[發明專利]電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置及方法

在審

• 申請號: 201310596367.X
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN104651930A
• 公開（公告）日: 2015-05-27
• 發明（設計）人: 安廣野;郭校亮;王登科;姜大川;譚毅
• 申請（專利權）人: 青島隆盛晶硅科技有限公司
• 主分類號: C30B28/06
• 分類號: C30B28/06;C30B29/06;C01B33/037
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明屬于多晶硅鑄錠領域，特別涉及一種電子束熔煉除氧與長晶技術耦合制備多晶硅的裝置及方法。

背景技術

冶金法制備太陽能級多晶硅技術作為發展低成本、環境友好的太陽能級多晶硅制備技術的必經之路，目前已經取得了長足發展，并實現了工業化生產。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發生化學反應的情況下，依次去除硅中的各種雜質元素(磷、硼、氧及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的硅料。例如，利用介質熔煉技術去除硅中的硼雜質，利用定向凝固去除硅中的金屬雜質，利用電子束熔煉技術去除硅中的磷雜質，將三種熔煉工藝集成為一條工藝路線，經過三種工藝過程，從而得到太陽能級多晶硅。

在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質均可通過有效的工藝手段去除，達到了較理想的效果。但是，近年來，在對多晶硅太陽能電池片光電轉化效率的研究中發現，氧元素的含量對電池片的光電轉化效率與產生重要影響。但是，現有技術中，對氧元素的去除效果不佳。

在冶金法的鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會進入到硅料中，是氧雜質產生的主要原因。傳統的測試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對高純硅料與混料（鑄鑄后的邊角料與高純料混合）進行檢測，兩種料中氧的含量相關不大。這也導致了冶金法工藝中引入的氧雜質未受到重視。

實際上，在硅中氧元素有兩種狀態：替代位，即氧代替了硅的位置；間歇位，即氧在硅原子的間隙中。傳統的測試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測間歇位的氧含量，不能真實反映兩種硅料中的氧含量水平。經申請人的實驗測試，替代位的氧會釋放電子，與硅中雜質磷產生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉化效率。申請人通過二次離子質譜儀多次檢測，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。

因此，對于冶金法中多晶硅中引入的雜質氧不能忽視，尤其在鑄錠工藝結束后，底料中氧含量為4～20ppmw，不符合生產要求，必需尋求有效的手段降低硅中雜質氧的含量。

對于氧雜質的去除方法，檢索到發明專利CN20081007092.5，一種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該發明采用在硅液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在硅液中反應產生局部高溫，使硅液中的氧、碳元素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險性高，氧的去除效果不佳。

電子束熔煉技術，作為冶金法工藝流程中的重要組成部分，能夠有效去除硅中氧和磷。長晶技術作為制備最終滿足生產硅片要求的環節，是冶金法的最終環節。但目前，冶金法工藝過程中，電子束熔煉技術與長晶技術為兩個獨立的環節，一般是將電子束熔煉后的硅料，經過破碎、清洗過程后，所得到的硅料再放入鑄錠爐內進行再次熔煉，進行長晶，得到滿足生產硅片要求的鑄錠。但在這個流程中，電子束熔煉技術及長晶技術均涉及到硅料的熔化及凝固過程，同時，電子束熔煉后的硅料，需要經過噴砂、破碎、清洗、烘干后，才能進入長晶環節，增加了整體投資，且生產效率較低。

發明內容

本發明克服上述不足問題，提供一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置及方法，更加高效地去除硅中的氧雜質元素，大大降低生產過程中的總能耗。

本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置，爐體頂部通連安裝有電子槍，側部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環繞有石墨加熱器和石墨碳氈，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設有孔，且石英坩堝底部安裝有水冷銅底座。

孔的面積優選為石英坩堝底部面積的20～35%。

一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置的方法，步驟如下：

（1）裝料：將硅粉放入石英坩堝鏤空孔內，至剛填滿底部孔的區域；將多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝內，關閉保溫蓋；

（2）抽真空：打開真空泵組，對爐體和電子槍抽真空；

（3）熔化：調節石墨加熱器功率使硅料全部熔化；

（4）電子槍預熱并保溫：設置高壓預熱，關閉高壓；設置電子槍束流預熱，關閉束流；降低石墨加熱器功率，保持硅料處于液態；

（5）電子束熔煉除氧：打開真空裝置蓋后，同時開啟電子槍高壓和束流，穩定后轟擊多晶硅料；