CN109110766B - 一种介质熔炼后硅料高效提纯的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能级多晶硅制造领域，尤其涉及一种介质熔炼后硅料高效提纯的方法与装置。本发明装置的熔炼坩埚的结构为由后端向导液口倾斜；熔炼坩埚内具有若干间隔，每个间隔内槽对应一个熔炼槽，每个熔炼槽对应一个导液口；且使用时电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口逐渐减小。本发明通过电子束熔炼能量分布模式的选择，并选用多模熔炼坩埚结构，用来去除介质熔炼后硅料当中的碳化硅及挥发性杂质元素，成本低、效果好。

Description

一种介质熔炼后硅料高效提纯的方法与装置

技术领域

本发明涉及太阳能级多晶硅制造领域，尤其涉及一种介质熔炼后硅料高效提纯的方法与装置。

背景技术

介质熔炼作为冶金法制备太阳能级多晶硅整个生产流程中的重要工艺组成部分，能够高效去除硅中的硼杂质，得到低硼含量硅料的同时，会在介质熔炼过程中，由于生产工艺的限制，引入碳及氧杂质，而碳与液态硅反应形成碳化硅，残留在介质熔炼后的硅料当中，同时硅料自身含有的磷等挥发性杂质仍然残留在介质熔炼后的硅料中。当前条件下，一般通过定向凝固技术将SiC去除，同时将定向凝固后的硅料再进行电子束或真空熔炼再来去除其中的挥发性杂质，这就导致生产工艺繁琐，流程较长，生产成本过高，同时，最终合格硅料的获得率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术一般通过定向凝固技术将SiC去除，同时将定向凝固后的硅料再进行电子束或真空熔炼再来去除其中的挥发性杂质，这就导致生产工艺繁琐，流程较长，生产成本过高，同时，最终合格硅料的获得率较低。

为解决上述问题，本发明提出一种介质熔炼后硅料高效提纯方法与装置，通过电子束熔炼能量分布模式的选择，并选用多模熔炼坩埚结构，用来去除介质熔炼后硅料当中的碳化硅及挥发性杂质元素，成本低、效果好。

为达到上述目的，本发明由以下技术方案实现：一种介质熔炼后硅料高效提纯的装置，熔炼坩埚的结构为由后端向导液口倾斜；熔炼坩埚内具有若干间隔，每个间隔内槽对应一个熔炼槽，每个熔炼槽对应一个导液口。

进一步的，所述熔炼坩埚的倾角为5-10°。

进一步的，熔炼坩埚下方连接熔炼坩埚轴，熔炼坩埚轴与机构通过动密封连接，机构外部设有熔炼坩埚翻转液压系统及水平移动电机，通过液压系统实现熔炼坩埚的翻转功能，通过水平移动电机来操控熔炼坩埚的水平移动。

进一步的，所述介质熔炼后硅料的高效提纯的装置包括送料机构、炉体、电子枪、熔炼坩埚、凝固坩埚；炉体由内外两侧组成，中间为中空结构，作为冷却水通道，送料结构连接在炉体的上端，炉体的一侧与吸真空结构相连，上方为电子枪，向下发射电子束，电子枪与吸真空结构相连；炉体内、电子束照射方为熔炼坩埚，熔炼坩埚的后端位于送料机构的送料口下方，导液口端位于凝固坩埚的开口上方；凝固坩埚设于炉体底部。

进一步的，所述电子枪的数量为1个。

进一步的，所述炉体的一侧的吸真空结构为依次连接的机械泵Ⅰ、罗茨泵Ⅰ、扩散泵Ⅰ，扩散泵的端部与炉体相连，将炉室内空气抽走，构建真空环境；电子枪一侧的吸真空结构为依次连接的分子泵、罗茨泵Ⅱ、机械泵Ⅱ，分子泵的端部与电子枪相连，构建电子束熔炼所需要的真空条件。

进一步的，炉体的一侧设有充气阀。

一种电子束多模熔炼介质熔炼后硅料的方法，采用上述装置，电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口逐渐减小。

进一步的，电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口按照16％-14％-11％-9％逐渐减小。

