專利名稱：去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于用物理冶金技術提純多晶硅的技術領域，特別涉及一種利用電 子束熔煉技術將多晶硅中的雜質磷和金屬雜質去除的方法。
背景技術：
高純多晶硅是制備太陽能電池的主要原料。國外制備高純多晶硅主要使用
西門子法，具體為硅垸分解法和氯硅垸氣相氫還原法，其中SiHCl3法即西門子 法是目前多晶硅制備的主流技術。SiHCl3法的有用沉積比為1X103，是SiH4的 100倍。西門子法沉積速度可達8 10um/ min。 一次通過的轉換效率為5% 20%，沉積溫度為110(TC，僅次于SiCl4(1200°C)，耗電量為120kWh/kg左右， 電耗也較高。國內SiHCl3法的電耗經過多年的努力已由500 kWh/ kg降至 200kWh/kg，硅棒直徑達到100mm左右。西門子法的不足之處在于其在流程的 核心環節上采取了落后的熱化學氣相沉積，工藝流程的環節過多， 一次轉化率 低，導致流程時間太長，增加了材耗、能耗成本。鑒于此，在眾多制備的新工 藝中冶金法是根據雜質元素在硅中的分凝系數不同進行定向凝固的方式，具有 能耗低、環境污染小的特點。單純的定向凝固方法無法去除分凝系數較大的雜 質磷，而在多晶硅的眾多雜質中，磷是有害雜質，直接影響了硅材料的電阻率 和少數載流子壽命，進而影響了太陽能電池的光電轉換效率。可用做制備太陽 能電池的多晶硅磷含量要求降低到0.0001%以下，已知日本專利號為11-20195 的發明專利，利用電子束達到去除多晶硅中磷的目的，但該發明的缺點是使用 兩把電子槍耗能較大，沒有定向凝固系統無法去除其他金屬雜質。
發明內容
本發明要解決的技術難題是利用電子束熔煉技術，將多晶硅中的雜質元素 磷去除到0.0001%的程度，同時可以有效去除多晶硅中的金屬雜質，進而達到太
陽能電池用硅材料的使用要求。
本發明采用的技術方案是一種去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的方法，其 特征在于用電子束熔煉和感應加熱相互配合的方式，完成對多晶硅的熔煉和凝
固過程，去除多晶硅中雜質磷及其他金屬雜質，其步驟如下 1)、用高純硅粉平鋪在水冷銅底座，填滿石英坩堝的鏤空空間； 2 、將多晶硅料裝入石英坩堝中，關閉真空裝置蓋；3 、抽真空過程，先用機械泵、羅茲泵，將真空室抽到低真空10"pa，再用擴散 泵將真空抽到高真空10—3pa以下；
3 、設置功率為10-25kW給感應線圈通電，溫度達到150(TC將硅料全部融化；
4 、給電子槍預熱，設置高壓為25-35kW,高壓預熱5-10分鐘，關閉高壓，設 置電子槍束流為70-200mA，束流預熱5-10分鐘，關閉電子槍束流；
5 、再降低感應線圈的功率到5-10kW，保溫溫度為145(TC用于維持石英坩堝內 多晶硅料的液態狀態；
6 、同時打開電子槍的高壓和束流，穩定后用電子槍轟擊多晶硅料，增大電子 槍束流到500-800mA，持續轟擊50-70分鐘；
7 、啟動拉錠桿，以0.5-10mm/min的速度拉錠；
8 、關閉電子槍，將感應線圈功率調高到10-25kW;
9 、待整個拉錠過程結束后，降低感應線圈功率，控制在以l-5tVmin的速度， 直到溫度降低到IOOO'C，關閉感應線圈；
10 、依次關閉擴散泵、羅茲泵、機械泵待溫度降到20(TC左右時，打開放氣閥， 打開真空裝置蓋取出硅材料。
去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的方法所用的裝置，由真空裝置蓋、真空 圓桶構成裝置的外殼，真空圓桶內腔即為真空室，真空室內裝有熔煉系統，熔 煉系統由電子槍、感應線圈、石墨套筒、U形石英坩堝、水冷銅底座構成，石 英坩堝放入石墨套筒中，石英坩堝和石墨套筒整體放在感應線圈中并放在水冷 銅底座上，對中，在其上方安置電子槍，將拉錠桿與水冷銅底座鏈接，焊牢， 機械泵、羅茲泵、擴散泵、放氣閥與真空圓桶相連。
本發明的顯著效果是可以將分凝系數較大的磷用電子束熔煉去除，將分凝 系數小的金屬雜質用定向凝固去除，有效提高了多晶硅的純度，具有效率高、 裝置簡單、節約能源的優點。
附圖1為去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的裝置，圖中，1.電子槍，2. 真空裝置蓋，3.真空室，4.感應線圈，5.多晶硅料，6.石墨套筒，7.石英 坩堝，8.機械泵，9.水冷銅底座，IO.羅茲泵，11.擴散泵，12.拉錠桿， 13.高純硅粉，14.放氣閥，15.真空圓桶，a.石英坩堝7的鏤空空間。
具體實施方式
下面結合技術方案及附圖詳細說明本方案的具體實施例。
