一種高純液體多晶矽的製備方法
2023-08-09 13:06:36
一種高純液體多晶矽的製備方法
【專利摘要】本發明涉及多晶矽製造【技術領域】，具體涉及一種高純液體多晶矽的製備方法。包括以下步驟：1）將含矽氣體通入預熱器進行預熱，預熱溫度為60-350℃；2）將步驟1）預熱後的含矽氣體初步加熱升溫，溫度小於含矽氣體的分解溫度，升溫至400-800℃；3）將步驟2）升溫後的氣體進行快速升溫，升溫到850-1800℃，升溫速率為500-600℃/min；4）將步驟3）快速升溫後的含矽氣體通入反應器內，並保持反應器上部溫度為850-1800℃，保持反應器底部溫度為1450-1800℃；5）將聚集在反應器底部的液體多晶矽收集並由反應器底部排出用於下一工序的鑄錠等工藝。該工藝製備的液體多晶矽直接用於鑄錠，省去了多晶矽再次結晶的程序，簡化了工藝，節約了成本，可以廣泛應用於多晶矽的製備。
【專利說明】一種高純液體多晶矽的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多晶矽製造【技術領域】，具體涉及一種高純液體多晶矽的製備方法。
【背景技術】
[0002]多晶矽是製備單晶矽和太陽能電池的原材料，是全球電子工業及光伏產業的基礎，全球的多晶矽有超過80%是用於光伏行業。生產出來的多晶矽還需要經過熔融，鑄錠，切片等工序再製備成電池片。在這個過程中，生產高純多晶矽工序和多晶矽熔融工序需要消耗大量的能量，降低能耗迫切需要。目前，工業上大規模生產高純度多晶矽的最主要方法為改良西門子法以及流化床法。主要採用三氯氫矽或矽烷進行化學氣相沉積法生產，主要的反應方程式如下:SiHCL3+H2 =Si+HCL, SiH4=Si+H2。
[0003]改良西門子法所生產的多晶矽佔當今世界生產總量的70-80%。改良西門子法的生產流程是利用矽源性氣體，如三氯氫矽、矽烷等氯矽烷類氣體在鐘罩式氫還原爐內在一定溫度下進行化學氣相沉積反應得到高純多晶矽。在鐘罩式氫還原爐反應器中，安裝有數對直徑很小的娃芯棒，一般直徑在左右，反應開始首先要給娃芯通電，使之達到一定溫度，然後通入娃源性氣體，在高熱的娃芯表面發生還原反應，使娃沉積在娃芯表面，娃芯直徑不斷長大。反應過程中還需要採用稀釋性氣體，如氫氣、氮氣等。流化床法是利用矽源性氣體在流化床中，在高純矽顆粒晶種表面沉積，形成大顆粒而採出。
[0004]目前，改良的西門子工藝或具有技術成熟度高的優點。但是在生產效率和能耗方面也存在顯著的缺點。由於米用鐘罩式反應器，在娃棒長大到一定尺寸(如50~300mm)後必須使反應器降溫並取出產品，因此只能採用間歇操作，能耗高，此外矽棒的沉積比表面積小，反應速度慢，時間長能耗高。
[0005]同時，已有多 晶矽製備方法還有另一種就是採用上述矽源性氣體通入到已經加有高純多晶矽細顆粒晶種的流化床中，矽源性氣體與稀釋性氣體如氫氣等同時通入到流化床中，使多晶矽顆粒在流化床中流化，在一定溫度下，矽源性氣體會在多晶矽晶種表面沉積分解製備得高純多晶矽顆粒。在這個過程中，也會有一部分矽源性氣體在流化床空間直接分解成無定型矽細粉。這種方法的優點是在沉積階段能耗低，但是由於生產過程中生成的顆粒較細，會吸附未反應的氣體，同時，由於顆粒處於流化狀態，與反應器不斷摩擦，諸多原因造成產品質量比較差，並且原生多晶矽細顆粒晶種比較難處理，反應過程中也會產生大量的細粉，尾氣中無定型多晶矽顆粒多，隨著尾氣進入到尾氣處理裝置而浪費了多晶矽細顆粒，使多晶矽損耗增高。另一方面，流化床多晶矽方法需要有一個製備多晶矽晶種的系統，在該過程中也會導致多晶矽晶種質量受到汙染的風險。另外，流化床內部需要各種不同的內件，包括分布板，破泡器等，是的設備的結構複雜。
