双室双联真空循环脱气炉及太阳能级多晶硅的制备制造技术

本发明专利技术公开了一种双室双联真空循环脱气炉及太阳能级多晶硅的制备，该双室双联真空循环脱气炉包括：上下设置的上真空室和下真空室，中间通过两根连接管连接，其中的一根作为上行管，另一根作为下行管；其制备方法包括：１）将冶金硅料放入下真空室，加热形成硅液，同时对上真空室加热；２）下真空室的硅液通过两根连接管连接到上真空室；３）对上下真空室分别进行抽真空；同时，对上行管中通入气体；４）通过控制上下真空室之间的压力差和对上行管中通入气体，使硅液在上下真空室间循环，得到太阳能级多晶硅原料。本发明专利技术能生产出成份均匀、硼磷含量较低的太阳能级多晶硅原料，并能量产，而且该太阳能级多晶硅原料能直接进行铸锭或拉单晶。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种冶金法太阳能级多晶硅的制备，特别是涉及一种双室双联真空循 环脱气炉及用该炉进行太阳能级多晶硅的制备。
技术介绍
多晶硅产品的主要用途有两种一种是用于制备太阳能电池，另一种是用于集成 电路。两种用途对多晶硅产品的性能参数要求也不尽相同，电子级多晶硅的纯度要求达到 9N IlN ；而太阳能级电池在保证光电转换效率与寿命的前提下，对多晶硅纯度的要求大 致在6N 7N左右。不同的参数标准决定了不同用途的多晶硅的制备方法也有差异，电子 级多晶硅一般是使用高成本的化学法，主要是改良的西门子法；而太阳能级多晶硅则可以 采用一些物理方法以降低生产成本。目前对于太阳能级多晶硅的制备，除了改良的西门子 法外，还有冶金法、硅烷法和流化床法等。太阳能级多晶硅材料的纯度要求是6N 7N，而且其中硼的含量应当在0. 2 0. 3ppmw就可以了。如果纯度高于7N，还需要对多晶硅加入适量的硼磷掺杂，降低纯度后， 才能用于光伏发电。所以，采用西门子法生产的大于7N的硅料来生产太阳能级多晶硅是不 经济的。因此，应该有专门用于光伏发电的硅片生产技术。冶金法制取太阳能级多晶硅是 最有希望的替代技术之一。尽管冶金法多晶硅产品还可能存在某些问题，但冶金法具有工 艺简单、能耗低等一系列优点。虽然冶金法生产多晶硅具有成本低、建设周期短、无化学污染等优势，但到目前为 止，国内用冶金法制备多晶硅还徘徊在科研、小规模实验当中，并且产品还达不到太阳能级 硅的质量要求，稳定性也较差，使用过程中衰减严重，而且如果冶金法要实现量产，考虑到 除硼等杂质的因素，所需的投资较改良西门子法有过之而无不及。根据冶金法冶炼多晶硅的原理及经验，冶金法生产多晶硅技术路线可以分为三个 节点首先从源头，也就是从原料开始就控制杂质含量，特别是控制对太阳电池性能影响最 大的硼和磷的含量，而不是等将硼和磷融入工业硅后才千方百计从中去除；其次是采用各 种冶金方法进行净化提纯，得到太阳能级的多晶硅；最后是多晶硅的铸锭或单晶拉制以及 切片过程，在此过程中应当考虑如何控制施主和受主杂质，得到合适的电阻率和少子寿命。结合工业硅的生产工艺，在矿热炉内，用精选、处理过的硅石、石墨电极和石油焦 等还原剂为原料，通过高温还原制得2N 3N左右的冶金硅。精选过程可以根据各家公司的 情况进行(例如采用原料预处理工艺来控制对太阳能多晶硅危害最大的硼和磷在原料中 的含量等)。将制得的冶金硅利用冶炼炉的余温，在液态下进行炉外精炼(主要是造渣、吹 气，进一步除硼、磷、碳和金属杂质)后，得到2N 3N的高纯冶金硅。紧接着将2N 3N的 高纯冶金硅通过各种提纯方法(例如湿法酸洗除金属、真空电子束熔炼除磷、除金属杂质 和真空等离子束氧化除硼，电磁真空熔炼除磷，湿氧法除硼等技术手段)进行进一步提纯， 除去难以提纯的非金属和轻金属杂质，然后进行定向凝固除金属杂质。将定向凝固后获得 的柱状太阳能级多晶硅进行切锭、切片。3综合多晶硅除磷、硼和金属杂质的技术如下主要包括真空电子束、等离子束、电 磁真空熔炼、粉末冶金、湿法冶金和定向凝固。但冶金法多晶硅仍然存在必须面对的问题。 首先，材料的稳定性较差，在一批材料中甚至在一个硅锭中，材料分布质量都不是很稳定， 特别是磷和硼的分布不均勻，在硅晶体的制作过程中，难以控制产品的一致性，各种电性能 的差异比较大，只要最后一步是DSS(多晶硅熔化定向凝固炉)提纯，先后凝固的质量就不 一致，影响制程批量生产。