调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法及装置制造方法及图纸

一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法及装置，属于高温熔盐中电化学沉积硅领域。该方法以冶金硅为阳极，阴极材料为阴极，以氟硅酸盐和碱金属卤化物的混合物为熔盐电解质，采用其装置实现密封，并从进气口持续通入惰性气体，从出气口排出惰性气体，保持反应器内正压；升温，构建起高温、常压、无水，隔绝空气的环境；采用其装置对熔盐进行搅拌；电极间施加电压电沉积硅；在电沉积硅时，通过搅动熔盐电解质改变硅沉积电化学过程传质，实现调控高温熔盐中电化学沉积硅膜择优取向生长，甚至得到单晶硅沉积物。并提供了实现搅动熔盐并密封的装置，其实现了高温条件下，常压、无水，隔绝空气的熔盐环境中搅动熔盐的功能，成本低、操作简单。

The method and device for controlling the preferred orientation growth of Electrodeposited silicon in high temperature molten salt

【技术实现步骤摘要】
调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法及装置
本专利技术属于高温熔盐中电化学沉积硅
，具体涉及一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置及方法。
技术介绍
目前世界上高纯硅的生产多采用改良西门子法。改良西门子法是用氯和氢合成氯化氢(或外购氯化氢)，氯化氢和工业冶金硅粉在一定的温度下合成氯硅烷，然后对氯硅烷进行分离精馏提纯，提纯后的氯硅烷在氢还原炉内进行CVD反应生产高纯多晶硅。该工艺大致细分为以下几个工序：H2制备与净化、HCl合成、氯硅烷(SiHCl3)合成、合成气干法分离、氯硅烷(SiHCl3)分离提纯、氯硅烷(SiHCl3)氢还原、还原尾气干法分离、SiCl4氢化、氢化气干法分离、硅芯制备及产品整理、废气及残液处理等。具体涉及以下反应过程：1.石英砂在电弧炉中冶炼，提纯得到98％的工业冶金硅，其化学反应为：SiO2+C→Si+CO2↑2.把工业冶金硅，粉碎，在流化床反应器中，工业冶金硅和无水氯化氢(HCl)反应，生成拟溶解的氯硅烷(SiHCl3)，其化学反应为：Si+HCl→SiHCl3+H2↑3.过滤硅粉，冷凝SiHCl3和SiCl4，而气态Н2、HCl返回到反应中或排放到大气中。然后分解冷凝物SiHCl3和SiCl4，净化氯硅烷。4.净化后的氯硅烷采用高温还原工艺，以高纯的SiHCl3在H2气氛中还原沉积而生成多晶硅。其化学反应为：SiHCl3+H2→Si+HCl然而此工艺仅能生成多晶硅，多晶硅在转化效率和使用性能上远远不如单晶硅。单晶硅的制取发展水平于与我们生活密切相关，然而文献表明，单晶硅的生产按制备方法不同分为：无坩埚区熔法(FZ)与有坩埚直拉法(CZ)。无坩埚区熔法(FZ)能制备纯度较高的单晶硅，但由于对设备要求较高，所需工艺流程较为复杂，成本较高至于无法用此量产；有坩埚直拉法(CZ)成本较低能大量生产，但由于需要坩埚致使制备的单晶硅易掺入杂质元素。且上述方法均需要仔晶才能制备出单晶。因此，能在较低成本下提取较高纯度的单晶硅成为当今世界单晶硅研究的最活跃的课题之一。熔盐电精炼提纯冶金硅制备高纯硅是科研人员努力的方向之一。与水溶液存在本质区别，熔盐完全由离子构成，且熔盐具有使用温度范围宽，粘度低、蒸汽压低、稳定性好等优点。它能够提供一种非水溶液中合成材料的环境，是对不能在水溶液中进行合成的材料制备的有力补充。在相对高温合成材料过程中，熔盐通常作为媒介或反应物直接参与反应，具有反应速度快、产物纯度高等特点。熔盐中电化学合成材料是在相对高温、无水环境中进行，这对熔盐隔绝空气的要求非常严格。由于需要在相对密封、隔绝空气，且真空或常压的环境下进行，所以现有熔盐中合成材料主要是采用静态合成方法。但静态的熔盐体系传质速率慢，影响材料的合成，也无法实现合成过程的调控。若能搅动熔盐，采用动态熔盐中合成材料将有利于传质，有利于调控合成过程，获得理想的材料。因此，解决高温、常压、无水，隔绝空气条件下，搅动熔盐进行材料合成的问题，是动态熔盐中合成材料的关键。
技术实现思路
