專利名稱：一種石英管取尾料式定向凝固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)明屬于冶金提純技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種尾料取出式定向凝固提純多晶硅的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
硅原料的提純是太陽能光伏產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)，光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展依賴于高效率、低成本的提純方法。定向凝固技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金屬提純的諸多領(lǐng)域，取得了顯著的成效。在對硅原料進(jìn)行提純的過程中，分凝系數(shù)遠(yuǎn)小于1的金屬雜質(zhì)在定向凝固過程中會向液相中富集，最終被去除。這種方法是目前冶金法制備太陽能級多晶硅的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是去除多晶硅中金屬雜質(zhì)的最有效的方法。定向凝固的原理是采用強(qiáng)制的手段在熔體中形成特定方向的溫度梯度，硅熔體中溫度較低的部位成為形核源首先結(jié)晶成核，成為熔體凝固的起點(diǎn)并開始生長，由于單向溫度梯度的存在，熔體沿著與熱流相反的方向不斷生長，最終形成具有特定取向的柱狀晶。定向凝固提純是利用雜質(zhì)元素在熔體與固體中的溶解度不同，在凝固過程中分凝系數(shù)較小的雜質(zhì)元素在固液界面處前沿被排出進(jìn)入液相中，并在熔體中不斷富集，最后在鑄錠的尾部凝固，將鑄錠尾部雜質(zhì)濃度較高的區(qū)域切除，即可獲得低金屬含量的鑄錠，進(jìn)而達(dá)到提純的目的。然而，在凝固末期，隨著雜質(zhì)的不斷富集以及熔體體積的不斷減小，雜質(zhì)的濃度會越來越高，高濃度的雜質(zhì)被保留在最后凝固的區(qū)域中。在隨后緩慢降溫過程中，高濃度區(qū)域的雜質(zhì)會向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，使得硅純度隨著保溫時(shí)間的延長反而逐漸降低，這影響了提純效果，且在這種情況下，需要被切除的尾部廢料高達(dá)259^35%，成品率僅為65-75%。同時(shí)，由于硅的硬度比較大，需要大功率切割設(shè)備才能將提純的硅錠和尾部雜質(zhì)含量高的鑄錠尾料分離出來，目前一般使用線切割和金剛石鋸帶切割的方法進(jìn)行切割，但是切割設(shè)備成本高，鋸帶消耗大，不利于工業(yè)化生產(chǎn)成本的降低，目前，國內(nèi)鮮見富有成效的方法來方便尾料的去除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為克服以上不足，提出了一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，在凝固末期，將尖嘴石英管伸入熔體之中，之后向真空腔室內(nèi)通入氬氣，上層未凝固的雜質(zhì)含量高的硅熔體在壓力差的作用下進(jìn)入石英管中，在凝固結(jié)束階段實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)富集區(qū)與已凝固的高純硅鑄錠的直接分離，抑制了雜質(zhì)的反擴(kuò)散，提高了多晶硅的純度和鑄錠的出成率，減少了工藝環(huán)節(jié)，另外還提出了該方法所采用的設(shè)備，該設(shè)備簡單，操作簡便，成本較低，且利于雜質(zhì)含量高的尾料得到方便快捷地去除。為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，其特征是在惰性氣體保護(hù)環(huán)境中，將洗凈的硅料加熱至完全熔化形成硅熔體，保溫；之后降溫、垂直向下拉錠，進(jìn)行定向凝固；待凝固完成85、0%時(shí)，停止拉錠，將石英管伸入上層未凝固的剩余硅熔體中，向真空腔室內(nèi)通入惰性氣體，使上層未凝固的剩余硅熔體在壓力差作用下進(jìn)入石英管中，待上層未凝固的剩余硅熔體全部壓入石英管后，繼續(xù)向下拉錠，待坩堝上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱伸至石英管正下方；切斷電源，停止加熱，石英管中的硅熔體凝固膨脹，石英管脹裂后隨尾料下落至尾料收集箱中，坩堝中凝固得到的鑄錠即為高純硅鑄錠。所采用方法的具體步驟如下
