專利名稱：一種電子束高效提純多晶硅粉體的方法及設(shè)備的制作方法
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，特別涉及去除多晶硅中的磷 和金屬雜質(zhì)的方法，另外還涉及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
在能源緊缺、倡導(dǎo)低碳環(huán)保的社會(huì)，太陽能作為一種環(huán)保新能源，具有重大的應(yīng)用 價(jià)值。太陽能電池可以將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，而太陽能級(jí)多晶硅材料又是太陽能電池的重 要原料。因此，太陽能級(jí)多晶硅材料的制備技術(shù)尤其重要。目前，世界范圍內(nèi)制備太陽能級(jí) 多晶硅材料的主要技術(shù)路線有改良西門子法，硅烷法，冶金法。其中改良西門子法的原理 就是在1100°c左右的高純硅芯上用高純氫還原高純?nèi)葰涔?，生成多晶硅沉積在硅芯上。 但是改良西門子法能耗高、污染嚴(yán)重，屬于歐美淘汰的舊技術(shù)。硅烷法就是硅烷(SiH4)熱分 解制備多晶硅的方法，但是該工藝生產(chǎn)操作時(shí)危險(xiǎn)性大(硅烷易燃易爆)、綜合生產(chǎn)成本較 高。冶金法主要包括電子束熔煉法、等離子束熔煉法、定向凝固法、造渣法、電解法、碳熱還 原法等。冶金法與改良西門子法相比具有能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)。冶金法已經(jīng)成為世界各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的熱點(diǎn)。有的采用電子束熔煉通過表面蒸發(fā)去 除飽和蒸汽壓較高的雜質(zhì)磷、鋁等，有的采用定向凝固利用分凝系數(shù)去除雜質(zhì)金屬等。已知 專利和文獻(xiàn)中尚沒有用電子束熔煉粉體硅料去除多晶硅中磷和定向凝固法去除雜質(zhì)金屬 的提純方法。已知申請(qǐng)?zhí)枮?00810011631. 8的發(fā)明專利，利用感應(yīng)加熱和電子束達(dá)到去除 多晶硅中磷和金屬雜質(zhì)的目的，但該方法的缺點(diǎn)使用的是塊體硅料熔煉提純，雜質(zhì)分布與 粉體硅料相比相對(duì)不均勻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述不足問題，提供一種電子束高效提純多晶硅粉體的方 法，結(jié)合利用電子束熔煉粉體硅料和定向凝固技術(shù)，同時(shí)去除雜質(zhì)磷和金屬雜質(zhì)，達(dá)到太陽 能級(jí)多晶硅材料的使用要求。本發(fā)明的另一目的是提供一種電子束高效提純多晶硅粉體的 設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作，提純精度高。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種電子束高效提純多晶硅粉體的 方法，載體高純硅料在電子束加熱下形成高純硅熔池，然后連續(xù)加入需提純硅粉，電子束熔 煉硅粉，快速去除硅粉中的雜質(zhì)磷，低磷硅液溢出流入拉錠機(jī)構(gòu)進(jìn)行拉錠，實(shí)現(xiàn)定向凝固效 果，其步驟如下
第一步備料將低磷、低金屬的高純硅料放入底部帶冷卻的熔煉坩堝中，向裝粉桶中加 入需提純的高磷、高金屬硅粉，關(guān)閉裝粉蓋，關(guān)閉真空蓋；
第二步預(yù)處理對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，同時(shí)使用真空設(shè)備將真空室抽到高真空 0. OOlPa以下；對(duì)底部帶冷卻的熔煉坩堝及拉錠機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻，溫度維持在25-45°C ；預(yù) 熱電子槍，設(shè)置高壓為28-30kw，高壓預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉高壓，電子槍束流設(shè)置為 