CN104178810A - 一种电子束熔炼装置及利用该装置制备硼母合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子束熔炼装置及利用该装置制备硼母合金的方法，属于硼母合金制备领域。所述装置包括熔炼室，所述熔炼室内设有无底的水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚底部内部尺寸与位于其下方的定向凝固拉锭装置的水冷铜拉锭底座的尺寸相配合，使得水冷铜拉锭底座与无底的水冷铜坩埚形成一个完整的水冷铜坩埚；水冷铜拉锭底座底部固定拉锭杆，拉锭杆与电机相连；所述水冷铜坩埚的上方设有加料装置，所述加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门。利用本发明提供的装置和工艺可实现硼母合金的连续化生产，可保证生产室内持续高真空，避免了开关仓门时抽真空和放气需要的等待时间以及不必要的能源浪费，提高生产效率，降低能耗。

Description

一种电子束熔炼装置及利用该装置制备硼母合金的方法

技术领域

本发明涉及一种电子束熔炼装置及利用该装置制备硼母合金的方法，属于硼母合金制备领域。

背景技术

光伏行业中所谓“母合金”就是杂质元素与硅的合金，主要是指硼硅合金，母合金的作用就是对原料进行掺杂，目的主要是用来改变硅熔体中施主杂质(如磷)或受主杂质(如硼)的杂质浓度，使其生长出的单晶或多晶电阻率达到规定的要求。

传统的母合金生产制造方法都是由单晶炉拉制而成，其缺点是：产量低，传统的单晶炉一炉拉出的单晶棒重量在100kg左右，而且自动化程度相对较低，操作比较复杂，单晶炉体积小，拉制的单晶棒受到长度和直径的影响，产能小，制作成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子束熔炼装置及利用该装置制备硼母合金的方法。

一种电子束熔炼装置，所述装置包括熔炼室，熔炼室内设有定向凝固拉锭装置；

所述熔炼室内设有无底的水冷铜坩埚，所述水冷铜坩埚底部内部尺寸与位于其下方的定向凝固拉锭装置的水冷铜拉锭底座的尺寸相配合，使得水冷铜拉锭底座与无底的水冷铜坩埚形成一个完整的水冷铜坩埚；水冷铜拉锭底座底部固定拉锭杆，拉锭杆与电机相连；所述水冷铜坩埚的上方设有加料装置，所述加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门；所述水冷铜拉锭底座下方设有圆锥台形水冷铜保护套，所述水冷铜保护套使得水冷铜拉锭底座在下降拉锭时位于水冷铜保护套形成的圆锥台中。

本发明所述电子束熔炼装置还包括熔炼室真空系统，用于控制熔炼室内的真空度，主要包括熔炼室扩散泵、熔炼室罗茨泵和熔炼室机械泵；所述电子束熔炼装置的电子枪与电子枪扩散泵相连，电子枪扩散泵与电子枪机械泵相连，用于控制电子枪的真空度；所述电子束熔炼装置的加料仓与加料仓扩散泵相连，加料仓扩散泵与加料仓机械泵相连，用于控制加料仓的真空度。

本发明所述电子束熔炼装置优选所述圆锥台倾角为1～5°。

本发明所述电子束熔炼装置优选所述加料装置包括加料仓，所述加料仓上方设有加料口；所述加料仓连接抽真空系统，所述加料仓下方设有加料仓隔离阀。

本发明所述电子束熔炼装置优选所述装置包括一个隔离仓，所述隔离仓与熔炼室通过隔离仓隔离阀隔离。

本发明所述电子束熔炼装置优选所述装置包括连动机构，所述连动机构包括旋转支撑轴，所述旋转支撑轴上套装旋转连接臂；所述旋转连接臂设有位置与大小与拉锭杆相配合的通孔。

上述通孔的位置及大小使得拉锭杆在下降时可以穿过通孔。

本发明优选所述水冷铜坩埚的容量为可熔炼重量为20～500kg的硅料。

本发明的另一目的是提供一种利用上述装置制备硼母合金的方法。

一种利用上述装置制备硼母合金的方法，为电子束熔炼法，所述方法包括定向凝固的步骤：合金熔炼后，启动定向凝固拉锭装置，拉锭速率为1～10mm/min，同时进行冷却。

本发明优选所述方法包括下述工艺步骤：

①混料装料：将硅料与硼掺杂剂混合，得混合料；将5～30kg混合料置于无底的水冷铜坩埚中，将部分混合料装入电子束熔炼装置加料装置中；

②预热：使电子束熔炼装置熔炼室内的真空度小于5×10^-2Pa，电子枪室真空度小于5×10^-3Pa；电子枪设置高压为25～35kW，高压预热5～10min后，关闭高压，设置电子枪束流为70～200mA，束流预热5～10min，关闭电子枪束流；

