專利名稱：真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金法提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，另外還涉及其設(shè)備。
背景技術(shù)：
全球能源危機(jī)使得能源利用顯得日趨緊迫，太陽能作為一種綠色環(huán)保、可再生的清潔型能源在能源結(jié)構(gòu)中將占據(jù)重要的地位，成為未來發(fā)展的能源保障。太陽能級多晶硅材料是太陽能利用的重要材料，但是，為確保光電轉(zhuǎn)換效率，對太陽能級硅的純度要求很高，對其中雜質(zhì)含量的要求要低于0. lppm。目前，生產(chǎn)太陽能級多晶硅的途徑主要有兩類，一是通過化學(xué)方法來生產(chǎn)多晶硅； 二是通過冶金法來生產(chǎn)多晶硅?；瘜W(xué)法根據(jù)中間化合物的不同，成熟的生產(chǎn)工藝主要有改良西門子法、硅烷法、 流化床反應(yīng)法。目前以化學(xué)方法生產(chǎn)多晶硅工藝主要有以四氯化硅為原料的鋅還原、鈉還原和氫還原，以三氯氫硅為原料的氫還原、硅烷熱分解法和粒狀多晶硅法，以二氯二氫硅為原料的氫還原法的氯化提純技術(shù)。1)、改良西門子法改良西門子法是以Cl2、H2、冶金級工業(yè)硅為原料，在高溫下合成SiHCl3。反應(yīng)產(chǎn)物除SiHCl3外，還有附加產(chǎn)物如SiCl4、SiH2Cl2等，需要進(jìn)行粗餾和多級精餾，使其純度達(dá)到9N以上，最后高純SiHCl3與高純氫氣通還原爐中，發(fā)生還原反應(yīng)，采用化學(xué)氣相沉積方法使生成的高純硅沉積在還原爐中加熱到1100°C的硅芯上。改良西門子法應(yīng)用很廣，得到的多晶硅純度也很好，比較安全，沉積速率比較高，但是沉積溫度高達(dá)1100°C， 能耗很高，需要建立完整的回收裝置，投資很大，這導(dǎo)致西門子法生產(chǎn)多晶硅成本較高。目前，世界上約有74%的高純多晶硅是由改良西門子方法生產(chǎn)的。2)、硅烷法硅烷法以氫硅酸、鈉、鋁、氫氣為主要原料制取高純硅烷，再將硅烷熱分解生成多晶硅，用硅烷作為中間化合物有特別的優(yōu)點(diǎn)，首先是硅烷易于提純，硅中的金屬雜質(zhì)在硅烷的制備過程中，不易形成揮發(fā)性的金屬氫化物氣體，硅烷一旦形成，其剩余的主要雜質(zhì)僅僅是B和P等非金屬，相對容易去除；其次是硅烷可以熱分解直接生成多晶硅，不需要還原反應(yīng)，而且分解溫度相對較低。但是，硅烷法制備的多晶硅雖然質(zhì)量好，綜合生產(chǎn)成本卻很高。3)、流化床反應(yīng)法該方法利用金屬硅和氯氣發(fā)生反應(yīng)，生成中間化合物四氯化硅，同樣采用精餾技術(shù)，對四氯化硅提純，然后再利用高純氫氣在1100-1200°C還原生成多晶硅。流化床反應(yīng)法是早期最常用的技術(shù)，但是材料利用率低，能耗大，現(xiàn)在已很少用。西門子法是電子多晶硅生產(chǎn)的成熟技術(shù)，需要復(fù)雜的制造設(shè)備和嚴(yán)密精確的工藝管理，耗能很大，污染大，價(jià)格高?，F(xiàn)有的多晶硅生產(chǎn)廠商，一般采用西門子法提高生長速度 30%左右的生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)太陽能級多晶硅，既能滿足太陽電池的品質(zhì)要求，又能提高生產(chǎn)效率、降低成本，但這只是滿足太陽能級多晶硅需求的應(yīng)急措施。國際上的普遍共識(shí)是，因?yàn)樯a(chǎn)成本高和不必要的純度，西門子法并不適合太陽能級多晶硅的生產(chǎn)。現(xiàn)在各國的多晶硅制造商和研究者都在研究廉價(jià)生產(chǎn)太陽能級多晶硅的新工藝。物理冶金法近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者都在研究采用冶金手段提純制備太陽能級多晶硅。冶金法是指采用冶金手段(如真空熔煉、造渣、定向凝固、等離子體熔煉、電子束熔煉、濕法冶金等)提純工業(yè)硅，以得到太陽能級硅的一種制備方法。與西門子法相比，冶金法具有能耗小、投資低、污染小、生產(chǎn)周期短、安全可靠等特點(diǎn)。但目前的技術(shù)中公開內(nèi)容有限，而且還沒有利用感應(yīng)熔煉硅粉來達(dá)到提純多晶硅的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述不足問題，提供一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，屬于冶金法，同時(shí)利用真空熔煉和定向凝固技術(shù)去除多晶硅中的磷及金屬雜質(zhì)，以達(dá)到提純的目的。