CN101913608B - 一种去除工业硅中硼的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种工业硅除硼的方法属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种利用电子束熔炼技术将工业硅中的杂质硼去除的方法。该方法将工业硅料放入纯度为99.9％以上的石英环中，在电子束作用下熔炼，利用高真空度将氧化硼去除。先将工业硅料放入石英环中；再将石英环放入水冷铜坩埚中，关闭真空装置盖。其所采用装置由真空装置盖、真空圆桶构成装置的外壳，真空圆桶内腔即为真空室。可以将分凝系数较大的硼用电子束熔炼去除，有效提高了多晶硅的纯度，具有效率高、装置简单、节约能源的优点。
Description
技术领域
本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种利用电子束熔炼技术将工业硅中的杂质硼去除的方法。
背景技术
高纯多晶硅是制备太阳能电池的主要原料。国外制备高纯多晶硅主要使用西门子法，具体为硅烷分解法和氯硅烷气相氢还原法，其中SiHCl3法即西门子法是目前多晶硅制备的主流技术。SiHCl3法的有用沉积比为1×103，是SiH4的100倍。西门子法沉积速度可达8～10μm/min。一次通过的转换效率为5％～20％，沉积温度为1100℃，仅次于SiCl4(1200℃)，耗电量为120kWh/kg左右，电耗也较高。国内SiHCl3法的电耗经过多年的努力已由500kWh/kg降至200kWh/kg，硅棒直径达到100mm左右。西门子法的不足之处在于其在流程的核心环节上采取了落后的热化学气相沉积，工艺流程的环节过多，一次转化率低，导致流程时间太长，增加了材耗、能耗成本。鉴于此，在众多制备的新工艺中冶金法是根据杂质元素在硅中的分凝系数不同进行定向凝固的方式，具有能耗低、环境污染小的特点。单纯的定向凝固方法无法去除分凝系数较大的杂质硼，而在多晶硅的众多杂质中，硼是有害杂质，直接影响了硅材料的电阻率和少数载流子寿命，进而影响了太阳能电池的光电转换效率。已知日本专利号为11-20195的发明专利，利用电子束达到去除多晶硅中磷的目的，但该发明的缺点无法使用电子束将多晶硅中的硼去除。
发明内容
本发明要解决的技术难题是利用电子束熔炼技术，将多晶硅中的杂质元素硼去除到0.0001％的程度，进而达到太阳能电池用硅材料的使用要求。
本发明采用的技术方案是一种工业硅除硼的方法，其特征在于，用将工业硅料4放入纯度为99.9％以上的石英环5中，在电子束1作用下熔炼，利用高真空度将氧化硼去除，具体步骤如下：
先将工业硅料4放入石英环5中；再将石英环5放入水冷铜坩埚7中，关闭真空装置盖2；用机械泵6、罗兹泵8将真空室3抽真空，抽到低真空1pa，再用扩散泵9将真空抽到高真空10-3pa以下；
然后给电子枪1预热，设置高压为25-35kW，高压预热5-10分钟，关闭高压，设置电子枪1束流为70-200mA，束流预热5-10分钟，关闭电子枪1束流；同时打开电子枪1的高压和束流，稳定后用电子枪1轰击工业硅料4，增大电子枪1束流到500-800mA，持续轰击30-50分钟；以每分钟50-200mA的速度调低电子枪1的束流直到关闭；
最后依次关闭扩散泵9、罗兹泵8、机械泵6待温度降到200℃左右时，打开放气阀11，打开真空装置盖2取出硅材料。
一种工业硅除硼的方法，其所采用的装置的特征在于，装置由真空装置盖2、真空圆桶12构成装置的外壳，真空圆桶2内腔即为真空室3，真空室3内装有熔炼系统，熔炼系统由电子枪1、石英环5、水冷铜坩埚7构成，石英环5放入水冷铜坩埚7上，对中，在水冷铜坩埚7的上方安置电子枪1，将支撑杆10与水冷铜坩埚7链接，焊牢；机械泵6、罗兹泵8、扩散泵9分别在真空圆桶12右侧相连，放气阀11与真空圆桶12的左侧中部相连。
本发明的显著效果是可以将分凝系数较大的硼用电子束熔炼去除，有效提高了多晶硅的纯度，具有效率高、装置简单、节约能源的优点。
附图说明
附图1为一种工业硅除硼的装置，其中1.电子枪，2.真空装置盖，3.真空室，4.工业硅料，5.石英环，6.机械泵，7.水冷铜坩埚，8.罗兹泵，9.扩散泵，10.支撑杆，11.放气阀，12.真空圆桶。
具体实施方式
下面结合技术方案及附图详细说明本方案的具体实施。将纯度为99％，其中含硼量为0.0011％的工业硅料4放入纯度为99.9％以上的石英环5中，将石英环5放入水冷铜坩埚7中，关闭真空装置盖2；抽真空，先用机械泵6、罗兹泵8将真空室3抽到低真空1pa，再用扩散泵9将真空抽到高真空10-3pa以下；给电子枪1预热，设置高压为25kW，高压预热5分钟，关闭高压，设置电子枪1束流为70mA，束流预热5分钟，关闭电子枪1束流；同时打开电子枪1的高压和束流，稳定后用电子枪1轰击工业硅料4，增大电子枪1束流到500mA，持续轰击30分钟；以每分钟50mA的速度调低电子枪1的束流直到关闭；依次关闭扩散泵9、罗兹泵8、机械泵6待温度降到200℃左右时，打开放气阀11，打开真空装置盖2取出硅材料。通过成分检测得到工业硅料的纯度提高到99.95％，其中硼含量降低到0.0004％左右。
硼是太阳能级多晶硅中难以去除的杂质，本方法通过放入纯度为99.9％以上的石英环，在熔炼过程中石英环中的氧渗透进工业硅，在电子束的作用下与硅中的硼结合，生成容易挥发的氧化硼，在真空条件下以气态的形式去除。
本发明去除多晶硅中杂质硼效果良好，工艺稳定，操作方便，节约能源，提高了制备高纯多晶硅的效率。
Claims (1)
1.一种工业硅除硼的方法，其特征在于，用将工业硅料(4)放入纯度为99.9％以上的石英环(5)中，在熔炼过程中石英环中的氧渗透进工业硅，在电子束的作用下与硅中的硼结合，生成容易挥发的氧化硼，在真空条件下以气态的形式去除，即在电子束(1)作用下熔炼，利用高真空度将氧化硼去除，具体步骤如下：
先将工业硅料(4)放入石英环(5)中；再将石英环(5)放入水冷铜坩埚(7)中，关闭真空装置盖(2)；用机械泵(6)、罗兹泵(8)将真空室(3)抽真空，抽到低真空1pa，再用扩散泵(9)将真空抽到高真空10-3pa以下；
然后给电子枪(1)预热，设置高压为25-35kV，高压预热5-10分钟，关闭高压，设置电子枪(1)束流为70-200mA，束流预热5-10分钟，关闭电子枪(1)束流；同时打开电子枪(1)的高压和束流，稳定后用电子枪(1)轰击工业硅料(4)，增大电子枪(1)束流到500-800mA，持续轰击30-50分钟；以每分钟50-200mA的速度调低电子枪(1)的束流直到关闭；
最后依次关闭扩散泵(9)、罗兹泵(8)、机械泵(6)待温度降到200℃左右时，打开放气阀(11)，打开真空装置盖(2)取出硅材料。
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