專利名稱：一種純化硅的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種純化硅的方法，具體地說，涉及一種利用單晶爐提 4立法純化^圭的方法。
背景技術：
國際上電子級高純(> 11 N)晶體硅原料制備的主流技術是西門子法， 即三氯氫硅(S iHC13)還原法和硅烷(S iH4)熱分解法，該工藝利用干燥氯化 氫在沸騰床中與冶金硅粉反應Si(s)+3HCl(g) =SiHCl3(g)+H2(g)(放熱), 生成的SiHCl3與PCh和BCl3在相對揮發(fā)度上有較大差異(它們的沸點分 別為31.8。C, 74。C和13。C),能有效地用精餾提純。最后在110(TC用H2 還原SiHCh,進行氯化反應的逆過程SiHCl3(g)+ H2(g)— Si(s) + 3HCl(g)， 反應析出固態(tài)的硅，擊碎后便成為塊狀晶體硅。這樣就可以得到純度為 99. 9999999 %的晶體硅原料，換句話說，也就是平均十億個硅原子中才 有一個雜質原子。同時世界各國還有使用改良西門子法(即俄羅斯法)、硅烷法、流態(tài) 化床法、冶金法，其中改良西門子法占全球產量的80%以上。但無一例 外，無論采用那一種工藝方法，平均提純每公斤硅原料耗電都在 250--400度左右，高能耗，高投入低產出是硅原料成本高居不下的主要 原因，嚴重制約了太陽能電池的普及使用。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種以高效率低能耗純化硅的方法。本發(fā)明目的是通過提供一種純化硅的方法來實現(xiàn)的，所述純化硅的方法特征在于，將硅原料加料入單晶爐中熔融后進行提拉來提純并得到太陽能級單晶棒，其中利用單晶爐抽真空設施的改造，即在真空系統(tǒng)加裝一組高真空泵如擴散泵，使硅料反應室真空度達10—5torr,隔離空氣， 在硅料融開后在提拉晶體硅的過程中磷、硼有效的氣化出來。在本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施方案中，將硅原料加料入單晶爐I中 熔融后進行提拉得到晶體硅，然后將獲得的晶體硅加料入單晶爐II中按 常規(guī)工藝進行提拉。在本發(fā)明方法的另 一 個優(yōu)選實施方案中，在提拉晶體硅的過程中用 真空除去空氣代替了惰性氣體隔離空氣。成本下降了許多。在本發(fā)明方法的再一個優(yōu)選實施方案中，所述硅原料為金屬硅粉、 粗純化的硅或者只還原未純化的工業(yè)硅。優(yōu)選地，在將硅原料加料入單晶爐中之前，將硅原料破碎至微米級 硅粉。優(yōu)選地，將所述硅原料用王水、氬氟酸進行酸洗，然后用離心甩千 機甩干，最后用烘干機烘干。所述烘干機優(yōu)選裝有加壓氮氣以翻動硅原 料。在本發(fā)明的又一個優(yōu)選實施方案中，在單晶爐中進行提拉時，抽真 空是分段實施的。本發(fā)明純化硅的方法是利用單晶硅提拉爐的垂直溫度梯度，運用熱趨法排除硅渣雜質，從而達到提純硅原料的目的，可得到'高于99. 9999%純度的晶體硅原料。在本發(fā)明方法中，若用細的硅粉，第一次提拉時，抽真空分兩段實施。第一階段真空泵的閥門只開十分之一，排氣的氣流很低不至于刮起硅粉，堵塞真空泵管路或設備本身。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，當單晶爐I提拉的硅純度達6個9的純度后，進入單晶爐提拉II,按常規(guī)工藝實施，提拉單晶硅。作為單晶爐I提拉的硅原料，可以使用金屬硅粉、粗純化的硅(純度在99. 9%以上)或者只還原未純化的工業(yè)硅(金屬硅)。在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案中，在將硅原料加料入單晶爐I中之前，將硅原料破碎至微米(pm)級，用王水、氫氟酸進行酸洗。酸洗步驟優(yōu)選為用3份鹽酸加1份硝酸在常溫下浸泡20 - 60分鐘用氣泡或攪拌器攪拌，使硅充分被酸反應。