一種高純液體多晶硅的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及多晶硅制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高純液體多晶硅的制備方法。包括以下步驟：1）將含硅氣體通入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為60-350℃；2）將步驟1）預(yù)熱后的含硅氣體初步加熱升溫，溫度小于含硅氣體的分解溫度，升溫至400-800℃；3）將步驟2）升溫后的氣體進(jìn)行快速升溫，升溫到850-1800℃，升溫速率為500-600℃/min；4）將步驟3）快速升溫后的含硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，并保持反應(yīng)器上部溫度為850-1800℃，保持反應(yīng)器底部溫度為1450-1800℃；5）將聚集在反應(yīng)器底部的液體多晶硅收集并由反應(yīng)器底部排出用于下一工序的鑄錠等工藝。該工藝制備的液體多晶硅直接用于鑄錠，省去了多晶硅再次結(jié)晶的程序，簡(jiǎn)化了工藝，節(jié)約了成本，可以廣泛應(yīng)用于多晶硅的制備。
【專利說明】一種高純液體多晶硅的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及多晶硅制造【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高純液體多晶硅的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多晶硅是制備單晶硅和太陽能電池的原材料，是全球電子工業(yè)及光伏產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，全球的多晶硅有超過80%是用于光伏行業(yè)。生產(chǎn)出來的多晶硅還需要經(jīng)過熔融，鑄錠，切片等工序再制備成電池片。在這個(gè)過程中，生產(chǎn)高純多晶硅工序和多晶硅熔融工序需要消耗大量的能量，降低能耗迫切需要。目前，工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)高純度多晶硅的最主要方法為改良西門子法以及流化床法。主要采用三氯氫硅或硅烷進(jìn)行化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)，主要的反應(yīng)方程式如下:SiHCL3+H2 =Si+HCL, SiH4=Si+H2。
[0003]改良西門子法所生產(chǎn)的多晶硅占當(dāng)今世界生產(chǎn)總量的70-80%。改良西門子法的生產(chǎn)流程是利用硅源性氣體，如三氯氫硅、硅烷等氯硅烷類氣體在鐘罩式氫還原爐內(nèi)在一定溫度下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)得到高純多晶硅。在鐘罩式氫還原爐反應(yīng)器中，安裝有數(shù)對(duì)直徑很小的娃芯棒，一般直徑在左右，反應(yīng)開始首先要給娃芯通電，使之達(dá)到一定溫度，然后通入娃源性氣體，在高熱的娃芯表面發(fā)生還原反應(yīng)，使娃沉積在娃芯表面，娃芯直徑不斷長大。反應(yīng)過程中還需要采用稀釋性氣體，如氫氣、氮?dú)獾取Ａ骰卜ㄊ抢霉柙葱詺怏w在流化床中，在高純硅顆粒晶種表面沉積，形成大顆粒而采出。
[0004]目前，改良的西門子工藝或具有技術(shù)成熟度高的優(yōu)點(diǎn)。但是在生產(chǎn)效率和能耗方面也存在顯著的缺點(diǎn)。由于米用鐘罩式反應(yīng)器，在娃棒長大到一定尺寸(如50~300mm)后必須使反應(yīng)器降溫并取出產(chǎn)品，因此只能采用間歇操作，能耗高，此外硅棒的沉積比表面積小，反應(yīng)速度慢，時(shí)間長能耗高。
[0005]同時(shí)，已有多 晶硅制備方法還有另一種就是采用上述硅源性氣體通入到已經(jīng)加有高純多晶硅細(xì)顆粒晶種的流化床中，硅源性氣體與稀釋性氣體如氫氣等同時(shí)通入到流化床中，使多晶硅顆粒在流化床中流化，在一定溫度下，硅源性氣體會(huì)在多晶硅晶種表面沉積分解制備得高純多晶硅顆粒。在這個(gè)過程中，也會(huì)有一部分硅源性氣體在流化床空間直接分解成無定型硅細(xì)粉。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在沉積階段能耗低，但是由于生產(chǎn)過程中生成的顆粒較細(xì)，會(huì)吸附未反應(yīng)的氣體，同時(shí)，由于顆粒處于流化狀態(tài)，與反應(yīng)器不斷摩擦，諸多原因造成產(chǎn)品質(zhì)量比較差，并且原生多晶硅細(xì)顆粒晶種比較難處理，反應(yīng)過程中也會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)粉，尾氣中無定型多晶硅顆粒多，隨著尾氣進(jìn)入到尾氣處理裝置而浪費(fèi)了多晶硅細(xì)顆粒，使多晶硅損耗增高。另一方面，流化床多晶硅方法需要有一個(gè)制備多晶硅晶種的系統(tǒng)，在該過程中也會(huì)導(dǎo)致多晶硅晶種質(zhì)量受到污染的風(fēng)險(xiǎn)。另外，流化床內(nèi)部需要各種不同的內(nèi)件，包括分布板，破泡器等，是的設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
