CN109850905B - 一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法及装置，本发明在电子束熔炼硅材料的过程中，通过改变电子束的熔炼模式可以使硅熔体表面出现波动，进而提高蒸发表面积，增加熔体界面的蒸发表面积，提高单位时间内的杂质的蒸发量，通过在熔炼坩埚底部放置石墨衬底，改变硅熔体底部的温度分布，从而促进熔炼坩埚底部硅熔体的流动，使得硅熔体内部产生对流，从而加速底部的硅熔体与顶部的硅熔体之间的熔体交换。本发明通过改变电子束的熔炼模式和实验装置从而增加熔体的蒸发表面积，提高杂质在单位时间内的蒸发量，解决硅熔体在对挥发性杂质除杂过程中杂质蒸发量少、熔炼时间长、硅材料损失量大、成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及熔炼除杂领域，具体地说是一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法及装置。
背景技术
挥发性杂质元素如磷、铝、钙、砷等是硅料中很常见的杂质元素，太阳能级硅中的杂质元素含量会影响硅板的光电转化效率，通过在高纯硅中掺杂微量元素可以提高载流子的浓度，有助于电子的迁移扩散，进而提高太阳能级硅的光电性能，因此如何获得高纯度的太阳能级硅是目前科学研究的研究热点。利用冶金法提纯冶金级硅制备太阳能级硅材料的过程中，某些杂质的平衡分凝系数较高，通过定向凝固技术很难将该类型的杂质从硅熔体中除去，达到提纯硅锭的目的；然而根据挥发性杂质元素具有较高饱和蒸气压的特性，可以通过蒸发的方式从硅熔体表面除去。电子束熔炼技术能够提供一种高温、高真空度的环境，杂质趋于以气体形式从硅熔体表面挥发与液相形成气/液平衡状态，有利于挥发性杂质的除杂，但熔炼时间较长，除杂成本较高。
发明内容
本发明的目的在于在使用熔炼炉熔炼除杂，特别地使用电子束熔炼除杂的硅料制造中，提供一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法及装置。在研讨如何解决上述问题的过程中，发现下述技术从而完成本发明：在电子束熔炼硅材料的过程中，通过改变电子束的熔炼模式可以使硅熔体表面出现波动，进而提高蒸发表面积，增加熔体界面的蒸发表面积，提高单位时间内的杂质的蒸发量，在一定程度上缩短了熔炼时间，减少了熔炼过程中硅的损耗；
并且，还发现下述技术从而完成本发明：通过在熔炼坩埚底部放置石墨衬底，改变硅熔体底部的温度分布，从而促进熔炼坩埚底部硅熔体的流动，使得硅熔体内部产生对流，从而加速底部的硅熔体与顶部的硅熔体之间的溶体交换，在一定程度上缩短了熔炼时间，减少了熔炼过程中硅的损耗。
本发明采用的技术手段如下：
一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法，具有如下步骤：
S1、炉体达到熔炼所需真空度；
预热电子枪，所述电子枪包括第一类电子枪和第二类电子枪；
将硅料放入底部具有石墨衬底的熔炼坩埚内，所述石墨衬底具有周向闭合的凸起；
S2、开启第一类电子枪，扫描路径保持线性扫描模式，逐渐增加功率，至熔炼坩埚中的硅料全部熔化为液态；
S3、逐渐降低第一类电子枪的功率，并保持硅料为液态；
S4、开启第二类电子枪，将功率增加至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率相同，第二类电子枪的扫描路径与所述凸起的廓相一致，使得硅熔池内形成周向闭合的高温区，在水平界面处形成温度差，产生界面波动；
S5、保持第一类电子枪和第二类电子枪的功率对熔炼坩埚中的硅料进行熔炼；
S6、降束：降低第一类电子枪和第二类电子枪的功率；
S7、待完成降束，熔炼坩埚中的硅料缓慢凝固后，取锭，检测硅锭的杂质含量。
所述第一类电子枪和所述第二类电子枪的结构完全相同，且所述第一类电子枪至少包括一把电子枪，所述第二类电子枪至少包括一把电子枪。
所述石墨衬底的底部和侧壁分别与所述熔炼坩埚底部和侧壁相匹配；
所述凸起的外壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底侧壁的凹形弧面；
