一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法及設備的製作方法
2023-11-04 05:44:27 2
專利名稱：一種電子束除磷、除金屬的耦合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，特別涉及一種利用電子束去 除多晶矽中磷和金屬雜質的提純方法。
背景技術：
太陽能發電作為可再生能源的重要組成部分成為實現低碳目標的主要途徑之一， 但受到太陽能電池的重要原料一太陽能級多晶矽生產成本的限制，我國現有的太陽能發電 裝機量不高，截至2008年末全國太陽能電池總裝機容量僅為300MW，還不及德國一年新增 的量。太陽能級多晶矽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。因此開發低成本、高轉換效率的多晶矽製備 技術對我國光伏產業的大發展具有重要意義，
目前，世界範圍內製備太陽能級多晶矽材料已形成規模化生產，主要使用技術路線為 改良西門子法。西門子法是以鹽酸(或氫氣、氯氣)和冶金級工業矽為原料，由三氯氫矽，進 行氫還原的工藝。現在國外較成熟的技術是西門子法，並且已經形成產業。該法已發展至 第三代，現在正在向第四代改進。第一代西門子法為非閉合式，即反應的副產物氫氣和三氯 氫矽，造成了很大的資源浪費。現在廣泛應用的第三代改良西門子工藝實現了完全閉環生 產，氫氣、三氯氫矽矽烷和鹽酸均被循環利用，規模也在1000噸每年以上。但其綜合電耗高 達170kW · h/kg，並且生產呈間斷性，無法在Si的生產上形成連續作業，並且此法在流程的 核心環節上採取了落後的熱化學氣相沉積，工藝流程的環節過多，一次轉化率低，導致流程 時間太長，增加了材耗、能耗成本。鑑於此，積極探索具有生產周期短、汙染小、成本低、工藝相對簡單的太陽能級多 晶矽的製備新工藝方法刻不容緩，而冶金法因為具備以上優點，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。冶金法指以定向凝固 等工藝手段，去除金屬雜質；採用等離子束熔煉方式去除硼；採用電子束熔煉方式去除磷、 碳，從而得到生產成本低廉的太陽能級多晶矽的方法。這種方法能耗小，單位產量的能耗 不到西門子法的一半，現在日本、美國、挪威等多個國家從事冶金法的研發，其中以日本JFE 的工藝最為成熟，已經投入了產業化生產。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，表面蒸發去除飽和 蒸汽壓較高的雜質如磷，鋁等，而在塊體矽料中雜質分布很不均勻，不利於雜質的去除，且 塊體矽料熔煉後雜質仍然分布不均勻，同時在多晶矽的眾多雜質中，金屬是非常有害的元 素，雜質的不均勻分布和金屬雜質的存在將對矽材料的電阻率和少數載流子壽命產生不利 的影響，進而降低太陽能電池的光電轉換效率。已知專利和文獻中尚沒有用電子束熔煉粉 體矽料去除多晶矽中磷和金屬雜質的耦合提純方法。已知申請號為200810011631. 8的發 明專利，利用感應加熱和電子束達到去除多晶矽中磷和金屬雜質的目的，但該方法的缺點 是額外使用了感應加熱，能耗較大，且使用的是塊體矽料熔煉提純，雜質分布相對不均勻。
發明內容
本發明的目的是克服上述不足問題，提供一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多 晶矽的方法，利用電子束熔煉粉體矽料，同時去除磷和金屬雜質，提純速度快，產品純度高。 本發明的另一目的是提供電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的設備，結構簡單，易於操 作。本發明為實現上述目的所採用的技術方案是一種電子束除磷、除金屬的耦合提 純多晶矽的方法，先通過電子束在低磷、低金屬的高純矽錠的頂部形成穩定熔池，後將需提 純的矽粉落入熔池熔煉，實現粉體的快速熔化去除矽粉中的揮發性雜質磷，同時進行定向 拉錠使低磷多晶矽進行定向凝固生長，通過分凝效應去除多晶矽中金屬雜質。所述電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法，具體步驟如下
