一種用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及在多晶硅定向凝固提純中用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備及利用此設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，屬于金屬雜質(zhì)分離技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]定向凝固提純是去除多晶硅中金屬雜質(zhì)的主要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于多晶硅鑄錠、冶金法提純過程中。
[0003]定向凝固提純利用的是雜質(zhì)在固液界面處的分凝行為:定向凝固過程中，由于雜質(zhì)元素在固相和液相中的溶解度不同，在硅熔體的固液界面會(huì)發(fā)生溶質(zhì)的重新分配，重新分配的程度由分凝系數(shù)和凝固速率來決定。金屬雜質(zhì)的分凝系數(shù)k0〈〈l，會(huì)不斷地向液態(tài)硅中富集，初始凝固的區(qū)域雜質(zhì)含量低，最后凝固區(qū)域雜質(zhì)含量最高。定向凝固可以使工業(yè)硅中的金屬雜質(zhì)含量降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，工業(yè)生產(chǎn)中將最后凝固的部分切除進(jìn)而達(dá)到提純的目的。
[0004]從提純角度而言，在定向凝固過程中金屬雜質(zhì)并沒有減少，而是完成了雜質(zhì)的再分布，因此根據(jù)提純目標(biāo)值的不同，硅錠存在一定的出成比例(達(dá)到純度要求的部分占整個(gè)鑄錠中的比例，生產(chǎn)中叫良率，在本發(fā)明中的高金屬雜質(zhì)區(qū)是指硅錠中未達(dá)到出成要求的部分)。實(shí)際良率往往低于理論良率，主要是因?yàn)楣桢V中最后凝固區(qū)域與先凝固區(qū)域雜質(zhì)鐵的濃度差很大，在1400°C的高溫下會(huì)發(fā)生反擴(kuò)散，鐵原子將從最后凝固的區(qū)域向濃度低的中部區(qū)域擴(kuò)散，造成了良率的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決現(xiàn)有多晶硅定向凝固提純技術(shù)中鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)因金屬元素的反擴(kuò)散導(dǎo)致實(shí)際良率降低的問題，本發(fā)明提供一種分離高金屬雜質(zhì)區(qū)域的設(shè)備及利用此設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，抑制金屬雜質(zhì)的反擴(kuò)散行為，提高實(shí)際良率。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]首先，本發(fā)明提供一種用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備，所述設(shè)備包括氬氣通入口(1)、隔熱籠(2)、石墨加熱器(3)和石英坩禍(5)，所述隔熱籠(2)、石墨加熱器(3)和石英坩禍(5)均一面開口，所述隔熱籠(2)和石墨加熱器(3)開口向下扣于石英坩禍(5)上，所述石英坩禍(5)開口向上，其內(nèi)壁涂覆有Si3N4層(4)，所述Si3N4層(4)的涂覆高度根據(jù)待分離鑄錠的理論良率確定，預(yù)留出待去除的高金屬雜質(zhì)區(qū)。
[0008]本發(fā)明的另一技術(shù)目的在于提供利用上述設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，包括以下步驟:
[0009]①將硅料裝入石英坩禍(8)中，關(guān)閉設(shè)備倉門，抽真空至0.SPa以下，開啟石墨加熱器(3)，加熱硅料至1175°C，保持I?2h，使硅料溫度與石墨加熱器(3)溫度相同且排出其中的水分和油脂，繼續(xù)提高石墨加熱器(3)功率，使硅料溫度達(dá)到1540°C，待硅料完全熔化；
[0010]②將隔熱籠以0.5?2cm/h的速度向上提拉，使硅料內(nèi)部形成自下而上的溫度梯度，開始長晶，待長晶至Si3N4涂層的高度時(shí)，通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至3X10 4Pa?6 X 14Pa,娃恪體從上表面開始自上而下反向凝固；
[0011]③雙面長晶結(jié)束后，進(jìn)入退火階段，保持退火溫度1330?1370°C，退火時(shí)間為L 5 ?3h ;
[0012]④退火之后進(jìn)入冷卻階段，再次通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至SXlO4Pa?9 X 14Pa,冷卻；
