[发明专利]一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅制造方法，具体为一种利用磷的物理特性将磷去除的一种物理除磷制备多晶硅的方法及设备。

背景技术

随着全球能源消费量不断提高，常规非可再生能源已经不能满足大多数国家的供给需求。根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可开采年限仅有40年，天然气剩余可采年限60年，煤炭剩余可采年限120年。另一方面，一次性能源的开采和应用也是造成生态破坏和全球环境污染的一个重要原因。因此，可再生新能源的开发使用是人类长久发展的必要条件，也是我们可持续性发展的根本之法。

新能源光伏发电产业，作为可再生清洁能源，因其具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点，被公认是21世纪重要的新能源，已广泛应用在并网发电、民用发电、公共设施以及一体化节能建筑等方面，目前晶体硅光伏发电系统占据新能源光伏发电市场的主要地位。随着多晶硅提纯技术的应用及硅片加工技术进一步成熟，光电转换效率的提高以及其他工艺技术的发展，包括新能源光伏发电在内的可再生能源完全有可能完成从补充能源到常规能源的角色转换。

作为光伏发电产业的基础产品-高纯多晶硅材料，其生产技术的进步是光伏发电产业能否推广和应用发展的重要环节。如何降低太阳能发电成本、减少环境污染、降低生产能耗、提高生产安全的可靠性是光伏产业发展的重要课题。目前全球生产高纯多晶硅料主要使用西门子化学生产方法，但随着全球对环境保护、安全的要求增高以及当前全球金融危机影响，市场需求更低价格的高纯硅料。在此情况下新的低成本更环保高纯多晶硅生产技术在全球不断开发和获取成功，特别是低成本环保的物理法高纯多晶硅生产技术在一些发达国家(日本、美国、德国、加拿大)取得成功以及在运用领域得到有效使用验证，为物理法高纯多晶硅生产提供了巨大的发展空间；低成本环保的物理法生产的6N高纯硅料大量运用于太阳能电池制造光伏产业，以更低的发电成本推进太阳能清洁发电广泛使用。

冶金级硅中微量杂质几乎含有元素周期表中所有元素，由于各族元素的特性不同，要将硅中的杂质元素一一去除并达到要求，其工艺控制是非常复杂和严格的，在提纯过程中面临的困难很多。首先必须对硅中的各杂质元素的化学特性进行分析掌握，对症下药，付诸实践，更重要的要防止在提纯过程中杂质元素的互相污染。

目前世界上各国生产多晶硅的方法主要有化学法和冶金法。而化学法主要以西门子法为主；冶金法主要为物理提纯技术，也称物理法。两者的主要区别在于化学法在工艺过程中改变硅的化学成分，经过一系列的化学反应最后还原成硅，而物理法在生产工艺过程中保持硅的成分不变，通过一系列的去杂提纯而成。

西门子化学法主要利用冶金级硅与无水氯化氢进行反应生成三氯氢硅(SiHCl₃)，再通过蒸馏得到电子级三氯氢硅，提纯后的三氯氢硅在氢还原炉内加热到1100℃进行VCD反应生成高纯多晶硅。

物理法提纯技术杂质元素的去除可分为两类：一类是金属杂质元素的去除，主要以Fe、Al、Ca三项元素为代表；另一类是非金属元素的去除，主要是P和B两项元素为代表。太阳能级多晶硅的要求为总杂质含量＜1ppm即6N，特别是对P和B元素的含量要求非常严格，(B＜0.4ppm，P＜0.7ppm)，提纯工艺过程中P和B两种元素由于其化学特性的特殊性，达到太阳能级多晶硅要求给工艺带来极大困难。目前世界上运用物理法技术突破这项技术的微乎其微。

发明内容

本发明公开了一种物理除磷制备多晶硅的方法。

该方法利用硅液良好的流动特性，将装有金属硅的坩埚安装在密闭的高温精炼炉中，在一定的炉内压力下，加热熔化至液体状态，利用除磷制备多晶硅的设备使硅液形成内流动，同时持续改变硅液表面扩散面积，使硅液内部的磷不断通过硅液表面持续气化蒸发，并将气化的磷不断置换出来。使磷的含量降低到0.7PPm以下，符合太阳能级多晶硅要求。

本发明的实施步骤如下：

1.选用优质金属硅，其粒度要求在1～3厘米，并用去离子水洗净烘干。将金属硅均匀装放于坩埚内，并将装好料的坩埚安装在高温精炼炉中。

2.将坩埚缓慢升温加热至硅全熔化状态，维持温度至1450～1550度，开启投入炉内环境气体置换系统并维持炉内压力在负压状态(设定在1000～3000帕)。