进一步的，具体包括以下步骤：

第一步：将介质熔炼后的硅料经过破碎、清洗、烘干后的600kg原料装入电子束熔炼炉的送料机构中；

第二步：合炉，并给设备通冷却循环水，利用电子束熔炼炉炉室真空系的机械泵Ⅰ、罗茨泵Ⅰ、扩散泵，将炉室真空抽至5×10^-2Pa以下，利用电子枪真空系统的机械泵、罗茨泵Ⅱ、分子泵Ⅱ，将电子枪内部真空抽至5×10^-3Pa以下，达到电子束熔炼所需要的真空条件；

第三步：对电子枪进行预热，设定电子枪1灯丝电流为800-1000mA，对电子枪进行10-15min预热处理；

第四步：通过加料机构向熔炼坩埚的1#熔炼槽内输送30kg硅料；

第五步：电子枪预热完毕后，关闭电子枪预热模式，启动电子枪照射模式，设定照射功率为150-200kW，同时设定电子枪照射模式为如图2中所示能量分布模式(由于熔炼坩埚结构为由后端向导液口倾斜，为保证熔池深度，能量分布密度自后端向导液口逐渐减小)，照射熔炼坩埚1#熔炼槽，对1#熔炼槽内硅料进行熔化；

第六步：待1#熔炼槽内的硅料完全熔化后，形成液态的硅熔池，保持电子枪功率稳定，照射硅熔池10min，对熔池进行熔炼，在硅料熔化及液态硅熔炼过程中，硅中的挥发性杂质进入真空环境中，并被真空系统抽走，而碳化硅在重力作用下向下移动，最终沉积在1#熔炼槽底部；

第七步：启动送料机构向1#熔炼槽内内持续添加硅料，添加速率为2-4kg/min，加入的硅料在熔池高温及电子束照射的作用下快速熔化，其中的碳化硅向下沉积在1#熔炼槽底部，随着硅料持续加入1#熔炼槽，硅熔池液面持续升高，硅液向导液口位置流动，当液面达到导液口8高度后，硅液通过导液口流入凝固坩埚内，并在凝固坩埚内凝固形成硅锭；

由于硅液的流动及碳化硅向下沉积，靠近熔炼坩埚后端沉积碳化硅量较多，越靠近导液口，碳化硅沉积层量越少，将熔炼坩埚设计成由后端向导液口倾斜，避免由于后端碳化硅沉积过多，在熔炼后程，由于熔池深度过潜而产生的硅料熔化能力不足；

第八步：当送料量达到200kg时，保持电子枪功率持续照射1#熔炼槽内硅熔池5min，然后启动熔炼坩埚轴翻转模式，带动熔炼坩埚翻转，将熔炼坩埚1#熔炼槽内剩余的硅液倾倒入凝固坩埚内，然后关闭关闭电子枪，并将熔炼坩埚复位水平，碳化硅沉积层留在1#熔炼槽底部；

随着硅料的持续添加及熔化，碳化硅持续向1#熔炼槽底部沉积，沉积层厚度持续增加，当达到一定深度后，熔池深度变浅，硅料的熔化能力减弱；

第九步：启动熔炼坩埚轴水平移动功能，将熔炼坩埚水平进行移动，将熔炼坩埚2#熔炼槽移动到熔炼位置(前述1#熔炼槽位置)；

第十步：重复第四步至第九步过程，完成硅料在2#熔炼槽内的熔炼过程；

第十一步：重复第四步至第八步过程，将熔炼坩埚3#熔炼槽移动到熔炼位置，完成硅料在3#熔炼槽内的熔炼过程；

第十二步：对设备及硅锭进行降温冷却；

第十三步：开炉取出熔炼完毕的硅锭，并将1-3#熔炼槽内的碳化硅沉积层分别取出。

本发明的有益效果在于：

例如专利201711410226.9一种温度梯度分离硅中硬质夹杂的方法，提到通过熔化-溶解(高温区)-析出(低温区)-沉积实现硬质夹杂的去除，但该技术通过电子束熔炼来去除硅料中的硬质夹杂，但仍采用传统的熔炼工艺模式，在生产过程中采用两把电子枪，增加生产能耗，同时，在生产过程中需要反复进行加料-熔化-熔炼-倾倒操作，增加操作复杂性，降低生产效率，而且熔炼过程中未考虑电子束能量的分布，无法实现电子束高效熔炼。

