CN102145893B - 一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法 - Google Patents

一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域。一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法，首先备料：将洗净烘干后的硅料置于电子束熔炼炉中；再预处理：对坩锅水冷、电子枪预热；最后提纯：采用以200-300mA的小束流电子束熔化并熔炼一段时间，然后降低束流为零，待硅锭完全变暗，硅蒸气回凝入熔池后，再次以200-300mA的小束流熔炼多晶硅一段时间后停止束流，重复小束流熔炼和停止束流的操作多次，最后冷却凝固即可得到磷含量很低的多晶硅锭。本发明的显著效果是采用了电子束分次熔炼的技术，一方面降低硅的蒸发损失量，此方法提纯效果好，技术稳定，工艺简单，节能降耗，周期短，生产效率高。

Description

一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法
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进行熔炼去除多晶硅中杂质磷的方法。
背景技术
在能源紧缺、倡导低碳环保的社会，太阳能作为一种环保新能源，具有重大的应用价值。太阳能电池可以将太阳能转换为电能，而太阳能级多晶硅材料又是太阳能电池的重要原料，因此，太阳能级多晶硅材料的制备技术尤其重要。目前，世界范围内制备太阳能级多晶硅材料的主要技术路线有：改良西门子法，硅烷法，冶金法。其中改良西门子法的原理就是在1100℃左右的高纯硅芯上用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成多晶硅沉积在硅芯上。但是改良西门子法能耗高、污染严重，属于欧美淘汰的旧技术。硅烷法就是硅烷（SiH4）热分解制备多晶硅的方法，但是该工艺生产操作时危险性大（硅烷易燃易爆）、综合生产成本较高。冶金法主要包括：电子束熔炼法、等离子束熔炼法、定向凝固法、造渣法、电解法、碳热还原法等。
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。电子束应用于冶金熔炼中，用于熔化提纯材料，已知申请号为200810011631.8的发明专利，利用电子束进行熔炼去除多晶硅中的杂质磷，但是此电子束熔炼过程中，电子束持续较大束流熔炼多晶硅，此过程中不仅硅蒸发量较大，而且大束流持续熔炼产生的大量硅蒸气将阻碍磷杂质的挥发，使得磷杂质回流，不利于杂质的去除。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法，利用电子束小束流分多次进行熔炼，从而更好的去除多晶硅中的杂质磷，将多晶硅中的杂质磷去除到0.00003%以下的程度，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：一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法，首先备料：将洗净烘干后的硅料置于电子束熔炼炉中；再预处理：对坩锅水冷、电子枪预热；最后提纯：采用以200-300mA的小束流电子束熔化并熔炼一段时间，然后降低束流为零，待硅锭完全变暗，硅蒸气回凝入熔池后，再次以200-300mA的小束流熔炼多晶硅一段时间后停止束流，重复小束流熔炼和停止束流的操作多次，最后冷却凝固即可得到磷含量很低的多晶硅锭。
所述提纯：打开电子枪的高压和束流，稳定后用电子枪以200-300mA束流轰击高磷含量的多晶硅料，熔化后熔炼5-10min，降低束流为0mA，待硅锭完全变暗之后，再次将电子枪的束流调节至200-300mA进行熔化，熔化后熔炼5-10min，再次降低束流为0mA，再重复200-300mA束流电子束熔化后熔炼5-10min及降束流为0mA的操作3-5次，最后关闭束流，硅液冷却凝固成硅锭，继续抽真空15-30分钟，打开放气阀放气，打开真空盖，即可得到磷含量很低的多晶硅锭。
所述备料：取一定量高磷含量的多晶硅料，用去离子水清洗4-5次，放入烘干箱中50℃温度下烘干，将此多晶硅料放入电子束熔炼炉内的熔炼坩埚中。
所述预处理：用真空泵组将电子束熔炼炉真空抽至0.002Pa以下；对底部带冷却的熔炼坩埚进行水冷，温度维持在25-45℃；预热电子枪，设置高压为28-30kV，高压预热5-10分钟后，关闭高压，电子枪束流设置为100-200mA，进行预热，预热10-15分钟后，关闭电子枪束流。
本发明的显著效果是采用了电子束分次熔炼的技术，所谓电子束分次熔炼是指，电子束小束流熔化熔炼多晶硅一段时间后停止束流，待硅锭变暗，硅蒸气回凝入熔池后，再次以小束流熔炼多晶硅一段时间后停止束流，重复小束流熔炼和停止束流的操作多次，最后冷却凝固得到磷含量很低的多晶硅的方法。此方法一方面降低硅的蒸发损失量，另一方面，由于大束流持续熔炼产生的大量硅蒸气将阻碍杂质磷的挥发，使得杂质磷回流重新进入硅熔体，这将减小杂质磷的去除效率，此方法将有效提高杂质磷的去除效率，并将杂质磷的含量降到更低的程度，以满足太阳能级硅的使用要求。此方法提纯效果好，技术稳定，工艺简单，节能降耗，周期短，生产效率高。
附图说明
附图1为一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图1详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。
实施例1
第一步备料：取500g磷含量为0.001%的多晶硅料，用去离子水清洗4次，放入烘干箱中50℃温度下烘干，将此多晶硅料放入电子束熔炼炉内的熔炼坩埚中；
第二步预处理：用真空泵组将电子束熔炼炉真空抽至0.0018Pa以下；对底部带冷却的熔炼坩埚进行水冷，温度维持在40℃；预热电子枪，设置高压为30kV，高压预热5分钟后，关闭高压，电子枪束流设置为100mA，进行预热，预热15分钟后，关闭电子枪束流；
第三步提纯：打开电子枪的高压和束流，稳定后用电子枪以200mA束流轰击高磷含量的多晶硅料，熔化后熔炼10min，降低束流为0mA，待硅锭完全变暗之后，再次将电子枪的束流调节至200mA进行熔化，熔化后熔炼10min，再次降低束流为0mA，再重复200mA束流电子束熔化后熔炼10min及降束流为0mA的操作3次，最后关闭束流，硅液冷却凝固成硅锭，继续抽真空30分钟，打开放气阀放气，打开真空盖，即可得到磷含量0.000025%的多晶硅锭。
实施例2
第一步备料：取500g磷含量为0.0013%的多晶硅料，用去离子水清洗4次，放入烘干箱中50℃温度下烘干，将此多晶硅料放入电子束熔炼炉内的熔炼坩埚中；
第二步预处理：用真空泵组将电子束熔炼炉真空抽至0.0018Pa以下；对底部带冷却的熔炼坩埚进行水冷，温度维持在40℃；预热电子枪，设置高压为30kV，高压预热5分钟后，关闭高压，电子枪束流设置为200mA，进行预热，预热10分钟后，关闭电子枪束流；
第三步提纯：打开电子枪的高压和束流，稳定后用电子枪以300mA束流轰击高磷含量的多晶硅料，熔化后熔炼5min，降低束流为0mA，待硅锭完全变暗之后，再次将电子枪的束流调节至300mA进行熔化，熔化后熔炼5min，再次降低束流为0mA，再重复300mA束流电子束熔化后熔炼10min及降束流为0mA的操作5次，最后关闭束流，硅液冷却凝固成硅锭，继续抽真空30分钟，打开放气阀放气，打开真空盖，即可得到磷含量0.00002%的多晶硅锭。
实施例3
第一步备料同实施例1；
第二步预处理：用真空泵组将电子束熔炼炉真空抽至0.0018Pa以下；对底部带冷却的熔炼坩埚进行水冷，温度维持在40℃；预热电子枪，设置高压为28kV，高压预热10分钟后，关闭高压，电子枪束流设置为150mA，进行预热，预热15分钟后，关闭电子枪束流；
第三步提纯：打开电子枪的高压和束流，稳定后用电子枪以300mA束流轰击高磷含量的多晶硅料，熔化后熔炼10min，降低束流为0mA，待硅锭完全变暗之后，再次将电子枪的束流调节至260mA进行熔化，熔化后熔炼8min，再次降低束流为0mA，再重复300mA束流电子束熔化后熔炼5min及降束流为0mA的操作5次，最后关闭束流，硅液冷却凝固成硅锭，继续抽真空30分钟，打开放气阀放气，打开真空盖，即可得到磷含量0.00002%的多晶硅锭。
本发明除磷经实例检验提纯效果好，能耗小，成本低，工艺简单，周期短，生产效率较高。