[0013]⑤出爐脫錠:硅錠的定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)出現(xiàn)斷裂面，在去除石英坩禍的同時(shí)，可將高金屬雜質(zhì)區(qū)一并去除。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0015](I)本發(fā)明通過在鑄錠設(shè)備坩禍頂部預(yù)留出一定的區(qū)域，該區(qū)域不噴覆Si3N4涂層，控制硅錠的生長方式和速率，使硅錠生長至為涂覆Si3N4涂層的區(qū)域時(shí)，通過充入一定量的氬氣，使硅錠頂部高金屬雜質(zhì)區(qū)反向凝固，在定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)形成裂紋，極易脫離開，并且反向凝固的區(qū)域由于未噴覆Si3N4涂層，硅錠與石英坩禍發(fā)生粘連，在取出硅錠后，破碎外表面石英坩禍的同時(shí)，可將硅錠中高金屬雜質(zhì)的區(qū)域一并去除。
[0016](2)每次噴覆Si3N4涂層的時(shí)候都會(huì)預(yù)留出一定的區(qū)域，這樣會(huì)節(jié)省約5%的Si 3N4的用量，經(jīng)檢測(cè)，采用本發(fā)明的設(shè)備進(jìn)行鑄錠分離，硅錠利用率或?qū)嶋H良率為88%?91%。
【附圖說明】
[0017]圖1.實(shí)施例1的用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備；
[0018]其中，1.氬氣通入口，2.隔熱籠，3.石墨加熱器，4.Si3N4層，5.石英坩禍，6.DS塊，7.羅茨泵，8.機(jī)械泵，9.放氣閥。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
[0020]實(shí)施例1
[0021]一種用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備，包括氬氣通入口 1、隔熱籠2、石墨加熱器3和石英坩禍5，所述隔熱籠2、石墨加熱器3和石英坩禍5均一面開口，所述隔熱籠2和石墨加熱器3開口向下扣于石英坩禍5上，所述石英坩禍5開口向上，內(nèi)壁涂覆有Si3N4層4，所述Si3N4層4根據(jù)分離鑄錠的理論良率確定。所述設(shè)備在石英坩禍5底部還設(shè)置DS塊，用于熱交換，所述設(shè)備還設(shè)置有放氣閥9，連接羅茨泵7和機(jī)械泵8。
[0022]實(shí)施例2
[0023]利用實(shí)施例1所述的設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，包括以下步驟:
[0024]將硅料裝入石英坩禍8中，關(guān)閉設(shè)備倉門，開動(dòng)羅茨泵7和.機(jī)械泵8抽真空至0.2Pa，開啟石墨加熱器3，加熱硅料至1175°C，保持1.5h，使硅料溫度與石墨加熱器3溫度相同且排出其中的水分和油脂，繼續(xù)提高石墨加熱器3功率，使硅料溫度達(dá)到1540°C，且保持2h使硅料完全熔化；
[0025]②將隔熱籠2以0.5?2cm/h的速度向上提拉，使硅料內(nèi)部形成自下而上的溫度梯度，開始長晶，待長晶至Si3N4涂層4的高度時(shí)，通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至3 X 10 4Pa?6 X 14Pa,娃恪體從上表面開始自上而下反向凝固；
[0026]③雙面長晶結(jié)束后，進(jìn)入退火階段，保持退火溫度1330°C，退火時(shí)間為3h ;
[0027]④退火之后進(jìn)入冷卻階段，再次通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至8 X 14Pa,冷卻；
[0028]⑤出爐脫錠:硅錠的定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)出現(xiàn)斷裂面，在去除石英坩禍的同時(shí)，可將高金屬雜質(zhì)區(qū)一并去除。
[0029]經(jīng)檢測(cè)，硅錠利用率或?qū)嶋H良率為88%。
[0030]實(shí)施例3
[0031]利用實(shí)施例1所述的設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，包括以下步驟:
[0032]將硅料裝入石英坩禍8中，關(guān)閉設(shè)備倉門，開動(dòng)羅茨泵7和.機(jī)械泵8抽真空至0.5Pa，開啟石墨加熱器3，加熱硅料至1175°C，保持1.5h，使硅料溫度與石墨加熱器3溫度相同且排出其中的水分和油脂，繼續(xù)提高石墨加熱器3功率，使硅料溫度達(dá)到1540°C，且保持3h使硅料完全熔化；
[0033]②將隔熱籠2以0.5?2cm/h的速度向上提拉，使硅料內(nèi)部形成自下而上的溫度梯度，開始長晶，待長晶至Si3N4涂層4的高度時(shí)，通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至3 X 10 4Pa?6 X 14Pa,娃恪體從上表面開始自上而下反向凝固；
[0034]③雙面長晶結(jié)束后，進(jìn)入退火階段，保持退火溫度1350°C，退火時(shí)間為2.Sh ;
[0035]④退火之后進(jìn)入冷卻階段，再次通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至8.5 X 14Pa,冷卻；