之后排掉酸化學品，用超純水(水質達10兆歐姆以上)洗凈，當水質電阻率達到1兆歐姆后排掉純水。將上述洗好的硅砂進入第二階段清洗。具體是，將上述洗好的硅砂 置入用50份水加1份濃度49。/。的氫氟酸得到的酸液中，在常溫浸泡20 -40分鐘，用氣泡或攪拌器攪拌，使硅充分被酸反應。之后排掉酸化學 品，用超純水(水質達10兆歐姆以上)洗凈，當水質電阻率達到l兆歐 姆后排掉純水。將濕的硅置入裝有過濾網袋的離心甩干機，進行離心甩干。然后置 入烘千機，溫度設在9(TC土3。C,烘干機有強力氮氣吹出，將硅翻動，以 加強、加快硅粉干燥。所述烘干機裝有加壓氮氣(如壓力在1. 24xl05Pa(18psi )),例如每分鐘通2G升氮氣來翻動硅粉。本發(fā)明純化硅的方法中，所述硅粉是用3HC1/HN03， 50H20/1HF(49%) 清洗以除去重金屬、金屬、磷、硼離子、化合物雜質。實驗證實，用此 化學清洗方法，可將還原的工業(yè)硅99%的純度純化至99. 9%以上。該方法 可實現(xiàn)大規(guī)模生產-每臺化學臺每天可洗10000公斤。而且，清洗硅的 成本很低，每公斤僅0. 2元人民幣。本發(fā)明純化硅的方法是單晶爐I提拉來進行硅的純化，其優(yōu)選方案 是提拉全程充氮氣，大幅降低常規(guī)工藝充氬氣之氣體成本。本發(fā)明純化硅的方法是用單晶爐提拉來進行硅的純化，其特征在于 提拉晶體的速度是常規(guī)工藝拉晶體的速度(約0. 5mm/min) 1. 5倍至2 倍(約0. 75mm/min~ lmm/min),大幅提高生產產量。當然大幅降低生產 成本。而常規(guī)拉單晶工藝如下1. 填料-將硅塊放入坩堝；2. 關上真空室門，開始抽真空；3. 真空達10—5Torr，開始升溫；4. 溫度達1500。C,開始讓籽晶與熔液接觸。此時籽晶順時針以 每分鐘0. 1 - 20rpm轉動，坩堝逆時針每分鐘Q. 1 - 1Qrpm轉動；5. 開始提才立，才是速約每分鐘0. 5mm-5mm;6. 提拉完畢停止轉動，開始降溫；7. 降溫完畢，取下硅棒，完成工藝。本發(fā)明用單晶爐提拉來進行硅的純化的特征還在于做多晶硅提拉， 不必形成單晶，好處在于不必理會晶體結晶方向、錯位、空洞...等缺陷。 大幅提高產能，降低生產成本，純化至6N成本每公斤約30美元比西門 子法(每公斤硅約45美元)的低。本發(fā)明純化硅的方法的特征還在于，使用硅粉時，抽真空是分段實 施，其好處在于真空泵不會抽走硅粉。本發(fā)明的其它優(yōu)點如下在單晶爐I提拉過程中，經改動后的單晶爐實施方法如下1. 按常規(guī)單晶爐提拉工藝，在提拉晶體硅的過程中，優(yōu)選全程抽真 空，以降低成本。常規(guī)單晶爐提拉工藝過程是充氬氣(Ar2)。2. 是常規(guī)單晶爐提拉工藝的提拉速度(約0. 5mm/分鐘)的1. 5 - 2 倍(0. 75mm/min~ lmm/min)。不必理會缺陷的形成。好處在于大幅提高 速度，亦即大幅提高生產速度。3. 單晶爐做提拉多晶硅。常規(guī)單晶爐提拉工藝只作單晶硅。4. 若用細的(,)金屬硅粉，第一次提拉時，抽真空分兩段實施。 第 一 階段真空泵的閥門只開十分之一 ，排氣的氣流很低不至于刮起硅粉， 堵塞真空泵管路或設備本身。第二階段真空泵的閥門全開。5. 將經單晶爐I提拉的硅送入單晶爐II進行提拉，按常規(guī)工藝實 施，提拉單晶硅。如此純度高于6個9的太陽能單晶棒就被做出來。本發(fā)明的優(yōu)點還有充分利用傳統(tǒng)工藝設備如單晶爐，只需進行改 造真空系統(tǒng)，就能達到大幅度降低能耗和提升產能；其工藝步驟少，操 作筒單，適用于任何型式的單晶爐。


圖1是根據(jù)本發(fā)明純化硅的方法的 一 個實施方案的工藝流程圖。
具體實施方式