第一步備料採用低磷、低金屬的高純矽錠置於真空設備中做載體，在其上面裝粉桶中 裝入需提純的高磷、高金屬粉體矽粉；
第二步預處理對真空設備進行抽真空，真空達到0. 002Pa以下；然後對拉錠部件進行 冷卻，使坩堝的溫度維持在25-45°C ；給電子槍預熱，設置高壓為^_32kV，高壓穩定5_10分 鍾後，關閉高壓，設置電子槍束流為100-200mA進行預熱，預熱10-15分鐘後，關閉電子槍束 流；
第三步除磷和金屬雜質同時打開電子槍的高壓和束流，穩定後，通過電子槍以 200-300mA的束流轟擊低磷、低金屬高純矽錠，形成穩定的熔池；然後，調節電子槍束流大 小，使束流維持在300 - 500，優選300mA-400mA，將裝粉桶中的高磷、高金屬矽粉落入熔池 中，矽粉快速熔化去除揮發性雜質磷，同時按照匹配的速度向下拉錠；直至落粉結束後，首 先關閉電子槍，10-15分鐘後停止向下拉錠，繼續抽真空35-50分鐘；停止抽真空後進行放 氣，放氣結束後取出矽錠即完成提純。—種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設備，設備採用真空蓋、 真空爐壁及裝粉蓋構成真空設備，真空設備內腔為真空室；真空室內上部裝有裝粉桶，裝粉 桶底部帶有出料口，出料口裝配有外驅式擋粉板，裝粉桶出料口底部裝有坩堝，坩堝底部裝 有拉錠機構，拉錠機構上裝有矽錠，電子槍安裝在真空室上部，電子束流對準矽錠。所述真空設備爐壁上安裝有抽真空裝置，抽真空裝置採用機械泵、羅茨泵和擴散 泵。所述拉錠機構採用拉錠支撐杆安裝在真空爐壁的底部，拉錠支撐杆上部安裝有銅 板，銅板上安裝石墨塊，石墨塊上放置矽錠，拉錠支撐杆和銅板中開設有冷卻流道，冷卻流 道接通冷卻源。所述裝粉桶頂部帶有裝粉蓋，裝粉蓋位於真空爐壁上，外驅式擋粉板為L形擋粉 板，擋粉板一端轉動安裝在轉動機構中，轉動機構安裝在真空爐壁外。所述坩堝安裝在支撐底座的頂部，支撐底座安裝在真空爐壁的底部，支撐底座上 安裝有保溫套。本發明的顯著效果是同時採取電子束熔煉粉體矽料和定向凝固的方式，用電子束 快速去除雜質磷，用定向凝固將分凝係數較小的金屬雜質去除，有效提高了多晶矽的純度， 達到了太陽能級矽的使用要求。電子束熔煉提純技術是冶金法去除多晶矽中揮發性雜質的重要方法之一，它是一種利用高能量密度的電子束作為熱源的熔煉提純工藝方法。電子束 轟擊高純矽錠頂部的過程中，高能量密度的電子轉化為熱量後使矽料溫度升高，從而將矽 料熔化，在水冷銅環形坩堝的作用下形成穩定的矽熔池，當矽粉以一定的流量熔入熔池後， 由於比表面積較大，熔化速度很快，且揮發性雜質磷在矽粉中分布相對於塊體矽料更加均 勻，在熔化後的熔煉蒸發去除過程中，揮發性雜質磷的去除速度更快，同時剩餘雜質磷的分 布也較均勻，得到的矽錠的電阻率大小也較均勻；在蒸發去除雜質磷的同時，向下拉錠，定 向凝固從底部向頂部進行，產生分凝效應，分凝係數小的金屬雜質向液態區域富集，在最後 凝固的位置即矽錠的頂部聚集，切除頂部後即可去除金屬雜質。本發明提純效果好，技術穩 定，工藝簡單，生產效率高，節約能源，成本低，適合批量生產。
附圖1為一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的設備。圖中，1.裝粉蓋，2.電子槍，3.真空爐壁，4.真空室，5.放氣閥，6.機械泵，7. 羅茨泵，8.擴散泵，9支撐底座，10.拉錠支撐杆，11.真空蓋，12.水冷銅板，13.石墨 塊，14保溫套，15.矽錠，16.坩堝，17.熔池，18.矽粉，19.擋粉板，20.裝粉桶，21.轉動機構。
具體實施例方式下面結合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
一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法，先通過電子束在低磷、低金屬的高 純矽錠的頂部形成穩定熔池，後將需提純的矽粉落入熔池熔煉，實現粉體的快速熔化去除 矽粉中的揮發性雜質磷，同時進行定向拉錠使低磷多晶矽進行定向凝固生長，通過分凝效 應去除多晶矽中金屬雜質，具體步驟如下
第一步備料採用低磷、低金屬的高純矽錠置於真空設備中做載體，在其上面裝粉桶中 裝入需提純的高磷、高金屬粉體矽料；
