CN101638232B

CN101638232B - 生产高纯硅坯料的方法和装置

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Publication number: CN101638232B
Application number: CN2009101634022A
Authority: CN
Inventors: 储晞
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-19
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2029-08-17
Also published as: CN101638232A

Abstract

本发明提供一种生产高纯硅坯料的方法和装置，该装置包括：高纯硅生产设备，用于制备流态高纯硅；高纯硅坯料加工设备，用于将所述高纯硅生产设备制备得到的流态高纯硅进行加工处理制成高纯硅坯料；输送管道，所述输送管道的一端与所述高纯硅生产设备的产品出口相连，所述输送管道的另一端与所述高纯硅坯料加工设备的原料入口相连。本发明提供的生产高纯硅坯料的方法和装置，通过输送管道将高纯硅生产设备和高纯硅坯料加工设备进行连接，使得制备出的流态高纯硅直接被加工为高纯硅坯料，减少了冷却和运输高纯硅的过程，降低了生产高纯硅坯料的能耗。

Description

生产高纯硅坯料的方法和装置

技术领域

本发明涉及高纯硅坯料生产技术，尤其涉及一种生产高纯硅坯料的方法和装置。

背景技术

高纯硅坯料是生产太阳能光伏电池和半导体元器件的重要原料，其中，高纯硅坯料中硅的纯度在99.99％以上。现有技术中，在生产纯度较高的高纯材料时，可以采用以下方法：先将纯度较低的含有该材料的固体进行气化转化成含有该材料的气体，该气体经过提纯后再经过化学反应还原成所需的高纯材料。例如：生产高纯硅时，可将工业硅(99.5％)或石英石(SiO₂)转化成三氯氢硅(SiHCl₃)或硅烷(SiH₄)，将三氯氢硅或硅烷提纯后，通过西门子法将三氯氢硅或硅烷还原成高纯硅棒。

图1为现有的生产高纯硅坯料的方法流程图，如图1所示，该方法可以包括：通过西门子法、流化床法、气相到液相(VLD)法或物理法生产高纯硅，将生产出的高纯硅经过冷却、清洗和包装后，运输到高纯硅坯料加工生产地，其中，当通过西门子法生产高纯硅时，由于生产得到的高纯硅为高纯硅棒，在将该高纯硅棒进行冷却之前，还需要对该高纯硅棒进行破碎处理；在高纯硅坯料加工生产地，将高纯硅熔化后，将熔融态的高纯硅经拉晶、铸锭或拉制薄带等加工处理成尺寸有限的小尺寸高纯硅坯料。

现有技术存在的问题在于：在生产高纯硅坯料的过程中，需要先将生产得到的高纯硅进行冷却、包装和运输，然后在将高纯硅加工成高纯硅坯料的过程中，又需要将该高纯硅高温熔化，由此使得生产过程能耗大、操作和运输费用高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产高纯硅坯料的方法和装置，以实现低能耗的生产高纯硅坯料。

为了实现上述目的，本发明提供了一种生产高纯硅坯料的装置，包括：

高纯硅生产设备，用于制备流态高纯硅；

多个高纯硅坯料加工设备，所述高纯硅坯料加工设备用于将所述高纯硅生产设备制备得到的流态高纯硅进行加工处理制成用于生产太阳能光伏电池或半导体元器件的高纯硅坯料；

多个输送管道，所述高纯硅生产设备与每个所述高纯硅坯料加工设备之间连接一个所述输送管道，所述输送管道的一端与所述高纯硅生产设备的产品出口相连，另一端与所述高纯硅坯料加工设备的原料入口相连。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种使用本发明提供的生产高纯硅坯料的装置生产高纯硅坯料的方法，包括：

制备流态高纯硅；

将所述流态高纯硅通过多个输送管道传输到多个高纯硅坯料加工设备中；

在所述高纯硅坯料加工设备中，对所述流态高纯硅进行加工处理制成用于生产太阳能光伏电池或半导体元器件的高纯硅坯料。

本发明提供的生产高纯硅坯料的方法和装置，通过输送管道将高纯硅生产设备和高纯硅坯料加工设备进行连接，使得制备出的流态高纯硅直接被加工为高纯硅坯料，减少了冷却和运输高纯硅的过程，降低了生产高纯硅坯料的能耗。