Claims (3)

1.一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法，其特征是：首先备料：将洗净烘干后的硅料置于电子束熔炼炉中；再预处理：对坩锅水冷、电子枪预热；最后提纯：打开电子枪的高压和束流，稳定后用电子枪以200-300mA束流轰击高磷含量的多晶硅料，熔化后熔炼5-10min，降低束流为0mA，待硅锭完全变暗之后，再次将电子枪的束流调节至200-300mA进行熔化，熔化后熔炼5-10min，再次降低束流为0mA，再重复200-300mA束流电子束熔化后熔炼5-10min及降束流为0mA的操作3-5次，最后关闭束流，硅液冷却凝固成硅锭，继续抽真空15-30分钟，打开放气阀放气，打开真空盖，最后冷却凝固即可得到磷含量0.00003%以下的多晶硅锭。
2.根据权利要求1所述的一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法，其特征是：所述备料：取一定量高磷含量的多晶硅料，用去离子水清洗4-5次，放入烘干箱中50℃温度下烘干，将此多晶硅料放入电子束熔炼炉内的熔炼坩埚中。
3.根据权利要求1所述的一种电子束分次熔炼提纯多晶硅的方法，其特征是：所述预处理：用真空泵组将电子束熔炼炉真空抽至0.002Pa以下；对底部带冷却的熔炼坩埚进行水冷，温度维持在25-45℃；预热电子枪，设置高压为28-30kV，高压预热5-10分钟后，关闭高压，电子枪束流设置为100-200mA，进行预热，预热10-15分钟后，关闭电子枪束流。
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