專利名稱：一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種將多晶硅中的雜質(zhì)磷、硼和金屬去除的設(shè)備。
技術(shù)背景 太陽能級多晶硅材料是太陽能電池的重要原料，太陽能電池可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，在常規(guī)能源緊缺的今天，太陽能具有巨大的應(yīng)用價值。目前，世界范圍內(nèi)制備太陽能電池用多晶硅材料已形成規(guī)?；a(chǎn)，主要技術(shù)路線有(1)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(yè)硅為原料，由三氯氫硅，進(jìn)行氫還原的工藝?，F(xiàn)在國外較成熟的技術(shù)是西門子法，并且已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。該法已發(fā)展至第三代，現(xiàn)在正在向第四代改進(jìn)。第一代西門子法為非閉合式，即反應(yīng)的副產(chǎn)物氫氣和三氯氫硅，造成了很大的資源浪費。現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的第三代改良西門子工藝實現(xiàn)了完全閉環(huán)生產(chǎn)，氫氣、三氯氫硅硅烷和鹽酸均被循環(huán)利用，規(guī)模也在1000噸每年以上。但其綜合電耗高達(dá)170kW · h/kg，并且生產(chǎn)呈間斷性，無法在Si的生產(chǎn)上形成連續(xù)作業(yè)。(2)冶金法以定向凝固等工藝手段，去除金屬雜質(zhì)；采用等離子束熔煉方式去除硼；采用電子束熔煉方式去除磷、碳，從而得到生產(chǎn)成本低廉的太陽能級多晶硅。這種方法能耗小，單位產(chǎn)量的能耗不到西門子法的一半，現(xiàn)在日本、美國、挪威等多個國家從事冶金法的研發(fā)，其中以日本JFE的工藝最為成熟，已經(jīng)投入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。(3)硅烷法是以氟硅酸(H2SiF6)、鈉、鋁、氫氣為主要原材料制取硅烷(SiH4),然后通過熱分解生產(chǎn)多晶硅的工藝。該法基于化學(xué)工藝，能耗較大，與西門子方法相比無明顯優(yōu)勢。(4)流態(tài)化床法是以SiCl4 (或SiF4)和冶金級硅為原料，生產(chǎn)多晶硅的工藝。粒狀多晶硅工藝法是流態(tài)化床工藝路線中典型的一種。但是該工藝的技術(shù)路線正在調(diào)試階段。在眾多制備硅材料的方法中，已經(jīng)可以投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的只有改良西門子法、硅烷法、冶金法。但改良西門子法和硅烷法的設(shè)備投資大、成本高、污染嚴(yán)重、工藝復(fù)雜，不利于太陽能電池的普及性應(yīng)用，相比而言冶金法具有生產(chǎn)周期短、污染小、成本低的特點，是各國競相研發(fā)的重點。電子束熔煉是冶金法提純多晶硅的重要方法之一，它可以有效降低多晶硅中的雜質(zhì)磷，但是目前大部分電子束熔煉提純多晶硅的方法還不能同時有效去除多晶硅中的雜質(zhì)硼和金屬雜質(zhì)，并且一般電子束熔煉都使用兩把電子槍，存在能耗較大的缺點。已知申請?zhí)枮?008100713986. X的實用新型專利，利用電子束熔煉達(dá)到去除多晶硅中磷的目的，但該專利使用的方法無法有效去除多晶硅中的雜質(zhì)硼，需要另外的工藝過程才能去除雜質(zhì)硼，增加了工藝環(huán)節(jié)，同時該專利使用的方法中使用兩把電子槍，能耗較大。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型克服上述不足問題，提供一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，結(jié)構(gòu)緊湊，綜合利用電子束熔煉、渣濾熔煉及定向凝固技術(shù)，操作簡單，提純精度高，同時去除多晶硅中磷、硼和金屬雜質(zhì)，達(dá)到太陽能級多晶硅材料的使用要求。本實用新型為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，設(shè)備由爐門及真空爐壁構(gòu)成真空設(shè)備，真空設(shè)備的內(nèi)腔即為真空室；真空室底部固定安裝拉錠機(jī)構(gòu)，拉錠機(jī)構(gòu)上安裝熔煉坩鍋，熔煉坩鍋外套裝加熱裝置，真空室底部還安裝有水冷支撐桿，水冷銅坩堝安裝于水冷支撐桿之上，加料裝置固定安裝于水冷銅坩堝上方真空爐壁頂部內(nèi)側(cè)，水冷銅坩堝通過導(dǎo)流裝置連通熔煉坩堝，電子槍安裝于真空爐壁頂部，放氣閥安裝于真空爐壁之上。