第一步前處理向坩堝中添加坩堝體積90、5%洗凈的硅料，關(guān)閉通氣管路，開啟真空泵組，先將真空腔室內(nèi)的真空度抽到O. Ol-lOPa，之后關(guān)閉真空泵組，開啟通氣管路，向真空腔室內(nèi)充入惰性氣體，至壓強(qiáng)達(dá)到10(T4000Pa，關(guān)閉通氣管路；
第二步熔煉、凝固開啟電源，利用感應(yīng)線圈和石墨發(fā)熱體將坩堝中的硅料加熱到145(Tl650°C至完全熔化成硅熔體，并在此溫度下保溫3(T60min，垂直向下拉動水冷盤，使坩堝中的硅熔體以O(shè). l-2mm/min的速度垂直向下勻速運(yùn)動，進(jìn)行拉錠，硅熔體由坩堝底部向頂部進(jìn)行定向凝固，當(dāng)硅熔體凝固到85、0%時(shí)，停止拉錠，將石英管伸入到上層未凝固的剩余硅熔體中，打開通氣管路，惰性氣體以O(shè). f3L/min的流量勻速向真空腔室內(nèi)填充 至壓強(qiáng)達(dá)到600(T50000Pa，上層未凝固的剩余硅熔體在石英管內(nèi)外壓力差的作用下壓入石英管中，直至熔體完全進(jìn)入石英管中，以O(shè). l-2mm/min的速度繼續(xù)向下拉錠，待坩堝上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱水平伸至石英管正下方，將石英管下端降至距尾料收集箱5 15cm ；
第三步后處理切斷電源，停止加熱，石英管中的硅熔體冷卻凝固并膨脹，將石英管脹裂后下落至尾料收集箱中，富含雜質(zhì)的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩堝中凝固得到的鑄錠為高純硅鑄錠，其純度將達(dá)到99. 99%-99. 999%，成品率達(dá)到85_95%。所述硅料為工業(yè)硅，其純度為99. 59Γ99. 9%。
所述惰性氣體為高純氬氣或高純氦氣，其純度為99. 9%以上。一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，由真空腔室構(gòu)成外壁，外壁上安裝有真空管路，真空管路一端與真空泵組相連，其特征是外壁上固定安裝有通氣管路，且活動安裝有尾料收集箱，水冷盤活動安裝于真空腔室底部，石墨板置于水冷盤頂端，石墨板上開有孔，石墨支柱一端通過孔與石墨板嵌套連接，另一端與石墨托盤嵌套連接，坩堝置于石墨托盤之上，石墨發(fā)熱體套于坩堝外圍且固定于真空腔室側(cè)壁，碳?xì)直赝疤子谑l(fā)熱體之外且固定于真空腔室側(cè)壁，碳?xì)直厣w上開有孔，置于碳?xì)直赝绊敹?，感?yīng)線圈套于碳?xì)直赝爸?，且固定于真空腔室?cè)壁之上，石英管活動安裝于真空腔室頂端，且其下端穿過碳?xì)直厣w置于坩堝正上方中心位置，石英管上端封閉，下端開口。所述石墨板上的孔至少3個(gè)。所述石墨托盤上開有卡槽。所述石英管與真空腔室之間真空密封活動連接。所述石英管為尖嘴石英管，其下端管口為尖嘴錐形，上端為圓柱形，整體呈上端封閉的漏斗形狀。本發(fā)明方法的顯著效果是當(dāng)熔體凝固到雜質(zhì)相對集中的硅錠頂部時(shí)，利用壓力差將雜質(zhì)含量高的尾料收集到石英管中，尾料凝固后脹裂石英管下落至尾料收集箱之中收集，減少了雜質(zhì)的反擴(kuò)散，提高了鑄錠的出成率，出成率達(dá)到85%-95%，減少了線切割和金剛石鋸帶切割的消耗，減少了工藝環(huán)節(jié)，降低了能耗。
本發(fā)明的設(shè)備是在原有定向凝固設(shè)備的基礎(chǔ)之上增加通氣管道、石英管和尾料收集箱，設(shè)備改造安裝方便，操作簡單，能有效去除鑄錠尾部富集的雜質(zhì)，節(jié)約了生產(chǎn)周期和成本,適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。


圖I 一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備示意圖
圖中(1)石英管，(2)真空腔室，(3)碳?xì)直厣w，(4)碳?xì)直赝埃?5)感應(yīng)線圈，(6)石墨發(fā)熱體，(7)坩堝，(8)熔體，(9)石墨托盤，(10)石墨支柱，(11)石墨板，(12)水冷盤，
(13)通氣管路，(14)尾料收集箱，(15)真空泵組，(16)真空管路
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I
