專利名稱：一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法及設(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，特別涉及一種高純硅襯底作用下進(jìn)行電子束熔煉提純多晶硅，去除多晶硅中的雜質(zhì)磷的方法；另外本發(fā)明還涉及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能電池可以將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，在常規(guī)能源緊缺的今天，太陽(yáng)能具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。太陽(yáng)能級(jí)多晶硅材料是制備太陽(yáng)能電池片的重要原材料之一。目前，世界范圍內(nèi)制備太陽(yáng)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(jí)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(guó)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(fèi)?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的第三代改良西門子工藝實(shí)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(wú)法在Si的生產(chǎn)上形成連續(xù)作業(yè)。(2)硅烷法是以氟硅酸(&SiF6)、鈉、鋁、氫氣為主要原材料制取硅烷(SiH4),然后通過(guò)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(wú)明顯優(yōu)勢(shì)。(3)流態(tài)化床法是以SiCl4 (或SiF4)和冶金級(jí)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。(4)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(yáng)能級(jí)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(guó)、挪威等多個(gè)國(guó)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)。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(yáng)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(diǎn)，是各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的重點(diǎn)。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，但是目前電子束熔煉提純多晶硅過(guò)程中，熔煉坩堝一般直接使用水冷坩堝，直接使用水冷坩堝不僅能量損失嚴(yán)重，能耗大，成本高，而且容易造成外來(lái)雜質(zhì)的污染，使得多晶硅的純度降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服上述不足問(wèn)題，提供一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，先利用電子束熔煉在水冷坩堝內(nèi)部形成一層高純硅襯底，然后在此高純硅襯底之上熔煉提純多晶硅，減少能耗，避免坩堝的污染，有效提高多晶硅的純度。本發(fā)明的另一目的是提供一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，提純效果好。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，具體工藝是
第一步備料及預(yù)處理首先在水冷坩堝中裝滿高純硅料，關(guān)閉爐門后，抽取真空室真空至0. 002Pa以下；
第二步形成高純硅襯底然后開(kāi)啟電子束束流為200-500mA完全熔化高純硅料，緩慢降低束流為零，即在水冷坩堝中形成高純多晶硅錠，調(diào)節(jié)電子束束斑位于水冷坩堝中心位置，此后開(kāi)啟電子束束流為150-300mA熔化高純多晶硅錠，2-5min后形成一層高純硅襯底； 第三步熔煉提純最后開(kāi)啟加料裝置，高磷硅料連續(xù)緩慢落入熔池中，此時(shí)加大束流至 300-700mA，同時(shí)調(diào)節(jié)電子束束斑位置，使其右側(cè)在熔池中熔煉，其左側(cè)用于熔化下落中和剛落入熔池的高磷硅料，高磷硅料熔化后形成高磷硅液，高磷硅液熔煉后雜質(zhì)磷得到去除， 此后從導(dǎo)流口流入坩堝之中，得到低磷硅液，凝固后得到低磷的多晶硅錠。所述第一步備料及預(yù)處理分別采用機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵對(duì)設(shè)備抽取真空，將真空室抽到高真空0. 002Pa以下；向水冷支撐桿、水冷坩堝及水冷支撐底座中通入冷卻水， 使其溫度維持在30-45°C ；給電子槍預(yù)熱，設(shè)置高壓為30-32kV，高壓穩(wěn)定5_10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為100-200mA進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍束流。所述高磷硅料為碎塊料或粉料。