所述凸起的内壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底中部的凹形弧面。
所述步骤S2中，逐渐增加功率的方式为第一类电子枪阶梯式的增加功率，并在每一阶梯功率下停留一段时间；
所述步骤S3中，逐渐降低第一类电子枪的功率为第一类电子枪阶梯式的降低功率，并在每一阶梯功率下停留一段时间；
所述步骤S4中，将功率增加至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率相同的方式为第二类电子枪阶梯式的增加功率至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率相同，并在每一阶梯功率下停留一段时间。
所述步骤S6中，降低第一类电子枪和第二类电子枪的功率的方式为第二类电子枪阶梯式的降低功率至与所述步骤S3中第一类电子枪最终达到的功率相同，并在每一阶梯功率下停留一段时间，之后，第一类电子枪和第二类电子同时阶梯式的降低功率至0，并在每一阶梯功率下停留一段时间。
本发明还公开了一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量装置，包括：
第一类电子枪、第二类电子枪，用于熔融、熔炼硅料并保持硅料为液态；
熔炼坩埚，用于装入所述硅料；
炉体，将上述部件与大气隔开；
动力系统，伸入所述炉体，用于翻转所述熔炼坩埚；
所述熔炼坩埚底部具有石墨衬底，所述石墨衬底具有周向闭合的凸起。
所述第一类电子枪和所述第二类电子枪的结构完全相同，且所述第一类电子枪至少包括一把电子枪，所述第二类电子枪至少包括一把电子枪。
所述石墨衬底的底部和侧壁分别与所述熔炼坩埚底部和侧壁相匹配；
所述凸起的外壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底侧壁的凹形弧面；
所述凸起的内壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底中部的凹形弧面。
在电子束熔炼硅材料的过程中，通过改变电子束的熔炼模式可以使硅熔体表面出现波动，进而提高蒸发表面积，增加熔体界面的蒸发表面积，提高单位时间内的杂质的蒸发量，通过在熔炼坩埚底部放置石墨衬底，改变硅熔体底部的温度分布，从而促进熔炼坩埚底部硅熔体的流动，使得硅熔体内部产生对流，从而加速底部的硅熔体与顶部的硅熔体之间的溶体交换。
本发明可在实际工业生产过程中加以推广应用，减少了材料在熔炼过程中的损耗，降低了熔体除杂过程的成本，在熔体除杂领域意义重大。
本发明通过改变电子束的熔炼模式和实验装置从而增加熔体的蒸发表面积，提高杂质在单位时间内的蒸发量，解决硅熔体在对挥发性杂质除杂过程中杂质蒸发量少、熔炼时间长、硅材料损失量大、成本高的问题，与现有技术相比，具有如下优点：
1)、本发明通过改变电子束的熔炼模式，促使硅熔体表面产生波动，增加了硅熔体的蒸发表面积，提高了单位时间内杂质的蒸发量；
2)、本发明通过电子束形成的周向闭合的局部高温产生的温差会加速硅熔体流动从而减小熔体内部的温度差，防止因温差过大造成硅熔液飞溅；
3)、本发明通过在熔炼坩埚底部增加石墨衬底，在熔炼过程中改变硅熔体底部的温度分布，结合电子束熔炼模式，加速熔炼坩埚内部熔体的流动，提高熔炼过程中整体杂质的蒸发速率；
4)、本发明简单易行，并可大幅度增加硅熔体界面的蒸发表面积，提高单位时间内挥发性杂质的蒸发量，促进熔炼坩埚内的硅熔体流动，缩短了熔炼除杂时间，降低了工业生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的具体实施方式中一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量装置的截面图。
图2是本发明的具体实施方式中电子束扫描硅熔液的温度分布示意图。
图3是本发明的具体实施方式中石墨衬底结构图。
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。
如图1-图3所示，一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量装置，包括：
