一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶硅的方法及设备技术

本发明专利技术属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域。一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶硅的方法，在熔炼坩埚中加热熔化造渣剂形成造渣剂熔液，并保持其液态，同时通过加料装置向水冷铜坩埚中连续加入高磷、高硼和高金属的多晶硅料，硅料在电子束轰击下熔化成硅熔液，并熔炼去除杂质磷；除磷后的低磷硅熔液导流进入到造渣剂熔液之中，在熔入的过程中，硅熔液中的杂质硼与造渣剂反应去除杂质硼，加满料后将熔炼坩埚中的熔液加热保持液态熔炼3-10分钟，定向凝固，切去硅锭顶部废渣及金属含量较高的硅块即可。本发明专利技术综合利用电子束熔炼除磷、渣滤熔炼除硼及定向凝固除金属的技术去除多晶硅中的磷、硼和金属杂质，提纯效果好，生产效率高，适合批量生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于用物理冶金技术提纯多晶硅的
，特别涉及一种将多晶硅中的 杂质磷、硼和金属去除的方法；另外本专利技术还涉及其设备。
技术介绍
太阳能级多晶硅材料是太阳能电池的重要原料，太阳能电池可以将太阳能转化为 电能，在常规能源紧缺的今天，太阳能具有巨大的应用价值。目前，世界范围内制备太阳能 电池用多晶硅材料已形成规模化生产，主要技术路线有(1)改良西门子法西门子法是以盐酸(或氢气、氯气)和冶金级工业硅为原料，由三氯 氢硅，进行氢还原的工艺。现在国外较成熟的技术是西门子法，并且已经形成产业。该法已 发展至第三代，现在正在向第四代改进。第一代西门子法为非闭合式，即反应的副产物氢气 和三氯氢硅，造成了很大的资源浪费。现在广泛应用的第三代改良西门子工艺实现了完全 闭环生产，氢气、三氯氢硅硅烷和盐酸均被循环利用，规模也在1000吨每年以上。但其综合 电耗高达170kw · h/kg，并且生产呈间断性，无法在Si的生产上形成连续作业。(2)冶金法以定向凝固等工艺手段，去除金属杂质；采用等离子束熔炼方式去除 硼；采用电子束熔炼方式去除磷、碳，从而得到生产成本低廉的太阳能级多晶硅。这种方法 能耗小，单位产量的能耗不到西门子法的一半，现在日本、美国、挪威等多个国家从事冶金 法的研发，其中以日本JFE的工艺最为成熟，已经投入了产业化生产。(3)硅烷法是以氟硅酸(&SiF6)、钠、铝、氢气为主要原材料制取硅烷(SiH4),然 后通过热分解生产多晶硅的工艺。该法基于化学工艺，能耗较大，与西门子方法相比无明显 优势。(4)流态化床法是以SiCl4 (或SiF4)和冶金级硅为原料，生产多晶硅的工艺。粒 状多晶硅工艺法是流态化床工艺路线中典型的一种。但是该工艺的技术路线正在调试阶 段。在众多制备硅材料的方法中，已经可以投入产业化生产的只有改良西门子法、硅 烷法、冶金法。但改良西门子法和硅烷法的设备投资大、成本高、污染严重、工艺复杂，不利 于太阳能电池的普及性应用，相比而言冶金法具有生产周期短、污染小、成本低的特点，是 各国竞相研发的重点。电子束熔炼是冶金法提纯多晶硅的重要方法之一，它可以有效降低 多晶硅中的杂质磷，但是目前大部分电子束熔炼提纯多晶硅的方法还不能同时有效去除多 晶硅中的杂质硼和金属杂质，并且一般电子束熔炼都使用两把电子枪，存在能耗较大的缺 点。已知申请号为2008100713986. X的专利技术专利，利用电子束熔炼达到去除多晶硅中磷的 目的，但该专利使用的方法无法有效去除多晶硅中的杂质硼，需要另外的工艺过程才能去 除杂质硼，增加了工艺环节，同时该专利使用的方法中使用两把电子枪，能耗较大。
技术实现思路
本专利技术克服上述不足问题，提供一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶硅的方法，综合利用电子束熔炼、渣滤熔炼及定向凝固技术，同时去除多晶硅中磷、硼和金属杂质，达到太 阳能级多晶硅材料的使用要求。本专利技术的另一目的是提供一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶 硅的设备，结构紧凑，操作简单，提纯精度高。本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶硅 的方法，先熔化造渣剂及除磷在熔炼坩埚中加热熔化造渣剂形成造渣剂熔液，并保持其液 态，同时通过加料装置向水冷铜坩埚中连续加入高磷、高硼和高金属的多晶硅料，硅料在电 子束轰击下熔化成硅熔液，并熔炼去除杂质磷；再除硼除金属除磷后的低磷硅熔液导流 进入到造渣剂熔液之中，在熔入的过程中，硅熔液中的杂质硼与造渣剂反应，去除杂质硼， 最后待熔炼坩埚中的熔液装满时，停止加入多晶硅料，并将熔炼坩埚中的熔液加热保持液 态熔炼3-10分钟，最后通过拉锭机构向下拉锭，熔液开始定向凝固，金属杂质和废渣不断 向硅锭顶部聚集，完全凝固并降至室温后，取出硅锭，切去硅锭顶部废渣及金属含量较高的 硅块，即可得到磷、硼和金属杂质含量较低的多晶硅锭。