專利名稱：制造太陽能級多晶硅的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及半導體器件的制造，特別涉及一種制造太陽能級多晶硅的裝 置；本發明還涉及該制造太陽能級多晶硅裝置的制造方法。
背景技術：
目前，世界上大約95%的光伏產品采用單晶硅，非晶硅和薄膜硅。硅原 料的質量及成本在光伏行業中的地位舉足輕重。
世界上絕大多數的生產廠家，都是利用HC1氣體處理技術生產多晶硅的， Siemens工藝過程中將化學沉積法得到的硅沉積到金屬絲上，生產效率和尾 氣回收率較低，美國的Ethyl， s公司利用硫化床技術以H2還原硅垸制備得 到了直徑為700um的高純硅產品，提高了尾氣的回收率，過程的能量消耗也 僅為Siemens技術的1/10。美國的Schumacher公司開發了在硫化床反應器 內沉積SiHBr3工藝，金屬硅和H2及SiBr4反應生成SiB4和SiHBr3的混合 物，SiHBr3在80(TC下可分解得到太陽能級硅，該過程的能耗僅為Siemens 方法的1/5，設備投資約為只有50%。采用改良西門子法生產多晶硅，仍然存 在著成本較高的問題，而且這種硅原料受半導體產業影響，供應不穩定，數 量也很有限。
太陽能級多晶硅的純度要求遠遠低于電子級多晶硅，采用昂貴的西門子 法生產的多晶硅生產太陽能電池大大增加太陽能電池的成本和推廣的難度。 于是世界各國都展開了低成本的太陽能級多晶硅生產技術的研究。
日本川崎制鐵株式會社申請專利CN1204298(
公開日1999年1月6日)，
是以金屬硅或者氧化硅為起始原料，通過電子束真空熔煉，氧化精煉和定向 凝固這一系列工藝，生產出太陽能級多晶硅。但是工藝步驟繁多，設備昂貴， 生產的效率較低，生產成本很高。
中國專利CN1873062(
公開日2006年12月6日和CN1935647(
公開日
2007年3月28日)公開了通過向坩鍋中的硅液吹等離子體和定向凝固以及真 空熔煉除P，最后得到P型的太陽能級多晶硅。但是這種方法由于受到熔體 上表面表面積的限制和雜質在硅熔體內擴散速度的限制使得提純的速率較 慢，并且經過兩次熔化兩次凝固使得每公斤能耗較高，不利于節能減排。
發明內容
為了解決現有技術的工藝步驟繁多，設備昂貴，能耗高、生產效率低，
成本高等不足，本發明的目的在于提供一種制造太陽能級多晶硅的裝置；利 用本發明在一臺設備中實現了等離子熔煉、懸浮熔煉和定向凝固工藝，能夠 連續、快速、高效的生產出低成本的太陽能級多晶硅。
為了解決現有技術的不足，本發明目的的另一方面，還提供一種太陽能級 多晶硅的制造方法，利用本發明，整個工藝流程中只有一次熔化和一次定向 凝固過程，大大降低了能耗，并且由于應用了懸浮熔煉使得一次熔化和一次定 向凝固就可以達到太陽能級多晶硅的要求。
為了達到上述發明目的，本發明的第一方面，為解決其技術問題所采用 的技術方案是提供一種制造太陽能級多晶硅的裝置，該裝置包括真空室， 其內設置有懸浮熔煉坩鍋，懸浮熔煉坩鍋的外圍繞有感應線圈，懸浮熔煉坩 鍋的上方設有感應等離子發生器；懸浮熔煉坩鍋下方設有水冷底盤及其升降 裝置，水冷底盤及其升降裝置與定向凝固機構連接，由定向凝固機構控制其 升降；在水冷底盤升降裝置的下拉行程的四周設有石墨加熱套；真空室的上 方設有加料器，用于連續提供工業硅料；真空系統和真空室連接，用于真空 室抽真空;懸浮熔煉坩鍋在開啟感應等離子發生器和感應線圈的條件下加溫， 將工業硅料熔融為硅液。上述懸浮熔煉坩鍋為無底懸浮水冷銅坩鍋；上述感 應線圈的頻率范圍為2000HZ-15000HZ。
本發明的第二方面，為解決上述技術問題所采用的技術方案是提供一種
太陽能級多晶硅的制造方法，包括如下步驟
步驟一原料選擇，選擇含有P和B工業硅料，有選擇性的除去P或B。
步驟二熔化，開啟真空系統對真空室抽真空至10—2pa，通過加料裝置
向水冷銅坩鍋中加入工業硅料；開啟感應等離子發生器和中頻感應線圈，使
硅料在等離子的高溫下逐漸熔化為硅液，硅液的溫度最終保持在1410°C -1800。C之間。
步驟三懸浮熔煉，增加中頻線圈的功率，使得硅液完全懸浮并不與坩
鍋接觸，直至懸浮的硅液在坩鍋中呈橢球狀。
