電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于多晶硅鑄錠領域，特別涉及一種電子束熔煉除氧與長晶技術耦合制備多晶硅的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]冶金法制備太陽能級多晶硅技術作為發展低成本、環境友好的太陽能級多晶硅制備技術的必經之路，目前已經取得了長足發展，并實現了工業化生產。冶金法提純多晶硅是指采用物理冶金手段，在硅不參與發生化學反應的情況下，依次去除硅中的各種雜質元素(磷、硼、氧及金屬)的方法，它不是單一的制備方法，而是一種集成法，主要利用飽和蒸汽壓原理、偏析原理及氧化性差異原理，分別采用不同的工藝方法，來去除硅中的雜質元素，從而得到滿足太陽能多晶硅純度要求的硅料。例如，利用介質熔煉技術去除硅中的硼雜質，利用定向凝固去除硅中的金屬雜質，利用電子束熔煉技術去除硅中的磷雜質，將三種熔煉工藝集成為一條工藝路線，經過三種工藝過程，從而得到太陽能級多晶硅。
[0003]在冶金法工藝中，硅料的磷、硼、金屬等雜質均可通過有效的工藝手段去除，達到了較理想的效果。但是，近年來，在對多晶硅太陽能電池片光電轉化效率的研究中發現，氧元素的含量對電池片的光電轉化效率與產生重要影響。但是，現有技術中，對氧元素的去除效果不佳。
[0004]在冶金法的鑄錠等工藝中，坩堝中的氧元素或通入氣體中的氧元素不可避免地會進入到硅料中，是氧雜質產生的主要原因。傳統的測試硅中氧含量的普遍方法為紅外光譜，用紅外光譜分別對高純硅料與混料(鑄鑄后的邊角料與高純料混合)進行檢測，兩種料中氧的含量相關不大。這也導致了冶金法工藝中引入的氧雜質未受到重視。
[0005]實際上，在硅中氧元素有兩種狀態:替代位，即氧代替了硅的位置；間歇位，即氧在硅原子的間隙中。傳統的測試硅中氧含量的紅外光譜只能檢測間歇位的氧含量，不能真實反映兩種硅料中的氧含量水平。經申請人的實驗測試，替代位的氧會釋放電子，與硅中雜質磷產生的作用相似，能夠影響多晶硅電池片光電轉化效率。申請人通過二次離子質譜儀多次檢測，在上述兩種硅料中，氧元素含量相差很大，主要是替代位的氧元素含量的差別。
[0006]因此，對于冶金法中多晶硅中引入的雜質氧不能忽視，尤其在鑄錠工藝結束后，底料中氧含量為4?20ppmw，不符合生產要求，必需尋求有效的手段降低硅中雜質氧的含量。
[0007]對于氧雜質的去除方法，檢索到發明專利CN20081007092.5，一種降低金屬硅中氧、碳含量的方法，該發明米用在娃液中吹入氧氣、氫氣和水蒸氣，使氫氣和氧氣在娃液中反應產生局部高溫，使硅液中的氧、碳元素隨氣體排放而去除，但是該方法需要在硅熔融狀態下通入氧氣和氫氣，操作難度大，危險性高，氧的去除效果不佳。
[0008]電子束熔煉技術，作為冶金法工藝流程中的重要組成部分，能夠有效去除硅中氧和磷。長晶技術作為制備最終滿足生產硅片要求的環節，是冶金法的最終環節。但目前，冶金法工藝過程中，電子束熔煉技術與長晶技術為兩個獨立的環節，一般是將電子束熔煉后的硅料，經過破碎、清洗過程后，所得到的硅料再放入鑄錠爐內進行再次熔煉，進行長晶，得到滿足生產硅片要求的鑄錠。但在這個流程中，電子束熔煉技術及長晶技術均涉及到硅料的熔化及凝固過程，同時，電子束熔煉后的硅料，需要經過噴砂、破碎、清洗、烘干后，才能進入長晶環節，增加了整體投資，且生產效率較低。
【發明內容】
[0009]本發明克服上述不足問題，提供一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置及方法，更加高效地去除硅中的氧雜質元素，大大降低生產過程中的總能耗。
[0010]本發明為實現上述目的所采用的技術方案是:一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置，爐體頂部通連安裝有電子槍，側部上端開有充氣閥，下端開有放氣閥，爐體內放置有石英坩堝，石英坩堝外壁由內向外依次環繞有石墨加熱器和石墨碳氈，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋，石英坩堝底部中央位置開設有孔，且石英坩堝底部安裝有水冷銅底座。
[0011]孔的面積優選為石英坩堝底部面積的20?35%。
[0012]一種電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置的方法，步驟如下:
[0013](I)裝料:將硅粉放入石英坩堝鏤空孔內，至剛填滿底部孔的區域；將多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝內，關閉保溫蓋；