第二步預處理對真空設備進行抽真空，真空達到0. 002Pa以下；然後對拉錠部件進行 冷卻，使坩堝的溫度維持在25-45°C ；給電子槍預熱，設置高壓為^_32kV，高壓穩定5_10分 鍾後，關閉高壓，設置電子槍束流為100-200mA進行預熱，預熱10-15分鐘後，關閉電子槍束 流；
第三步除磷和金屬雜質同時打開電子槍的高壓和束流，穩定後，通過電子槍以 200-300mA的束流轟擊低磷、低金屬高純矽錠，形成穩定的熔池；然後，調節電子槍束流大 小，使束流維持300mA-400mA，將裝粉桶中的高磷、高金屬矽粉落入熔池中，矽粉快速熔化去 除揮發性雜質磷，同時按照匹配的速度向下拉錠；直至落粉結束後，首先關閉電子槍，10-15 分鐘後停止向下拉錠，繼續抽真空35-50分鐘；停止抽真空後進行放氣，放氣結束後取出矽 錠即完成提純。實施例2
如圖1所示的一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設備，設備採 用真空蓋11、真空爐壁3及裝粉蓋1構成真空設備，真空設備內腔為真空室4 ；真空室內上部裝有裝粉桶，裝粉桶頂部帶有裝粉蓋，裝粉蓋位於真空爐壁上，裝粉桶底部帶有出料口， 出料口裝配有外驅式擋粉板，外驅式擋粉板為L形擋粉板，擋粉板一端轉動安裝在轉動機 構中，轉動機構安裝在真空爐壁外，裝粉桶出料口底部裝有坩堝，坩堝16安裝在支撐底座9 的頂部，支撐底座9安裝在真空爐壁3的底部，支撐底座上安裝有保溫套14，坩堝底部裝有 拉錠機構，拉錠機構採用拉錠支撐杆10安裝在真空爐壁3的底部，拉錠支撐杆10上部安裝 有銅板12，銅板12上安裝石墨塊13，石墨塊上放置矽錠15，拉錠支撐杆和銅板中開設有冷 卻流道，冷卻流道接通冷卻源；電子槍2安裝在真空室4上部，電子束流對準矽錠，真空設備 外殼上安裝有抽真空裝置，抽真空裝置採用機械泵6、羅茨泵7和擴散泵8。實施例3
採用實施例2所述的設備進行電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法，具體為
第一步備料將磷含量0. 00004%、金屬總含量0. 0002%的低磷、低金屬高純矽錠15放 於石墨塊8之上，低磷、低金屬高純矽錠15頂部以與水冷銅環形坩堝16上表面水平為宜， 通過轉動機構21將擋粉板19轉動到裝粉桶20底部位置，以堵住裝粉桶20底部落粉孔，打 開裝粉蓋1向裝粉桶20中加入磷含量0. 003%、金屬雜質總含量0.01%高磷、高金屬矽粉18， 高磷、高金屬矽粉18裝入量為略低於裝粉桶20上緣邊位置，關閉裝粉蓋1和真空蓋11 ；
第二步預處理抽取真空，用機械泵6、羅茨泵7將真空室4抽到低真空7Pa，再用擴散 泵8將真空室4抽到高真空0. OOlSPa ；通過拉錠支撐杆10向水冷銅板12中通入冷卻水， 將水冷銅坩堝的溫度維持在44°C ；給電子槍2預熱，設置高壓為30kV，高壓穩定5分鐘後， 關閉高壓，設置電子槍2束流為IOOmA進行預熱，預熱15分鐘後，關閉電子槍2束流；
第三步除磷和金屬雜質同時打開電子槍2的高壓和束流，穩定後，通過電子槍2以 300mA的束流轟擊石墨塊13上的低磷、低金屬高純矽錠15，形成穩定的熔池17 ；形成穩定 熔池17後，調節電子槍2束流大小，使束流維持在400mA，通過轉動機構21將擋粉板19轉 動到離開裝粉桶20底部的位置，使得高磷、高金屬矽粉18落入熔池17中，同時通過拉錠支 撐杆10以一定的速度向下拉錠；待落粉結束後，首先關閉電子槍2，10分鐘後停止向下拉 錠，繼續抽真空30分鐘；關閉擴散泵8繼續抽真空20分鐘，再進一步關閉羅茨泵7和機械 泵6，打開放氣閥5放氣，打開真空蓋11，從石墨塊5上取出矽錠；最後切去矽錠頂部含雜質 較多的部分，經檢測，得到的矽錠磷的含量低於0. 00004%，金屬雜質總含量低於0. 0002%。本發明同時應用電子束熔煉粉體矽料和定向凝固的方式去除多晶矽中磷和金屬 雜質，去除效果良好，效率高，有效應用粉體熔煉過程中快速熔化和雜質分布均勻的優點， 集成了除磷和除金屬的雙重效果，工藝簡單，技術穩定，能耗小，成本低，適合大規模工業化 生產。
權利要求
