RU2465202C2 - Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum - Google Patents
Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2465202C2 RU2465202C2 RU2010146687/05A RU2010146687A RU2465202C2 RU 2465202 C2 RU2465202 C2 RU 2465202C2 RU 2010146687/05 A RU2010146687/05 A RU 2010146687/05A RU 2010146687 A RU2010146687 A RU 2010146687A RU 2465202 C2 RU2465202 C2 RU 2465202C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- melt
- plasma
- crucible
- vacuum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу очистки кремния с помощью плазменной технологии при промышленном производстве кремния для фотоэлектронной промышленности, и в том числе для изготовления солнечных батарей.The invention relates to a method for purifying silicon using plasma technology in the industrial production of silicon for the photoelectronic industry, including the manufacture of solar cells.
Известен способ очистки кремния, заключающийся в:A known method of purification of silicon, which consists in:
а) расплавлении исходного неочищенного кремния вместе с силикатом кальция при температуре не ниже 1544°С, в ходе которого бор, присутствующий в качестве примеси в кремнии, переходит в шлак,a) melting the original crude silicon together with calcium silicate at a temperature not lower than 1544 ° C, during which boron, present as an impurity in silicon, becomes slag,
б) выдержке расплава под атмосферой инертного газа для разделения на нижний слой шлака и верхний слой кремния с последующим регулированием температуры в пределах 1430-1544°С для коагуляции шлака, причем кремний в это время не претерпевает каких-либо изменений,b) holding the melt under an inert gas atmosphere to separate it into the lower slag layer and the upper silicon layer, followed by temperature control in the range of 1430-1544 ° C to coagulate the slag, and silicon does not undergo any changes at this time,
в) погружении охлаждающего элемента в расплав кремния, в результате чего на его поверхности осаждается кремний высокой чистоты.c) immersion of the cooling element in the silicon melt, as a result of which high purity silicon is deposited on its surface.
Затем этот элемент извлекают из расплава и удаляют с него массу застывшего кремния. На следующей стадииThen this element is removed from the melt and the mass of solidified silicon is removed from it. In the next stage
г) кремний высокой чистоты подвергают переплавке и вакуумной обработке для испарения содержащегося в нем фосфора. (См. заявку N РСТ - WO 9703922 А1 от 14.05.95).g) silicon of high purity is subjected to remelting and vacuum treatment to evaporate the phosphorus contained in it. (See application N PCT - WO 9703922 A1 of 05/14/95).
Известен способ очистки кремния и устройство (по ЕР 0855367 А1, опубликованному 29.07.1998 Bulletin 1998/31). По этому способу тигель располагают под плазмотроном и загружают металлургическим кремнием, кремний расплавляют и на расплав кремния подают технологический газ или газовые смеси окислительного и восстановительного свойства, причем подача этих газов и смесей производится вместе с потоком плазмы инертного газа, при этом зеркало расплава меняет свою площадь от площади круга, при отсутствии воздействия плазмы, до площади фигуры, ограниченной параболой, при воздействии потока плазмы с технологическими газами и смесями, при этом поток плазмы может отклонятся от вертикальной оси на определенный угол, и сами потоки технологических газов и смесей подаются под определенным углом к потоку плазмы с осуществлением контроля параметров их подачи. Устройство для осуществления этого способа состоит из тигля, на расстоянии от которого по вертикальной оси вверх расположен плазмотрон с каналами, подающими технологические газы и смеси, устройства его предварительного подогрева и желоба подачи неочищенного кремния.A known method of purification of silicon and device (according to EP 0855367 A1, published on 07.29.1998 Bulletin 1998/31). According to this method, the crucible is placed under the plasma torch and loaded with metallurgical silicon, the silicon is melted and the process gas or gas mixtures of oxidizing and reducing properties are fed to the silicon melt, and these gases and mixtures are supplied together with the inert gas plasma stream, while the melt mirror changes its area from the area of the circle, in the absence of plasma exposure, to the area of the figure bounded by a parabola, when exposed to a plasma flow with process gases and mixtures, while the plasma flow s may deviate from the vertical axis through a certain angle, and the streams themselves process gases and mixtures are fed at a predetermined angle to the flow of plasma to the implementation of control parameters of their supply. A device for implementing this method consists of a crucible, at a distance from which a plasmatron with channels supplying process gases and mixtures, devices for its preliminary heating and a chute for supplying crude silicon is located upward along a vertical axis.
