一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法及設備的製作方法

2023-07-09 22:38:36

專利名稱：一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於用物理冶金技術提純多晶矽的技術領域，特別涉及一種電子束熔煉提純多晶矽的方法，另外還涉及其設備。
背景技術：
太陽能級多晶矽材料是最主要的光伏材料，它應用於太陽能電池，可以將太陽能轉化為電能，在常規能源緊缺的今天，太陽能具有巨大的應用價值，近年來，全球太陽能光伏產業迅速增長，太陽能電池產量快速增加，直接拉動了多晶矽需求的急劇膨脹。但太陽能級多晶矽材料高昂的製造成本以及複雜的製造工藝是制約光伏產業大發展的瓶頸，嚴重阻礙了我國太陽能電池的推廣和使用。我國能夠自主生產的太陽能級多晶矽不足需求的5%，絕大部分原材料需要進口，開發適合我國國情的太陽能級多晶矽製備技術符合國家能源戰略的要求，是我國光伏產業大發展的必由之路。為此，世界各國都在積極開發具有生產周期短、汙染小、成本低、工藝相對簡單、規模大小可控的製備高純矽材料的新工藝方法，而冶金法由於具備以上優點，被認為是最能有效地降低多晶矽生產成本的技術之一，目前已成為世界各國競相研發的熱點。電子束熔煉技術是冶金法製備太陽能級多晶矽中重要的方法之一，它是利用高能量密度的電子束作為熔煉熱源的工藝方法，一般的電子束熔煉方法是通過熔化塊體矽料形成熔池後，在電子束產生的高溫下，利用表面蒸發效應，有效去除飽和蒸汽壓較高的雜質如磷，鋁等，然而，所見文獻集專利中的電子束提純多晶矽一般是在完成一次熔煉之後，將凝固後的鑄錠取出，再進行下一次熔煉，這樣必須重複抽取腔室的真空和電子槍預熱，這不僅增加了多次熔煉的時間，而且加大了能耗，如電力、設備損耗等，造成生產效率降低，同時在以前的電子束熔煉多晶矽過程中，不能實現連續加料和連續出料，增大了生產成本，不利於工業化生產。

發明內容
本發明為克服上述不足問題，提出一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法，使用多個凝固坩堝來盛裝熔煉完成的矽液，使前一次提純的熔融矽液在下一次熔煉過程中連續冷卻，減少了多次熔煉的整體提純時間，降低了抽真空和電子槍預熱的次數，提高了生產效率，本發明的另一目的是提供凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的設備，結構緊湊，易於操作，安全可控，生產效率高。本發明為實現上述目的所採用的技術方案是一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法，其特徵是先在真空條件下使用電子束將熔煉坩堝中的高磷矽料加熱至完全熔化成矽熔體，持續熔煉使矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後將熔煉坩堝復原，向熔煉土甘禍中添加聞憐娃料，使用電子束溶煉提純溶煉i甘禍中的聞憐娃料，待溶煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩堝裝滿，待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後取出，得到低磷多晶矽鑄錠。具體步驟如下
第一步備料、前處理首先利用送料帶將裝料箱中的高磷矽料輸送至熔煉坩堝中，至矽料填充熔煉坩堝體積的90、5%，開啟真空泵組，將腔室中真空度抽至5X10_2Pa以下；預熱電子槍，設置高壓為30-32kV，高壓穩定5-10min後，關閉高壓，設置電子槍束流為100-200mA，進行預熱，預熱10_15min後，關閉電子槍束流；
第二步熔煉提純同時打開電子槍的高壓和束流，待電壓、電流穩定後，使電子槍以200-700mA的束流轟擊熔煉坩堝上的高磷矽料，形成穩定的矽熔池；然後，調節電子槍束流大小，使束流維持在300-1200mA，持續熔煉30_120min，矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後 將熔煉坩堝復原，向熔煉坩堝中添加高磷矽料，使用電子束熔煉提純熔煉坩堝中的高磷矽料，待熔煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩堝裝滿；
