[發(fā)明專利]一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶硅的方法及設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110031566.7
• 申請日: 2011-01-29
• 公開（公告）號: CN102120578A
• 公開（公告）日: 2011-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 譚毅;姜大川;鄒瑞洵
• 申請（專利權(quán)）人: 大連隆田科技有限公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所 21208
• 代理人: 于忠晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用電子束去除多晶硅中磷和金屬雜質(zhì)的提純方法。

背景技術(shù)

太陽能發(fā)電作為可再生能源的重要組成部分成為實現(xiàn)低碳目標的主要途徑之一，但受到太陽能電池的重要原料—太陽能級多晶硅生產(chǎn)成本的限制，我國現(xiàn)有的太陽能發(fā)電裝機量不高，截至2008年末全國太陽能電池總裝機容量僅為300MW，還不及德國一年新增的量。太陽能級多晶硅高昂的制造成本以及復(fù)雜的制造工藝是制約光伏產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的瓶頸，嚴重阻礙了我國太陽能電池的推廣和使用。因此開發(fā)低成本、高轉(zhuǎn)換效率的多晶硅制備技術(shù)對我國光伏產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展具有重要意義，

目前，世界范圍內(nèi)制備太陽能級多晶硅材料已形成規(guī)模化生產(chǎn)，主要使用技術(shù)路線為改良西門子法。西門子法是以鹽酸（或氫氣、氯氣）和冶金級工業(yè)硅為原料，由三氯氫硅，進行氫還原的工藝。現(xiàn)在國外較成熟的技術(shù)是西門子法，并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。該法已發(fā)展至第三代，現(xiàn)在正在向第四代改進。第一代西門子法為非閉合式，即反應(yīng)的副產(chǎn)物氫氣和三氯氫硅，造成了很大的資源浪費。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的第三代改良西門子工藝實現(xiàn)了完全閉環(huán)生產(chǎn)，氫氣、三氯氫硅硅烷和鹽酸均被循環(huán)利用，規(guī)模也在1000噸每年以上。但其綜合電耗高達170kW·h/kg，并且生產(chǎn)呈間斷性，無法在Si的生產(chǎn)上形成連續(xù)作業(yè)，并且此法在流程的核心環(huán)節(jié)上采取了落后的熱化學氣相沉積，工藝流程的環(huán)節(jié)過多，一次轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致流程時間太長，增加了材耗、能耗成本。

鑒于此，積極探索具有生產(chǎn)周期短、污染小、成本低、工藝相對簡單的太陽能級多晶硅的制備新工藝方法刻不容緩，而冶金法因為具備以上優(yōu)點，被認為是最能有效地降低多晶硅生產(chǎn)成本的技術(shù)之一，目前已成為世界各國競相研發(fā)的熱點。冶金法指以定向凝固等工藝手段，去除金屬雜質(zhì)；采用等離子束熔煉方式去除硼；采用電子束熔煉方式去除磷、碳，從而得到生產(chǎn)成本低廉的太陽能級多晶硅的方法。這種方法能耗小，單位產(chǎn)量的能耗不到西門子法的一半，現(xiàn)在日本、美國、挪威等多個國家從事冶金法的研發(fā)，其中以日本JFE的工藝最為成熟，已經(jīng)投入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。電子束熔煉技術(shù)是冶金法制備太陽能級多晶硅中重要的方法之一，它是利用高能量密度的電子束作為熔煉熱源的工藝方法，一般的電子束熔煉方法是通過熔化塊體硅料形成熔池后，在電子束產(chǎn)生的高溫下，表面蒸發(fā)去除飽和蒸汽壓較高的雜質(zhì)如磷，鋁等，而在塊體硅料中雜質(zhì)分布很不均勻，不利于雜質(zhì)的去除，且塊體硅料熔煉后雜質(zhì)仍然分布不均勻，同時在多晶硅的眾多雜質(zhì)中，金屬是非常有害的元素，雜質(zhì)的不均勻分布和金屬雜質(zhì)的存在將對硅材料的電阻率和少數(shù)載流子壽命產(chǎn)生不利的影響，進而降低太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。已知專利和文獻中尚沒有用電子束熔煉粉體硅料去除多晶硅中磷和金屬雜質(zhì)的耦合提純方法。已知申請?zhí)枮?00810011631.8的發(fā)明專利，利用感應(yīng)加熱和電子束達到去除多晶硅中磷和金屬雜質(zhì)的目的，但該方法的缺點是額外使用了感應(yīng)加熱，能耗較大，且使用的是塊體硅料熔煉提純，雜質(zhì)分布相對不均勻。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服上述不足問題，提供一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶硅的方法，利用電子束熔煉粉體硅料，同時去除磷和金屬雜質(zhì)，提純速度快，產(chǎn)品純度高。本發(fā)明的另一目的是提供電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶硅的設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，易于操作。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶硅的方法，先通過電子束在低磷、低金屬的高純硅錠的頂部形成穩(wěn)定熔池，后將需提純的硅粉落入熔池熔煉，實現(xiàn)粉體的快速熔化去除硅粉中的揮發(fā)性雜質(zhì)磷，同時進行定向拉錠使低磷多晶硅進行定向凝固生長，通過分凝效應(yīng)去除多晶硅中金屬雜質(zhì)。

所述電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶硅的方法，具體步驟如下：

第一步備料：采用低磷、低金屬的高純硅錠置于真空設(shè)備中做載體，在其上面裝粉桶中裝入需提純的高磷、高金屬粉體硅粉；

第二步預(yù)處理：對真空設(shè)備進行抽真空，真空達到0.002Pa以下；然后對拉錠部件進行冷卻，使坩堝的溫度維持在25-45℃；給電子槍預(yù)熱，設(shè)置高壓為28-32kV，高壓穩(wěn)定5-10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為100-200mA進行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍束流；