Недостатки данных способов обусловлены тем, что для получения кремния с уровнем чистоты от 10 ppmw до 1 ppmw и содержанием примесей фосфора, железа, алюминия, титана меньше 0.1 ppmw каждого, для бора от 0.1 до 0.3 ppmw, а углерода и кислорода меньше 5 ppmw, необходим длительный процесс рафинирования, что исключает его получение промышленным способом.The disadvantages of these methods are due to the fact that to obtain silicon with a purity level of 10 ppmw to 1 ppmw and an impurity content of phosphorus, iron, aluminum, titanium less than 0.1 ppmw each, for boron from 0.1 to 0.3 ppmw, and carbon and oxygen less than 5 ppmw, a long refining process is required, which excludes its production by an industrial method.
Кроме того, расплав кремния имеет увеличивающуюся к низу тигля толщину расплава, что соответственно исключает равномерный характер его обработки и однородность чистоты получаемого кремния. Чем толще обрабатываемый слой, тем дольше время обработки расплава, что влечет за собой значительные затраты энергии, чистого инертного газа, водорода и других технологических смесей. А выравнивание слоя за счет каскада тиглей или системы перемешивания электромагнитным воздействием предполагает дополнительные затраты.In addition, the silicon melt has a melt thickness increasing toward the bottom of the crucible, which accordingly excludes the uniform nature of its processing and the uniformity of the purity of the resulting silicon. The thicker the treated layer, the longer the melt processing time, which entails a significant expenditure of energy, pure inert gas, hydrogen and other technological mixtures. And the leveling of the layer due to the cascade of crucibles or the mixing system by electromagnetic action involves additional costs.
Наиболее близким является способ и устройство (РФ №2159213, МПК С01В 33/037 от 25.02.1999 г.). Способ включает разогрев в тигле неочищенного кремния до получения расплава и обработку расплава плазменным факелом, содержащим инертный газ, восстановительный газ и пары воды. Разогрев и обработку кремния плазменным факелом производят одновременно с вращением тигля вокруг своей оси до получения расплава формы полого цилиндра, при этом плазменный факел направляют вдоль оси вращения, а слив готовой продукции производят при достижении заданного уровня содержания примесей. При этом разогрев в тигле неочищенного кремния до получения расплава производят до температуры 1500-1800°С, а вращение тигля производят вокруг оси, расположение которой меняют при достижении необходимой скорости вращения. Устройство для осуществления очистки кремния по данному способу состоит из тигля и плазмотрона с каналами подачи газов. При этом тигель представляет собой обечайку цилиндрической формы с двумя фланцами на торцах, футерованную и облицованную кварцевым стеклом изнутри, с одной стороны в отверстие фланца вставлен плазмотрон, а с противоположной стороны во втором фланце расположено отверстие для выхода газа, удаления примесей и слива кремния в изложницу. Внешний диаметр этого фланца выполнен в виде двух спаренных шкивов: для привода вращения тигля и для вращения пары катков, на которые опирается тигель, с возможностью изменения точек опоры по хорде окружности паза с одной стороны. С другой стороны тигель опирается на вторую пару катков первым фланцем, а катки попарно расположены на трапецеидальной раме. Каждая пара имеет одну общую ось вращения, заделанную в подшипники на раме, которая крепится снизу к платформе с двигателем, а сама платформа подвешена через амортизаторы к каркасу. При этом привод вращения выполнен в виде цепи и шкива со звездочкой, а шкив имеет паз.The closest is the method and device (RF №2159213, IPC СВВ 33/037 of 02.25.1999). The method includes heating the crude silicon in a crucible to obtain a melt and treating the melt with a plasma torch containing an inert gas, a reducing gas, and water vapor. Heating and processing of silicon by a plasma torch is carried out simultaneously with the rotation of the crucible around its axis until a hollow cylinder forms a melt, while the plasma torch is directed along the axis of rotation, and the finished product is drained when the specified level of impurities is reached. In this case, the heating of crude silicon in a crucible until a melt is obtained is carried out to a temperature of 1500-1800 ° C, and the crucible is rotated around an axis whose location is changed when the required rotation speed is reached. A device for purifying silicon according to this method consists of a crucible and a plasma torch with gas supply channels. In this case, the crucible is a cylindrical shell with two flanges at the ends, lined and lined with quartz glass from the inside, a plasmatron is inserted into the hole of the flange, and on the opposite side there is a hole in the second flange for gas exit, removal of impurities and silicon discharge into the mold . The outer diameter of this flange is made in the form of two paired pulleys: for driving the rotation of the crucible and for rotating the pair of rollers on which the crucible rests, with the possibility of changing the support points along the chord of the circumference of the groove on one side. On the other hand, the crucible rests on the second pair of rollers with the first flange, and the rollers are arranged in pairs on a trapezoidal frame. Each pair has one common axis of rotation embedded in bearings on the frame, which is attached from below to the platform with the engine, and the platform itself is suspended through shock absorbers to the frame. In this case, the rotation drive is made in the form of a chain and a pulley with an asterisk, and the pulley has a groove.
