專利名稱：一種去除硅中硼元素的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，涉及從金屬硅中除去硼的提純方法。
背景技術(shù)：
多晶硅是太陽能電池的基礎(chǔ)材料，是國家重點(diǎn)鼓勵發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)外 對多晶硅的需求量逐年增加，且呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的現(xiàn)象。目前國際上生產(chǎn)太陽能電池級 晶體硅的主要工藝是改良西門子法，它包括除硼的三氯氫硅提純技術(shù)、大型還原爐技術(shù)、氫 氣和氯化氫氣回收的還原爐尾氣回收技術(shù)、四氯化硅氫化技術(shù)等，制造工藝包括氯化_還 原-沉積等過程，十分復(fù)雜。生產(chǎn)時使用的主要原料是工業(yè)硅、液氯、氫氣等。目前普遍認(rèn)為使用廉價的工業(yè)硅制備太陽能級多晶硅是降低成本的最有效方式 之一。為了降低制造成本，使用低純度硅材料制造太陽能電池一直是人們追求的目標(biāo)。物 理法制造多晶硅的純度目標(biāo)是太陽能級，它具有投資少，能耗低，對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，以 滿足快速發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)的需求。為確保所需要的光電轉(zhuǎn)換效率，硅中的磷、硼、碳等雜質(zhì)元素的含量必須很低，其 中硼一般要在0. 1-0. 3ppm，冶金工業(yè)中精煉金屬硅時，利用金屬元素的偏析系數(shù)明顯小于 1的性質(zhì)，通過定向凝固可以除去雜質(zhì)，但硅和硼的偏析系數(shù)接近于1，因此凝固精煉有困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種有效降低硅中硼元素的方法。一種去除硅中硼元素的方法，其步驟為步驟1 將多晶硅45_55wt和液態(tài)時可溶解硼的金屬或合金55_45wt放入高純石 墨坩堝中；步驟2 爐內(nèi)抽真空后，通入惰性氣體；步驟3 升溫至硅與金屬的熔點(diǎn)上，保溫至少Ih ；步驟4 開啟溫度控制，降溫至硅與金屬的熔點(diǎn)下，定向凝固，以0. 01-0. 050C /h逐 步冷卻，使坩堝中的硅、鋁及硅鋁合金充分分凝；步驟5 硅結(jié)晶過程結(jié)束后，將液態(tài)鋁倒出。所述的金屬為熔點(diǎn)低于1400°C，且液態(tài)時可溶解硼的金屬或合金，這樣，當(dāng)硅與金 屬混合物熔解時，硅中的硼可溶于該金屬或合金中；隨著溶液冷卻，待硅凝固，而金屬未凝 固時，使液態(tài)金屬由坩堝內(nèi)流出，由于硼一直溶于液態(tài)金屬中，直至倒出，所以可以達(dá)到提 純硅的目的。硼的細(xì)粉末可溶于熱的硝酸和硫酸中，也可溶于大多熔融的金屬中，如銅、鐵、鎂、 鈣、鋁等。在本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例中，所述的金屬為Al。鋁可以在液態(tài)時去除，也可在 固態(tài)時去除。步驟3所述的惰性氣體為氬氣或氦氣。
步驟3所述的保溫時間為2h_3h。由上述對本發(fā)明的描述可知，和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了可溶解硼的金屬對 硅中的雜質(zhì)進(jìn)行過濾，本發(fā)明的方法可以有效降低硅中雜質(zhì)含量，特別是硼雜質(zhì)含量，可以 將固體硅中的B含量下降到70%以上。本發(fā)明采用廉價的鋁，對硅進(jìn)行提純，本發(fā)明所得的 產(chǎn)品，一部分為提純后的硅，另一部分為硅鋁合金，硅鋁合金是飛機(jī)制造業(yè)中的常用鍛造材 料，在其它領(lǐng)域也用途廣泛。