100-200mA，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍束流；第三步提純打開電子槍的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍以200-300mA束流轟擊底部 帶冷卻的熔煉坩堝中的低磷、低金屬高純硅料，使低磷、低金屬高純硅料熔化形成低磷熔 池；形成低磷熔池后，增大電子槍束流到300-500mA，打開裝粉桶底部出料口，高磷、高金屬 硅粉落入底部帶冷卻的熔煉坩堝中，進(jìn)行熔煉，去除揮發(fā)性雜質(zhì)磷；熔煉一段時(shí)間后，底部 帶冷卻的熔煉坩堝中的低磷硅液溢出，流入拉錠機(jī)構(gòu)的石英坩堝中，加熱保溫維持液態(tài)，待 落粉結(jié)束1-2分鐘，通過水冷拉錠桿向下拉錠，低磷硅液以定向凝固方式凝固，金屬雜質(zhì)聚 集于硅錠上部；定向凝固結(jié)束后，關(guān)閉電子槍，繼續(xù)抽真空15-30分鐘，打開放氣閥放氣，打 開真空蓋，取出硅錠切去硅錠上部含金屬雜質(zhì)較多的部分即可。一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，設(shè)備中由真空蓋、爐壁和裝粉蓋組成真 空設(shè)備，真空設(shè)備內(nèi)腔是真空室；真空室內(nèi)上部裝有裝粉桶，裝粉桶頂部帶有裝粉蓋，裝粉 蓋位于真空爐壁上，裝粉桶底部帶有出料口，出料口裝配有外驅(qū)式擋粉板，裝粉桶出料口底 部裝有熔煉坩堝，熔煉坩堝底部通過支撐桿固定在真空室底部，熔煉坩堝出料口下方放置 拉錠機(jī)構(gòu)，電子槍安裝在真空室上部，電子束流對(duì)準(zhǔn)硅塊。所述真空設(shè)備安裝有抽真空裝置，抽真空裝置采用在爐壁側(cè)面安裝擴(kuò)散泵、羅茨 泵和機(jī)械泵，爐壁上還開設(shè)有放氣閥。所述拉錠機(jī)構(gòu)采用水冷拉錠桿安裝在真空爐壁的底部，水冷拉錠桿上部安裝有銅 板，銅板上安裝石墨底座，石墨底座上放置石英坩堝，水冷拉錠桿和銅板中開設(shè)有冷卻流 道，冷卻流道接通冷卻源。所述水冷拉錠桿外圍安裝支撐基座，石墨發(fā)熱體安裝在支撐基座上，在石墨發(fā)熱 體外圍安裝保溫護(hù)套。所述外驅(qū)式擋粉板為L(zhǎng)形擋粉板，擋粉板一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
安裝在真空爐壁外。本發(fā)明的顯著效果是同時(shí)使用電子束熔煉多晶硅粉體和定向凝固的方法，通過電 子束熔煉技術(shù)去除多晶硅中的雜質(zhì)磷，再通過定向凝固技術(shù)去除多晶硅中的分凝系數(shù)較小 雜質(zhì)金屬，提高多晶硅材料的純度，使其達(dá)到太陽能級(jí)多晶硅材料的使用要求，該工藝除 磷、除雜質(zhì)金屬效果好，方法簡(jiǎn)單，根據(jù)高能量密度的電子束熔煉多晶硅可去除飽和蒸汽壓 高的揮發(fā)性雜質(zhì)的原理，使用電子束轟擊高純硅塊形成穩(wěn)定熔池，加入粉體硅料后可快速 熔化并去除雜質(zhì)磷，除雜質(zhì)磷后的硅液直接轉(zhuǎn)入拉錠設(shè)備進(jìn)行定向凝固，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子束 熔煉硅粉除磷和定向凝固除金屬的雙重效果，達(dá)到高效熔煉硅粉，快速除去雜質(zhì)的目的。本發(fā)明設(shè)備簡(jiǎn)便、技術(shù)穩(wěn)定、能源消耗少、成本低、整個(gè)設(shè)備同時(shí)應(yīng)用電子束熔煉 硅粉和定向凝固技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)除磷和除金屬的雙重效果，適合批量生產(chǎn)硅材料。


附圖為一種電子束熔煉高效提純多晶硅粉體的方法采用設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中， 1.裝粉蓋，2.電子槍，3.真空室，4.爐壁，5.真空蓋，6.低磷硅液，7.石英坩堝，8.石 墨發(fā)熱體，9.保溫護(hù)套，10.低磷硅液，11.支撐基座，12.石墨底座，13.水冷銅板，14. 水冷拉錠桿，15.支撐桿，16.放氣閥，17.水冷銅坩堝，18.機(jī)械泵，19.羅茨泵，20.擴(kuò) 散泵，21.低磷熔池，22.擋粉板，23.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，24.高磷硅粉，25.裝粉桶。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實(shí)施例。實(shí)施例1
