專利名稱：連續(xù)熔煉去除多晶硅中磷和硼的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用電子束熔
煉技術(shù)將多晶硅中的雜質(zhì)磷和硼去除的方法。
背景技術(shù)：
高純多晶硅是制備太陽能電池的主要原料。國外制備高純多晶硅主要使用西門子 法，具體為硅烷分解法和氯硅烷氣相氫還原法，西門子法是目前多晶硅制備的主流技術(shù)。其 有用沉積比為1 X 103，是硅烷的100倍。西門子法沉積速度可達8 10 ii m/min。 一次通過 的轉(zhuǎn)換效率為5% 20%，沉積溫度為110(TC，僅次于SiCl4(120(TC )，耗電量為120kWh/kg 左右，電耗也較高。國內(nèi)SiHCl3法的電耗經(jīng)過多年的努力已由500kWh/kg降至200kWh/kg， 硅棒直徑達到100mm左右。西門子法的不足之處在于其在流程的核心環(huán)節(jié)上采取了落后的 熱化學(xué)氣相沉積，工藝流程的環(huán)節(jié)過多，一次轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致流程時間太長，增加了材耗、能 耗成本。鑒于此，在眾多制備的新工藝中冶金法是根據(jù)雜質(zhì)元素在硅中的分凝系數(shù)不同進 行定向凝固的方式，具有能耗低、環(huán)境污染小的特點。單純的定向凝固方法無法去除分凝系 數(shù)較大的雜質(zhì)磷，而在多晶硅的眾多雜質(zhì)中，硼是有害雜質(zhì)，直接影響了硅材料的電阻率和 少數(shù)載流子壽命，進而影響了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率?？捎米鲋苽涮柲茈姵氐亩嗑?硅磷含量要求降低到O. 00003%以下，已知日本專利號為11-20195的發(fā)明專利，利用電子 束達到去除多晶硅中磷的目的，但該專利無法應(yīng)用電子束去除硼，已知的發(fā)明專利和科技 論文中上尚沒有應(yīng)用電子束在一臺設(shè)備中同時去除磷和硼的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是利用電子束熔煉技術(shù)，將多晶硅中的雜質(zhì)元素磷去除 到0. 00001 %的程度，雜質(zhì)元素硼去除到0. 00003%的程度，進而達到太陽能電池用硅材料 的使用要求。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種連續(xù)熔煉去除多晶硅中磷和硼的方法，使用兩把電 子槍發(fā)射電子束分別對多晶硅進行熔煉，同時采用雙重工藝去除多晶硅中的磷和硼，首先 去除多晶硅中雜質(zhì)磷，將低磷的多晶硅進一步熔煉蒸發(fā)除硼，收集蒸發(fā)到沉積板上的低磷 低硼的多晶硅的方法，其步驟如下 1)、將多晶硅料22放入水冷銅坩堝17中，多晶硅料22的裝入量為水冷銅坩堝17 的三分之一位置，關(guān)閉真空蓋18 ; 2)、進行抽真空，同時用左機械泵19、左羅茲泵20、右機械泵4、右羅茲泵3將真空 室9抽到低真空1Pa，再同時用左擴散泵21和右擴散泵2將真空室9抽到高真空0. 001Pa 以下； 3)通過左水冷支撐桿14向水冷銅坩堝17中通入冷卻水，通過右水冷支撐桿13向 水冷銅托盤12中通入冷卻水，將水冷銅坩堝和水冷銅托盤的溫度維持在50°以下；
4)給左電子槍24預(yù)熱，設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5_10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置左電子槍24束流為70-200mA，束流預(yù)熱5_10分鐘后，關(guān)閉左電子槍24束流； 5)給右電子槍5預(yù)熱，設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5_10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)
