[发明专利]电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法及装置

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，特别涉及一种利用电子束熔炼技术将多晶硅中的杂质磷去除的方法。

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。已知专利号为ZL200810011949.6的电子束专利，该专利涉及去除多晶硅中杂质磷和金属杂质的方法及装置，其技术方案中，需要将坩埚中的硅全部融化并保持一段时间，熔炼时间较长，能量存在浪费。

发明内容

鉴于现有技术所存在的上述问题，本发明旨在公开一种高效、快捷地去除多晶硅中杂质磷的方法及装置，通过电子束的加热方式将硅的表层融化，熔融硅层中的挥发性杂质在电子束轰击与高真空的作用下挥发出来，并被真空泵带走。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的方法，利用电子枪轰击高磷的多晶硅使硅熔化，在此过程中，硅中的挥发性杂质，包括磷、铝、钙，在电子束和高真空的作用下，以气态的形式被去除；其特征在于：

所述多晶硅采用棒状形式，在电子枪的轰击作用下，棒状多晶硅边旋转边连续下移至电子枪的轰击区域，在棒状多晶硅的下端部表面不断熔化，熔化的液态硅在重力的作用下滴在水冷铜坩埚内并形成低磷的硅锭；

所述低磷硅锭的含磷量为0.00005％以下。

进一步的，所述电子枪预热后轰击棒状多晶硅时采用的输入电压为25-35KV，电子束电流为0-2A；所述高真空为2.4×10^-2Pa。

一种采用上述的方法进行电子束熔炼高效去除硅中杂质磷的装置，包括炉体、炉体内安装于炉体项部的电子枪、炉体内座于炉底的支架和由支架支撑的水冷铜坩埚、炉体侧壁上设置有真空泵、通气阀和炉门；其特征在于还包括：

一个螺杆，所述螺杆螺纹连接于炉体顶部；螺杆位于炉体外的上端通过传动轴连接电动机的输出端，其位于炉体内的下端固定连接一个夹具，所述夹具夹固棒状多晶硅的顶端，所述螺杆、夹具、棒状多晶硅及水冷铜坩埚同轴，所述棒状多晶硅的下端落于电子束轰击区域并位于水冷铜坩埚的上方留有一段垂直距离；在所述电动机的带动下，所述棒状多晶硅随螺杆旋转并上下垂直运动。

进一步的，所述夹具为耐高温紧固环，其内侧绕有耐高温柔性细丝作垫层，所述紧固环与棒状多晶硅的顶端过渡配合。

再进一步的，所述耐高温紧固环采用耐高温的环形金属材料，耐高温柔性细丝采用耐高温且韧性好的丝状金属材料。