CN104195637B - 一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置及方法，属于电子束熔炼领域。一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置，包括炉体，所述炉体内设有两个电子枪，所述电子枪下方设有坩埚，坩埚上方设有加料装置，加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门；所述坩埚上设有倾倒装置，坩埚下方设有一个水冷铜坩埚。利用本发明所述装置及方法制备硼母合金，一次成锭量提高至750kg，甚至可提高到吨级；生产效率大大提高。

Description

一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置及方法，属于电子束熔炼领域。

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用于制备硼母合金的电子束熔炼装置及方法，利用该方法和装置制备硼母合金，每炉产量可以达到450kg以上，自动化程度高，成品率高。、

一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置，包括炉体，所述炉体内设有两个电子枪，所述电子枪下方设有坩埚，坩埚上方设有加料装置，加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门；所述坩埚上设有倾倒装置，坩埚下方设有一个水冷铜坩埚。

本发明所述电子束熔炼装置所述加料装置优选为加料漏斗；所述设于加料装置上的阀门优选为翻板阀；所述坩埚上设置的倾倒装置为本领域的现有技术，本发明中优选，所述倾倒装置由旋转轴以及旋转轴连接至炉体外部的减速电机组成。

本发明所述电子束熔炼装置还包括真空系统，用于控制炉体内的真空度，主要包括扩散泵、罗茨泵和机械泵。

本发明所述电子束熔炼装置的电子枪与扩散泵相连，扩散泵与机械泵相连，用于控制电子枪的真空度，使电子枪的真空度达到电子枪工作所需的真空度，优选为5×10^-3Pa。

一种利用上述电子束熔炼装置制备硼母合金的方法，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；将总量为10～50kg混合料等分置于坩埚中，剩余混合料等分装入电子束熔炼装置加料装置中；

②预热：使电子束熔炼装置炉内的真空度小于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：同时开启两个电子枪的高压和束流，逐渐增大电子枪的功率至50～350kW，功率增大速率为5～15kW/min，直至坩埚内的混合料全部熔化；

④熔炼：坩埚内的混合料全部熔化后，调整电子枪的功率至35～300kW，维持熔体表面温度1450～1600℃，熔炼10～60min；开启坩埚上的倾倒装置，使熔炼后的熔液倾倒至下方的水冷铜坩埚中，两个坩埚交替倾倒，间隔5～20min；

⑤加料：将坩埚中熔液倾倒后，将坩埚翻转至水平后开启加料装置，每次加料5～25kg，重复步骤③和④，直到加料装置中的混合料全部处理完毕；

⑥冷却：关闭电子枪，使硼母合金混合料在水冷铜坩埚中冷却60～180min。

本发明所述制备硼母合金的方法优选所述硅料为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：

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：利用本发明所述装置及方法制备硼母合金，一次成锭量提高至750kg，甚至可提高到吨级；生产效率大大提高，按750kg级的母合金锭算，生产时间为15～20h，最快生产效率可达50kg/h。单晶炉生产一般4kg/h，铸造方法9kg/h；由于倾倒至下方水冷铜中，熔融的母合金进行快速冷却，在凝固过程中的分凝行为较小，母合金的成分较均匀。

附图说明

图1为一种用于制备硼母合金的电子束熔炼装置的示意图，

附图标记如下：1、电子枪，2、加料漏斗，3、坩埚，4、机械泵，5、罗茨泵，6、扩散泵，7、水冷铜坩埚，8、翻板阀，9、旋转轴。

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。

下述实施例所用电子束熔炼装置如图1所示，该装置包括炉体，所述炉体内设有两个电子枪1，所述电子枪1下方设有坩埚3，坩埚3开口的上方设有加料漏斗2，加料漏斗2的出料口设有用于控制加料口开启的翻板阀8；所述坩埚3上设有倾倒装置，坩埚3下方设有一个水冷铜坩埚7，所述水冷铜坩埚7的设置位置保证坩埚3倾倒时物料不外溅。所述倾倒装置由旋转轴9以及旋转轴9连接至炉体外部的减速电机组成。所述电子束熔炼装置还包括真空系统，用于控制炉体内的真空度，主要包括扩散泵6、罗茨泵5和机械泵4；所述电子束熔炼装置的电子枪1与扩散泵6相连，扩散泵6与机械泵4相连，用于控制电子枪的真空度。

