を加熱105することができ、その後にシリコン109を第1の溶融液107に添加することができる。
【００５０】
ハロゲン化アルカリマグネシウムを第1の溶融液107に添加101して、第2の溶融液111を形成することができる。または(図1に図示せず)、第1の溶融液107をハロゲン化アルカリマグネシウムに添加して、第2の溶融液111を形成することができる。どちらにしても、第2の溶融液111を提供するために、ハロゲン化アルカリマグネシウムおよび第1の溶融液107を互いに接触させる。
【００５１】
または、溶媒金属203、シリコン209、およびハロゲン化アルカリマグネシウム201の加熱205から溶融液207が形成されてもよい(図2)。具体的には、溶媒金属203、シリコン209、およびハロゲン化アルカリマグネシウム201を互いに接触(例えば、混合)させることができ、一緒に加熱205して溶融液207を形成することができる。
【００５２】
第1の溶融液107、第2の溶融液111、および/または溶融液207は、例えば、回転デガッサー、溶融金属ポンプ、回転炉を用いてボルテックスに送り込むことによって、または誘導電流によって形成されてもよい。材料(例えば、溶媒金属203、ハロゲン化アルカリマグネシウム201、シリコン209、シリコン109、溶媒金属103およびハロゲン化アルカリマグネシウム101)は実質的に乾燥され、ボルテックスに一定して送り込まれ、従って、酸素との接触が制限されてもよい。材料は、例えば、高剪断にミキサー設定を合わせることによって粒子1つ1つに剪断されてもよい。溶融は溶融浴中、浸漬下で行われてもよい。例えば、浴は液相線温度より低く、固相線温度より高くてもよく、その結果、粉末に剪断を加えることが容易になり、浴の粘度が高いために粉末を浴中に浸漬し続けることが容易になる。炉耐火物は、例えば、材料中にリンまたはホウ素がほとんどもしくは全くないことで汚染物質が少なり得る。融解石英が、許容される耐火物の一例であり得る。同様に、回転デガッサーまたは溶融金属ポンプが利用されるのであれば、汚染物質を最小限にするようにリンまたはホウ素をほとんど用いることなく製造され得る。
【００５３】
材料は溶融物の乱流を利用することによって浸漬され続けてもよい。溶融は、固相線温度より高い温度が維持される混合条件下で行われてもよい。
【００５４】
加熱105または205は、第1の溶融液107、第2の溶融液111、および/または溶融液207を効果的に形成する温度に達するために適切なやり方で行うことができる。例えば、第1の溶融液107、第2の溶融液111、および/または溶融液207は固相線温度より高い温度で形成されてもよい。具体的には、第1の溶融液107、第2の溶融液111、および/または溶融液207は少なくとも約1450℃の温度で形成されてもよい。
【００５５】
第1の溶融液107、第2の溶融液111、および/または溶融液207が形成され、シリコンおよび/またはアルミニウムから必要な量で所望の不純物が除去されるのであれば、任意の適切な量(または比)の溶媒金属、ハロゲン化アルカリマグネシウム、およびシリコンを使用することができる。
【００５６】
シリコン結晶および母液115を形成するために、第2の溶融液111が冷却113されてもよい。同様に、シリコン結晶および母液215を形成するために、溶融液207が冷却213されてもよい。シリコン結晶および母液115(または215)が得られるのであれば、冷却113(または213)を任意の適切なやり方で行うことができる。例えば、冷却113(または213)を約室温(20℃)で長期間行うことができる。さらに、冷却113(または213)を適切な速度で、例えば、約150℃/hrまで行うことができる。
【００５７】
母液115(または215)の中にシリコン結晶が得られるのであれば、第2の溶融液111(または溶融液207)を任意の適切かつ適当な期間にわたって冷却113(または213)することができる。例えば、第2の溶融液111(または溶融液207)は少なくとも約2時間の期間にわたって冷却113(または213)されてもよい。
【００５８】
冷却113(または213)の際に、分離されたシリコン結晶121(または221)および母液119(または219)を提供するために、シリコン結晶および母液115(または215)は分離117(または217)されてもよい。分離117(または217)は任意の適切な技法、例えば、デカンテーション(例えば、シリコン結晶から母液を流し出す)および/または濾過を用いて行うことができる。
【００５９】
前述のように、シリコン結晶および母液115を形成するために第2の溶融液111が冷却113されてもよく、シリコン結晶および母液215を形成するために溶融液207が冷却213されてもよい。1つの態様において、冷却113(または213)は、第2の溶融液111(または溶融液207)の任意のかなりの、またははっきり認められるほどの撹拌なく行われてもよい。または、第2の溶融液111(または溶融液207)を攪拌しながら、第2の溶融液111(または溶融液207)は冷却113(または213)されてもよい。
【００６０】
任意の特定の理論に拘束されるものではないが、冷却113(または213)の間に、攪拌によって、比較的高い純度の、漉しにくい場合がある比較的小さなシリコン結晶を得ることができると考えられる。特定の態様では、少量の混合によって、少なくとも約1mm(厚さ)x約5mm(幅)x約5mm(長さ)のシリコン結晶を得ることができる。
【００６１】
さらに、母液115(または215)の中にシリコン結晶が得られるのであれば、第2の溶融液111(または溶融液207)を任意の適切かつ適当な温度(例えば、液相線温度と固相線温度との間)まで冷却113(または213)することができる。例えば、第2の溶融液111(または溶融液207)は約585〜1400℃の温度まで冷却113(または213)されてもよい。
【００６２】
分離されたシリコン結晶121(または221)および母液119(または219)を提供するために、シリコン結晶および母液115(または215)は分離117(または217)されてもよい。分離117(または217)は任意の適切かつ適当なやり方で行うことができる。例えば、分離117(または217)はシリコン結晶から母液を流し出すことによって行われてもよい。または、分離117(または217)は母液からシリコン結晶を漉すことによって、および/または濾過することによって行われてもよい。または、分離は遠心分離を用いて行われてもよい。
【００６３】
1つの特定の態様において、得られたシリコン結晶121(または221)は後の精製においてシリコン109(または209)として使用または再使用されてもよい。必要な純度レベルを有するシリコン結晶121(または221)を提供するために、この再使用は複数回(例えば、2回、3回、4回、または5回)行われてもよい。従って、シリコン結晶121(または221)を提供するために、シリコンを精製するための方法100(または200)は1回行われてもよい。別の態様において、シリコン結晶121(または221)を提供するために、シリコンを精製するための方法100(または200)は2回以上(例えば、2回、3回、4回、または5回)行われてもよい。
