[发明专利]利用电子束熔炼制造高纯度多晶硅的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅的制造技术，更详细地，涉及利用电子束熔炼（electron-beam melting）从99~99.9%（2~3N）纯度范围的金属级硅原料制造出具有99.9999%（6N）的纯度的高纯度多晶硅的技术。

背景技术

硅的纯度通常用2N、3N、6N、11N等来表示。这里，‘N’前面的数字表示重量百分比（wt%）中9的个数，例如2N表示99%的纯度，6N表示99.9999%的纯度，11N表示99.999999999%的纯度。

半导体级硅需要达到11N的超高纯度。但是，如现有技术所知，用作光伏电池的原材料并且具有相对低的5N~7N的纯度的硅，提供与具有11N的高纯度硅近似的光转换效率。

半导体级硅通过化学气化过程生产。然而，这种硅生产过程除了生产成本高之外，还产生大量的污染物质并且生产效率低。

因此，所述硅生产过程不适于生产用作光伏电池的原料的半导体级硅，并且已经积极地努力尝试了开发能够用低成本来实现高纯度硅的批量生产的冶金精炼过程。

生产用于光伏电池的高纯度硅的冶金精炼过程的例子包括：真空精炼过程、湿精炼过程、氧化过程、单向凝固精炼过程等。这些精炼过程中的一部分现在已被商用化。

具体地，诸如真空精炼和单向凝固精炼等基于金属熔炼的硅制造技术，由于其特性控制容易，并在在操作过程中由杂质引起的污染少等优点，因此已经积极地对这些技术进行研究。

这里，真空精炼过程是将原料金属熔化并且从熔融的金属中除去沸点和蒸汽压比硅低的杂质的过程，单向凝固精炼过程是在硅从液体向固体的相变过程中，使杂质沿固体和液体之间界面移动（偏析）的过程。

已经根据能源开发了各种类型的真空和偏析精炼过程，并且大部分精炼过程采用磁感应加热。

发明内容

本发明提供一种利用电子束熔炼来制造高纯度多晶硅的装置。

本发明还提供一种通过利用所述多晶硅制造装置控制电子束熔炼从而能够使硅精炼效率最大化的高纯度多晶硅的制造方法。

根据本发明的一个方面，一种多晶硅制造装置，包括：保持真空气氛的真空室；第一电子枪和第二电子枪，布置在所述真空室的上端，以将电子束照射到所述真空室中；硅熔炼单元，该硅熔炼单元放置在与所述第一电子枪对应的第一电子束照射区域，粉末状原料硅被供给到所述硅熔炼单元并且被所述第一电子束熔化；以及单向凝固单元，被放置在与所述第二电子枪对应的第二电子束照射区域，并且经由浇道与所述硅熔炼单元连接。这里，所述单向凝固单元的下部形成有冷却通道，并且在内部设置有沿向下方向驱动的起熔块，使得从所述硅熔炼单元供给的熔融硅在通过所述第二电子束而保持熔融状态的同时，被所述起熔块沿向部方向传送，之后通过所述冷却通道沿从所述熔融硅的下部到上部的方向凝固。

根据本发明的另一个方面，一种多晶硅制造方法，包括：将粉末状原料硅供给到硅熔炼单元，并且通过利用第一电子枪将第一电子束照射到所述原料硅来熔炼所供给的原料硅；持续地供给并熔炼所述原料硅，使得熔融硅从所述硅熔炼单元中溢出；通过单向凝固单元接收从所述硅熔炼单元中溢出的所述熔融硅，通过沿着向下方向驱动起熔块传送所述熔融硅，随后通过利用液体从所述熔融硅的下部到上部来凝固所述熔融硅，以便形成精炼的硅锭；以及切除所述精炼硅锭的上部，以便从所述硅锭中去除金属杂质。

附图说明

通过下面结合附图对实施例的详细描述，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得明显。

图1是根据本发明一个实施例利用电子束熔炼来制造高纯度多晶硅的装置的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的起熔块的剖视图。

图3是根据本发明一个实施例的多晶硅制造方法的流程图；

图4表示通过可应用于本发明的电子束图案形成的固/液界面的一个例子；

图5表示第一电子枪的电子束照射图案的一个例子；

图6表示第二电子枪的电子束照射图案的一个例子；

图7是在本发明的一个例子中制备出的多晶硅锭的照片。

图8是根据本发明一个例子制备出的多晶硅锭的杂质边界附近的截面的照片。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的实施例。应该理解，本发明不限于下面的实施例，并且本发明还可由不同的方式实现，所述实施例是为了使本发明的公开完整，并使本领域的技术人员完整地理解本发明而提供的。本发明只由所附权利要求书其及等同物限定。在整个说明书中用相同的附图标记表示相同的部件。