專利名稱：一種多晶硅提純裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及太陽能電池制造技術(shù)，尤其涉及一種采用高能束流冶煉提純多晶硅的多晶硅提純裝置。
背景技術(shù)：
地球上化石能源數(shù)量有限，以現(xiàn)有的能源消費(fèi)速度在二三百年內(nèi)將用完。太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源，然而制造太陽能電池板需要應(yīng)用高純度的硅，目前太陽能應(yīng)用技術(shù)的最大瓶頸正是在于高純硅的生產(chǎn)成本太高。硅的提純方法有一種是化學(xué)法，代表方法是西門子法和改良西門子法，其提純純度達(dá)到99. 9999999-99. 9999999999 %，但提純過程復(fù)雜，能耗高，產(chǎn)生大量的污染物，投資成本高。另一種方法是物理法，代表方法是電子束熔煉、離子束熔煉或者兩者工藝結(jié)合的方法，這種提純方法提純極限只能達(dá)到99. 99999%，有些影響多晶硅轉(zhuǎn)換效率的Fe、Ti、0等雜質(zhì)含量過高，也導(dǎo)致多晶硅太陽能電池板的迅速衰減現(xiàn)象，影響太陽能電池板的壽命。但其設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝流程少，投資少，能耗低，是一個(gè)比較好的多晶硅提純研究方向。應(yīng)用物理法提純硅需要應(yīng)用高能束流多晶硅提純裝置。現(xiàn)有的高能束流多晶硅提純裝置，其包含電子束和離子束熔煉單元，其結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是在一個(gè)真空腔體內(nèi)同時(shí)安裝電子槍和離子槍，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是在電子束熔煉后的高溫硅液流入離子束熔煉承接盤， 不需要經(jīng)過外部冷卻轉(zhuǎn)移，直接對(duì)經(jīng)過電子束熔煉的高溫硅液進(jìn)行離子束熔煉，這種連續(xù)高能束熔煉工藝加上電磁感應(yīng)熔煉和定向凝固工藝，能夠連續(xù)進(jìn)料出料，節(jié)約能耗，提高效率和設(shè)備產(chǎn)能。但是，這種將電子槍和離子槍置于同一真空腔體內(nèi)的冶煉方法不能有效發(fā)揮兩種高能束流冶煉的優(yōu)點(diǎn)，影響提純多晶硅的純度；根據(jù)研究電子束熔煉提純效果最好的真空氣壓是KT3-IO-5Pa,而離子束熔煉提純效果最好的真空氣壓是1(^-105 ，而且需要在離子束熔煉中吹入氧化氣體，可以提高去除多晶硅雜質(zhì)的效果。而現(xiàn)有的將電子槍和離子槍置于同一個(gè)真空腔體內(nèi)的多晶硅提純裝置，無法同時(shí)發(fā)揮電子束和離子束熔煉的最佳除雜優(yōu)勢(shì)，最大多晶硅提純度小于99. 9999% ；如果在離子束熔煉中加入吹氣氧化除雜工藝將會(huì)增加真空氣壓，影響電子束熔煉提純效果，因此這種工藝無法優(yōu)化工藝進(jìn)一步提高多晶硅純度，無法達(dá)到太陽能級(jí)多晶硅大于99. 9999%的純度要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種改進(jìn)的多晶硅提純裝置，該裝置將電磁感應(yīng)熔煉、 離子束吹氣氧化冶煉、電子束真容熔煉和定向凝固四種工藝相結(jié)合，采用連續(xù)工藝順次對(duì)工業(yè)硅料進(jìn)行電磁感應(yīng)熔煉、離子束吹氣氧化冶煉、電子束真空熔煉、定向凝固后獲得純度達(dá)到99. 9999-99. 999999%的多晶硅，由于在離子束熔煉中加入吹氣氧化的化學(xué)法工藝，突破了物理法提純多晶硅的極限純度99. 9999%。本實(shí)用新型的多晶硅提純裝置包括電磁感應(yīng)熔煉單元(001)，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉爐000)，在真空環(huán)境下離子束吹氣氧化冶煉高溫硅液；恒溫石英導(dǎo)管(101)，將等離子冶煉爐O00)內(nèi)的高溫硅液恒溫導(dǎo)入電子束熔煉爐(305)；電子束熔煉爐(305)，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊高溫硅液；定向凝固單元 G01)，使從電子束熔煉爐(305)流出的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯。優(yōu)選地，所述電磁感應(yīng)熔煉單元(100)包括進(jìn)料控制電機(jī)，進(jìn)料容器，電磁感應(yīng)加熱器以及控制閥門。優(yōu)選地，所述等離子冶煉爐(200)包括抽氣口 006)，用于抽爐內(nèi)真空；集料盤 007)，用于承接高溫硅液；至少一個(gè)離子槍002，205)，對(duì)高溫硅液進(jìn)行等離子加熱蒸發(fā)； 以及至少一個(gè)注氣口(203，204)，用于吹氣氧化高溫硅液。優(yōu)選地，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括外部包裹的電磁感應(yīng)線圈(102)，用于加熱導(dǎo)管內(nèi)的高溫硅液使其保持恒溫。優(yōu)選地，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括進(jìn)料閥門(105)以及流量控制盤(103)，用于控制高溫硅液的流入速度并隔離所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)。優(yōu)選地，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)在高溫硅液流入的一端具有接料口(104)。優(yōu)選地，所述電子束熔煉爐(30 包括蒸發(fā)盤(304)，承接高溫硅液；電子槍 (301)，對(duì)高溫硅液進(jìn)行高能電子束轟擊；抽氣口(303)，用于抽真空和排出雜質(zhì)氣體。優(yōu)選地，所述定向凝固單元001)包括圓柱形坩堝，位于所述坩堝上部的電磁感應(yīng)加熱線圈，位于所述坩堝下部的冷卻水管，以及將硅料勻速抽出的拉坯機(jī)構(gòu)。優(yōu)選地，在所述多晶硅提純裝置中，所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐 (305)均具有觀察窗口 (201，302)。本實(shí)用新型的原理是將離子束吹氣氧化冶煉和電子束真空熔煉安裝于相鄰的兩個(gè)真空爐內(nèi)，中間用電磁感應(yīng)恒溫石英導(dǎo)管連接傳輸高溫硅液。金屬硅料首先經(jīng)過電磁感應(yīng)加溫熔融，高溫硅液流入離子束吹氣氧化冶煉爐內(nèi)蒸發(fā)盤，吹入水汽、氫氣和氬氣的混合氣體，硅液在高能離子束的轟擊下，加速多晶硅B、C、SiO2等雜質(zhì)的氧化、還原化學(xué)反應(yīng)，去除多晶硅中的B、C、SiO2, Fe、Ti、Cu等雜質(zhì)。經(jīng)過離子束吹氣氧化冶煉除雜的高溫硅液通過恒溫石英導(dǎo)管傳送到電子束真空熔煉爐進(jìn)行進(jìn)一步提純，去除多晶硅中P、A1、B0等相對(duì)硅來說蒸氣壓高的雜質(zhì)，然后利用不同物質(zhì)分凝系數(shù)的差異，經(jīng)過真空定向凝固技術(shù)再進(jìn)一步去除硅料中的殘余雜質(zhì)。本實(shí)用新型的特點(diǎn)是將離子束吹氣氧化冶煉和電子束熔煉在各自獨(dú)立的真空環(huán)境進(jìn)行，提供各自最優(yōu)的除雜提純工藝。在離子束熔煉中吹氣加入化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，能夠提高除雜的效果，加快提純速度，可使雜質(zhì)硼(B)的含量減少到小于0. 2PPM。在電子束熔煉中，選擇最優(yōu)的真空環(huán)境和電子束流能量，可使雜質(zhì)磷(P)的含量減少到0. IPPM0經(jīng)過離子束冶煉和電子束熔煉，都能明顯降低B、P以及其它雜質(zhì)含量，再經(jīng)過定向凝固技術(shù)除雜， 最終可得到滿足太陽能電池板應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的高純度多晶硅。本實(shí)用新型的有益效果是該裝置解利用不同真空環(huán)境下的熔煉技術(shù)工藝各自獨(dú)立優(yōu)化決了不能提高多晶硅純度的問題，該裝置設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝可控，從硅料輸入熔融到定向凝固工序，全程在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)硅料流轉(zhuǎn)，減少中間污染環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了利用冶金法低能耗、快速高效生產(chǎn)太陽能級(jí)多晶硅。
圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的多晶硅提純裝置的結(jié)構(gòu)示意圖其中，001是電磁感應(yīng)熔煉單元，101是恒溫石英導(dǎo)管，102是電磁感應(yīng)線圈，103是流量控制盤，104是接料口，105是進(jìn)料閥門，200是等離子冶煉爐，201是A觀察窗口，202是 A離子槍，203是A注氣口，204是B注氣口，205是B離子槍，206是A抽氣口，207是集料盤， 301是電子槍，302是B觀察窗口，303是B抽氣口，304是蒸發(fā)盤，305是電子束熔煉爐，401 是定向凝固單元。
具體實(shí)施方式
為詳細(xì)說明本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)目的及效果，以下結(jié)合具體實(shí)施方式
并配合附圖詳予說明。圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的多晶硅提純裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。參考圖1所示，本實(shí)用新型是一種集成了電磁感應(yīng)熔煉單元001、等離子冶煉爐200、恒溫石英導(dǎo)管101、電子束熔煉爐305、定向凝固單元401的多晶硅提純裝置。其具體結(jié)構(gòu)以及各部分的工作方式在下面詳細(xì)加以說明1、電磁感應(yīng)熔煉電磁感應(yīng)熔煉單元001位于等離子冶煉爐200的頂部，其中有進(jìn)料控制電機(jī)、進(jìn)料容器、電磁感應(yīng)加熱器，通過進(jìn)料控制電機(jī)將金屬硅塊料倒入進(jìn)料容器，由電磁感應(yīng)加熱器進(jìn)行電磁加熱熔融，加熱保持溫度1500°C，形成高溫硅液體，電磁感應(yīng)熔煉單元底部安裝有控制閥門，控制高溫硅液流出速度，高溫硅液流入等離子冶煉爐200的集料盤207。2、離子束吹氣氧化冶煉等離子冶煉爐200內(nèi)左側(cè)有一個(gè)A抽氣口 206，用于爐內(nèi)抽真空，真空氣壓保持在 10_2-101^之間。在爐內(nèi)中間位置，安裝一個(gè)集料盤207，用于承接電磁感應(yīng)熔煉單元001流出的高溫硅液，硅液滿后從右側(cè)流出送入恒溫石英導(dǎo)管101。爐內(nèi)上方兩側(cè)斜面位置，安裝 A離子槍202、B離子槍205，功率45KW，對(duì)準(zhǔn)集料盤207，用于對(duì)集料盤207內(nèi)的硅液體進(jìn)行等離子加熱蒸發(fā)。爐內(nèi)上方兩側(cè)斜面位置，還安裝了 A注氣口 203、B注氣口 204，用于注入氬氣、水蒸汽、氫氣等混合氣體。爐內(nèi)上方右側(cè)斜面位置，安裝一個(gè)A觀察窗口 302，用于觀測(cè)等離子冶煉爐200內(nèi)溫度和冶煉情況。在氣壓保持在KT2-IOI3a真空環(huán)境內(nèi)，A離子槍202、B離子槍202205發(fā)出高能離子束，為蒸發(fā)盤207里的高溫硅液加熱，加熱溫度1500-1700°C之間，同時(shí)通過注氣口 204注入氬氣、水蒸汽、氫氣等混合氣體，B、C、0、P、Fe、Ti、Cu等雜質(zhì)與氫氣、水分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)， 生成氣化物質(zhì)，由抽氣口 206排除爐外。在集料盤207。在等離子冶煉爐200內(nèi)，經(jīng)過等離子吹氣氧化冶煉過程，B、C、0的去除率高，B含量< 0. 2PPM，C的含量小于0. 1PPM，其它雜質(zhì)的含量總和< 2PPM，高溫硅液的硅純度> 99. 999%。3、恒溫導(dǎo)流恒溫石英導(dǎo)管101連接等離子冶煉爐200和電子束熔煉爐305，接料口 104承接等離子冶煉爐200內(nèi)部蒸發(fā)盤207滿溢的高溫硅液，流入恒溫石英導(dǎo)管101內(nèi)，恒溫石英導(dǎo)管101外部包裹電磁感應(yīng)線圈102，為導(dǎo)管內(nèi)高溫硅液加熱恒溫，保持恒定溫度1500°C，中部有一個(gè)進(jìn)料閥門105和右側(cè)出口有一個(gè)流量控制盤103共同控制高溫硅液流入，隔離等離子冶煉爐200和電子束熔煉爐305的兩個(gè)不同壓力的真空環(huán)境。