[發明專利]一種石墨管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法及設備

有效

• 申請號: 201210537096.6
• 申請日: 2012-12-13
• 公開（公告）號: CN102976333A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 譚毅;姜大川;安廣野;石爽;胡志剛
• 申請（專利權）人: 青島隆盛晶硅科技有限公司
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于冶金提純技術領域，特別涉及一種尾料取出式定向凝固提純多晶硅的方法及設備。

背景技術

硅原料的提純是太陽能光伏產業鏈的重要環節，光伏產業的快速發展依賴于高效率、低成本的提純方法。定向凝固技術已經被廣泛應用于金屬提純的諸多領域，取得了顯著的成效。在對硅原料進行提純的過程中，分凝系數遠小于1的金屬雜質在定向凝固過程中會向液相中富集，最終被去除。這種方法是目前冶金法制備太陽能級多晶硅的關鍵環節之一，是去除多晶硅中金屬雜質的最有效的方法。定向凝固的原理是采用強制的手段在熔體中形成特定方向的溫度梯度，硅熔體中溫度較低的部位成為形核源首先結晶成核，成為熔體凝固的起點并開始生長，由于單向溫度梯度的存在，熔體沿著與熱流相反的方向不斷生長，最終形成具有特定取向的柱狀晶。定向凝固提純是利用雜質元素在熔體與固體中的溶解度不同，在凝固過程中分凝系數較小的雜質元素在固液界面處前沿被排出進入液相中，并在熔體中不斷富集，最后在鑄錠的尾部凝固，將鑄錠尾部雜質濃度較高的區域切除，即可獲得低金屬含量的鑄錠，進而達到提純的目的。

????然而，在凝固末期，隨著雜質的不斷富集以及熔體體積的不斷減小，雜質的濃度會越來越高，高濃度的雜質被保留在最后凝固的區域中。在隨后緩慢降溫過程中，高濃度區域的雜質會向低濃度區域擴散，使得硅純度隨著保溫時間的延長反而逐漸降低，這影響了提純效果，且在這種情況下，需要被切除的尾部廢料高達25%~35%，成品率僅為65-75%。同時，由于硅的硬度比較大，需要大功率切割設備才能將提純的硅錠和尾部雜質含量高的鑄錠尾料分離出來，目前一般使用線切割和金剛石鋸帶切割的方法進行切割，但是切割設備成本高，鋸帶消耗大，不利于工業化生產成本的降低，目前，國內鮮見富有成效的方法來方便尾料的去除。

發明內容

本發明目的是為克服以上不足，提出了一種石墨管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，在凝固末期，將石墨管伸入熔體之中，之后向真空腔室內通入氬氣，上層未凝固的雜質含量高的硅熔體在壓力差的作用下進入石墨管中，在凝固結束階段實現雜質富集區與已凝固的高純硅鑄錠的直接分離，抑制了雜質的反擴散，提高了多晶硅的純度和鑄錠的出成率，減少了工藝環節，另外還提出了該方法所采用的設備，該設備簡單，操作簡便，成本較低，且利于雜質含量高的尾料得到方便快捷地去除。

為實現上述目的所采用的技術方案是：一種石墨管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，其特征是：在惰性氣體保護環境中，將洗凈的硅料加熱至完全熔化形成硅熔體后保溫；之后降溫、垂直向下拉錠，進行定向凝固；待凝固完成85~90%時，停止拉錠，將石墨管伸入上層未凝固的剩余硅熔體中，向真空腔室內通入惰性氣體，使上層未凝固的剩余硅熔體在壓力差作用下進入石墨管中，待上層未凝固的剩余硅熔體全部壓入石墨管后，繼續向下拉錠，待坩堝上端離開加熱區后，將水冷坩堝伸至石墨管正下方，停止向真空腔室內通入惰性氣體，開始對真空腔室抽取真空，石墨管中的上層未凝固的剩余硅熔體下落至水冷坩堝中冷卻凝固；切斷電源，停止加熱，坩堝中凝固得到的鑄錠即為高純硅鑄錠。

所采用方法的具體步驟如下：

第一步前處理：向坩堝中添加坩堝體積90~95%洗凈的硅料，關閉通氣管路，開啟真空泵組，先將真空腔室內的真空度抽到0.01-10Pa，之后關閉真空泵組，開啟通氣管路，向真空腔室內充入惰性氣體，至壓強達到100~4000Pa，關閉通氣管路；

第二步熔煉、凝固：開啟電源，利用感應線圈和石墨發熱體將坩堝中的硅料加熱到1450~1650℃至完全熔化成硅熔體，并在此溫度下保溫30~60min，垂直向下拉動水冷盤，使坩堝中的硅熔體以0.1-2mm/min的速度垂直向下勻速運動，進行拉錠，硅熔體由坩堝底部向頂部進行定向凝固，當硅熔體凝固到85~90%時，停止拉錠，將石墨管伸入到上層未凝固的剩余硅熔體中，打開通氣管路，惰性氣體以0.5~5L/min的流量勻速向真空腔室內填充至壓強達到8000~70000Pa，上層未凝固的剩余硅熔體在石墨管內外壓力差的作用下壓入石墨管中，直至熔體完全進入石墨管中，以0.1-2mm/min的速度繼續向下拉錠，待坩堝上端離開加熱區后，通過水冷支撐桿將水冷坩堝伸至石墨管正下方，將石墨管下端降至水冷坩堝上端開口水平面以下2-5cm，停止向真空腔室內通入惰性氣體，開始對真空腔室抽取真空至壓強達到80-3000Pa，石墨管中上層未凝固的剩余硅熔體在反向壓力差作用下下落至水冷坩堝中冷卻并凝固；