附图说明

图1为现有的生产高纯硅坯料的方法流程图；

图2为本发明生产高纯硅坯料的装置实施例的结构示意图；

图3为本发明中进行铸锭处理的生产高纯硅坯料的装置的结构示意图；

图4为本发明中进行拉晶处理的生产高纯硅坯料的装置的结构示意图；

图5为本发明中进行拉制薄带处理的生产高纯硅坯料的装置的结构示意图；

图6为本发明包括多个高纯硅坯料加工设备的生产高纯硅坯料的装置实施例的结构示意图；

图7为本发明生产高纯硅坯料的方法实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明实施例的技术方案。

图2为本发明生产高纯硅坯料的装置实施例的结构示意图，如图2所示，该装置包括：高纯硅生产设备10、高纯硅坯料加工设备20和输送管道30；其中，输送管道30的一端与高纯硅生产设备10的产品出口相连，输送管道30的另一端与高纯硅坯料加工设备20的原料入口相连。

高纯硅生产设备10用于制备流态高纯硅，流态高纯硅是指该高纯硅处于能够流动的状态，例如，该流态高纯硅为颗粒状或者熔融状态的高纯硅。具体的，高纯硅生产设备10可以为：流态化床还原反应器、气相到液相(Vaporto Liquid Deposition，简称为：VLD)还原反应器或物理法液体提纯反应器。

其中，使用流态化床还原反应器制备高纯硅的方法为：将高纯含硅气体通入作为“种子”的细微高纯硅颗粒流化态床层中，该高纯含硅气体经还原或热分解反应生成硅，并包裹在细微高纯硅颗粒表面，形成颗粒高纯硅；该方法为连续生产工艺。

使用气相到液相还原反应器制备高纯硅的方法为：将高纯含硅气体和还原气体通入内部温度高于硅的熔点的反应器中，使得含硅气体被直接还原成液态可流动的高纯硅，即熔融态高纯硅。

使用物理法液体提纯反应器制备高纯硅的方法为：将工业硅加热到熔融状态，或在生产工业硅时向熔融状态的工业硅中通入含O₂或H₂O的气体，气体中的O₂或H₂O将工业硅中的杂质氧化为氧化物，例如：该氧化物为 Al₂O₃、CuO和少量的SiO₂等，这些氧化物在工业硅的熔融温度(1420℃)下为固态，且漂浮在熔融态高纯硅的表面，将所述的氧化物滤除后，即可得到熔融态的高纯硅；其中，可以通过加入固体除渣剂滤除该氧化物。

输送管道30连接在高纯硅生产设备10和高纯硅坯料加工设备20之间，用于将高纯硅生产设备10制备得到的高纯硅输送到高纯硅坯料加工设备20中。输送管道30与高纯硅生产设备10的产品出口相连接，可以直接将高纯硅生产设备10制得的高纯硅输送到高纯硅坯料加工设备20的原料入口，并加入到高纯硅坯料加工设备20之中。

其中，输送管道30的输送方式可以为以下几种方式中的任意一种或其组合：1、直接利用高纯硅的重力，使熔融态或颗粒高纯硅在输送管道中从高纯硅生产设备10流动到高纯硅坯料加工设备20，此时高纯硅生产设备10的产品出口要高于高纯硅坯料加工设备20的原料入口；2、利用机械泵将熔融态或颗粒高纯硅输送到高纯硅坯料加工设备内，例如：该机械泵为由耐高温且不对高纯硅产生污染的材料制成的各类泵，如：转动泵或螺杆泵等；3、利用气力传输，例如：利用高纯气体(H₂或Ar)在高压下将熔融态或颗粒高纯硅压送或吹送到高纯硅坯料加工设备内。在本发明的具体实施过程中，也可以使用漏斗或机械搬运的方式来代替输送管道，以实现将高纯硅生产设备制备得到的高纯硅输送到高纯硅坯料加工设备中。