一種電子束高效提純多晶硅粉體的方法，載體高純硅料在電子束加熱下形成高純硅熔 池，然后連續(xù)加入需提純硅粉，電子束熔煉硅粉，快速去除硅粉中的雜質(zhì)磷，低磷硅液溢出 流入拉錠機(jī)構(gòu)進(jìn)行拉錠，實(shí)現(xiàn)定向凝固效果，其步驟如下
第一步備料將低磷、低金屬的高純硅料放入底部帶冷卻的熔煉坩堝中，打開裝粉蓋1 向裝粉桶25中加入需提純的高磷、高金屬硅粉M，關(guān)閉裝粉蓋1，關(guān)閉真空蓋5 ；
第二步預(yù)處理對(duì)真空室3進(jìn)行抽真空，同時(shí)使用真空設(shè)備將真空室3抽到高真空 0. OOlPa以下；對(duì)底部帶冷卻的熔煉坩堝17及拉錠機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻，溫度維持在25-45°C ；預(yù) 熱電子槍2，設(shè)置高壓為28-30kw，高壓預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉高壓，電子槍2束流設(shè)置為 100-200mA，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍2束流；
第三步提純打開電子槍2的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍2以200-300mA束流轟擊底 部帶冷卻的熔煉坩堝17中的低磷、低金屬高純硅料，使低磷、低金屬高純硅料熔化形成低 磷熔池21 ；形成低磷熔池21后，增大電子槍2束流到300-500mA，打開裝粉能底部出料口， 高磷、高金屬硅粉M落入底部帶冷卻的熔煉坩堝17中，進(jìn)行熔煉，去除揮發(fā)性雜質(zhì)磷；熔煉 一段時(shí)間后，底部帶冷卻的熔煉坩堝17中的低磷硅液溢出，流入拉錠機(jī)構(gòu)的石英坩堝7中， 加熱保溫維持液態(tài)，待落粉結(jié)束1-2分鐘，通過水冷拉錠桿14向下拉錠，低磷硅液10以定 向凝固方式凝固，金屬雜質(zhì)聚集于硅錠上部；定向凝固結(jié)束后，關(guān)閉電子槍2，繼續(xù)抽真空 15-30分鐘，打開放氣閥16放氣，打開真空蓋5，取出硅錠切去硅錠上部含金屬雜質(zhì)較多的 部分即可。實(shí)施例2
如圖1所述的一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，設(shè)備中由真空蓋5、爐壁4和 裝粉蓋1組成真空設(shè)備，真空設(shè)備內(nèi)腔是真空室3 ；真空室內(nèi)上部裝有裝粉桶，裝粉桶頂部 帶有裝粉蓋，裝粉蓋位于真空爐壁上，裝粉桶底部帶有出料口，出料口裝配有外驅(qū)式擋粉板 22，外驅(qū)式擋粉板22為L(zhǎng)形擋粉板，擋粉板一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23中，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23安 裝在真空爐壁外，裝粉桶出料口底部裝有熔煉坩堝，熔煉坩堝采用水冷銅坩堝17，熔煉坩堝 底部通過支撐桿15固定在真空室底部，熔煉坩堝出料口下方放置拉錠機(jī)構(gòu)，拉錠機(jī)構(gòu)采用 水冷拉錠桿15安裝在真空爐壁的底部，水冷拉錠桿15上部安裝有銅板13，銅板13上安裝 石墨底座12，石墨底座上放置石英坩堝7，水冷拉錠桿和銅板中開設(shè)有冷卻流道，冷卻流道 接通冷卻源，水冷拉錠桿14外圍安裝支撐基座11，石墨發(fā)熱體8安裝在支撐基座11上，在 石墨發(fā)熱體8外圍安裝保溫護(hù)套9。電子槍安裝在真空室上部，電子束流對(duì)準(zhǔn)硅錠；真空設(shè) 備安裝有抽真空裝置，抽真空裝置采用在爐壁4左側(cè)面安裝擴(kuò)散泵20、羅茨泵19和機(jī)械泵 18，爐壁上還開設(shè)有放氣閥16。實(shí)施例3