圖1 加料階段示意圖，其中下部2為含硼的硅料，上部1為鋁；圖2 高溫混合熔煉階段示意圖，鋁和硅混合熔解；圖3、冷卻分凝階段示意圖底部6為硅，中部5為硅鋁合金，上部4為鋁，4中的點(diǎn) 代表B雜質(zhì)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將4-5N多晶硅IOOkg放入高純石墨坩堝中，同時放入Al 100kg，抽真空后通入氬 氣保護(hù)，升溫至iioo°c硅及Ai混合物全部熔化為液態(tài)，保溫ih。然后開啟溫度控制，使坩 堝中的物料逐步冷卻，冷卻方式為定向固定緩慢冷卻，冷卻速度為0. 050C /h。使硅、鋁及硅 鋁合金充分分凝。分凝結(jié)束后，硅鋁合金占50% Wt，液態(tài)鋁占6. 3% wt，固態(tài)硅占43. 7% Wt0分離后固態(tài)硅中硼元素下降70%以上。實(shí)施例2將4-5N多晶硅90kg放入高純石墨坩堝中，同時放入Al 110kg，抽真空后通入氬氣 保護(hù)，升溫至iioo°c硅及Ai混合物全部熔化為液態(tài)，保溫ih。然后開啟溫度控制，使坩堝 中的物料逐步冷卻，冷卻方式為定向固定緩慢冷卻，冷卻速度為0. 030C /h。使硅、鋁及硅鋁 合金充分分凝。分凝結(jié)束后，硅鋁合金占50% Wt，液態(tài)鋁占6. 3% Wt，固態(tài)硅占43. 7% Wt。 分離后固態(tài)硅中硼元素下降70%以上。實(shí)施例3將4-5N多晶硅IlOkg放入高純石墨坩堝中，同時放入Al 90kg，抽真空后通入氬氣 保護(hù)，升溫至iioo°c硅及Ai混合物全部熔化為液態(tài)，保溫ih。然后開啟溫度控制，使坩堝 中的物料逐步冷卻，冷卻方式為定向固定緩慢冷卻，冷卻速度為o.ore /h。使硅、鋁及硅鋁 合金充分分凝。分凝結(jié)束后，硅鋁合金占50% Wt，液態(tài)鋁占6. 3% Wt，固態(tài)硅占43. 7% Wt。 分離后固態(tài)硅中硼元素下降70%以上。上述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu) 思對本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)范圍的行為。
權(quán)利要求
一種去除硅中硼元素的方法，其步驟為步驟1將多晶硅重量份45-55和液態(tài)時可溶解硼的金屬或合金重量份45-55放入高純石墨坩堝中；步驟2爐內(nèi)抽真空后，通入惰性氣體；步驟3升溫至硅與金屬的熔點(diǎn)上，保溫至少1h；步驟4開啟溫度控制，降溫至硅與金屬的熔點(diǎn)下，定向凝固，以0.01-0.05℃/h逐步冷卻，使坩堝中的硅、鋁及硅鋁合金充分分凝；步驟5硅結(jié)晶過程結(jié)束后，將液態(tài)鋁倒出。
2.如權(quán)利要求1所述的一種去除硅中硼元素的方法，其特征在于步驟1所述的多晶 硅純度為4-5N。
3.如權(quán)利要求1所述的一種去除硅中硼元素的方法，其特征在于所述的金屬或合金 熔點(diǎn)低于1400°C。
4.如權(quán)利要求2所述的一種去除硅中硼元素的方法，其特征在于所述的金屬為A1。
5.如權(quán)利要求1所述的一種去除硅中硼元素的方法，其特征在于步驟3所述的惰性 氣體為氬氣或氦氣。
6.如權(quán)利要求1所述的一種去除硅中硼元素的方法，其特征在于步驟3所述的保溫 時間為2h-3h。
全文摘要
一種去除硅中硼元素的方法，涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域。本發(fā)明的方法是利用硅合金特性，將硅和液態(tài)時可溶解硼的金屬按比例混合真空熔煉，定向凝固，緩慢冷卻，待硅凝固而金屬未凝固時，將液態(tài)金屬倒出，溶于金屬的硼也隨著倒出。由于本發(fā)明采用了可溶解硼的金屬對硅中的雜質(zhì)進(jìn)行稀釋，本發(fā)明的方法可以有效降低硅中雜質(zhì)含量，特別是硼雜質(zhì)含量，可以將固體硅中的B含量下降到70％以上。
文檔編號C01B33/037GK101863476SQ20091011152
公開日2010年10月20日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者張偉娜, 戴文偉, 胡滿根, 鄭智雄 申請人:南安市三晶陽光電力有限公司