1.一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法，其特徵是先通過電子束在低 磷、低金屬的高純矽錠的頂部形成穩定熔池，後將需提純的矽粉落入熔池熔煉，實現粉體的 快速熔化去除矽粉中的揮發性雜質磷，同時進行定向拉錠使低磷多晶矽進行定向凝固生 長，通過分凝效應去除多晶矽中金屬雜質。
2.根據權利要求1所述的一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法，其特徵 是具體步驟如下第一步備料採用低磷、低金屬的高純矽錠置於真空設備中做載體，在其上面裝粉桶中 裝入需提純的高磷、高金屬粉體矽料；第二步預處理對真空設備進行抽真空，真空達到0. 002Pa以下；然後對拉錠部件進行 冷卻，使坩堝的溫度維持在25-45°C ；給電子槍預熱，設置高壓為^_32kV，高壓穩定5_10分 鍾後，關閉高壓，設置電子槍束流為100-200mA進行預熱，預熱10-15分鐘後，關閉電子槍束 流；第三步除磷和金屬雜質同時打開電子槍的高壓和束流，穩定後，通過電子槍以 200-300mA的束流轟擊低磷、低金屬高純矽錠，形成穩定的熔池；然後，調節電子槍束流大 小，使束流維持在300 - 500mA，優選300mA-400mA，將裝粉桶中的高磷、高金屬矽粉落入熔 池中，矽粉快速熔化去除揮發性雜質磷，同時按照匹配的速度向下拉錠；直至落粉結束後， 首先關閉電子槍，10-15分鐘後停止向下拉錠，繼續抽真空35-50分鐘；停止抽真空後進行 放氣，放氣結束後取出矽錠即完成提純。
3.一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設備，其特徵是設備採 用真空蓋、真空爐壁及裝粉蓋構成真空設備，真空設備內腔為真空室；真空室內上部裝有裝 粉桶，裝粉桶底部帶有出料口，出料口裝配有外驅式擋粉板，裝粉桶出料口底部裝有坩堝， 坩堝底部裝有拉錠機構，拉錠機構上裝有矽錠，電子槍安裝在真空室上部，電子束流對準矽Iio
4.根據權利要求3所述的一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設 備，其特徵是所述真空設備外殼上安裝有抽真空裝置，抽真空裝置採用機械泵、羅茨泵和 擴散泵。
5.根據權利要求3所述的一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設 備，其特徵是所述拉錠機構採用拉錠支撐杆安裝在真空爐壁的底部，拉錠支撐杆上部安裝 有銅板，銅板上安裝石墨塊，石墨塊上放置矽錠，拉錠支撐杆和銅板中開設有冷卻流道，冷 卻流道接通冷卻源。
6.根據權利要求3所述的一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設 備，其特徵是所述裝粉桶頂部帶有裝粉蓋，裝粉蓋位於真空爐壁上，外驅式擋粉板為L形 擋粉板，擋粉板一端轉動安裝在轉動機構中，轉動機構安裝在真空爐壁外。
7.根據權利要求3所述的一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法採用的設 備，其特徵是所述坩堝安裝在支撐底座的頂部，支撐底座安裝在真空爐壁的底部，支撐底 座上安裝有保溫套。
全文摘要
本發明屬於用物理冶金技術提純多晶矽的技術領域。一種電子束除磷、除金屬的耦合提純多晶矽的方法，先通過電子束在低磷、低金屬的高純矽錠的頂部形成穩定熔池，後將需提純的矽粉落入熔池熔煉，實現粉體的快速熔化去除矽粉中的揮發性雜質磷，同時進行定向拉錠使低磷多晶矽進行定向凝固生長，通過分凝效應去除多晶矽中金屬雜質。本發明的顯著效果是同時採取電子束熔煉粉體矽料和定向凝固的方式，用電子束快速去除雜質磷，用定向凝固將分凝係數較小的金屬雜質去除，有效提高了多晶矽的純度，達到了太陽能級矽的使用要求。本發明提純效果好，技術穩定，工藝簡單，生產效率高，節約能源，成本低，適合批量生產。
文檔編號C01B33/037GK102120578SQ20111003156
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月29日 優先權日2011年1月29日
發明者姜大川, 譚毅, 鄒瑞洵 申請人:大連隆田科技有限公司