第三步取錠待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後停止對腔室抽真空，打開放氣閥放氣，取出鑄錠，得到低磷多晶矽鑄錠。所述高磷矽料中磷的含量為10-80pp麗。所述低磷多晶娃鑄錠中磷的含量低於O. 4ppmw。一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法所採用的設備，由上腔室和下腔室構成腔室整體，上腔室固定安裝於地面基體支架上，上腔室頂端安裝有電子槍，真空泵組通過真空管路與上腔室相通，其特徵是所述上腔室底板上通過坩堝架活動安裝有熔煉坩堝，滑動機構通過傳動杆安裝於熔煉坩堝一側，上腔室側壁上固定安裝有裝料箱，送料帶固定安裝於裝料箱之上，送料帶送料口位於熔煉坩堝正上方，下腔室通過導軌機構活動安裝於支撐腿之上，且位於上腔室正下方，下腔室底板上固定安裝有轉動機構，旋轉臺固定安裝於轉動機構上，頂撐臺活動安裝於旋轉臺之上，凝固坩堝置於頂撐臺之上，上腔室底板和下腔室頂板上都開設有矽液傾倒口。所述電子槍至少有I把。所述頂撐臺至少有2個。所述上腔室和下腔室之間採用真空密封連接。本發明的顯著效果是採取凝固坩堝旋轉的熔煉方式，先將熔體熔煉好後傾倒入凝固坩堝，然後加料再進行熔煉，裝滿一個凝固坩堝後轉動旋轉臺，使另一個凝固坩堝置於熔煉坩堝下方，等待下一次盛裝熔體，這樣利用更換凝固坩堝，使前一次提純的熔融矽液在下一次熔煉過程中連續冷卻，降低了抽真空和電子槍預熱的次數，減少了多次熔煉的整體的提純時間，提高了生產效率，同時矽料可以利用熔煉坩堝的殘餘熱進行加熱，節省了能量的耗散，使用連續加料裝置，使矽料有控地進行添加，增加了加料的連續性和穩定性，可以完成連續熔煉，能耗小，成本低，生產效率高，適合大規模工業化生產。
本發明設備採用安裝一個熔煉坩堝和可轉動更換的多個凝固坩堝，結構緊湊，實現多次連續的出料，減少熔煉提純的時間，安裝的加料裝置可以實現連續加料，提高生產效率。


圖1為一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的設備結構示意圖 圖2為圖1中旋轉臺俯視圖
其中1、電子槍，2、真空泵組，3、電子束，4、低磷矽熔體，5、熔煉坩堝，6、坩堝架，7、上腔室，8、下腔室，9、凝固坩堝，10、旋轉臺，11、頂撐臺，12、轉動機構，13、導軌機構，14、支撐腿，15、滑動機構，16、傳動杆，17、裝料箱，18、送料帶
具體實施例方式下面結合具體實施例和附圖詳細說明本發明，但本發明並不局限於具體實施例。實施例1
如圖1和圖2所示的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法所採用的設備，由上腔室7和下腔室8構成腔室整體，上腔室7固定安裝於地面基體支架上，上腔室頂端安裝有2把電子槍1，真空泵組2通過真空管路與上腔室7相通，真空泵組2包括機械泵、羅茨泵和擴散泵，真空管路上安裝有真空計。上腔室7底板上通過坩堝架6活動安裝有熔煉坩堝5，滑動機構15通過傳動杆16安裝於熔煉坩堝一側，上腔室7側壁上固定安裝有裝料箱17，送料帶18固定安裝於裝料箱17之上，送料帶18送料口位於熔煉坩堝正上方，下腔室8通過導軌機構13活動安裝於支撐腿14之上，且位於上腔室正下方，下腔室8底板上固定安裝有轉動機構12，旋轉臺10固定安裝於轉動機構12上，頂撐臺11活動安裝於旋轉臺之上，凝固坩堝9置於頂撐臺11之上，頂撐臺設置有6個，且每個頂撐臺上安裝一個凝固坩堝，上腔室底板和下腔室頂板上都開設有矽液傾倒口，所述上腔室7和下腔室8之間採用真空密封連接。
使用時，通過滑動機構15驅動傳動杆16移動，使熔煉坩堝5位於水平位置，通過送料帶18將裝料箱中的高磷矽料送入熔煉坩堝5中，開啟導軌機構13使下腔室8上升至與上腔室真空密封連接，開啟真空泵組開始對上腔室和下腔室抽取真空，真空達到要求後，開啟電子束對準高磷矽料進行熔煉，熔煉一段時間將矽料提純獲得低磷矽熔體，通過滑動機構15驅動傳動杆16移動，使熔煉坩堝5開始傾斜，低磷矽熔體通過矽液傾倒口傾倒入一個凝固坩堝中，重複上述加料、熔煉和傾倒的工序，至一個凝固坩堝裝滿，開啟轉動機構使旋轉臺轉動，旋轉另一個凝固坩堝至矽液傾倒口下方，重複上述加料、熔煉和傾倒的工序，至該凝固坩堝裝滿，重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩堝裝滿，停止加料和熔煉，關閉電子槍，保持真空至矽液凝固並冷卻，停止抽真空，打開放氣閥放氣，開啟導軌機構13使下腔室8下降，開啟頂撐臺將凝固坩堝頂出，利用夾具取出凝固坩堝，取出得到低硼的多晶矽鑄錠。實施例2
利用實施例1所述的電子束熔煉設備來熔煉提純多晶矽，具體步驟如下
第一步備料、前處理首先利用送料帶將裝料箱中的磷含量為IOppmw高磷娃料輸送至熔煉坩堝中，至矽料填充熔煉坩堝體積的95%，開啟真空泵組，將腔室中真空度抽至5 X 10_2Pa ;預熱電子槍，設置高壓為30kV，高壓穩定IOmin後，關閉高壓，設置電子槍束流為200mA,進行預熱,預熱IOmin後,關閉電子槍束流；