Недостатки данного способа и устройства обусловлены тем, что эффективность этого способа крайне невелика. Низкая эффективность струйного плазмотрона, низкая эффективность теплоизоляции из кварцевого песка, большой расход аргона, так как процесс ведется в условиях атмосферного давления.The disadvantages of this method and device due to the fact that the effectiveness of this method is extremely small. Low efficiency of jet plasmatron, low efficiency of quartz sand thermal insulation, high consumption of argon, as the process is conducted under atmospheric pressure.
Способ очистки металлургического кремния увлажненной плазмой переменного тока в вакууме, включающий разогрев в тигле кремния до получения расплава и обработку расплава плазменным факелом, направленным под острым углом к поверхности, содержащим инертный газ и пары воды, отличающийся тем, что разогрев и плавление неочищенного кремния производят в кварцевом тигле цилиндрической формы в вакууме с помощью графитового нагревателя, затем расплав кремния обрабатывают с помощью системы из трех двухрежимных плазмотронов с изолированными от корпуса анодами и системой подачи воды в канал анода, сперва плазмой сухого аргона при постоянном токе 50-80 А, затем плазмой увлажненного аргона при переменном токе 100-200 А, после чего формируют слиток поликристаллического кремния путем медленного охлаждения расплава в кварцевом тигле.The method of purification of metallurgical silicon with moistened alternating current plasma in vacuum, including heating the silicon in a crucible to obtain a melt and treating the melt with a plasma torch directed at an acute angle to the surface containing inert gas and water vapor, characterized in that the heating and melting of the crude silicon is carried out in a cylindrical quartz crucible in a vacuum using a graphite heater, then the silicon melt is processed using a system of three dual-mode plasmatrons isolated from rpusa anodes and the water supply system in the anode channel, first dry argon plasma at a constant current of 50-80 A, then moistened with an argon plasma with an alternating current of 100-200 A, and then forming a polycrystalline silicon ingot by slow cooling of the melt in the quartz crucible.
Отличительными признаками от прототипа является то, что разогрев и плавление неочищенного кремния производят в кварцевом тигле цилиндрической формы в вакууме с помощью графитового нагревателя, затем расплав кремния обрабатывают с помощью системы из трех двухрежимных плазмотронов с изолированными от корпуса анодами и системой подачи воды в канал анода, сперва плазмой сухого аргона при постоянном токе 50-80 А, затем плазмой увлажненного аргона при переменном токе 100-200 А, после чего формируют слиток поликристаллического кремния путем медленного охлаждения расплава в кварцевом тигле.Distinctive features of the prototype is that the heating and melting of the crude silicon is carried out in a cylindrical quartz crucible in a vacuum using a graphite heater, then the silicon melt is processed using a system of three dual-mode plasmatrons with anodes isolated from the casing and a water supply system to the anode channel, first, with dry argon plasma at a constant current of 50-80 A, then with moistened argon plasma at an alternating current of 100-200 A, after which a polycrystalline silicon ingot is formed by slow nnogo cooling the melt in the quartz crucible.
Сопоставительный анализ заявляемого способа с имеющимися техническими решениями показывает, что решена задача получения из металлургического кремния чистотой 98-99.9% слитка поликристаллического кремния степени чистоты 99.9999%, при содержании фосфора не более 0.1 ppmw, бора от 0.1 до 1 ppmw, пригодного для изготовления фотопреобразователей промышленным способом, новые технические решения позволяют существенно увеличить эффективность и максимально сократить время процесса обработки расплава кремния, при достижении требуемого результата. Это делает возможным использование данного способа для промышленного производства поликристаллического кремния.A comparative analysis of the proposed method with the available technical solutions shows that the problem of obtaining from metallurgical silicon with a purity of 98-99.9% polycrystalline silicon ingot of a purity of 99.9999%, with a phosphorus content of not more than 0.1 ppmw, boron from 0.1 to 1 ppmw, suitable for the manufacture of industrial photoconverters, has been solved way, new technical solutions can significantly increase efficiency and minimize the processing time of the silicon melt, while achieving the desired result. This makes it possible to use this method for the industrial production of polycrystalline silicon.
