專利名稱：一種物理除磷制備多晶硅的方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅制造方法，具體為一種利用磷的物理特性將磷去除的一種物理 除磷制備多晶硅的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著全球能源消費(fèi)量不斷提高，常規(guī)非可再生能源已經(jīng)不能滿足大多數(shù)國(guó)家的供 給需求。根據(jù)世界能源權(quán)威機(jī)構(gòu)的分析，按照目前已經(jīng)探明的化石能源儲(chǔ)量以及開采速度 來(lái)計(jì)算，全球石油剩余可開采年限僅有40年，天然氣剩余可采年限60年，煤炭剩余可采年 限120年。另一方面，一次性能源的開采和應(yīng)用也是造成生態(tài)破壞和全球環(huán)境污染的一個(gè) 重要原因。因此，可再生新能源的開發(fā)使用是人類長(zhǎng)久發(fā)展的必要條件，也是我們可持續(xù)性 發(fā)展的根本之法。新能源光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，作為可再生清潔能源，因其具有安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、 制約少、故障率低、維護(hù)簡(jiǎn)便、資源廣闊等其他常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)是21世紀(jì) 重要的新能源，已廣泛應(yīng)用在并網(wǎng)發(fā)電、民用發(fā)電、公共設(shè)施以及一體化節(jié)能建筑等方面， 目前晶體硅光伏發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)新能源光伏發(fā)電市場(chǎng)的主要地位。隨著多晶硅提純技術(shù)的應(yīng) 用及硅片加工技術(shù)進(jìn)一步成熟，光電轉(zhuǎn)換效率的提高以及其他工藝技術(shù)的發(fā)展，包括新能 源光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源完全有可能完成從補(bǔ)充能源到常規(guī)能源的角色轉(zhuǎn)換。作為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)品_高純多晶硅材料，其生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步是光伏發(fā)電 產(chǎn)業(yè)能否推廣和應(yīng)用發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。如何降低太陽(yáng)能發(fā)電成本、減少環(huán)境污染、降低生產(chǎn) 能耗、提高生產(chǎn)安全的可靠性是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要課題。目前全球生產(chǎn)高純多晶硅料主 要使用西門子化學(xué)生產(chǎn)方法，但隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)、安全的要求增高以及當(dāng)前全球金融 危機(jī)影響，市場(chǎng)需求更低價(jià)格的高純硅料。在此情況下新的低成本更環(huán)保高純多晶硅生產(chǎn) 技術(shù)在全球不斷開發(fā)和獲取成功，特別是低成本環(huán)保的物理法高純多晶硅生產(chǎn)技術(shù)在一些 發(fā)達(dá)國(guó)家(日本、美國(guó)、德國(guó)、加拿大)取得成功以及在運(yùn)用領(lǐng)域得到有效使用驗(yàn)證，為物理 法高純多晶硅生產(chǎn)提供了巨大的發(fā)展空間；低成本環(huán)保的物理法生產(chǎn)的6N高純硅料大量 運(yùn)用于太陽(yáng)能電池制造光伏產(chǎn)業(yè)，以更低的發(fā)電成本推進(jìn)太陽(yáng)能清潔發(fā)電廣泛使用。