CN101941698A - 电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法及装置 - Google Patents

电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法及装置,所述方法利用电子枪轰击高磷的棒状多晶硅,所述棒状多晶硅边旋转边连续下移至电子枪的轰击区域,在棒状多晶硅的下端部表面不断熔化,在此过程中,硅中的挥发性杂质,包括磷、铝、钙,在电子束和高真空的作用下,以气态的形式被去除;熔化的液态硅在重力的作用下滴在水冷铜坩埚内并形成低磷的硅锭。上述方法中熔池不在水冷铜坩埚中,电子束的能量很少会被水冷带走,能量的利用效率达到现有技术的3倍以上,并且提纯效果好,技术稳定,工艺简单,可以完成连续熔炼,生产效率高,适合批量生产。

Description

电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法及装置
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多晶硅中的杂质磷去除的方法。
背景技术
太阳能级多晶硅材料是太阳能电池的重要原料,太阳能电池可以将太阳能转化为电能,在常规能源紧缺的今天,太阳能具有巨大的应用价值。目前,世界范围内制备太阳能电池用多晶硅材料已形成规模化生产和正在开发的主要技术路线有:
(1)改良西门子法:西门子法是以盐酸(或氢气、氯气)和冶金级工业硅为原料,由三氯氢硅,进行氢还原的工艺。现在国外较成熟的技术是西门子法,并且已经形成产业。该法已发展至第三代,现在正在向第四代改进。第一代西门子法为非闭合式,即反应的副产物氢气和三氯氢硅,造成了很大的资源浪费。现在广泛应用的第三代改良西门子工艺实现了完全闭环生产,氢气、三氯氢硅硅烷和盐酸均被循环利用,规模也在1000吨每年以上。但其综合电耗高达170kw·h/kg,并且生产呈间断性,无法在Si的生产上形成连续作业。
(2)冶金法:以定向凝固等工艺手段,去除金属杂质;采用等离子束熔炼方式去除硼;采用电子束熔炼方式去除磷、碳,从而得到生产成本低廉的太阳能级多晶硅。这种方法能耗小,单位产量的能耗不到西门子法的一半,现在日本、美国、挪威等多个国家从事冶金法的研发,其中以日本JFE的工艺最为成熟,已经投入了产业化生产。
(3)硅烷法:是以氟硅酸(H2SiF6)、钠、铝、氢气为主要原材料制取硅烷(SiH4),然后通过热分解生产多晶硅的工艺。该法基于化学工艺,能耗较大,与西门子方法相比无明显优势。
(4)流态化床法:是以SiCl4(或SiF4)和冶金级硅为原料,生产多晶硅的工艺。粒状多晶硅工艺法是流态化床工艺路线中典型的一种。但是该工艺的技术路线正在调试阶段。
在众多制备硅材料的方法中,已经可以投入产业化生产的只有改良西门子法、硅烷法、冶金法。但改良西门子法和硅烷法的设备投资大、成本高、污染严重、工艺复杂,不利于太阳能电池的普及性应用,相比而言冶金法具有生产周期短、污染小、成本低的特点,是各国竞相研发的重点。已知专利号为ZL200810011949.6的电子束专利,该专利涉及去除多晶硅中杂质磷和金属杂质的方法及装置,其技术方案中,需要将坩埚中的硅全部融化并保持一段时间,熔炼时间较长,能量存在浪费。
发明内容
鉴于现有技术所存在的上述问题,本发明旨在公开一种高效、快捷地去除多晶硅中杂质磷的方法及装置,通过电子束的加热方式将硅的表层融化,熔融硅层中的挥发性杂质在电子束轰击与高真空的作用下挥发出来,并被真空泵带走。
本发明的技术解决方案是这样实现的:
一种电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法,利用电子枪轰击高磷的多晶硅使硅熔化,在此过程中,硅中的挥发性杂质,包括磷、铝、钙,在电子束和高真空的作用下,以气态的形式被去除;其特征在于:
所述多晶硅采用棒状形式,在电子枪的轰击作用下,棒状多晶硅边旋转边连续下移至电子枪的轰击区域,在棒状多晶硅的下端部表面不断熔化,熔化的液态硅在重力的作用下滴在水冷铜坩埚内并形成低磷的硅锭;
所述低磷硅锭的含磷量为0.00005%以下。
进一步的,所述电子枪预热后轰击棒状多晶硅时采用的输入电压为25-35KV,电子束电流为0-2A;所述高真空为2.4×10-2Pa。
一种采用上述的方法进行电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的装置,包括炉体、炉体内安装于炉体项部的电子枪、炉体内座于炉底的支架和由支架支撑的水冷铜坩埚、炉体侧壁上设置有真空泵、通气阀和炉门;其特征在于还包括:
一个螺杆,所述螺杆螺纹连接于炉体顶部;螺杆位于炉体外的上端通过传动轴连接电动机的输出端,其位于炉体内的下端固定连接一个夹具,所述夹具夹固棒状多晶硅的顶端,所述螺杆、夹具、棒状多晶硅及水冷铜坩埚同轴,所述棒状多晶硅的下端落于电子束轰击区域并位于水冷铜坩埚的上方留有一段垂直距离;在所述电动机的带动下,所述棒状多晶硅随螺杆旋转并上下垂直运动。
进一步的,所述夹具为耐高温紧固环,其内侧绕有耐高温柔性细丝作垫层,所述紧固环与棒状多晶硅的顶端过渡配合。