另外本發(fā)明還提供一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，生產(chǎn)效率高。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，首先，在高真空狀態(tài)下，利用感應(yīng)加熱方式熔煉硅粉，去除多晶硅中的磷雜質(zhì)，然后進(jìn)行拉錠，利用定向凝固技術(shù)將硅粉中的金屬雜質(zhì)去除。所述真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，其步驟如下
第一步備料將少量高純多晶硅料放入石英坩堝中，作為熔煉的底料；將多晶硅粉料裝入料斗中，裝料位置不得超過料斗上的通氣孔，然后將密封蓋蓋上；
第二步預(yù)處理然后進(jìn)行抽真空過程，將真空室真空度抽到_Pa ；向水冷托盤中通冷卻
水；
第三步提純給感應(yīng)線圈通電，通過感應(yīng)加熱將高純多晶硅底料熔化，待高純多晶硅底料熔化完成，形成液態(tài)熔池之后，增大感應(yīng)線圈的功率，同時(shí)，使料斗中的硅粉下落，進(jìn)入石英坩堝的熔池中，實(shí)現(xiàn)硅粉的熔煉；粉體完全落入坩堝中并完全熔化之后，再保持一定時(shí)間從而達(dá)到有效除磷的目的；開啟拉料機(jī)構(gòu)進(jìn)行定向凝固，坩堝中的熔融態(tài)多晶硅定向凝固， 定向凝固過程結(jié)束之后，關(guān)閉外部電機(jī)，停止向感應(yīng)線圈通電；斷電分鐘后，停止抽真空，打開放氣閥，然后打開爐蓋，將石英坩堝取出，再將坩堝中的硅錠取出。真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，設(shè)備由真空爐爐蓋和爐體構(gòu)成設(shè)備的整體，爐體內(nèi)部為真空室；爐蓋上方開有加料口，加料口下方安裝料斗，料斗出料口底部帶有外驅(qū)式擋板，出料口對準(zhǔn)熔煉坩堝，熔煉坩堝置于保溫套中，保溫套由位于爐體下部的支架固定，且保溫套外纏繞感應(yīng)線圈，熔煉坩堝由其下方的拉錠機(jī)構(gòu)固定，拉錠機(jī)構(gòu)采用石墨底座固定在水冷托盤上，水冷托盤固定在拉料桿上。所述外驅(qū)式擋板是L型擋板，擋板一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在控制器中，控制器安裝在爐體外。所述加料口上方加有密封墊以密封，料斗上開有通氣孔。所述保溫套內(nèi)套裝石墨套筒，石墨套筒也固定在支架上。所述保溫套上方活動(dòng)安裝有石墨蓋，石墨蓋上開有通氣孔。本發(fā)明方法簡單，同時(shí)應(yīng)用真空感應(yīng)熔煉和定向凝固技術(shù)來去除多晶硅中的磷及金屬雜質(zhì)，由于磷的飽和蒸汽壓遠(yuǎn)大于硅的飽和蒸汽壓，在真空熔煉條件下，磷易從硅中揮發(fā)出去而被去除；對金屬雜質(zhì)來說，由于其在硅中的分凝系數(shù)很小，利用定向凝固技術(shù)能很好的將硅中的金屬雜質(zhì)去除。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了硅粉的熔煉，除雜效果良好，去除效率高，有效地利用了感應(yīng)線圈加熱溫度高的特點(diǎn)，方法簡單易行，集成了除磷和除金屬的雙重效果，產(chǎn)量大，適合大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)，提純效果穩(wěn)定。本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，加料口上方加有密封墊以密封，料斗上開有通氣孔，確保料斗內(nèi)保持與真空室相同的真空狀態(tài)；落料由落料控制機(jī)構(gòu)來完成，落料機(jī)構(gòu)由控制器和擋板組成，通過操作控制器，使擋板水平旋轉(zhuǎn)，從而能精確控制硅粉的下落；感應(yīng)線圈位于真空室內(nèi)部，保溫套套在石墨套筒的外部，起到良好的保溫效果。石墨套筒和保溫套上方的石墨蓋也起到保溫的作用，石墨蓋上開有落料口以使硅粉能順利的加入到石英坩堝內(nèi)，且石墨蓋上開有小的通氣口，以便與爐體通氣且方便磷雜質(zhì)的揮發(fā)去除；保溫套的材質(zhì)為炭氈， 以起到很好的保溫作用；石墨底座也起到保溫的效果，同時(shí)定位石英坩堝；水冷托盤的材料為純銅，以起到好的冷卻效果。