采用實(shí)施例2所述的設(shè)備進(jìn)行電子束高效提純多晶硅粉體，第一步備料將含磷量 0. 00004%、金屬總含量0. 000 的高純硅料放入水冷銅坩堝17中，低磷、低金屬的高純硅料 裝入量為水冷銅坩鍋17的四分之三高度位置，通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23將擋粉板22轉(zhuǎn)動(dòng)到裝粉桶 25底部位置，以堵住裝粉桶25底部落粉孔，打開裝粉蓋1向裝粉桶25中加入高磷、高金屬硅粉M，高磷、高金屬硅粉M裝入量為略低于裝粉桶25上邊緣位置，關(guān)閉裝粉蓋1，關(guān)閉真 空蓋5;
第二步預(yù)處理對(duì)真空室3進(jìn)行抽真空，同時(shí)使用機(jī)械泵18、羅茨泵19將真空室3抽 到低真空6Pa，再使用擴(kuò)散泵20將真空室3抽到高真空0. OOlPa ；通過水冷支撐桿15向水 冷銅坩堝17中通入冷卻水，通過水冷拉錠桿14向水冷銅板13中通入冷卻水，將水冷銅坩 堝和水冷銅板的溫度維持在44° ；預(yù)熱電子槍2，設(shè)置高壓為30kw，高壓預(yù)熱10分鐘后，關(guān) 閉高壓，電子槍2束流設(shè)置為200mA，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10分鐘后，關(guān)閉電子槍2束流；
第三步提純打開電子槍2的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍2以300mA束流轟擊水冷銅 坩堝17中的低磷、低金屬高純硅料，使低磷、低金屬高純硅料熔化形成低磷熔池21 ；形成低 磷熔池21后，增大電子槍2束流到500mA，通過轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)23旋轉(zhuǎn)擋粉板22，擋粉板22離開 裝粉桶25底部位置，使落料桶25中的高磷硅粉M落入水冷銅坩堝17中，進(jìn)行熔煉；熔煉 一段時(shí)間后，水冷銅坩堝17中的低磷硅液溢出，流入石英坩堝7中，通過石墨發(fā)熱體8對(duì)低 磷硅液進(jìn)行加熱保溫，維持液態(tài)，用保溫護(hù)套9使其保溫；待落粉結(jié)束2分鐘，通過水冷拉錠 桿14向下拉錠，低磷硅液10以定向凝固方式凝固；待定向凝固結(jié)束后，關(guān)閉電子槍2，繼續(xù) 抽真空10分鐘；關(guān)閉擴(kuò)散泵20，繼續(xù)抽真空10分鐘，再進(jìn)一步關(guān)閉羅茨泵19、機(jī)械泵18， 打開放氣閥16，放氣，打開真空蓋5，從石英坩堝7中取出硅錠，最后切除硅錠頂部含金屬雜 質(zhì)較多的部分，經(jīng)測(cè)量，所得硅錠含磷量低于0. 00004%、金屬雜質(zhì)總含量低于0. 0002%。
權(quán)利要求
1.一種電子束高效提純多晶硅粉體的方法，其特征是載體高純硅料在電子束加熱下 形成高純硅熔池，然后連續(xù)加入需提純硅粉，電子束熔煉硅粉，快速去除硅粉中的雜質(zhì)磷， 低磷硅液溢出流入拉錠機(jī)構(gòu)進(jìn)行拉錠，實(shí)現(xiàn)定向凝固效果，其步驟如下第一步備料將低磷、低金屬的高純硅料放入底部帶冷卻的熔煉坩堝中，向裝粉桶中加 入需提純的高磷、高金屬硅粉，關(guān)閉裝粉蓋，關(guān)閉真空蓋；第二步預(yù)處理對(duì)真空室進(jìn)行抽真空，同時(shí)使用真空設(shè)備將真空室抽到高真空 0. OOlPa以下；對(duì)底部帶冷卻的熔煉坩堝及拉錠機(jī)構(gòu)進(jìn)行冷卻，溫度維持在25-45°C ；預(yù) 熱電子槍，設(shè)置高壓為28-30kw，高壓預(yù)熱5-10分鐘后，關(guān)閉高壓，電子槍束流設(shè)置為 100-200mA，進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍束流；第三步提純打開電子槍的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍以200-300mA束流轟擊底部 帶冷卻的熔煉坩堝中的低磷、低金屬高純硅料，使低磷、低金屬高純硅料熔化形成低磷熔 