CN102976335A - 一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于冶金提纯技术领域，特别涉及一种反向诱导凝固的方法及设备。该方法在真空环境中，将洗净的硅料加热至完全熔化定向凝固；待凝固完成80~90%时，转动坩埚使上层硅熔体在离心力的作用下向坩埚侧壁聚集，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入惰性气体，使上层剩余硅熔体在气流的作用下从坩埚中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，在坩埚侧壁处完全凝固；整个硅锭冷却后去除坩埚侧壁凝固得到的上层铸锭，剩余的铸锭为高纯硅铸锭，本发明的设备是在原有定向凝固设备的基础之上增加坩埚旋转和吹气的功能，本发明减少了杂质的反扩散，提高了铸锭的出成率，减少了工艺环节，降低了能耗，设备改造安装方便，有效去除铸锭尾部富集的杂质，节约生产周期和成本。

Description

一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法及设备

技术领域

    本发明属于冶金提纯技术领域，特别涉及一种诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，另外还涉及其设备。

背景技术

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯，在对硅原料进行提纯的过程中，定向凝固方法对去除硅原料中分凝系数非常小的金属杂质至关重要，是目前太阳能级多晶硅提纯的最有效的方法之一，此外，定向凝固技术广泛应用于冶金提纯。定向凝固是采用强制的手段在熔体中形成特定方向的温度梯度，使温度低的部位的熔体结晶成核，成为熔体凝固的起点首先凝固，由于温度梯度的存在，熔体沿着热流相反的方向凝固，获得具有特定取向的柱状晶。定向凝固提纯是利用杂质元素在熔体与固体中的溶解度不同，在凝固过程中分凝系数较小的杂质元素被推向固液界面前沿，在熔体中不断富集，最后在铸锭的尾部凝固，将铸锭尾部切除，即可达到提纯的目的。

然而，铸锭在凝固尾声，杂质富集于坩埚顶部的熔体，在最后缓慢凝固过程中，杂质含量高的部位会向杂质含量低的部位扩散，使得硅纯度随着保温时间的延长而逐渐降低，这影响了提纯效果，且在这种情况下，切除的尾部废料高达25%~35%，即成品率仅为65-75%，而硅锭的硬度比较大，需要大功率切割设备才能将提纯的硅锭和尾部杂质含量高的铸锭尾料分离出来，目前一般使用线切割和金刚石锯带切割的方法进行切割，但是切割设备成本高，锯带消耗大，不利于工业化生产成本的降低，而国内鲜见富有成效的方法来方便尾料的去除。

发明内容

本发明目的是为克服以上不足，提出了一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，在凝固尾声，使坩埚旋转并吹入一定量的高纯惰性气体，使熔硅在离心力及气流的双重作用下向坩埚侧壁聚集并迅速反向凝固，减少了杂质的反扩散，提高了铸锭的出成率，在凝固结束阶段实现杂质富集区的反向凝固和分离，另外还提出了该方法所采用的设备，该设备简单，操作简便，成本较低，且利于杂质含量高的铸锭尾料得到方便快捷地去除。

为实现上述目的所采用的技术方案是：一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：在真空环境中，将洗净的硅料加热到1450-1650℃至完全熔化形成硅熔体，保温后降温、垂直向下拉锭，进行定向凝固；待凝固完成80~90%时，转动坩埚使上层剩余硅熔体在离心力的作用下向坩埚侧壁聚集，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入惰性气体，使上层剩余硅熔体在气流的作用下从坩埚中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚侧壁处完全凝固；待整个硅锭冷却后取出，去除坩埚侧壁凝固得到的上层铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭。

所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：所采用方法的具体步骤如下：

第一步前处理：向坩埚中添加坩埚体积90~95%的洗净的硅料，之后开启真空泵组将真空腔室内的真空度抽到0.1-5Pa；

第二步熔炼、凝固：开启电源，利用感应线圈和石墨发热体将坩埚中的硅料加热到1450~1650℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温30~60min，垂直向下拉动水冷盘，使坩埚中的硅熔体以0.1-2mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到80~90%，转动水冷盘，使坩埚以30~50r/min的速率匀速转动，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入惰性气体，上层剩余硅熔体在离心力和气流的双重作用下从坩埚中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚侧壁处完全凝固；

第三步后处理：停止加热，待整个硅锭冷却后取出，去除坩埚上层侧壁凝固得到的杂质富集的铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%-99.999%。 

所述硅料纯度为99.5%~99.9%。

所述惰性气体为高纯氩气或高纯氦气，其纯度为99.9%以上。

所述惰性气体吹入的速度为8-40m/s，吹入时的温度为5~15℃。

一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，由真空腔室构成外壁，外壁上安装有真空管路，真空管路一端与真空泵组相连，其特征是：水冷盘活动安装于真空腔室底部，石墨板置于水冷盘顶端，石墨板上开有孔，石墨支柱一端通过孔与石墨板嵌套连接，另一端与石墨托盘嵌套连接，坩埚置于石墨托盘之上，石墨发热体套于坩埚外围且固定于真空腔室侧壁之上，碳毡保温桶套于石墨发热体之外且固定于真空腔室侧壁之上，碳毡保温盖上开有孔，且置于碳毡保温桶顶端，感应线圈套于碳毡保温桶之外，且固定于真空腔室侧壁之上，吹气管路活动安装于真空腔室顶端，吹气管路的吹气口位于坩埚正上方中心位置。