一種高純硅襯底下電子束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；水冷支撐桿固定安裝于真空爐壁底部左側(cè)，水冷坩堝固定安裝于水冷支撐桿之上，高純硅襯底置于水冷坩堝內(nèi)壁，加料裝置安裝于真空爐壁頂部左側(cè)，電子槍安裝于真空爐壁頂部，其下端正對(duì)水冷坩堝；水冷支撐底座固定安裝于真空爐壁底部右側(cè)，石墨塊固定安裝于水冷支撐底座之上，坩堝安裝于石墨塊之上，水冷坩堝導(dǎo)流口對(duì)準(zhǔn)坩堝。所述真空爐壁上分別安裝機(jī)械泵、羅茨泵、擴(kuò)散泵和放氣閥。本發(fā)明先利用電子束熔煉形成高純多晶硅襯底，然后在此襯底作用下小束流，連續(xù)熔煉高磷的多晶硅料，快速去除多晶硅中的雜質(zhì)磷。此方法中形成的高純多晶硅襯底將熔煉的硅熔體與水冷坩堝隔離開(kāi)來(lái)，取到了隔熱的作用，減少了水冷坩堝帶走的熱量，提高了熔體底部的溫度，加速了雜質(zhì)磷的擴(kuò)散揮發(fā)去除速率，并且高純硅襯底減少了水冷坩堝壁上雜質(zhì)對(duì)熔煉多晶硅的污染，提高多晶硅的純度。該方法提純效果好，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，降低外來(lái)污染，適合批量生產(chǎn)。本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)思獨(dú)特，在水冷坩堝上熔煉得到高純硅襯底，操作簡(jiǎn)單， 成本低，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)熔煉，生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。


附圖1為一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。圖中，1.電子槍，2.導(dǎo)流口，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.坩堝，10.低磷硅液，11.石墨塊，12.水冷支撐底座，13.真空爐壁， 14.水冷支撐桿，15.水冷坩堝，16.高純硅襯底，17.高磷硅液，18.高磷硅料，19.加料直ο
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)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
一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的設(shè)備，設(shè)備由爐門8及真空爐壁13構(gòu)成真空設(shè)備，真空設(shè)備的內(nèi)腔即為真空室7 ；水冷支撐底座12固定安裝于真空爐壁底部右側(cè)，石墨塊11固定安裝于水冷支撐底座之上，坩堝9安裝于石墨塊之上；水冷支撐桿14固定安裝于真空爐壁底部左側(cè)，水冷坩堝15固定安裝于水冷支撐桿14之上，高純硅襯底16置于水冷坩堝內(nèi)壁，加料裝置19安裝于真空爐壁頂部左側(cè)，電子槍1安裝于真空爐壁頂部，其下端正對(duì)水冷坩堝，機(jī)械泵6、羅茨泵5、擴(kuò)散泵4和放氣閥3分別安裝于真空爐壁2之上。實(shí)施例2
采用實(shí)施例1所述的設(shè)備進(jìn)行高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，其具體步驟如下
第一步備料及預(yù)處理首先在水冷坩堝15中裝滿雜質(zhì)總含量為3ppmw高純硅料，關(guān)閉爐門8后，分別采用機(jī)械泵6、羅茨泵5和擴(kuò)散泵4對(duì)設(shè)備抽取真空，將真空室7抽到高真空 0. 0018 ；向水冷支撐桿14、水冷銅坩堝15及水冷支撐底座12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15分鐘后，關(guān)閉電子槍1束流；
第二步形成高純硅襯底然后開(kāi)啟電子束束流為300mA完全熔化高純硅料，此后緩慢降低束流為零，即在水冷坩堝中形成高純多晶硅錠，調(diào)節(jié)電子束束斑使其位于水冷坩堝中心位置，此后開(kāi)啟電子束束流為200mA熔化高純多晶硅錠，5min后形成一層高純硅襯底 16 ；
第三步熔煉提純最后開(kāi)啟加料裝置，磷含量為17ppmw高磷硅料18連續(xù)緩慢落入熔池中，此時(shí)加大束流至400mA，同時(shí)調(diào)節(jié)電子束束斑位置，使其右側(cè)在熔池中熔煉，其左側(cè)用于熔化下落中和剛落入熔池的高磷硅料18，高磷硅料熔化后形成高磷硅液，高磷硅液熔煉后雜質(zhì)磷得到去除，此后從導(dǎo)流口流入坩堝之中，得到低磷硅液，凝固后得到低磷的多晶硅
Iio經(jīng)ELAN DRC-II型電感耦合等離子質(zhì)譜儀設(shè)備(ICP—MS)檢測(cè)，其磷含量低于 0. 4ppmw,滿足了太陽(yáng)能級(jí)硅材料的使用要求。實(shí)施例3
采用實(shí)施例1所述的設(shè)備進(jìn)行高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，其具體步驟如下
第一步備料及預(yù)處理首先在水冷坩堝15中裝滿雜質(zhì)總含量為2ppmw高純硅料，關(guān)閉爐門8后，分別采用機(jī)械泵6、羅茨泵5和擴(kuò)散泵4對(duì)設(shè)備抽取真空，將真空室7抽到高真空 0. 0015Pa ；向水冷支撐桿14、水冷銅坩堝15及水冷支撐底座12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IOOmA進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱15分鐘后，關(guān)閉電子槍1束流；