На рисунке 1 изображена схема реализации данного способа.Figure 1 shows a diagram of the implementation of this method.
На практике реализация предложенного способа осуществляется следующим образом. In practice, the implementation of the proposed method is as follows.
Устройство для очистки кремния содержит стальную камеру с водоохлаждаемыми стенками (1), кварцевый тигель цилиндрической формы (7), графитовый суппорт для установки кварцевого тигля (8), лифт для вертикального перемещения суппорта и тигля (9). Тигель, суппорт, лифт и графитовый нагреватель (5), с источником питания и системой контроля температуры, широко применяются в конструкции установок выращивания кристаллов кремния и выбраны из-за низкой стоимости и доступности. Стенки камеры (1) снабжены тепловыми экранами (4) из графитового войлока. В верхней части камеры (1) установлены три струйных двухрежимных плазмотрона (3), работающих в режиме дежурной дуги постоянного тока 50-80 А, с использованием в качестве плазмообразующего газа сухого аргона и основной дуги переменного тока 100-200 А, с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси сухого аргона и паров воды. Аноды плазмотронов (3) снабжены системой подачи воды в плазмообразующий канал. В верхней части камеры, в центре, расположено отверстие для откачки газов (2).The silicon purification device comprises a steel chamber with water-cooled walls (1), a cylindrical quartz crucible (7), a graphite support for installing a quartz crucible (8), an elevator for vertical movement of the support and crucible (9). The crucible, caliper, elevator and graphite heater (5), with a power source and temperature control system, are widely used in the design of silicon crystal growing plants and are selected due to their low cost and availability. The walls of the chamber (1) are equipped with thermal screens (4) of graphite felt. Three jet dual-mode plasma torches (3) are installed in the upper part of the chamber (1), operating in a duty mode of a direct arc of a direct current of 50-80 A, using dry argon as a plasma-forming gas and a main arc of AC 100-200 A, using as a plasma-forming gas of a mixture of dry argon and water vapor. Anodes of plasmatrons (3) are equipped with a system for supplying water to a plasma-forming channel. In the upper part of the chamber, in the center, there is a hole for pumping gases (2).
Устройство работает следующим образом. В тигель (7) загружают металлургический кремний (6). Тигель загружают с учетом наиболее плотного заполнения, и с учетом того, чтобы после плавления уровень зеркала расплава находился ниже верхней кромки кварцевого тигля на 20-30 мм, при этом лифт тигля (9) находится в крайнем нижнем положении. Затем камеру (1) закрывают и через отверстие (2) откачивают газы до давления 0.1-1 Торр.The device operates as follows. Metallic silicon (6) is charged into the crucible (7). The crucible is loaded taking into account the most dense filling, and taking into account that, after melting, the level of the melt mirror is 20-30 mm below the top edge of the quartz crucible, while the crucible elevator (9) is in the lowest position. Then the chamber (1) is closed and through the hole (2) gases are pumped out to a pressure of 0.1-1 Torr.
Разогрев и плавление загруженного кремния производят с помощью графитового нагревателя (5). Стенки вакуумной камеры снабжены слоем высокоэффективной тепловой изоляции из графитового войлока (4) с целью снижения тепловых потерь до минимума. По мере плавления кремния его уровень в тигле снижается. После окончательного плавления кремния температура графитового нагревателя стабилизируется на уровне 1500°С. Использование стандартного кварцевого тигля цилиндрической формы, графитового нагревателя, суппорта, лифта и тепловой изоляции позволяет получить и поддерживать расплав кремния с минимальными затратами.Heating and melting of the loaded silicon is carried out using a graphite heater (5). The walls of the vacuum chamber are equipped with a layer of highly efficient thermal insulation made of graphite felt (4) in order to reduce heat loss to a minimum. As silicon melts, its level in the crucible decreases. After the final melting of silicon, the temperature of the graphite heater stabilizes at 1500 ° C. The use of a standard cylindrical quartz crucible, a graphite heater, a caliper, an elevator and thermal insulation allows to obtain and maintain a molten silicon with minimal cost.
