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域，特別涉及一種電子束熔煉除氧與長晶技術耦合制備多晶硅的裝置。包括爐體頂部通連安裝有電子槍，側部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環(huán)繞有石墨加熱器和石墨碳氈，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設有孔，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與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實現(xiàn)了在同一設備上實現(xiàn)兩種生產工藝的目的，同時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。然后進行長晶，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換效率0.1%，總能耗降低超過30%，生產效率能夠提高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
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于多晶硅鑄錠領域，特別涉及一種電子束熔煉除氧與長晶技術耦合制備多晶硅的裝置。
【背景技術】
[0002]冶金法制備太陽能級多晶硅技術作為發(fā)展低成本、環(huán)境友好的太陽能級多晶硅制備技術的必經(jīng)之路，目前已經(jīng)取得了長足發(fā)展，并實現(xiàn)了工業(yè)化生產。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)生化學反應的情況下，依次去除硅中的各種雜質元素(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，利用介質熔煉技術去除硅中的硼雜質，利用定向凝固去除硅中的金屬雜質，利用電子束熔煉技術去除硅中的磷雜質，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、金屬等雜質均可通過有效的工藝手段去除，達到了較理想的效果。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化效率與產生重要影響。但是，現(xiàn)有技術中，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進入到硅料中，是氧雜質產生的主要原因。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)進行檢測，兩種料中氧的含量相關不大。這也導致了冶金法工藝中引入的氧雜質未受到重視。
[0005]實際上，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，不能真實反映兩種硅料中的氧含量水平。經(jīng) 申請人:的實驗測試，替代位的氧會釋放電子，與硅中雜質磷產生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉化效率。 申請人:通過二次離子質譜儀多次檢測，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氧不能忽視，尤其在鑄錠工藝結束后，底料中氧含量為4?20ppmw，不符合生產要求，必需尋求有效的手段降低硅中雜質氧的含量。
[0007]對于氧雜質的去除方法，檢索到實用新型專利CN20081007092.5，一種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該實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產生局部高溫，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，危險性高，氧的去除效果不佳。
[0008]電子束熔煉技術，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。長晶技術作為制備最終滿足生產硅片要求的環(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，電子束熔煉技術與長晶技術為兩個獨立的環(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進行再次熔煉，進行長晶，得到滿足生產硅片要求的鑄錠。但在這個流程中，電子束熔煉技術及長晶技術均涉及到硅料的熔化及凝固過程，同時，電子束熔煉后的硅料，需要經(jīng)過噴砂、破碎、清洗、烘干后，才能進入長晶環(huán)節(jié)，增加了整體投資，且生產效率較低。
實用新型內容
[0009]本實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元素，大大降低生產過程中的總能耗。
[0010]本實用新型為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是: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，側部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環(huán)繞有石墨加熱器和石墨碳氈，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設有孔，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，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，關閉保溫蓋；
[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:調節(jié)石墨加熱器功率使硅料全部熔化；
[0016](4)電子槍預熱并保溫:設置高壓預熱，關閉高壓；設置電子槍束流預熱，關閉束流；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:關閉電子槍，關閉保溫蓋，調節(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:硅晶體生長結束后，關閉真空泵組，打開放氣閥，取出硅料。
[0020]在本實用新型中，采用的是石英坩堝，是為了與之后的鑄錠工藝相結合。傳統(tǒng)工藝使用的是水冷銅坩堝的，本實用新型中，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有孔，能夠散熱快，加快鑄錠長晶。
[0021]電子束熔煉結束關閉電子槍后，關閉保溫蓋，防止硅液在鑄錠凝固過程中產生的揮發(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閉，保溫效果更好。
[0022]將石英坩堝放入石墨加熱器內，石墨加熱器外加石墨碳氈，起到保溫作用。真空泵包括機械泵、羅茨泵、擴散泵和分子泵為真空領域常見設備，在本實用新型中統(tǒng)一配合使用，對爐體和電子槍進行抽真空處理；電子束照射石應坩堝內硅熔體表面，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，強化硅熔體擾動，增強氧揮發(fā)去除的表面效應，去除硅中的氧雜質。
