[發(fā)明專利]等離子火焰槍底吹熔化金屬硅中難熔元素的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810070929.6
• 申請日: 2008-04-15
• 公開（公告）號: CN101423218A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭智雄
• 申請（專利權(quán)）人: 南安市三晶硅品精制有限公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司
• 代理人: 張松亭

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及金屬硅中難熔(高熔點)元素的去除，尤其涉及去除金屬硅中所含的鈦(Ti，熔點1725℃)、硼(B，熔點2300℃)、碳(C，熔點3550℃)。

背景技術(shù)

近年來，由于對能源/環(huán)境問題、比如礦物燃料能源的消耗和全球變暖問題的高度關(guān)注，使得可作為太陽能電池材料的硅的需要迅速增加。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池對多晶硅需求量的增長速度高于半導(dǎo)體多晶硅的發(fā)展。1994年全世界太陽能電池的總產(chǎn)量只有69MW，而2004年就接近1200MW，在短短的10年里就增長了17倍。專家預(yù)測太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在二十一世紀前半期將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一。

目前太陽能多晶硅主要有三個來源，一是生產(chǎn)半導(dǎo)體集成電路單晶硅的碎片；二是半導(dǎo)體多晶體的附產(chǎn)品，即單晶棒的頭尾剩余料；三是半導(dǎo)體多晶硅產(chǎn)商用多余的產(chǎn)能生產(chǎn)的太陽能多晶硅。

國際上電子級高純(＞11N)多晶硅原料制備的主流技術(shù)是西門子法及散氯氫硅(SiHCl₃)還原法和硅烷(SiH4)熱分解法，同時世界各國還有使用改良西門子法(即俄羅斯法)、硅烷法、流態(tài)化床法、冶金法，其中改良西門子法占全球產(chǎn)量80％以上。但無論哪一種方法，平均提純每公斤多晶硅原料耗電都在250～400度左右，高能耗，高投入低產(chǎn)出是多晶硅原料成本居高不下的主要原因，嚴重制約太陽能電池的普及使用。

太陽能多晶硅的產(chǎn)能受限于半導(dǎo)體級多晶硅的產(chǎn)能。因此，市場急需尋找一種新的、能夠大量生產(chǎn)同時成本較低的高純多晶硅方法。

目前世界上新一代低成本多晶硅工藝技術(shù)研究空前活躍。除了傳統(tǒng)工藝(電子級和太陽能級兼容)及技術(shù)升級外，還涌現(xiàn)出了幾種專門生產(chǎn)太陽能級多晶硅的新工藝技術(shù)，主要有：改良西門子法的低價格工藝；冶金法從金屬硅中提取高純度硅；高純度SiO2直接制取；熔融析出法(VLD：Vaper?to?liquid?deposition)；還原或熱分解工藝；無氯工藝技術(shù)，Al-Si溶體低溫制備太陽能級硅；熔鹽電解法等。

例如，中國專利申請200410003090.6公開了一種由金屬硅制備超純硅的方法和裝置，通過對原料破碎、雜質(zhì)化合、結(jié)晶純化三個順序步驟原理，采用以下多種工序組合作業(yè)：把金屬硅破碎為細顆粒以增大表面積；在硅顆粒中分別通入氧氣、加入鹽酸、通入氯氣的辦法，對硅中的雜質(zhì)進行化合反應(yīng)，以使硅中的雜質(zhì)生成氧化物或氯化物；利用高溫把低升華溫度的氯化物蒸發(fā)去除，再利用個別元素偏析系數(shù)小和氧化物的低共熔點特性，用中間凝固技術(shù)或定向凝固技術(shù)進一步把硅中的雜質(zhì)去除。通過上述工藝和裝置來去除硅中雜質(zhì)，把金屬硅純化為超純硅制品。中國專利申請200710052244.4公開了一種多晶硅原料低能耗提純制備方法，首先將經(jīng)還原處理的金屬硅粉碎，再用王水、氫氟酸等酸洗，酸洗后送入連熔爐熔融，連熔爐內(nèi)溫度形成水平溫度梯度和垂直溫度梯度，從連熔爐出來的硅材料進入?yún)^(qū)熔爐，使區(qū)熔爐內(nèi)形成區(qū)間溫度梯度，運用熱趨法排除硅碴，即可得到99.9999％純度的硅。該發(fā)明的優(yōu)點是：利用傳統(tǒng)工藝設(shè)備連熔爐進行改造，使爐內(nèi)形成水平溫度梯度和垂直溫度梯度，工藝步驟少，操作簡單，適用于所有的連熔爐。但以上2種化學(xué)方法所使用的鹽酸、氯氣、王水、氫氟酸等化學(xué)物質(zhì)不可避免的會帶來環(huán)境污染。

此外，在用于太陽能電池的硅中所含的雜質(zhì)中，決定硅導(dǎo)電類型的元素、特別是磷和硼的含量必須被嚴格控制。中國專利CN101054178公開了一種多晶硅的除硼方法，其步驟為：將多晶硅塊粉碎，球磨，篩選得硅粉；將硅粉用有機溶劑去油處理，并去除硅粉中的鐵粉；將去油除鐵的硅粉放到容器內(nèi)，再將容器放到高溫爐內(nèi)，進行濕氧氧化，再冷卻；將冷卻后取出的硅粉放入氫氟酸溶液中腐蝕，去除樣品表面的氧化層；用水反復(fù)清洗硅粉至流出的水顯中性為止，將硅粉去水干燥，得目標產(chǎn)品。

也有采用物理法對金屬硅熔液中進行提純的，例如，中國專利申請03803266.X提供一種能夠以低成本高效制備適用于太陽能電池的純度約6N的硅的方法。因此，根據(jù)本發(fā)明，含有硼的原料硅和礦渣被熔化，并且通過旋轉(zhuǎn)/驅(qū)動機構(gòu)使軸旋轉(zhuǎn)由此攪拌熔融硅。熔渣被分散于熔融硅中，由此加速硼去除反應(yīng)。可進一步有效地利用含有至少45質(zhì)量％的SiO₂的礦渣，或?qū)⑴c水蒸汽混合的氣體作為精煉反應(yīng)用引入氣體吹入熔融硅中。