置右電子槍5束流為70-200mA，束流預(yù)熱5_10分鐘后，關(guān)閉右電子槍5束流； 6)、同時打開左電子槍24的高壓和束流，穩(wěn)定后用左電子槍24轟擊水冷銅坩堝17
的多晶硅料22，增大左電子槍24束流到500-1000mA，持續(xù)轟擊，使多晶硅料22熔化為低磷
多晶硅10 ; 7)、通過通料口 23向水冷銅坩堝17中不斷投入多晶硅料22，使低磷多晶硅10溢 出，流入石墨坩堝11中； 8)、同時打開右電子槍5的高壓和束流，穩(wěn)定后用右電子槍5轟擊石墨坩堝11中
心區(qū)域的低磷多晶硅IO，增大右電子槍5束流到500-1000mA，持續(xù)轟擊； 9)、旋轉(zhuǎn)沉積板6的支撐桿1，使沉積板6以每分鐘2-30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，收集蒸發(fā)
到板上的低硼多晶硅7; 10)、通過填料口 23向水冷銅坩堝17中不斷補充多晶硅料22，保證反應(yīng)的持續(xù)進 行； 11)、待收集結(jié)束后，先后關(guān)閉左電子槍24和右電子槍5，繼續(xù)抽真空10-20分鐘；
12)、依次關(guān)閉左擴散泵21、右擴散泵2，繼續(xù)抽真空5-10分鐘，再進一步關(guān)閉左羅 茲泵20和右羅茲泵3、左機械泵19和右機械泵4，打開放氣閥15，打開真空蓋18，從沉積板 6上取出硅材料； 該裝置中由真空蓋18、真空圓桶8構(gòu)成裝置的外殼，真空圓桶8的內(nèi)腔即為真空 室9，真空室9由左右兩個腔組成，中間由隔離板16分割，隔離板16下部開設(shè)有方形連通口 25 ;左水冷支撐桿14裝在真空圓桶8的左側(cè)內(nèi)的底部，水冷銅坩堝17安裝在左水冷支撐桿 14上，并且水冷銅坩堝17右側(cè)穿過連通口 25，安裝在右腔內(nèi)的石墨坩堝11的上方；左電子 槍24裝在真空圓桶8的左側(cè)上方正對水冷銅坩堝17 ;右水冷支撐桿13安裝在真空圓桶8 的右側(cè)內(nèi)的底部，水冷銅托盤12安裝在右水冷支撐桿13上，石墨坩堝11安放在水冷銅托 盤12上，右電子槍5安裝在真空圓桶8的右側(cè)上方；沉積板6與支撐桿1相連后安裝在真 空圓桶8的右上方的內(nèi)部，正對石墨坩堝11 ;填料口 23，左機械泵19、左羅茲泵20和左擴 散泵21，放氣閥15分別安裝在真空圓桶8的左側(cè)面，右機械泵4、右羅茲泵3和右擴散泵2 分別安裝在真空圓桶8的右上部。 該裝置的沉積板(6)的材質(zhì)為硅材料、陶瓷或其他與硅潤濕性低的材料。 本發(fā)明的顯著效果是可以將分凝系數(shù)較大的硼用電子束熔煉去除，并同時去除雜
質(zhì)元素磷，解決了當(dāng)前使用冶金法無法有效去除硼的技術(shù)瓶頸，及無法完成磷、硼同時去除
的問題，有效提高了多晶硅的純度，達到了太陽能級硅的使用要求，其提純效果好，技術(shù)穩(wěn)
定，效率高。


附圖l為一種區(qū)域蒸發(fā)去除多晶硅中硼的裝置，附圖2為附圖1中A方向的視圖， 圖中，l.支撐桿，2.右擴散泵，3.右羅茲泵，4.右機械泵，5.右電子槍，6.沉積板，7.低硼多 晶硅，8真空圓桶，9.真空室，IO.低磷多晶硅，ll.石墨坩堝，12.水冷銅托盤，13.右水冷支 撐桿，14.左水冷支撐桿，15.放氣閥，16.隔離板，17.水冷銅坩堝，18.真空蓋，19.左機械泵，20.左羅茲泵，21.左擴散泵，22.多晶硅料，23.通料口，24.左電子槍，25.方形連通口
具體實施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案及附圖詳細說明本方案的具體實施。 根據(jù)Langmuir方程必b = 4.37X 10_3 XPB^MB /7V:(,)她C ,其中"B為蒸發(fā)