如圖I所示的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，由真空腔室2構(gòu)成外壁，外壁上安裝有真空管路16，真空管路16 —端與真空泵組15相連。外壁上固定安裝有通氣管路13，且活動安裝有尾料收集箱14，水冷盤12活動安裝于真空腔室2底部，石墨板11置于水冷盤頂端，石墨板11上開有孔，石墨支柱10 —端通過孔與石墨板11嵌套連接，另一端與石墨托盤9嵌套連接，坩堝7置于石墨托盤9之上，石墨發(fā)熱體6套于坩堝外圍且固定于真空腔室2側(cè)壁，碳?xì)直赝?套于石墨發(fā)熱體6之外且固定于真空腔室2側(cè)壁，碳?xì)直厣w3上開有孔，置于碳?xì)直赝?頂端，感應(yīng)線圈5套于碳?xì)直赝?之外，且固定于真空腔室2側(cè)壁之上，石英管I活動安裝于真空腔室2頂端，且其下端穿過碳?xì)直厣w3置于坩堝正上方中心位置，石英管上端封閉，下端開口。石墨板11上有4個(gè)孔，石墨托盤9上開有卡槽，利于石墨支柱與其的嵌套連接。石英管I與真空腔室2之間真空密封活動連接，石英管可以上下移動且保持密封的效果。石英管I為尖嘴石英管，其下端管口為尖嘴錐形，上端為圓柱形，整體呈上端封閉的漏斗形狀。實(shí)施例2
采用實(shí)施例I所述的設(shè)備來取尾料進(jìn)行定向凝固提純多晶硅，首先向坩堝7中添加坩堝體積90%洗凈的純度為99. 5%硅料，關(guān)閉通氣管路13，開啟真空泵組15，將真空腔室2內(nèi)的真空度抽到10Pa，關(guān)閉真空泵組15，開啟通氣管路，向真空腔室2中充入99. 92%氬氣，至壓強(qiáng)達(dá)到lOOPa，關(guān)閉通氣管路；
第二步熔煉、凝固開啟電源，利用感應(yīng)線圈5和石墨發(fā)熱體6將坩堝7中的硅料加熱到1450°C至完全熔化成硅熔體，并在此溫度下保溫30min，垂直向下拉動水冷盤12，使坩堝7中的娃熔體以2mm/min的速度垂直向下勻速運(yùn)動,進(jìn)行拉錠,娃熔體由i甘禍7底部向頂部進(jìn)行定向凝固，當(dāng)硅熔體凝固到85%時(shí)，停止拉錠，將石英管I伸入到上層未凝固的剩余硅熔體中，打開通氣管路13，純度為99. 92%的氬氣以0. lL/min的流量勻速向真空腔室2內(nèi)填充至6000Pa，未凝固的上層剩余硅熔體在石英管內(nèi)外壓力的作用下壓入石英管I中，直至熔體完全進(jìn)入石英管I之中，以2mm/min的速度繼續(xù)向下拉錠，待坩堝7上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱14水平伸入石英管正下方，將石英管I下端降至距尾料收集箱IOcm處；第三步后處理切斷電源，停止加熱，石英管I中的硅熔體冷卻凝固并膨脹，將石英管脹裂后下落至尾料收集箱14中，富含雜質(zhì)的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩堝中凝固得到的鑄錠為高純硅鑄錠，其純度將達(dá)到99. 99%，成品率達(dá)到85%。實(shí)施例3
采用實(shí)施例I所述的設(shè)備來取尾料進(jìn)行定向凝固提純多晶硅，首先向坩堝7中添加坩堝體積93%洗凈的純度為99. 7%硅料，關(guān)閉通氣管路13，開啟真空泵組15，將真空腔室2內(nèi)的真空度抽到2Pa，關(guān)閉真空泵組15，開啟通氣管路，向真空腔室2中充入純度為99. 94%氬氣，至壓強(qiáng)達(dá)到2000Pa，關(guān)閉通氣管路；
第二步熔煉、凝固開啟電源，利用感應(yīng)線圈5和石墨發(fā)熱體6將坩堝7中的硅料加熱到1550°C至完全熔化成硅熔體，并在此溫度下保溫45min，垂直向下拉動水冷盤12，使坩堝7中的娃熔體以O(shè). 8mm/min的速度垂直向下勻速運(yùn)動,進(jìn)行拉錠,娃熔體由i甘禍7底部向頂部進(jìn)行定向凝固，當(dāng)硅熔體凝固到87%時(shí)，停止拉錠，將石英管I伸入到上層未凝固的剩余硅熔體中，打開通氣管路13，純度為99. 94%的氬氣以I. 5L/min的流量勻速向真空腔室2內(nèi)填充至25000Pa，未凝固的上層剩余硅熔體在石英管內(nèi)外壓力的作用下壓入石英管I中，直至熔體完全進(jìn)入石英管I之中，以O(shè). 8mm/min的速度繼續(xù)向下拉錠，待坩堝7上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱14水平伸入尖嘴石英管正下方，將石英管I下端降至距尾料收集箱15cm 處；
