[发明专利]一种从工业硅中去除硼杂质的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提纯硅材料的方法，尤其是去除工业硅所含的硼杂质的方法。

背景技术

目前，硅的提纯方法有两大类，既化学法提纯和物理法提纯。化学法提纯，比如西门子法，改良西门子法和硅烷法，可以达到较高的纯度，包括电子级的纯度。然而，用化学法提纯的成本高，耗电量大而且给环境带来威胁（含有四氯化硅等气体的尾气排放）。用物理法提纯能达到的纯度比化学法低，由于去除工业硅中的硼杂质的困难，目前只能达到接近太阳能级的纯度，然而此方法的成本和耗电量普遍上比化学法低，因此许多单位都在投入大量人力、物力及财力研究和使用物理法提纯硅材料。

 

用物理法提纯硅材料所面临的主要技术难关是如何高效率的、低成本的和稳定的去除硅材料里的硼。硼是三价元素，由于化学元素周期表中的“对角线”原则，它同硅的许多物理、化学性质都十分相同，甚至它的化合物同硅的化合物性质也十分接近。这就使得硅、硼的分离十分困难。物理法提纯硅材料的现有技术有三大类：造渣法，吹气法和湿法等离子体火焰熔炼。吹气法和湿法等离子体火焰熔炼的材料损耗大、成本高，硅里的硼含量一般只能降到0.7ppm左右;造渣法的工艺要求相对比较简单，缺点是效率低，为了要达到好的效果，有时需要多次造渣，大大提高了成本，也降低效率。人们常用提纯前的硼含量与提纯后的硼含量的比值作为提纯效率的参数来衡量，一般的一次性造渣的比值为2~5之间。如果不能找到一次造渣的比值大于10的方法，造渣的经济性是非常差的。因此为了实现低成本高效率的硅材料提纯，必须研究出具有高除硼效率的造渣方法。本发明提出了一种通过提高硅和渣的有效接触面积而提高除硼效率的方法。用此方法，以上比值的数值可以大于10。以上方法，再结合本发明者最近发展的强辐射催化方法，可以实现最大效率和最快的去硼过程。

 

目前主流使用的渣剂组成包括但不限于Al₂O₃,SiO₂,CaF₂，MgO和BaO。参考文献：[美国专利，专利号：5788945；日本专利，公开号：56-32319]。提高硅与渣熔体的接触面积是提高造渣法效率的主要途径，为此，现有技术所使用的提高渣剂体系的除硼效率的方法有：（1）搅拌硅和渣的熔体，（2）往硅和渣的熔体注入气体以产生搅拌作用，（3）使用密度比硅低的渣剂以使硅的熔体能够靠重力穿过渣熔体以增加接触面积。然而，无论采用什么方法，由于硅熔体的表面张力大的关系，硅的熔体和渣的熔体不易亲近，因此以上3种提高硅和渣熔体的接触面积的方法的效果仍然受到了限制。另一种方法是加入助熔剂，比如CaF₂，以增加渣济的流动性进而增加有效接触面积；但是助溶剂实际上会降低硅和渣剂的共熔体的温度，反而降低了硼的去除效率。如何最有效地使用助熔剂提高去硼效率目前在工业中仍是一个处于实验中的方法。

 

本发明提出了一种新的能够提高渣剂的除硼效率的方法，一种在不降低共熔体温度的情况下，显著提高硅熔体和渣熔熔体的接触面积的方法。这个方案的关键在于熔化前使用固体膨化的方法，经过硼化的硅粉与渣剂的混合物中，在微观的范围内固体硅颗粒的周围制造出许多均匀的空隙，这些经膨化所产生的空隙可被粉状的渣剂填充，或者将这种膨体进行高压成形，可以让固体的渣剂填充大部分这样的空隙，从而当将这样的混合体使用各种方法熔化时，固体硅在熔化的瞬间，熔硅可以非常充分地和渣剂接触以去除硼，然后细粒的熔硅再相互结合，以此提高除硼效率和缩短提纯的时间。

  

发明内容

本发明提出一种通过膨化作用从工业硅中去除硼杂质的方法，其特征包括以下步骤：

(1). 将工业硅破碎成粉状，然后经过强力磁选机去除铁磁性杂质，并进一步通过酸洗以去除表层的金属杂质；

(2). 将步骤(1)处理过的硅粉用净水清洗，去除残酸，然后烘干；

(3). 将步骤(2)处理过的硅粉，与粉状的SiO₂和碱性金属化合物混合，然后均匀搅拌；

(4). 在步骤(3)制备的硅、SiO₂和碱性金属化合物的混合物里添加膨化促进剂，使所述的混合物膨化，混合物里面的物质疏松，混合物的体积增加, 固体硅颗粒均匀地分布在粉状的渣剂中，混合物里各种物质的颗粒之间的空隙增加；