[发明专利]一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种将多晶硅中的杂质磷和金属去除的方法；另外本发明还涉及其设备。

背景技术

太阳能级多晶硅材料是太阳能电池的重要原料，太阳能电池可以将太阳能转化为电能，在常规能源紧缺的今天，太阳能具有巨大的应用价值。目前，世界范围内制备太阳能电池用多晶硅材料已形成规模化生产和正在开发的主要技术路线有：

（1）改良西门子法：西门子法是以盐酸（或氢气、氯气）和冶金级工业硅为原料，由三氯氢硅，进行氢还原的工艺。现在国外较成熟的技术是西门子法，并且已经形成产业。该法已发展至第三代，现在正在向第四代改进。第一代西门子法为非闭合式，即反应的副产物氢气和三氯氢硅，造成了很大的资源浪费。现在广泛应用的第三代改良西门子工艺实现了完全闭环生产，氢气、三氯氢硅硅烷和盐酸均被循环利用，规模也在1000吨每年以上。但其综合电耗高达170kw·h/kg，并且生产呈间断性，无法在Si的生产上形成连续作业。

（2）冶金法：以定向凝固等工艺手段，去除金属杂质；采用等离子束熔炼方式去除硼；采用电子束熔炼方式去除磷、碳，从而得到生产成本低廉的太阳能级多晶硅。这种方法能耗小，单位产量的能耗不到西门子法的一半，现在日本、美国、挪威等多个国家从事冶金法的研发，其中以日本JFE的工艺最为成熟，已经投入了产业化生产。

（3）硅烷法：是以氟硅酸（H2SiF6）、钠、铝、氢气为主要原材料制取硅烷（SiH4），然后通过热分解生产多晶硅的工艺。该法基于化学工艺，能耗较大，与西门子方法相比无明显优势。

（4）流态化床法：是以SiCl4（或SiF4）和冶金级硅为原料，生产多晶硅的工艺。粒状多晶硅工艺法是流态化床工艺路线中典型的一种。但是该工艺的技术路线正在调试阶段。

在众多制备硅材料的方法中，已经可以投入产业化生产的只有改良西门子法、硅烷法、冶金法。但改良西门子法和硅烷法的设备投资大、成本高、污染严重、工艺复杂，不利于太阳能电池的普及性应用，相比而言冶金法具有生产周期短、污染小、成本低的特点，是各国竞相研发的重点。电子束熔炼是冶金法提纯多晶硅的重要方法之一，它可以有效降低多晶硅中的杂质磷，但是目前大部分电子束熔炼提纯多晶硅的方法存在能耗较大的缺点，已知专利和文献中尚没有用电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法。已知申请号为2008100713986.X的发明专利，利用电子束熔炼达到去除多晶硅中磷的目的，但该专利使用的原料是硅圆棒，硅圆棒在实际生产中不易加工，同时使用的水冷铜坩埚作为结晶器，能耗较大。

发明内容

本发明克服上述不足问题，提供一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法，综合利用电子束熔炼硅料和定向凝固技术，同时去除杂质磷和金属杂质，达到太阳能级多晶硅材料的使用要求。本发明的另一目的是提供一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的设备，结构简单，易于操作，提纯精度高。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法，先将需提纯的大块高磷、高金属多晶硅锭置于水冷升降托盘之上，后通过电子束熔化硅锭的顶部，熔化的硅熔液在由硅锭顶部、水冷铜套以及石墨套环形成的空间内形成浅熔池，熔炼一定时间后，去除杂质磷，此后升高水冷升降托盘，低磷硅熔液液面升高后通过导流口流入石英坩埚中，在保温作用下向下拉锭，进行定向凝固生长，金属杂质向硅锭顶部富集，凝固后切除硅锭顶部，去除金属杂质，最后得到低磷、低金属多晶硅锭。

所述一种电子束浅熔池熔炼提纯多晶硅的方法，其具体步骤如下：

第一步备料：将水冷升降托盘降低，将需提纯的大块高磷、高金属硅锭置于水冷升降托盘之上，高磷、高金属硅锭顶部以与其周边的套环上表面水平为宜，关闭真空盖；

第二步预处理：采用抽真空装置对设备抽取真空，将真空室抽到高真空0.002Pa以下；向套环、水冷升降托盘及拉锭机构中通入冷却水，使其温度维持在30-45℃；给电子枪预热，设置高压为30-32kV，高压稳定5-10分钟后，关闭高压，设置电子枪束流为100-200mA进行预热，预热10-15分钟后，关闭电子枪束流；