冶金級(jí)硅中微量雜質(zhì)幾乎含有元素周期表中所有元素，由于各族元素的特性不 同，要將硅中的雜質(zhì)元素一一去除并達(dá)到要求，其工藝控制是非常復(fù)雜和嚴(yán)格的，在提純過 程中面臨的困難很多。首先必須對(duì)硅中的各雜質(zhì)元素的化學(xué)特性進(jìn)行分析掌握，對(duì)癥下藥， 付諸實(shí)踐，更重要的要防止在提純過程中雜質(zhì)元素的互相污染。目前世界上各國(guó)生產(chǎn)多晶硅的方法主要有化學(xué)法和冶金法。而化學(xué)法主要以西門 子法為主；冶金法主要為物理提純技術(shù)，也稱物理法。兩者的主要區(qū)別在于化學(xué)法在工藝過 程中改變硅的化學(xué)成分，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)最后還原成硅，而物理法在生產(chǎn)工藝過程 中保持硅的成分不變，通過一系列的去雜提純而成。西門子化學(xué)法主要利用冶金級(jí)硅與無(wú)水氯化氫進(jìn)行反應(yīng)生成三氯氫硅(SiHCl3)， 再通過蒸餾得到電子級(jí)三氯氫硅，提純后的三氯氫硅在氫還原爐內(nèi)加熱到iioo°c進(jìn)行VCD反應(yīng)生成高純多晶硅。物理法提純技術(shù)雜質(zhì)元素的去除可分為兩類一類是金屬雜質(zhì)元素的去除，主要 以Fe、Al、Ca三項(xiàng)元素為代表；另一類是非金屬元素的去除，主要是P和B兩項(xiàng)元素為代表。 太陽(yáng)能級(jí)多晶硅的要求為總雜質(zhì)含量< Ippm即6N，特別是對(duì)P和B元素的含量要求非常 嚴(yán)格，(B < 0. 4ppm, P < 0. 7ppm)，提純工藝過程中P和B兩種元素由于其化學(xué)特性的特殊 性，達(dá)到太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求給工藝帶來(lái)極大困難。目前世界上運(yùn)用物理法技術(shù)突破這項(xiàng) 技術(shù)的微乎其微。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種物理除磷制備多晶硅的方法。該方法利用硅液良好的流動(dòng)特性，將裝有金屬硅的坩堝安裝在密閉的高溫精煉爐 中，在一定的爐內(nèi)壓力下，加熱熔化至液體狀態(tài)，利用除磷制備多晶硅的設(shè)備使硅液形成內(nèi) 流動(dòng)，同時(shí)持續(xù)改變硅液表面擴(kuò)散面積，使硅液內(nèi)部的磷不斷通過硅液表面持續(xù)氣化蒸發(fā)， 并將氣化的磷不斷置換出來(lái)。使磷的含量降低到0. 7PPm以下，符合太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求。本發(fā)明的實(shí)施步驟如下1.選用優(yōu)質(zhì)金屬硅，其粒度要求在1 3厘米，并用去離子水洗凈烘干。將金屬硅 均勻裝放于坩堝內(nèi)，并將裝好料的坩堝安裝在高溫精煉爐中。2.將坩堝緩慢升溫加熱至硅全熔化狀態(tài)，維持溫度至1450 1550度，開啟投入爐 內(nèi)環(huán)境氣體置換系統(tǒng)并維持爐內(nèi)壓力在負(fù)壓狀態(tài)(設(shè)定在1000 3000帕)。3.下降與其配套使用的除磷制備多晶硅的設(shè)備的攪拌托盤至硅液內(nèi)，由于硅液流 動(dòng)性能良好，攪拌托盤在攪拌時(shí)，硅液通過托盤微孔形成硅液內(nèi)部相對(duì)流動(dòng)，同時(shí)使硅液表 面形成波紋，使硅液內(nèi)部的磷不斷蒸發(fā)氣化，并不斷地置換出爐內(nèi)環(huán)境氣體，使磷不斷地被 置換出來(lái)。維持此狀態(tài)運(yùn)行三小時(shí)后停止攪拌，在高純惰性氣體環(huán)境下定向冷卻，完成除磷 工作。本發(fā)明同時(shí)公開了與上述一種物理除磷制備多晶硅的方法配套使用的一種物理 除磷制備多晶硅的設(shè)備。一種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備，由攪拌桿、升降桿、攪拌托盤、驅(qū)動(dòng)裝置和坩堝 組成。