[發明專利]一種多溫區硅材料提純與鑄錠的方法及其裝置

無效

• 申請號: 200810202821.8
• 申請日: 2008-11-17
• 公開（公告）號: CN101423220A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發明（設計）人: 史珺;水川;佟晨;宗衛峰
• 申請（專利權）人: 上海普羅新能源有限公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037;C30B29/06;C30B28/00;C30B35/00;F27B17/00
• 代理公司: 北京必浩得專利代理事務所
• 代理人: 李夢福

技術領域

本發明屬于多晶硅生產技術領域，涉及一種多溫區硅料提純與鑄錠的方法及裝置，。?

背景技術

雖然金屬的高溫熔煉和真空熔煉的時間已經很長，但硅的真空熔煉的時間卻很短。自從太陽能電池市場開始迅速發展后，對太陽能級的硅的需求大幅上升。由于太陽能級硅的純度要求比半導體要低，只要能夠達到6N(99.9999％)就可以了。因此，采用冶金方法對硅進行提純的技術又受到人們的重視。目前，國際上報道的對硅的熔煉，主要是利用通入H2、水蒸氣、氬氣以及用離子束、電子束等去除硼磷等雜質；然后，再利用定向凝固的分凝效應，來達到去除金屬雜質的效果。但上述的各個方法，要么去除的雜質有限；要么就需要一遍一遍地去除，效率太低。此外，冶金法對硅材料的提純的純度的一致性，也一直是一個令人頭痛的問題。這些問題的產生，是因為，從來沒有人對硅中的各類雜質進行系統的分析，從而得到一種能夠去除硅中所含的所有雜質的方法。而且在多晶硅的生產和提純的過程中，通常需要在兩個爐體內部完成，即先用感應爐進行真空熔煉，冷卻后，再用電阻爐進行定向凝固。但這樣，硅液要進行兩次加熱和兩次冷卻，無謂地消耗了電能。?

發明內容

本發明主要目的是為了解決上述問題，提供一種多溫區硅材料提純與鑄錠的方法及裝置，對硅中大多數雜質元素有去雜作用，同時也可以在?提純后達到多晶硅鑄錠的目的，使得鑄錠后得硅錠可以直接進行切片來生產太陽能電池。?

為了達到上述目的，本發明提供的技術方案是：一種多溫區硅材料提純與鑄錠的方法，將硅料與造渣劑按照80∶1～100∶1的重量比放入坩堝中；在感應加熱區先抽真空后進行感應加熱，硅料溫度升至200℃～400℃時，保溫0.5～2個小時；繼續加熱，硅料溫度升至800℃～1000℃時，再保溫0.5～2個小時；之后升溫至1350℃～1430℃，再保溫0.5～2小時；加熱至硅料熔化成熔融狀態，將硅料溫度升至1500℃～1700℃，保溫1～3個小時；再將氧氣、氫氣、水蒸氣、四氯化硅、四氟化硅、氯化氫、氫氰酸、氮氣和氦氣中的一種或幾種通入熔融狀態的硅料中1～3個小時；然后對熔融狀態的硅料進行降溫，硅料溫度降至1450℃～1500℃時，保溫1～3個小時，在感應加熱區降溫同時將電阻加熱區通電，升溫至1450℃～1600℃時，降低坩堝至電阻加熱區，使坩堝頂部有20～200mm在感應加熱區；開始降溫使溫度降到1400℃～1500℃時，保溫1～3小時；隨后對坩堝底部向上逐步進行降溫，并保持坩堝底部的溫度水平均勻分布，此時坩堝內的硅料從底部開始結晶，當整個坩堝內的硅料全部結晶后形成一個硅錠，去除該硅錠的頂部和四周與坩堝接觸的部分即可。?

造渣劑為CaO、MgO、SiO2、FeO、Na2O、BaO和CaF2中的一種或幾種。?

一種多溫區硅材料提純與鑄錠的裝置，包括坩堝系統、升降裝置、感應加熱器和電阻加熱體，感應加熱器設于電阻加熱體上面，其分別構成感應加熱區和電阻加熱區；升降裝置設于電阻加熱區下面，并且在感應加熱區和電阻加熱區內上下移動；坩堝系統設于升降裝置上。?

坩堝系統包括坩堝、護套、石墨蓋、平臺均熱層、熱開關和冷卻裝?置；在坩堝的外側設有護套，坩堝的口部設有石墨蓋，坩堝的底部設有平臺均熱層，平臺均熱層的下面設有熱開關，熱開關的下面設有冷卻裝置。?

感應加熱器和電阻加熱體的外面設有隔熱保溫層。?

感應加熱區和電阻加熱區以及爐頂和爐底均有測溫元件。?

電阻加熱體采用梯度加熱體。?

石墨蓋上設有至少1個反應氣體導入管。?

冷卻裝置上設有冷卻氣體導入管。?

本發明的工作原理及有益效果：本發明采用金屬硅作為提純的原料。金屬硅的純度在95％～99.9％之間，所包含的雜質包括金屬雜質、非金屬雜質。而其中比較難以去除的是硼、磷元素。?

對于磷元素等沸點較低的元素，可先在低溫下停留一段時間，讓這些元素在其沸點附近的溫度進行揮發。例如，磷元素在300度和900度時都有較大的揮發性，雖然此時硅材料還是固體狀態，不可能揮發的很干凈，但在這種情況下，可以讓磷揮發掉大部分，減少后續的提純難度和成本。?

對于鈣、鎂、錳、鋁、磷等在高溫下揮發較大的元素，可以采用感應加熱的方式，將硅料加熱到1600度以上，并將真空度抽到10Pa以上，使這些元素揮發。感應加熱的方式還可以實現硅料的攪拌，便于硅料的表面不斷有新的熔體暴露在真空下。?