Затем в плазмотроны (3) подается сухой аргон и зажигается дежурная электрическая дуга постоянного тока. Ток дуги 50-80А для каждого из трех плазмотронов. Для каждого плазмотрона предусмотрен маломощный источник питания постоянного тока с крутопадающей вольтамперной характеристикой и системой поджига дуги, при этом реализована полная гальваническая развязка анодов и катодов плазмотронов от камеры, питающей сети и друг от друга. Сжатая струя разогретого ионизированного газа температурой от 4000 до 6000°С движется в разреженной среде с высокой скоростью. При этом струи (10) от трех плазмотронов пересекаются в центре поверхности расплава, для чего с помощью лифта тигель поднимают вверх. Газ, отраженный от поверхности расплава, откачивается через отверстие (2) с высокой скоростью. Цилиндрическая форма тигля и расположение плазмотронов под острым углом к поверхности расплава способствуют достижению оптимального пути струи плазмы от плазмотрона, далее отражаясь от поверхности расплава, к отверстию для откачки. Затем в аноды плазмотронов подается дистиллированная вода, при этом расход воды поддерживается на уровне 200% массовых от величины расхода сухого аргона. Вода испаряется под действием тепла, выделяющегося на анодах плазмотронов, водяные пары смешиваются с потоком ионизированного аргона в струе плазмы и подвергаются частичной диссоциации и ионизации. Давление в камере поддерживается на уровне 0.5-1 Торр, за счет изменения производительности насоса, в течение всего процесса. Затем к анодам трех плазмотронов прикладывают трехфазное переменное напряжение 380 В. Струи предварительно ионизированной смеси сухого аргона и паров воды представляют собой путь для тока основной дуги, следовательно, происходит ее легкое зажигание и обеспечивается стабильное горение. Амплитудное значение тока основной дуги для каждой фазы составляет 100-200 А и регулируется с помощью изменения количества воды, соответственно плотности плазмообразующей смеси газов, подаваемой в аноды плазмотронов. Благодаря применению трехфазной схемы питания основной дуги, в центре поверхности расплава образуется свободно-висящая область с нулевым потенциалом, которая является попеременно анодом или катодом основной дуги, в зависимости от направления тока в каждом из трех разрядных промежутков (анод плазмотрона - нулевая точка). Известно, что на аноде струйного плазмотрона в виде тепла выделяется до 60% энергии, приложенной к разрядному промежутку. В данном случае в нулевой точке выделяется 50% энергии, приложенной к анодам трех плазмотронов. Тепловая эффективность данной схемы в несколько раз выше, чем в случае применения струйного плазмотрона постоянного тока. Кроме того, в нулевой точке поверхность расплава подвергается попеременно интенсивному нагреву электронным потоком (фаза режима анода) и интенсивной бомбардировке ионами аргона, кислорода и водорода (фаза режима катода). При этом существенно возрастает вероятность прохождения окислительно-восстановительных реакций на поверхности расплава, а также вероятность испарения летучих примесей.Then, dry argon is fed into the plasma torches (3) and the DC electrical arc on duty is ignited. Arc current 50-80A for each of the three plasmatrons. For each plasma torch, a low-power DC power supply with a steeply damping current-voltage characteristic and an arc ignition system is provided, while the full galvanic isolation of the anodes and cathodes of the plasma torches from the camera, the mains supply and from each other is realized. A compressed jet of heated ionized gas with a temperature of 4000 to 6000 ° C moves in a rarefied medium at high speed. In this case, the jets (10) from three plasmatrons intersect in the center of the surface of the melt, for which the crucible is lifted up using an elevator. The gas reflected from the surface of the melt is pumped out through the hole (2) at a high speed. The cylindrical shape of the crucible and the location of the plasma torches at an acute angle to the surface of the melt contribute to achieving the optimal path of the plasma jet from the plasma torch, then being reflected from the surface of the melt, to the pumping hole. Then distilled water is supplied to the anodes of the plasma torches, while the water flow rate is maintained at 200% by mass of the dry argon flow rate. Water evaporates under the action of heat released at the anodes of the plasma torches, water vapor mixes with the stream of ionized argon in the plasma jet and undergo partial dissociation and ionization. The pressure in the chamber is maintained at a level of 0.5-1 Torr, due to changes in pump performance, throughout the process. Then, a three-phase alternating voltage of 380 V is applied to the anodes of the three plasmatrons. The jets of the pre-ionized mixture of dry argon and water vapor represent the path for the current of the main arc, therefore, it is lightly ignited and stable combustion is ensured. The amplitude value of the main arc current for each phase is 100-200 A and is regulated by changing the amount of water, respectively, the density of the plasma-forming mixture of gases supplied to the anodes of the plasma torches. Due to the use of a three-phase power supply circuit of the main arc, a free-hanging region with zero potential is formed in the center of the melt surface, which is alternately the anode or cathode of the main arc, depending on the direction of the current in each of the three discharge gaps (the plasma torch anode is the zero point). It is known that up to 60% of the energy applied to the discharge gap is released in the form of heat at the anode of the jet plasmatron. In this case, at the zero point, 50% of the energy applied to the anodes of the three plasmatrons is released. The thermal efficiency of this circuit is several times higher than in the case of using a direct current jet plasmatron. In addition, at the zero point, the surface of the melt is subjected to alternately intense heating by the electron beam (phase of the anode mode) and intense bombardment by ions of argon, oxygen and hydrogen (phase of the cathode mode). In this case, the probability of the occurrence of redox reactions on the surface of the melt, as well as the probability of evaporation of volatile impurities, increases significantly.
