CN101377010A - 制造太阳能级多晶硅的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制造太阳能级多晶硅的装置，包括：真空室[1]，其上方设有加料器[3]，其内设置有悬浮熔炼坩锅[2]。悬浮熔炼坩锅[2]的外围绕有感应线圈[5]、上方设有感应等离子发生器[4]、下方设有由定向凝固机构[8]控制的水冷底盘[6]及其升降装置。水冷底盘[6]下拉行程四周设有石墨加热套[7]。本发明还公开了一种太阳能级多晶硅的制造方法，其步骤为：1.原料选择；2.熔化；3.悬浮熔炼；4.等离子除杂；5.定向凝固成型；6.连续加料。本发明在一台设备中实现了等离子熔炼、悬浮熔炼和定向凝固工艺，取得了连续、快速、高效生产低成本太阳能级多晶硅的有益效果。

Description

制造太阳能级多晶硅的装置及其方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制造，特别涉及一种制造太阳能级多晶硅的装置；本发明还涉及该制造太阳能级多晶硅装置的制造方法。

背景技术

目前，世界上大约95％的光伏产品采用单晶硅，非晶硅和薄膜硅。硅原料的质量及成本在光伏行业中的地位举足轻重。

世界上绝大多数的生产厂家，都是利用HCl气体处理技术生产多晶硅的，Siemens工艺过程中将化学沉积法得到的硅沉积到金属丝上，生产效率和尾气回收率较低，美国的Ethyl’s公司利用硫化床技术以H2还原硅烷制备得到了直径为700μm的高纯硅产品，提高了尾气的回收率，过程的能量消耗也仅为Siemens技术的1/10。美国的Schumacher公司开发了在硫化床反应器内沉积SiHBr3工艺，金属硅和H2及SiBr4反应生成SiB4和SiHBr3的混合物，SiHBr3在800℃下可分解得到太阳能级硅，该过程的能耗仅为Siemens方法的1/5，设备投资约为只有50％。采用改良西门子法生产多晶硅，仍然存在着成本较高的问题，而且这种硅原料受半导体产业影响，供应不稳定，数量也很有限。

太阳能级多晶硅的纯度要求远远低于电子级多晶硅，采用昂贵的西门子法生产的多晶硅生产太阳能电池大大增加太阳能电池的成本和推广的难度。于是世界各国都展开了低成本的太阳能级多晶硅生产技术的研究。

日本川崎制铁株式会社申请专利CN1204298(公开日：1999年1月6日)，是以金属硅或者氧化硅为起始原料，通过电子束真空熔炼，氧化精炼和定向凝固这一系列工艺，生产出太阳能级多晶硅。但是工艺步骤繁多，设备昂贵，生产的效率较低，生产成本很高。

中国专利CN1873062(公开日：2006年12月6日和CN1935647(公开日：2007年3月28日)公开了通过向坩锅中的硅液吹等离子体和定向凝固以及真空熔炼除P，最后得到P型的太阳能级多晶硅。但是这种方法由于受到熔体上表面表面积的限制和杂质在硅熔体内扩散速度的限制使得提纯的速率较慢，并且经过两次熔化两次凝固使得每公斤能耗较高，不利于节能减排。

发明内容

为了解决现有技术的工艺步骤繁多，设备昂贵，能耗高、生产效率低，成本高等不足，本发明的目的在于提供一种制造太阳能级多晶硅的装置；利用本发明在一台设备中实现了等离子熔炼、悬浮熔炼和定向凝固工艺，能够连续、快速、高效的生产出低成本的太阳能级多晶硅。

为了解决现有技术的不足，本发明目的的另一方面，还提供一种太阳能级多晶硅的制造方法，利用本发明，整个工艺流程中只有一次熔化和一次定向凝固过程，大大降低了能耗，并且由于应用了悬浮熔炼使得一次熔化和一次定向凝固就可以达到太阳能级多晶硅的要求。

为了达到上述发明目的，本发明的第一方面，为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种制造太阳能级多晶硅的装置，该装置包括：真空室，其内设置有悬浮熔炼坩锅，悬浮熔炼坩锅的外围绕有感应线圈，悬浮熔炼坩锅的上方设有感应等离子发生器；悬浮熔炼坩锅下方设有水冷底盘及其升降装置，水冷底盘及其升降装置与定向凝固机构连接，由定向凝固机构控制其升降；在水冷底盘升降装置的下拉行程的四周设有石墨加热套；真空室的上方设有加料器，用于连续提供工业硅料；真空系统和真空室连接，用于真空室抽真空；悬浮熔炼坩锅在开启感应等离子发生器和感应线圈的条件下加温，将工业硅料熔融为硅液。上述悬浮熔炼坩锅为无底悬浮水冷铜坩锅；上述感应线圈的频率范围为2000HZ-15000HZ。