本发明却通过电子束照射能量密度分布的选择及熔炼坩埚多模结构的设计，减小单次熔炼时熔池面积，提高熔池温度，增加熔炼效果，缩短熔炼所耗时间，具体为将熔池面积由原来的0.9m²减小到0.5m²，增加电子束能量的聚集，使熔池表面温度增加200℃左右，显著提升熔炼效果，将总生产时间由22h缩减到18h，实现介质熔炼后硅料中挥发性杂质元素的高效去除的同时，碳化硅与硅基体被有效分离而达到去除的目的，经过后期成分检测与分析，得到的硅料中，SiC的含量低于0.15ppm，P含量低于0.1ppm，O含量低于0.03ppm。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的电子束熔炼能量分布模式分布图。

图3是本发明熔炼坩埚的截面图；

图4是本发明的步骤六演示图；

图中，1电子枪、2分子泵、3罗茨泵Ⅱ、4机械泵Ⅱ、5炉体、6电子束、7硅熔池、8导液口、9凝固坩埚、10硅锭、11熔炼坩埚、1#熔炼槽111、2#熔炼槽112、3#熔炼槽113、12熔炼坩埚轴、13机械泵Ⅰ、14罗茨泵Ⅰ、15.扩散泵、16充气阀、17硅料、18送料机构、碳化硅沉积层19。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图2-图3所示，一种介质熔炼后硅料的高效提纯的装置，熔炼坩埚11的结构为由后端向导液口8倾斜；熔炼坩埚11内具有若干间隔，每个间隔内槽对应一个熔炼槽，每个熔炼槽对应一个导液口8。

所述熔炼坩埚的倾角为5-10°。由于硅液的流动及碳化硅向下沉积，靠近熔炼坩埚后端沉积碳化硅量较多，越靠近导液口，碳化硅沉积层量越少，将熔炼坩埚设计成由后端向导液口倾斜，避免由于后端碳化硅沉积过多，在熔炼后程，由于熔池深度过潜而产生的硅料熔化能力不足，倾角过大，坩埚后端深度增加，电子束无法实现硅料的有效熔炼，倾角过小，碳化硅层富集后，影响持续熔炼能力。

熔炼坩埚11下方连接熔炼坩埚轴12，熔炼坩埚轴与机构通过动密封连接，机构外部设有熔炼坩埚翻转液压系统及水平移动电机，通过液压系统实现熔炼坩埚的翻转功能，通过水平移动电机来操控熔炼坩埚的水平移动。

如图1所示，所述介质熔炼后硅料的高效提纯的装置包括送料机构18、炉体5、电子枪1、熔炼坩埚11、凝固坩埚9；炉体由内外两侧组成，中间为中空结构，作为冷却水通道；送料结构18连接在炉体5的上端，炉体5的一侧与吸真空结构相连，上方为电子枪1，向下发射电子束6，电子枪1与吸真空结构相连；炉体5内、电子束6照射方为熔炼坩埚11，熔炼坩埚11的后端位于送料机构18的送料口下方，导液口端位于凝固坩埚9的开口上方；凝固坩埚9设于炉体5底部。

所述电子枪的数量为1个。

一种电子束多模熔炼介质熔炼后硅料的方法，采用上述装置，电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口逐渐减小。具体包括以下步骤：

第一步：将介质熔炼后的硅料17经过破碎、清洗、烘干后的600kg原料装入电子束熔炼炉的送料机构18中；

第二步：合炉，并给设备通冷却循环水，利用电子束熔炼炉炉室真空系的机械泵Ⅰ13、罗茨泵Ⅰ14、扩散泵15，将炉室真空抽至5×10^-2Pa以下，利用电子枪1真空系统的机械泵4、罗茨泵Ⅱ3、分子泵Ⅱ2，将电子枪1内部真空抽至5×10^-3Pa以下，达到电子束熔炼所需要的真空条件；