Под воздействием механического импульса струй ионизированного газа, движущегося с высокой скоростью, происходит эффективное перемешивание расплава, за счет чего реализуется постепенное прохождение всей массы расплава через центр поверхности, где под воздействием высокой температуры и окислительно-восстановительных реакций происходит удаление из расплава примесей.Under the influence of a mechanical impulse of jets of ionized gas moving at high speed, the melt is effectively mixed, due to which a gradual passage of the entire mass of the melt through the center of the surface is realized, where, under the influence of high temperature and redox reactions, impurities are removed from the melt.
Использование данной схемы позволяет эффективно доставлять к поверхности расплава большое количество ионов кислорода и водорода при использовании малых потоков аргона и воды, что существенно упрощает конструкцию камеры и снижает вероятность разбрызгивания кремния и повреждения графитовых элементов камеры.Using this scheme, it is possible to efficiently deliver a large amount of oxygen and hydrogen ions to the melt surface using small flows of argon and water, which greatly simplifies the design of the chamber and reduces the likelihood of silicon splashing and damage to the graphite elements of the chamber.
В зоне обработки расплав кремния подвергается воздействию высокой температуры и технологических газов, окислительного (кислород) и восстановительного (водород), содержащихся в струе плазмы. При воздействии высокой температуры в условиях низкого давления происходит испарение примесей, давление насыщенных паров которых больше давления паров кремния (фосфор, мышьяк, алюминий и другие). Активированный в плазме кислород эффективно окисляет бор в приповерхностном слое кремния, превращая его в летучие оксиды бора (ВО, ВO2, В2O3), которые уносятся газовым потоком через отверстие для откачки, чему способствует расположение плазмотрона под острым углом к поверхности расплава, цилиндрическая форма тигля и соответствующее расположение отверстия, через которое происходит откачка газов. Активированный в плазме водород предотвращает окисление кремния и образование на поверхности пленки диоксида кремния, препятствующей диффузии бора из объема в приповерхностный слой расплава.In the treatment zone, the silicon melt is exposed to high temperature and process gases, oxidizing (oxygen) and reducing (hydrogen) contained in the plasma jet. When exposed to high temperature under low pressure, the evaporation of impurities occurs, the saturated vapor pressure of which is higher than the vapor pressure of silicon (phosphorus, arsenic, aluminum and others). Oxygen activated in the plasma effectively oxidizes boron in the surface silicon layer, turning it into volatile boron oxides (BO, BO 2 , B 2 O 3 ), which are carried away by the gas stream through the pumping hole, which is facilitated by the location of the plasma torch at an acute angle to the melt surface, the cylindrical shape of the crucible and the corresponding location of the hole through which the gas is evacuated. Hydrogen activated in plasma prevents the oxidation of silicon and the formation on the surface of a film of silicon dioxide, which prevents the diffusion of boron from the bulk into the surface layer of the melt.
По истечении времени обработки отключают переменное напряжение питания основной дуги и прекращают подачу воды в аноды плазмотронов.After the processing time has passed, the alternating voltage of the main arc is turned off and the water supply to the anodes of the plasma torches is stopped.
Устройство работает следующим образом. В тигель (7) загружают металлургический кремний (6). Тигель загружают с учетом наиболее плотного заполнения и с учетом того, чтобы после плавления уровень зеркала расплава находился ниже верхней кромки кварцевого тигля на 20-30 мм, при этом лифт тигля (9) находится в крайнем нижнем положении. Затем камеру (1) закрывают и через отверстие (2) откачивают газы до давления 0.1-1 Торр.The device operates as follows. Metallic silicon (6) is charged into the crucible (7). The crucible is loaded taking into account the most dense filling and taking into account that, after melting, the level of the melt mirror is 20-30 mm below the top edge of the quartz crucible, while the crucible elevator (9) is in its lowest position. Then the chamber (1) is closed and through the hole (2) gases are pumped out to a pressure of 0.1-1 Torr.
