電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于多晶硅鑄錠領(lǐng)域，特別涉及一種電子束熔煉除氧與長晶技術(shù)耦合制備多晶硅的裝置。包括爐體頂部通連安裝有電子槍，側(cè)部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，爐體內(nèi)放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨加熱器和石墨碳?xì)?，石墨碳?xì)猪敳堪惭b有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設(shè)有孔，且石英坩堝底部安裝有水冷銅底座。該裝置將電子束熔煉除氧技術(shù)與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩種生產(chǎn)工藝的目的，同時(shí)利用電子束照射硅熔體表面，高效去除硅中的揮發(fā)性氧雜質(zhì)。然后進(jìn)行長晶，減少了破碎、清洗及烘干環(huán)節(jié)，減少了能耗，提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率0.1%，總能耗降低超過30%，生產(chǎn)效率能夠提高40%。
【專利說明】電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于多晶硅鑄錠領(lǐng)域，特別涉及一種電子束熔煉除氧與長晶技術(shù)耦合制備多晶硅的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]冶金法制備太陽能級多晶硅技術(shù)作為發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級多晶硅制備技術(shù)的必經(jīng)之路，目前已經(jīng)取得了長足發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的情況下，依次去除硅中的各種雜質(zhì)元素(磷、硼、氧及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質(zhì)元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的硅料。例如，利用介質(zhì)熔煉技術(shù)去除硅中的硼雜質(zhì)，利用定向凝固去除硅中的金屬雜質(zhì)，利用電子束熔煉技術(shù)去除硅中的磷雜質(zhì)，將三種熔煉工藝集成為一條工藝路線，經(jīng)過三種工藝過程，從而得到太陽能級多晶硅。
[0003]在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質(zhì)均可通過有效的工藝手段去除，達(dá)到了較理想的效果。但是，近年來，在對多晶硅太陽能電池片光電轉(zhuǎn)化效率的研究中發(fā)現(xiàn)，氧元素的含量對電池片的光電轉(zhuǎn)化效率與產(chǎn)生重要影響。但是，現(xiàn)有技術(shù)中，對氧元素的去除效果不佳。
[0004]在冶金法的鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會(huì)進(jìn)入到硅料中，是氧雜質(zhì)產(chǎn)生的主要原因。傳統(tǒng)的測試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對高純硅料與混料(鑄鑄后的邊角料與高純料混合)進(jìn)行檢測，兩種料中氧的含量相關(guān)不大。這也導(dǎo)致了冶金法工藝中引入的氧雜質(zhì)未受到重視。
[0005]實(shí)際上，在硅中氧元素有兩種狀態(tài):替代位，即氧代替了硅的位置；間歇位，即氧在硅原子的間隙中。傳統(tǒng)的測試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測間歇位的氧含量，不能真實(shí)反映兩種硅料中的氧含量水平。經(jīng) 申請人:的實(shí)驗(yàn)測試，替代位的氧會(huì)釋放電子，與硅中雜質(zhì)磷產(chǎn)生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉(zhuǎn)化效率。 申請人:通過二次離子質(zhì)譜儀多次檢測，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。
[0006]因此，對于冶金法中多晶硅中引入的雜質(zhì)氧不能忽視，尤其在鑄錠工藝結(jié)束后，底料中氧含量為4?20ppmw，不符合生產(chǎn)要求，必需尋求有效的手段降低硅中雜質(zhì)氧的含量。
[0007]對于氧雜質(zhì)的去除方法，檢索到實(shí)用新型專利CN20081007092.5，一種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該實(shí)用新型采用在硅液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在硅液中反應(yīng)產(chǎn)生局部高溫，使硅液中的氧、碳元素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態(tài)下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險(xiǎn)性高，氧的去除效果不佳。