升降桿連接爐蓋，并由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，所述攪拌托盤為圓形或方形直接連接驅(qū)動(dòng)裝 置，托盤面上分布多個(gè)1 2mm微孔，另外攪拌桿連接爐蓋，并能在爐蓋上上下移動(dòng)。所述攪拌托盤上部連接攪拌桿，使攪拌托盤懸在坩堝中間，且攪拌桿通過連接絲 口與升降桿連接。運(yùn)行時(shí)，坩堝內(nèi)盛滿硅液，驅(qū)動(dòng)裝置通過攪拌桿帶動(dòng)攪拌托盤上下方向反復(fù)移動(dòng)， 并進(jìn)行攪拌，其攪拌行程設(shè)定在距離硅液底部5cm，距離硅液表面10cm。有益效果本發(fā)明利用硅液良好的流動(dòng)特性，過程簡(jiǎn)單，效率高，同時(shí)節(jié)能環(huán)保，能使磷的含 量降低到0. 7PPm以下，符合太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求。


圖1為本發(fā)明的較佳實(shí)施例的設(shè)備圖
具體實(shí)施例方式下面舉實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。在如圖一所示的一種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備，包括攪拌桿5、升降桿1、攪拌 托盤6、驅(qū)動(dòng)裝置2和坩堝8組成。攪拌托盤6為圓形，攪拌托盤6上部連接攪拌桿5，使其 懸在坩堝8中間，坩堝8為石墨鑄造，并以驅(qū)動(dòng)裝置2帶動(dòng)，另外攪拌桿5連接爐蓋3，并能 在爐蓋3上上下移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置2則安裝在爐蓋靠經(jīng)攪拌桿5處，升降桿1與攪拌桿5通過 連接絲口 4連接。實(shí)施例一選用預(yù)處理磷含量3ppm的金屬硅20千克，將其破碎至粒度在2厘米。然后用去 離子水在100°C的熱水中清洗，洗凈后濾干放入烘箱，溫度設(shè)定在160°C左右將硅料烘干。 將烘干后的硅料均勻地放置于坩堝8中，并固定在精煉爐中，蓋上爐蓋3使?fàn)t內(nèi)保持密封狀 態(tài)。逐漸增加功率對(duì)硅料進(jìn)行加熱，直至坩堝內(nèi)硅料至全熔狀態(tài)，測(cè)得硅液7的溫度 為1550°C，溫度功率保持爐內(nèi)溫度不變。向爐內(nèi)充入惰性氣體，使?fàn)t內(nèi)形成負(fù)壓狀態(tài)(壓 力設(shè)定在3000帕)并維持。下降除磷制備多晶硅的設(shè)備至硅液7內(nèi)，除磷制備多晶硅的設(shè) 備上下方向反復(fù)移動(dòng)攪拌，攪拌托盤6的攪拌行程設(shè)定在距離硅液7底部5厘米及距離硅 液7表面10厘米之間，攪拌緩慢進(jìn)行，防止動(dòng)作過大使硅液7飛濺。在攪拌裝置不斷地?cái)?拌下，硅液7中的磷不斷蒸發(fā)氣化，并通過充入的惰性氣體將其置換出來(lái)，攪拌三小時(shí)后停 止攪拌，在高純惰性氣體環(huán)境下定向冷卻。本實(shí)施例中的一種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備使用的最大功率為50KW，經(jīng)過提純 后，硅中磷含量可降至0. 5pmm，符合太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求。實(shí)施例二 選用預(yù)處理磷含量2ppm的金屬硅20千克，將其破碎至粒度在1厘米。然后用去 離子水在100°C的熱水中清洗，洗凈后濾干放入烘箱，溫度設(shè)定在160°C左右將硅料烘干。 將烘干后的硅料均勻地放置于坩堝8中，并固定在精煉爐中，蓋上爐蓋3使?fàn)t內(nèi)保持密封狀 態(tài)。逐漸增加功率對(duì)硅料進(jìn)行加熱，直至坩堝內(nèi)硅料至全熔狀態(tài)，測(cè)得硅液的溫度為 1500°C，溫度功率保持爐內(nèi)溫度不變。向爐內(nèi)充入惰性氣體，使?fàn)t內(nèi)形成負(fù)壓狀態(tài)(壓力設(shè) 定在2000帕)并維持。