圖1為本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1.控制器，2.擋板，3.密封墊，4.加料口，5.料斗通氣孔，6.料斗，7.多晶硅粉料，8.爐蓋，9.爐體，10.石墨蓋，11.石墨套筒，12.保溫套，13.放氣閥，14.感應(yīng)線圈， 15.石英坩堝，16.熔池，17.定位螺栓，18.支架，19.石墨底座，20.水冷托盤，21.拉料桿， 22.機(jī)械泵，23.羅茨泵，24.擴(kuò)散泵，25.真空室，26.通氣孔，27.石墨蓋落料口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不局限于具體實(shí)施例。實(shí)施例1
一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，首先，在高真空狀態(tài)下，利用感應(yīng)加熱方式熔煉硅粉，去除多晶硅中的磷雜質(zhì)，然后進(jìn)行拉錠，利用定向凝固技術(shù)將硅中的金屬雜質(zhì)去除。實(shí)施例2
真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，設(shè)備由真空爐爐蓋8和爐體9構(gòu)成設(shè)備的整體，爐體外安裝有抽真空裝置機(jī)械泵22、羅茨泵23和擴(kuò)散泵M，體內(nèi)部為真空室25 ； 爐蓋8上方開有加料口 4，加料口 4上方加有密封墊3以密封，料斗6上開有料斗通氣孔5， 加料口下方安裝料斗，料斗出料口底部帶有外驅(qū)式擋板，外驅(qū)式擋板是L型擋板，擋板一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接控制器中，控制器安裝在爐體外，出料口對準(zhǔn)熔煉坩堝，熔煉坩堝置于保溫套中， 保溫套12由位于爐體下部的支架18上，并由定位螺栓17固定，保溫套12內(nèi)套裝石墨套筒 11，石墨套筒也固定在支架上，且保溫套外纏繞感應(yīng)線圈，保溫套和石墨套筒上方活動(dòng)安裝有石墨蓋10，石墨蓋上開有通氣孔沈和落料口 27，熔煉坩堝由其下方的拉錠機(jī)構(gòu)固定，拉錠機(jī)構(gòu)采用石墨底座19固定在水冷托盤20上，水冷托盤固定在拉料桿21上。實(shí)施例3
采用實(shí)施例2所述真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，第一步備料將少量的高純多晶硅料放入石英坩堝15中，作為熔煉的底料；旋轉(zhuǎn)控制器1，使擋板2 將料斗6的落料孔擋住，將磷含量0. 003%，金屬雜質(zhì)含量0. 01%的多晶硅粉料7裝入料斗6中，裝料位置不得超過料斗6上的料斗通氣孔5，然后將密封蓋3蓋上；
第二步預(yù)處理關(guān)閉爐蓋8，然后進(jìn)行抽真空過程，首先開啟機(jī)械泵22、羅茨泵23進(jìn)行真空預(yù)抽，當(dāng)真空室25的真空度達(dá)到5Pa時(shí)，開啟擴(kuò)散泵M將真空室25內(nèi)真空度抽到 KT3Pa ；向水冷托盤20中通冷卻水；
第三步提純給感應(yīng)線圈14通電，功率為10kw，通過感應(yīng)加熱將高純多晶硅底料熔化形成熔池16，熔后硅液溫度為1420°C ；待高純多晶硅底料熔化完成之后，增大感應(yīng)線圈的功率到15，同時(shí)，開啟落粉裝置擋板2使料斗6中的硅粉連續(xù)下落，進(jìn)入石英坩堝15中已熔融高純多晶硅基體中，從而實(shí)現(xiàn)硅粉的熔煉，熔融多晶硅液體的溫度為1500°C ；粉體完全落入坩堝中并完全熔化之后，再保持5min的時(shí)間，從而達(dá)到有效除磷的目的；開啟拉料機(jī)構(gòu)進(jìn)行定向凝固部分的操作，啟動(dòng)外部電機(jī)，設(shè)定拉錠速度0. 12mm/min，通過控制拉料桿 21，使坩堝緩慢的向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)坩堝中的熔融態(tài)多晶硅的定向凝固過程；定向凝固過程結(jié)束之后，關(guān)閉外部電機(jī)，停止向感應(yīng)線圈14通電；斷電30分鐘后，關(guān)閉擴(kuò)散泵M，經(jīng)過 40min，待擴(kuò)散泵冷卻之后，依次關(guān)閉羅茨泵23、機(jī)械泵22 ；打開放氣閥13，然后打開爐蓋8， 將石英坩堝15取出，再將坩堝中的硅料取出。 經(jīng)ELAN DRC-II型電感耦合等離子質(zhì)譜儀設(shè)備ICP—MS)檢測，磷的含量降低到 0. 00008%以下，金屬雜質(zhì)的含量降低到0. 00015%以下，達(dá)到了太陽能級硅材料的使用要求。
權(quán)利要求
