CN101863476B - 一种去除硅中硼元素的方法 - Google Patents

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Abstract

一种去除硅中硼元素的方法，涉及半导体材料领域。本发明的方法是利用硅合金特性，将硅和液态时可溶解硼的金属按比例混合真空熔炼，定向凝固，缓慢冷却，待硅凝固而金属未凝固时，将液态金属倒出，溶于金属的硼也随着倒出。由于本发明采用了可溶解硼的金属对硅中的杂质进行稀释，本发明的方法可以有效降低硅中杂质含量，特别是硼杂质含量，可以将固体硅中的B含量下降到70％以上。

Description

一种去除硅中硼元素的方法
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，涉及从金属硅中除去硼的提纯方法。
背景技术
多晶硅是太阳能电池的基础材料，是国家重点鼓励发展的高新技术产业，国内外对多晶硅的需求量逐年增加，且呈现出供不应求的现象。目前国际上生产太阳能电池级晶体硅的主要工艺是改良西门子法，它包括除硼的三氯氢硅提纯技术、大型还原炉技术、氢气和氯化氢气回收的还原炉尾气回收技术、四氯化硅氢化技术等，制造工艺包括氯化-还原-沉积等过程，十分复杂。生产时使用的主要原料是工业硅、液氯、氢气等。
目前普遍认为使用廉价的工业硅制备太阳能级多晶硅是降低成本的最有效方式之一。为了降低制造成本，使用低纯度硅材料制造太阳能电池一直是人们追求的目标。物理法制造多晶硅的纯度目标是太阳能级，它具有投资少，能耗低，对环境无污染等优点，以满足快速发展光伏产业的需求。
为确保所需要的光电转换效率，硅中的磷、硼、碳等杂质元素的含量必须很低，其中硼一般要在0.1-0.3ppm，冶金工业中精炼金属硅时，利用金属元素的偏析系数明显小于1的性质，通过定向凝固可以除去杂质，但硅和硼的偏析系数接近于1，因此凝固精炼有困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种有效降低硅中硼元素的方法。
一种去除硅中硼元素的方法，其步骤为：
步骤1：将多晶硅45-55wt和液态时可溶解硼的金属或合金55-45wt放入高纯石墨坩埚中；
步骤2：炉内抽真空后，通入惰性气体；
步骤3：升温至硅与金属的熔点上，保温至少1h；
步骤4：开启温度控制，降温至硅与金属的熔点下，定向凝固，以0.01-0.05℃/h逐步冷却，使坩埚中的硅、铝及硅铝合金充分分凝；
步骤5：硅结晶过程结束后，将液态铝倒出。
所述的金属为熔点低于1400℃，且液态时可溶解硼的金属或合金，这样，当硅与金属混合物熔解时，硅中的硼可溶于该金属或合金中；随着溶液冷却，待硅凝固，而金属未凝固时，使液态金属由坩埚内流出，由于硼一直溶于液态金属中，直至倒出，所以可以达到提纯硅的目的。
硼的细粉末可溶于热的硝酸和硫酸中，也可溶于大多熔融的金属中，如铜、铁、镁、钙、铝等。在本发明的一个较佳实施例中，所述的金属为Al。铝可以在液态时去除，也可在固态时去除。
步骤3所述的惰性气体为氩气或氦气。
步骤3所述的保温时间为2h-3h。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明采用了可溶解硼的金属对硅中的杂质进行过滤，本发明的方法可以有效降低硅中杂质含量，特别是硼杂质含量，可以将固体硅中的B含量下降到70％以上。本发明采用廉价的铝，对硅进行提纯，本发明所得的产品，一部分为提纯后的硅，另一部分为硅铝合金，硅铝合金是飞机制造业中的常用锻造材料，在其它领域也用途广泛。
附图说明
图1：加料阶段示意图，其中下部2为含硼的硅料，上部1为铝；
图2：高温混合熔炼阶段示意图，铝和硅混合熔解；
图3、冷却分凝阶段示意图：底部6为硅，中部5为硅铝合金，上部4为铝，4中的点代表B杂质。
具体实施方式
实施例1
将4-5N多晶硅100kg放入高纯石墨坩埚中，同时放入Al 100kg，抽真空后通入氩气保护，升温至1100℃硅及Al混合物全部熔化为液态，保温1h。然后开启温度控制，使坩埚中的物料逐步冷却，冷却方式为定向固定缓慢冷却，冷却速度为0.05℃/h。使硅、铝及硅铝合金充分分凝。分凝结束后，硅铝合金占50％wt，液态铝占6.3％wt，固态硅占43.7％wt。分离后固态硅中硼元素下降70％以上。
实施例2
将4-5N多晶硅90kg放入高纯石墨坩埚中，同时放入Al 110kg，抽真空后通入氩气保护，升温至1100℃硅及Al混合物全部熔化为液态，保温1h。然后开启温度控制，使坩埚中的物料逐步冷却，冷却方式为定向固定缓慢冷却，冷却速度为0.03℃/h。使硅、铝及硅铝合金充分分凝。分凝结束后，硅铝合金占50％wt，液态铝占6.3％wt，固态硅占43.7％wt。分离后固态硅中硼元素下降70％以上。
实施例3
将4-5N多晶硅110kg放入高纯石墨坩埚中，同时放入Al 90kg，抽真空后通入氩气保护，升温至1100℃硅及Al混合物全部熔化为液态，保温1h。然后开启温度控制，使坩埚中的物料逐步冷却，冷却方式为定向固定缓慢冷却，冷却速度为0.01℃/h。使硅、铝及硅铝合金充分分凝。分凝结束后，硅铝合金占50％wt，液态铝占6.3％wt，固态硅占43.7％wt。分离后固态硅中硼元素下降70％以上。
上述仅为本发明的具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种去除硅中硼元素的方法，其步骤为：
步骤1：将多晶硅重量份45-55和液态时可溶解硼的金属或合金重量份45-55放入高纯石墨坩埚中；
步骤2：炉内抽真空后，通入惰性气体；
步骤3：升温至硅与金属的熔点上，保温至少1h；
步骤4：开启温度控制，降温至硅与金属的熔点下，定向凝固，以0.01-0.05℃/h逐步冷却，使坩埚中的硅、铝及硅铝合金充分分凝；
步骤5：硅结晶过程结束后，将液态铝倒出。
2.如权利要求1所述的一种去除硅中硼元素的方法，其特征在于：步骤1所述的多晶硅纯度为4-5N。
3.如权利要求1所述的一种去除硅中硼元素的方法，其特征在于：所述的金属或合金熔点低于1400℃。
4.如权利要求2所述的一种去除硅中硼元素的方法，其特征在于：所述的金属为Al。
5.如权利要求1所述的一种去除硅中硼元素的方法，其特征在于：步骤3所述的惰性气体为氩气或氦气。
6.如权利要求1所述的一种去除硅中硼元素的方法，其特征在于：步骤3所述的保温时间为2h-3h。
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