Разогрев и плавление загруженного кремния производят с помощью графитового нагревателя (5). Стенки вакуумной камеры снабжены слоем высокоэффективной тепловой изоляции из графитового войлока (4) с целью снижения тепловых потерь до минимума. По мере плавления кремния его уровень в тигле снижается. После окончательного плавления кремния температура графитового нагревателя стабилизируется на уровне 1500°С. Использование стандартного кварцевого тигля цилиндрической формы, графитового нагревателя, суппорта, лифта и тепловой изоляции позволяет получить и поддерживать расплав кремния с минимальными затратами.Heating and melting of the loaded silicon is carried out using a graphite heater (5). The walls of the vacuum chamber are equipped with a layer of highly efficient thermal insulation made of graphite felt (4) in order to reduce heat loss to a minimum. As silicon melts, its level in the crucible decreases. After the final melting of silicon, the temperature of the graphite heater stabilizes at 1500 ° C. The use of a standard cylindrical quartz crucible, a graphite heater, a caliper, an elevator and thermal insulation allows to obtain and maintain a molten silicon with minimal cost.
Затем в плазмотроны (3) подается сухой аргон и зажигается дежурная электрическая дуга постоянного тока. Ток дуги 50-80 А для каждого из трех плазмотронов. Для каждого плазмотрона предусмотрен маломощный источник питания постоянного тока с крутопадающей вольтамперной характеристикой и системой поджига дуги, при этом реализована полная гальваническая развязка анодов и катодов плазмотронов от камеры, питающей сети, и друг от друга. Сжатая струя разогретого ионизированного газа температурой от 4000 до 6000°С движется в разреженной среде с высокой скоростью. При этом струи (10) от трех плазмотронов пересекаются в центре поверхности расплава, для чего с помощью лифта тигель поднимают вверх. Газ, отраженный от поверхности расплава, откачивается через отверстие (2) с высокой скоростью. Цилиндрическая форма тигля и расположение плазмотронов под острым углом к поверхности расплава способствуют достижению оптимального пути струи плазмы от плазмотрона, далее отражаясь от поверхности. Затем отключают нагреватель. Кремний остывает вместе с тиглем и начинает кристаллизоваться в направлении снизу вверх, так как поверхность расплава подвергается воздействию высокой температуры плазменных струй плазмотронов, работающих в режиме дежурной дуги постоянного тока. При этом оставшиеся примеси сосредотачиваются в жидкой фазе и постепенно перемещаются в центр поверхности расплава, откуда частично испаряются под действием высокой температуры. После полного охлаждения камеру открывают и извлекают тигель с полученным слитком кремния. Затем от слитка отрезают верхний слой, в котором в результате направленной кристаллизации сосредоточены примеси. Оставшуюся часть режут на блоки и пластины для изготовления фотоэлектрических преобразователей.Then, dry argon is fed into the plasma torches (3) and the DC electrical arc on duty is ignited. Arc current 50-80 A for each of the three plasmatrons. For each plasma torch, a low-power DC power supply with a steeply damping current-voltage characteristic and an arc ignition system is provided, while full galvanic isolation of the anodes and cathodes of the plasma torches from the camera, the mains supply, and from each other is realized. A compressed jet of heated ionized gas with a temperature of 4000 to 6000 ° C moves in a rarefied medium at high speed. In this case, the jets (10) from three plasmatrons intersect in the center of the surface of the melt, for which the crucible is lifted up using an elevator. The gas reflected from the surface of the melt is pumped out through the hole (2) at a high speed. The cylindrical shape of the crucible and the location of the plasma torches at an acute angle to the surface of the melt contribute to the achievement of the optimal path of the plasma jet from the plasma torch, then reflected from the surface. Then turn off the heater. Silicon cools with the crucible and begins to crystallize from the bottom up, since the surface of the melt is exposed to the high temperature of the plasma jets of the plasma torches operating in the DC arc duty mode. In this case, the remaining impurities are concentrated in the liquid phase and gradually move to the center of the melt surface, from where they partially evaporate under the influence of high temperature. After complete cooling, the chamber is opened and the crucible with the obtained silicon ingot is removed. Then, the upper layer is cut from the ingot, in which impurities are concentrated as a result of directional crystallization. The remainder is cut into blocks and plates for the manufacture of photovoltaic converters.
