CN102041548B

CN102041548B - 一种用于提纯晶体硅的区熔炉和晶体硅的提纯方法

Info

Publication number: CN102041548B
Application number: CN 200910205675
Authority: CN
Inventors: 高艳杰
Original assignee: Yingli Group Co Ltd
Current assignee: Yingli Group Co Ltd
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: CN102041548A

Abstract

本发明提供一种晶体硅的提纯方法，包括炉体及设置在所述炉体内的感应加热装置；所述感应加热装置包括一个多匝感应线圈和感应短路环；所述感应短路环包括设置在所述多匝感应线圈上方的感应短路上环和设置在所述多匝感应线圈下方的感应短路下环。多匝感应线圈可以提供较大的功率，因此增加晶体硅棒的熔区面积，有利于得到高纯度的晶体硅。熔区增大后，为了防止熔区坠落，在所述多匝感应线圈的上方和下方分别设置有两个感应短路环。这样，多匝线圈产生的一部分“外泄”磁场在两个感应短路环上产生高频电流，高频电流又分别产生感应磁场。感应短路环上的感应磁场与晶体硅棒熔区磁场产生的相互作用力可以提高熔区的液体表面张力，防止熔区坠落。

Description

一种用于提纯晶体硅的区熔炉和晶体硅的提纯方法

技术领域

本发明涉及硅制备工艺及装置，具体涉及一种用于提纯晶体硅的区熔炉和晶体硅的提纯方法。

背景技术

高纯度的晶体硅是制备电子元件和太阳能电池的主要原料，是重要的电子信息材料。在现有技术中，已经公开了多种制备晶体硅的方法，例如直拉法和区熔法。

在直拉法中，将经过清洗处理后的多晶硅料装入单晶炉的石英坩埚内，在合理的热场中，加热所述多晶硅料使之融化得到熔融体。然后取一籽晶与所述熔融体充分熔接后，以一定速度旋转提升所述籽晶，在所述籽晶的诱导下，控制晶体生长条件和掺杂工艺，沿籽晶定向凝固长大，依次经过引晶、细颈、放肩、等径、收尾后得到完整的晶体硅，直拉法中使用的设备为直拉炉。

在区熔法中，将预先处理好的多晶硅棒和籽晶，垂直固定在区熔炉上下轴间，用电磁感应线圈加热所述多晶硅棒形成熔区，控制感应加热工艺和掺杂工艺，使所述熔区在硅棒上从头至尾定向移动，最后使所述熔区沿籽晶生长成晶体硅，另外还可反复多次进行所述生长过程，提纯所述晶体硅。在区熔炉中，使用的设备为区熔炉，在区熔炉中设置有单匝的感应加热线圈。

使用上述两种方法制备晶体硅时，需要使用纯度较高的多晶硅原料，才能制备符合产业应用的高纯度晶体硅。另一方面，随着硅价格的不断攀升，多晶硅原料的供应日趋紧张。考虑从太阳能行业、微电子行业中回收使用过的加工废料或者对冶金硅进行提纯加工处理，则会缓解目前供应紧张的晶体硅。

但是，由于上述多晶硅的加工废料或者冶金硅中的纯度较低，杂质多，现有技术中的直拉法或区熔法制备的单晶硅不能满足纯度要求。虽然区熔炉可以提纯晶体硅，但现有技术中的区熔炉设置的是单匝感应加热线圈，因此形成的熔区体积较小，提纯效果有限。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，提供一种用于提纯晶体硅的区熔炉，通过该区熔炉，提高在晶体硅熔炼过程中的熔区体积，从而得到高纯度的晶体硅。本发明还提供一种利用所述区熔炉提纯晶体硅的方法，通过该方法，得到高纯度的晶体硅。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种用于提纯晶体硅的区熔炉，包括：