第二步熔煉提純同時打開電子槍的高壓和束流，待電壓、電流穩定後，使電子槍以200mA的束流轟擊熔煉坩堝上的高磷矽料，形成穩定的矽熔池；然後，調節電子槍 束流大小，使束流維持在300mA，持續熔煉120min，矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後將熔煉坩堝復原，向熔煉坩堝中添加高磷矽料，使用電子束熔煉提純熔煉坩堝中的高磷矽料，待熔煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至6個凝固坩堝全部裝滿；
第三步取錠待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後停止對腔室抽真空，打開放氣閥放氣，取出鑄錠，得到低磷多晶娃鑄錠，經檢測，低磷多晶娃鑄錠中磷的含量O. 38ppmw。實施例3
利用實施例1所述的電子束熔煉設備來熔煉提純多晶矽，具體步驟如下
第一步備料、前處理首先利用送料帶將裝料箱中的磷含量為34ppmw高磷娃料輸送至熔煉坩堝中，至矽料填充熔煉坩堝體積的92%，開啟真空泵組，將腔室中真空度抽至3X 10_2Pa ;預熱電子槍，設置高壓為31kV，高壓穩定8min後，關閉高壓，設置電子槍束流為150mA,進行預熱,預熱12min後,關閉電子槍束流；
第二步熔煉提純同時打開電子槍的高壓和束流，待電壓、電流穩定後，使電子槍以500mA的束流轟擊熔煉坩堝上的高磷矽料，形成穩定的矽熔池；然後，調節電子槍束流大小，使束流維持在600mA，持續熔煉90min，矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後將熔煉坩堝復原，向熔煉坩堝中添加高磷矽料，使用電子束熔煉提純熔煉坩堝中的高磷矽料，待熔煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至6個凝固坩堝全部裝滿；
第三步取錠待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後停止對腔室抽真空，打開放氣閥放氣，取出鑄錠，得到低磷多晶娃鑄錠，經檢測，低磷多晶娃鑄錠中磷的含量O. 32ppmw。實施例4
利用實施例1所述的電子束熔煉設備來熔煉提純多晶矽，具體步驟如下
第一步備料、前處理首先利用送料帶將裝料箱中的磷含量為80ppmw高磷矽料輸送至熔煉坩堝中，至矽料填充熔煉坩堝體積的90%，開啟真空泵組，將腔室中真空度抽至2X 10_2Pa ;預熱電子槍，設置高壓為32kV，高壓穩定5min後，關閉高壓，設置電子槍束流為IOOmA,進行預熱,預熱15min後,關閉電子槍束流；
第二步熔煉提純同時打開電子槍的高壓和束流，待電壓、電流穩定後，使電子槍以700mA的束流轟擊熔煉坩堝上的高磷矽料，形成穩定的矽熔池；然後，調節電子槍束流大小，使束流維持在1200mA，持續熔煉30min，矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後將熔煉坩堝復原，向熔煉坩堝中添加高磷矽料，使用電子束熔煉提純熔煉坩堝中的高磷矽料，待熔煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至6個凝固坩堝全部裝滿； 第三步取錠待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後停止對腔室抽真空，打開放氣閥放氣，取出鑄錠，得到低磷多晶娃鑄錠，經檢測，低磷多晶娃鑄錠中磷的含量O. 34ppmw。
權利要求
1.一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法，其特徵是先在真空條件下使用電子束將熔煉坩堝中的高磷矽料加熱至完全熔化成矽熔體，持續熔煉使矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後將熔煉坩堝復原，向熔煉坩堝中添加高磷矽料，使用電子束熔煉提純熔煉坩堝中的高磷矽料，待熔煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩堝裝滿，待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後取出，得到低磷多晶矽鑄錠。