第三步后處理切斷電源，停止加熱，石英管I中的硅熔體冷卻凝固并膨脹，將石英管脹裂后下落至尾料收集箱14中，富含雜質(zhì)的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩堝中凝固得到的鑄錠為高純硅鑄錠，其純度將達(dá)到99. 994%，成品率達(dá)到90%。實(shí)施例4
采用實(shí)施例I所述的設(shè)備來取尾料進(jìn)行定向凝固提純多晶硅，首先向坩堝7中添加坩堝體積95%洗凈的純度為99. 9%硅料，關(guān)閉通氣管路13，開啟真空泵組15，將真空腔室2內(nèi) 的真空度抽到O. OlPa,關(guān)閉真空泵組15，開啟通氣管路，向真空腔室2中充入純度為99. 93%的氦氣，至壓強(qiáng)達(dá)到4000Pa，關(guān)閉通氣管路；
第二步熔煉、凝固開啟電源，利用感應(yīng)線圈5和石墨發(fā)熱體6將坩堝7中的硅料加熱到1650°C至完全熔化成硅熔體，并在此溫度下保溫60min，垂直向下拉動水冷盤12，使坩堝7中的娃熔體以O(shè). lmm/min的速度垂直向下勻速運(yùn)動,進(jìn)行拉錠,娃熔體由i甘禍7底部向頂部進(jìn)行定向凝固，當(dāng)硅熔體凝固到90%時(shí)，停止拉錠，將石英管I伸入到上層未凝固的剩余硅熔體中，打開通氣管路13，純度為99. 93%的氦氣以3L/min的流量勻速向真空腔室2內(nèi)填充50000Pa，未凝固的上層剩余硅熔體在石英管內(nèi)外壓力的作用下壓入石英管I中，直至熔體完全進(jìn)入石英管I之中，以O(shè). lmm/min的速度繼續(xù)向下拉錠，待坩堝7上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱14水平伸入石英管正下方，將石英管I下端降至距尾料收集箱5cm處；第三步后處理切斷電源，停止加熱，石英管I中的硅熔體冷卻凝固并膨脹，將石英管脹裂后下落至尾料收集箱14中，富含雜質(zhì)的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩堝中凝固得到的鑄錠為高純硅鑄錠，其純度將達(dá)到99. 999%，成品率達(dá)到95%。
權(quán)利要求
1.一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，其特征是在惰性氣體保護(hù)環(huán)境中，將洗凈的硅料加熱至完全熔化形成硅熔體后保溫；之后降溫、垂直向下拉錠，進(jìn)行定向凝固；待凝固完成85、0%時(shí)，停止拉錠，將石英管伸入上層未凝固的剩余硅熔體中，向真空腔室內(nèi)通入惰性氣體，使上層未凝固的剩余硅熔體在壓力差作用下進(jìn)入石英管中，待上層未凝固的剩余硅熔體全部壓入石英管后，繼續(xù)向下拉錠，待坩堝上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱伸至石英管正下方；切斷電源，停止加熱，石英管中的硅熔體凝固膨脹，石英管脹裂后隨尾料下落至尾料收集箱中，坩堝中凝固得到的鑄錠即為高純硅鑄錠。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，其特征是所采用方法的具體步驟如下 第一步前處理向坩堝(7)中添加坩堝體積90、5%洗凈的硅料，關(guān)閉通氣管路(13)，開啟真空泵組(15)，先將真空腔室(2)內(nèi)的真空度抽到0.01-10Pa，之后關(guān)閉真空泵組，開啟通氣管路(13)，向真空腔室(2)內(nèi)充入惰性氣體，至壓強(qiáng)達(dá)到10(T4000Pa，關(guān)閉通氣管路(13)； 第二步熔煉、凝固開啟電源，利用感應(yīng)線圈(5)和石墨發(fā)熱體(6 )將坩堝(7)中的硅料加熱到145(Tl650°C至完全熔化成硅熔體，并在此溫度下保溫3(T60min，垂直向下拉動水冷盤(12)，使坩堝(7)中的硅熔體以0. l-2mm/min的速度垂直向下勻速運(yùn)動，進(jìn)行拉錠，硅熔體由坩堝(7)底部向頂部進(jìn)行定向凝固，當(dāng)硅熔體凝固到85、0%時(shí)，停止拉錠，將石英管(I)伸入到上層未凝固的剩余硅熔體中，打開通氣管路(13)，惰性氣體以0. f3L/min的流量勻速向真空腔室(2)內(nèi)填充至壓強(qiáng)達(dá)到600(T50000Pa，上層未凝固的剩余硅熔體在石英管內(nèi)外壓力差的作用下壓入石英管(I)中，直至熔體完全進(jìn)入石英管(I)中，以0. l-2mm/min的速度繼續(xù)向下拉錠，待坩堝(7)上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱(14)水平伸至石英管正下方，將石英管(I)下端降至距尾料收集箱5 15cm ； 第三步后處理切斷電源，停止加熱，石英管(I)中的硅熔體冷卻凝固并膨脹，將石英管脹裂后下落至尾料收集箱(14)中，富含雜質(zhì)的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩堝中凝固得到的鑄錠為高純硅鑄錠，其純度將達(dá)到99. 