[发明专利]壳熔法多晶硅提纯装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及多晶硅的提纯技术，特别涉及一种采用壳熔技术制造太阳能级6N多晶硅的装置及其制造方法。

技术背景

目前，在世界各国提出新能源政策中，太阳能发电都占有重要的地位。其最基本的材料就是高纯度的太阳能级多晶硅。太阳能级多晶硅的质量和成本决定着这个行业的发展前景。现在世界上大多数生产厂家都是采用改良西门子法生产电子级多晶硅，主要供应IC产业使用，同时小部分供给光伏产业。生产成本较高，纯度(9N-10N)也远高于太阳能级硅(6N-7N)发电的实际需要，是一种浪费。事实上，2008年6月，苏州阿斯特公司(CSI)已经公开宣布：用100％纯度较低(5N)的多晶硅(UMG)已生产出了商用光电转换效率为13.3％的太阳能电池。2009年初，德国瓦克公司则已估计全球多晶硅来源的构成中，这种纯度较低的多晶硅(UMG硅)将会占到17％。因此，多年以来，人们一直在寻找一种低成本生产适合太阳能发电需要的多晶硅新方法已经看到了成功的希望。

最早如日本川崎制铁株式会社的中国专利ZL 96198989.0(公开日：1999年1月6日)，公开了一种以低纯度工业硅(2N)为起始原料，通过电子束真空熔炼，等离子体氧化精炼和定向凝固一系列工艺，生产出太阳能级多晶硅。但工艺繁多，设备昂贵，成本还是很高。

昆明理工大学的中国专利ZL 200610010654.8(公开日：2006年7月19日)和大连理工大学的中国专利CN 200610046525.4(公开日：2006年12月6日)分别对上述发明作了改进，以简化工艺和提高效率；法国的C.Alemany等人(C.Alemany et al.Solar Energy Materials & Solar Cells，72(2002)41-48)则对感应等离子体气氛纯化多晶硅做了更深入的研究，他们的实验结果表明采用含氢和氧的氩等离子体气氛可以使硅中B、P、C及其它杂质的含量大大降低。

中国的北京航空航天大学的中国专利CN 200710175384.0(公开日2008年7月16日)则公开了一种改进的装置，可以将真空熔炼，电子束熔炼，等离子体熔炼和定向凝固整合在一台设备中顺次完成，简化了工艺流程。

但以上专利技术中大多数采用了与熔体成分不完全相同的坩埚材料，在高温和等离子体活性气氛下难免会产生新的污染，而且如石英坩埚也限制了硅熔体的温度不能超过石英的软化点(应低于1600℃)。另外电子束和等离子体只能作用在熔体表面，因而通常采用的电阻加热或石墨感应加热的条件下，熔炼的效果并不是很好。

最近，也有人提出了采用高频电磁场使硅熔体悬浮起来提纯以避免坩埚污染的方案，如上海太阳能工程技术研究中心有限公司的中国专利CN200710045392.3(公开日2009年3月4日)，但要使硅熔体悬浮起来熔炼必然大大限制熔体的体积或质量。

发明内容

为了解决现有技术采用非硅材料坩埚带来二次污染问题，本发明的目的是提供一种制造太阳能级多晶硅的装置，采用壳熔技术，用高纯或太阳能级高纯硅的熔壳作为盛装硅熔体的坩埚，消除早先技术中坩埚材料对高温硅熔体的污染问题。采用壳熔技术，还可以将硅熔体的温度提高到2000-2500℃，甚至更高，从而加快除杂化学反应速率和杂质挥发速率，大大提高提纯的效率。

为了解决现有技术采用石墨电阻或石墨感应加热方式时硅熔体液流速度比较慢，因此主要依靠表面挥发和反应的高温真空熔炼和等离子体气氛精炼的除杂速率也比较慢的问题，本发明的另一个目的就是提供一种技术手段，利用超高频电磁场对硅熔体的强力电磁搅拌作用，使硅熔体各部分通过对流裸露于表面的速率大幅度地提高，从而大大强化主要依赖于表面反应和挥发的高温真空熔炼和等离子体气氛精炼的除杂速率。

由于壳熔技术的发展，现在壳熔技术一次精炼材料的重量已经可以达到几百公斤、甚至上千公斤，因此本发明的再一个目的是提供一种工业规模制造太阳能级多晶硅的方法。利用本发明的原理，适当改进工艺，可以一次性地提纯几百、上千公斤的硅材料，甚至可以连续提纯。

为了解决现有多晶硅物理提纯技术需多次熔化和凝固的问题，本发明还有一个目的是在同一台设备中用壳熔技术分阶段地实现高温真空熔炼除杂，等离子体气氛精炼除杂，和定向凝固除杂，高效低成本地生产出符合要求的太阳能级多晶硅。