第一类电子枪、第二类电子枪，用于熔融、熔炼硅料并保持硅料为液态，其中，第一类电子枪包括#1电子枪1和#2电子枪2，第二类电子枪包括#3电子枪3；
熔炼坩埚，用于装入所述硅料；
炉体，将上述部件与大气隔开，所述炉体包括炉壁5和位于炉壁5上的炉盖6，#1电子枪1、#2电子枪2和#3电子枪3从炉盖6伸入炉体内，所述炉盖6还设有观察窗7
动力系统8，伸入所述炉体，用于翻转所述熔炼坩埚，方便后续取锭过程，本实施例中，所述熔炼坩埚为水冷铜坩埚4，其上设有进水管道11和出水管道12；
所述熔炼坩埚底部具有石墨衬底9，所述石墨衬底9具有周向闭合的凸起，本实施例中，周向闭合的凸起为矩形环状凸起，可以理解为在其他实施例中，周向闭合的凸起还可以为圆环状凸起，三角形状凸起，正方形状凸起等周向闭合结构，只要保证将石墨衬底9划分为内外两个区域即可。
所述石墨衬底9的底部和侧壁分别与所述熔炼坩埚底部和侧壁相匹配；
所述凸起的外壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底9侧壁的凹形弧面10；
所述凸起的内壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底9中部的凹形弧面10，凹形弧面10结构有利于高温熔体向低温熔体进行运动，促进熔体的对流运动，可以理解为在其他实施例中，凹形弧面10还可以被其他结构代替，例如，阶梯状面结构、波浪状面结构，只要保证上述结构具有高度差即可。
一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法，具有如下步骤：
S1、利用真空系统降低炉体真空度，炉体真空度达到0.5Pa；
预热#1电子枪1、#2电子枪2和3电子枪，电流从0逐渐增加至1000mA并稳定预热30min；
将硅料放入底部具有石墨衬底9的所述水冷铜坩埚4内；
S2、开启#1电子枪1、#2电子枪2，扫描路径保持线性扫描模式，按照30kw(5min)→50kw(1min)→80kw(1min)→100kw(1min)→120kw(1min)→150kw(1min)→180kw(1min)→200kw(1min)→250kw阶梯式的增加功率(括号内的时间为该梯功率下停留的时间，下同)，至熔炼坩埚中的硅料全部熔化为液态；
S3、按照250kw→200kw(1min)→150kw阶梯式的降低#1电子枪1、#2电子枪2的功率，将功率保持在150kw，并保持硅料为液态；
S4、开启#3电子枪3，将功率增加至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率250kw，#3电子枪3的扫描路径与所述凸起的廓相一致，即矩形环状，如图2所示，使得硅熔池内形成周向闭合的高温区13和位于高温区13所围内部和高温区13外部的低温区14，在水平界面处形成温度差，产生界面波动，同时，石墨衬底9的凹形弧面10促进熔体的对流运动，提高熔炼过程中整体杂质的蒸发速率；
S5、保持#1电子枪1、#2电子枪2的功率150kw和#3电子枪3的功率250kw对水冷铜坩埚4中的硅料进行熔炼15min；
S6、降束：按照250kw→200kw(1min)→150kw(2min)阶梯式的降低#3电子枪3的功率，之后，安装150kw→120kw(3min)→100kw(4min)→80kw(5min)→50kw(6min)→30kw(7min)→10kw(8min)→0kw阶梯式的同时降低#1电子枪1、#2电子枪2和#3电子枪3的功率；
S7、待完成降束，水冷铜坩埚4中的硅料缓慢凝固后，动力系统8驱动水冷铜坩埚翻转，取锭，检测硅锭的杂质含量。
通过本实施例提纯得到的硅锭，其杂质的除杂效率为99.97％，电子束熔炼过程耗费时间15min，硅锭蒸发损失率为6％，总消耗用电量为780kw；采用传统工艺其杂质的除杂效率为99.54％，电子束熔炼过程耗费时间30min，硅锭蒸发损失率为10％，总消耗用电量为860kw，通过本实施例将电子束熔炼时间降低了50％，硅锭的蒸发损失率降低了40％，成本降低了9.3％，成品率提高了0.43％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量的方法，其特征在于具有如下步骤：