Источники информацииInformation sources
1. N PCT-WO 9703922 А1 от 14.05.95.1. N PCT-WO 9703922 A1 from 05/14/95.
2. ЕР 0855367 А1, от 29.07.1998 Bulletin 1998/31.2. EP 0855367 A1, dated July 29, 1998 Bulletin 1998/31.
3. РФ №2159213 МПК С01В 33/037 от 25.02.1999 г. (прототип).3. RF №2159213 IPC СВВ 33/037 dated 02.25.1999 (prototype).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010146687/05A RU2465202C2 (en) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010146687/05A RU2465202C2 (en) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010146687A RU2010146687A (en) | 2012-05-27 |
| RU2465202C2 true RU2465202C2 (en) | 2012-10-27 |
Family
ID=46231258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010146687/05A RU2465202C2 (en) | 2010-11-17 | 2010-11-17 | Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2465202C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2648615C1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-03-26 | Сергей Михайлович Карабанов | Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation |
| RU2693172C1 (en) * | 2018-10-09 | 2019-07-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" ФГБОУ ВО "РГРТУ" | Method of cleaning metallurgical silicon from impurities |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105819451B (en) * | 2016-03-08 | 2018-01-09 | 大连理工大学 | A kind of DC electric field induces alloy directionally solidified growth, the technique of reinforced alloys refining process |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2159213C2 (en) * | 1999-02-25 | 2000-11-20 | Абдюханов Мансур Абдрахманович | Method of silicon purification and device for its embodiment |
| EP1254861B1 (en) * | 2000-12-28 | 2008-01-30 | Sumco Corporation | Silicon continuous casting method |
-
2010
- 2010-11-17 RU RU2010146687/05A patent/RU2465202C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2159213C2 (en) * | 1999-02-25 | 2000-11-20 | Абдюханов Мансур Абдрахманович | Method of silicon purification and device for its embodiment |
| EP1254861B1 (en) * | 2000-12-28 | 2008-01-30 | Sumco Corporation | Silicon continuous casting method |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2648615C1 (en) * | 2017-01-31 | 2018-03-26 | Сергей Михайлович Карабанов | Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation |
| RU2693172C1 (en) * | 2018-10-09 | 2019-07-01 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" ФГБОУ ВО "РГРТУ" | Method of cleaning metallurgical silicon from impurities |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010146687A (en) | 2012-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4947455B2 (en) | Method and apparatus for refining silicon using electron beam | |
| KR101275768B1 (en) | system for refining UMG Si using a steam plasma torch | |
| JP3473369B2 (en) | Silicon purification method | |
| RU2465202C2 (en) | Method of purifying metallurgical silicon with wet alternating current plasma in vacuum | |
| JP5657687B2 (en) | Method for purifying metallic silicon | |
| WO2010024310A1 (en) | Method for purifying silicon | |
| RU2465201C1 (en) | Method of producing polycrystalline silicon ingots | |
| RU2465199C2 (en) | Method of refining metallurgical silicon with dry argon plasma with injection of water onto melt surface with subsequent directed crystallisation | |
| US5373529A (en) | Metals purification by improved vacuum arc remelting | |
| RU2159213C2 (en) | Method of silicon purification and device for its embodiment | |
| JP2001335854A (en) | Apparatus and method for refining high purity metal | |
| RU2465200C1 (en) | Method of refining metallurgical silicon | |
| RU2403299C1 (en) | Vacuum silicone cleaning method and device for its implementation (versions) | |
| JP5099774B2 (en) | Method and apparatus for purifying silicon | |
| Karabanov et al. | Mathematical modeling and experimental research of the method of plasma chemical purification of metallurgical-grade silicon | |
| US4231755A (en) | Process for purifying solid substances | |
| JP3138003B2 (en) | Method and apparatus for purifying silicon | |
| JPH07267624A (en) | Purification of silicon and apparatus therefor | |
| RU2381990C1 (en) | Method of vacuum cleaning of silicon | |
| RU2472875C1 (en) | Method for growing silicon monocrystal from molten metal | |
| JPH09309716A (en) | Purification of silicon | |
| WO2011099208A1 (en) | Silicon vacuum melting method | |
| RU2403120C2 (en) | Plant to cast metal blanks | |
| RU2648615C1 (en) | Method of plasmochemical metal refining in vacuum and plasmotron for its implementation | |
| ES2210827T3 (en) | METHOD FOR THE REALIZATION OF A COMPOSITE METAL PRODUCT. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121118 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150910 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161118 |