【００６４】
シリコンを精製するための方法100(または200)は、シリコン109(または209)と比較して比較的純粋なシリコン結晶121(または221)を提供する。次いで、これらのシリコン結晶121(または221)は、例えば、ソーラーパネル製造において後で使用することができる太陽電池製造において、後の精製を伴って、または後の精製なしで用いられてもよい。シリコンを精製するための方法100(または200)は、出発シリコン109(または209)からホウ素の少なくとも一部が除去されるように、ホウ素から精製されたシリコン結晶121(または221)を提供する。例えば、シリコン結晶121(または221)は約4ppmw未満のホウ素を含んでもよい。さらに、シリコン結晶121(または221)を提供するために、出発シリコン109(または209)に存在するホウ素の約85重量％までが除去されてもよい。シリコン結晶121(または221)はまた約5ppmw未満のリンを含んでもよい。さらに、シリコン結晶121(または221)を提供するために、出発シリコン109(または209)に存在するリンの約85重量％までが除去されてもよい。シリコン結晶121(または221)を提供するために、シリコン100(または200)からホウ素および/またはリン以外のさらなる物質が除去されてもよい。従って、結果として生じるシリコン結晶121(または221)は比較的純粋である。例えば、シリコン結晶121(または221)は少なくとも約98重量％の純度でシリコンを含んでもよい。
【００６５】
以下で示される特定の範囲、値、および態様は例示目的にすぎず、特許請求の範囲において定義されるような開示された保護対象(subject matter)の範囲を限定しない。下記の特定の範囲、値、および態様は、開示されたそれぞれの範囲、値、および態様の全ての組み合わせおよび下位の組み合わせを、このように明記されているか明記されていないかに関係なく含む。
【００６６】
特定の範囲、値、および態様
本明細書に記載の方法は、1種類または複数種の物質(例えば、不純物)に対するシリコンの純度を高めることができる。特定の態様において、シリコンはリンから少なくとも部分的に精製される(すなわち、精製シリコン結晶は供給源シリコンより少ないリンを含む)。さらなる特定の態様において、シリコンはホウ素から少なくとも部分的に精製される(すなわち、精製シリコン結晶は供給源シリコンより少ないホウ素を含む)。さらなる特定の態様において、シリコンはアルミニウムから少なくとも部分的に精製される(すなわち、精製シリコン結晶は供給源シリコンより少ないアルミニウムを含む)。
【００６７】
特定の態様において、精製シリコン結晶は約5ppmw未満のリンを含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約4ppmw未満のリンを含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約3ppmw未満のリンを含む。
【００６８】
特定の態様において、精製シリコン結晶は約6ppmw未満のホウ素を含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約5ppmw未満のホウ素を含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約4ppmw未満のホウ素を含む。
【００６９】
特定の態様において、精製シリコン結晶は約5,000ppmw未満のアルミニウムを含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約3,000ppmw未満のアルミニウムを含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約1,500ppmw未満のアルミニウムを含む。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は約1,000ppmw未満のアルミニウムを含む。
【００７０】
本明細書に記載の方法は、適切なサイズを有する精製シリコン結晶を提供することができる。特定の態様において、精製シリコン結晶の平均直径は少なくとも約0.25cmである。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶の平均直径は少なくとも約0.5cmである。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶の平均直径は少なくとも約0.75cmである。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶の平均直径は約0.25cm〜約0.75cmである。
【００７１】
本明細書に記載の方法では、適切な純度(または不純物)レベルのシリコンを使用することができる。特定の態様において、供給源シリコンは高純度金属グレード(UMG)シリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは金属グレード(MG)シリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、金属グレード(MG)シリコンより低いグレードまたは質のシリコンを含む。
【００７２】
特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約99重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約98重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約97.5重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約97重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約96.5重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約96重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約95.5重量％未満である。さらなる特定の態様において、供給源シリコン(例えば、溶融液を形成するシリコン)の純度は約95重量％未満である。
【００７３】
特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが約90ppmwまでの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが約60ppmwまでの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが約40ppmwまでの金属グレードシリコンを含む。