所述加熱裝置采用支撐底座上從外向內(nèi)安裝有保溫碳?xì)趾褪l(fā)熱體，支撐底座固定安裝在真空室上，拉錠機(jī)構(gòu)位于支撐底座內(nèi)；所述拉錠機(jī)構(gòu)采用水冷拉錠桿上安裝石墨塊，熔煉坩堝置于石墨塊之上。所述導(dǎo)流裝置采用開有落料孔的分流板置于石墨支撐架之上，導(dǎo)流槽兩端分別搭接于分流板與水冷銅坩堝邊緣處，石墨支撐架安裝于保溫碳?xì)趾褪l(fā)熱體之上。所述分流板邊緣高，中間低，中間均勻分布落料孔；分流板采用熔點高于硅，高溫強(qiáng)度大，與硅潤濕角大于90°的材料制成，如石英或陶瓷。本實用新型設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思獨特，一臺設(shè)備綜合利用電子束熔煉除磷、渣濾熔煉除硼及定向凝固除金屬的技術(shù)去除多晶硅中的磷、硼和金屬雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備集成度高，減少了工藝環(huán)節(jié)，將磷去除后的硅熔液連續(xù)均勻的熔入到造渣劑熔液之中，硅與渣劑之間接觸面積增大，反應(yīng)溫度提高，而且石墨加熱體對于電子束的發(fā)射沒有影響，有利于提高反應(yīng)的速率和程度，提純效果好，生產(chǎn)效率高，節(jié)約能源，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖1為一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖。圖中，1.電子槍，2.導(dǎo)流槽，3.放氣閥，4.擴(kuò)散泵，5.羅茨泵，6.機(jī)械泵，7. 真空室，8.爐門，9.分流板，10.石墨支撐架，11.保溫碳?xì)郑?2.石墨發(fā)熱體，13.造渣劑熔液，14.熔煉坩堝，15.石墨塊，16.支撐底座，17.水冷拉錠桿，18.真空爐壁，19. 水冷支撐桿，20.水冷銅坩堝，21.硅熔液，22.高磷、高硼、高金屬多晶硅料，23.加料裝置。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施例及附圖詳細(xì)說明本實用新型，但本實用新型并不局限于具體實施例。實施例1一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，設(shè)備由爐門8及真空爐壁2構(gòu)成真空設(shè)備，真空設(shè)備的內(nèi)腔即為真空室7 ；真空室7底部右側(cè)固定安裝支撐底座16，支撐底座16 內(nèi)的真空爐壁2上安裝有水冷拉錠桿17，石墨塊15安裝在水冷拉錠桿17上，熔煉坩堝14 置于石墨塊15之上，支撐底座16上從外向內(nèi)安裝有保溫碳?xì)?1和石墨發(fā)熱體12，導(dǎo)流裝置安裝于保溫碳?xì)?1和石墨發(fā)熱體12之上；真空室7底部左側(cè)安裝有水冷支撐桿19，水冷銅坩堝20安裝于水冷支撐桿19之上，加料裝置23固定安裝于水冷銅坩堝20上方真空爐壁2頂部內(nèi)側(cè)位置，導(dǎo)流裝置用于連接水冷銅坩堝20和熔煉坩堝14，電子槍1安裝于真空爐壁2頂部，放氣閥3安裝于真空爐壁2之上；導(dǎo)流裝置采用石墨支撐架10安裝于保溫碳?xì)?1和石墨發(fā)熱體12之上，分流板9置于石墨支撐架10之上，導(dǎo)流槽2兩端分別搭接于分流板9與水冷銅坩堝20邊緣處；分流板9邊緣高，中間低，中間開有落料孔，分流板9 采用熔點高于硅，高溫強(qiáng)度大，與硅潤濕角大于90°的材料如石英或陶瓷制成。實施例2采用實施例1所述的設(shè)備進(jìn)行電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的方法，其具體步驟如下第一步備料將質(zhì)量百分比為Si0270%、Ca020%和Na2C0310%的造渣劑1200g造渣劑平鋪于熔煉坩堝14底部，此時造渣劑的加入量為熔煉坩堝14體積的1/6位置為宜，關(guān)閉爐門8;第二步預(yù)處理分別采用機(jī)械泵6、羅茨泵5將真空室7抽到低真空7Pa，再用擴(kuò)散泵4將真空室7抽到高真空0. 0015Pa ；向水冷支撐桿19、水冷銅坩堝20及水冷拉錠桿17 中通入冷卻水，使其溫度維持在40°C ；給電子槍1預(yù)熱，設(shè)置高壓為30kV，高壓穩(wěn)定5分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍1束流為200mA進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10分鐘后，關(guān)閉電子槍1束流；第三步熔化渣劑及除磷給石墨發(fā)熱體12通電，通過石墨加熱將造渣劑熔化形成造渣劑熔液13，并維持液態(tài)；同時通過加料裝置23向水冷銅坩堝20中連續(xù)加入磷含量為 0. 0022%、硼含量為0. 0018%、金屬雜質(zhì)總含量為0. 