③熔化：开启电子枪的高压和束流，逐渐增大电子枪的功率至40～380kW，功率增大速率为5～20kW/min，直至水冷铜坩埚内的混合料全部熔化；

④熔炼：水冷铜坩埚内的混合料全部熔化后，调整电子枪的功率至30～250kW，维持熔体表面温度1450～1600℃，熔炼10～60min；启动定向凝固拉锭装置，拉锭速率为1～10mm/min，直至硼母合金锭拉至拟定长度；硼母合金锭全部拉出后，利用连动机构将硼母合金锭旋转至隔离仓，并随炉冷却60min～120min；冷却结束后启动隔离仓隔离阀，将隔离仓与熔炼室隔离，取出硼母合金；旋出硼母合金锭的同时，将另一水冷铜拉锭底座上升至熔炼水冷铜坩埚底部，重复上述熔炼步骤；

⑤补料：加料仓中的混合料全部或部分加入水冷铜坩埚后，进行补料；首先关闭加料隔离阀，开启加料口进行补料；补料完成后，关闭加料口并对加料仓进行抽真空；当真空度到达5×10^-2Pa以下时，开启加料隔离阀使补充的原料落入水冷铜坩埚。

上述技术方案中，步骤⑤进行补料步骤后即可实现硼母合金的连续生产，连续进行熔化、熔炼、铸锭步骤直至原料全部使用完毕。

上述技术方案中，步骤①优选所述硅料为P型或N型硅料，电阻率大于1Ω·cm；所述硼掺杂剂为硼粉或者三氧化二硼块体，所述三氧化二硼块体的粒径在1mm以下。

上述技术方案中，所述硼掺杂剂的掺杂浓度按下述公式计算：

$N=\frac{1.330\×{10}^{16}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{1.082\×{10}^{17}}{\mathrm{\ρ}[1+{\left(54.56\mathrm{\ρ}\right)}^{1.105}]}$

式中，ρ为电阻率，Ω·cm；N为掺杂剂浓度，cm^-3。

计算公式见标准GB/T 13389-1992，《掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程》；三氧化二硼的添加量折算成硼原子的量。

本发明所述制备硼母合金的方法还包括后处理的步骤：将硼母合金取出，切成1～2cm的薄片，测量薄片电阻率，每0.0005Ω·cm一档分档，破碎、清洗、烘干、封装。

本发明的有益效果为：利用本发明提供的装置和工艺可实现硼母合金的连续化生产，可保证生产室内持续高真空，避免了开关仓门时抽真空和放气需要的等待时间以及不必要的能源浪费，提高生产效率，降低能耗；传统的母合金生产制造方法都是由单晶炉拉制而成，其缺陷是：产量低，传统的单晶炉一炉拉出的单晶棒重量在100kg左右，而且自动化程度相对较低，操作比较复杂，单晶炉体积小，拉制的单晶棒受到长度和直径的影响，产能小，制作成本高。采用铸造的方法制备硼母合金，产量取决于容器大小，每炉产量可以达到450kg以上，自动化程度高，成品率高；生产硼母合金的原料一般为6N级以上硅料以及高纯硼，电子束熔炼制备硼母合金的原料不仅为6N级以上硅料以及高纯硼，而且可以使用6N级以上硅料以及高纯二氧化硼，可降低生产成本。

附图说明

图1为一种电子束熔炼装置；

图2为I处的局部放大图；

附图标记如下：1、电子枪扩散泵；2、电子枪机械泵；3、水冷铜保护套；4、拉锭杆；5、旋转支撑轴；6、旋转连接臂；7、电子枪；8、加料仓；9、加料仓隔离阀；10、加料口；11、加料仓扩散泵；12、加料仓机械泵；13、无底水冷铜水冷铜坩埚；14、拉锭底座；15、熔炼室扩散泵；16、熔炼室罗茨泵；17、熔炼室机械泵；18、隔离仓隔离阀；19、隔离仓；20、隔离仓仓门。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