实施例1

一种利用上述电子束熔炼装置制备硼母合金的方法，包括下述工艺步骤：

本实施例中加工硅料200kg，为N型硅料，纯度为6N以上，电阻率1.5Ω·cm；所述硼掺杂剂为分析纯硼粉，根据电阻率及硅料量计算得出分析纯硼粉为0.015g。

①混料装料：将硅料与硼掺杂剂混合，得混合料；将10kg混合料等分置于左右两个坩埚3中，剩余混合料等分装入电子束熔炼装置加料漏斗2中。

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：

式中，ρ为电阻率，Ω·cm；N为掺杂剂浓度，cm^-3；

②预热：使电子束熔炼装置炉内的真空度小于5×10^-2Pa，电子枪室真空度小于5×10^-3Pa；电子枪1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：同时开启左右电子枪1的高压和束流，逐渐增大电子枪1的功率至50kW，功率增大速率为5kW/min，直至坩埚3内的混合料全部熔化；

④熔炼：坩埚3内的混合料全部熔化后，调整电子枪的功率至35kW，维持熔体表面温度1450℃，熔炼60min；开启坩埚3上的倾倒装置，使熔炼后的熔液倾倒至下方的水冷铜坩埚7中，两个坩埚3交替倾倒，间隔20min；

⑤加料：将坩埚3中熔液倾倒后，将坩埚3翻转至水平后开启加料漏斗2，每次加料5kg，重复步骤③和④，直到加料漏斗2中的混合料全部处理完毕；

⑥冷却：关闭电子枪，使硼母合金混合料在水冷铜坩埚7中冷却60min；

⑦后处理：将硼母合金取出，切成1cm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。

经检测，最终制得的合金成分均匀，且生产效率可提高10％。

实施例2

一种利用上述电子束熔炼装置制备硼母合金的方法，包括下述工艺步骤：

本实施例中加工硅料300kg，为P型硅料，纯度为6N以上，电阻率2Ω·cm；所述硼掺杂剂为三氧化二硼块体，所述三氧化二硼块体的粒径在1mm以下，根据电阻率及硅料量计算得出三氧化二硼块体为0.0648g。

①混料装料：将硅料与硼掺杂剂混合，得混合料；将50kg混合料等分置于左右两个坩埚3中，剩余混合料等分装入电子束熔炼装置加料漏斗2中。

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：

式中，ρ为电阻率，Ω·cm；N为掺杂剂浓度，cm^-3；

②预热：使电子束熔炼装置炉内的真空度小于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：同时开启左右电子枪1的高压和束流，逐渐增大电子枪1的功率至350kW，功率增大速率为15kW/min，直至坩埚3内的混合料全部熔化；

④熔炼：坩埚3内的混合料全部熔化后，调整电子枪的功率至300kW，维持熔体表面温度1600℃，熔炼10min；开启坩埚3上的倾倒装置，使熔炼后的熔液倾倒至下方的水冷铜坩埚7中，两个坩埚3交替倾倒，间隔5min；

⑤加料：将坩埚3中熔液倾倒后，将坩埚3翻转至水平后开启加料漏斗2，每次加料25kg，重复步骤③和④，直到加料漏斗2中的混合料全部处理完毕；

⑥冷却：关闭电子枪，使硼母合金混合料在水冷铜坩埚7中冷却180min；

⑦后处理：将硼母合金取出，切成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。

经检测，最终制得的合金成分均匀，且生产效率可提高12％。

Claims (4)

1.一种利用电子束熔炼装置制备硼母合金的方法，其特征在于：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；将总量为10～50kg混合料等分置于坩埚(3)中，剩余混合料等分装入电子束熔炼装置加料装置中；

②预热：使电子束熔炼装置炉内的真空度小于5×10^-2Pa，电子枪室真空度小于5×10^{- 3}Pa；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：同时开启两个电子枪(1)的高压和束流，逐渐增大电子枪(1)的功率至50～350kW，功率增大速率为5～15kW/min，直至坩埚(3)内的混合料全部熔化；

④熔炼：坩埚(3)内的混合料全部熔化后，调整电子枪(1)的功率至35～300kW，维持熔体表面温度1450～1600℃，熔炼10～60min；开启坩埚(3)上的倾倒装置，使熔炼后的熔液倾倒至下方的水冷铜坩埚(7)中，两个坩埚(3)交替倾倒，间隔5～20min；

⑤加料：将坩埚(3)中熔液倾倒后，将坩埚(3)翻转至水平后开启加料装置，每次加料5～25kg，重复步骤③和④，直到加料装置中的混合料全部处理完毕；

⑥冷却：关闭电子枪(1)，使硼母合金混合料在水冷铜坩埚(7)中冷却60～180min，

其中，所述电子束熔炼装置包括炉体，所述炉体内设有两个电子枪(1)，所述电子枪下方设有坩埚(3)，坩埚(3)上方设有加料装置，加料装置的出料口设有用于控制加料口开启的阀门；所述坩埚(3)上设有倾倒装置，坩埚(3)下方设有一个水冷铜坩埚(7)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法包括后处理的步骤：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。