[0023] 申請人:在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，在電子束熔煉過程后，去除磷雜質的同時，對氧雜質也是一種極大的去除。經(jīng)二次離子質譜儀檢測，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以下為質譜儀的檢測下限，由此我們可以認為，電子束熔煉除氧后，硅料中氧含量達到0.057Ippmw以下。
[0024]本實用新型優(yōu)點:該裝置將電子束熔煉除氧技術與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實現(xiàn)了在同一設備上實現(xiàn)兩種生產工藝的目的，采用石墨加熱器來熔化多晶硅鑄錠尾料，節(jié)約原料成本，同時利用電子束照射硅熔體表面，強化表面揮發(fā)效應，高效去除硅中的揮發(fā)性氧雜質，雜質氧的去除率可達到85?92%。然后進行長晶，減少了破碎、清洗及烘干環(huán)節(jié)，節(jié)省相應設備的投入及占地面積，大大減少了獨立生產時的能量消耗，與不進行除氧技術的單晶硅相比，提高電池片的光電轉換效率0.1%以上，總能耗降低超過30%，生產效率能夠提高40%。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型裝置示意圖。
[0026]圖中，1、電子槍，2、爐體，3、保溫蓋，4、石墨碳氈，5、石墨加熱器，6、石英坩堝，7、水冷銅底座，8、充氣閥，9、放氣閥。
【具體實施方式】
[0027]下面結合具體實施例及附圖詳細說明本實用新型，但本實用新型并不局限于具體實施例。
[0028]實施例1:
[0029]爐體2頂部通連安裝有電子槍I，側部上端開有充氣閥8，下端開有放氣閥9，爐體2內的水冷銅底座7上放置有石英坩堝6，石英坩堝6外壁由內向外依次環(huán)繞有石墨加熱器5和石墨碳氈4，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋3。石英坩堝6底部中央位置開設有孔，孔的面積為石英坩堝底部面積的20%。
[0030]實施例2:
[0031]采用實施例1中的裝置進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，關閉真空裝置蓋3。
[0033](2)抽真空:開啟設備冷卻循環(huán)水裝置，給設備通冷卻循環(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，關閉真空泵組。
[0034](3)熔化:調節(jié)石墨加熱器5功率為10kW，使硅料溫度到達1450°C，使硅料全部熔化。
[0035](4)電子槍預熱并保溫:電子槍I設置聞壓為25kW,聞壓預熱5min后，關閉聞壓，設置電子槍I束流為70mA，束流預熱5min關閉電子槍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:關閉電子槍1，關閉保溫蓋3,調節(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:硅晶體生長結束后，關閉真空泵組，打開放氣閥9，取出硅料。用二次離子質譜儀檢測取出的鑄錠中氧含量為0.057Ippmw以下。
[0039]實施例3:
[0040]采用實施例1中的裝置進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，關閉真空裝置蓋3。
[0042](2)抽真空:開啟設備冷卻循環(huán)水裝置，給設備通冷卻循環(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，關閉真空泵組。
[0043](3)熔化:調節(jié)石墨加熱器5功率為25kW，使硅料溫度到達1550°C，使硅料全部熔化。
[0044](4)電子槍預熱并保溫:電子槍I設置聞壓為35kW,聞壓預熱IOmin后，關閉聞壓，設置電子槍I束流為200mA，束流預熱IOmin關閉電子槍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:關閉電子槍1，關閉保溫蓋3,調節(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:硅晶體生長結束后，關閉真空泵組，打開放氣閥9，取出硅料。用二次離子質譜儀檢測取出的鑄錠中氧含量為0.057Ippmw以下。
[0048]實施例4:
[0049]采用實施例1中的裝置進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，關閉真空裝置蓋3。
[0051](2)抽真空:開啟設備冷卻循環(huán)水裝置，給設備通冷卻循環(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，關閉真空泵組。
[0052](3)熔化:調節(jié)石墨加熱器5功率為20kW，使硅料溫度到達1500°C，使硅料全部熔化。
[0053](4)電子槍預熱并保溫:電子槍I設置聞壓為35kW,聞壓預熱IOmin后，關閉聞壓，設置電子槍I束流為100mA，束流預熱7min關閉電子槍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:關閉電子槍1，關閉保溫蓋3,調節(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:硅晶體生長結束后，關閉真空泵組，打開放氣閥9，取出硅料。用二次離子質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與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實現(xiàn)了在同一設備上實現(xiàn)兩種生產工藝的目的，采用石墨加熱器來熔化多晶硅鑄錠尾料，節(jié)約原料成本。同時利用電子束照射硅熔體表面，強化表面揮發(fā)效應，高效去除硅中的揮發(fā)性氧雜質，雜質氧的去除率可達到85?92%。然后進行長晶，減少了破碎、清洗及烘干環(huán)節(jié)，節(jié)省相應設備的投入及占地面積，大大減少了獨立生產時的能量消耗，與不進行除氧技術的單晶硅相比，提高電池片的光電轉換效率0.1%以上，總能耗降低超過30%，生產效率能夠提高40%。
【權利要求】
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，側部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，其特征在于爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環(huán)繞有石墨加熱器和石墨碳氈，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設有孔，且石英坩堝底部安裝有水冷銅底座。
2.根據(jù)權利要求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