CN103043664A - 一种真空抽取尾料进行定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，特别涉及一种取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法及设备。该方法是在惰性气体中，将硅料熔化形成硅熔体保温；进行定向凝固；待凝固完成85~90%时，停止拉锭，将石英管伸入剩余硅熔体中，之后用真空装置对石英管另一端抽真空，剩余硅熔体在压力差作用下进入石英管中，继续向下拉锭，待坩埚离开加热区后，将尾料收集箱伸至石英管正下方；切断电源，停止加热,石英管胀裂后随尾料下落至尾料收集箱中，坩埚得到的铸锭为高纯硅铸锭。本发明防止了杂质的反扩散，减少了工艺，提高了铸锭的出成率，在凝固结束阶段实现杂质富集区的直接分离，该设备改造安装方便，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。

Description

一种真空抽取尾料进行定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，特别涉及一种提取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法及设备。

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，含量高的杂质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反而逐渐降低，这影响了提纯效果，且在这种情况下，切除的尾部尾料高达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，提出了一种真空抽取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法，在凝固尾声，将石英管伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，利用真空装置在石英管另一端抽真空，使真空腔室与石英管之间形成压力差，在压力差的作用下，上层熔体挤入石英管中，进行后处理除去杂质尾料，在凝固结束阶段实现杂质富集区的直接分离，有效遏制了杂质的反扩散，减少了提纯工艺，提高了铸锭的出成率，另外还提出了利用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：一种真空抽取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：在惰性气体保护环境中，将洗净的硅料加热至完全熔化形成硅熔体后保温；之后降温、垂直向下拉锭，进行定向凝固；待凝固完成85~90%时，停止拉锭，将石英管伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，之后用真空装置对石英管另一端抽真空，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下进入石英管之中，待上层未凝固的剩余硅熔体全部压入石英管后，继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱伸至石英管正下方；切断电源，停止加热，石英管中熔体凝固膨胀，石英管胀裂后随尾料下落至尾料收集箱中，坩埚中凝固得到的铸锭即为高纯硅铸锭。

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%洗净的硅料，关闭通气管路，开启真空泵组，先将真空腔室内的真空度抽到0.01-10Pa，之后关闭真空泵组，开启通气管路，向真空腔室内充入惰性气体，至压强达到100~4000Pa，关闭通气管路；

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85~90%时，停止拉锭，将石英管向下移动，伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，打开阀门，开启真空装置，将石英管中的真空度抽至1~100Pa，真空腔室和石英管中形成压力差，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下完全进入石英管中，之后以0.1-2mm/min的速度继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱水平伸至石英管正下方，将石英管下端降至距尾料收集箱5~15cm；

第三步后处理：切断电源，停止加热，石英管中的硅熔体冷却凝固并膨胀，将石英管胀裂后下落至尾料收集箱中，富含杂质的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩埚中凝固得到的铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%-99.999%，成品率达到85-95%。

所述硅料为工业硅，其纯度为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。

一种真空抽取尾料进行定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：外壁上固定安装有通气管路，且活动安装有尾料收集箱，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，碳毡保温桶套于石墨发热体之外且固定于真空腔室侧壁，碳毡保温盖上开有孔，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，石英管活动安装于真空腔室顶端，且其下端穿过碳毡保温盖置于坩埚正上方中心位置，上端通过阀门与真空装置活动密封连接，真空装置上安装有真空计。

所述石墨板上的孔至少为3个。

所述石墨托盘上开有卡槽。

所述石英管与真空腔室之间真空密封活动连接。

所述石英管为尖嘴石英管，其下端管口为尖嘴锥形，上端为圆柱形，整体呈上端封闭的漏斗形状。

所述真空装置包括机械泵和罗茨泵。

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，通过真空抽取方式利用压力差将杂质含量高的尾料压入石英管中，之后将其下落至尾料收集箱上，减少了杂质的反扩散，提高了铸锭的出成率，成品率达到85%-95%，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了石英管、通气管道和真空装置，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1一种真空装置抽取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备示意图