[0006]此外，改良西門子工藝或者流化床多晶矽法，生產出來的多晶矽都是固體形式，主要是棒狀或顆粒狀。多晶矽的產品不論是棒狀多晶矽或者粒狀多晶矽，在進行下一步製備太陽能矽片之前都需要將其進行粉碎，裝入到高純坩堝中，在多晶矽鑄錠爐中採用電加熱的方法進行加熱，使多晶矽料重新熔化，重結晶，冷卻，再進行相關開方切片或拉晶，使用固體多晶矽料用於太陽能方面增加了加工工序和生產成本，不僅容易引入額外的雜質，對太陽能矽片的發電效率產生影響，同時需要消耗大量的電能去熔化固體多晶矽，增加了成本。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了克服目前多晶矽的製備方法中存在的主要問題，提供一種高純液體多晶矽的製備方法。這些問題主要反應在:改良西門子工藝中的包括生產效率低、反應速度慢、反應時間長以及能耗高能耗高；流化床法中包括反應過程中會產生大量的細粉、尾氣中無定型多晶矽顆粒多、多晶矽損耗高以及設備的結構複雜；同時二者製備的多晶矽在進行下一步使用之前都要經過重新熔化，重結晶，冷卻，再進行相關開方切片或拉晶的加工工序，不僅容易引入額外的雜質，對太陽能矽片的發電效率產生影響，同時需要消耗大量的電能去熔化固體多晶矽，增加了成本。本發明通過將含矽氣體直接反應得到液體矽，從而將液體矽直接用於下一步的鑄錠以及切片或拉晶，減少了工藝步驟，達到解決上述問題的目的。
[0008]為了達到上述發明目的，本發明採用以下技術方案:
[0009]一種高純液體多晶矽的製備方法，包括以下步驟:
[0010]I)將含矽氣體通入預熱器進行預熱，預熱溫度為60_350°C ;預熱是為了讓氣體的溫度預先升高，將氣體的加熱分為多級加熱，從而節約能源，提高熱量利用率。
[0011]2)將步驟I)預熱後的含矽氣體初步加熱升溫，溫度小於含矽氣體的分解溫度，升溫至400-80(TC ;將氣體的加熱分為多級加熱，從而節約能源，提高熱量利用率。
[0012]3)將步驟2)升溫 後的氣體進行快速升溫，升溫到850-1800°C，升溫速率為500-6000C /min ;快速加速升溫是為了在較短的時間內將含矽氣體的溫度升高到分解溫度，從而讓含矽氣體儘可能在此溫度下分解，生成單質矽。
[0013]4)將步驟3)快速升溫後的含矽氣體通入反應器內，並保持反應器上部溫度為850-1800°C，保持反應器底部溫度為1450-1800°C ;目前的反應器是通過使用矽芯或晶種，讓在空間自由分解產生的矽在晶種或矽芯的表面長大，形成固態。本發明通過將反應溫度提高，從而省去了矽芯或晶種，節省了工序，進而實現了本發明的目的。
[0014]5)將聚集在反應器底部的液體多晶矽收集並由反應器底部排出用於下一工序的鑄錠等工藝。
[0015]上述步驟改變了傳統製備多晶矽將製備得到的多晶矽冷卻再熔化結晶的工藝，直接採用提高溫度將製備的單質矽變為液態，然後直接進入多晶鑄錠工藝，減少了工序，節省了能源，避免了能源浪費。
[0016]作為優選，步驟I)預熱溫度為100°C _150°C。
[0017]作為優選，步驟2)初步加熱升溫溫度為450-600°C。
[0018]作為優選，步驟3)快速升溫溫度為1420-1800°C。升溫至矽的熔點以上，從而使得生成的矽單質能夠液化，從而落入反應器的底部，並聚集。
[0019]作為優選，步驟4)保持反應器上部溫度為1420-1800°C，保持反應器底部溫度為1500-1800°C。反應器底部的溫度足夠高才能保證生成的矽快速成為液態，進而在反應器底部聚集，並防止被尾氣帶走。
[0020]作為優選，步驟I)所述含矽氣體為矽烷、二氯二氫矽、四氯化矽、三氯氫矽、二氯氫娃或氫氣與各種氣體的混合氣。
[0021]作為優選，步驟I)所述含矽氣體的通入速率為0.01-0.4m/s。含矽氣體的通入速率足夠慢，才能確保氣體的反應完全，並且避免快速的氣體速率將生成的矽被尾氣從尾氣出口帶走。當速率過低時，氣體的供給量不能滿足反應的需要，導致
[0022]作為優選，步驟I)所採用的製備裝置為:包括預熱器、初步加熱器和反應器，預熱器、初步加熱器和反應器通過管路依次相連；反應器的頂部設有快速加熱器，反應器的外部設有反應器加熱器，底部設有產品出口，側面設有尾氣出口。