以下結合實施例對本發(fā)明進行更詳細的描述。所述實施例僅用于說 明本發(fā)明的目的，而不以任何方式限制本發(fā)明。實施例1將經還原處理的金屬硅原料加料入單晶爐I中熔融后進行提拉，利 用單晶爐抽真空設施隔離空氣，在提拉晶體硅的過程中全程抽真空，并且，提拉晶體硅的速度可提高至2-5mm/fflin。將如此獲得的晶體硅加料 入單晶爐II，按常規(guī)拉單晶工藝進行提拉，即可得到99. 9999%純度的太 陽能級單晶棒。 實施例2將經還原處理的金屬硅粉碎至微米級，用3份鹽酸加1份硝酸在常 溫下浸泡40分鐘用氣泡或攪拌器攪拌，使硅充分被酸反應。之后排掉酸 化學品，用超純水(水質達10兆歐姆以上)洗凈，當水質電阻率達到l 兆歐姆后排掉純水。將上述洗好的硅砂置入用50份水加1份濃度49%的氫氟酸得到的酸 液中，在常溫浸泡30分鐘，用氣泡或攪拌器攪拌，使硅充分被酸反應。 之后排掉酸化學品，用超純水(水質達10兆歐姆以上)洗凈，當水質電 阻率達到1兆歐姆后排掉純水。將濕的硅置入裝有過濾網袋的離心甩干機，進行離心甩干。然后置 入烘干機，溫度設在9(TC土3。C,烘干機有強力氮氣吹出，將硅翻動，以 干燥硅粉。所述烘干機的氮氣壓力為1. 24x1 05Pa。將上述干燥后的硅粉送入單晶硅提拉爐熔融后進行提拉，利用單晶 硅提拉爐抽真空設施隔離空氣，在提拉晶體硅的過程中全程充氮，并且,提拉晶體硅的速度是0. 9mm/min。將如此獲得的晶體硅加料入單晶爐II, 按常規(guī)拉單晶工藝進行提拉，即可得到99. 99999%純度的太陽能級單晶 棒。以上結合實施例對本發(fā)明進行了詳細解釋和說明，但本領域技術人 員懂得，在不脫離本發(fā)明精神和范圍下，本發(fā)明實施例的任何改變、改 進、變體、變型和/或等同物均在所附權利要求定義的本發(fā)明范圍內。
權利要求
1.一種純化硅的方法，其特征在于，將硅原料加料入單晶爐中熔融后進行提拉來提純得到太陽能級單晶棒，其中利用單晶爐抽真空設施隔離空氣，在提拉晶體硅的過程中全程抽真空，和提拉晶體硅的速度是常規(guī)的單晶提拉速度的1.5-2倍。
2. 根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于，將硅原料加料入單晶爐I中 熔融后進行提拉得到晶體硅，然后將獲得的晶體硅加料入單晶爐II中按常 規(guī)工藝進行提拉。
3. 根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于，當單晶爐I提拉的硅純度達 6個9的純度后，進入單晶爐II提拉，按常規(guī)工藝實施，提拉單晶硅。
4. 根據(jù)權利要求1 - 3中任一項的方法，其特征在于，所述硅原料為 金屬硅粉、粗純化的硅或者只還原未純化的工業(yè)硅。
5. 根據(jù)權利要求1 - 4中任一項的方法，其特征在于，在將硅原料加 料入單晶爐中之前，將硅原料破碎至微米級硅粉。
6. 根據(jù)權利要求1 - 5中任一項的方法，其特征在于將所述硅原料用 王水、氫氟酸進行酸洗，然后用離心甩干機甩干，最后用烘干機烘干。
7. 根據(jù)權利要求6的方法，其特征在于，所述烘干機裝有加壓氮氣以 翻動硅原泮牛。
8. 根據(jù)權利要求1 - 7中任一項的方法，其特征在于，在單晶爐中進 行提拉時，抽真空是分段實施的。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其特征在于，所述抽真空是分兩段實施的， 第一階段真空泵的閥門只開十分之一，排氣的氣流;[艮低不至于刮起硅粉， 堵塞真空泵管路或設備本身，第二階段真空泵的閥門全開。
全文摘要
一種純化硅的方法，其特征在于，將硅原料加料入單晶爐中熔融后進行提拉來提純得到太陽能級單晶棒，其中利用單晶爐抽真空設施隔離空氣，在提拉晶體硅的過程中全程抽真空，和提拉晶體硅的速度是常規(guī)的單晶提拉速度的1.5-2倍。本發(fā)明的優(yōu)點是充分利用傳統(tǒng)工藝設備單晶爐加以改造，就能達到大幅度降低能耗和提升產能；其工藝步驟少，操作簡單，適用于任何型式的單晶爐。
文檔編號C30B15/00GK101240449SQ20071019656
公開日2008年8月13日 申請日期2007年11月29日 優(yōu)先權日2007年11月29日
發(fā)明者羅應明 申請人:晶湛(南昌)科技有限公司