只有在定向凝固之前将硼、磷降低到较低范围，才能保证最后的 定向凝固得到的多晶硅的品质。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种双室双联真空循环脱气炉及用该炉进行太 阳能级多晶硅原料的制备。通过采用本专利技术的双室双联真空循环脱气炉，利用冶金法技术 工艺，可以生产出成份均勻、硼磷含量较低的太阳能级多晶硅原料，达成量产冶金法多晶硅 的目的。另外，可使得该太阳能级多晶硅原料能使用真空铸锭炉，生产出质量合格的多晶硅Iio为解决上述技术问题，本专利技术的双室双联真空循环脱气炉，包括上下设置的双真 空室(上真空室和下真空室)，中间通过两根连接管连接。其中的一根连接管作为上行管， 能通过与其(上行管)连接的进气管通入气体；另一根连接管作为下行管。所述下真空室的真空度低于上真空室，该上下真空室都能被加热。本专利技术的整个双室双联真空循环脱气炉(包括上下真空室和连接管)，其制作材 料要求使用耐高温、纯净、不与硅反应的材料，包括高纯石英、高纯石墨，其中，高纯石墨和 高纯石英的纯度为99. 99%以上，且其中硼、磷含量低于0. 5ppm。另外，利用上述的双室双联真空循环脱气炉，进行太阳能级多晶硅原料的制备方 法，是一种利用该炉对硅液进行循环通气及脱气去除金属硅中杂质的方法，具体步骤包 括(1)将冶金硅料(液态或固态)，放入双室双联真空循环脱气炉的下真空室，并对 下真空室加热，使硅料熔化或保持熔化，形成硅液，并同时对上真空室进行加热；其中，上下真空室的加热温度为1450°C 1700°C，而且使上真空室的温度稍高于 下真空室10 60°C，上真空室温度稍高是因为硅液量少，只有稍高些，才不会被炉壁等冷 却而低于下真空室的温度；另外，根据去除的杂质种类，上真空室还能附加其它加热方式，包括吹氧加热、火 焰加热、等离子体加热、电子束加热；(2)下真空室的硅液通过两根连接管连接到上真空室，其中一根连接管作为上行 管，另一根连接管作为下行管；(3)对上下真空室分别进行抽真空，其中，下真空室的真空度低于上真空室，上真 空室的真空度P1 (单位Pa)和下真空室的真空度P2 (单位Pa)满足以下关系P2 ^ Pi+2. 33 X IO4 ‘ h (1)其中，P1由具体除杂工艺来定，h(单位m)为上真空室内壁底部与下真空室中硅 液表面之间的高度。同时，通过进气管对上行管中通入气体，这样，由于上下真空室之间的压力差以及4上行管中气体的上升提举作用，硅液会沿着上行管上行到上真空室；其中，通入的气体为氩 气(Ar)、水蒸气(H2O)、氢气(H2)、氮气(N2)中的一种或几种；(4)通过控制上下真空室之间的压力差和对上行管中通入气体，使硅液在到达上 真空室后，会从下行管流回下真空室，从而使硅液在上下真空室间不断循环，最后得到太阳 能级多晶硅原料。所述步骤(4)中，保持工艺一定时间后，停止通气，降低上真空室的真空度，硅液 全部流回下真空室，倒出硅液，即得太阳能级多晶硅原料。其中，保持工艺的具体时间应该 根据具体的硅液量及上下行管的粗细，计算使所有硅液循环的一定次数所需的时间来确定 工艺保持时间，具体的循环次数取决于杂质的含量，典型的循环次数为10 1000次。本专利技术制备的太阳能级多晶硅原料的纯度为4. 5N 5N，其中，含硼⑶≤0. 4ppm, 磷(P) ≤ 0. 8ppm,金属杂质总量小于50ppm ；该太阳能级多晶硅原料可以直接进行铸锭或拉 单晶。一般冶金法生产多晶硅，最难去除的是硼和磷，除硼最有效的方法就是通氩气混 水蒸汽形成HBO气体抽除。除磷则是利用电子束将硅液于浅浅的流道上，连续低压抽除。而本专利技术所述的双室双联真空循环脱气炉也可以用氩气做工作气体，并可混入水 蒸汽形成HBO气体抽走而除硼。另外，双室双联真空循环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双室双联真空循环脱气炉，其特征在于：包括：上下设置的上真空室和下真空室，中间通过两根连接管连接，其中的一根连接管作为上行管，另一根连接管作为下行管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史珺，孙文彬，
申请(专利权)人：上海普罗新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]