035%的多晶硅料22，打開電子槍1的高壓和束流，穩(wěn)定后，通過電子槍1以300mA的束流轟擊水冷銅坩堝20中的高磷、高硼和高金屬的多晶硅料22，使其熔化形成硅熔液21，在電子束熔煉過程中硅熔液中的雜質(zhì)磷得到去除形成低磷的硅熔液；第四步除硼除金屬低磷硅熔液通過水冷銅坩堝20上的導(dǎo)流口進(jìn)入導(dǎo)流裝置，在導(dǎo)流裝置引導(dǎo)下，低磷硅熔液連續(xù)、均勻、分散的熔入到造渣劑熔液13之中，加大石墨發(fā)熱體12功率，使得熔液溫度達(dá)到1450°C，在熔入的過程中，硅熔液中的雜質(zhì)硼與造渣劑 發(fā)生反應(yīng)，雜質(zhì)硼得到去除，雜質(zhì)硼去除后的硅熔液不斷下沉，在熔煉坩堝14底部聚集，待熔煉坩堝14中的熔液裝滿時，停止加入多晶硅料，10分鐘后關(guān)閉電子槍1，并將熔煉坩堝14中的熔液加熱保持液態(tài)反應(yīng)10分鐘，最后通過水冷拉錠桿17向下拉錠，熔液開始定向凝固生長，金屬雜質(zhì)和廢渣不斷向硅錠頂部聚集，完全凝固并降至室溫后，打開放氣閥19放氣，取出硅錠，切去硅錠頂部廢渣及金屬含量較高的硅塊，即可得到磷、硼和金屬雜質(zhì)含量較低的多晶硅錠。經(jīng)ELAN DRC-II型電感耦合等離子質(zhì)譜儀設(shè)備(ICP—MS)檢測，磷雜質(zhì)的含量降低到0. 00004%以下，硼雜質(zhì)的含量降低到0. 00008%以下，金屬雜質(zhì)總含量降低到0. 00015% 以下，達(dá)到了太陽能級硅材料的使用要求。
權(quán)利要求1.一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，其特征是設(shè)備由爐門(8)及真空爐壁 (2)構(gòu)成真空設(shè)備，真空設(shè)備的內(nèi)腔即為真空室(7);真空室(7)底部固定安裝拉錠機(jī)構(gòu)，拉錠機(jī)構(gòu)上安裝熔煉坩鍋，熔煉坩鍋外套裝加熱裝置，真空室(7)底部還安裝有水冷支撐桿(19)，水冷銅坩堝(20)安裝于水冷支撐桿(19)之上，加料裝置(23)固定安裝于水冷銅坩堝(20)上方真空爐壁(2)頂部內(nèi)側(cè)，水冷銅坩堝(20)通過導(dǎo)流裝置連通熔煉坩堝(14)，電子槍(1)安裝于真空爐壁(2)頂部，放氣閥(3)安裝于真空爐壁(2)之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，其特征是所述加熱裝置采用支撐底座(16)上從外向內(nèi)安裝有保溫碳?xì)?11)和石墨發(fā)熱體(12)，支撐底座(16)固定安裝在真空室上，拉錠機(jī)構(gòu)位于支撐底座內(nèi)，；所述拉錠機(jī)構(gòu)采用水冷拉錠桿 (17)上安裝石墨塊(15)，熔煉坩堝(14)置于石墨塊(15)之上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，其特征是所述導(dǎo)流裝置采用開有落料孔的分流板(9)置于石墨支撐架(10)之上，導(dǎo)流槽(2)兩端分別搭接于分流板(9)與水冷銅坩堝(20)邊緣處，石墨支撐架(10)安裝于保溫碳?xì)?11)和石墨發(fā)熱體(12)之上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，其特征是所述分流板(9)邊緣高，中間低，中間均勻分布落料孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，其特征是所述分流板(9)采用熔點高于硅，高溫強(qiáng)度大，與硅潤濕角大于90°的材料制成。
專利摘要本實用新型屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域。一種電子束及渣濾熔煉提純多晶硅的設(shè)備，設(shè)備由爐門及真空爐壁構(gòu)成真空設(shè)備，真空設(shè)備的內(nèi)腔即為真空室；真空室底部固定安裝拉錠機(jī)構(gòu)，拉錠機(jī)構(gòu)上安裝熔煉坩鍋，熔煉坩鍋外套裝加熱裝置，真空室底部還安裝有水冷支撐桿，水冷銅坩堝安裝于水冷支撐桿之上，加料裝置固定安裝于水冷銅坩堝上方真空爐壁頂部內(nèi)側(cè)，水冷銅坩堝通過導(dǎo)流裝置連通熔煉坩堝，電子槍安裝于真空爐壁頂部，放氣閥安裝于真空爐壁之上。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思獨特，一臺設(shè)備綜合利用電子束熔煉除磷、渣濾熔煉除硼及定向凝固除金屬技術(shù)去除多晶硅中的磷、硼和金屬雜質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備集成度高，提純效果好，生產(chǎn)效率高。
文檔編號C01B33/037GK202063730SQ20112015548
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月16日
發(fā)明者姜大川, 戰(zhàn)麗姝, 譚毅, 鄒瑞洵, 顧正 申請人:大連隆田科技有限公司