[发明专利]一种由工业硅提纯制备高纯硅的方法

说明书

技术领域：本发明属于冶金工业冶炼中工业硅精炼技术，涉及一种高纯硅的制备方法，尤其涉及一种结合工业硅生产，直接利用炉外精炼硅熔体为原料，通过一系列去除杂质工序制备高纯硅的生产技术。

背景技术：工业硅的硅含量一般达97-99％，这种级别的工业硅纯度较低，应用范围有限，为了扩大硅品种和应用范围，一般将从矿热炉来的硅熔体进行炉外精炼，采用底部通入氧化性气体，将杂质氧化后通过进入气相或渣相而除去，采用的设备是“抬包”或具有一定加热的装置。这种炉外精炼方法能去除硅中大部分的钙、铝，得到各个型号的化学纯硅，应用范围进一步扩大，同时增加了硅的附加值。

随着硅产品制造细分化，高纯度硅的市场需求潜力巨大，如用作加工半导体、加工太阳能电池、加工高频电器、加工高纯物质精炼添加剂、生产有机硅等到用途的原料或助剂，特别是硅太阳能电池，随着能源日益紧张，太阳能普及利用的关键是大幅度降低太阳能电池用硅的生产成本。另外，随着多档次高纯硅市场不断扩大，硅提纯技术朝着更加精细化、更加廉价化方向发展。

显然，利用现有工业硅炉外精炼提纯技术得到的工业硅远远不能满足市场需求，急需提供一种廉价的、易工业化实现的提纯硅的方法。在现有已公开的高纯硅生产方法中，采用西门子法的化学法技术是最成熟的。但该技术核心掌握在国外，生产工艺流程长，副产物环境污染严重且具有危险性，投资大，且生产成本偏高，下游用户难以接受。不利于下游产品的推广应用。

为了避开西门子法对资金的巨大需求，以及生产成本居高不下的被动局面，国内外许多研究机构开始研究多种新的提纯方法，这些新方法中，有代表性的物理冶金法，因其具有成本优势，为人们所关注的焦点。冶金提纯方法主要有凝固除杂、高真空高温蒸发除杂、氧化除杂、酸浸除杂、造渣除杂，上述方法不能同时去除硅中多种杂质。一般来说，硅中金属杂质通过氧化精炼、酸洗、定向凝固一般能很好地去除；硅中的非金属杂质如磷、硼在常温下物理化学性质稳定，一般的方法不能很好地除去。有报道，利用磷在高温下的饱合蒸气压远远大于硅，通过高真空高温蒸发对磷杂质去除有效，已有发明公开号为CN101318655A，发明名称为一种去除硅中杂质磷的方法及装置，该方法在高真空10-3pa以下，采用双电子束精炼提纯技术去磷，实现了连续作业，小量的样品得到很好的去除磷效果。但该方法存在不足在于，要产生如此高的真空条件，设备投资相对较大，能耗高，且高真空设备不易放大到大规模化的工业化生产水平。对于硅中的硼杂质，其沸点高达2550℃，通过高温高真空的方法没有明显的效果，且化学性质稳定，不与一般的酸反应，酸洗的办法对它也不起作用，分凝系数大，通过定向凝固的方法也难于除去。国内外对除硼的方法也公开了不少专利，如发明专利号98105942.2“从金属硅中除去硼的方法和装置”是把金属硅装入氧化硅制成的容器，用非转移式等离子体、转移式等离子体、高频感应和电阻等加热装置之间的组合，把金属硅熔融至1550℃以上，在熔体上方用中空铜制的等离子体矩，以一定角度喷入等离子流，水蒸汽和氢气或一氧化碳或链烷烃的混合气体，其中水蒸汽占上述三类混合气体总量的10-40％体积，氢气占上述三类混合气体总量的5-90％，还从底部多孔吹入水蒸汽和稀有惰性气体组合的混合气体。该技术为对熔硅进行强力搅拌作用，采用通过旋转磁场或通过吹入气体进行搅拌等常规的熔液搅拌法，通过吹入氧化性气体使硼成为氧化硼并从熔硅中挥发来除硼，达到了除硼目的。但这一方法也存在局限性在于：用氩、氦稀有惰性气体作等离子流体的量大，成本偏高；热能利用率低，能耗偏大；等离子流和还原性气体从熔体上方吹入熔体液面，硅飞溅造成损失。不适合大规模产业化。

发明内容：本发明的目的，在于结合工业硅的生产将从工业硅冶炼矿热炉来的“硅水”，通过一系列简单的除杂工序，制备出硼含量＜0.5ppm，磷含量1ppm和总金属夹杂物含量＜1ppm的高纯硅，以最简单的设备，最少的生产工序、最低的成本生产高纯度的硅，以满足日益增长的市场对高纯硅的要求。

本发明的发明人，为了达到上述目的，经过长期的摸索试验，终于研究出一套完整的由工业硅提纯制备高纯硅的简单方法，主要用向硅熔体中加入特制熔渣进行造渣的方法，去除硅中非金属杂质。

本发明所述造渣，原理是指利用硅熔体中非金属杂质如硼、磷元素与加入硅熔体中的特制熔渣通过络合或化学反应，形成的产物能上浮到硅熔体表面或下沉到硅熔体底部的渣相，将渣相与提纯硅熔体分开，达到去杂目的。