第二步形成高純硅襯底然后開(kāi)啟電子束束流為400mA完全熔化高純硅料，此后緩慢降低束流為零，即在水冷坩堝中形成高純多晶硅錠，調(diào)節(jié)電子束束斑使其位于水冷坩堝中心位置，此后開(kāi)啟電子束束流為300mA熔化高純多晶硅錠，3min后形成一層高純硅襯底 16 ；
第三步熔煉提純最后開(kāi)啟加料裝置，磷含量為15ppmw高磷硅料18連續(xù)緩慢落入熔池中，此時(shí)加大束流至500mA，同時(shí)調(diào)節(jié)電子束束斑位置，使其右側(cè)在熔池中熔煉，其左側(cè)用于熔化下落中和剛落入熔池的高磷硅料18，高磷硅料熔化后形成高磷硅液，高磷硅液熔煉后雜質(zhì)磷得到去除，此后從導(dǎo)流口流入坩堝之中，得到低磷硅液，凝固后得到低磷的多晶硅
Iio 經(jīng)ELAN DRC-II型電感耦合等離子質(zhì)譜儀設(shè)備(ICP—MS)檢測(cè)，其磷含量低于 0. 3ppmw,滿足了太陽(yáng)能級(jí)硅材料的使用要求。
權(quán)利要求
1.一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，其特征是第一步備料及預(yù)處理首先在水冷坩堝中裝滿高純硅料，關(guān)閉爐門后，抽取真空室真空至0. 002Pa以下；第二步形成高純硅襯底然后開(kāi)啟電子束束流為200-500mA完全熔化高純硅料，緩慢降低束流為零，即在水冷坩堝中形成高純多晶硅錠，調(diào)節(jié)電子束束斑位于水冷坩堝中心位置，此后開(kāi)啟電子束束流為150-300mA熔化高純多晶硅錠，2-5min后形成一層高純硅襯底；第三步熔煉提純最后開(kāi)啟加料裝置，高磷硅料連續(xù)緩慢落入熔池中，此時(shí)加大束流至 300-700mA，同時(shí)調(diào)節(jié)電子束束斑位置，使其右側(cè)在熔池中熔煉，其左側(cè)用于熔化下落中和剛落入熔池的高磷硅料，高磷硅料熔化后形成高磷硅液，高磷硅液熔煉后雜質(zhì)磷得到去除， 此后從導(dǎo)流口流入坩堝之中，得到低磷硅液，凝固后得到低磷的多晶硅錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，其特征是所述第一步備料及預(yù)處理分別采用機(jī)械泵、羅茨泵和擴(kuò)散泵對(duì)設(shè)備抽取真空，將真空室抽到高真空0. 002Pa以下；向水冷支撐桿、水冷坩堝及水冷支撐底座中通入冷卻水，使其溫度維持在30-45°C ；給電子槍預(yù)熱，設(shè)置高壓為30-32kV，高壓穩(wěn)定5_10分鐘后，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍束流為100-200mA進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱10-15分鐘后，關(guān)閉電子槍束流。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，其特征是所述高磷硅料為碎塊料或粉料。
4.一種高純硅襯底下電子束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(13)構(gòu)成真空設(shè)備，真空設(shè)備的內(nèi)腔即為真空室(7);水冷支撐桿(14)固定安裝于真空爐壁底部左側(cè)，水冷坩堝(15)固定安裝于水冷支撐桿之上，高純硅襯底(16)置于水冷坩堝內(nèi)壁，加料裝置(19)安裝于真空爐壁頂部左側(cè)，電子槍(1)安裝于真空爐壁頂部，其下端正對(duì)水冷坩堝；水冷支撐底座(12)固定安裝于真空爐壁底部右側(cè)，石墨塊(11)固定安裝于水冷支撐底座之上，坩堝(9)安裝于石墨塊之上；水冷坩堝導(dǎo)流口對(duì)準(zhǔn)坩堝。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的設(shè)備，其特征是 真空爐壁(2)之上分別安裝機(jī)械泵(6)、羅茨泵(5)、擴(kuò)散泵(4)和放氣閥(3)。
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。一種高純硅襯底下電子束熔煉提純多晶硅的方法，第一步備料及預(yù)處理；第二步形成高純硅襯底然后開(kāi)啟電子束束流為200-500mA完全熔化高純硅料，緩慢降低束流為零，即在水冷坩堝中形成高純多晶硅錠，調(diào)節(jié)電子束束流為150-300mA熔化高純多晶硅錠，2-5min后形成一層高純硅襯底；第三步熔煉提純高磷硅料連續(xù)緩慢落入熔池中，加大束流至300-700mA，高磷硅料熔化后形成高磷硅液，雜質(zhì)磷得到去除后從導(dǎo)流口流入坩堝之中，得到低磷硅液，凝固后得到低磷的多晶硅錠。本發(fā)明方法提純效果好，工藝簡(jiǎn)單，節(jié)約能源，降低污染，適合批量生產(chǎn)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)思獨(dú)特，操作簡(jiǎn)單，成本低，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)熔煉。
文檔編號(hào)C01B33/037GK102408112SQ20111022076
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者劉應(yīng)寬, 劉振遠(yuǎn), 姜大川, 李佳艷, 盛之林, 石爽, 董偉, 譚毅 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué), 寧夏寧電光伏材料有限公司