池；形成低磷熔池后，增大電子槍束流到300-500mA，打開裝粉桶底部出料口，高磷、高金屬 硅粉落入底部帶冷卻的熔煉坩堝中，進(jìn)行熔煉，去除揮發(fā)性雜質(zhì)磷；熔煉一段時(shí)間后，底部 帶冷卻的熔煉坩堝中的低磷硅液溢出，流入拉錠機(jī)構(gòu)的石英坩堝中，加熱保溫維持液態(tài)，待 落粉結(jié)束1-2分鐘，通過水冷拉錠桿向下拉錠，低磷硅液以定向凝固方式凝固，金屬雜質(zhì)聚 集于硅錠上部；定向凝固結(jié)束后，關(guān)閉電子槍，繼續(xù)抽真空15-30分鐘，打開放氣閥放氣，打 開真空蓋，取出硅錠切去硅錠上部含金屬雜質(zhì)較多的部分即可。
2.一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，其特征是設(shè)備中由真空蓋(5)、爐壁(4) 和裝粉蓋(1)組成真空設(shè)備，真空設(shè)備內(nèi)腔是真空室(3 )；真空室內(nèi)上部裝有裝粉桶，裝粉桶 頂部帶有裝粉蓋，裝粉蓋位于真空爐壁上，裝粉桶底部帶有出料口，出料口裝配有外驅(qū)式擋 粉板，裝粉桶出料口底部裝有熔煉坩堝，熔煉坩堝底部通過支撐桿固定在真空室底部，熔煉 坩堝出料口下方放置拉錠機(jī)構(gòu)，電子槍安裝在真空室上部，電子束流對(duì)準(zhǔn)硅塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，其特征是所述 真空設(shè)備安裝有抽真空裝置，抽真空裝置采用在爐壁(4)左側(cè)面安裝擴(kuò)散泵(20)、羅茨泵 (19)和機(jī)械泵(18)，爐壁上還開設(shè)有放氣閥(16)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，其特征是拉錠機(jī) 構(gòu)采用水冷拉錠桿安裝在真空爐壁的底部，水冷拉錠桿上部安裝有銅板，銅板上安裝石墨 底座，石墨底座上放置石英坩堝，水冷拉錠桿和銅板中開設(shè)有冷卻流道，冷卻流道接通冷卻 源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，其特征是水冷拉 錠桿(14)外圍安裝支撐基座(11)，石墨發(fā)熱體(8)安裝在支撐基座(11)上，在石墨發(fā)熱體 (8)外圍安裝保溫護(hù)套(9)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2— 5任一所述的一種電子束高效提純多晶硅粉體的設(shè)備，其特征是 外驅(qū)式擋粉板為L(zhǎng)形擋粉板，擋粉板一端轉(zhuǎn)動(dòng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在真空爐 壁外。
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。一種電子束高效提純多晶硅粉體的方法，第一步備料將低磷、低金屬的高純硅料放入底部帶冷卻的熔煉坩堝中，向裝粉桶中加入需提純的高磷、高金屬硅粉；第二步預(yù)處理對(duì)真空室進(jìn)行抽真空；對(duì)熔煉坩堝及拉錠機(jī)構(gòu)冷卻至25-45℃；預(yù)熱電子槍；第三步提純打開電子槍進(jìn)行熔煉，去除揮發(fā)性雜質(zhì)磷；熔煉后的低磷硅液以定向凝固方式凝固，金屬雜質(zhì)聚集于硅錠上部；關(guān)閉電子槍，繼續(xù)抽真空15-30分鐘，打開放氣閥放氣，打開真空蓋，取出硅錠切去硅錠上部含金屬雜質(zhì)較多的部分即可。本發(fā)明同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子束熔煉硅粉除磷和定向凝固除金屬的雙重效果，達(dá)到高效熔煉硅粉，快速除去雜質(zhì)的目的。
文檔編號(hào)C01B33/037GK102126726SQ201110031568
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2011年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月29日
發(fā)明者姜大川, 戰(zhàn)麗姝, 譚毅 申請(qǐng)人:大連隆田科技有限公司