所述熔化造渣剂及除磷前进行备料预处理备料将造渣剂平铺于熔炼坩埚底 部，造渣剂的加入量为熔炼坩埚体积的1/6-1/4位置为宜，关闭炉门；预处理将真空室抽到高真空0. 002Pa以下；向水冷支撑杆、水冷铜坩埚及水冷拉锭 杆中通入冷却水，使其温度维持在30-45°C ；给电子枪预热，设置高压为30-32kV，高压稳定 5-10分钟后，关闭高压，设置电子枪束流为100-200mA进行预热，预热10-15分钟后，关闭电 子枪束流。所述熔化造渣剂及除磷通过石墨加热将造渣剂熔化形成造渣剂熔液，并维持液 态；同时通过加料装置向水冷铜坩埚中连续加入高磷、高硼和高金属的多晶硅料，打开电子 枪的高压和束流，稳定后，通过电子枪以200-400mA的束流轰击水冷铜坩埚中的高磷、高硼 和高金属的多晶硅料，使其熔化形成硅熔液，在电子束熔炼过程中硅熔液中的杂质磷得到 去除，得到低磷的硅熔液。所述除硼除金属低磷硅熔液通过水冷铜坩埚上的导流口进入导流装置，在导流 装置引导下，低磷硅熔液连续、均勻、分散的熔入到造渣剂熔液之中，在熔入的过程中，硅熔 液中的杂质硼与造渣剂发生反应，杂质硼得到去除，杂质硼去除后的硅熔液不断下沉，在熔 炼坩埚底部聚集，待熔炼坩埚中的熔液装满时，停止加入多晶硅料，5-10分钟后关闭电子 枪，并将熔炼坩埚中的熔液加热保持液态反应3-10分钟，最后通过水冷拉锭杆向下拉锭， 熔液开始定向凝固生长，金属杂质和废渣不断向硅锭顶部聚集，完全凝固并降至室温后，打 开放气阀放气，取出硅锭，切去硅锭顶部废渣及金属含量较高的硅块，即可得到磷、硼和金 属杂质含量较低的多晶硅锭。所述高磷、高硼和高金属的多晶硅料为碎块料或粉料。本专利技术一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶硅的设备，设备由炉门及真空炉壁构成真 空设备，真空设备的内腔即为真空室；真空室底部固定安装拉锭机构，拉锭机构上安装熔炼 坩锅，熔炼坩锅外套装加热装置，真空室底部还安装有水冷支撑杆，水冷铜坩埚安装于水冷 支撑杆之上，加料装置固定安装于水冷铜坩埚上方真空炉壁顶部内侧，水冷铜坩埚通过导 流装置连通熔炼坩埚，电子枪安装于真空炉壁顶部，放气阀安装于真空炉壁之上。所述加热装置采用支撑底座上从外向内安装有保温碳毡和石墨发热体，支撑底座 固定安装在真空室上，拉锭机构位于支撑底座内；所述拉锭机构采用水冷拉锭杆上安装石墨块，熔炼坩埚置于石墨块之上。所述导流装置采用开有落料孔的分流板置于石墨支撑架之上，导流槽两端分别搭 接于分流板与水冷铜坩埚边缘处，石墨支撑架安装于保温碳毡和石墨发热体之上。所述分流板边缘高，中间低，中间均勻分布落料孔，分流板采用熔点高于硅，高温 强度大，与硅润湿角大于90°的材料制成，如石英或陶瓷。本专利技术综合利用电子束熔炼除磷、渣滤熔炼除硼及定向凝固除金属的技术去除多 晶硅中的磷、硼和金属杂质。电子束熔炼多晶硅可有效去除饱和蒸汽压较高的杂质磷；渣滤 熔炼是指将多晶硅熔液连续、缓慢、均勻的熔入到造渣剂熔液之中，在熔入的过程中多晶硅 液中的杂质硼和造渣剂充分接触后快速反应，像过滤一样将杂质硼排到废渣之中从而去除 硼杂质的方法，它可以有效降低多晶硅中的杂质硼；用定向凝固方法可有效去除多晶硅中 金属杂质，综合利用各种有效提高了多晶硅的纯度，达到了太阳能级硅的使用要求，其提纯 效果好，设备集成度高，减少了工艺环节，节约能源，技术稳定，生产效率高，适合批量生本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种电子束及渣滤熔炼提纯多晶硅的方法，其特征是：先熔化造渣剂及除磷：在熔炼坩埚中加热熔化造渣剂形成造渣剂熔液，并保持其液态，同时通过加料装置向水冷铜坩埚中连续加入高磷、高硼和高金属的多晶硅料，硅料在电子束轰击下熔化成硅熔液，并熔炼去除杂质磷；再除硼除金属：除磷后的低磷硅熔液导流进入到造渣剂熔液之中，在熔入的过程中，硅熔液中的杂质硼与造渣剂反应，去除杂质硼，最后待熔炼坩埚中的熔液装满时，停止加入多晶硅料，并将熔炼坩埚中的熔液加热保持液态熔炼３－１０分钟，最后通过拉锭机构向下拉锭，熔液开始定向凝固，金属杂质和废渣不断向硅锭顶部聚集，完全凝固并降至室温后，取出硅锭，切去硅锭顶部废渣及金属含量较高的硅块，即可得到磷、硼和金属杂质含量较低的多晶硅锭。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭毅，战丽姝，姜大川，顾正，邹瑞洵，
申请(专利权)人：大连隆田科技有限公司，
类型：发明
国别省市：91