[发明专利]多晶硅定向凝固诱导流动抑制杂质反扩散的方法

说明书

技术领域

本发明属于多晶硅定向凝固领域，具体涉及一种多晶硅定向凝固诱导流动抑制杂质反扩散的方法。

背景技术

目前，我国已成为世界能源生产和消费大国，但人均能源消费水平还很低。随着经济和社会的不断发展，我国能源需求将持续增长，针对目前的能源紧张状况，世界各国都在进行深刻的思考，并努力提高能源利用效率，促进可再生能源的开发和应用，减少对进口石油的依赖，加强能源安全。

作为可再生能源的重要发展方向之一的太阳能光伏发电近年来发展迅猛，其所占比重越来越大。根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW。预计到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

太阳能光伏产业的发展依赖于对硅原料的提纯。在对硅原料进行提纯的过程中，存在一个关键的、必不可少的环节，就是对硅原料进行定向凝固提纯，所用到的定向凝固技术广泛应用于冶金提纯领域。利用硅原料中硅与金属杂质之间的分凝系数存在较大差异的这一特点，在凝固过程中，坩埚底端的硅液首先开始凝固，为达到分凝平衡，分凝系数小的杂质从凝固的硅中向液态不断扩散分离出来而聚集在液态，随着凝固不断进行，金属杂质在液态中的浓度越来越高，最后在铸锭的顶端凝固下来，凝固完成后在较高温度下保温一段时间，使各成分充分扩散以达到分凝平衡，最后将金属杂质含量较高的一端去除，得到提纯的多晶硅铸锭。

然而铸锭在保温的过程中，那些含量高的金属杂质会向金属杂质含量低的部位扩散，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，切除的尾部废料高达25%～35%，即成品率仅为65～75%，造成能源和原料的极大浪费，也因此增加了制造成本。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种多晶硅定向凝固诱导流动抑制杂质反扩散的方法，能够通过简单有效的方法，有效的分离多晶硅铸锭和金属杂质，并且抑制金属杂质反扩散，从而减少切除的尾部废料。

本发明所述的一种多晶硅定向凝固诱导流动抑制杂质反扩散的方法，在真空环境下将多晶硅原料加热熔化形成硅液，然后充入氩气，通过拉锭机构对硅液进行定向凝固，当硅液定向凝固到75～85%时，按照以下步骤进行诱导流动抑制杂质反扩散：

（1）开启真空泵抽气，使得硅液表面凝固成一层硅壳；

（2）用石英玻璃棒在硅壳表面进行破碎，破碎成一个开口，硅液中的挥发性气体杂质受到负压的影响带动硅液不断从开口中溢出并在硅壳上凝固；

（3）定向凝固全部完成后，切去多晶硅铸锭的上层，剩余部分即为提纯后的多晶硅铸锭。

其中，本发明选用的多晶硅原料的纯度优选为99.0%～99.5%。

多晶硅原料加热成硅液的温度优选为1450～1550℃，多晶硅的熔点在1410～1414℃之间，所以只要保证多晶硅原料全部能熔化成硅液即可。

充入氩气后压强优选为40000～60000Pa，在定向凝固过程中，一开始先抽真空是为了将环境中的氧气全部抽出，再加入氩气作为保护气充入到反应环境中。

充入氩气后通过拉锭机构带动坩埚向下运动，使坩埚缓慢的离开加热区域，从而开始定向凝固，根据定向凝固的温度场分布，越靠近硅液下部温度越低，所以硅液从底部开始凝固，金属杂质受到分凝系数的影响不断从硅液底部向上部移动，当定向凝固到75～85%时，上层硅液中会含有较高浓度的金属杂质。

步骤（1）中的开启真空泵抽气是优选在10～20分钟内将压强减小至0.5～5Pa，迅速减小反应环境中的压强，使得硅液表面会凝固成硅壳。物质的凝固点与压强有关，凝固点随着压强的升高而降低，随着压强的降低而升高，因此减小反应环境的压强，硅液表面最先受到影响，凝固点升高，从而凝固成硅壳。对硅壳进行破碎后，硅液中的挥发性气体杂质主要为P、Al、Ca受到负压的影响会不断从开口处溢出，在溢出过程中也会带动硅液从开口溢出，溢出的硅液在硅壳表面凝固。

步骤（2）中切去的多晶硅铸锭上层优选占整个多晶硅铸锭体积的5%～20%，由于金属杂质在上层聚集，并且抑制了反扩散，因此切除的上层体积相比现有技术大大减少。

本发明在定向凝固到75～85%时，上层的硅液一部分会从开口溢出，并在硅壳上凝固，一部分在硅壳内凝固，由于硅液的凝固会体积膨胀，所以定向凝固全部结束后，得到的多晶硅铸锭仍然是一个整体。