炉体及设置在所述炉体内的感应加热装置。

所述感应加热装置包括一个多匝感应线圈和感应短路环，所述感应短路环包括设置在所述多匝感应加热线圈上方的感应短路上环和设置在所述多匝感应线圈下方的感应短路下环。

优选的，所述感应短路上环和感应短路下环串联连接。

本发明还提供一种利用上述区熔炉提纯晶体硅的方法，包括：

将直拉法制备的晶体硅棒固定在区熔炉内使其依次穿过所述感应加热装置的感应短路上环、多匝感应线圈、感应短路下环；

通过所述感应加热装置加热所述晶体硅棒得到熔区；

移动所述晶体硅棒将所述熔区从所述晶体硅棒的一端移动到另一端。

优选的，所述区熔炉内为真空环境或者充入氢气气氛。

优选的，在将所述晶体硅棒在区熔炉进行提纯前，还包括：

直拉法利用硅原料制备晶体硅。

优选的，在所述直拉法利用硅原料制备晶体硅之前还包括：

将所述硅原料进行清洗处理。

优选的，所述将硅原料进行清洗处理具体为采用高纯水清洗、酸洗、碱洗、清洗剂洗、超声波清洗中一种或多种方式进行清洗处理。

优选的，在所述将硅原料进行清洗处理之前，还包括：

对硅原料进行精选的步骤，所述精选包括磁选或者浮选。

优选的，所述硅原料为线锯硅粉末、冶金硅、各种二次用杂料中一种或多种。

优选的，所述晶体硅棒包括多晶硅棒和单晶硅棒，所述单晶硅棒的移动速度为1mm/min～4mm/min，所述多晶硅棒的移动速度为1mm/min～8mm/min。

本发明提供一种用于提纯晶体硅的区熔炉，在该区熔炉的炉体中，设置有感应加热装置，该感应加热装置包括一个多匝感应加热线圈和感应短路环。多匝感应线圈可以提供较大的功率，因此增加晶体硅棒的熔区面积，因此有利于得到高纯度的晶体硅。同时，熔区增大后，为了防止熔区坠落，在所述述多匝感应线圈的上方和下方分别设置有两个感应短路环。这样，多匝线圈上的一部分“外泄”磁场分别在所述两个感应短路环内产生高频电流，高频电流又分别产生磁场。两个感应短路环内的磁场与晶体硅棒熔区磁场产生的相互作用力可以提高熔区的液体表面张力，防止熔区坠落。

本发明还提供一种利用上述区熔炉提纯晶体硅的方法，将直拉法制备的晶体硅棒依次穿过感应短路上环、多匝感应线圈、感应短路下环，由于多匝感应线圈的加热功率大，因此可以得到表面积大的熔区，得到高纯度的晶体硅。而且，多匝线圈上的一部分“外泄”磁场分别在两个感应短路环内产生高频电流，高频电流分别产生磁场。感应短路环内的磁场与晶体硅棒熔区磁场产生的相互作用可以提高熔区的液体表面张力，防止熔区坠落。

附图说明

图1为本发明中提纯晶体硅用区熔炉中的感应加热装置示意图；

图2为图1中的感应短路环示意图；

图3为本发明提供的晶体硅制备方法的流程图。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。

请参见图1和图2，图1为本发明提供的用于提纯晶体硅的区熔炉的一种实施方式的示意图，图2为图1中的感应短路环示意图。如图1所示，所述区熔炉包括炉体11，在炉体内设置有感应加热装置。所述感应加热装置包括一个多匝感应加热线圈12和感应短路环，所述感应短路环包括设置在所述多匝感应加热线圈12上方的感应短路上环13a和设置在所述多匝感应加热线圈下方的感应短路下环13b，所述感应短路上环13a和所述感应短路下环13b串联连接，然后在两个感应短路环内可以通入冷却水。在工作时，在所述多匝感应线圈内通电，产生高频磁场，所述两个感应短路环13a、13b不通电。