高纯硅生产设备10制备得到的高纯硅温度较高，例如：颗粒高纯硅的温度为500℃左右，熔融态高纯硅的温度为1420℃；而高纯硅坯料加工设备20对高纯硅进行加工处理时，是对熔融状态的高纯硅进行处理；如果颗粒高纯硅在通过输送管道30传输的过程中温度降低，则高纯硅坯料加工设备20对颗粒高纯硅进行加热熔融时需要耗费更多能耗，如果熔融态高纯硅在通过输送管道30传输的过程中温度降低，则熔融态高纯硅可能会在输送管道30中凝固，从而使得输送中断；由此，为了避免上述情况，可以在输送管道30外部设置保温层或加热设备，以对输送管道中的流态高纯硅进行保温或加热。

为了在生产过程中不引入杂质，保证高纯硅坯料的纯度，可以使用以高纯硅、石英或氮化硅作为材料的输送管道30；当在高纯硅生产设备10制备的流态高纯硅为熔融状态时，输送管道30可以使用石英或氮化硅作为材料。

本发明实施例提供的高纯硅坯料生产装置，可以包括一个高纯硅生产设备和多个高纯硅坯料加工设备，此时，在高纯硅生产设备和每个高纯硅坯料加工设备之间都可以连接一个输送管道，使得一个高纯硅生产设备可以为多个高纯硅坯料加工设备供应原料。

高纯硅坯料加工设备20用于将高纯硅生产设备10制备得到的流态高纯硅进行后续加工处理制成高纯硅坯料，以作为生产太阳能光伏电池或半导体元器件的原料。其中，当高纯硅生产设备10制备的流态高纯硅为颗粒高纯硅时，高纯硅坯料加工设备20先将颗粒高纯硅加热到熔融状态，然后再进行后续加工处理；当高纯硅生产设备10制备的流态高纯硅为熔融态高纯硅时，高纯硅坯料加工设备20可以直接对其进行后续加工处理。由此，与现有技术中生产高纯硅坯料的方式相比，本发明可以省去将高纯硅冷却、包装和运输等过程，而且本发明在将颗粒高纯硅加热熔化时，是将500℃的颗粒高纯硅加热到1420℃，由此所需的能耗也大大降低。

高纯硅坯料加工设备20对高纯硅进行加工处理的方法可以为：铸锭、拉晶或拉制薄带等，下面结合附图具体说明对高纯硅进行不同加工处理的高纯硅坯料加工设备。

图3为本发明中进行铸锭处理的生产高纯硅坯料的装置的结构示意图，如图3所示，当对高纯硅进行铸锭处理时，高纯硅坯料加工设备可以包括：第一容器31，例如为：水冷无坩埚熔炼炉，第一容器31内部或外部设置有加热装置(图中未示出)，例如为：上下连通的石墨加热器，石墨加热器在水冷无坩埚熔炼炉上端通过高频加热将注入水冷无坩埚熔炼炉的高纯硅100保持在熔融状态，当高纯硅从水冷无坩埚熔炼炉下端出口流出时，被冷却形成固态，形成高纯硅坯料，可上下伸缩的底座接收从水冷无坩埚熔炼炉下端排出的固态高纯硅，固态高纯硅随着底座32向下缓缓下降；由于高纯硅生产设备10可以连续生产高纯硅，高纯硅被输送管道30连续加入水冷无坩埚熔炼炉中，从而使得连续铸锭得以有原料不断供应，保证了铸锭处理的连续进行，进而可以生产出体积较大的固态高纯硅坯料。