所述石墨板上的孔至少为3个。

所述石墨托盘上开有卡槽。

所述吹气管路与真空腔室之间真空密封活动连接，且其吹气口距离坩埚正上方5-15cm。

本发明方法的显著效果是：当熔体凝固到杂质相对集中的硅锭顶部时，开始转动坩埚，同时从坩埚顶部向最后凝固的杂质含量较高的硅熔体中心吹入惰性气体，使得此部分硅熔体在离心力以及气流的双重作用下向坩埚侧壁聚集并迅速反向凝固，将杂质钉扎在上层铸锭之中，减少了杂质的反扩散，提高了铸锭的出成率，成品率达到80%-95%；而且凝固后上层硅锭杂质含量较高，中间较薄，两侧较厚，下层硅锭是通过缓慢定向凝固获得，杂质含量很低，由于上层硅锭与下层定向凝固硅锭晶粒的晶向不同，致密度也不相同，两层硅锭之间的结合力较弱，可通过敲打方式分离，减少了线切割和金刚石锯带切割的消耗，减少了工艺环节，降低了能耗。

本发明的设备是在原有定向凝固设备的基础之上增加坩埚旋转和吹气的功能，设备改造安装方便，操作简单，能有效去除铸锭尾部富集的杂质，节约了生产周期和成本，适用于工业化大规模生产。

附图说明

图1一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备结构示意图

图中：（1）吹气管路，（2）真空腔室，（3）碳毡保温盖，（4）碳毡保温桶，（5）感应线圈，（6）石墨发热体，（7）坩埚，（8）熔融硅液，（9）石墨托盘，（10）石墨支柱，（11）石墨板，（12）水冷盘，（13）真空管路，（14）真空泵组

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图详细说明本发明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1

如图1所示的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，由真空腔室2构成外壁，外壁上安装有真空管路13，真空管路13一端与真空泵组14相连，用于对真空腔室抽真空，水冷盘12活动密封安装于真空腔室2底部，其内部安装有冷却水管道，实现对水冷盘的冷却，石墨板11置于水冷盘顶端，石墨板11上开有孔，石墨支柱10一端通过孔与石墨板11嵌套连接，另一端与石墨托盘9嵌套连接，坩埚7置于石墨托盘9之上，石墨发热体6套于坩埚外围且固定于真空腔室2侧壁之上，碳毡保温桶4套于石墨发热体6之外且固定于真空腔室2侧壁之上，碳毡保温盖3置于碳毡保温桶4顶端，防止杂物落入坩埚之中，感应线圈5套于碳毡保温桶4之外，且固定于真空腔室2侧壁之上，吹气管路1固定安装于真空腔室2顶端，且吹气管路1的吹气口位于坩埚正上方中心。

碳毡保温盖3上开有孔，碳毡保温盖3与碳毡保温桶4之间，碳毡保温盖3与吹气管路1都是非密封连接，利于吹入的惰性气体被真空泵组抽走。

石墨板11上的孔为4个。

石墨托盘9上开有卡槽，用于对坩埚进行卡位和固定。

吹气管路1与真空腔室2之间真空密封固定连接，以保证真空腔室的真空度，其吹气口距离坩埚10cm，保证气流平稳吹在上层熔体表面。

实施例2

采用实施例1所述的设备来诱导反向凝固提纯多晶硅，首先向坩埚7中添加坩埚体积95%的洗净的硅料，纯度为99.5%，之后开启真空泵组14将真空腔室2内的真空度抽到5Pa；

第二步熔炼、凝固：开启电源，利用感应线圈5和石墨发热体6将坩埚7中的硅料加热到1450℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温30min，垂直向下拉动水冷盘12，使坩埚7中的硅熔体以2mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚7底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到80%，旋转水冷盘12，使坩埚7以30r/min的速率旋转，使得上层剩余硅熔体在离心力的作用下向坩埚7侧壁聚集，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入纯度为99.91%的氩气，吹入的速度为8m/s，吹入时的温度为15℃，使得上层剩余硅熔体在气流的作用下从坩埚7中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚7侧壁处完全凝固。

第三步后处理：停止加热，待整个硅锭冷却后取出，去除上层坩埚7侧壁凝固得到的杂质富集的铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%，成品率达到80%。 

实施例3

采用实施例1所述的设备来诱导反向凝固提纯多晶硅，首先向坩埚7中添加坩埚体积93%的洗净的硅料，纯度为99.7%，之后开启真空泵组14将真空腔室2内的真空度抽到2Pa；