下述实施例所用硅料为6N级以上硅料；所使用硼掺杂剂为高纯硼。

下述实施例所用电子束熔炼炉如图1所示，一种电子束熔炼装置，所述装置包括熔炼室，熔炼室内设有定向凝固拉锭装置；所述熔炼室内设有无底的水冷铜坩埚13，所述水冷铜坩埚13底部内部尺寸与位于其下方的定向凝固拉锭装置的水冷铜拉锭底座14的尺寸相配合，使得水冷铜拉锭底座14与无底的水冷铜坩埚13形成一个完整的水冷铜坩埚；水冷铜拉锭底座13底部固定拉锭杆4，拉锭杆4与电机相连；所述水冷铜坩埚13的上方设有加料装置，所述加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门；所述加料装置包括加料仓，所述加料仓上方设有加料口；所述加料仓连接抽真空系统，所述加料仓下方设有加料仓隔离阀。所述水冷铜拉锭底座14下方设有圆锥台形水冷铜保护套3，所述水冷铜保护套4使得水冷铜拉锭底座14在下降拉锭时位于水冷铜保护套4形成的圆锥台中，圆锥台倾角为1～5°。所述电子束熔炼装置包括连动机构，所述连动机构包括旋转支撑轴5，所述旋转支撑轴5上套装旋转连接臂6；所述旋转连接臂6设有位置与大小与拉锭杆4相配合的通孔。上述通孔的位置及大小使得拉锭杆4在下降时可以穿过通孔。

所述电子束熔炼装置包括熔炼室真空系统，用于控制炉体内的真空度，主要包括熔炼室扩散泵15、熔炼室罗茨泵16和熔炼室机械泵17。所述电子束熔炼装置包括电子枪7及电子枪真空系统，所述电子枪真空系统中电子枪7与电子枪扩散泵1相连，电子枪扩散泵1与电子枪机械泵2相连，用于控制电子枪的真空度。所述电子束熔炼装置包括一个隔离仓19，所述隔离仓19与熔炼室通过隔离仓隔离阀18隔离。

实施例1

①混料装料：将硅料与硼掺杂剂混合，得混合料；将5kg混合料置于无底的水冷铜坩埚13中，将部分混合料装入电子束熔炼装置加料装置中；

②预热：使电子束熔炼装置熔炼室内的真空度小于5×10^-2Pa，电子枪室真空度小于5×10^-3Pa；电子枪设置高压为25kW，高压预热10min后，关闭高压，设置电子枪束流为70mA，束流预热10min，关闭电子枪束流；

③熔化：开启电子枪的高压和束流，逐渐增大电子枪7的功率至40kW，功率增大速率为5kW/min，直至水冷铜坩埚13内的混合料全部熔化；

④熔炼：水冷铜坩埚13内的混合料全部熔化后，调整电子枪7的功率至30kW，维持熔体表面温度1450℃，熔炼60min；启动定向凝固拉锭装置，拉锭速率为1mm/min，直至硼母合金锭拉至拟定长度；硼母合金锭全部拉出后，利用连动机构将硼母合金锭旋转至隔离仓19，并随炉冷却60min；冷却结束后启动隔离仓隔离阀18，将隔离仓19与熔炼室隔离，取出硼母合金；旋出硼母合金锭的同时，将另一水冷铜拉锭底座14上升至熔炼水冷铜坩埚13底部，重复上述熔炼步骤；

⑤补料：加料仓8中的混合料全部或部分加入水冷铜坩埚后，进行补料；首先关闭加料仓隔离阀9，开启加料口10进行补料；补料完成后，关闭加料口10并对加料仓8进行抽真空；当真空度到达5×10^-2Pa以下时，开启加料仓隔离阀9使补充的原料落入水冷铜坩埚13。

实施例2

①混料装料：将硅料与硼掺杂剂混合，得混合料；将30kg混合料置于无底的水冷铜坩埚13中，将部分混合料装入电子束熔炼装置加料装置中；

②预热：使电子束熔炼装置熔炼室内的真空度小于5×10^-2Pa，电子枪室真空度小于5×10^-3Pa；电子枪设置高压为35kW，高压预热5min后，关闭高压，设置电子枪束流为200mA，束流预热5min，关闭电子枪束流；

③熔化：开启电子枪的高压和束流，逐渐增大电子枪的功率至380kW，功率增大速率为20kW/min，直至水冷铜坩埚内的混合料全部熔化；

④熔炼：水冷铜坩埚内的混合料全部熔化后，调整电子枪的功率至250kW，维持熔体表面温度1600℃，熔炼10min；启动定向凝固拉锭装置，拉锭速率为10mm/min，直至硼母合金锭拉至拟定长度；硼母合金锭全部拉出后，利用连动机构将硼母合金锭旋转至隔离仓19，并随炉冷却120min；冷却结束后启动隔离仓隔离阀18，将隔离仓19与熔炼室隔离，取出硼母合金；旋出硼母合金锭的同时，将另一水冷铜拉锭底座14上升至熔炼水冷铜坩埚13底部，重复上述熔炼步骤；