图4为本发明中进行拉晶处理的生产高纯硅坯料的装置的结构示意图，如图4所示，当对高纯硅进行拉晶处理时，高纯硅坯料加工设备可以包括：用于盛放熔融态高纯硅的第二容器41和提拉设备(图中未示出)，第二容器41内部或外部设置有加热装置(图中未示出)，第二容器41可以为坩埚。高纯硅坯料加工设备对高纯硅进行拉晶处理的过程为：使用加热器，将从原料入口输送到坩埚中的流态高纯硅100进行加热或保温，以保证坩埚中的高纯硅为熔融态；提拉设备将一段高纯硅单晶棒42的下端插入熔融态的高纯硅中，然后将该高纯硅单晶棒42向上提拉，在向上提拉该高纯硅单晶棒的过程中，熔融态的高纯硅会粘在该高纯硅单晶棒上、且随着该高纯硅单晶棒被向上带起，被带起的熔融态高纯硅由于脱离容器而遇冷凝固成单晶棒，由此通过提拉设备提拉该高纯硅单晶棒，会在该高纯硅单晶棒下端生长出由熔融态高纯硅凝固形成的单晶棒。由于本发明实施例提供的装置可以保证通过输送管道将流态高纯硅连续的输送到高纯硅坯料加工设备中，所以本装置可以实现高纯硅单晶棒的连续生产；由此，与现有的间歇式生产高纯硅单晶棒的方法相比，本发明可以生产出很长的高纯硅单晶棒，即生产出大型或超大型的高纯硅坯料。

图5为本发明中进行拉制薄带处理的生产高纯硅坯料的装置的结构示意图，如图5所示，当对高纯硅进行拉制薄带处理时，高纯硅坯料加工设备可以包括：用于盛放熔融态高纯硅的第三容器51和提拉设备(图中未示出)，第三容器51内部或外部设置有加热装置(图中未示出)，第三容器可以为坩埚。高纯硅坯料加工设备对高纯硅进行拉制薄带处理的过程为：使用加热器，将从原料入口输送到坩埚中的流态高纯硅100进行加热或保温，以保证坩埚中的高纯硅为熔融态；提拉设备将一段缝隙较小的管模52的下端插入熔融态高纯硅中，(该管模的缝隙结构尺寸较小，能出现虹吸现象)，由于虹吸现象，熔融态高纯硅会被吸入管模中；然后将与该管模的缝隙结构相应的高纯硅管53伸入管模中，管模中的熔融态高纯硅会上升到与高纯硅管相接触；通过提拉设备将该高纯硅管向上提拉，由此使熔融态高纯硅被向上带出管模，并且冷凝为与管模的缝隙结构相应的固态高纯硅管。通过使用不同缝隙结构的管模，本装置可以将流态高纯硅拉制成薄带、薄片或中空的薄管等。由于本发明实施例提供的装置可以保证通过输送管道将流态高纯硅连续的输送到高纯硅坯料加工设备中，所以本装置可以实现高纯硅薄带、薄片或薄管的连续生产，由此得到尺寸很长的高纯硅薄带、薄片或薄管，更利于工业上的应用。例如：尺寸长的高纯硅薄片，可以不经过切割而直接作为太阳能多晶硅电池的材料。

图6为本发明包括多个高纯硅坯料加工设备的生产高纯硅坯料的装置实施例的结构示意图，如图6所示，本发明提供的生产高纯硅坯料的装置，可以包括多个高纯硅坯料加工设备20，由一个高纯硅生产设备10生产的高纯硅，经过多个输送管道30，被分别输送到多个高纯硅坯料加工设备中，多个高纯硅坯料加工设备可以是进行同一类加工处理的，也可以是进行不同类加工处理的。

本发明实施例提供的生产高纯硅坯料的装置，通过输送管道将高纯硅生产设备和高纯硅坯料加工设备进行连接，将高纯硅的制备和后续加工集成为一个整体，使得制备出的流态高纯硅直接被加工为高纯硅坯料，可以连续化的生产大型高纯硅坯料，减少了冷却和运输高纯硅的过程，从而降低了生产高纯硅坯料的能耗、提高了生产效率、降低了生产成本，并且避免了冷却和运输过程可能的杂质污染，提高了产品的纯度。

图7为本发明生产高纯硅坯料的方法实施例的流程图，如图7所示，本发明实施例提供的生产高纯硅坯料的装置生产高纯硅坯料的方法可以包括：

步骤101、制备流态高纯硅；

使用高纯硅生产设备制备流态高纯硅，其中，流态高纯硅是指该高纯硅处于能够流动的状态，例如，该流态高纯硅为颗粒状或者熔融状态的高纯硅。高纯硅生产设备可以为：流态化床还原反应器、气相到液相还原反应器或物理法液体提纯反应器，具体的高纯硅生产设备制备流态高纯硅的过程参见前述本发明装置实施例中的描述，在此不再赘述。