[0023]作為優選，步驟I)反應器底部設有液位自動控制系統。液位自動控制系統可以更好地對反應器底部生成的液態矽與下一步的工序進行控制，以便將液體矽進一步生成鑄錠。
[0024]作為優選，步驟I)所述初步加熱器為換熱器，尾氣出口通過管路與初步加熱器相連。尾氣可以用於對含矽氣體進行加熱，以節約能源。
[0025]本發明與現有技術相比，有益效果是:該製備方法過程穩定，操作性好，多晶矽生產效率高，且得到的高效液體多晶矽可以直接排放到高純坩堝中冷卻成型鑄錠，減少了多晶娃棒破碎、溶化、鑄澱等工序，不僅降低了能耗，而且減少了聞純多晶娃被汙染的風險，確保了多晶矽的純度。同時該製備方法的生產過程中不使用多晶矽晶種，不需要配備多晶矽晶種的製備系統，並且生產過程中沒有多晶矽細粉產生，產生的尾氣中沒有多晶矽細粉，從而降低了後續尾氣處理系統的難度。另外，尾氣用於含矽氣體的加熱，進一步節約了能源。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的一種製備裝置的結構示意圖。
[0027]圖中:1預熱器，2初步加熱器，3反應器，4快速加熱器，5反應器加熱器，6產品出口，7尾氣出口，8液位自動控制系統。
【具體實施方式】
[0028]下面通過具體實施例對本發明的技術方案作進一步描述說明。
[0029]如果無特殊說明，本發明的實施例中所採用的原料均為本領域常用的原料，實施例中所採用的方法，均為本領域的常規方法。
[0030]本發明所採用的製備裝置為:如圖1所示，包括預熱器1、初步加熱器2和反應器3，預熱器1、初步加熱器2和反應器3通過管路依次相連；反應器3的頂部安裝有快速加熱器4，反應器3的外部設有反應器加熱器5，反應器3的底部設有產品出口 6，側面設有尾氣出口 7，反應器3底部設有液位自動控制系統8，初步加熱器2為換熱器，尾氣出口 7通過管路與初步加熱器2相連。含矽的氣體經過預熱器I預熱，再通過初步加熱器2進一步升溫，然後到達快速加熱器4，並經快速加熱器4快速將溫度提升到反應溫度，含矽氣體在反應器3內反應，生產的液體多晶矽在反應器3的底部匯集，並由產品出口 6排出進入鑄錠工藝，反應後的尾氣由尾氣出口 7排出並用於初步加熱器2上的換熱器的換熱，從而節約能源。
[0031]具體的製備實例如下:
[0032]實施例1:
[0033]一種高純液體多晶矽的製備方法，包括以下步驟:[0034]I)將含矽氣體(矽烷)通入預熱器進行預熱，預熱溫度為60°C ;含矽氣體的通入速率為 0.lm/s ；
[0035]2)將步驟I)預熱後的含矽氣體初步加熱升溫，溫度小於含矽氣體的分解溫度，升溫至800°C ；
[0036]3)將步驟2)升溫後的氣體進行快速升溫，升溫到850°C，升溫速率為560°C /min ；
[0037]4)將步驟3)快速升溫後的含矽氣體通入反應器內，並保持反應器上部溫度為1800°C，保持反應器底部溫度為1500°C ；
[0038]5)將聚集在反應器底部的液體多晶矽收集並由反應器底部排出用於下一工序的鑄錠等工藝。
[0039]實施例2: [0040]一種高純液體多晶矽的製備方法，包括以下步驟:
[0041]I)將含矽氣體(四氯化矽)通入預熱器進行預熱，預熱溫度為150°C ;含矽氣體的通入速率為0.4m/s ；
[0042]2)將步驟I)預熱後的含矽氣體初步加熱升溫，溫度小於含矽氣體的分解溫度，升溫至400。。；
[0043]3)將步驟2)升溫後的氣體進行快速升溫，升溫到1420°C，升溫速率為600°C /min ；
[0044]4)將步驟3)快速升溫後的含矽氣體通入反應器內，並保持反應器上部溫度為850°C，保持反應器底部溫度為1420°C ；
[0045]5)將聚集在反應器底部的液體多晶矽收集並由反應器底部排出用於下一工序的鑄錠等工藝。
[0046]實施例3:
[0047]一種高純液體多晶矽的製備方法，包括以下步驟:
[0048]I)將含矽氣體(二氯氫矽)通入預熱器進行預熱，預熱溫度為350°C ;含矽氣體的通入速率為0.0 lm/S ；
[0049]2)將步驟I)預熱後的含矽氣體初步加熱升溫，溫度小於含矽氣體的分解溫度，升溫至600°C ；
[0050]3)將步驟2)升溫後的氣體進行快速升溫，升溫到1800°C，升溫速率為500°C /min ；
[0051]4)將步驟3)快速升溫後的含矽氣體通入反應器內，並保持反應器上部溫度為1600°C，保持反應器底部溫度為1500°C ；
[0052]5)將聚集在反應器底部的液體多晶矽收集並由反應器底部排出用於下一工序的鑄錠等工藝。
【權利要求】
1.一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)將含矽氣體通入預熱器進行預熱，預熱溫度為60-350°C； 2)將步驟I)預熱後的含矽氣體初步加熱升溫，溫度小於含矽氣體的分解溫度，升溫至400-800 0C ； 3)將步驟2)升溫後的氣體進行快速升溫，升溫到850-1800°C，升溫速率為500-600°C/min ； 4)將步驟3)快速升溫後的含矽氣體通入反應器內，並保持反應器上部溫度為850-1800°C，保持反應器底部溫度為1450-1800°C ； 5)將聚集在反應器底部的液體多晶矽收集並由反應器底部排出用於下一工序的鑄錠-rj- 1.r L ο
2.根據權利要求1所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，步驟I)預熱溫度為 IOO0C -150。。。
3.根據權利要求1所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，步驟2)初步加熱升溫溫度為450-6 00°C。
4.根據權利要求1所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，步驟3)快速升溫溫度為1420-1800°C。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，步驟4)保持反應器上部溫度為1420-1800°C，保持反應器底部溫度為1500-1800°C。
6.根據權利要求1或2或3或4所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，所述含娃氣體為矽烷、二氯二氫娃、四氯化娃、三氯氫娃、二氯氫娃或氫氣與上述各種氣體的混合氣。
7.根據權利要求1或2或3或4所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，所述含矽氣體的通入速率為0.01-0.4m/s。
8.根據權利要求1所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，所採用的製備裝置為:包括預熱器、初步加熱器和反應器，預熱器、初步加熱器和反應器通過管路依次相連；反應器的頂部設有快速加熱器，反應器的外部設有反應器加熱器，底部設有產品出口，側面設有尾氣出口。
9.根據權利要求8所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，反應器底部設有液位自動控制系統。
10.根據權利要求8所述的一種高純液體多晶矽的製備方法，其特徵在於，所述初步加熱器為換熱器，尾氣出口通過管路與初步加熱器相連。
【文檔編號】C01B33/027GK103626184SQ201310330768
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2013年7月31日
【發明者】李波, 宮有聖, 金越順 申請人:浙江精功新材料技術有限公司