图中：（1）石英管，（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）熔体，（9）石墨托盘，（10）石墨支柱，（11）石墨板，（12）水冷盘，（13）尾料收集箱，（14）真空泵组，（15）真空管路，（16）通气管路，（17）阀门，（18）真空装置，（19）真空计

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所示的一种真空抽取尾料进行定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15，真空管路一端与真空泵组14相连。

外壁上固定安装有通气管路16，且活动安装有尾料收集箱13，水冷盘12活动安装于真空腔室底部，石墨板11置于水冷盘顶端，石墨板上开有孔，石墨支柱10一端通过孔与石墨板嵌套连接，另一端与石墨托盘9嵌套连接，坩埚置于石墨托盘之上，石墨发热体6套于坩埚7外围且固定于真空腔室侧壁，碳毡保温桶4套于石墨发热体之外且固定于真空腔室侧壁，碳毡保温盖3上开有孔，置于碳毡保温桶顶端，感应线圈5套于碳毡保温桶之外且固定于真空腔室侧壁之上。

石英管1活动安装于真空腔室顶端，且其下端穿过碳毡保温盖置于坩埚正上方中心位置，上端通过阀门17与真空装置18活动密封连接，真空装置上安装有真空计19。

石墨板11上的孔为4个，石墨托盘9上开有卡槽，利于石墨支柱与其的嵌套连接。

石英管1与真空腔室2之间真空密封活动连接，石英管可以上下移动且保持密封的效果。

石英管为尖嘴石英管，其下端管口为尖嘴锥形，上端为圆柱形，整体呈上端封闭的漏斗形状。

真空装置包括机械泵和罗茨泵。

实施例2

采用实施例1所述的设备来取尾料进行定向凝固提纯多晶硅，首先向坩埚7中添加坩埚体积90%洗净的纯度为99.5%硅料，关闭通气管路16，开启真空泵组14，将真空腔室2内的真空度抽到10Pa，之后关闭真空泵组，开启通气管路16，向真空腔室2内充入99.91%氩气，至压强达到100Pa，关闭通气管路13；

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℃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，使坩埚中的硅熔体以2mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到85%时，停止拉锭，将石英管向下移动，伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，打开阀门17，开启真空装置18，将石英管中的真空度抽至1Pa，真空腔室和石英管中形成压力差，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下完全进入石英管中，之后以2mm/min的速度继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱水平伸至石英管正下方，将石英管1下端降至距尾料收集箱15cm；

第三步后处理：切断电源，停止加热，石英管1中的硅熔体冷却凝固并膨胀，将石英管胀裂后下落至尾料收集箱14中，富含杂质的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩埚中凝固得到的铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%，成品率达到85%。

实施例3

采用实施例1所述的设备来取尾料进行定向凝固提纯多晶硅，首先向坩埚7中添加坩埚体积93%洗净的纯度为99.6%硅料，关闭通气管路16，开启真空泵组14，将真空腔室2内的真空度抽到1Pa，之后关闭真空泵组，开启通气管路16，向真空腔室2内充入99.95%氩气，至压强达到1000Pa，关闭通气管路13；

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1550℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温40min，垂直向下拉动水冷盘，使坩埚中的硅熔体以0.9mm/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87%时，停止拉锭，将石英管向下移动，伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，打开阀门17，开启真空装置18，将石英管中的真空度抽至50Pa，真空腔室和石英管中形成压力差，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下完全进入石英管中，之后以0.9mm/min的速度继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱水平伸至石英管正下方，将石英管1下端降至距尾料收集箱10cm；

第三步后处理：切断电源，停止加热，石英管1中的硅熔体冷却凝固并膨胀，将石英管胀裂后下落至尾料收集箱14中，富含杂质的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩埚中凝固得到的铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.996%，成品率达到92%。

实施例4

采用实施例1所述的设备来取尾料进行定向凝固提纯多晶硅，首先向坩埚7中添加坩埚体积95%洗净的纯度为99.9%硅料，关闭通气管路16，开启真空泵组14，将真空腔室2内的真空度抽到0.01Pa，之后关闭真空泵组，开启通气管路16，向真空腔室2内充入99.95%氦气，至压强达到4000Pa，关闭通气管路13；