yb(1)insi°速率，Pb為硼的飽和蒸氣壓，mb為硼原子的原子量，T為熔池溫度，為硼在硅中的活 度系數(shù)。由于硼的飽和蒸汽壓很低，在高溫下熔煉硅，硅蒸氣中含有的硼只有硅基體的百分 之一以下，收集蒸發(fā)的硅蒸氣，達到去除硼的目的。 將含硼為0. 0005 % ，含磷0. 0007 %的多晶硅料22放入水冷銅坩堝17中，多晶硅 料22的裝入量為水冷銅坩堝17的三分之一位置，關(guān)閉真空蓋25 ;抽真空過程，同時用左機 械泵19、左羅茲泵20、右機械泵4、右羅茲泵3將真空室9抽到低真空1Pa，再同時用左擴散 泵21和右擴散泵2將真空抽到高真空0. 001Pa以下；通過左水冷支撐桿14向水冷銅坩堝 17中通入冷卻水，通過右水冷支撐桿13向水冷銅托盤12中通入冷卻水，將水冷銅坩堝和 水冷銅托盤的溫度維持在50度以下；給左電子槍24預(yù)熱，設(shè)置高壓為35kW，高壓預(yù)熱5，關(guān) 閉高壓，設(shè)置左電子槍24束流為200mA，束流預(yù)熱5分鐘，關(guān)閉左電子槍24束流；給右電子 槍5預(yù)熱，設(shè)置高壓為35kW，高壓預(yù)熱5分鐘，關(guān)閉高壓，設(shè)置右電子槍5束流為200mA，束 流預(yù)熱5分鐘，關(guān)閉右電子槍5束流；同時打開左電子槍24的高壓和束流，穩(wěn)定后用左電子 槍24轟擊水冷銅坩堝17的多晶硅料22，增大左電子槍24束流到1000mA，持續(xù)轟擊，使多 晶硅料22熔化為低磷多晶硅10 ;通過通料口 23向水冷銅坩堝17中不斷投入多晶硅料22， 使低磷多晶硅10溢出，流入石墨坩堝11中；同時打開右電子槍5的高壓和束流，穩(wěn)定后用 右電子槍5轟擊石墨坩堝11中心區(qū)域的低磷多晶硅10，增大右電子槍5束流到1000mA，持 續(xù)轟擊；旋轉(zhuǎn)沉積板6的支撐桿1 ，使沉積板6以每分鐘5轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，收集蒸發(fā)到板上的 低硼多晶硅7 ;、通過填料口 23向水冷銅坩堝17中不斷補充多晶硅料22，保證反應(yīng)的持續(xù) 進行；待收集結(jié)束后，先后關(guān)閉左電子槍24和右電子槍5，繼續(xù)抽真空10分鐘；依次關(guān)閉左 擴散泵21、右擴散泵2，繼續(xù)抽真空5-10分鐘，在進一步關(guān)閉左羅茲泵20和右羅茲泵3、左 機械泵19和右機械泵4，打開放氣閥15，打開真空蓋18，從沉積板6上取出硅材料；經(jīng)ELAN DRC-II型電感耦合等離子質(zhì)譜儀設(shè)備(ICP-MS)檢測，硼的含量降低到O. 00002%以下，磷 的含量降低到O. 00001%以下，達到了太陽能級硅材料的使用要求。 本發(fā)明可完成同時去除多晶硅中雜質(zhì)磷和硼，去除效果良好，去除效率高，解決了 困擾冶金法的除硼難題，集成了多晶硅中磷和硼去除的雙重工藝，為冶金法大規(guī)模制備太 陽能級多晶硅材料打下基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
一種連續(xù)熔煉去除多晶硅中磷和硼的方法，其特征在于，使用兩把電子槍發(fā)射電子束分別對多晶硅進行熔煉，同時采用雙重工藝去除多晶硅中的磷和硼，首先去除多晶硅中雜質(zhì)磷，將低磷的多晶硅進一步熔煉蒸發(fā)除硼，收集蒸發(fā)到沉積板上的低磷低硼的多晶硅的方法，其步驟如下1)、將多晶硅料(22)放入水冷銅坩堝(17)中，多晶硅料(22)的裝入量為水冷銅坩堝(17)的三分之一位置，關(guān)閉真空蓋(18)；2)、進行抽真空，同時用左機械泵(19)、左羅茲泵(20)、右機械泵(4)、右羅茲泵(3)將真空室(9)抽到低真空1Pa，再同時用左擴散泵(21)和右擴散泵(2)將真空室(9)抽到高真空0.001Pa以下；3)通過左水冷支撐桿(14)向水冷銅坩堝(17)中通入冷卻水，通過右水冷支撐桿(13)向水冷銅托盤(12)中通入冷卻水，將水冷銅坩堝和水冷銅托盤的溫度維持在50°以下；4)給左電子槍(24)預(yù)熱，設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置左電子槍(24)束流為70-200mA，束流預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉左電子槍(24)束流；5)給右電子槍(5)預(yù)熱，設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置右電子槍(5)束流為70-200mA，束流預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉右電子槍(5)束流；6)、同時打開左電子槍(24)的高壓和束流，穩(wěn)定后用左電子槍(24)轟擊水冷銅坩堝(17)的多晶硅料(22)，增大左電子槍(24)束流到500-1000mA，持續(xù)轟擊，使多晶硅料(22)熔化為低磷多晶硅(10)；7)、通過通料口(23)向水冷銅坩堝(17)中不斷投入多晶硅料(22)，使低磷多晶硅(10)溢出，流入石墨坩堝(11)中；8)、同時打開右電子槍(5)的高壓和束流，穩(wěn)定后用右電子槍(5)轟擊石墨坩堝(11)中心區(qū)域的低磷多晶硅(10)，增大右電子槍(5)束流到500-1000mA，持續(xù)轟擊；9)、旋轉(zhuǎn)沉積板(6)的支撐桿(1)，使沉積板(6)以每分鐘2-30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，收集蒸發(fā)到板上的低硼多晶硅(7)；10)、通過填料口(23)向水冷銅坩堝(17)中不斷補充多晶硅料(22)，保證反應(yīng)的持續(xù)進行；11)、待收集結(jié)束后，先后關(guān)閉左電子槍(24)和右電子槍(5)，繼續(xù)抽真空10-20分鐘；12)、依次關(guān)閉左擴散泵(21)、右擴散泵(2)，繼續(xù)抽真空5-10分鐘，再進一步關(guān)閉左羅茲泵(20)和右羅茲泵(3)、左機械泵(19)和右機械泵(4)，打開放氣閥(15)，打開真空蓋(18)，從沉積板(6)上取出硅材料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種連續(xù)熔煉去除多晶硅中磷和硼的方法采用的裝置，其特 征在于，裝置中由真空蓋(18)、真空圓桶(8)構(gòu)成裝置的外殼，真空圓桶(8)的內(nèi)腔即為真 空室(9)，真空室(9)由左右兩個腔組成，中間由隔離板(16)分割，隔離板(16)下部開設(shè) 有方形連通口 (25);左水冷支撐桿(14)裝在真空圓桶(8)的左側(cè)內(nèi)的底部，水冷銅坩堝 (17)安裝在左水冷支撐桿(14)上，并且水冷銅坩堝(17)右側(cè)穿過連通口 (25)，安裝在右 腔內(nèi)的石墨坩堝(11)的上方；左電子槍(24)裝在真空圓桶(8)的左側(cè)上方正對水冷銅坩 堝(17);右水冷支撐桿(13)安裝在真空圓桶(8)的右側(cè)內(nèi)的底部，水冷銅托盤(12)安裝在 右水冷支撐桿(13)上，石墨坩堝(11)安放在水冷銅托盤(12)上，右電子槍(5)安裝在真 空圓桶(8)的右側(cè)上方；沉積板(6)與支撐桿(1)相連后安裝在真空圓桶(8)的右上方的內(nèi)部，正對石墨坩堝(11);填料口 (23)，左機械泵(19)、左羅茲泵(20)和左擴散泵(21)，放 氣閥(15)分別安裝在真空圓桶(8)的左側(cè)面，右機械泵(4)、右羅茲泵(3)和右擴散泵(2) 分別安裝在真空圓桶(8)的右上部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種連續(xù)熔煉去除多晶硅中磷和硼的方法采用的裝置，其特 征在于，沉積板(6)的材質(zhì)為硅材料、陶瓷或其它與硅潤濕性低的材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用電子束熔煉技術(shù)將多晶硅中的雜質(zhì)磷和硼去除的方法。該方法使用兩把電子槍發(fā)射電子束分別對多晶硅進行熔煉，同時采用雙重工藝去除多晶硅中的磷和硼，首先去除多晶硅中雜質(zhì)磷，將低磷的多晶硅進一步熔煉蒸發(fā)除硼，收集蒸發(fā)到沉積板上的低磷低硼的多晶硅的方法。所采用的裝置由真空蓋、真空圓桶構(gòu)成裝置的外殼，真空圓桶的內(nèi)腔即為真空室，真空室由左右兩個腔組成，中間由隔離板分割。本發(fā)明有效提高了多晶硅的純度，達到了太陽能級硅的使用要求，其提純效果好，技術(shù)穩(wěn)定，效率高。
文檔編號C01B33/037GK101708850SQ200910220059
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者姜大川, 李國斌, 董偉, 譚毅 申請人:大連理工大學(xué)