[0036]⑤出爐脫錠:硅錠的定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)出現(xiàn)斷裂面，在去除石英坩禍的同時(shí)，可將高金屬雜質(zhì)區(qū)一并去除。
[0037]經(jīng)檢測(cè)，娃錠利用率或?qū)嶋H良率為90%。
[0038]實(shí)施例4
[0039]利用實(shí)施例1所述的設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，包括以下步驟:
[0040]將硅料裝入石英坩禍8中，關(guān)閉設(shè)備倉門，開動(dòng)羅茨泵7和.機(jī)械泵8抽真空至0.8Pa，開啟石墨加熱器3，加熱硅料至1175°C，保持1.5h，使硅料溫度與石墨加熱器3溫度相同且排出其中的水分和油脂，繼續(xù)提高石墨加熱器3功率，使硅料溫度達(dá)到1540°C，且保持4h使硅料完全熔化；
[0041]②將隔熱籠2以0.5?2cm/h的速度向上提拉，使硅料內(nèi)部形成自下而上的溫度梯度，開始長晶，待長晶至Si3N4涂層4的高度時(shí)，通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至3 X 10 4Pa?6 X 14Pa,娃恪體從上表面開始自上而下反向凝固；
[0042]③雙面長晶結(jié)束后，進(jìn)入退火階段，保持退火溫度1370°C，退火時(shí)間為1.5h ;
[0043]④退火之后進(jìn)入冷卻階段，再次通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至9 X 14Pa,冷卻；
[0044]⑤出爐脫錠:硅錠的定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)出現(xiàn)斷裂面，在去除石英坩禍的同時(shí)，可將高金屬雜質(zhì)區(qū)一并去除。
[0045]經(jīng)檢測(cè)，娃錠利用率或?qū)嶋H良率為91 %。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備，其特征在于:所述設(shè)備包括氬氣通入口(I)、隔熱籠(2)、石墨加熱器(3)和石英坩禍(5)，所述隔熱籠(2)、石墨加熱器(3)和石英坩禍(5)均一面開口，所述隔熱籠(2)和石墨加熱器(3)開口向下扣于石英坩禍(5)上，所述石英坩禍(5)開口向上，其內(nèi)壁涂覆有Si3N4層(4)，所述石英坩禍內(nèi)Si3N4層(4)的涂覆高度根據(jù)待分離鑄錠的理論良率確定，預(yù)留出待去除的高金屬雜質(zhì)區(qū)。
2.利用權(quán)利要求1所述的設(shè)備分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的方法，包括以下步驟: ①將硅料裝入石英坩禍(8)中，關(guān)閉設(shè)備倉門，抽真空至0.SPa以下，開啟石墨加熱器(3)，加熱硅料至1175°C，保持I?2h，使硅料溫度與石墨加熱器(3)溫度相同且排出其中的水分和油脂，繼續(xù)提高石墨加熱器(3)功率，使硅料溫度達(dá)到1540°C，待硅料完全熔化； ②將隔熱籠(2)以0.5?2cm/h的速度向上提拉，使硅料內(nèi)部形成自下而上的溫度梯度，開始長晶，待長晶至Si3N4涂層(4)的高度時(shí)，通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至3X104Pa?.6 X 14Pa,娃恪體從上表面開始自上而下反向凝固； ③雙面長晶結(jié)束后，進(jìn)入退火階段，保持退火溫度1330?1370°C，退火時(shí)間為1.5?.3h ； ④退火之后進(jìn)入冷卻階段，再次通入氬氣，使?fàn)t內(nèi)真空度降至8X 14Pa?9 X 14Pa,冷卻； ⑤出爐脫錠:硅錠的定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)出現(xiàn)斷裂面，在去除石英坩禍的同時(shí)，可將高金屬雜質(zhì)區(qū)一并去除。
【專利摘要】一種用于鑄錠分離高金屬雜質(zhì)區(qū)的設(shè)備及其方法，通過在鑄錠設(shè)備坩堝頂部預(yù)留出一定的區(qū)域，該區(qū)域不噴覆Si3N4涂層，控制硅錠的生長方式和速率，使硅錠生長至為涂覆Si3N4涂層的區(qū)域時(shí)，通過充入一定量的氬氣，使硅錠頂部高金屬雜質(zhì)區(qū)反向凝固，在定向凝固與反向凝固的界面處會(huì)形成裂紋，極易脫離開，并且反向凝固的區(qū)域由于未噴覆Si3N4涂層，硅錠與石英坩堝發(fā)生粘連，在取出硅錠后，破碎外表面石英坩堝的同時(shí)，可將硅錠中高金屬雜質(zhì)的區(qū)域一并去除。去除方法簡單易行，且節(jié)省一定的Si3N4用量，硅錠利用率或?qū)嶋H良率為88％～91％。
【IPC分類】C01B33-037
【公開號(hào)】CN104528733
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410829852
【發(fā)明人】李鵬延, 譚毅, 李佳艷, 王登科, 薛冰
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月25日