第二步熔炼、凝固：开启电源，利用感应线圈5和石墨发热体6将坩埚7中的硅料加热到1500℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温45min，垂直向下拉动水冷盘12，使坩埚7中的硅熔体以0.8mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚7底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到85%，旋转水冷盘12，使坩埚7以40r/min的速率旋转，使得上层剩余硅熔体在离心力的作用下向坩埚7侧壁聚集，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入纯度为99.94%的氩气，吹入的速度为25m/s，吹入时的温度为10℃，使得上层剩余硅熔体从坩埚7中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚7侧壁处完全凝固。

第三步后处理：停止加热，待整个硅锭冷却后取出，去除上层坩埚7侧壁凝固得到的杂质富集的铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.995%，成品率达到91%。

实施例4

采用实施例1所述的设备来诱导反向凝固提纯多晶硅，首先向坩埚7中添加坩埚体积90%的洗净的硅料，纯度为99.9%，之后开启真空泵组14将真空腔室2内的真空度抽到0.1Pa；

第二步熔炼、凝固：开启电源，利用感应线圈5和石墨发热体6将坩埚7中的硅料加热到1650℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温60min，垂直向下拉动水冷盘12，使坩埚7中的硅熔体以0.1mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚7底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到95%，旋转水冷盘12，使坩埚7以50r/min的速率旋转，使得上层剩余硅熔体在离心力的作用下向坩埚7侧壁聚集，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入纯度为99.97%的氩气，吹入的速度为40m/s，吹入时的温度为5℃，使得上层剩余硅熔体从坩埚7中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚7侧壁处完全凝固。

第三步后处理：停止加热，待整个硅锭冷却后取出，去除上层坩埚7侧壁凝固得到的杂质富集的铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.999%。成品率达到95%。

Claims (9)

1.一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：在真空环境中，将洗净的硅料加热至完全熔化形成硅熔体，保温后降温、垂直向下拉锭，进行定向凝固；待凝固完成80~90%时，转动坩埚（7）使上层剩余硅熔体在离心力的作用下向坩埚（7）侧壁聚集，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入惰性气体，使上层剩余硅熔体在气流的作用下从坩埚（7）中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚（7）侧壁处完全凝固；待整个硅锭冷却后取出，去除坩埚（7）侧壁凝固得到的上层铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭。

2.根据权利要求1所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：所采用方法的具体步骤如下：

第一步前处理：向坩埚（7）中添加坩埚体积90~95%的洗净的硅料，之后开启真空泵组（14）将真空腔室（2）内的真空度抽到0.1-5Pa；

第二步熔炼、凝固：开启电源，利用感应线圈（5）和石墨发热体（6）将坩埚（7）中的硅料加热到1450~1650℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温30~60min，垂直向下拉动水冷盘（12），使坩埚（7）中的硅熔体以0.1-2mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚（7）底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到80~90%，转动水冷盘（12），使坩埚（7）以30~50r/min的速率匀速转动，同时向上层剩余硅熔体顶端中心吹入惰性气体，上层剩余硅熔体在离心力和气流的双重作用下从坩埚（7）中心向侧壁聚集并迅速反向凝固，最后在坩埚（7）侧壁处完全凝固；

第三步后处理：停止加热，待整个硅锭冷却后取出，去除坩埚（7）上层侧壁凝固得到的杂质富集的铸锭，剩余的下层铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%-99.999%。

3. 根据权利要求1或2任一所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：所述硅料纯度为99.5%~99.9%。

4.根据权利要求1或2任一所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：所述惰性气体为高纯氩气或高纯氦气，其纯度为99.9%以上。

5.根据权利要求1或2任一所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：所述惰性气体吹入的速度为8-40m/s，吹入时的温度为5~15℃。

6.一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，由真空腔室（2）构成外壁，外壁上安装有真空管路（13），真空管路（13）一端与真空泵组（14）相连，其特征是：水冷盘（12）活动安装于真空腔室（2）底部，石墨板（11）置于水冷盘顶端，石墨板（11）上开有孔，石墨支柱（10）一端通过孔与石墨板（11）嵌套连接，另一端与石墨托盘（9）嵌套连接，坩埚（7）置于石墨托盘（9）之上，石墨发热体（6）套于坩埚外围且固定于真空腔室（2）侧壁之上，碳毡保温桶（4）套于石墨发热体（6）之外且固定于真空腔室（2）侧壁之上，碳毡保温盖（3）上开有孔，且置于碳毡保温桶（4）顶端，感应线圈（5）套于碳毡保温桶（4）之外，且固定于真空腔室（2）侧壁之上，吹气管路（1）活动安装于真空腔室（2）顶端，吹气管路（1）的吹气口位于坩埚正上方中心位置。

7.根据权利要求6所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，其特征是：所述石墨板（11）上的孔至少为3个。

8.根据权利要求6所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，其特征是：所述石墨托盘（9）上开有卡槽。

9.根据权利要求6所述的一种旋转和吹气诱导反向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，其特征是：所述吹气管路（1）与真空腔室（2）之间真空密封活动连接，且其吹气口距离坩埚正上方5-15cm。

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