【００７４】
特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが少なくとも約10ppmwである金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが少なくとも約20ppmwである金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが少なくとも約40ppmwである金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、リンレベルが少なくとも少なくとも約60ppmwである金属グレードシリコンを含む。
【００７５】
特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが約25ppmwまでの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが約15ppmwまでの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが約10ppmwまでの金属グレードシリコンを含む。
【００７６】
特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが少なくとも約3ppmwの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが少なくとも約7ppmwの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが少なくとも約10ppmwの金属グレードシリコンを含む。さらなる特定の態様において、供給源シリコンは、ホウ素レベルが少なくとも約15ppmwの金属グレードシリコンを含む。
【００７７】
特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の少なくとも約0.05重量％で用いられる。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の少なくとも約0.10重量％で用いられる。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の約0.10重量％〜約2.5重量％で用いられる。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の約5重量％まで用いられる。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の約2.5重量％まで用いられる。
【００７８】
特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは合成カーナライトを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは自然に生じる(例えば、天然)カーナライトを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは無水カーナライトを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは水和カーナライトを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは塩化カリウムマグネシウムを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムはKMgCl3、K2MgCl4、K3Mg2Cl7、Na2MgCl4、およびMgNaCl3の少なくとも1つを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムはKMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の少なくとも1つを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムはKMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の組み合わせを含む。
【００７９】
特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは微粒子として塩化カリウムマグネシウムを含む。さらなる特定の態様において、ハロゲン化アルカリマグネシウムは、顆粒状(例えば、約0.03〜0.12in、すなわち約0.8〜3.15mmの平均粒径)の塩化カリウムマグネシウムを含む。
【００８０】
特定の態様において、溶媒金属は、銅、スズ、亜鉛、アンチモン、銀、ビスマス、アルミニウム、カドミウム、ガリウム、インジウム、マグネシウム、鉛、その合金、およびその組み合わせの少なくとも1つを含む。さらなる特定の態様において、溶媒金属は、アルミニウムまたはその合金、および銅、スズ、亜鉛、アンチモン、銀、ビスマス、カドミウム、ガリウム、インジウム、マグネシウム、鉛、その合金の少なくとも1つを含む。さらなる特定の態様において、溶媒金属はアルミニウムまたはその合金を含む。さらなる特定の態様において、溶媒金属はアルミニウムを含む。
【００８１】
特定の態様において、溶融液は、溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって形成される。
【００８２】
特定の態様において、溶融液は、溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって形成され、ハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の底部分において溶融液と接触される。
【００８３】
特定の態様において、溶融液は、溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって形成され、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分に注入することによってハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の底部分において溶融液と接触される。
【００８４】
特定の態様において、溶融液は、溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって形成され、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分に注入することによってハロゲン化アルカリマグネシウムは溶融液の底部分において溶融液と接触され、ハロゲン化アルカリマグネシウムは浮遊するか、溶融液の上面まで上がるようにされる。