經(jīng)過等離子吹氣氧化冶煉提純的高溫硅液在集料盤207滿溢流入接料口 104，通過恒溫石英導(dǎo)管101的進(jìn)料閥門105和流量控制盤103，流入電子束熔煉爐305的蒸發(fā)盤 304。4、真空電子束熔煉電子束熔煉爐305爐內(nèi)上方是電子槍301，功率30KW，電壓18KV，電子槍301對(duì)準(zhǔn)爐內(nèi)中部的蒸發(fā)盤304，用于蒸發(fā)盤304內(nèi)的高溫硅液熔煉。爐內(nèi)右側(cè)上角是B觀察窗口 302，觀測(cè)爐內(nèi)溫度和熔煉情況。爐內(nèi)右側(cè)上方有一個(gè)B抽氣口 303，用于抽真空，排出雜質(zhì)廢氣，保持爐內(nèi)真空氣壓10_3-10_5Pa。爐內(nèi)下部中間位置安裝定向凝固單元401，承接蒸發(fā)盤304滿溢的高溫硅液。電子槍301對(duì)準(zhǔn)蒸發(fā)盤304的高溫硅液進(jìn)行高能電子轟擊，在溫度1500-1700°C 真空氣壓10_3-10’a的環(huán)境下，硅和雜質(zhì)的飽和蒸汽壓不同，特別是P、Ca、Al等雜質(zhì)比硅的飽和蒸汽壓大1萬倍以上，雜質(zhì)高能電子轟擊下，絕大部分揮發(fā)成氣體，被真空抽氣設(shè)備抽出爐外。經(jīng)過電子束熔煉爐305的高能電子束熔煉的高溫硅液，P、Al、Ca的含量減少到
<0. 1PPM，蒸發(fā)盤304滿溢流出的高溫硅液純度已到達(dá)> 99. 9999%，其它剩余雜質(zhì)在下一步定向凝固步驟里去除。5、定向凝固定向凝固單元401由圓柱形坩堝、電磁感應(yīng)加熱線圈、冷卻水管、拉坯機(jī)構(gòu)等組成，經(jīng)過離子束吹氣氧化冶煉和電子束熔煉兩個(gè)步驟提純的高溫硅液滴入圓柱形坩堝內(nèi)， 坩堝外表上部安裝電磁感應(yīng)加熱線圈，加熱坩堝里的硅料，坩堝外表下部安裝冷卻水管，硅料在坩堝上、下兩部份形成溫度梯度，由拉坯機(jī)構(gòu)將硅料勻速向下抽出，硅料在拉坯抽出過程中，逐漸冷卻凝固。在高溫硅液中，雜質(zhì)的分凝系數(shù)很低，P、Fe、Cu、Ti等雜質(zhì)的小于0.3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，在圓柱體坩堝均勻拉坯過程中，每小時(shí)小于20mm的向下拉坯速度得到最好的定向凝固除雜效果，在本實(shí)用新型的定向凝固過程中，設(shè)定拉坯速度18mm/小時(shí)，電磁感應(yīng)熔煉單元 001的高溫硅液流入等離子冶煉爐200的速度、恒溫石英導(dǎo)管101控制的高溫硅液流量必須小于拉坯速度控制要求。雜質(zhì)富集在拉坯凝固的硅料外部表皮，切除外表雜質(zhì)，得到高純度多晶硅。檢測(cè)多個(gè)提純的樣品，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法和電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，定向凝固生產(chǎn)的多晶硅純度范圍99. 9999-99. 999999%，金屬元素總雜質(zhì)含量
<0. 1PPM, B 含量< 0. 2PPM, P 含量< 0. 1PPM, 0 含量< 3 X IO17CM-3, C 含量< 2 X IO16CM-3, 符合太陽能級(jí)多晶硅要求。綜上，本實(shí)用新型將離子束吹氣氧化冶煉和電子束熔煉在各自獨(dú)立的真空環(huán)境進(jìn)行，提供各自最優(yōu)的除雜提純工藝；再經(jīng)過定向凝固技術(shù)除雜，最終可得到滿足太陽能電池板應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的高純度多晶硅。本實(shí)用新型設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝可控，從硅料輸入熔融到定向凝固工序，全程在真空環(huán)境中實(shí)現(xiàn)硅料流轉(zhuǎn)，減少中間污染環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了利用冶金法低能耗、快速高效生產(chǎn)太陽能級(jí)多晶硅。