[发明专利]硅提纯方法及装置

说明书

【技术领域】

本申请是有关一种硅提纯的方法及装置。

【背景技术】

随着全球能源需求的增长以及不可再生能源资源(比如煤、石油、天然气等)的消耗，太阳能的利用被越来越多地关注。目前，对太阳能的利用主要是通过太阳能光伏电池将太阳能转化为电能。但制造太阳能电池的基本原材料——太阳能级多晶硅(6N)比较匮乏，其目前全球的产量远不能满足市场未来的需求。究其原因在于目前制造太阳能电池的多晶硅大多来自半导体电子器件制造中的废弃硅，而这些废弃硅的产量极为有限。另一方面，由于半导体电子器件制造中的废弃硅是按照电子级硅(11N)的标准以冶金硅(2N)为原料进行生产，其实际生产成本相对较高。再者，目前的高纯硅生产工艺，比如西门子法、硅烷法以及流化床法等都具有污染严重、能耗高等缺点，不符合日益提高的环保要求。因此，需要一种低成本、低污染以及低能耗的提纯方法。另一方面，需要一种以冶金硅为原料直接生产太阳能级硅的工艺方法，以满足潜在市场需求，并促进太阳能的利用。

【发明内容】

由于结晶的专一性，生长中的晶体对外来杂质具有排斥作用，但有时晶体表面也可以键合一定的杂质质点，特别当杂质与组成质点晶体构造的物质较为相似时，比较容易进入晶体，相似性越大进入晶体越容易。杂质进入晶体的方式主要有两种：(1)进入晶格；(2)选择性吸附在一定的晶面上，改变晶面对介质的表面能(请参张克从，张乐氵惠.晶体生长科学技术[M].北京：科学出版社，1997：223)。其中，大多杂质都吸附在晶面上(请参Myerson A S.Crystallization as a separations process[M].Washington DC：American ChemicalSociety，1990：419：85)。如果能基本去除附在晶面上的杂质，就可以大幅提高结晶材料的纯度。

2N冶金硅是石英石经电弧冶炼碳还原制备所获得的多晶硅(包括多个晶体，非单结晶)。由于冷却结晶时晶体对外来杂质的排斥作用，2N冶金硅中的大部分杂质聚集分散在晶体表面。若将2N冶金硅粉碎成冷却结晶时所获得的晶体大小，也就是说，将晶体与晶体之间的结合打散，使之成为多个单晶体，再除去这些单晶体表面所附的杂质，就可以大幅提高硅的纯度。由于实际操作中很难将被处理硅粉碎成单晶大小，因此，将其粉碎至足够小的颗粒，再除去这些颗粒表面的杂质，也可以大幅提高被处理硅的纯度。

冶金硅中的主要杂质元素为铁、钙、铝、硼以及磷，若能大幅降低被处理硅中的这些杂质，就可以大幅提高其纯度。

物质存在的状态，一般可分为固态、液态和气态。在一定条件下，物质的固相、液相、气相可相互共存、相互转化。一般情况下物质固态与气态共存，依据表面蒸汽压的变化相互转化，减少表面蒸汽压物质向气态转化，增加物质表面蒸汽压物质向固态转化。真空是这种转化的条件之一。

实际上宇宙间物质大量存在形式是等离子态物质，或第四态物质。等离子体(Plasma)是指一种电离气体，是由离子、电子、核中性粒子组成的电离状态。据印度天体物理学家沙哈(M，Saha)的计算，宇宙中的99,9％的物质处于等离子体状态。例如，自然界中闪电、电离层、极光、日冕、太阳风、星际物质等都是等离子体的存在方式。人工生成的等离子体也有多种形式，如：荧光灯、霓虹灯、电火花、电弧等。当粒子的平均能量接近其电离能时，气体可以转变为基本上完全电离的等离子体。

等离子体空间富集的电子、离子、激发态原子、分子及自由基等粒子是极为活泼的物质。这些极为活泼的物质使一些常规不易进行的反应易于进行。在固、液、气、三态下不易或不能进行的化学反应在等离子体状态下就很容易或能够进行。

本申请的一方面提供了一种硅提纯工艺方法，其包括以下步骤：气体输入步骤，将除杂气体连续输入一装有硅粉的反应腔，并对反应腔连续向外抽气，使该反应腔内的压力保持在一特定的范围内；以及离化除杂步骤，将除杂气体离化使之形成等离子体与硅粉颗粒表面的杂质反应生成气态物质。

在一个实施例中，硅粉的颗粒大小可根据需要获得的硅的纯度来定，硅粉颗粒越小，所获得的硅的纯度越高。优选的，硅粉颗粒大小为60-400目，更优选的，硅粉颗粒大小为60-100目。

在一个实施例中，硅粉颗粒大小接近单晶体颗粒大小。因为在不同的结晶条件下所获得的晶体大小不同，所以一方面可以根据硅锭中的硅晶体颗粒大小来决定硅粉的颗粒大小。

在另一实施例中，硅粉颗粒基本为单晶体。

在一个实施例中，硅粉颗粒大小为200目。

在一个实施例中，本申请的方法还包括以下步骤：抽真空步骤，在通入除杂气体之前，将反应腔抽真空。