【００８５】
特定の態様において、母液は少なくとも約2,000ppmwのアルミニウムを含む。さらなる特定の態様において、母液は少なくとも約1,000ppmwのアルミニウムを含む。さらなる特定の態様において、母液は少なくとも約500ppmwのアルミニウムを含む。
【００８６】
特定の態様において、溶融液を形成するシリコンは、シリコン精製プロセスから再利用されたシリコンを含む。
【００８７】
特定の態様において、加熱して溶融液を形成する工程は少なくとも約1400℃の温度に達するように行われてもよい。さらなる特定の態様において、加熱して溶融液を形成する工程は少なくとも約1450℃の温度に達するように行われてもよい。さらなる特定の態様において、加熱して溶融液を形成する工程は少なくとも約1500℃の温度に達するように行われてもよい。さらなる特定の態様において、加熱して溶融液を形成する工程は約1400℃〜約1600℃の温度に達するように行われてもよい。さらなる特定の態様において、加熱して溶融液を形成する工程は約1450℃〜約1550℃の温度に達するように行われてもよい。
【００８８】
特定の態様において、溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程は固相線温度より高い温度まで行われる。さらなる特定の態様において、溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程は固相線温度と液相線温度との間の温度まで行われる。
【００８９】
特定の態様において、冷却は少なくとも約20℃の温度で行われてもよい。さらなる特定の態様において、冷却は約0℃〜約60℃の温度で行われてもよい。さらなる特定の態様において、冷却は約15℃〜約40℃の温度で行われてもよい。さらなる特定の態様において、冷却は、約500℃/hrまで、約250℃/hrまで、約125℃/hrまで、約100℃/hrまで、または約75℃/hrまでの速度で行われてもよい。
【００９０】
特定の態様において、溶融液は、固相線温度に近いが、固相線温度より高い温度(例えば、固相線温度より約200℃高い温度以内、固相線温度より約125℃高い温度以内、または固相線温度より約50℃高い温度以内)に冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は約700℃〜約750℃の温度まで冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は固相線温度より高く、液相線温度より低い温度まで冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は液相線温度より低い温度まで冷却されてもよい。
【００９１】
特定の態様において、溶融液は少なくとも約2時間の期間にわたって冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は少なくとも約4時間の期間にわたって冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は少なくとも約8時間の期間にわたって冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は少なくとも約12時間の期間にわたって冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は少なくとも約24時間の期間にわたって冷却されてもよい。さらなる特定の態様において、溶融液は少なくとも約48時間の期間にわたって冷却されてもよい。
【００９２】
特定の態様において、本明細書に記載の方法はシリコンを精製するために用いられる(例えば、本方法はシリコンを精製するために行われる)。さらなる特定の態様において、本方法はシリコンを精製するための方法であって(例えば、本方法はシリコンを精製するために行われる)、その後で精製シリコンがさらに精製されてもよい方法である。さらなる特定の態様において、本方法は、シリコンを精製するための方法であって(例えば、本方法はシリコンを精製するために行われる)、その後で精製シリコンは、例えば、方向性凝固(DS)を用いてさらに精製されてもよい方法である。さらなる特定の態様において、本方法は、シリコンを精製するための方法であって(例えば、本方法はシリコンを精製するために行われる)、その後で精製シリコンはさらに精製され、ソーラーパネル製造において用いられてもよい方法である。
【００９３】
特定の態様において、本方法はバッチ様式または連続様式で行われる。さらなる特定の態様において、本方法はバッチ様式で行われる。さらなる特定の態様において、本方法は連続様式で行われる。
【００９４】
本明細書に記載の方法は、必要な純度を有するシリコン結晶を生産することができる。特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約95重量％の純度である。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約96重量％の純度である。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約97重量％の純度である。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約98重量％の純度である。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約98.5重量％の純度である。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約99重量％の純度である。さらなる特定の態様において、精製シリコン結晶は少なくとも約99.5重量％の純度である。
【００９５】
本明細書に記載の方法は商業規模または産業規模で精製シリコン結晶を生産することができる。特定の態様において、本明細書に記載の方法は1バッチにつき少なくとも約150kgのシリコン結晶を生産することができる。特定の態様において、本明細書に記載の方法は1バッチにつき少なくとも約240kgのシリコン結晶を生産することができる。特定の態様において、本明細書に記載の方法は1バッチにつき少なくとも約300kgのシリコン結晶を生産することができる。特定の態様において、本明細書に記載の方法は1バッチにつき少なくとも約500kgのシリコン結晶を生産することができる。
【００９６】
本明細書に記載の方法は工程を含み、これらの工程はいずれも1回しか行われなくてもよい。または、本明細書に記載の方法は工程を含み、これらの工程のいずれか1つまたは複数は独立して1回または複数回繰り返されてもよい。例えば、これらの工程のいずれか1つまたは複数は独立して1回、2回、3回、4回、または5回繰り返されてもよい。さらに、本明細書に記載の方法は工程を含み、これらの工程はいずれも独立して1回または複数回繰り返されてもよい。例えば、これらの工程はそれぞれ独立して1回、2回、3回、4回、または5回繰り返されてもよい。
