[发明专利]一种浅熔池真空熔炼提纯多晶硅的方法及设备

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，特别涉及一种将多晶硅中的磷和金属杂质去除的方法；另外本发明还涉及其设备。

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，目前的主要技术路线有：

（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。如已知申请号为2008100713986.X的发明专利，利用双电子枪电子束熔炼去除杂质磷和金属，但此方法中使用双电子枪，能耗较大，水冷铜坩埚中熔池的表面积不大，去除磷的速度较慢。

发明内容

本发明克服上述不足问题，提供一种浅熔池真空熔炼提纯多晶硅的方法，综合利用高温、高真空下大表面积浅熔池熔炼多晶硅和定向凝固技术，快速蒸发去除杂质磷和定向去除金属杂质，达到太阳能级多晶硅材料的使用要求。本发明的另一目的是提供一种浅熔池真空熔炼提纯多晶硅的设备，结构紧凑，易于操作，功能实用，可控性较强。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种浅熔池真空熔炼提纯多晶硅的方法，备料、预处理后，先熔化硅料：在真空度为0.001Pa以下的高真空条件下，先在熔炼坩埚中通过感应加热1430-1460℃熔化高纯多晶硅料，形成高纯硅熔液，并使其保持液态，然后增加感应线圈的功率，使硅熔液温度达到1500-1600℃；再提纯：高磷、高金属硅棒连续缓慢的加入硅熔液之中，高磷、高金属硅棒由底端至上端不断熔化形成高磷、高金属的浅层熔池，杂质磷在浅层熔池中不断蒸发而得到去除，最后待高磷、高金属硅棒完全熔入熔池后，感应加热使熔炼坩埚中液态在1450-1500℃温度下保持一段时间，通过水冷拉锭杆向下拉锭，进行定向凝固，使金属杂质向熔液顶部聚集，直到液态全部凝固并降至室温，打开炉盖，取出硅锭，切去硅锭顶部金属杂质含量较高的多晶硅，即可得到磷和金属杂质含量较低的多晶硅锭。

所述高磷、高金属硅棒连续缓慢的加入是通过悬挂夹紧装置将悬挂于硅熔液上方的高磷、高金属的硅棒垂直、缓慢的伸入到硅熔液之中。

所述备料：通过升降电动装置上提升降拉杆，使得悬挂夹紧装置上升到上极限位置，向熔炼坩埚中加入500-1500g高纯多晶硅料，然后将2根或4根高磷、高金属硅棒夹紧于悬挂夹紧装置之上。

所述预处理：关闭炉盖后，分别采用机械泵、罗茨泵和扩散泵对设备抽取真空，将真空室抽到高真空0.001Pa以下；向水冷拉锭杆中通入冷却水，使其温度维持在30-40℃。

所述熔化硅料：给感应线圈通电，通过感应加热在1430-1460℃的条件下熔化熔炼坩埚中高纯多晶硅料，形成高纯硅熔液，并维持液态，完全熔化后增加感应线圈的功率，使硅熔液温度达到1500-1600℃。