再进一步的,所述耐高温紧固环采用耐高温的环形金属材料,耐高温柔性细丝采用耐高温且韧性好的丝状金属材料。
电子束熔炼的基本原理:在高真空环境中,一个加热的阴极通过电压降来加速从离子放射出来的电子。用电场和磁场聚集电子束,使其轰击所融化的金属。电子在同金属碰撞时失去动能,而变成主要作为熔化炉料的热量。在一定的高温下,杂质的去除主要取决于杂质的饱和蒸气压和炉内的真空度。挥发是在真空熔炼过程中去除杂质的主要途径,比基体金属饱和蒸气压大的杂质元素在熔炼时易于挥发而除去。
与现有技术相比,本发明所述的电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法的特点是显著的:用电子枪轰击高磷的多晶硅棒,使硅在硅棒的表面尤其是下端部表面不断熔化,熔化的液态硅在重力的作用下滴在水冷铜坩埚内,与此同时,硅中的挥发性杂质,如磷、铝、钙,会在电子束和高真空的作用下,以气态的形式被去除;在此过程中,由于熔池不在水冷铜坩埚中,电子束的能量很少会被水冷带走,能量的利用效率非常高,达到现有技术的3倍以上。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。图中,
1.电子枪  2.机械泵  3.罗茨泵  4.油扩散泵  5 炉体  6.通气阀  7.水冷铜坩埚  8.支架  9.低硼硅锭  10.液态硅  11.炉门  12.多晶硅棒  13.耐高温柔性细丝  14.耐高温紧固环  15.螺杆  16.传动装置  17.电动机
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的具体说明。
一种电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的装置,如图1所示,包括炉体5,炉体5内安装于炉体项部的电子枪1,炉体内座于炉底的支架8和由支架8支撑的水冷铜坩埚7,炉体一侧的炉壁上自上而下设置有机械泵2、罗茨泵3、油扩散泵4和通气阀6和炉门,对应的另侧炉壁上设有炉门11,还包括:
一个螺杆15,所述螺杆15螺纹连接于炉体5顶部;螺杆15位于炉体5外的上端通过传动轴16连接电动机17的输出端,其位于炉体5内的下端固定连接一个夹具,具体的,所述夹具是一个耐高温紧固环14,其内侧绕有耐高温柔性细丝13作垫层;所述紧固环14与棒状多晶硅12的顶端通过过渡配合而夹固棒状多晶硅,所述的耐高温柔性细丝13则用于改善所述棒状多晶硅12的夹紧;所述螺杆15、耐高温紧固环14、棒状多晶硅12及水冷铜坩埚7同轴,所述棒状多晶硅12的下端落于电子束轰击区域并位于水冷铜坩埚7的上方留有一段垂直距离;在所述电动机17的带动下,所述棒状多晶硅12随螺杆15旋转并上下垂直运动,以保证棒状多晶硅的下端落于电子束轰击区域。
采用上述装置进行电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法,利用电子枪轰击高磷的棒状多晶硅使其下端部表面不断熔化,在此过程中,硅中的挥发性杂质,包括磷、铝、钙,在电子束和高真空的作用下,以气态的形式被去除,而且,熔化的液态硅在重力的作用下滴在水冷铜坩埚内并形成低磷的硅锭,其具体步骤如下:
1)将直径为15-30cm的多晶硅棒12固定在耐高温紧固环14上,关上炉门11和通气阀6;
2)打开机械泵2,至真空降到8×103Pa时,开启罗茨泵3,使真空度降到8Pa时,继而启动油扩散泵4直至真空降到2.4×10-2Pa。
3)启动电动机17,在电动机17和传动装置16的带动下,螺杆15开始旋转;
4)给电子枪1预热,设置高电压为25-35kV,并预热5-10分钟后,将电压降为零,设置电子枪1束流为70-200mA,束流预热5-10分钟后,关闭电子枪1的束流;将电子枪1预热后,再输入电压25-35kV,电子束电流0-2A,打在旋转的棒状多晶硅12上,所述棒状多晶硅12的下端部开始熔化形成液态硅10,在此过程中,硅中的挥发性杂质,包括磷、铝、钙,在电子束和高真空的作用下,以气态的形式被去除;
5)熔化的液态硅10在重力作用下滴到水冷铜坩埚7内,形成低磷的硅锭9;
6)螺杆15在电动机17的带动下向下运动,带动棒状多晶硅棒12缓慢下移,其下端部进入电子束熔炼区域继续熔化表面的硅,重复上述杂质挥发及冷却形成低磷的硅锭的过程;
6)当耐高温紧固环14距离所述电子束熔炼区域剩余10-30cm时,停止熔炼,依次关闭电动机17和电子枪1。
7)继而依次关闭油扩散泵4、罗茨泵3、机械泵2,再打开炉门11,取出低磷的硅锭9。
本发明采取直接熔炼的方式,用电子束将杂质磷去除,有效提高了多晶硅的纯度,达到了太阳能级硅的使用要求;尤其是,熔池不在水冷铜坩埚中,电子束的能量很少会被水冷带走,能量的利用效率达到现有技术的3倍以上,并且提纯效果好,技术稳定,工艺简单,可以完成连续熔炼,生产效率高,适合批量生产。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法,利用电子枪轰击高磷的多晶硅使硅熔化,在此过程中,硅中的挥发性杂质,包括磷、铝、钙,在电子束和高真空的作用下,以气态的形式被去除;其特征在于:
所述多晶硅采用棒状形式,在电子枪的轰击作用下,棒状多晶硅边旋转边连续下移至电子枪的轰击区域,在棒状多晶硅的下端部表面不断熔化,熔化的液态硅在重力的作用下滴在水冷铜坩埚内并形成低磷的硅锭;
所述低磷硅锭的含磷量为0.00005%以下。
2.根据权利要求1所述的电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法,其特征在于:
所述电子枪预热后轰击棒状多晶硅时采用的输入电压为25-35KV,电子束电流为0-2A;
所述高真空为2.4×10-2Pa。
3.一种采用权利要求1所述的方法进行电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的装置,包括炉体、炉体内安装于炉体项部的电子枪、炉体内座于炉底的支架和由支架支撑的水冷铜坩埚、炉体侧壁上设置有真空泵、通气阀和炉门;其特征在于还包括:
一个螺杆,所述螺杆螺纹连接于炉体顶部;螺杆位于炉体外的上端通过传动轴连接电动机的输出端,其位于炉体内的下端固定连接一个夹具,所述夹具夹固棒状多晶硅的顶端,所述螺杆、夹具、棒状多晶硅及水冷铜坩埚同轴,所述棒状多晶硅的下端落于电子束轰击区域并位于水冷铜坩埚的上方留有一段垂直距离;在所述电动机的带动下,所述棒状多晶硅随螺杆旋转并上下垂直运动。
4.根据权利要求3所述的电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的装置,其特征在于:
所述夹具为耐高温紧固环,其内侧绕有耐高温柔性细丝作垫层,所述紧固环与棒状多晶硅的顶端过渡配合。
5.根据权利要求4所述的电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的装置,其特征在于:
所述耐高温紧固环采用耐高温的环形金属材料,耐高温柔性细丝采用耐高温且韧性好的丝状金属材料。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102139880A (zh) * 2011-05-16 2011-08-03 大连隆田科技有限公司 一种电子束造渣熔炼去除多晶硅中杂质硼的方法
CN105755293A (zh) * 2014-12-18 2016-07-13 北京有色金属研究总院 一种真空电子束熔炼炉的竖直进料系统
CN108754072A (zh) * 2018-05-29 2018-11-06 昆明理工大学 一种不锈钢脱磷方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070077191A1 (en) * 2005-08-16 2007-04-05 Norichika Yamauchi Method and apparatus for refining silicon using an electron beam
CN101289188A (zh) * 2008-05-30 2008-10-22 大连理工大学 去除多晶硅中杂质磷和金属杂质的方法及装置
CN101318655A (zh) * 2008-06-19 2008-12-10 大连理工大学 一种去除多晶硅中杂质磷的方法及装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070077191A1 (en) * 2005-08-16 2007-04-05 Norichika Yamauchi Method and apparatus for refining silicon using an electron beam
CN101289188A (zh) * 2008-05-30 2008-10-22 大连理工大学 去除多晶硅中杂质磷和金属杂质的方法及装置
CN101318655A (zh) * 2008-06-19 2008-12-10 大连理工大学 一种去除多晶硅中杂质磷的方法及装置

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102139880A (zh) * 2011-05-16 2011-08-03 大连隆田科技有限公司 一种电子束造渣熔炼去除多晶硅中杂质硼的方法
CN102139880B (zh) * 2011-05-16 2013-07-31 青岛隆盛晶硅科技有限公司 一种电子束造渣熔炼去除多晶硅中杂质硼的方法
CN105755293A (zh) * 2014-12-18 2016-07-13 北京有色金属研究总院 一种真空电子束熔炼炉的竖直进料系统
CN105755293B (zh) * 2014-12-18 2018-02-23 北京有色金属研究总院 一种真空电子束熔炼炉的竖直进料系统
CN108754072A (zh) * 2018-05-29 2018-11-06 昆明理工大学 一种不锈钢脱磷方法

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