[发明专利]一种高纯多晶硅的生产方法及生产装备

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯多晶硅的生产方法以及利用该生产方法生 产高纯多晶硅的生产装备。

背景技术

矿物能源是不可再生能源，而且由于矿物能源使用中产生大量的 二氧化碳导致地球温室效应的增加，矿物能源的不断减少和使用给人 类的生存环境造成越来越大的压力。太阳能作为绿色能源，已经引起 人们的重视。太阳能光伏发电最早是作为卫星电源而发明的技术，其 中光伏转换的关键技术材料就是金属硅，随着光伏转换材料及技术的 突破，太阳能光伏转换技术实现民用化，对高纯金属硅需求也不断扩 大，同时人们正在寻求满足太阳能光伏转换的关键材料多晶硅的工业 化解决方案，希望能够实现安全、环保、低成本、低能耗、高效率、 规模化生产高纯硅，以降低光伏发电的成本。

现有技术生产太阳能级高纯硅的主要方法有三氯氢硅还原法、硅 烷热分解法、冶金法。

三氯氢硅还原法也称西门子法，是将工业还原硅与HCl气体合成 制备三氯氢硅，然后利用氯化物的低气化点的特性，进行气化分馏提 纯，获得高纯三氯氢硅，三氯氢硅在氢还原炉内与氢反应生成气相沉 积硅和HCl气体。该方法生产流程包括硅石还原、硅料预处理、三氯 氢硅合成、三氯氢硅蒸馏提纯、氢还原、硅铸锭或定向生长成多晶硅 或单晶硅。三氯氢硅还原法是目前电子级高纯多晶硅的唯一生产方 法，也是目前太阳能级多晶硅的主要生产方法。但是该方法生产流程 长、工艺复杂、控制难度大，生产中大量强腐蚀性和毒性HCl气体对 装备要求极高，对环境影响大；另外由于生产中的关键环节-氢还原 三氯氢硅反应转化效率低、反应速度慢。这些因素导致该方法生产效 率低、装备成本投入大、生产危险性高，产品成本高。

硅烷热分解法与西门子法有类似之处，不同是它采用四氯化硅氢 化法、硅合金分解法、氢化物还原法以及硅直接氢化等方法制备硅烷 (SiH4)，对硅烷进行提纯，提纯后的硅烷进行热分解生成硅和氢气。 该方法的优点是生产效率高、电耗低、成本低、适合大规模生产。但 是该方法的存在安全性差、易发生爆炸，而且产品的纯度不高。该方 法目前也在太阳能级高纯硅生产中应用。

冶金法生产太阳能级高纯硅是目前努力开展研究和产业化的方 法，它具有生产安全性好、环境友好、生产流程短、生产效率高、设 备投资小、易于实现规模生产等优点。但目前能够获得满足太阳能光 伏转换要求的太阳能级高纯硅还不多，它主要受制于原料的来源。现 有冶金法工艺技术对原料的要求较高，原料主要来自于半导体行业电 子级高纯硅的加工切余料。由于这部分原料数量有限，不能满足太阳 能行业对太阳能级高纯多晶硅的数量要求。采用冶金法从普通还原硅 制备太阳能级高纯硅在成本、规模上是满足太阳能级高纯多晶硅数量 要求最佳方案。冶金法比较有代表性的技术解决方案有日本JFE公司 的电子束和等离子精炼技术、挪威Elkem Sinle公司的火法精炼、湿 法酸浸除杂技术。这些方法的实施规模小，成本高，还不能解决规模 化、连续化生产的问题。

国内在冶金法制备太阳能级高纯硅方面开展了不少研究工作，并 形成了部分专利技术。如中国专利申请号200610010654.8，公开了“一 种制备太阳能级多晶硅的方法”。该方法以冶金级硅为原料，破碎后 分别采用盐酸、硝酸和氢氟酸进行酸浸处理，需要用大量的蒸馏水洗 去硅粉中残留的酸。酸浸处理后的硅粉在一台真空炉分两个阶段进行 真空精炼，第一阶段是真空氧化精炼，通过感应加热装置将硅料熔化， 然后通入含水蒸汽的氩气对熔融硅进行氧化精炼。我们知道氩气为惰 性气体，水为中性，两种气体都不具备氧化性，所以氧化精炼强度非 常弱。第二阶段为真空蒸馏精炼和真空脱气。真空精炼完成后对熔体 进行定向凝固处理。该专利中采用感应加热的方式，由于感应加热技 术条件的限制，目前感应加热的功率和炉容量都十分有限，特别是对 于电阻率较高的硅加热，电磁直接感应效率很低。因此该专利还存在 容量规模小和一些技术缺陷，对工业化规模生产应用还有距离。