1.一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，其特征是首先，在高真空狀態(tài)下，利用感應(yīng)加熱方式熔煉硅粉，去除多晶硅中的磷雜質(zhì)，然后進(jìn)行拉錠，利用定向凝固技術(shù)將硅中的金屬雜質(zhì)去除。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，其特征是所述真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，其步驟如下第一步備料將少量高純多晶硅料放入石英坩堝(15)中，作為熔煉的底料；將多晶硅粉料(7)裝入料斗(6)中，裝料位置不得超過料斗(6)上的通氣孔(5)，然后將密封蓋(3) 蓋上；第二步預(yù)處理然后進(jìn)行抽真空過程，將真空室05)真空度抽到10_3Pa ；向水冷托盤 (20)中通冷卻水；第三步提純給感應(yīng)線圈(14)通電，通過感應(yīng)加熱將高純多晶硅底料熔化，待高純多晶硅底料熔化完成，形成液態(tài)熔池(16)之后，增大感應(yīng)線圈的功率，同時(shí)，使料斗(6)中的硅粉下落，進(jìn)入石英坩堝(15)的熔池(16)中，實(shí)現(xiàn)硅粉的熔煉；粉體完全落入坩堝中并完全熔化之后，再保持一定時(shí)間從而達(dá)到有效除磷的目的；開啟拉料機(jī)構(gòu)進(jìn)行定向凝固，坩堝中的熔融態(tài)多晶硅定向凝固，定向凝固過程結(jié)束之后，關(guān)閉外部電機(jī)，停止向感應(yīng)線圈(14) 通電；斷電30分鐘后，停止抽真空，打開放氣閥(13)，然后打開爐蓋(8)，將石英坩堝(15) 取出，再將坩堝中的硅錠取出。
3.真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，其特征是設(shè)備由真空爐爐蓋(8) 和爐體(9)構(gòu)成設(shè)備的整體，爐體內(nèi)部為真空室05)；爐蓋(8)上方開有加料口 ，加料口下方安裝料斗，料斗出料口底部帶有外驅(qū)式擋板，出料口對準(zhǔn)熔煉坩堝，熔煉坩堝置于保溫套中，保溫套(12)由位于爐體下部的支架(18)固定，且保溫套外纏繞感應(yīng)線圈，熔煉坩堝由其下方的拉錠機(jī)構(gòu)固定，拉錠機(jī)構(gòu)采用石墨底座(19)固定在水冷托盤OO)上，水冷托盤固定在拉料桿上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，其特征是 所述外驅(qū)式擋板是L型擋板，擋板一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在控制器中，控制器安裝在爐體外。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，其特征是 所述加料口(4)上方加有密封墊(3)以密封，料斗(6)上開有通氣孔(5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，其特征是 所述保溫套內(nèi)套裝石墨套筒，石墨套筒也固定在支架上。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的設(shè)備，其特征是 所述保溫套上方活動(dòng)安裝有石墨蓋，石墨蓋上開有通氣孔。
全文摘要
本發(fā)明屬于冶金法提純多晶硅領(lǐng)域。一種真空感應(yīng)熔煉去除硅粉中磷及金屬雜質(zhì)的方法，首先，在高真空狀態(tài)下，利用感應(yīng)加熱方式熔煉硅粉，去除多晶硅中的磷雜質(zhì)，然后進(jìn)行拉錠，利用定向凝固技術(shù)將硅粉中的金屬雜質(zhì)去除。本發(fā)明方法簡單，同時(shí)應(yīng)用真空感應(yīng)熔煉和定向凝固技術(shù)來去除多晶硅中的磷及金屬雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了硅粉的熔煉，除雜效果良好，去除效率高，有效地利用了感應(yīng)線圈加熱溫度高的特點(diǎn)，方法簡單易行，集成了除磷和除金屬的雙重效果，產(chǎn)量大，適合大規(guī)模生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)，提純效果穩(wěn)定。
文檔編號C01B33/037GK102173424SQ20111003379
公開日2011年9月7日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者姜大川, 龐大宇, 石爽, 董偉, 譚毅, 郭校亮, 顧正 申請人:大連理工大學(xué)