当由所述感应线圈加热晶体硅棒时，多匝感应加热线圈12可以将晶体硅棒加热得到表面积较大的熔区，表面积大的熔区可以提高区熔效果，得到高纯度的晶体硅棒。而多匝线圈产生的一部分“外泄”磁场在两个感应短路环内产生高频电流，高频电流又分别产生感应磁场。感应短路环内的感应磁场与晶体硅棒熔区磁场产生的相互作用力可以提高熔区的液体表面张力，防止熔区坠落。从而解决体积大的熔区容易发生坠落的问题。

在本实施方式中，所述区熔炉还可以连接有旋片式机械泵和油扩散泵(未示出)，在所述两个真空泵的作用下，可以提高区熔炉内的真空度，当在真空条件下提纯晶体硅棒时，进一步提高晶体硅棒的纯度。所述旋片式机械泵也可以由罗茨真空泵代替。

在本实施方式中，在所述区熔炉的炉体上还设置有防爆膜，这样当在区熔炉内充入氢气提纯晶体硅棒时，所述防爆膜可以防止区熔炉发生爆炸，保证操作安全。

本发明提供的一个利用所述区熔炉提纯晶体硅的具体实施方案，包括：

通过所述感应加热装置加热所述晶体硅棒得到熔区；

按照本发明，所述晶体硅棒包括单晶硅棒或多晶硅棒，所述单晶硅棒的移动速度优选为1mm/min～4mm/min，所述多晶硅棒的移动速度为1mm/min～8mm/min；更优选的，所述单晶硅棒的移动速度为2mm/min～3mm/min，所述多晶硅棒的移动速度为2mm/min～4mm/min。

按照本发明，可以在真空条件下对所述区熔炉内的晶体硅棒进行提纯，即使用真空泵将区熔炉内抽真空。对于区熔炉内的真空度，优选＜10^-3Pa、更优选＜10^-5Pa。高的真空度有利于杂质的去除，结果表明，当真空度＜10^-5Pa后，提纯后的晶体硅棒的纯度达到99.9999％(质量百分比)。

按照本发明，为了去除晶体硅中的氧杂质，可以在氢气气氛下对所述区熔炉内的晶体硅进行提纯。具体为，采用真空泵将区熔炉内抽成真空后，再向所述区熔炉内充入氢气。这样，晶体硅棒中的氧和所述氢气反应后，有利于去除晶体硅中的杂质氧含量。

按照本发明，所述晶体硅棒可以由直拉法制得。直拉法制备晶体硅棒时，可以按照本领域技术人员熟知的方法进行制备，可以采用连续加料直拉法制备晶体硅，也可以采用一次加料直拉法制备晶体硅，对此本发明并无特别的限制。例如按照中国专利CN1016973B中所公开的设备和方法制备单晶硅。

按照本发明，所述直拉法制备晶体硅的多晶硅原料可以为切割硅片产生的线锯硅粉末、冶金硅、或者太阳能产业和微电子产业的报废硅料中的一种或多种。对于所述报废硅料的形状，可以为片状、粒状、棒状、粉状等任意形状；类型可以为P型、N型、P/N混合型的一种或多种。对于报废硅料的来源，可以为扩散片、集成电路片、电池片、外延片中的一种或多种，但不限于此。

按照本发明，在直拉法制备晶体硅之前，优选包括对所述多晶硅原料进行粗选的步骤。粗选可以使用本领域技术人员熟知的方法进行粗选。

粗选所述多晶硅原料之后，优选对所述多晶硅原料进行精选工序，所述精选工序可以使用本领域技术人员熟知的磁选方法或者浮选方法。

对所述多晶硅原料进行精选工序之后，优选对所述多晶硅原料进行清洗工序，所述清洗工序包括用高纯水清洗、酸洗、碱洗、清洗剂清洗、超声波清洗中的一种或多种清洗方法。酸洗可以使用本领域技术人员熟知的盐酸、硝酸、氢氟酸、乙酸中的一种或上述酸液的混合酸进行清洗；碱洗可以使用本领域技术人员熟知的氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化氨溶液中的一种或它们的混合液进行清洗；清洗剂清洗可以使用本领域技术人员熟知的有机清洗剂，有机清洗剂的具体例子可以为中国专利CN129764C、CN1730641A中公开的有机清洗剂，但不限于此。