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，使坩埚中的硅熔体以0.1mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到90%时，停止拉锭，将石英管向下移动，伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，打开阀门17，开启真空装置18，将石英管中的真空度抽至100Pa，真空腔室和石英管中形成压力差，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下完全进入石英管中，之后以0.1mm/min的速度继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱水平伸至石英管正下方，将石英管1下端降至距尾料收集箱5cm；

第三步后处理：切断电源，停止加热，石英管1中的硅熔体冷却凝固并膨胀，将石英管胀裂后下落至尾料收集箱14中，富含杂质的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩埚中凝固得到的铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.999%，成品率达到95%。

Claims (10)

1.一种真空抽取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：在惰性气体保护环境中，将洗净的硅料加热至完全熔化形成硅熔体后保温；之后降温、垂直向下拉锭，进行定向凝固；待凝固完成85~90%时，停止拉锭，将石英管伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，之后用真空装置对石英管另一端抽真空，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下进入石英管之中，待上层未凝固的剩余硅熔体全部压入石英管后，继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱伸至石英管正下方；切断电源，停止加热，石英管中熔体凝固膨胀，石英管胀裂后随尾料下落至尾料收集箱中，坩埚中凝固得到的铸锭即为高纯硅铸锭。

2.根据权利要求1所述一种真空抽取尾料进行定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%洗净的硅料，关闭通气管路（16），开启真空泵组（14），先将真空腔室（2）内的真空度抽到0.01-10Pa，之后关闭真空泵组，开启通气管路（16），向真空腔室（2）内充入惰性气体，至压强达到100~4000Pa，关闭通气管路（16）；

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85~90%时，停止拉锭，将石英管向下移动，伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，打开阀门（17），开启真空装置（18），将石英管中的真空度抽至1~100Pa，真空腔室和石英管中形成压力差，上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下完全进入石英管中，之后以0.1-2mm/min的速度继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱水平伸至石英管正下方，将石英管（1）下端降至距尾料收集箱5~15cm；

第三步后处理：切断电源，停止加热，石英管（1）中的硅熔体冷却凝固并膨胀，将石英管胀裂后下落至尾料收集箱（13）中，富含杂质的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩埚中凝固得到的铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%-99.999%，成品率达到85-95%。

3.根据权利要求1或2任一所述的一种真空抽取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：所述硅料为工业硅，其纯度为99.5%~99.9%。

4.根据权利要求1或2任一所述的一种真空抽取尾料进行定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所述一种真空抽取尾料进行定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（15），真空管路一端与真空泵组（14）相连，其特征是：外壁上固定安装有通气管路（16），且活动安装有尾料收集箱（13），水冷盘（12）活动安装于真空腔室底部，石墨板（11）置于水冷盘顶端，石墨板上开有孔，石墨支柱（10）一端通过孔与石墨板嵌套连接，另一端与石墨托盘（9）嵌套连接，坩埚置于石墨托盘之上，石墨发热体（6）套于坩埚（7）外围且固定于真空腔室侧壁，碳毡保温桶（4）套于石墨发热体之外且固定于真空腔室侧壁，碳毡保温盖（3）上开有孔，置于碳毡保温桶顶端，感应线圈（5）套于碳毡保温桶之外且固定于真空腔室侧壁之上，石英管（1）活动安装于真空腔室顶端，且其下端穿过碳毡保温盖置于坩埚正上方中心位置，上端通过阀门（17）与真空装置（18）活动密封连接，真空装置上安装有真空计（19）。

6.根据权利要求5所述的一种真空抽取尾料进行定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。

7.根据权利要求5所述的一种真空抽取尾料进行定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。

8.根据权利要求5所述的一种石英管取尾料式定向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，其特征是：所述石英管（1）与真空腔室（2）之间真空密封活动连接。

9.根据权利要求5或8任一所述的一种石英管取尾料式定向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，其特征是：所述石英管（1）为尖嘴石英管，其下端管口为尖嘴锥形，上端为圆柱形，整体呈上端封闭的漏斗形状。

10.根据权利要求5所述的一种真空抽取尾料进行定向凝固提纯多晶硅的方法所采用的设备，其特征是：所述真空装置（18）包括机械泵和罗茨泵。

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