CN102674365A - 去除多晶硅中金属杂质的方法 - Google Patents

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张海军
车永军
田鹏
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Abstract

一种去除多晶硅中金属杂质的方法，具体步骤如下：将工业硅投入坩埚；降低炉膛内压力至10Pa以下；启动加热装置，将工业硅全部融化后，缓慢调低加热温度至熔融的工业硅的温度保持在1420℃～1421℃之间；向炉膛内充入保护气体；将石墨气冷装置插入熔融的工业硅中，向石墨气冷装置中通入保护气体，当石墨气冷装置表面的多晶硅的厚度为20mm～50mm时，将石墨气冷装置取出；将取石墨气冷装置上的硅敲下至盛放容器中；反复提取至石墨气冷装置用于析出多晶硅的部分不能完全插入熔融的工业硅中。优点是：耗能少、生产效率高、生产成本低、操作简单。

Description

去除多晶硅中金属杂质的方法
技术领域
本发明涉及一种去除多晶硅中金属杂质的方法。
背景技术
多晶硅是单质硅的一种形态，由大小不等的小晶粒组成，其晶粒尺寸一般在几十到几百纳米之间。多晶硅在长波段具有高光敏性，同时还具有与单晶硅一样的光照稳定性，能有效、稳定的吸收可见光，是高效、低耗的太阳能电池材料。
传统的太阳能级多晶硅制备工艺起源于半导体工业用电子级多晶硅制备工艺，主要通过提高硅单质的沉积速度，将硅单质与杂质分离，得到纯度略低的太阳能多晶硅，将得到的多晶硅利用化学反应2Si+H2+3Cl2=2SiHCl3转化为中间化合物，再利用精馏提纯技术提纯中间化合物，以保证中间化合物的高纯度，最后将中间化合物还原为高纯度的多晶硅。此方法生产出的多晶硅的纯度在6N以上，超高纯度的多晶硅其纯度可达到11N。依据上述方法得到的多晶硅纯度高，因此，目前有70%以上的多晶硅是由这种方法制备的。
这种方法存在以下不足之处：1）、沉积温度高达1100℃，沉积时间长，整个过程耗能多；2）、该方法工序繁琐，耗时长，生产效率低；3）、该方法所用的回收装置造价高，增大了多晶硅的生产成本；4）、该方法的操作难度大，不利于在中小型企业中推广实施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种纯度高、耗能少、生产效率高、生产成本低、操作简单的去除多晶硅中金属杂质的方法。
本发明是这样实现的：
一种去除多晶硅中金属杂质的方法，其特殊之处是具体步骤如下：
1）、将高纯度石墨坩埚放入炉膛内，将工业硅投入坩埚，所述的工业硅的投入量为坩埚容积的90%～100%；
2）、关闭炉盖，启动真空泵将炉膛内的空气抽出，降低炉膛内压力至10Pa以下；
3）、启动加热装置，将工业硅全部融化后，缓慢调低加热温度至熔融的工业硅的温度保持在1420℃～1421℃之间；
4）、关闭真空泵，打开进气阀，向炉膛内充入保护气体，使炉膛内的气压与大气压相同；
5）、将石墨气冷装置插入熔融的工业硅中，向石墨气冷装置中通入保护气体，多晶硅析出并包裹在石墨气冷装置的表面，当石墨气冷装置表面的多晶硅的厚度为20mm～50mm时，将石墨气冷装置取出；
6）、用高纯石墨棒将取出来的石墨气冷装置上的硅敲下至盛放容器中，得到提纯的多晶硅；
7）、重复第5步、第6步至石墨气冷装置用于析出多晶硅的部分不能完全插入熔融的工业硅中，此时坩埚内残余熔融的工业硅废液。
所述工业硅全部融化后调低加热温度时，降温速率为2℃/h～5℃/h。
所述保护气体的通入速度为30L/min～40L/min，以稳定的析出多晶硅。
所述石墨气冷装置是由石墨外套和设置在石墨外套内的进气管构成。
所述石墨气冷装置插入熔融的工业硅时其插入深度为15cm～20cm。
所述石墨气冷装置以5r/min～8r/min的速度自转，以使析出的多晶硅均匀快速的包裹在石墨气冷装置表面。
所述保护气体为氩气、氖气、氮气或者氦气。
所述真空泵为罗茨泵。
所述残余熔融的工业硅废液回收，然后投入坩埚内。
所述高纯度石墨坩埚、高纯度石墨棒的纯度为99.9%以上。
本发明的有益效果是：
1）、该方法利用杂质分凝现象的原理，对多晶硅进行重结晶以达到提纯多晶硅的目的，避免了因进行长时间的沉积而耗费大量的能量；
2）、该方法无需将多晶硅转化成中间化合物，生产效率高；
3）、该方法中用到的设备简单，造价低廉，大大降低了多晶硅的生产成本；
4）、该方法仅需加热熔融工业硅、冷却结晶得到纯净的多晶硅，多晶硅的纯度为99.9999%以上，工序简单，操作简单，易于在中小企业中推广实施。