按照本发明，在所述区熔炉内对晶体硅棒进行提纯时，可以进行一次提纯，也可以在一次提纯之后，测试所述晶体硅棒，反复进行两次或两次以上的提纯。

如图3所示，为本发明提供的晶体硅制备方法的工艺流程图，包括：

S101：对多晶硅原料的粗选工序；

S102：对多晶硅原料进行磁选或浮选的精选工序；

S103：对多晶硅原料进行高纯水清洗、酸洗、碱洗、清洗剂清洗、超声波清洗中的一种或多种清洗工序；

S104：以清洗工序后的多晶硅为原料直拉法制备晶体硅；

S105：真空区熔法或氢气区熔法提纯所述晶体硅棒；

测试提纯后的所述晶体硅棒，可以再次用区熔炉提纯晶体硅，或者结束流程。

为了进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明提供的单晶硅的制备方法进行描述。

实施例1

多晶硅原料为线锯硅粉和冶金硅锭的多晶硅混合物；

将所述多晶硅混合物先在筛选机内进行粗选；

对粗选后的多晶硅混合物在磁场强度为3000奥斯特的磁选机内进行精选；

对精选后的多晶硅混合物用质量比浓度为65％的HNO₃、40％的HF、高纯水、比例为3∶1∶10的混合溶液酸洗，再用高纯水清洗；

将清洗后的多晶硅混合物放在直拉炉中的坩埚内，加入P型掺杂剂，所述直拉炉为美国产CG-3000型直拉炉，然后将所述坩埚加热至1550℃使所述多晶硅混合物熔化成熔融状态后开动籽晶旋转机构，下降籽晶，使籽晶与熔融体熔接，然后依次经过细颈、放肩、等径、收尾后制成Φ80mm×400mm的多晶硅棒。

将制备的多晶硅棒固定在本发明提供的区熔炉内，区熔炉内设置一个四匝感应线圈，熔炼工艺如下：

区熔炉内真空度小于10^-5Pa，四匝感应线圈频率为2.5MHz，晶体硅棒移动速度2.5mm/min。

然后向区熔炉内充入氢气，重新熔炼，拉制单晶。熔炼工艺为：四匝感应线圈频率为2.5MHz，晶体硅棒移动速度2.5mm/min。

提纯拉制后的单晶硅棒性能测试如下：纯度为99.9999％(质量百分比)，氧含量小于10^-7％(质量百分比)。

以上对本发明提供的用于提纯晶体硅的区熔炉以及晶体硅的提纯方法进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种用于提纯晶体硅的区熔炉，包括：

炉体及设置在所述炉体内的感应加热装置；

所述感应加热装置包括一个多匝感应线圈和感应短路环，所述感应短路环包括设置在所述多匝感应线圈上方的感应短路上环和设置在所述多匝感应线圈下方的感应短路下环，所述感应短路上环和感应短路下环串联连接。

2.一种利用权利要求1所述的区熔炉提纯晶体硅的方法，其特征在于，包括：

通过所述感应加热装置加热所述晶体硅棒得到熔区；

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述区熔炉内为真空环境或者充入氢气气氛。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在将所述晶体硅棒在区熔炉内进行提纯前，还包括：

直拉法利用硅原料制备晶体硅棒。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述直拉法利用硅原料制备晶体硅棒之前还包括：

将所述硅原料进行清洗处理。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将硅原料进行清洗处理具体为采用高纯水清洗、酸洗、碱洗、清洗剂洗、超声波清洗中一种或多种方式进行清洗处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述将硅原料进行清洗处理之前，还包括：

对硅原料进行精选的步骤，所述精选包括磁选或者浮选。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述硅原料为二次用杂料。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述硅原料为线锯硅粉末、冶金硅中一种或多种。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶体硅为单晶硅或多晶硅，所述单晶硅棒的移动速度为1mm/min～4mm/min，所述多晶硅棒的移动速度为1mm/min～8mm/min。