针对高温、常压、无水，隔绝空气条件下，高温熔盐中电化学沉积硅存在的问题，本专利技术提供了一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法及装置，该方法以含有氟硅酸盐和碱金属卤化物为熔盐电解质，冶金硅作阳极，石墨或铝或多晶硅或单晶硅或银或不锈钢片作阴极。在电沉积硅时，通过搅动装置搅动熔盐电解质改变硅沉积电化学过程传质，实现调控高温熔盐中电化学沉积硅膜择优取向生长，甚至得到单晶硅沉积物。并提供了一种实现搅动熔盐的装置，该装置实现了高温条件下，常压、无水，隔绝空气的熔盐环境中搅动熔盐的功能，成本低、操作简单。本专利技术的技术方案如下：本专利技术的一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，采用将冶金硅作为阳极，阴极材料作为阴极，以氟硅酸盐和碱金属卤化物的混合物为熔盐电解质，其中，氟硅酸盐为Na2SiF6和/或K2SiF6；所述的碱金属卤化物为NaF、LiCl、NaCl、KCl、KF中的一种或几种的混合物；采用调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置，实现电化学沉积过程中的密封；装有熔盐电解质的坩埚置于反应器中，冶金硅和钼杆连接、阴极材料和另一钼杆连接；将钼杆穿过反应器盖且密封；将调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置穿过反应器盖；用反应器盖与反应器连接、密封；向调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置的油杯中注入密封油隔绝反应器内与空气的流通；从反应器盖上的进气口持续通入惰性气体，从反应器上的出气口排出惰性气体，保持反应器内正压；升温，构建起高温、常压、无水，隔绝空气的环境；采用调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置对熔盐进行搅拌；电极间施加电压进行恒电压或恒电流密度电沉积硅；改变调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置搅拌速度、熔盐组成、熔盐熔化温度及合成时间调控高温熔盐中电化学沉积硅膜择优生长取向。本专利技术的一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，具体包括以下步骤：步骤1：将冶金硅作为阳极，阴极材料作为阴极，所述的阴极材料为石墨、铝、银、多晶硅、单晶硅或不锈钢中的一种；以氟硅酸盐和碱金属卤化物的混合物为熔盐电解质，其中，氟硅酸盐为Na2SiF6和/或K2SiF6；所述的碱金属卤化物为NaF、LiCl、NaCl、KCl、KF中的一种或几种的混合物；将冶金硅和钼杆连接，将阴极材料与另一个钼杆连接；钼杆穿过反应器盖将冶金硅和阴极材料置于反应器炉腔中；步骤2：按比例将烘干的原料、烘干的熔盐电解质混合均匀，置于坩埚中，将坩埚置于烘干后的反应器中，将实现搅拌的调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置和反应器盖连接，将反应器盖和反应器密封连接；向调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置中的油杯中注入密封油，使得直通接头轴承连接处密封；并开启油杯外设置的冷却系统，对密封油进行降温；从反应器盖上的进气口持续通入惰性气体，从反应器盖上的出气口排出惰性气体，维持反应器内正压，将反应器升温，得到高温、常压、无水无氧环境；所述的步骤2中，调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置和反应器盖连接方式为：将调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置的固定套下端和反应器盖上设置的固定直通接头连接，并采用密封圈密封。步骤3：升温至熔盐熔化后，恒温至反应温度，将通过调节直通接头，将搅拌杆下放，使得搅动叶片浸没熔盐中，调节直通接头密封固定；分别将阴极和阳极插入熔盐中，通过驱动装置转动搅拌杆，从而带动搅动叶片对熔盐进行搅拌，搅拌速度v优选为0≤v≤700r/min；对阴极和阳极间施加电压，进行恒电压或恒电流密度电沉积硅，电沉积结束后，将阴极和阳极提离熔盐；断开驱动装置和搅拌杆的连接，调节直通接头，将搅拌杆上提至搅动叶片离开熔盐，再次调节直通接头密封、固定，当体系降至室温后，停止通入惰性气体，取出阴极，水洗除盐得到电化学沉积硅。所述的步骤3中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，其特征在于，采用将冶金硅作为阳极，阴极材料作为阴极，以氟硅酸盐和碱金属卤化物的混合物为熔盐电解质，其中，氟硅酸盐为Na