[0006]此外，改良西門子工藝或者流化床多晶硅法，生產(chǎn)出來的多晶硅都是固體形式，主要是棒狀或顆粒狀。多晶硅的產(chǎn)品不論是棒狀多晶硅或者粒狀多晶硅，在進(jìn)行下一步制備太陽能硅片之前都需要將其進(jìn)行粉碎，裝入到高純坩堝中，在多晶硅鑄錠爐中采用電加熱的方法進(jìn)行加熱，使多晶硅料重新熔化，重結(jié)晶，冷卻，再進(jìn)行相關(guān)開方切片或拉晶，使用固體多晶硅料用于太陽能方面增加了加工工序和生產(chǎn)成本，不僅容易引入額外的雜質(zhì)，對(duì)太陽能硅片的發(fā)電效率產(chǎn)生影響，同時(shí)需要消耗大量的電能去熔化固體多晶硅，增加了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了克服目前多晶硅的制備方法中存在的主要問題，提供一種高純液體多晶硅的制備方法。這些問題主要反應(yīng)在:改良西門子工藝中的包括生產(chǎn)效率低、反應(yīng)速度慢、反應(yīng)時(shí)間長以及能耗高能耗高；流化床法中包括反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)粉、尾氣中無定型多晶硅顆粒多、多晶硅損耗高以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜；同時(shí)二者制備的多晶硅在進(jìn)行下一步使用之前都要經(jīng)過重新熔化，重結(jié)晶，冷卻，再進(jìn)行相關(guān)開方切片或拉晶的加工工序，不僅容易引入額外的雜質(zhì)，對(duì)太陽能硅片的發(fā)電效率產(chǎn)生影響，同時(shí)需要消耗大量的電能去熔化固體多晶硅，增加了成本。本發(fā)明通過將含硅氣體直接反應(yīng)得到液體硅，從而將液體硅直接用于下一步的鑄錠以及切片或拉晶，減少了工藝步驟，達(dá)到解決上述問題的目的。
[0008]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]一種高純液體多晶硅的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)將含硅氣體通入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為60_350°C ;預(yù)熱是為了讓氣體的溫度預(yù)先升高，將氣體的加熱分為多級(jí)加熱，從而節(jié)約能源，提高熱量利用率。
[0011]2)將步驟I)預(yù)熱后的含硅氣體初步加熱升溫，溫度小于含硅氣體的分解溫度，升溫至400-80(TC ;將氣體的加熱分為多級(jí)加熱，從而節(jié)約能源，提高熱量利用率。
[0012]3)將步驟2)升溫 后的氣體進(jìn)行快速升溫，升溫到850-1800°C，升溫速率為500-6000C /min ;快速加速升溫是為了在較短的時(shí)間內(nèi)將含硅氣體的溫度升高到分解溫度，從而讓含硅氣體盡可能在此溫度下分解，生成單質(zhì)硅。
[0013]4)將步驟3)快速升溫后的含硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，并保持反應(yīng)器上部溫度為850-1800°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1450-1800°C ;目前的反應(yīng)器是通過使用硅芯或晶種，讓在空間自由分解產(chǎn)生的硅在晶種或硅芯的表面長大，形成固態(tài)。本發(fā)明通過將反應(yīng)溫度提高，從而省去了硅芯或晶種，節(jié)省了工序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
[0014]5)將聚集在反應(yīng)器底部的液體多晶硅收集并由反應(yīng)器底部排出用于下一工序的鑄錠等工藝。
[0015]上述步驟改變了傳統(tǒng)制備多晶硅將制備得到的多晶硅冷卻再熔化結(jié)晶的工藝，直接采用提高溫度將制備的單質(zhì)硅變?yōu)橐簯B(tài)，然后直接進(jìn)入多晶鑄錠工藝，減少了工序，節(jié)省了能源，避免了能源浪費(fèi)。
[0016]作為優(yōu)選，步驟I)預(yù)熱溫度為100°C _150°C。
[0017]作為優(yōu)選，步驟2)初步加熱升溫溫度為450-600°C。
[0018]作為優(yōu)選，步驟3)快速升溫溫度為1420-1800°C。升溫至硅的熔點(diǎn)以上，從而使得生成的硅單質(zhì)能夠液化，從而落入反應(yīng)器的底部，并聚集。
[0019]作為優(yōu)選，步驟4)保持反應(yīng)器上部溫度為1420-1800°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1500-1800°C。反應(yīng)器底部的溫度足夠高才能保證生成的硅快速成為液態(tài)，進(jìn)而在反應(yīng)器底部聚集，并防止被尾氣帶走。
[0020]作為優(yōu)選，步驟I)所述含硅氣體為硅烷、二氯二氫硅、四氯化硅、三氯氫硅、二氯氫娃或氫氣與各種氣體的混合氣。