本发明的第二方面，为解决上述技术问题所采用的技术方案是提供一种太阳能级多晶硅的制造方法，包括如下步骤：

步骤一：原料选择，选择含有P和B工业硅料，有选择性的除去P或B。

步骤二：熔化，开启真空系统对真空室抽真空至10^-2pa，通过加料装置向水冷铜坩锅中加入工业硅料；开启感应等离子发生器和中频感应线圈，使硅料在等离子的高温下逐渐熔化为硅液，硅液的温度最终保持在1410℃-1800℃之间。

步骤三：悬浮熔炼，增加中频线圈的功率，使得硅液完全悬浮并不与坩锅接触，直至悬浮的硅液在坩锅中呈椭球状。

步骤四：等离子除杂，向等离子枪中通入反应气体，产生等离子气体；等离子气体与硅中杂质反应，除去硅中的杂质；上述等离子枪中通入的反应气体包括至少一种选自下列的材料：Ar，HCL，H²O和Cl²，其流量为10-100L/h，持续2-5小时。

步骤五：定向凝固成型，升起水冷托盘直到接触硅液，然后逐渐下拉，在下拉的过程中硅液自下而上定向凝固；下拉速率控制在0.2mm-2mm/min；最后，切除杂质富集的头尾部分。

步骤六：连续加料，开始下拉以后，加料器逐渐加料，实现连续熔炼直到预设的晶锭长度。

上述步骤二和步骤五在制造过程中只进行一次。

本发明制造太阳能级多晶硅的装置及其方法，由于把等离子熔炼，悬浮熔炼，定向凝固等工序集成在一个设备中，因此，实现了由工业硅到太阳能级多晶硅的连续化生产。本发明生产出的多晶硅无需再铸锭即可直接用于太阳能电池的生产。并且熔炼过程中只有一次熔化和一次定向凝固，大大降低了能耗。本发明中还使用了悬浮熔炼，可以有效避免来自坩锅对液硅的污染，同时可以大大增加液态硅的表面积，从而促进杂质与等离子气体的反应。另外，在电磁场的搅拌下，液硅中的杂质很快可以扩散到硅液表面与等离子气体反应，因此提纯效率大大提高，只需要通过一次熔化、提纯、定向凝固就可以达到太阳能级多晶硅的要求，取得了连续、快速、高效生产低成本太阳能级多晶硅的有益效果。

附图说明

附图是本发明制造太阳能级多晶硅的装置的示意图。

图中，1.真空室，2.悬浮熔炼坩锅，3.加料器，4.感应等离子发生器，5.感应线圈，6.水冷底盘，7.石墨加热套，8.定向凝固机构，9.真空系统，10.硅液，11.工业硅料。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的第一方案，一种太阳能级多晶硅制造装置的优选实施例进行描述。

附图是本发明制造太阳能级多晶硅的装置的示意图；如附图的实施例所示，该装置包括：

真空室1，其内设置有悬浮熔炼坩锅2，悬浮熔炼坩锅2的外围绕有感应线圈5，悬浮熔炼坩锅2的上方设有感应等离子发生器4；悬浮熔炼坩锅2下方设有水冷底盘6及其升降装置，水冷底盘6及其升降装置与定向凝固机构8连接，由定向凝固机构8控制其升降；在水冷底盘6升降装置的下拉行程的四周设有石墨加热套7；真空室1的上方设有加料器3，用于连续提供工业硅料11；真空系统9和真空室1连接，用于真空室抽真空；悬浮熔炼坩锅2在开启感应等离子发生器4和感应线圈5条件下，加温将工业硅料11熔融为硅液10。本实施例中，上述悬浮熔炼坩锅2为无底悬浮水冷铜坩锅；上述感应线圈5的频率范围为2000HZ-15000HZ。