[0008]電子束熔煉技術(shù)，作為冶金法工藝流程中的重要組成部分，能夠有效去除硅中氧和磷。長晶技術(shù)作為制備最終滿足生產(chǎn)硅片要求的環(huán)節(jié)，是冶金法的最終環(huán)節(jié)。但目前，冶金法工藝過程中，電子束熔煉技術(shù)與長晶技術(shù)為兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，一般是將電子束熔煉后的硅料，經(jīng)過破碎、清洗過程后，所得到的硅料再放入鑄錠爐內(nèi)進(jìn)行再次熔煉，進(jìn)行長晶，得到滿足生產(chǎn)硅片要求的鑄錠。但在這個(gè)流程中，電子束熔煉技術(shù)及長晶技術(shù)均涉及到硅料的熔化及凝固過程，同時(shí)，電子束熔煉后的硅料，需要經(jīng)過噴砂、破碎、清洗、烘干后，才能進(jìn)入長晶環(huán)節(jié)，增加了整體投資，且生產(chǎn)效率較低。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型克服上述不足問題，提供一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置，更加高效地去除硅中的氧雜質(zhì)元素，大大降低生產(chǎn)過程中的總能耗。
[0010]本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是:一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置，爐體頂部通連安裝有電子槍，側(cè)部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，爐體內(nèi)放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨加熱器和石墨碳?xì)郑細(xì)猪敳堪惭b有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設(shè)有孔，且石英坩堝底部安裝有水冷銅底座。
[0011]孔的面積優(yōu)選為石英坩堝底部面積的20?35%。
[0012]采用的工藝方法，步驟如下:
[0013](I)裝料:將硅粉放入石英坩堝鏤空孔內(nèi)，至剛填滿底部孔的區(qū)域；將多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝內(nèi)，關(guān)閉保溫蓋；
[0014](2)抽真空:打開真空泵組,對爐體和電子槍抽真空；
[0015](3)熔化:調(diào)節(jié)石墨加熱器功率使硅料全部熔化；
[0016](4)電子槍預(yù)熱并保溫:設(shè)置高壓預(yù)熱，關(guān)閉高壓；設(shè)置電子槍束流預(yù)熱，關(guān)閉束流；降低石墨加熱器功率，保持硅料處于液態(tài)；
[0017](5)電子束熔煉除氧:打開真空裝置蓋后，同時(shí)開啟電子槍高壓和束流，穩(wěn)定后轟擊多晶娃料；
[0018](6)初步鑄淀長晶:關(guān)閉電子槍，關(guān)閉保溫蓋，調(diào)節(jié)石墨加熱器，使娃晶體的生長速度為 1.2 ?1.3cm/h ；
[0019](7)冷卻取料:硅晶體生長結(jié)束后，關(guān)閉真空泵組，打開放氣閥，取出硅料。
[0020]在本實(shí)用新型中，采用的是石英坩堝，是為了與之后的鑄錠工藝相結(jié)合。傳統(tǒng)工藝使用的是水冷銅坩堝的，本實(shí)用新型中，外圍有石墨加熱體，無法對銅坩堝加熱，所以優(yōu)選石英坩堝。同時(shí)石英坩堝與水冷銅底座接觸，散熱效果更好，再加上石英坩堝上開設(shè)有孔，能夠散熱快，加快鑄錠長晶。
[0021]電子束熔煉結(jié)束關(guān)閉電子槍后，關(guān)閉保溫蓋，防止硅液在鑄錠凝固過程中產(chǎn)生的揮發(fā)物對電子槍造成更多的損害；另外，保溫蓋在加熱過程后關(guān)閉，保溫效果更好。
[0022]將石英坩堝放入石墨加熱器內(nèi)，石墨加熱器外加石墨碳?xì)?，起到保溫作用。真空泵包括機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵和分子泵為真空領(lǐng)域常見設(shè)備，在本實(shí)用新型中統(tǒng)一配合使用，對爐體和電子槍進(jìn)行抽真空處理；電子束照射石應(yīng)坩堝內(nèi)硅熔體表面，增加熔體表面溫度，增大表面及表面以下附近區(qū)域的溫度梯度，強(qiáng)化硅熔體擾動(dòng)，增強(qiáng)氧揮發(fā)去除的表面效應(yīng)，去除硅中的氧雜質(zhì)。
[0023] 申請人:在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在電子束熔煉過程后，去除磷雜質(zhì)的同時(shí)，對氧雜質(zhì)也是一種極大的去除。經(jīng)二次離子質(zhì)譜儀檢測，能夠保證最后硅料中氧的含量由4?20ppmw降低到0.057Ippmw以下，0.057Ippmw以下為質(zhì)譜儀的檢測下限，由此我們可以認(rèn)為，電子束熔煉除氧后，硅料中氧含量達(dá)到0.057Ippmw以下。