下降除磷制備多晶硅的設(shè)備至硅液7內(nèi)，除磷制備多晶硅的設(shè)備上 下方向反復(fù)移動(dòng)攪拌，攪拌行程設(shè)定在距離硅液7底部5厘米及距離硅液7表面10厘米之 間，攪拌緩慢進(jìn)行，防止動(dòng)作過大使硅液7飛濺。在攪拌裝置不斷地?cái)嚢柘?，硅液中的磷?斷蒸發(fā)氣化，并通過充入的惰性氣體將其置換出來(lái)，攪拌三小時(shí)后停止攪拌，在高純惰性氣 體環(huán)境下定向冷卻。本實(shí)施例中的一種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備使用的最大功率為50KW，經(jīng)過提純 后，硅中磷含量可降至0. 4pmm，符合太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
權(quán)利要求
一種物理除磷制備多晶硅的方法，其特征在于，利用硅液良好的流動(dòng)特性，將裝有金屬硅的坩堝安裝在密閉的高溫精煉爐中，在一定的爐內(nèi)壓力下，加熱熔化至液體狀態(tài)，利用配套使用的除磷制備多晶硅的設(shè)備使硅液形成內(nèi)流動(dòng)，同時(shí)持續(xù)改變硅液表面擴(kuò)散面積，使硅液內(nèi)部的磷不斷通過硅液表面持續(xù)氣化蒸發(fā)，并將氣化的磷不斷置換出來(lái)。使磷的含量降低到0.7PPm以下，符合太陽(yáng)能級(jí)多晶硅要求；其具體步驟如下1)選用優(yōu)質(zhì)金屬硅(P含量要求低于3ppm)，其粒度要求在1～3厘米，并用去離子水洗凈烘干，將金屬硅均勻裝放于坩堝內(nèi)，并將裝好料的坩堝安裝在高溫精煉爐中；2)將坩堝緩慢升溫加熱至硅全熔化狀態(tài)，維持溫度至1450～1550度，開啟投入爐內(nèi)環(huán)境氣體置換系統(tǒng)并維持爐內(nèi)壓力在設(shè)定在1000～3000帕的負(fù)壓狀態(tài)下；3)下降配套使用的除磷制備多晶硅的設(shè)備至硅液內(nèi)，由于硅液流動(dòng)性能良好，除磷制備多晶硅的設(shè)備在攪拌時(shí)，硅液通過托盤微孔形成硅液內(nèi)部相對(duì)流動(dòng)，同時(shí)使硅液表面形成波紋，使硅液內(nèi)部的磷不斷蒸發(fā)氣化，并不斷地置換出爐內(nèi)環(huán)境氣體，使磷不斷地被置換出來(lái)，維持此狀態(tài)運(yùn)行三小時(shí)后停止攪拌，在高純惰性氣體環(huán)境下定向冷卻，完成除磷工作。
2.—種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備，其特征在于，由攪拌桿、升降桿、攪拌托盤、驅(qū)動(dòng)裝 置和坩堝組成，所述升降桿連接爐蓋；所述攪拌托盤為圓形或方形直接連接驅(qū)動(dòng)裝置，托盤 面上分布多個(gè)1 2mm微孔；所述攪拌桿連接爐蓋，并能在爐蓋上上下移動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備，其特征在于，攪拌托盤上 部連接攪拌桿，使攪拌托盤懸在坩堝中間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種物理除磷制備多晶硅的設(shè)備，其特征在于，所述攪拌桿 通過連接絲口與升降桿連接。
全文摘要
一種物理除磷制備多晶硅的方法及設(shè)備，公布了一種使用物理方法降低冶金級(jí)硅中磷含量的方法和設(shè)備。該方法主要利用磷的物理特性，經(jīng)過將冶金級(jí)硅在特定的環(huán)境下將磷去除，使其達(dá)到太陽(yáng)能級(jí)硅的要求，同時(shí)設(shè)計(jì)出了一種帶微孔攪拌托盤的與上述方法配套使用的設(shè)備。本發(fā)明過程簡(jiǎn)單，效率高，且節(jié)能環(huán)保，適合推廣使用。
文檔編號(hào)C01B33/037GK101948113SQ20101028654
公開日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月19日
發(fā)明者李勝路, 蘇文華 申請(qǐng)人:江西盛豐新能源科技有限公司