步驟四等離子除雜，向等離子槍中通入反應氣體，產生等離子氣體； 等離子氣體與硅中雜質反應，除去硅中的雜質；上述等離子槍中通入的反應 氣體包括至少一種選自下列的材料Ar， HCL, H20和Cl2，其流量為10-100L/h， 持續2-5小時。
步驟五定向凝固成型，升起水冷托盤直到接觸硅液，然后逐漸下拉， 在下拉的過程中硅液自下而上定向凝固；下拉速率控制在0. 2ram-2腿/min; 最后，切除雜質富集的頭尾部分。
步驟六連續加料，開始下拉以后，加料器逐漸加料，實現連續熔煉直 到預設的晶錠長度。
上述步驟二和步驟五在制造過程中只進行一次。
本發明制造太陽能級多晶硅的裝置及其方法，由于把等離子熔煉，懸浮 熔煉，定向凝固等工序集成在一個設備中，因此，實現了由工業硅到太陽能 級多晶硅的連續化生產。本發明生產出的多晶硅無需再鑄錠即可直接用于太 陽能電池的生產。并且熔煉過程中只有一次熔化和一次定向凝固，大大降低 了能耗。本發明中還使用了懸浮熔煉，可以有效避免來自坩鍋對液硅的污染， 同時可以大大增加液態硅的表面積，從而促進雜質與等離子氣體的反應。另 外，在電磁場的攪拌下，液硅中的雜質很快可以擴散到硅液表面與等離子氣 體反應，因此提純效率大大提高，只需要通過一次熔化、提純、定向凝固就 可以達到太陽能級多晶硅的要求，取得了連續、快速、高效生產低成本太陽 能級多晶硅的有益效果。
附圖是本發明制造太陽能級多晶硅的裝置的示意圖。
圖中，l.真空室，2.懸浮熔煉坩鍋，3.加料器，4.感應等離子發生器， 5.感應線圈，6.水冷底盤，7.石墨加熱套，8.定向凝固機構，9.真空系 統，10.硅液，ll.工業硅料。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的第一方案， 一種太陽能級多晶硅制造裝置的優 選實施例進行描述。
附圖是本發明制造太陽能級多晶硅的裝置的示意圖；如附圖的實施例所
示，該裝置包括
真空室1，其內設置有懸浮熔煉坩鍋2，懸浮熔煉坩鍋2的外圍繞有感應 線圈5，懸浮熔煉坩鍋2的上方設有感應等離子發生器4;懸浮熔煉坩鍋2 下方設有水冷底盤6及其升降裝置，水冷底盤6及其升降裝置與定向^J固機 構8連接，由定向凝固機構8控制其升降；在水冷底盤6升降裝置的下拉行 程的四周設有石墨加熱套7;真空室1的上方設有加料器3，用于連續提供工
業硅料ll;真空系統9和真空室1連接，用于真空室抽真空；懸浮熔煉坩鍋
2在開啟感應等離子發生器4和感應線圈5條件下，加溫將工業硅料11熔融
為硅液IO。本實施例中，上述懸浮熔煉坩鍋2為無底懸浮水冷銅坩鍋；上述
感應線圈5的頻率范圍為2000HZ-15000HZ。
下面結合實施例，進一步對本發明裝置的工作過程進行描述。
實施例l:
調節定向凝固機構8將水冷底盤6升至懸浮熔煉坩鍋2底部，加入3kg 工業硅料11到懸浮熔煉坩鍋2中。開啟真空系統9對真空室1抽真空至 10—2Pa。開啟感應等離子發生器4和感應線圈5，感應等離子發生器4功率調 至60千瓦，感應線圈功率5調至150千瓦。首先硅料在等離子的高溫下逐漸
熔化為硅液，然后感應磁場在硅液中產生感應電流。等到工業硅料完全熔化
并完全懸浮后，開始通入水蒸汽(流量為50psig)。再以100g/min的速率向 坩鍋中加入硅料直到總熔煉量達到10kg。然后再向上升起水冷底盤6直到與 硅液接觸。水冷底盤與硅液接觸后再以lmm/min的速率緩慢下拉。在下拉的 同時繼續通過加料器3以50g/min的速率向懸浮熔煉坩鍋2中加入工業硅料。 當水冷底盤到達石墨加熱套7位置時，開啟石墨加熱套。最上方石墨加熱套 的溫度設為1350°C，下方的加熱套溫度以5(TC為一檔遞減。最終實現連續加 料，連續定向凝固。最后生產出直徑6英寸，長lm的多晶硅晶錠。經檢測硅 的純度達到99. 9999%。 實施例2:
調節定向凝固機構8將水冷底盤6升至懸浮熔煉坩鍋2底部，加入2kg 工業硅料11到懸浮熔煉坩鍋2中。開啟真空系統9對真空室1抽真空至 10—2Pa。開啟感應等離子發生器4和感應線圈5，感應等離子發生器4功率調 至50千瓦，感應線圈功率5調至120千瓦。首先硅料在等離子的高溫下逐漸 熔化為硅液，然后感應磁場在硅液中產生感應電流。等到工業硅料完全熔化 并完全懸浮以后開始通入液態水(流量為10ml/min)。再以100g/min的速率 向坩鍋中加入硅料直到總熔煉量達到10kg。然后然后再向上升起水冷底盤6 直到與硅液接觸。水冷底盤與硅液接觸后再以0. 5mm/min的速率緩慢下拉。 在下拉的同時繼續通過加料器3以25g/min的速率向懸浮熔煉坩鍋2中加入 工業硅料。當水冷底盤到達石墨加熱套7位置時，開啟石墨加熱套。最上方 石墨加熱套的溫度設為1350°C，下方的加熱套溫度以25"為一檔遞減。最終 實現連續加料，連續定向凝固。最后生產出直徑6英寸，長0.5m的多晶硅晶 錠。經檢測硅的純度達到99. 9999%。
實施例3:
調節定向凝固機構8將水冷底盤6升至懸浮熔煉坩鍋2底部，加入5kg 工業硅料11到懸浮熔煉坩鍋2中。開啟真空系統9對真空室1抽真空至 10—2Pa。開啟感應等離子發生器4和感應線圈5，感應等離子發生器4功率調
至80千瓦，感應線圈功率5調至170千瓦。首先硅料在等離子的高溫下逐漸 熔化為硅液，然后感應磁場在硅液中產生感應電流。等到工業硅料完全熔化
并完全懸浮以后開始通入HC1氣體(流量為50psig)。再以150g/min的速率 向坩鍋中加入硅料直到總熔煉量達到10kg。然后然后再向上升起水冷底盤6 直到與硅液接觸。水冷底盤與硅液接觸后再以l腿/min的速率緩慢下拉。在 下拉的同時繼續通過加料器3以50g/min的速率向懸浮熔煉柑鍋2中加入工 業硅料。當水冷底盤到達石墨加熱套7位置時，開啟石墨加熱套。最上方石 墨加熱套的溫度設為1350°C，下方的加熱套溫度以5(TC為一檔遞減。最終實 現連續加料，連續定向凝固。最后生產出直徑6英寸，長lm的多晶硅晶錠。 經檢測硅的純度達到99. 9999%。
下面對本發明的第二方案，一種太陽能級多晶硅的制造方法進行描述，該 方法包括如下步驟
步驟一原料選擇
通過選擇P， B含量合適的工業硅原料，然后有選擇性的除去P或者B就 分別可以得P型和N型的太陽能級多晶硅。這樣避免了同時除去P， B兩種元 素，大大降低了制造成本。
步驟二熔化
開啟真空系統對真空室抽真空至10—2Pa后，通過加料裝置向水冷銅坩鍋 中加入工業硅料。開啟感應等離子發生器和中頻感應線圈。首先硅料在等離 子的高溫下逐漸熔化為硅液，然后感應磁場在硅液中產生感應電流。由于感 應電流的作用硅液的溫度逐漸升高，最終保持硅液溫度在1410-180(TC之間。
步驟三懸浮熔煉
增加中頻線圈的功率，使得硅液在電磁斥力的作用下完全懸浮并不與坩 鍋接觸，直至懸浮的硅液在坩鍋中呈橢球狀，橢球硅液有很大的表面積，大 大加快了雜質與等離子氣體的反應速率。另外在電磁場的攪拌下，硅中雜質 很快可以擴散的硅液表面與等離子氣體反應。由于懸浮熔煉的應用大大提高 了雜質與等離子氣反應的速率和雜質向硅液表面擴散的速率，這樣只需要經
過一次熔化、提純、定向凝固就能達到太陽能級多晶硅的要求。 步驟四等離子除雜
然后，向等離子槍中通入Ar， HCL， H20， (:12等反應氣體中的一種；流量 為10-100L/h，以產生化學活性很強的等離子氣體，這些等離子氣體能夠與 硅中雜質反應并除去硅中的雜質。等離子除雜的步驟持續2 — 5小時。
步驟五定向凝固成型
升起水冷托盤直到接觸硅液，然后逐漸下拉，下拉速率控制在
0.2臓-2臓/min。在下拉的過程中，硅液在石墨保溫套中自下而上定向凝固， 金屬雜質會發生分凝現象。凝固后，切除雜質富集的頭尾部分就可以達到除 去金屬雜質的效果。石墨保溫套設置有很好的溫度梯度，分段下降，以保證 分凝作用的充分進行。
步驟六連續加料
在開始下拉以后，加料器逐漸加料，可以實現連續熔煉直到預設的晶錠 長度。
在上述制造過程中，步驟二和步驟五只進行一次，因此，本發明生產出 的多晶硅晶錠經切方以后可以直接用于太陽能電池的生產，不需要再經過多 晶硅的澆鑄過程，大大降低了能耗和生產成本。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明制造太陽能級多晶硅的裝置及其 方法進行各種改動和變形而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明 的這些修改和變形屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明 也意圖包含這些改動和變形在內。