[0024]本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn):該裝置將電子束熔煉除氧技術(shù)與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩種生產(chǎn)工藝的目的，采用石墨加熱器來熔化多晶硅鑄錠尾料，節(jié)約原料成本，同時(shí)利用電子束照射硅熔體表面，強(qiáng)化表面揮發(fā)效應(yīng)，高效去除硅中的揮發(fā)性氧雜質(zhì)，雜質(zhì)氧的去除率可達(dá)到85?92%。然后進(jìn)行長晶，減少了破碎、清洗及烘干環(huán)節(jié)，節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投入及占地面積，大大減少了獨(dú)立生產(chǎn)時(shí)的能量消耗，與不進(jìn)行除氧技術(shù)的單晶硅相比，提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率0.1%以上，總能耗降低超過30%，生產(chǎn)效率能夠提高40%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實(shí)用新型裝置示意圖。
[0026]圖中，1、電子槍，2、爐體，3、保溫蓋，4、石墨碳?xì)郑?、石墨加熱器，6、石英坩堝，7、水冷銅底座，8、充氣閥，9、放氣閥。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型，但本實(shí)用新型并不局限于具體實(shí)施例。
[0028]實(shí)施例1:
[0029]爐體2頂部通連安裝有電子槍I，側(cè)部上端開有充氣閥8，下端開有放氣閥9，爐體2內(nèi)的水冷銅底座7上放置有石英坩堝6，石英坩堝6外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨加熱器5和石墨碳?xì)?，石墨碳?xì)猪敳堪惭b有保溫蓋3。石英坩堝6底部中央位置開設(shè)有孔，孔的面積為石英坩堝底部面積的20%。
[0030]實(shí)施例2:
[0031]采用實(shí)施例1中的裝置進(jìn)行電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅:
[0032](I)裝料:將500kg氧含量為0.008%的多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝6內(nèi)，關(guān)閉真空裝置蓋3。
[0033](2)抽真空:開啟設(shè)備冷卻循環(huán)水裝置，給設(shè)備通冷卻循環(huán)水；對水冷銅底座7通入冷卻循環(huán)水。開啟爐體2真空泵，首先利用真空泵組中的機(jī)械泵及羅茨泵將爐體2真空度抽到5X 10_2Pa，電子槍I真空度抽到5X 10_3Pa，關(guān)閉真空泵組。
[0034](3)熔化:調(diào)節(jié)石墨加熱器5功率為10kW，使硅料溫度到達(dá)1450°C，使硅料全部熔化。
[0035](4)電子槍預(yù)熱并保溫:電子槍I設(shè)置聞壓為25kW,聞壓預(yù)熱5min后，關(guān)閉聞壓，設(shè)置電子槍I束流為70mA，束流預(yù)熱5min關(guān)閉電子槍I束流；控制石墨加熱器5的功率為5kff,保持硅料溫度為1420°C。降低石墨加熱器5功率，保持硅料處于液態(tài)。
[0036](5)電子束熔煉除氧:打開保溫蓋3后，同時(shí)開啟電子槍I高壓和束流，穩(wěn)定后轟擊多晶硅料，增大電子槍I束流到200mA，電子槍I轟擊硅料15min。
[0037](6)初步鑄淀長晶:關(guān)閉電子槍1，關(guān)閉保溫蓋3,調(diào)節(jié)石墨加熱器5,使娃晶體的生長速度為1.2cm/ho
[0038](7)冷卻取料:硅晶體生長結(jié)束后，關(guān)閉真空泵組，打開放氣閥9，取出硅料。用二次離子質(zhì)譜儀檢測取出的鑄錠中氧含量為0.057Ippmw以下。
[0039]實(shí)施例3:
[0040]采用實(shí)施例1中的裝置進(jìn)行電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅:
[0041](I)裝料:將500kg氧含量為0.006%的多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝6內(nèi)，關(guān)閉真空裝置蓋3。
[0042](2)抽真空:開啟設(shè)備冷卻循環(huán)水裝置，給設(shè)備通冷卻循環(huán)水；對水冷銅底座7通入冷卻循環(huán)水。開啟爐體2真空泵，首先利用真空泵組中的機(jī)械泵及羅茨泵將爐體2真空度抽到4X 10_2Pa，電子槍I真空度抽到4X 10_3Pa，關(guān)閉真空泵組。
[0043](3)熔化:調(diào)節(jié)石墨加熱器5功率為25kW，使硅料溫度到達(dá)1550°C，使硅料全部熔化。