【００９７】
以下で示される特定の列挙態様[1]〜[51]は例示目的にすぎず、特許請求の範囲において定義されるような開示された保護対象の範囲を限定しない。これらの列挙態様は、本明細書に記載の全ての組み合わせ、下位の組み合わせ、および多項の参照された(例えば、多項従属の)組み合わせを含む。
【００９８】
列挙態様
[1.](a)溶媒金属、シリコン、およびハロゲン化アルカリマグネシウムから溶融液を形成する工程;
(b)溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程;ならびに
(c)母液からシリコン結晶を分離する工程
を含む、方法。
【００９９】
[2.]シリコンを精製するための方法である、態様1に記載の方法。
【０１００】
[3.]シリコン結晶がリンから精製される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０１】
[4.]シリコン結晶がホウ素から精製される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０２】
[5.]溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０３】
[6.]溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させ、このとき、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分において溶融液と接触させる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０４】
[7.]溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させ、このとき、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分に注入することによって、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分において溶融液と接触させる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０５】
[8.]溶媒金属およびシリコンを接触させて混合物を形成し、混合物を加熱して溶融液を形成し、次いで、溶融液をハロゲン化アルカリマグネシウムと接触させることによって、溶融液を形成させ、このとき、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分に注入することによって、ハロゲン化アルカリマグネシウムを溶融液の底部分において溶融液と接触させて、ハロゲン化アルカリマグネシウムを浮遊させるか、または溶融液の上面まで上がるようにさせる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０６】
[9.]溶融液と接触するシリコンが金属グレード(MG)シリコンである、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０７】
[10.]溶融液と接触するシリコンが、リンレベルが約60ppmwまでの金属グレード(MG)シリコンである、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０８】
[11.]溶融液と接触するシリコンが、ホウ素レベルが約15ppmwまでの金属グレード(MG)シリコンである、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１０９】
[12.]母液から分離されたシリコン結晶が約8ppmw未満のリンを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１０】
[13.]母液から分離されたシリコン結晶が約4ppmw未満のリンを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１１】
[14.]母液から分離されたシリコン結晶が約5ppmw未満のホウ素を含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１２】
[15.]母液から分離されたシリコン結晶が約1ppmw未満のホウ素を含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１３】
[16.]溶媒金属が銅、スズ、亜鉛、アンチモン、銀、ビスマス、アルミニウム、カドミウム、ガリウム、インジウム、マグネシウム、鉛、およびその合金の少なくとも1つを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１４】
[17.]溶媒金属がアルミニウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１５】
[18.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の少なくとも約0.05重量％で用いられる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１６】
[19.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の少なくとも約0.10重量％で用いられる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１７】
[20.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の約0.10重量％〜約5重量％で用いられる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１８】
[21.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが溶融液の約10重量％まで用いられる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１１９】
[22.]溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程が固相線温度より高い温度まで行われる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２０】
[23.]溶融液を冷却してシリコン結晶および母液を提供する工程が固相線温度と液相線温度との間の温度まで行われる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２１】