下面结合实施例，进一步对本发明装置的工作过程进行描述。

实施例1：

调节定向凝固机构8将水冷底盘6升至悬浮熔炼坩锅2底部，加入3kg工业硅料11到悬浮熔炼坩锅2中。开启真空系统9对真空室1抽真空至10^-2Pa。开启感应等离子发生器4和感应线圈5，感应等离子发生器4功率调至60千瓦，感应线圈功率5调至150千瓦。首先硅料在等离子的高温下逐渐熔化为硅液，然后感应磁场在硅液中产生感应电流。等到工业硅料完全熔化并完全悬浮后，开始通入水蒸汽(流量为50psig)。再以100g/min的速率向坩锅中加入硅料直到总熔炼量达到10kg。然后再向上升起水冷底盘6直到与硅液接触。水冷底盘与硅液接触后再以1mm/min的速率缓慢下拉。在下拉的同时继续通过加料器3以50g/min的速率向悬浮熔炼坩锅2中加入工业硅料。当水冷底盘到达石墨加热套7位置时，开启石墨加热套。最上方石墨加热套的温度设为1350℃，下方的加热套温度以50℃为一档递减。最终实现连续加料，连续定向凝固。最后生产出直径6英寸，长1m的多晶硅晶锭。经检测硅的纯度达到99.9999％。

实施例2：

调节定向凝固机构8将水冷底盘6升至悬浮熔炼坩锅2底部，加入2kg工业硅料11到悬浮熔炼坩锅2中。开启真空系统9对真空室1抽真空至10^-2Pa。开启感应等离子发生器4和感应线圈5，感应等离子发生器4功率调至50千瓦，感应线圈功率5调至120千瓦。首先硅料在等离子的高温下逐渐熔化为硅液，然后感应磁场在硅液中产生感应电流。等到工业硅料完全熔化并完全悬浮以后开始通入液态水(流量为10ml/min)。再以100g/min的速率向坩锅中加入硅料直到总熔炼量达到10kg。然后然后再向上升起水冷底盘6直到与硅液接触。水冷底盘与硅液接触后再以0.5mm/min的速率缓慢下拉。在下拉的同时继续通过加料器3以25g/min的速率向悬浮熔炼坩锅2中加入工业硅料。当水冷底盘到达石墨加热套7位置时，开启石墨加热套。最上方石墨加热套的温度设为1350℃，下方的加热套温度以25℃为一档递减。最终实现连续加料，连续定向凝固。最后生产出直径6英寸，长0.5m的多晶硅晶锭。经检测硅的纯度达到99.9999％。

实施例3：

调节定向凝固机构8将水冷底盘6升至悬浮熔炼坩锅2底部，加入5kg工业硅料11到悬浮熔炼坩锅2中。开启真空系统9对真空室1抽真空至10^-2Pa。开启感应等离子发生器4和感应线圈5，感应等离子发生器4功率调至80千瓦，感应线圈功率5调至170千瓦。首先硅料在等离子的高温下逐渐熔化为硅液，然后感应磁场在硅液中产生感应电流。等到工业硅料完全熔化并完全悬浮以后开始通入HCl气体(流量为50psig)。再以150g/min的速率向坩锅中加入硅料直到总熔炼量达到10kg。然后然后再向上升起水冷底盘6直到与硅液接触。水冷底盘与硅液接触后再以1mm/min的速率缓慢下拉。在下拉的同时继续通过加料器3以50g/min的速率向悬浮熔炼坩锅2中加入工业硅料。当水冷底盘到达石墨加热套7位置时，开启石墨加热套。最上方石墨加热套的温度设为1350℃，下方的加热套温度以50℃为一档递减。最终实现连续加料，连续定向凝固。最后生产出直径6英寸，长1m的多晶硅晶锭。经检测硅的纯度达到99.9999％。

下面对本发明的第二方案，一种太阳能级多晶硅的制造方法进行描述，该方法包括如下步骤：

步骤一：原料选择

通过选择P，B含量合适的工业硅原料，然后有选择性的除去P或者B就分别可以得P型和N型的太阳能级多晶硅。这样避免了同时除去P，B两种元素，大大降低了制造成本。

步骤二：熔化

开启真空系统对真空室抽真空至10^-2Pa后，通过加料装置向水冷铜坩锅中加入工业硅料。开启感应等离子发生器和中频感应线圈。首先硅料在等离子的高温下逐渐熔化为硅液，然后感应磁场在硅液中产生感应电流。由于感应电流的作用硅液的温度逐渐升高，最终保持硅液温度在1410-1800℃之间。