[0021]作為優(yōu)選，步驟I)所述含硅氣體的通入速率為0.01-0.4m/s。含硅氣體的通入速率足夠慢，才能確保氣體的反應(yīng)完全，并且避免快速的氣體速率將生成的硅被尾氣從尾氣出口帶走。當(dāng)速率過低時(shí)，氣體的供給量不能滿足反應(yīng)的需要，導(dǎo)致
[0022]作為優(yōu)選，步驟I)所采用的制備裝置為:包括預(yù)熱器、初步加熱器和反應(yīng)器，預(yù)熱器、初步加熱器和反應(yīng)器通過管路依次相連；反應(yīng)器的頂部設(shè)有快速加熱器，反應(yīng)器的外部設(shè)有反應(yīng)器加熱器，底部設(shè)有產(chǎn)品出口，側(cè)面設(shè)有尾氣出口。
[0023]作為優(yōu)選，步驟I)反應(yīng)器底部設(shè)有液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。液位自動(dòng)控制系統(tǒng)可以更好地對(duì)反應(yīng)器底部生成的液態(tài)硅與下一步的工序進(jìn)行控制，以便將液體硅進(jìn)一步生成鑄錠。
[0024]作為優(yōu)選，步驟I)所述初步加熱器為換熱器，尾氣出口通過管路與初步加熱器相連。尾氣可以用于對(duì)含硅氣體進(jìn)行加熱，以節(jié)約能源。
[0025]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果是:該制備方法過程穩(wěn)定，操作性好，多晶硅生產(chǎn)效率高，且得到的高效液體多晶硅可以直接排放到高純坩堝中冷卻成型鑄錠，減少了多晶娃棒破碎、溶化、鑄淀等工序，不僅降低了能耗，而且減少了聞純多晶娃被污染的風(fēng)險(xiǎn)，確保了多晶硅的純度。同時(shí)該制備方法的生產(chǎn)過程中不使用多晶硅晶種，不需要配備多晶硅晶種的制備系統(tǒng)，并且生產(chǎn)過程中沒有多晶硅細(xì)粉產(chǎn)生，產(chǎn)生的尾氣中沒有多晶硅細(xì)粉，從而降低了后續(xù)尾氣處理系統(tǒng)的難度。另外，尾氣用于含硅氣體的加熱，進(jìn)一步節(jié)約了能源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的一種制備裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖中:1預(yù)熱器，2初步加熱器，3反應(yīng)器，4快速加熱器，5反應(yīng)器加熱器，6產(chǎn)品出口，7尾氣出口，8液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述說明。
[0029]如果無特殊說明，本發(fā)明的實(shí)施例中所采用的原料均為本領(lǐng)域常用的原料，實(shí)施例中所采用的方法，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0030]本發(fā)明所采用的制備裝置為:如圖1所示，包括預(yù)熱器1、初步加熱器2和反應(yīng)器3，預(yù)熱器1、初步加熱器2和反應(yīng)器3通過管路依次相連；反應(yīng)器3的頂部安裝有快速加熱器4，反應(yīng)器3的外部設(shè)有反應(yīng)器加熱器5，反應(yīng)器3的底部設(shè)有產(chǎn)品出口 6，側(cè)面設(shè)有尾氣出口 7，反應(yīng)器3底部設(shè)有液位自動(dòng)控制系統(tǒng)8，初步加熱器2為換熱器，尾氣出口 7通過管路與初步加熱器2相連。含硅的氣體經(jīng)過預(yù)熱器I預(yù)熱，再通過初步加熱器2進(jìn)一步升溫，然后到達(dá)快速加熱器4，并經(jīng)快速加熱器4快速將溫度提升到反應(yīng)溫度，含硅氣體在反應(yīng)器3內(nèi)反應(yīng)，生產(chǎn)的液體多晶硅在反應(yīng)器3的底部匯集，并由產(chǎn)品出口 6排出進(jìn)入鑄錠工藝，反應(yīng)后的尾氣由尾氣出口 7排出并用于初步加熱器2上的換熱器的換熱，從而節(jié)約能源。
[0031]具體的制備實(shí)例如下:
[0032]實(shí)施例1:
[0033]一種高純液體多晶硅的制備方法，包括以下步驟:[0034]I)將含硅氣體(硅烷)通入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為60°C ;含硅氣體的通入速率為 0.lm/s ；
[0035]2)將步驟I)預(yù)熱后的含硅氣體初步加熱升溫，溫度小于含硅氣體的分解溫度，升溫至800°C ；
[0036]3)將步驟2)升溫后的氣體進(jìn)行快速升溫，升溫到850°C，升溫速率為560°C /min ；
[0037]4)將步驟3)快速升溫后的含硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，并保持反應(yīng)器上部溫度為1800°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1500°C ；
[0038]5)將聚集在反應(yīng)器底部的液體多晶硅收集并由反應(yīng)器底部排出用于下一工序的鑄錠等工藝。
[0039]實(shí)施例2: [0040]一種高純液體多晶硅的制備方法，包括以下步驟:
[0041]I)將含硅氣體(四氯化硅)通入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為150°C ;含硅氣體的通入速率為0.4m/s ；
[0042]2)將步驟I)預(yù)熱后的含硅氣體初步加熱升溫，溫度小于含硅氣體的分解溫度，升溫至400。。；
[0043]3)將步驟2)升溫后的氣體進(jìn)行快速升溫，升溫到1420°C，升溫速率為600°C /min ；
[0044]4)將步驟3)快速升溫后的含硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，并保持反應(yīng)器上部溫度為850°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1420°C ；
[0045]5)將聚集在反應(yīng)器底部的液體多晶硅收集并由反應(yīng)器底部排出用于下一工序的鑄錠等工藝。
[0046]實(shí)施例3:
[0047]一種高純液體多晶硅的制備方法，包括以下步驟:
[0048]I)將含硅氣體(二氯氫硅)通入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為350°C ;含硅氣體的通入速率為0.0 lm/S ；
[0049]2)將步驟I)預(yù)熱后的含硅氣體初步加熱升溫，溫度小于含硅氣體的分解溫度，升溫至600°C ；
[0050]3)將步驟2)升溫后的氣體進(jìn)行快速升溫，升溫到1800°C，升溫速率為500°C /min ；
[0051]4)將步驟3)快速升溫后的含硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，并保持反應(yīng)器上部溫度為1600°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1500°C ；
[0052]5)將聚集在反應(yīng)器底部的液體多晶硅收集并由反應(yīng)器底部排出用于下一工序的鑄錠等工藝。
【權(quán)利要求】
1.一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)將含硅氣體通入預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為60-350°C； 2)將步驟I)預(yù)熱后的含硅氣體初步加熱升溫，溫度小于含硅氣體的分解溫度，升溫至400-800 0C ； 3)將步驟2)升溫后的氣體進(jìn)行快速升溫，升溫到850-1800°C，升溫速率為500-600°C/min ； 4)將步驟3)快速升溫后的含硅氣體通入反應(yīng)器內(nèi)，并保持反應(yīng)器上部溫度為850-1800°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1450-1800°C ； 5)將聚集在反應(yīng)器底部的液體多晶硅收集并由反應(yīng)器底部排出用于下一工序的鑄錠-rj- 1.r L ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，步驟I)預(yù)熱溫度為 IOO0C -150。。。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，步驟2)初步加熱升溫溫度為450-6 00°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，步驟3)快速升溫溫度為1420-1800°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，步驟4)保持反應(yīng)器上部溫度為1420-1800°C，保持反應(yīng)器底部溫度為1500-1800°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，所述含娃氣體為硅烷、二氯二氫娃、四氯化娃、三氯氫娃、二氯氫娃或氫氣與上述各種氣體的混合氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，所述含硅氣體的通入速率為0.01-0.4m/s。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，所采用的制備裝置為:包括預(yù)熱器、初步加熱器和反應(yīng)器，預(yù)熱器、初步加熱器和反應(yīng)器通過管路依次相連；反應(yīng)器的頂部設(shè)有快速加熱器，反應(yīng)器的外部設(shè)有反應(yīng)器加熱器，底部設(shè)有產(chǎn)品出口，側(cè)面設(shè)有尾氣出口。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，反應(yīng)器底部設(shè)有液位自動(dòng)控制系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種高純液體多晶硅的制備方法，其特征在于，所述初步加熱器為換熱器，尾氣出口通過管路與初步加熱器相連。
【文檔編號(hào)】C01B33/027GK103626184SQ201310330768
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月31日
【發(fā)明者】李波, 宮有圣, 金越順 申請(qǐng)人:浙江精功新材料技術(shù)有限公司