第三步：对电子枪1进行预热，设定电子枪1灯丝电流为800-1000mA，对电子枪1进行10-15min预热处理；

第四步：通过加料机构向熔炼坩埚的1#熔炼/111内输送30kg硅料；

第五步：电子枪1预热完毕后，关闭电子枪1预热模式，启动电子枪1照射模式，设定照射功率为150-200kW，同时设定电子枪照射模式为如图2中所示能量分布模式(由于熔炼坩埚11结构为由后端向导液口倾斜，为保证熔池深度，能量分布密度自后端向导液口逐渐减小)，照射熔炼坩埚1#熔炼槽，对1#熔炼槽内硅料进行熔化；

第六步：待1#熔炼槽内的硅料完全熔化后，形成液态的硅熔池7，保持电子枪功率稳定，照射硅熔池10min，对熔池进行熔炼，在硅料熔化及液态硅熔炼过程中，硅中的挥发性杂质进入真空环境中，并被真空系统抽走，而碳化硅在重力作用下向下移动，最终沉积在1#熔炼槽底部，形成碳化硅沉积层19；

第七步：启动送料机构18向1#熔炼槽内内持续添加硅料17，添加速率为2-4kg/min，加入的硅料在熔池高温及电子束照射的作用下快速熔化，其中的碳化硅向下沉积在1#熔炼槽底部，随着硅料持续加入1#熔炼槽，硅熔池液面持续升高，硅液向导液口位置流动，当液面达到导液口8高度后，硅液通过导液口流入凝固坩埚9内，并在凝固坩埚内凝固形成硅锭10；

由于硅液的流动及碳化硅向下沉积，靠近熔炼坩埚后端沉积碳化硅量较多，越靠近导液口，碳化硅沉积层量越少，将熔炼坩埚设计成由后端向导液口倾斜，避免由于后端碳化硅沉积过多，在熔炼后程，由于熔池深度过潜而产生的硅料熔化能力不足；

第八步：当送料量达到200kg时，保持电子枪功率持续照射1#熔炼槽内硅熔池5min，然后启动熔炼坩埚轴翻转模式，带动熔炼坩埚翻转，将熔炼坩埚1#熔炼槽内剩余的硅液倾倒入凝固坩埚内，然后关闭关闭电子枪，并将熔炼坩埚复位水平，碳化硅沉积层留在1#熔炼槽底部；

随着硅料的持续添加及熔化，碳化硅持续向1#熔炼槽底部沉积，沉积层厚度持续增加，当达到一定深度后，熔池深度变浅，硅料的熔化能力减弱；

第九步：启动熔炼坩埚轴水平移动功能，将熔炼坩埚水平进行移动，将熔炼坩埚2#熔炼槽112移动到熔炼位置(前述1#熔炼槽位置)；

第十步：重复第四步至第九步过程，完成硅料在2#熔炼槽内的熔炼过程；

第十一步：重复第四步至第八步过程，将熔炼坩埚3#熔炼槽113移动到熔炼位置，完成硅料在3#熔炼槽内的熔炼过程；

第十二步：对设备及硅锭进行降温冷却；

第十三步：开炉取出熔炼完毕的硅锭，并将1-3#熔炼槽内的碳化硅沉积层分别取出。

实施例2：

:所述炉体5的一侧的吸真空结构为依次连接的机械泵Ⅰ13、罗茨泵Ⅰ14、扩散泵Ⅰ15，扩散泵的端部与炉体相连，将炉室内空气抽走，构建真空环境；电子枪1一侧的吸真空结构为依次连接的分子泵2、罗茨泵Ⅱ3、机械泵Ⅱ4，分子泵的端部与电子枪1相连，构建电子束熔炼所需要的真空条件。

其余均与实施例1相同。

实施例3：

炉体5的一侧设有充气阀16。

其余均与实施例1或实施例2相同。

实施例4：

电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口按照16％-14％-11％-9％逐渐减小。由于熔炼坩埚结构为由后端向导液口倾斜，为保证熔池深度，能量分布密度自后端向导液口逐渐减小，同时，硅料由熔炼坩埚后端持续加入，采用该能量分布模式，能够起到高效熔化硅料的的目的，同时，硅料熔化后，由熔炼坩埚后端向导液口流动，在流动过程中进行挥发性杂质的去除及SiC的沉积，采用该能量模式，能够增加杂质的挥发去除效率。

其余均与实施例1-3相同。

Claims (3)