以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種多晶硅提純裝置，其特征在于，包括電磁感應(yīng)熔煉單元(001)，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉爐000)，在真空環(huán)境下離子束吹氣氧化冶煉高溫硅液；恒溫石英導(dǎo)管(101)，將等離子冶煉爐O00)內(nèi)的高溫硅液恒溫導(dǎo)入電子束熔煉爐(305)；電子束熔煉爐(305)，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊高溫硅液；定向凝固單元 G01)，使從電子束熔煉爐(30 流出的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述電磁感應(yīng)熔煉單元(100) 包括進(jìn)料控制電機(jī)，進(jìn)料容器，電磁感應(yīng)加熱器以及控制閥門。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述等離子冶煉爐(200)包括抽氣口 006)，用于抽爐內(nèi)真空；集料盤007)，用于承接高溫硅液；至少一個(gè)離子槍(202， 205)，對(duì)高溫硅液進(jìn)行等離子加熱蒸發(fā)；以及至少一個(gè)注氣口 003，204)，用于吹氣氧化高溫硅液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括外部包裹的電磁感應(yīng)線圈(102)，用于加熱導(dǎo)管內(nèi)的高溫硅液使其保持恒溫。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)包括進(jìn)料閥門(105)以及流量控制盤(103)，用于控制高溫硅液的流入速度并隔離所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述恒溫石英導(dǎo)管(101)在高溫硅液流入的一端具有接料口(104)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述電子束熔煉爐(305)包括蒸發(fā)盤(304)，承接高溫硅液；電子槍(301)，對(duì)高溫硅液進(jìn)行高能電子束轟擊；抽氣口 (303)，用于抽真空和排出雜質(zhì)氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述定向凝固單元(401)包括圓柱形坩堝，位于所述坩堝上部的電磁感應(yīng)加熱線圈，位于所述坩堝下部的冷卻水管，以及將硅料勻速抽出的拉坯機(jī)構(gòu)。
9.根據(jù)以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的多晶硅提純裝置，其特征在于，所述等離子冶煉爐(200)和電子束熔煉爐(305)均具有觀察窗口 (201,302).
專利摘要本實(shí)用新型的目的是提供一種改進(jìn)的多晶硅提純裝置，包括電磁感應(yīng)熔煉單元(001)，以電磁感應(yīng)加溫熔融金屬硅料生成高溫硅液；等離子冶煉爐(200)，在真空環(huán)境下離子束吹氣氧化冶煉高溫硅液；恒溫石英導(dǎo)管(101)，將等離子冶煉爐(200)內(nèi)的高溫硅液恒溫導(dǎo)入電子束熔煉爐(305)；電子束熔煉爐(305)，在真空環(huán)境下以高能電子束轟擊高溫硅液；定向凝固單元(401)，使從電子束熔煉爐(305)流出的高溫硅液在上下溫度梯度下定向冷卻凝固并均勻拉坯。本實(shí)用新型將離子束吹氣氧化和電子束熔煉在各自獨(dú)立的真空環(huán)境進(jìn)行，提供最優(yōu)除雜提純工藝。設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，工藝可控，減少中間污染環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了低能耗、快速高效生產(chǎn)太陽能級(jí)多晶硅。
文檔編號(hào)C01B33/037GK202022753SQ20112001772
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者明瑞法, 楊建云, 楊強(qiáng), 楊旸, 肖實(shí)生 申請(qǐng)人:江西開昂新能源科技有限公司