99%-99. 999%，成品率達(dá)到85_95%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2任一所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，其特征是所述硅料為工業(yè)硅，其純度為99. 59T99. 9%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2任一所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法，其特征是所述惰性氣體為高純氬氣或高純氦氣，其純度為99. 9%以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，由真空腔室(2)構(gòu)成外壁，外壁上安裝有真空管路(16)，真空管路(16)—端與真空泵組(15)相連，其特征是外壁上固定安裝有通氣管路(13)，且活動安裝有尾料收集箱(14)，水冷盤(12 )活動安裝于真空腔室(2 )底部，石墨板(11)置于水冷盤頂端，石墨板(11)上開有孔，石墨支柱(10 ) —端通過孔與石墨板(11)嵌套連接,另一端與石墨托盤(9 )嵌套連接，坩堝(7)置于石墨托盤(9)之上，石墨發(fā)熱體(6)套于坩堝外圍且固定于真空腔室(2)側(cè)壁，碳?xì)直赝?4)套于石墨發(fā)熱體(6)之外且固定于真空腔室(2)側(cè)壁，碳?xì)直厣w(3)上開有孔，置于碳?xì)直赝?4)頂端，感應(yīng)線圈(5)套于碳?xì)直赝?4)之外，且固定于真空腔室(2)側(cè)壁之上，石英管(I)活動安裝于真空腔室(2)頂端，且其下端穿過碳?xì)直厣w(3)置于坩堝正上方中心位置，石英管上端封閉，下端開口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，其特征是所述石墨板(11)上的孔至少3個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，其特征是所述石墨托盤(9)上開有卡槽。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，其特征是所述石英管(I)與真空腔室(2)之間真空密封活動連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或8任一所述的一種石英管取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法所采用的設(shè)備，其特征是所述石英管(I)為尖嘴石英管，其下端管口為尖嘴錐形，上端為圓柱形，整體呈上端封閉的漏斗形狀。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金提純技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種取尾料式定向凝固提純多晶硅的方法及設(shè)備。該方法是在惰性氣體環(huán)境中，將硅料熔化形成硅熔體；之后降溫、拉錠，待凝固完成85~90%時(shí)，將石英管伸入剩余的硅熔體中，停止抽真空，通入惰性氣體，剩余硅熔體在壓力差作用下進(jìn)入石英管中，繼續(xù)向下拉錠，坩堝上端離開加熱區(qū)后，將尾料收集箱伸入到尖嘴石英管正下方；切斷電源，停止加熱，石英管中的硅熔體膨脹，石英管脹裂后下落至尾料收集箱，坩堝中的為高純硅鑄錠。本發(fā)明防止了雜質(zhì)反擴(kuò)散，減少了工藝，提高了鑄錠的出成率，該發(fā)明設(shè)備改造安裝方便，操作簡單，能有效去除鑄錠尾部富集的雜質(zhì)，節(jié)約了生產(chǎn)周期和成本，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C01B33/037GK102976332SQ20121053697
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者譚毅, 安廣野, 顧正, 張曉峰 申請人:青島隆盛晶硅科技有限公司