1.一种介质熔炼后硅料的高效提纯方法，其特征在于：采用一种介质熔炼后硅料高效提纯的装置，一种介质熔炼后硅料高效提纯的装置具有一熔炼坩埚，熔炼坩埚的结构为由后端向导液口倾斜；熔炼坩埚内具有若干间隔，每个间隔内槽对应一个熔炼槽，每个熔炼槽对应一个导液口,所述熔炼坩埚的倾角为5-10°,熔炼坩埚下方连接熔炼坩埚轴，熔炼坩埚轴与机构通过动密封连接，机构外部设有熔炼坩埚翻转液压系统及水平移动电机,所述介质熔炼后硅料高效提纯的装置包括送料机构、炉体、电子枪、熔炼坩埚、凝固坩埚；炉体由内外两侧组成，中间为中空结构，作为冷却水通道；送料结构连接在炉体的上端，炉体的一侧与吸真空结构相连，上方为电子枪，向下发射电子束，电子枪与吸真空结构相连；炉体内、电子束照射方为熔炼坩埚，内部空间即硅熔池，熔炼坩埚的后端位于送料机构的送料口下方，导液口端位于凝固坩埚的开口上方；凝固坩埚设于炉体底部,所述电子枪的数量为1个,所述炉体的一侧的吸真空结构为依次连接的机械泵Ⅰ、罗茨泵Ⅰ、扩散泵，扩散泵的端部与炉体相连；电子枪一侧的吸真空结构为依次连接的分子泵、罗茨泵Ⅱ、机械泵Ⅱ，分子泵的端部与电子枪相连,炉体的一侧设有充气阀；

电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口逐渐减小。

2.如权利要求1所述的介质熔炼后硅料的高效提纯方法，其特征在于：电子束熔炼能量分布模式与熔炼坩埚的结构相应的为自后端向导液口按16％-14％-11％-9％逐渐减小。

3.如权利要求1所述的介质熔炼后硅料的高效提纯方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：将介质熔炼后的硅料经过破碎、清洗、烘干后的600kg原料装入电子束熔炼炉的送料机构中；

第二步：合炉，并给设备通冷却循环水，利用电子束熔炼炉炉室真空系的机械泵、罗茨泵、扩散泵，将炉室真空抽至5×10^-2Pa以下，利用电子枪真空系统的机械泵、罗茨泵、分子泵，将电子枪内部真空抽至5×10^-3Pa以下，达到电子束熔炼所需要的真空条件；

第三步：对电子枪进行预热，设定电子枪灯丝电流为800-1000mA，对电子枪进行10-15min预热处理；

第四步：通过加料机构向熔炼坩埚的1#熔炼槽内输送30kg硅料；

第五步：电子枪预热完毕后，关闭电子枪预热模式，启动电子枪照射模式，设定照射功率为150-200kW，同时设定电子枪照射模式为能量分布密度自后端向导液口逐渐减小，照射熔炼坩埚1#熔炼槽；

第六步：待1#熔炼槽内的硅料完全熔化后，形成液态硅熔池，保持电子枪功率稳定，照射硅熔池10min；

第七步：启动送料机构向1#熔炼槽内内持续添加硅料，当液面达到导液口高度后，硅液通过导液口流入凝固坩埚内，并在凝固坩埚内凝固形成硅锭；

第八步：当送料量达到200kg时，保持电子枪功率持续照射1#熔炼槽内硅熔池5min，然后启动熔炼坩埚轴翻转模式，带动熔炼坩埚翻转，将熔炼坩埚1#熔炼槽内剩余的硅液倾倒入凝固坩埚内，然后关闭关闭电子枪，并将熔炼坩埚复位水平，碳化硅沉积层留在1#熔炼槽底部；

第九步：启动熔炼坩埚轴水平移动功能，将熔炼坩埚水平进行移动，将熔炼坩埚2#熔炼槽移动到熔炼位置；

第十步：重复第四步至第九步过程，完成硅料在2#熔炼槽内的熔炼过程；

第十一步：重复第四步至第八步过程，将熔炼坩埚3#熔炼槽移动到熔炼位置，完成硅料在3#熔炼槽内的熔炼过程；

第十二步：对设备及硅锭进行降温冷却；

第十三步：开炉取出熔炼完毕的硅锭，并将1-3#熔炼槽内的碳化硅沉积层分别取出。