步骤102、将步骤101制得的流态高纯硅通过输送装置传输到高纯硅坯料加工设备中；

通过机械搬运、重力传输、机械泵或气力传输的方式，将流态高纯硅通过输送管道传输到一个或多个高纯硅坯料加工设备的原料入口，并加入到高纯硅坯料加工设备之中；并且通过在输送管道外部设置保温层或者通过在输送管道外部设置加热设备，对输送管道中的流态高纯硅进行保温或加热。

步骤103、在高纯硅坯料加工设备中，对流态高纯硅进行加工处理制成高纯硅坯料；

将从原料入口输送到高纯硅坯料加工设备中的流态高纯硅进行加热或保温，以保证该流态高纯硅为熔融态；然后将熔融态高纯硅进行定向冷却为预设形状的高纯硅坯料，或者将熔融态高纯硅拉制成高纯硅单晶棒坯料，或者将熔融态高纯硅拉制成薄带、薄片或薄管等高纯硅坯料。

本实施例中，各个装置的结构和工作流程参见本发明装置实施例中的描述，在此不再赘述。

与现有的间歇式生产高纯硅坯料的方法相比，本发明提供的连续生产方法，可以避免冷却和运输高纯硅的过程，降低生产高纯硅坯料的能耗，并且可以避免生产的过程中引入杂质。

本发明实施例提供的生产高纯硅坯料的方法，通过输送管道将高纯硅生产设备和高纯硅坯料加工设备进行连接，将高纯硅的制备和后续加工集成为一个整体，使得制备出的流态高纯硅直接被加工为高纯硅坯料，可以连续化的生产大型高纯硅坯料，减少了冷却和运输高纯硅的过程，从而降低了生产高纯硅坯料的能耗、提高了生产效率、降低了生产成本，并且避免了冷却和运输过程可能的杂质污染，提高了产品的纯度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种生产高纯硅坯料的装置，其特征在于，包括：

高纯硅生产设备，用于制备流态高纯硅；

2.根据权利要求1所述的生产高纯硅坯料的装置，其特征在于，所述高纯硅生产设备为生产高纯硅的流态化床还原反应器、气相到液相还原反应器或物理法液体提纯反应器。

3.根据权利要求2所述的生产高纯硅坯料的装置，其特征在于，所述输送管道为由高纯硅、石英或氮化硅制得的管道。

4.根据权利要求1-3任一所述的生产高纯硅坯料的装置，其特征在于，所述输送管道外部设置有保温层；或者所述输送管道外部设置有加热设备。

5.一种使用上述权利要求1-4任一项所述的生产高纯硅坯料的装置生产高纯硅坯料的方法，其特征在于，包括：

制备流态高纯硅；

6.根据权利要求5所述的生产高纯硅坯料的方法，其特征在于，所述制备流态高纯硅包括：

使用流态化床还原反应器制备流态高纯硅；或

使用气相到液相还原反应器制备流态高纯硅；或

使用物理法液体提纯反应器制备流态高纯硅。

7.根据权利要求6所述的生产高纯硅坯料的方法，其特征在于，所述对所述流态高纯硅进行加工处理制成高纯硅坯料包括：

将熔融态的所述流态高纯硅拉制成单晶棒高纯硅坯料；或

将熔融态的所述流态高纯硅拉制成薄带、薄片或薄管；或

将熔融态的所述流态高纯硅定向冷却为预设形状的高纯硅坯料。

8.根据权利要求5-7任一所述的生产高纯硅坯料的方法，其特征在于，所述将所述流态高纯硅通过输送管道传输到高纯硅坯料加工设备中包括：

通过重力传输方式、机械泵传输方式和气力传输方式中的任意一种或组合，将所述流态高纯硅通过输送管道传输到高纯硅坯料加工设备中。

9.根据权利要求8所述的生产高纯硅坯料的方法，其特征在于，所述将所述流态高纯硅通过输送管道传输到高纯硅坯料加工设备中还包括：

用所述输送管道外部设置的保温层或加热设备，对所述输送管道中的所述流态高纯硅进行保温或加热。