附图说明
图1是本发明所用设备示意图。
图中：罗茨泵1，炉膛2，炉盖201，石墨坩埚3，石墨气冷装置4，石墨外套401，进气管402，进气阀5。
具体实施方式：
实施例1
如图所示，该去除多晶硅中金属杂质的方法，具体步骤如下：
1）、将纯度为99.9%的石墨坩埚3放入炉膛2内，将工业硅投入坩埚3，所述的工业硅的投入量为坩埚3容积的90%。
2）、关闭炉盖201，启动罗茨泵1将炉膛3内的空气抽出，使炉膛2内压力达到2Pa。
3）、启动加热装置，将加热温度调节至1450℃并保持1.5h，待工业硅全部融化后，缓慢调低加热温度至熔融的工业硅的温度保持在1420℃。
4）、关闭罗茨泵1，打开进气阀5，向炉膛内充入氩气，使炉膛2内的气压与大气压相同。
5）、将石墨气冷装置4插入熔融的工业硅中，所述的石墨气冷装置4是由石墨外套401和设置在石墨外套401内的进气管构成；插入深度为15cm，控制石墨气冷装置4以5r/min的速度自转，并以40L/min的速率向石墨气冷装置4中通入氩气，多晶硅析出并包裹在石墨气冷装置4的表面，当石墨气冷装置4表面的多晶硅的厚度为50mm时，将石墨气冷装置4取出。
6）、用纯度为99.9%的石墨棒将取出来的石墨气冷装置4上的硅敲下至盛放容器中。
7）、重复步骤5）、6）至熔融的工业硅的液面为15cm，得到纯度为99.9999%的多晶硅。
8）、将提纯后的废料回收，然后投入至坩埚中，重复提纯。
所述氩气可用氖气、氮气或者氦气、代替。
实施例2
如图所示，该去除多晶硅中金属杂质的方法，具体步骤如下：
1）、将纯度为99.9%的石墨坩埚3放入炉膛2内，将工业硅投入坩埚3，所述的工业硅的投入量为坩埚3容积的95%。
2）、关闭炉盖201，启动罗茨泵1将炉膛2内的空气抽出，使炉膛2内压力达到6Pa。
3）、启动加热装置，将加热温度调节至1450℃并保持2h，待工业硅全部融化后，缓慢调低加热温度至熔融的工业硅的温度保持在1421℃。
4）、关闭罗茨泵1，打开氮气进气阀5，向炉膛2内充入氮气（也可用氩气、氖气或者氦气），使炉膛2内的气压与大气压相同。
5）、将石墨气冷装置4插入熔融的工业硅中，插入深度为18cm，石墨气冷装置4以7r/min的速度自转，并以35L/min的速度向石墨气冷装置4中通入氖气（也可用氩气、氮气或者氦气），多晶硅析出并包裹在石墨气冷装置4的表面，当石墨气冷装置4表面的多晶硅的厚度为35mm时，将石墨气冷装置4取出。
6）、用纯度为99.9%的石墨棒将取出来的石墨气冷装置4上的硅敲下至盛放容器中，得到提纯的多晶硅成品。
7）、重复步骤5）、6）至坩埚内残余18cm熔融的工业硅废液，得到纯度为99.99993%的多晶硅。
8）、将提纯后熔融的工业硅废液回收，然后投入至坩埚中，重复提纯。
所述氮气。
实施例3
如图所示，该去除多晶硅中金属杂质的方法，具体步骤如下：
1）、将纯度为99.9%的石墨坩埚3放入炉膛2内，将工业硅投入坩埚3，所述的工业硅的投入量为坩埚3容积的100%。
2）、关闭炉盖201，启动罗茨泵1将炉膛2内的空气抽出，使炉膛2内压力达到10Pa。
3）、启动加热装置，将加热温度调节至1450℃并保持1.8h，待工业硅全部融化后，缓慢调低加热温度至熔融的工业硅的温度保持在1421℃。
4）、关闭罗茨泵1，打开氦气进气阀5，向炉膛2内充入氦气（也可用氩气、氖气或氮气），使炉膛2内的气压与大气压相同。
5）、将石墨气冷装置4插入熔融的工业硅中，插入深度为20cm，石墨气冷装置4以8r/min的速度自转，并以30L/min的速度向石墨气冷装置4中通入氩气（也可用氦气、氖气或氮气），多晶硅析出并包裹在石墨气冷装置4的表面，当石墨气冷装置4表面的多晶硅的厚度为20mm时，将石墨气冷装置4取出。
6）、用纯度为99.9%的石墨棒将取出来的石墨气冷装置4上的硅敲下至盛放容器中，得到提纯的多晶硅成品。
7）、重复步骤5）、6）至坩埚内残余20cm熔融的工业硅废液，得到纯度为99.99995%的多晶硅。
 [0044] 8）、将提纯后熔融的工业硅废液回收，然后投入至坩埚中，重复提纯。
上述实施例1-实施例3中的氩气用氖气（或氮气或者氦气）代替。
所述氩气可用氖气、氮气或者氦气、代替。
实施例4
所述高纯度石墨坩埚、高纯度石墨棒的纯度为99.92%，其它同实施例1。
实施例5
所述高纯度石墨坩埚、高纯度石墨棒的纯度为99.95%，其它同实施例2。
实施例6
所述高纯度石墨坩埚、高纯度石墨棒的纯度为99.97%，其它同实施例3。 

