[发明专利]真空感应熔炼去除硅粉中磷及金属杂质的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于冶金法提纯多晶硅的技术领域，特别涉及真空感应熔炼去除硅粉中磷及金属杂质的方法，另外还涉及其设备。

背景技术

全球能源危机使得能源利用显得日趋紧迫，太阳能作为一种绿色环保、可再生的清洁型能源在能源结构中将占据重要的地位，成为未来发展的能源保障。太阳能级多晶硅材料是太阳能利用的重要材料，但是，为确保光电转换效率，对太阳能级硅的纯度要求很高，对其中杂质含量的要求要低于0.1ppm。

目前，生产太阳能级多晶硅的途径主要有两类，一是通过化学方法来生产多晶硅；二是通过冶金法来生产多晶硅。

化学法：根据中间化合物的不同，成熟的生产工艺主要有改良西门子法、硅烷法、流化床反应法。目前以化学方法生产多晶硅工艺主要有以四氯化硅为原料的锌还原、钠还原和氢还原，以三氯氢硅为原料的氢还原、硅烷热分解法和粒状多晶硅法，以二氯二氢硅为原料的氢还原法的氯化提纯技术。

1）、改良西门子法：改良西门子法是以C1₂、H₂、冶金级工业硅为原料，在高温下合成SiHCl₃。反应产物除SiHC1₃外，还有附加产物如SiCl₄、SiH₂Cl₂等，需要进行粗馏和多级精馏，使其纯度达到9N以上，最后高纯SiHC1₃与高纯氢气通还原炉中，发生还原反应，采用化学气相沉积方法使生成的高纯硅沉积在还原炉中加热到1100℃的硅芯上。改良西门子法应用很广，得到的多晶硅纯度也很好，比较安全，沉积速率比较高，但是沉积温度高达1100℃，能耗很高，需要建立完整的回收装置，投资很大，这导致西门子法生产多晶硅成本较高。目前，世界上约有74%的高纯多晶硅是由改良西门子方法生产的。

2）、硅烷法：硅烷法以氢硅酸、钠、铝、氢气为主要原料制取高纯硅烷，再将硅烷热分解生成多晶硅，用硅烷作为中间化合物有特别的优点，首先是硅烷易于提纯，硅中的金属杂质在硅烷的制备过程中，不易形成挥发性的金属氢化物气体，硅烷一旦形成，其剩余的主要杂质仅仅是B和P等非金属，相对容易去除；其次是硅烷可以热分解直接生成多晶硅，不需要还原反应，而且分解温度相对较低。但是，硅烷法制备的多晶硅虽然质量好，综合生产成本却很高。

3）、流化床反应法：该方法利用金属硅和氯气发生反应，生成中间化合物四氯化硅，同样采用精馏技术，对四氯化硅提纯，然后再利用高纯氢气在 1100-1200℃还原生成多晶硅。流化床反应法是早期最常用的技术，但是材料利用率低，能耗大，现在已很少用。

西门子法是电子多晶硅生产的成熟技术，需要复杂的制造设备和严密精确的工艺管理，耗能很大，污染大，价格高。现有的多晶硅生产厂商，一般采用西门子法提高生长速度30%左右的生产工艺来生产太阳能级多晶硅，既能满足太阳电池的品质要求，又能提高生产效率、降低成本，但这只是满足太阳能级多晶硅需求的应急措施。国际上的普遍共识是，因为生产成本高和不必要的纯度，西门子法并不适合太阳能级多晶硅的生产。现在各国的多晶硅制造商和研究者都在研究廉价生产太阳能级多晶硅的新工艺。

物理冶金法：近年来，国内外许多学者都在研究采用冶金手段提纯制备太阳能级多晶硅。冶金法是指采用冶金手段(如真空熔炼、造渣、定向凝固、等离子体熔炼、电子束熔炼、湿法冶金等)提纯工业硅，以得到太阳能级硅的一种制备方法。与西门子法相比，冶金法具有能耗小、投资低、污染小、生产周期短、安全可靠等特点。但目前的技术中公开内容有限，而且还没有利用感应熔炼硅粉来达到提纯多晶硅的目的。

发明内容

本发明的目的是克服上述不足问题，提供一种真空感应熔炼去除硅粉中磷及金属杂质的方法，属于冶金法，同时利用真空熔炼和定向凝固技术去除多晶硅中的磷及金属杂质，以达到提纯的目的。另外本发明还提供一种真空感应熔炼去除硅粉中磷及金属杂质的设备，其结构简单，易于操作，生产效率高。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种真空感应熔炼去除硅粉中磷及金属杂质的方法，首先，在高真空状态下，利用感应加热方式熔炼硅粉，去除多晶硅中的磷杂质，然后进行拉锭，利用定向凝固技术将硅粉中的金属杂质去除。

所述真空感应熔炼去除硅粉中磷及金属杂质的方法，其步骤如下：

第一步备料：将少量高纯多晶硅料放入石英坩埚中，作为熔炼的底料；将多晶硅粉料装入料斗中，装料位置不得超过料斗上的通气孔，然后将密封盖盖上；