權利要求
1、一種制造太陽能級多晶硅的裝置，其特征在于，該裝置包括真空室[1]，其內設置有懸浮熔煉坩鍋[2]，懸浮熔煉坩鍋[2]的外圍繞有感應線圈[5]；懸浮熔煉坩鍋[2]的上方設有感應等離子發生器[4]；懸浮熔煉坩鍋[2]下方設有水冷底盤[6]及其升降裝置，水冷底盤[6]及其升降裝置與定向凝固機構[8]連接；在水冷底盤[6]升降裝置的下拉行程的四周設有石墨加熱套[7]；真空室[1]的上方設有加料器[3]；真空系統[9]和真空室[1]連接。
2、 根據權利要求l所述的制造太陽能級多晶硅的裝置，其特征在于，所 述懸浮熔煉坩鍋[2]為無底懸浮水冷銅坩鍋。
3、 根據權利要求l所述的制造太陽能級多晶硅的裝置，其特征在于所述感應線圈[5]的頻率范圍為2000HZ-15000HZ。
4、 一種根據權利要求1所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 步驟一原料選擇，選擇含有P和B工業硅料，有選擇性的除去P或B; 步驟二熔化，開啟真空系統對真空室抽真空至l(Tpa，通過加料裝置向水冷銅坩鍋中加入工業硅料；開啟感應等離子發生器和中頻感應線圈，使硅料在等離子的 高溫下逐漸熔化為硅液，保持硅液溫度； 步驟三懸浮熔煉，增加中頻線圈的功率，使得硅液完全懸浮并不與坩鍋蜂觸； 步驟四等離子除雜，向等離子槍中通入反應氣體，產生等離子氣體；等離子氣體與硅中雜質 反應，除去硅中的雜質；步驟五定向凝固成型，升起水冷托盤直到接觸硅液，然后逐漸下拉，在下拉的過程中，硅液在 石墨保溫套中自下而上定向凝固；凝固后，切除雜質富集的頭尾部分；步驟六連續加料，開始下拉以后，向加料器澤漸加料，實現連續熔煉直到預設的晶錠長度。
5、 根據權利要求4所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法，其特征 在于所述的步驟二和步驟五在制造過程中只進行一次。
6、 根據權利要求4所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法，其特征在于所述步驟二中，硅液的溫度最終保持在1410'C-180(TC之間。
7、 根據權利要求4所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法，其特征在于所述步驟三中，增加中頻線圈的功率，直至懸浮的硅液在坩鍋中呈橢球狀。
8、 根據權利要求4所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法，其特征在于所述步驟四中，所述等離子槍中通入反應氣體包括至少一種選自下列的材料Ar， HCL， H2()和C12，其流量為10-100L/h。
9、 根據權利要求4或8所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法， 其特征在于所述的步驟四，等離子除雜過程持續2-5小時。
10、 根據權利要求4所述的太陽能級多晶硅制造裝置的制造方法，其特 征在于所述步驟五中的下拉速率控制在0.2腿-2腿/min;所述的石墨保溫 套設置有溫度梯度，分段下降。
全文摘要
本發明公開了一種制造太陽能級多晶硅的裝置，包括真空室[1]，其上方設有加料器[3]，其內設置有懸浮熔煉坩鍋[2]。懸浮熔煉坩鍋[2]的外圍繞有感應線圈[5]、上方設有感應等離子發生器[4]、下方設有由定向凝固機構[8]控制的水冷底盤[6]及其升降裝置。水冷底盤[6]下拉行程四周設有石墨加熱套[7]。本發明還公開了一種太陽能級多晶硅的制造方法，其步驟為1.原料選擇；2.熔化；3.懸浮熔煉；4.等離子除雜；5.定向凝固成型；6.連續加料。本發明在一臺設備中實現了等離子熔煉、懸浮熔煉和定向凝固工藝，取得了連續、快速、高效生產低成本太陽能級多晶硅的有益效果。
文檔編號C01B33/00GK101377010SQ20071004539
公開日2009年3月4日 申請日期2007年8月30日 優先權日2007年8月30日
發明者張泰生, 李紅波, 陳鳴波 申請人:上海太陽能工程技術研究中心有限公司;上海太陽能科技有限公司