S1、炉体达到熔炼所需真空度；
预热电子枪，所述电子枪包括第一类电子枪和第二类电子枪；
将硅料放入底部具有石墨衬底的熔炼坩埚内，所述石墨衬底具有周向闭合的凸起；
S2、开启第一类电子枪，扫描路径保持线性扫描模式，逐渐增加功率，至熔炼坩埚中的硅料全部熔化为液态；
S3、逐渐降低第一类电子枪的功率，并保持硅料为液态；
S4、开启第二类电子枪，将功率增加至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率相同，第二类电子枪的扫描路径与所述凸起的廓相一致，使得硅熔池内形成周向闭合的高温区，在水平界面处形成温度差，产生界面波动；
S5、保持第一类电子枪和第二类电子枪的功率对熔炼坩埚中的硅料进行熔炼；
S6、降束：降低第一类电子枪和第二类电子枪的功率；
S7、待完成降束，熔炼坩埚中的硅料缓慢凝固后，取锭，检测硅锭的杂质含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一类电子枪和所述第二类电子枪的结构完全相同，且所述第一类电子枪至少包括一把电子枪，所述第二类电子枪至少包括一把电子枪。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述石墨衬底的底部和侧壁分别与所述熔炼坩埚底部和侧壁相匹配；
所述凸起的外壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底侧壁的凹形弧面；
所述凸起的内壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底中部的凹形弧面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中，逐渐增加功率的方式为第一类电子枪阶梯式的增加功率，并在每一阶梯功率下停留一段时间；
所述步骤S3中，逐渐降低第一类电子枪的功率为第一类电子枪阶梯式的降低功率，并在每一阶梯功率下停留一段时间；
所述步骤S4中，将功率增加至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率相同的方式为第二类电子枪阶梯式的增加功率至与所述步骤S2中第一类电子枪最终达到的功率相同，并在每一阶梯功率下停留一段时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S6中，降低第一类电子枪和第二类电子枪的功率的方式为第二类电子枪阶梯式的降低功率至与所述步骤S3中第一类电子枪最终达到的功率相同，并在每一阶梯功率下停留一段时间，之后，第一类电子枪和第二类电子同时阶梯式的降低功率至0，并在每一阶梯功率下停留一段时间。
6.一种权利要求1-5任意权利要求所述的方法中应用的电子束熔炼过程中提高挥发性杂质除杂量装置，其特征在于，所述装置包括：
第一类电子枪、第二类电子枪，用于熔融、熔炼硅料并保持硅料为液态；
熔炼坩埚，用于装入所述硅料；
炉体，将上述部件与大气隔开；
动力系统，伸入所述炉体，用于翻转所述熔炼坩埚，所述熔炼坩埚底部具有石墨衬底，所述石墨衬底具有周向闭合的凸起。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一类电子枪和所述第二类电子枪的结构完全相同，且所述第一类电子枪至少包括一把电子枪，所述第二类电子枪至少包括一把电子枪。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述石墨衬底的底部和侧壁分别与所述熔炼坩埚底部和侧壁相匹配；
所述凸起的外壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底侧壁的凹形弧面；
所述凸起的内壁具有由其上端向下延伸至所述石墨衬底中部的凹形弧面。
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