2.根據權利要求1所述的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法，其特徵是具體步驟如下第一步備料、前處理首先利用送料帶將裝料箱中的高磷矽料輸送至熔煉坩堝中，至矽料填充熔煉坩堝體積的90、5%，開啟真空泵組，將腔室中真空度抽至5X10_2Pa以下； 預熱電子槍，設置高壓為30-32kV，高壓穩定5-10min後，關閉高壓，設置電子槍束流為 100-200mA，進行預熱，預熱10_15min後，關閉電子槍束流；第二步熔煉提純同時打開電子槍的高壓和束流，待電壓、電流穩定後，使電子槍以 200-700mA的束流轟擊熔煉坩堝上的高磷矽料，形成穩定的矽熔池；然後，調節電子槍束流大小，使束流維持在300-1200mA，持續熔煉30_120min，矽熔體中揮發性雜質充分揮發得到低磷矽熔體，之後將低磷矽熔體通過矽液倒料口傾倒入凝固坩堝中進行凝固；傾倒完畢後將熔煉坩堝復原，向熔煉坩堝中添加高磷矽料，使用電子束熔煉提純熔煉坩堝中的高磷矽料，待熔煉提純完成後將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中進行凝固，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩堝裝滿；第三步取錠待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後停止對腔室抽真空，打開放氣閥放氣，取出鑄錠，得到低磷多晶矽鑄錠。
3.根據權利要求1或2任一所述的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法，其特徵是所述高磷娃料中磷的含量為10-80ppmw。
4.根據權利要求1或2任一所述的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法，其特徵是所述低磷多晶矽鑄錠中磷的含量低於O. 4ppmw。
5.一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法所採用的設備，由上腔室(7)和下腔室(8)構成腔室整體，上腔室(7)固定安裝於地面基體支架上，上腔室頂端安裝有電子槍(I)，真空泵組(2 )通過真空管路與上腔室(7 )相通，其特徵是所述上腔室(7 )底板上通過坩堝架(6)活動安裝有熔煉坩堝(5)，滑動機構(15)通過傳動杆(16)安裝於熔煉坩堝一側，上腔室(7)側壁上固定安裝有裝料箱(17)，送料帶(18)固定安裝於裝料箱(17)之上， 送料帶(18)送料口位於熔煉坩堝正上方，下腔室(8)通過導軌機構(13)活動安裝於支撐腿(14)之上，且位於上腔室正下方，下腔室(8)底板上固定安裝有轉動機構(12)，旋轉臺 (10)固定安裝於轉動機構(12)上，頂撐臺(11)活動安裝於旋轉臺之上，凝固坩堝(9)置於頂撐臺(11)之上，上腔室底板和下腔室頂板對應位置上開設有矽液傾倒口。
6.根據權利要求5所述的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法所採用的設備，其特徵在於所述電子槍(I)至少有I把。
7.根據權利要求5所述的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法所採用的設備，其特徵在於所述頂撐臺(11)至少有2個。
8.根據權利要求5所述的一種凝固坩堝旋轉式電子束熔煉提純多晶矽的方法所採用的設備，其特徵在於所述上腔室(7)和下腔室(8)之間採用真空密封連接。
全文摘要
本發明屬於用物理冶金技術提純技術領域，特別涉及一種電子束熔煉提純多晶矽的方法及設備，在真空下電子束熔煉高磷矽料得到低磷矽熔體，將低磷矽熔體倒入凝固坩堝中凝固；重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到凝固坩堝裝滿；將另一個空的凝固坩堝旋轉至矽液倒料口下方，重複上述裝料、熔煉提純和傾倒的工序，直到該凝固坩堝裝滿；重複上述裝滿凝固坩堝和旋轉另一個空的凝固坩堝至矽液倒料口下方的工序，直至所有凝固坩堝裝滿，待所有凝固坩堝中低磷矽熔體凝固成鑄錠後取出鑄錠。該發明方法減少了多次熔煉的整體提純時間，降低了抽真空和電子槍預熱的次數，提高了生產效率，本發明的設備，結構緊湊，易於操作，安全可控，生產效率高。
文檔編號C01B33/037GK102992327SQ201210544590
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月17日 優先權日2012年12月17日
發明者譚毅, 姜大川, 李堅之, 胡志剛, 安廣野 申請人:青島隆盛晶矽科技有限公司