[發明專利]一種高純多晶硅的生產方法及生產裝備

有效

• 申請號: 200910158901.2
• 申請日: 2009-07-03
• 公開（公告）號: CN101602506A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發明（設計）人: 張洪平;王冬
• 申請（專利權）人: 錦州市三特真空冶金技術工業有限公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037;C30B29/06
• 代理公司: 北京邦信陽專利商標代理有限公司
• 代理人: 黃澤雄;劉東方

技術領域

本發明涉及一種高純多晶硅的生產方法以及利用該生產方法生 產高純多晶硅的生產裝備。

背景技術

礦物能源是不可再生能源，而且由于礦物能源使用中產生大量的 二氧化碳導致地球溫室效應的增加，礦物能源的不斷減少和使用給人 類的生存環境造成越來越大的壓力。太陽能作為綠色能源，已經引起 人們的重視。太陽能光伏發電最早是作為衛星電源而發明的技術，其 中光伏轉換的關鍵技術材料就是金屬硅，隨著光伏轉換材料及技術的 突破，太陽能光伏轉換技術實現民用化，對高純金屬硅需求也不斷擴 大，同時人們正在尋求滿足太陽能光伏轉換的關鍵材料多晶硅的工業 化解決方案，希望能夠實現安全、環保、低成本、低能耗、高效率、 規模化生產高純硅，以降低光伏發電的成本。

現有技術生產太陽能級高純硅的主要方法有三氯氫硅還原法、硅 烷熱分解法、冶金法。

三氯氫硅還原法也稱西門子法，是將工業還原硅與HCl氣體合成 制備三氯氫硅，然后利用氯化物的低氣化點的特性，進行氣化分餾提 純，獲得高純三氯氫硅，三氯氫硅在氫還原爐內與氫反應生成氣相沉 積硅和HCl氣體。該方法生產流程包括硅石還原、硅料預處理、三氯 氫硅合成、三氯氫硅蒸餾提純、氫還原、硅鑄錠或定向生長成多晶硅 或單晶硅。三氯氫硅還原法是目前電子級高純多晶硅的唯一生產方 法，也是目前太陽能級多晶硅的主要生產方法。但是該方法生產流程 長、工藝復雜、控制難度大，生產中大量強腐蝕性和毒性HCl氣體對 裝備要求極高，對環境影響大；另外由于生產中的關鍵環節-氫還原 三氯氫硅反應轉化效率低、反應速度慢。這些因素導致該方法生產效 率低、裝備成本投入大、生產危險性高，產品成本高。

硅烷熱分解法與西門子法有類似之處，不同是它采用四氯化硅氫 化法、硅合金分解法、氫化物還原法以及硅直接氫化等方法制備硅烷 (SiH4)，對硅烷進行提純，提純后的硅烷進行熱分解生成硅和氫氣。 該方法的優點是生產效率高、電耗低、成本低、適合大規模生產。但 是該方法的存在安全性差、易發生爆炸，而且產品的純度不高。該方 法目前也在太陽能級高純硅生產中應用。

冶金法生產太陽能級高純硅是目前努力開展研究和產業化的方 法，它具有生產安全性好、環境友好、生產流程短、生產效率高、設 備投資小、易于實現規模生產等優點。但目前能夠獲得滿足太陽能光 伏轉換要求的太陽能級高純硅還不多，它主要受制于原料的來源。現 有冶金法工藝技術對原料的要求較高，原料主要來自于半導體行業電 子級高純硅的加工切余料。由于這部分原料數量有限，不能滿足太陽 能行業對太陽能級高純多晶硅的數量要求。采用冶金法從普通還原硅 制備太陽能級高純硅在成本、規模上是滿足太陽能級高純多晶硅數量 要求最佳方案。冶金法比較有代表性的技術解決方案有日本JFE公司 的電子束和等離子精煉技術、挪威Elkem?Sinle公司的火法精煉、濕 法酸浸除雜技術。這些方法的實施規模小，成本高，還不能解決規模 化、連續化生產的問題。

國內在冶金法制備太陽能級高純硅方面開展了不少研究工作，并 形成了部分專利技術。如中國專利申請號200610010654.8，公開了“一 種制備太陽能級多晶硅的方法”。該方法以冶金級硅為原料，破碎后 分別采用鹽酸、硝酸和氫氟酸進行酸浸處理，需要用大量的蒸餾水洗 去硅粉中殘留的酸。酸浸處理后的硅粉在一臺真空爐分兩個階段進行 真空精煉，第一階段是真空氧化精煉，通過感應加熱裝置將硅料熔化， 然后通入含水蒸汽的氬氣對熔融硅進行氧化精煉。我們知道氬氣為惰 性氣體，水為中性，兩種氣體都不具備氧化性，所以氧化精煉強度非 常弱。第二階段為真空蒸餾精煉和真空脫氣。真空精煉完成后對熔體 進行定向凝固處理。該專利中采用感應加熱的方式，由于感應加熱技 術條件的限制，目前感應加熱的功率和爐容量都十分有限，特別是對 于電阻率較高的硅加熱，電磁直接感應效率很低。因此該專利還存在 容量規模小和一些技術缺陷，對工業化規模生產應用還有距離。