步骤三：悬浮熔炼

增加中频线圈的功率，使得硅液在电磁斥力的作用下完全悬浮并不与坩锅接触，直至悬浮的硅液在坩锅中呈椭球状，椭球硅液有很大的表面积，大大加快了杂质与等离子气体的反应速率。另外在电磁场的搅拌下，硅中杂质很快可以扩散的硅液表面与等离子气体反应。由于悬浮熔炼的应用大大提高了杂质与等离子气反应的速率和杂质向硅液表面扩散的速率，这样只需要经过一次熔化、提纯、定向凝固就能达到太阳能级多晶硅的要求。

步骤四：等离子除杂

然后，向等离子枪中通入Ar，HCL，H²O，Cl²等反应气体中的一种；流量为10-100L/h，以产生化学活性很强的等离子气体，这些等离子气体能够与硅中杂质反应并除去硅中的杂质。等离子除杂的步骤持续2—5小时。

步骤五：定向凝固成型

升起水冷托盘直到接触硅液，然后逐渐下拉，下拉速率控制在0.2mm-2mm/min。在下拉的过程中，硅液在石墨保温套中自下而上定向凝固，金属杂质会发生分凝现象。凝固后，切除杂质富集的头尾部分就可以达到除去金属杂质的效果。石墨保温套设置有很好的温度梯度，分段下降，以保证分凝作用的充分进行。

步骤六：连续加料

在开始下拉以后，加料器逐渐加料，可以实现连续熔炼直到预设的晶锭长度。

在上述制造过程中，步骤二和步骤五只进行一次，因此，本发明生产出的多晶硅晶锭经切方以后可以直接用于太阳能电池的生产，不需要再经过多晶硅的浇铸过程，大大降低了能耗和生产成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明制造太阳能级多晶硅的装置及其方法进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (10)

1、一种制造太阳能级多晶硅的装置，其特征在于，该装置包括：

真空室[1]，其内设置有悬浮熔炼坩锅[2]，悬浮熔炼坩锅[2]的外围绕有感应线圈[5]；悬浮熔炼坩锅[2]的上方设有感应等离子发生器[4]；悬浮熔炼坩锅[2]下方设有水冷底盘[6]及其升降装置，水冷底盘[6]及其升降装置与定向凝固机构[8]连接；在水冷底盘[6]升降装置的下拉行程的四周设有石墨加热套[7]；真空室[1]的上方设有加料器[3]；真空系统[9]和真空室[1]连接。

2、根据权利要求1所述的制造太阳能级多晶硅的装置，其特征在于，所述悬浮熔炼坩锅[2]为无底悬浮水冷铜坩锅。

3、根据权利要求1所述的制造太阳能级多晶硅的装置，其特征在于：所述感应线圈[5]的频率范围为2000HZ-15000HZ。

4、一种根据权利要求1所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一：原料选择，

选择含有P和B工业硅料，有选择性的除去P或B；

步骤二：熔化，

开启真空系统对真空室抽真空至10^-2pa，通过加料装置向水冷铜坩锅中加入工业硅料；开启感应等离子发生器和中频感应线圈，使硅料在等离子的高温下逐渐熔化为硅液，保持硅液温度；

步骤三：悬浮熔炼，

增加中频线圈的功率，使得硅液完全悬浮并不与坩锅接触；

步骤四：等离子除杂，

向等离子枪中通入反应气体，产生等离子气体；等离子气体与硅中杂质反应，除去硅中的杂质；

步骤五：定向凝固成型，

升起水冷托盘直到接触硅液，然后逐渐下拉，在下拉的过程中，硅液在石墨保温套中自下而上定向凝固；凝固后，切除杂质富集的头尾部分；

步骤六：连续加料，

开始下拉以后，向加料器逐渐加料，实现连续熔炼直到预设的晶锭长度。

5、根据权利要求4所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于：所述的步骤二和步骤五在制造过程中只进行一次。

6、根据权利要求4所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于：所述步骤二中，硅液的温度最终保持在1410℃-1800℃之间。

7、根据权利要求4所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于：所述步骤三中，增加中频线圈的功率，直至悬浮的硅液在坩锅中呈椭球状。

8、根据权利要求4所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于：所述步骤四中，所述等离子枪中通入反应气体包括至少一种选自下列的材料：Ar，HCL，H²O和Cl²，其流量为10-100L/h。

9、根据权利要求4或8所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于：所述的步骤四，等离子除杂过程持续2-5小时。

10、根据权利要求4所述的太阳能级多晶硅制造装置的制造方法，其特征在于：所述步骤五中的下拉速率控制在0.2mm-2mm/min；所述的石墨保温套设置有温度梯度，分段下降。