[0014](2)抽真空:打開真空泵組,對爐體和電子槍抽真空；
[0015](3)熔化:調節石墨加熱器功率使硅料全部熔化；
[0016](4)電子槍預熱并保溫:設置高壓預熱，關閉高壓；設置電子槍束流預熱，關閉束流；降低石墨加熱器功率，保持硅料處于液態；
[0017](5)電子束熔煉除氧:打開真空裝置蓋后，同時開啟電子槍高壓和束流，穩定后轟擊多晶娃料；
[0018](6)初步鑄淀長晶:關閉電子槍，關閉保溫蓋，調節石墨加熱器，使娃晶體的生長速度為 1.2 ?1.3cm/h ；
[0019](7)冷卻取料:硅晶體生長結束后，關閉真空泵組，打開放氣閥，取出硅料。
[0020]優選方案如下:
[0021]步驟(I)中多晶硅鑄錠底料為氧含量為0.0004?0.008%的硅料。
[0022]步驟(2)中抽真空，控制真空泵組使爐體真空度達到5X10_2Pa以下，電子槍真空度達到5 X KT3Pa以下。
[0023]步驟(3)中熔化時，石墨加熱器功率為10?25kW，使硅料溫度到達1450°C?1550 O。
[0024]步驟(4)中電子槍設置高壓為25?35kW，高壓預熱5?1min后，關閉高壓，設置電子槍束流為70?200mA，束流預熱5?1min關閉電子槍束流；控制石墨加熱器的功率為5?10kW，保持硅料溫度為1420°C?1450°C。
[0025]步驟(5)中電子槍轟擊娃料5?15min。
[0026]步驟(7)中開爐后取出的鑄錠中氧含量為0.057Ippmw以下。
[0027]在本發明中，采用的是石英坩堝，是為了與之后的鑄錠工藝相結合。傳統工藝使用的是水冷銅坩堝的，本發明中，外圍有石墨加熱體，無法對銅坩堝加熱，所以優選石英坩堝。同時石英坩堝與水冷銅底座接觸，散熱效果更好，再加上石英坩堝上開設有孔，能夠散熱快，加快鑄錠長晶。
[0028]電子束熔煉結束關閉電子槍后，關閉保溫蓋，防止硅液在鑄錠凝固過程中產生的揮發物對電子槍造成更多的損害；另外，保溫蓋在加熱過程后關閉，保溫效果更好。
[0029]將石英坩堝放入石墨加熱器內，石墨加熱器外加石墨碳氈，起到保溫作用。真空泵包括機械泵、羅茨泵、擴散泵和分子泵為真空領域常見設備，在本發明中統一配合使用，對爐體和電子槍進行抽真空處理；電子束照射石應坩堝內硅熔體表面，增加熔體表面溫度，增大表面及表面以下附近區域的溫度梯度，強化硅熔體擾動，增強氧揮發去除的表面效應，去除硅中的氧雜質。
[0030]申請人在實驗過程中發現，在電子束熔煉過程后，去除磷雜質的同時，對氧雜質也是一種極大的去除。經二次離子質譜儀檢測，能夠保證最后硅料中氧的含量由4?20ppmw降低到0.057Ippmw以下，0.057Ippmw以下為質譜儀的檢測下限，由此我們可以認為，電子束熔煉除氧后，硅料中氧含量達到0.057Ippmw以下。
[0031]本發明優點:該方法將電子束熔煉除氧技術與初步的鑄錠長晶過程有效地耦合在一起，從而實現了在同一設備上實現兩種生產工藝的目的，采用石墨加熱器來熔化多晶硅鑄錠尾料，節約原料成本，同時利用電子束照射硅熔體表面，強化表面揮發效應，高效去除硅中的揮發性氧雜質，雜質氧的去除率可達到85?92%。然后進行長晶，減少了破碎、清洗及烘干環節，節省相應設備的投入及占地面積，大大減少了獨立生產時的能量消耗，與不進行除氧技術的單晶硅相比，提高電池片的光電轉換效率0.1%以上，總能耗降低超過30%，生產效率能夠提高40%。
【附圖說明】
[0032]圖1為電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅的裝置示意圖。
[0033]圖中，1、電子槍，2、爐體，3、保溫蓋，4、石墨碳氈，5、石墨加熱器，6、石英坩堝，7、水冷銅底座，8、充氣閥，9、放氣閥。
【具體實施方式】
[0034]下面結合具體實施例及附圖詳細說明本發明，但本發明并不局限于具體實施例。
[0035]實施例1:
[0036]爐體2頂部通連安裝有電子槍I，側部上端開有充氣閥8，下端開有放氣閥9，爐體2內的水冷銅底座7上放置有石英坩堝6，石英坩堝6外壁由內向外依次環繞有石墨加熱器5和石墨碳氈4，石墨碳氈頂部安裝有保溫蓋3。石英坩堝6底部中央位置開設有孔，孔的面積為石英坩堝底部面積的20%。
[0037]實施例2:
[0038]采用實施例1中的裝置進行電子束除氧與初步鑄錠耦合制備多晶硅:
[0039](I)裝料:將500kg氧含量為0.008%的多晶硅鑄錠底料破碎后清洗烘干，裝入石英坩堝6內，關閉真空裝置蓋3。