CN104480526A - 一种高硼硅材料的制备方法 - Google Patents

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姜大川
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张晓峰
黄佳琪
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Abstract

本发明涉及一种高硼硅材料的制备方法，所述方法包括介质熔炼、配料、装料、抽真空、加热熔化、长晶、退火和冷却过程。本发明可采用纯度至少为2N的工业硅作为原料，进行高硼硅材料的制备，制备得到的高硼硅材料的纯度可以达到5N。每吨纯度为2N的工业硅成本仅为2万元，降低了生产成本，提高了经济效益。该制备方法的出成率能达到80％以上，且已经实现稳定生产。

Description

一种高硼硅材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种硅材料的制备方法，具体来说涉及一种高硼硅材料的制备方法。
背景技术
现有技术对高硼硅材料纯度要求为5N以上，产品指标包括1)电阻率在0.06Ω·cm以下；2)总杂质含量不超过100ppmw；3)Fe含量不超过50ppmw；4)整锭不能有裂纹。为了使生产出的高硼硅材料能够达到以上指标，现有技术大多采用纯度为5N以上的多晶硅铸锭头料、尾料及边皮料掺加硼生产高硼硅材料，多晶硅铸锭头料、尾料及边皮料每吨原料成本约为8万元/吨，原材料成本高，利润空间小。
纯度为2N的工业硅价格较为低廉，通常为2万元/吨，若是以纯度为2N的工业硅来制备高硼硅材料，则会降低生产成本，提高生产利润，现有技术还没有以纯度为2N的工业硅为原料来制备高硼硅材料的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硼硅材料的制备方法，以纯度为2N的工业硅为原料，以降低高硼硅材料的生产成本，提高利润空间，并提高产品的出成率。
为此，本发明提供了一种高硼硅材料的制备方法，其特征在于，以高硼母合金和纯度至少为2N的工业硅为原料，工业硅和高硼母合金的配比按照如下公式计算：Ax+By＝(x+y)C
其中，A为工业硅的硼含量，x为工业硅的质量，B为高硼母合金的硼含量，y为高硼母合金的质量，C为高硼硅材料的硼含量。
由以上公式可知，工业硅和高硼母合金的配比为：x/y＝(C-B)/(A-C)
其中，工业硅的硼含量A、高硼母合金的硼含量B均可以通过实验室检测得出；参考掺硼掺磷硅单晶电阻率与掺杂剂浓度换算规程，即GB/T13389-1992，可知不同电阻率对应不同硼含量数值，根据电阻率与硼含量的对应关系，当已知高硼硅材料目标电阻率后即可查出对应C值，进而可以计算出工业硅和高硼母合金的配比。
根据本发明，所述高硼硅材料的制备方法包括配料、装料、抽真空、加热熔化和长晶过程。
根据本发明，所述抽真空过程为：将装有工业硅和高硼母合金的铸锭炉抽真空，使真空度达到0.8Pa。
根据本发明，所述加热熔化过程为：向铸锭炉通入氩气作为保护气，使得炉内压强为20-60kPa，盛放有工业硅和高硼母合金的坩埚内温度在7-8h达到1550℃，在熔化阶段，炉内压强为20-60kPa，温度在1550℃维持4h直到工业硅和高硼母合金完全熔化。
根据本发明，所述长晶过程为：铸锭炉内温度在1-2h内由1550℃降低到1425℃后，开始长晶；在长晶过程中，温度在22-24h内由1425℃降低到1410℃，长晶速率为0.15mm/min，长晶过程中的炉内压强为70kPa。
根据本发明，所述高硼硅材料的制备方法还包括退火和冷却过程。
根据本发明，所述退火过程为：铸锭炉内温度在0.5h内由1410℃降低到1370℃，温度在1370℃保持2h，炉内压强为50kPa，之后转为功率控制，在功率控制模式下保持2h。
根据本发明，所述冷却过程为：铸锭炉内压强由50kPa升至80kPa，自然冷却时间为15h，温度降低到300℃时取出产物，得到高硼硅材料。
根据本发明，所述高硼硅材料的制备方法还包括在配料和装料前，将工业硅进行介质熔炼的过程。采用介质熔炼对工业硅进行预处理，可以去除工业硅中的硼含量，可以进一步提高产品的纯度以及出成率。
与现有技术相比，本发明可采用纯度至少为2N的工业硅作为原料，进行高硼硅材料的制备，制备得到的高硼硅材料的纯度可以达到5N。每吨纯度为2N的工业硅成本仅为2万元，降低了生产成本，提高了经济效益。该制备方法的出成率能达到80％以上，且已经实现稳定生产。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
1)配料、装料：将工业硅和高硼母合金按照高硼硅材料的电阻率为0.03Ω·cm进行配比，其中工业硅425kg，高硼母合金1.5kg，装入坩埚，放于铸锭炉内；
2)抽真空：将铸锭炉抽真空，使真空度达到0.8Pa；
3)加热熔化：向铸锭炉通入氩气作为保护气，使得炉内压强为60kPa，盛放有工业硅和高硼母合金的坩埚内温度在8h达到1550℃；在熔化阶段，炉内压强为60kPa，温度在1550℃维持4h直到工业硅和高硼母合金完全熔化；
4)长晶：炉内温度在1h内由1550℃降低到1425℃后，开始长晶；在长晶过程中，温度在23h内由1425℃降低到1410℃，长晶速率为0.15mm/min，长晶过程中的炉内压强为70kPa；
5)退火：炉体内温度在0.5h内由1410℃降低到1370℃，温度在1370℃保持2h，炉内压强为50kPa，之后转为功率控制，在功率控制模式下保持2h；
6)冷却：炉内压强由50kPa升至80kPa，自然冷却时间为15h，温度降低到300℃时取出产物，得到高硼硅材料。
采用ICP-MA及ICP-MS检测仪器测试得到的高硼硅材料的纯度为5.5N。
实施例2
1)配料、装料：将工业硅和高硼母合金按照高硼硅材料的电阻率为0.05Ω·cm进行配比，其中工业硅400kg，高硼母合金0.62kg，装入坩埚，放于铸锭炉内；
2)抽真空：将铸锭炉抽真空，使真空度达到0.8Pa；
3)加热熔化：向铸锭炉通入氩气作为保护气，炉内压强为60kPa，盛放有工业硅和高硼母合金的坩埚内温度在7h达到1550℃；在熔化阶段，炉内压强为60kPa，温度在1550℃维持4h直到工业硅和高硼母合金完全熔化；
4)长晶：炉内温度在1h内由1550℃降低到1425℃后，开始长晶；在长晶过程中，温度在22h内由1425℃降低到1410℃，长晶速率为0.15mm/min，长晶过程中的炉内压强为70kPa；
5)退火：炉体内温度在0.5h内由1410℃降低到1370℃，温度在1370℃保持2h，炉内压强为50kPa，之后转为功率控制，在功率控制模式下保持2h；
6)冷却：炉内压强由50kPa升至80kPa，自然冷却时间为15h，温度降低到300℃时取出产物，得到高硼硅材料。
采用ICP-MA及ICP-MS检测仪器测试得到的高硼硅材料的纯度为5.5N。
实施例3
1)配料、装料：将工业硅和高硼母合金按照高硼硅材料的电阻率为0.07Ω·cm进行配比，其中工业硅400kg，高硼母合金0.36kg，装入坩埚，放于铸锭炉内；
2)抽真空：将铸锭炉抽真空，使真空度达到0.8Pa；
3)加热熔化：向铸锭炉通入氩气作为保护气，炉内压强为60kPa，盛放有工业硅和高硼母合金的坩埚内温度在7h达到1550℃；在熔化阶段，炉内压强为60kPa，温度在1550℃维持4h直到工业硅和高硼母合金完全熔化；
4)长晶：炉内温度在1h内由1550℃降低到1425℃后，开始长晶；在长晶过程中，温度在22h内由1425℃降低到1410℃，长晶速率为0.15mm/min，长晶过程中的炉内压强为70kPa；
5)退火：炉体内温度在0.5h内由1410℃降低到1370℃，温度在1370℃保持2h，炉内压强为50kPa，之后转为功率控制，在功率控制模式下保持2h；
6)冷却：炉内压强由50kPa升至80kPa，自然冷却时间为15h，温度降低到300℃时取出产物，得到高硼硅材料。
采用ICP-MA及ICP-MS检测仪器测试得到的高硼硅材料的纯度为5.5N。