[24.]母液から分離されたシリコン結晶が約3,000ppmw未満のアルミニウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２２】
[25.]母液から分離されたシリコン結晶が約1,500ppmw未満のアルミニウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２３】
[26.]少なくとも約240kgのシリコン結晶が得られる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２４】
[27.]工程(a)〜(c)のいずれか1つまたは複数が1回または複数回繰り返される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２５】
[28.]工程(a)〜(c)はそれぞれ独立して1回または複数回繰り返される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２６】
[29.]バッチ様式または連続様式で行われる、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２７】
[30.]母液が少なくとも約1,000ppmwのアルミニウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２８】
[31.]シリコン結晶の平均直径が少なくとも約0.5cmである、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１２９】
[32.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが合成カーナライトを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３０】
[33.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが無水カーナライトを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３１】
[34.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが塩化カリウムマグネシウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３２】
[35.]ハロゲン化アルカリマグネシウムがKMgCl3、K2MgCl4、K3Mg2Cl7、Na2MgCl4、およびMgNaCl3の少なくとも1つを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３３】
[36.]ハロゲン化アルカリマグネシウムがKMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の少なくとも1つを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３４】
[37.]ハロゲン化アルカリマグネシウムがKMgCl3、K2MgCl4、およびK3Mg2Cl7の組み合わせを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３５】
[38.]シリコン結晶が少なくとも約98重量％の純度である、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３６】
[39.]溶融液を形成するシリコンの純度が約98重量％未満である、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３７】
[40.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが微粒子としての塩化カリウムマグネシウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３８】
[41.]ハロゲン化アルカリマグネシウムが顆粒状の塩化カリウムマグネシウムを含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１３９】
[42.]溶融液をマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４０】
[43.]溶融液を、溶融液の少なくとも約0.1重量％で用いられるマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４１】
[44.]溶融液を、溶融液の約10重量％まで用いられるマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４２】
[45.]溶融液を、溶融液の約0.2〜5重量％で用いられるマグネシウム金属(Mg0)と接触させる工程をさらに含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４３】
[46.]溶融液をMgCl2、KCl、およびNaClの少なくとも1つと接触させる工程をさらに含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４４】
[47.]溶融液を、塩素(Cl2)、酸素(O2)、窒素(N2)、ヘリウム(He)、アルゴン(Ar)、水素(H2)、六フッ化硫黄(SF6)、ホスゲン(COCl2)、四塩化炭素CCl4、水蒸気(H2O)、酸素(O2)、二酸化炭素(CO2)、一酸化炭素(CO)、テトラクロロシラン(SiCl4)、およびテトラフルオロシラン(SiF4)の少なくとも1つと接触させる工程をさらに含む、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４５】
[48.]リンの少なくとも約25重量％がシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４６】
[49.]リンの少なくとも約33重量％がシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４７】
[50.]リンの約50重量％までがシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【０１４８】
[51.]リンの約43重量％までがシリコンから除去されるように、シリコン結晶がリンから精製される、上記態様のいずれかに記載の方法。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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