[发明专利]一种石英管取尾料式定向凝固提纯多晶硅的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于冶金提纯技术领域，特别涉及一种尾料取出式定向凝固提纯多晶硅的方法及设备。

背景技术

硅原料的提纯是太阳能光伏产业链的重要环节，光伏产业的快速发展依赖于高效率、低成本的提纯方法。定向凝固技术已经被广泛应用于金属提纯的诸多领域，取得了显著的成效。在对硅原料进行提纯的过程中，分凝系数远小于1的金属杂质在定向凝固过程中会向液相中富集，最终被去除。这种方法是目前冶金法制备太阳能级多晶硅的关键环节之一，是去除多晶硅中金属杂质的最有效的方法。定向凝固的原理是采用强制的手段在熔体中形成特定方向的温度梯度，硅熔体中温度较低的部位成为形核源首先结晶成核，成为熔体凝固的起点并开始生长，由于单向温度梯度的存在，熔体沿着与热流相反的方向不断生长，最终形成具有特定取向的柱状晶。定向凝固提纯是利用杂质元素在熔体与固体中的溶解度不同，在凝固过程中分凝系数较小的杂质元素在固液界面处前沿被排出进入液相中，并在熔体中不断富集，最后在铸锭的尾部凝固，将铸锭尾部杂质浓度较高的区域切除，即可获得低金属含量的铸锭，进而达到提纯的目的。

    然而，在凝固末期，随着杂质的不断富集以及熔体体积的不断减小，杂质的浓度会越来越高，高浓度的杂质被保留在最后凝固的区域中。在随后缓慢降温过程中，高浓度区域的杂质会向低浓度区域扩散，使得硅纯度随着保温时间的延长反而逐渐降低，这影响了提纯效果，且在这种情况下，需要被切除的尾部废料高达25%~35%，成品率仅为65-75%。同时，由于硅的硬度比较大，需要大功率切割设备才能将提纯的硅锭和尾部杂质含量高的铸锭尾料分离出来，目前一般使用线切割和金刚石锯带切割的方法进行切割，但是切割设备成本高，锯带消耗大，不利于工业化生产成本的降低，目前，国内鲜见富有成效的方法来方便尾料的去除。

发明内容

本发明目的是为克服以上不足，提出了一种石英管取尾料式定向凝固提纯多晶硅的方法，在凝固末期，将尖嘴石英管伸入熔体之中，之后向真空腔室内通入氩气，上层未凝固的杂质含量高的硅熔体在压力差的作用下进入石英管中，在凝固结束阶段实现杂质富集区与已凝固的高纯硅铸锭的直接分离，抑制了杂质的反扩散，提高了多晶硅的纯度和铸锭的出成率，减少了工艺环节，另外还提出了该方法所采用的设备，该设备简单，操作简便，成本较低，且利于杂质含量高的尾料得到方便快捷地去除。

为实现上述目的所采用的技术方案是：一种石英管取尾料式定向凝固提纯多晶硅的方法，其特征是：在惰性气体保护环境中，将洗净的硅料加热至完全熔化形成硅熔体，保温；之后降温、垂直向下拉锭，进行定向凝固；待凝固完成85~90%时，停止拉锭，将石英管伸入上层未凝固的剩余硅熔体中，向真空腔室内通入惰性气体，使上层未凝固的剩余硅熔体在压力差作用下进入石英管中，待上层未凝固的剩余硅熔体全部压入石英管后，继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱伸至石英管正下方；切断电源，停止加热，石英管中的硅熔体凝固膨胀，石英管胀裂后随尾料下落至尾料收集箱中，坩埚中凝固得到的铸锭即为高纯硅铸锭。

所采用方法的具体步骤如下：

第一步前处理：向坩埚中添加坩埚体积90~95%洗净的硅料，关闭通气管路，开启真空泵组，先将真空腔室内的真空度抽到0.01-10Pa，之后关闭真空泵组，开启通气管路，向真空腔室内充入惰性气体，至压强达到100~4000Pa，关闭通气管路；

第二步熔炼、凝固：开启电源，利用感应线圈和石墨发热体将坩埚中的硅料加热到1450~1650℃至完全熔化成硅熔体，并在此温度下保温30~60min，垂直向下拉动水冷盘，使坩埚中的硅熔体以0.1-2mm/min的速度垂直向下匀速运动，进行拉锭，硅熔体由坩埚底部向顶部进行定向凝固，当硅熔体凝固到85~90%时，停止拉锭，将石英管伸入到上层未凝固的剩余硅熔体中，打开通气管路，惰性气体以0.1~3L/min的流量匀速向真空腔室内填充至压强达到6000~50000Pa，上层未凝固的剩余硅熔体在石英管内外压力差的作用下压入石英管中，直至熔体完全进入石英管中，以0.1-2mm/min的速度继续向下拉锭，待坩埚上端离开加热区后，将尾料收集箱水平伸至石英管正下方，将石英管下端降至距尾料收集箱5~15cm；

第三步后处理：切断电源，停止加热，石英管中的硅熔体冷却凝固并膨胀，将石英管胀裂后下落至尾料收集箱中，富含杂质的尾料就收集到了尾料收集箱之中，坩埚中凝固得到的铸锭为高纯硅铸锭，其纯度将达到99.99%-99.999%，成品率达到85-95%。

所述硅料为工业硅，其纯度为99.5%~99.9%。