Claims (8)

1.一种高硼硅材料的制备方法，其特征在于，以高硼母合金和纯度至少为2N的工业硅为原料，工业硅和高硼母合金的配比按照如下公式计算：Ax+By＝(x+y)C
其中，A为工业硅的硼含量，x为工业硅的质量，B为高硼母合金的硼含量，y为高硼母合金的质量，C为高硼硅材料的硼含量；所述方法包括配料、装料、抽真空、加热熔化和长晶过程。
2.如权利要求1所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述抽真空过程为：将装有工业硅和高硼母合金的铸锭炉抽真空，使真空度达到0.8Pa。
3.如权利要求1所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述加热熔化过程为：向铸锭炉通入氩气作为保护气，使得炉内压强为20-60kPa，盛放有工业硅和高硼母合金的坩埚内温度在7-8h达到1550℃，在熔化阶段，炉内压强为20-60kPa，温度在1550℃维持4h直到工业硅和高硼母合金完全熔化。
4.如权利要求1所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述长晶过程为：铸锭炉内温度在1-2h内由1550℃降低到1425℃后，开始长晶；在长晶过程中，温度在22-24h内由1425℃降低到1410℃，长晶速率为0.15mm/min，长晶过程中的炉内压强为70kPa。
5.如权利要求1所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括退火和冷却过程。
6.如权利要求5所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述退火过程为：铸锭炉内温度在0.5h内由1410℃降低到1370℃，温度在1370℃保持2h，炉内压强为50kPa，之后转为功率控制，在功率控制模式下保持2h。
7.如权利要求5所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述冷却过程为：铸锭炉内压强由50kPa升至80kPa，自然冷却时间为15h，温度降低到300℃时取出产物，得到高硼硅材料。
8.如权利要求1-7中任一项所述的高硼硅材料的制备方法，其特征在于，所述方法还包括在配料和装料前，将工业硅进行介质熔炼的过程。
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