[發(fā)明專利]一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的方法及設(shè)備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110125905.8
• 申請(qǐng)日: 2011-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN102145894A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 譚毅;戰(zhàn)麗姝;姜大川;顧正;鄒瑞洵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連隆田科技有限公司
• 主分類號(hào): C01B33/037
• 分類號(hào): 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，特別涉及一種將多晶硅中的雜質(zhì)磷、硼和金屬去除的方法；另外本發(fā)明還涉及其設(shè)備。

背景技術(shù)

太陽能級(jí)多晶硅材料是太陽能電池的重要原料，太陽能電池可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在常規(guī)能源緊缺的今天，太陽能具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。目前，世界范圍內(nèi)制備太陽能電池用多晶硅材料已形成規(guī)?；a(chǎn)，主要技術(shù)路線有：

（1）改良西門子法：西門子法是以鹽酸（或氫氣、氯氣）和冶金級(jí)工業(yè)硅為原料，由三氯氫硅，進(jìn)行氫還原的工藝?，F(xiàn)在國(guó)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(jìn)。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(fèi)?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的第三代改良西門子工藝實(shí)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(dá)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)。

（2）冶金法：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(jí)多晶硅。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(guó)、挪威等多個(gè)國(guó)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)。

（3）硅烷法：是以氟硅酸（H₂SiF₆）、鈉、鋁、氫氣為主要原材料制取硅烷（SiH₄），然后通過熱分解生產(chǎn)多晶硅的工藝。該法基于化學(xué)工藝，能耗較大，與西門子方法相比無明顯優(yōu)勢(shì)。

（4）流態(tài)化床法：是以SiCl₄（或SiF₄）和冶金級(jí)硅為原料，生產(chǎn)多晶硅的工藝。粒狀多晶硅工藝法是流態(tài)化床工藝路線中典型的一種。但是該工藝的技術(shù)路線正在調(diào)試階段。

在眾多制備硅材料的方法中，已經(jīng)可以投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的只有改良西門子法、硅烷法、冶金法。但改良西門子法和硅烷法的設(shè)備投資大、成本高、污染嚴(yán)重、工藝復(fù)雜，不利于太陽能電池的普及性應(yīng)用，相比而言冶金法具有生產(chǎn)周期短、污染小、成本低的特點(diǎn)，是各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的重點(diǎn)。電子束熔煉是冶金法提純多晶硅的重要方法之一，它可以有效降低多晶硅中的雜質(zhì)磷，但是目前大部分電子束熔煉提純多晶硅的方法還不能同時(shí)有效去除多晶硅中的雜質(zhì)硼和金屬雜質(zhì)，并且一般電子束熔煉都使用兩把電子槍，存在能耗較大的缺點(diǎn)。已知申請(qǐng)?zhí)枮?008100713986.X的發(fā)明專利，利用電子束熔煉達(dá)到去除多晶硅中磷的目的，但該專利使用的方法無法有效去除多晶硅中的雜質(zhì)硼，需要另外的工藝過程才能去除雜質(zhì)硼，增加了工藝環(huán)節(jié)，同時(shí)該專利使用的方法中使用兩把電子槍，能耗較大。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明克服上述不足問題，提供一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的方法，綜合利用電子束熔煉、渣濾熔煉及定向凝固技術(shù)，同時(shí)去除多晶硅中磷、硼和金屬雜質(zhì)，達(dá)到太陽能級(jí)多晶硅材料的使用要求。本發(fā)明的另一目的是提供一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，提純精度高。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的方法，先熔化造渣劑及除磷：在熔煉坩堝中加熱熔化造渣劑形成造渣劑熔液，并保持其液態(tài)，同時(shí)通過加料裝置向水冷銅坩堝中連續(xù)加入高磷、高硼和高金屬的多晶硅料，硅料在電子束轟擊下熔化成硅熔液，并熔煉去除雜質(zhì)磷；再除硼除金屬：除磷后的低磷硅熔液導(dǎo)流進(jìn)入到造渣劑熔液之中，在熔入的過程中，硅熔液中的雜質(zhì)硼與造渣劑反應(yīng)，去除雜質(zhì)硼，最后待熔煉坩堝中的熔液裝滿時(shí)，停止加入多晶硅料，并將熔煉坩堝中的熔液加熱保持液態(tài)熔煉3-10分鐘，最后通過拉錠機(jī)構(gòu)向下拉錠，熔液開始定向凝固，金屬雜質(zhì)和廢渣不斷向硅錠頂部聚集，完全凝固并降至室溫后，取出硅錠，切去硅錠頂部廢渣及金屬含量較高的硅塊，即可得到磷、硼和金屬雜質(zhì)含量較低的多晶硅錠。

所述熔化造渣劑及除磷前進(jìn)行備料預(yù)處理：備料：將造渣劑平鋪于熔煉坩堝底部，造渣劑的加入量為熔煉坩堝體積的1/6-1/4位置為宜，關(guān)閉爐門；

預(yù)處理：將真空室抽到高真空0.002Pa以下；向水冷支撐桿、水冷銅坩堝及水冷拉錠桿中通入冷卻水，使其溫度維持在30-45℃；給電子槍預(yù)熱，設(shè)置高壓為30-32kV，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(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍束流。