將高純為99.9999%的硅粉13平鋪在水冷銅底座9填滿石英坩堝7的鏤 空空間a中。將純度為99.8%其中雜質磷含量為0.005%，鐵為0.1254%，鋁為 0.0342%的多晶硅料5裝入石英坩堝7中，關閉真空裝置蓋2 。抽真空過程， 先用機械泵8 、羅茲泵10將真空室3抽到低真空10"pa，再用擴散泵11將 真空抽到高真空10 a以下。設置功率為10kW給感應線圈4通電，溫度達到 150(TC將硅料全部融化。給電子槍1預熱100mA，束流預熱5分鐘，關閉電子 槍1束流，再降低感應線圈4的功率到5kW，保溫溫度為145(TC用于維持石 英坩堝7內多晶硅料5的液態狀態，同時打開電子槍1的高壓和束流，穩定 后用電子槍1轟擊多晶硅料5 ，增大電子槍1束流到500mA，持續轟擊50 分鐘，開啟拉錠桿12 ，以lmm/min的速度拉錠，關閉電子槍1 ，將感應線圈 4功率調高到20kW，待整個拉錠過程結束后，降低感應線圈4功率，控制在 以2。C/min的速度，直到溫度降低到IOO(TC，關閉感應線圈4 ，依次關閉擴散 泵11 、羅茲泵10 、機械泵8待溫度降到20(TC左右時，打開放氣閥14 ， 開啟裝置取出硅材料。經檢測硅材料中雜質磷含量降低到0.000098%;雜質鐵的 含量降低到0.00078%，雜質鋁的含量降低到0.00054%。
本發明去除多晶硅中雜質磷效果良好，工藝穩定，操作方便，節約能源， 同時去除的多晶硅中的其他金屬雜質，提高了制備高純多晶硅的效率。
權利要求
1、一種去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的方法，其特征在于，用電子束熔煉和感應加熱相互配合的方式，完成對多晶硅的熔煉和凝固過程，去除多晶硅中雜質磷及其他金屬雜質，其步驟如下1)、用高純硅粉(13)平鋪在水冷銅底座(9)填滿石英坩堝(7)的鏤空空間(a)；2)、將多晶硅料(5)裝入石英坩堝(7)中，關閉真空裝置蓋(2)；3)、抽真空過程，先用機械泵(8)、羅茲泵(10)將真空室(3)抽到低真空10-0pa，再用擴散泵(11)將真空抽到高真空10-3pa以下；3)、設置功率為10-25kW給感應線圈(4)通電，溫度達到1500℃將硅料全部融化；4)、給電子槍(1)預熱，設置高壓為25-35kW，高壓預熱5-10分鐘，關閉高壓，設置電子槍(1)束流為70-200mA，束流預熱5-10分鐘，關閉電子槍(1)束流；5)、再降低感應線圈(4)的功率到5-10kW，保溫溫度為1450℃用于維持石英坩堝(7)內多晶硅料(5)的液態狀態；6)、同時打開電子槍(1)的高壓和束流，穩定后用電子槍(1)轟擊多晶硅料(5)，增大電子槍(1)束流到500-800mA，持續轟擊50-70分鐘；7)、啟動拉錠桿(12)，以0.5-10mm/min的速度拉錠；8)、關閉電子槍(1)，將感應線圈(4)功率調高到10-25kW；9)、待整個拉錠過程結束后，降低感應線圈(4)功率，控制在以1-5℃/min的速度，直到溫度降低到1000℃，關閉感應線圈(4)；10)、依次關閉擴散泵(11)、羅茲泵(10)、機械泵(8)待溫度降到200℃左右時，打開放氣閥(14)，打開真空裝置蓋(2)取出硅材料。
2、 權利要求1所述的一種去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的方法所用的裝置， 其特征在于，裝置由真空裝置蓋(2)、真空圓桶(15)構成裝置的外殼，真空 圓桶(15)內腔即為真空室(3)，真空室(3)內裝有熔煉系統，熔煉系統由電 子槍(1)、感應線圈(4)、石墨套筒(6)、 U形石英坩堝(7)、水冷銅底座(9) 構成，石英坩堝(7)放入石墨套筒(6)中，石英坩堝(7)和石墨套筒(6) 整體放在感應線圈(4)中并放在水冷銅底座(9)上，對中，在其上方安置電 子槍(1)，將拉錠桿(12)與水冷銅底座(9)鏈接，焊牢，機械泵(8)、羅茲 泵(10)、擴散泵(11)、放氣閥(14)與真空圓桶(2)相連。
全文摘要
本發明一種去除多晶硅中雜質磷和金屬雜質的方法及裝置，屬于用物理冶金技術提純多晶硅的技術領域，特別涉及一種利用電子束熔煉技術將多晶硅中的雜質磷和金屬雜質去除的方法。用電子束熔煉和感應加熱相互配合的方式，完成對多晶硅的熔煉和凝固過程。用高純硅粉平鋪在水冷銅底座填滿石英坩堝的鏤空空間；將多晶硅料裝入石英坩堝中，關閉真空裝置蓋；抽真空過程，先用機械泵、羅茲泵將真空室抽到低真空，再用擴散泵將真空抽到高真空；所用的裝置由真空裝置蓋、真空圓桶構成裝置的外殼，真空圓桶內腔即為真空室，真空室內裝有熔煉系統。本發明有效提高了多晶硅的純度，具有效率高、裝置簡單、節約能源的優點。
文檔編號C01B33/00GK101289188SQ20081001163
公開日2008年10月22日 申請日期2008年5月30日 優先權日2008年5月30日
發明者姜大川, 李國斌, 強 王, 許富民, 毅 譚 申請人:大連理工大學