[發(fā)明專利]一種電子束過熱熔煉去除多晶硅中金屬雜質(zhì)的方法和裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410829665.3
• 申請日: 2014-12-25
• 公開（公告）號: CN104556050A
• 公開（公告）日: 2015-04-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姜大川;石爽;王登科;譚毅
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C01B33/037
• 分類號: C01B33/037
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電子束過熱熔煉去除多晶硅中金屬雜質(zhì)的方法，屬于冶金領(lǐng)域。

背景技術(shù)

冶金法制備太陽能級多晶硅，由于其成本低、能耗小、環(huán)境友好等特點(diǎn)，目前被廣泛的推廣和采用。在提純的工藝中，根據(jù)雜質(zhì)在多晶硅中的存在形式以及各雜質(zhì)元素的物理化學(xué)性質(zhì)，主要利用造渣熔煉的方法去除多晶硅中的硼雜質(zhì)、利用定向凝固(鑄錠)或酸洗的方法去除多晶硅中的金屬雜質(zhì)、利用電子束熔煉或真空熔煉的方法去除多晶硅中的磷雜質(zhì)。

目前，對于金屬雜質(zhì)總濃度超過1000ppmw的多晶硅，需要經(jīng)過兩次甚至兩次以上的定向凝固技術(shù)才能將金屬雜質(zhì)總濃度降低至1ppmw以下。而定向凝固技術(shù)提出處理一次的時間大約在1～2天時間，生產(chǎn)時間較長，并且在多次提純的過程中浪費(fèi)了大量的電力。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種電子束過熱熔煉技術(shù)，使多晶硅在電子束熔煉的時候便能進(jìn)行一次定向凝固，減低后續(xù)處理的難度和成本。

本發(fā)明的目的是提供一種電子束熔煉多晶硅的裝置，包括水冷熔煉坩堝，所述水冷銅坩堝采用傾斜式側(cè)壁設(shè)計，所述水冷銅坩堝內(nèi)側(cè)壁與水冷銅坩堝底夾角為105～120°，所述水冷銅坩堝內(nèi)設(shè)有石墨襯套，所述石墨襯套外表面與水冷銅坩堝內(nèi)表面貼合，緊配合設(shè)計，石墨襯套的底部與水冷銅坩堝底部水平，所述石墨襯套內(nèi)表面?zhèn)缺谂c石墨襯套底夾角為95～100°。

進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，所述石墨襯套底部厚度為20～40mm，所述石墨襯底的側(cè)壁厚底部度大于或等于20mm。

進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，所述石墨襯套的內(nèi)部高度與底部寬度之間的比值為1:1～2:1。

本發(fā)明的另一目的是提供一種電子束過熱熔煉去除多晶硅中金屬雜質(zhì)的方法，其特征在于包括以下步驟：

a.將水冷銅坩堝置于電子槍的下方，將石墨襯套置于水冷銅坩堝中，將破碎成10～30mm的硅料裝入石墨襯套中，同時將所述硅料裝滿電子束熔煉的加料裝置；

b.預(yù)熱電子槍；

c.熔化、熔煉硅料；同時開啟電子槍的高壓和束流，逐漸提升電子槍的熔煉功率至200～300kW，功率提升速率為5～10kW/min；熔化硅料后，繼續(xù)熔煉20-40min；由于石墨材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，所以石墨襯套具有保溫作用，會使電子束熔煉下的硅熔體達(dá)到2000～2600℃的過熱狀態(tài)，硅熔體表面的揮發(fā)性雜質(zhì)的去除速率加快。同時，由于石墨襯套側(cè)壁的不等厚設(shè)計，使硅熔體的溫度自下而上呈現(xiàn)逐漸升高的溫度梯度，形成定向凝固趨勢，使金屬雜質(zhì)逐漸向硅熔體表面遷移或運(yùn)動，達(dá)到硅熔體表面的揮發(fā)性雜質(zhì)被去除；

d.關(guān)閉電子槍，熔煉后的硅料隨爐冷卻1～3h，依次關(guān)閉擴(kuò)散泵、羅茨泵、機(jī)械泵，打開放氣閥，開啟設(shè)備倉門取出硅錠；

e.無揮發(fā)性的雜質(zhì)會由于定向凝固作用集中在硅錠的上表面，上表面切除5～10mm。

進(jìn)一步地，在上術(shù)技術(shù)方案中，步驟b中，關(guān)閉設(shè)備倉門，依次開啟機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵，使熔煉室的真空度達(dá)到5×10^-2Pa，電子槍的真空度達(dá)到5×10^-3Pa；電子槍設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5-10min后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為70-200mA，束流預(yù)熱5-10min，關(guān)閉電子槍束流。

進(jìn)一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟c中，隨著熔煉的進(jìn)行，由加料裝置向石墨襯套中加入硅料，重復(fù)步驟c，直到達(dá)到指定量。

本發(fā)明通過在電子束熔煉設(shè)備中水冷銅坩堝中加入石墨襯套，對硅熔體進(jìn)行過熱熔煉，使硅熔體散熱不及時，在溫度梯度的作用下，硅熔體內(nèi)部自下而上形成定向凝固趨勢，金屬雜質(zhì)富集到頂部，揮發(fā)性雜質(zhì)從硅熔體頂部逸出，非揮發(fā)性雜質(zhì)最終凝固于硅錠的頂部，最終被切除。

發(fā)明有益效果

在本發(fā)明裝置中進(jìn)行過熱熔煉去除金屬雜質(zhì)，可減少后續(xù)定向凝固以及鑄錠的次數(shù)，減少提純工藝，降低生產(chǎn)成本；多晶硅提純電子束過熱熔煉可降低后期定向凝固次數(shù)1次以上；多晶硅提純電子束過熱熔煉可降低多晶硅中金屬雜質(zhì)30％以上。

附圖說明

本發(fā)明附圖1幅，

圖1是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1、水冷銅坩堝；2、石墨保溫套。

具體實(shí)施方式

下述非限定性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。

下述實(shí)施例中所述試驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。

實(shí)施例1