[0044](4)電子槍預(yù)熱并保溫:電子槍I設(shè)置聞壓為35kW,聞壓預(yù)熱IOmin后，關(guān)閉聞壓，設(shè)置電子槍I束流為200mA，束流預(yù)熱IOmin關(guān)閉電子槍I束流；控制石墨加熱器5的功率為10kW，保持硅料溫度為1430°C。降低石墨加熱器5功率，保持硅料處于液態(tài)。
[0045](5)電子束熔煉除氧:打開保溫蓋3后，同時(shí)開啟電子槍I高壓和束流，穩(wěn)定后轟擊多晶硅料，增大電子槍I束流到1200mA，電子槍I轟擊硅料5min。
[0046](6)初步鑄淀長晶:關(guān)閉電子槍1，關(guān)閉保溫蓋3,調(diào)節(jié)石墨加熱器5,使娃晶體的生長速度為1.3cm/ho
[0047](7)冷卻取料:硅晶體生長結(jié)束后，關(guān)閉真空泵組，打開放氣閥9，取出硅料。用二次離子質(zhì)譜儀檢測取出的鑄錠中氧含量為0.057Ippmw以下。
[0048]實(shí)施例4:
[0049]采用實(shí)施例1中的裝置進(jìn)行電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅:
[0050](I)裝料:將500kg氧含量為0.0004%的多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝6內(nèi)，關(guān)閉真空裝置蓋3。
[0051](2)抽真空:開啟設(shè)備冷卻循環(huán)水裝置，給設(shè)備通冷卻循環(huán)水；對水冷銅底座7通入冷卻循環(huán)水。開啟爐體2真空泵，首先利用真空泵組中的機(jī)械泵及羅茨泵將爐體2真空度抽到3X 10_2Pa，電子槍I真空度抽到3X 10_3Pa，關(guān)閉真空泵組。
[0052](3)熔化:調(diào)節(jié)石墨加熱器5功率為20kW，使硅料溫度到達(dá)1500°C，使硅料全部熔化。
[0053](4)電子槍預(yù)熱并保溫:電子槍I設(shè)置聞壓為35kW,聞壓預(yù)熱IOmin后，關(guān)閉聞壓，設(shè)置電子槍I束流為100mA，束流預(yù)熱7min關(guān)閉電子槍I束流；控制石墨加熱器5的功率為10kW，保持硅料溫度為1430°C。降低石墨加熱器5功率，保持硅料處于液態(tài)。
[0054](5)電子束熔煉除氧:打開保溫蓋3后，同時(shí)開啟電子槍I高壓和束流，穩(wěn)定后轟擊多晶硅料，增大電子槍I束流到600mA，電子槍I轟擊硅料7min。
[0055](6)初步鑄淀長晶:關(guān)閉電子槍1，關(guān)閉保溫蓋3,調(diào)節(jié)石墨加熱器5,使娃晶體的生長速度為1.2cm/ho
[0056](7)冷卻取料:硅晶體生長結(jié)束后，關(guān)閉真空泵組，打開放氣閥9，取出硅料。用二次離子質(zhì)譜儀檢測取出的鑄錠中氧含量為0.057Ippmw以下。
[0057]綜上所述，該裝置將電子束熔煉除氧技術(shù)與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實(shí)現(xiàn)了在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩種生產(chǎn)工藝的目的，采用石墨加熱器來熔化多晶硅鑄錠尾料，節(jié)約原料成本。同時(shí)利用電子束照射硅熔體表面，強(qiáng)化表面揮發(fā)效應(yīng)，高效去除硅中的揮發(fā)性氧雜質(zhì)，雜質(zhì)氧的去除率可達(dá)到85?92%。然后進(jìn)行長晶，減少了破碎、清洗及烘干環(huán)節(jié)，節(jié)省相應(yīng)設(shè)備的投入及占地面積，大大減少了獨(dú)立生產(chǎn)時(shí)的能量消耗，與不進(jìn)行除氧技術(shù)的單晶硅相比，提高電池片的光電轉(zhuǎn)換效率0.1%以上，總能耗降低超過30%，生產(chǎn)效率能夠提高40%。
【權(quán)利要求】
1.一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置，爐體頂部通連安裝有電子槍，側(cè)部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，其特征在于爐體內(nèi)放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內(nèi)向外依次環(huán)繞有石墨加熱器和石墨碳?xì)?，石墨碳?xì)猪敳堪惭b有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設(shè)有孔，且石英坩堝底部安裝有水冷銅底座。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置，其特征在于所述孔的面積為石英坩堝底部面積的20?35%。
【文檔編號】C30B29/06GK203559160SQ201320747322
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】安廣野, 郭校亮, 王登科, 姜大川, 譚毅 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司