⑤补料：加料仓8中的混合料全部或部分加入水冷铜坩埚后，进行补料；首先关闭加料仓隔离阀9，开启加料口10进行补料；补料完成后，关闭加料口10并对加料仓8进行抽真空；当真空度到达5×10^-2Pa以下时，开启加料仓隔离阀9使补充的原料落入水冷铜坩埚13。

Claims (7)

1.一种电子束熔炼装置，其特征在于：所述装置包括熔炼室，熔炼室内设有定向凝固拉锭装置；

所述熔炼室内设有无底的水冷铜坩埚(13)，所述水冷铜坩埚(13)底部内部尺寸与位于其下方的定向凝固拉锭装置的水冷铜拉锭底座(14)的尺寸相配合，使得水冷铜拉锭底座(14)与无底的水冷铜坩埚(13)形成一个完整的水冷铜坩埚；水冷铜拉锭底座(13)底部固定拉锭杆(4)，拉锭杆(4)与电机相连；所述水冷铜坩埚(13)的上方设有加料装置，所述加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门；所述水冷铜拉锭底座(14)下方设有圆锥台形水冷铜保护套(3)，所述水冷铜保护套(4)使得水冷铜拉锭底座(14)在下降拉锭时位于水冷铜保护套(4)形成的圆锥台中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述圆锥台倾角为1～5°。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加料装置包括加料仓(8)，所述加料仓(8)上方设有加料口(10)；所述加料仓(8)连接抽真空系统，所述加料仓下方设有加料仓隔离阀(9)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置包括一个隔离仓(19)，所述隔离仓(19)与熔炼室通过隔离仓隔离阀(18)隔离。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置包括连动机构，所述连动机构包括旋转支撑轴(5)，所述旋转支撑轴(5)上套装旋转连接臂(6)；所述旋转连接臂(6)设有位置与大小与拉锭杆(4)相配合的通孔。

6.一种利用权利要求1所述装置制备硼母合金的方法，其特征在于：为电子束熔炼法，所述方法包括定向凝固的步骤：合金熔炼后，启动定向凝固拉锭装置，拉锭速率为1～10mm/min，同时进行冷却。

7.根据权利要求6的方法，其特征在于：所述方法包括下述工艺步骤：

①混料装料：将硅料与硼掺杂剂混合，得混合料；将5～30kg混合料置于无底的水冷铜坩埚(13)中，将部分混合料装入电子束熔炼装置加料装置中；

②预热：使电子束熔炼装置熔炼室内的真空度小于5×10^-2Pa，电子枪室真空度小于5×10^-3Pa；电子枪(7)设置高压为25～35kW，高压预热5～10min后，关闭高压，设置电子枪束流为70～200mA，束流预热5～10min，关闭电子枪束流；

③熔化：开启电子枪的高压和束流，逐渐增大电子枪的功率至40～380kW，功率增大速率为5～20kW/min，直至水冷铜坩埚(13)内的混合料全部熔化；

④熔炼：水冷铜坩埚(13)内的混合料全部熔化后，调整电子枪(7)的功率至30～250kW，维持熔体表面温度1450～1600℃，熔炼10～60min；启动定向凝固拉锭装置，拉锭速率为1～10mm/min，直至硼母合金锭拉至拟定长度；硼母合金锭全部拉出后，利用连动机构将硼母合金锭旋转至隔离仓(19)，并随炉冷却60min～120min；冷却结束后启动隔离仓隔离阀(18)，将隔离仓(18)与熔炼室隔离，取出硼母合金；旋出硼母合金锭的同时，将另一水冷铜拉锭底座(14)上升至熔炼水冷铜坩埚(13)底部，重复上述熔炼步骤；

⑤补料：加料仓(8)中的混合料全部或部分加入水冷铜坩埚后，进行补料；首先关闭加料仓隔离阀(9)，开启加料口(10)进行补料；补料完成后，关闭加料口(10)并对加料仓(8)进行抽真空；当真空度到达5×10^-2Pa以下时，开启加料仓隔离阀(9)使补充的原料落入水冷铜坩埚(13)。