【技术特征摘要】
1.一种调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，其特征在于，采用将冶金硅作为阳极，阴极材料作为阴极，以氟硅酸盐和碱金属卤化物的混合物为熔盐电解质，其中，氟硅酸盐为Na2SiF6和/或K2SiF6；所述的碱金属卤化物为NaF、LiCl、NaCl、KCl、KF中的一种或几种的混合物；采用调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置，实现电化学沉积过程中的密封；
装有熔盐电解质的坩埚置于反应器中，冶金硅和钼杆连接、阴极材料和另一钼杆连接；将钼杆穿过反应器盖且密封；将调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置穿过反应器盖；用反应器盖与反应器连接、密封；向调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置的油杯中注入密封油隔绝反应器内与空气的流通；从反应器盖上的进气口持续通入惰性气体，从反应器上的出气口排出惰性气体，保持反应器内正压；升温，构建起高温、常压、无水，隔绝空气的环境；采用调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置对熔盐进行搅拌；电极间施加电压进行恒电压或恒电流密度电沉积硅；改变调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置搅拌速度、熔盐组成、熔盐熔化温度及合成时间调控高温熔盐中电化学沉积硅膜择优生长取向。


2.根据权利要求1所述的调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：
将冶金硅作为阳极，阴极材料作为阴极，所述的阴极材料为石墨、铝、银、多晶硅、单晶硅或不锈钢中的一种；
以氟硅酸盐和碱金属卤化物的混合物为熔盐电解质，其中，氟硅酸盐为Na2SiF6和/或K2SiF6；所述的碱金属卤化物为NaF、LiCl、NaCl、KCl、KF中的一种或几种的混合物；
将冶金硅和钼杆连接，将阴极材料与另一个钼杆连接；
钼杆穿过反应器盖将冶金硅和阴极材料置于反应器炉腔中；
步骤2：
按比例将烘干的原料、烘干的熔盐电解质混合均匀，置于坩埚中，将坩埚置于烘干后的反应器中，将实现搅拌的调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置和反应器盖连接，将反应器盖和反应器密封连接；
向调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置中的油杯中注入密封油，使得直通接头轴承连接处密封；并开启油杯外设置的冷却系统，对密封油进行降温；
从反应器盖上的进气口持续通入惰性气体，从反应器盖上的出气口排出惰性气体，维持反应器内正压，将反应器升温，得到高温、常压、无水无氧环境；
步骤3：
升温至熔盐熔化后，恒温至反应温度，将通过调节直通接头，将搅拌杆下放，使得搅动叶片浸没熔盐中，调节直通接头密封固定；
分别将阴极和阳极插入熔盐中，通过驱动装置转动搅拌杆，从而带动搅动叶片对熔盐进行搅拌，搅拌速度v为0≤v≤700r/min；
对阴极和阳极间施加电压，进行恒电压或恒电流密度电沉积硅，电沉积结束后，将阴极和阳极提离熔盐；
断开驱动装置和搅拌杆的连接，调节直通接头，将搅拌杆上提至搅动叶片离开熔盐，再次调节直通接头密封、固定，当体系降至室温后，停止通入惰性气体，取出阴极，水洗除盐得到电化学沉积硅。


3.根据权利要求2所述的调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，其特征在于，所述的步骤2中，调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置和反应器盖连接方式为：将调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长装置的固定套下端和反应器盖上设置的固定直通接头连接，并采用密封圈密封。


4.根据权利要求2所述的调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，其特征在于，所述的步骤3中，升温至熔盐熔化的温度>熔盐熔点+(10～20)℃。


5.根据权利要求2所述的调控高温熔盐中电化学沉积硅择优取向生长方法，其特征在于，所述的步骤3中，恒电流密度为50～100A/m2；恒电压的电压为0.8～1.5V；电化学沉积时间为10-150min。


6.根据权利要求1或2所述的调控高温熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢宏伟，魏东，于可欣，席卫国，申庆达，张雅辰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21