Claims (10)

1.一种去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：
1）、将高纯度石墨坩埚放入炉膛内，将工业硅投入坩埚，所述的工业硅的投入量为坩埚容积的90%～100%；
2）、关闭炉盖，启动真空泵将炉膛内的空气抽出，降低炉膛内压力至10Pa以下；
3）、启动加热装置，将工业硅全部融化后，缓慢调低加热温度至熔融的工业硅的温度保持在1420℃～1421℃之间；
4）、关闭真空泵，打开进气阀，向炉膛内充入保护气体，使炉膛内的气压与大气压相同；
5）、将石墨气冷装置插入熔融的工业硅中，向石墨气冷装置中通入保护气体，多晶硅析出并包裹在石墨气冷装置的表面，当石墨气冷装置表面的多晶硅的厚度为20mm～50mm时，将石墨气冷装置取出；
6）、用高纯石墨棒将取出来的石墨气冷装置上的硅敲下至盛放容器中，得到提纯的多晶硅；
7）、重复第5步、第6步至石墨气冷装置用于析出多晶硅的部分不能完全插入熔融的工业硅中，此时坩埚内残余熔融的工业硅废液。
2.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述工业硅全部融化后调低加热温度时，降温速率为2℃/h～5℃/h。
3.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述保护气体的通入速度为30L/min～40L/min。
4.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述石墨气冷装置是由石墨外套和设置在石墨外套内的进气管构成。
5.根据权利要求1或4所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述石墨气冷装置插入熔融的工业硅时其插入深度为15cm～20cm。
6.根据权利要求1或4所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述石墨气冷装置以5r/min～8r/min的速度自转。
7.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述保护气体为氩气、氖气、氮气或者氦气。
8.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述真空泵为罗茨泵。
9.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述残余熔融的工业硅废液回收，然后投入坩埚内。
10.根据权利要求1所述的去除多晶硅中金属杂质的方法，其特征是：所述高纯度石墨坩埚、高纯度石墨棒的纯度为99.9%以上。
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