[发明专利]一种高纯硅衬底下电子束熔炼提纯多晶硅的方法及设备

说明书

技术领域

本发明属于用物理冶金技术提纯多晶硅的技术领域，特别涉及一种高纯硅衬底作用下进行电子束熔炼提纯多晶硅，去除多晶硅中的杂质磷的方法；另外本发明还涉及其设备。

背景技术

太阳能电池可以将太阳能转化为电能，在常规能源紧缺的今天，太阳能具有巨大的应用价值。太阳能级多晶硅材料是制备太阳能电池片的重要原材料之一。目前，世界范围内制备太阳能电池用多晶硅材料已形成规模化生产，主要技术路线有：

（1）改良西门子法：西门子法是以盐酸（或氢气、氯气）和冶金级工业硅为原料，由三氯氢硅，进行氢还原的工艺。现在国外较成熟的技术是西门子法，并且已经形成产业。该法已发展至第三代，现在正在向第四代改进。第一代西门子法为非闭合式，即反应的副产物氢气和三氯氢硅，造成了很大的资源浪费。现在广泛应用的第三代改良西门子工艺实现了完全闭环生产，氢气、三氯氢硅硅烷和盐酸均被循环利用，规模也在1000吨每年以上。但其综合电耗高达170kw·h/kg，并且生产呈间断性，无法在Si的生产上形成连续作业。

（2）硅烷法：是以氟硅酸（H₂SiF₆）、钠、铝、氢气为主要原材料制取硅烷（SiH₄），然后通过热分解生产多晶硅的工艺。该法基于化学工艺，能耗较大，与西门子方法相比无明显优势。

（3）流态化床法：是以SiCl₄（或SiF₄）和冶金级硅为原料，生产多晶硅的工艺。粒状多晶硅工艺法是流态化床工艺路线中典型的一种。但是该工艺的技术路线正在调试阶段。

（4）冶金法：以定向凝固等工艺手段，去除金属杂质；采用等离子束熔炼方式去除硼；采用电子束熔炼方式去除磷、碳，从而得到生产成本低廉的太阳能级多晶硅。这种方法能耗小，单位产量的能耗不到西门子法的一半，现在日本、美国、挪威等多个国家从事冶金法的研发，其中以日本JFE的工艺最为成熟，已经投入了产业化生产。

在众多制备硅材料的方法中，已经可以投入产业化生产的只有改良西门子法、硅烷法、冶金法。但改良西门子法和硅烷法的设备投资大、成本高、污染严重、工艺复杂，不利于太阳能电池的普及性应用，相比而言冶金法具有生产周期短、污染小、成本低的特点，是各国竞相研发的重点。电子束熔炼是冶金法提纯多晶硅的重要方法之一，它可以有效降低多晶硅中的杂质磷，但是目前电子束熔炼提纯多晶硅过程中，熔炼坩埚一般直接使用水冷坩埚，直接使用水冷坩埚不仅能量损失严重，能耗大，成本高，而且容易造成外来杂质的污染，使得多晶硅的纯度降低。

发明内容

本发明克服上述不足问题，提供一种高纯硅衬底下电子束熔炼提纯多晶硅的方法，先利用电子束熔炼在水冷坩埚内部形成一层高纯硅衬底，然后在此高纯硅衬底之上熔炼提纯多晶硅，减少能耗，避免坩埚的污染，有效提高多晶硅的纯度。本发明的另一目的是提供一种高纯硅衬底下电子束熔炼提纯多晶硅的设备，结构简单，操作方便，提纯效果好。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高纯硅衬底下电子束熔炼提纯多晶硅的方法，具体工艺是：

第一步备料及预处理：首先在水冷坩埚中装满高纯硅料，关闭炉门后，抽取真空室真空至0.002Pa以下；

第二步形成高纯硅衬底：然后开启电子束束流为200-500mA完全熔化高纯硅料，缓慢降低束流为零，即在水冷坩埚中形成高纯多晶硅锭，调节电子束束斑位于水冷坩埚中心位置，此后开启电子束束流为150-300mA熔化高纯多晶硅锭，2-5min后形成一层高纯硅衬底；

第三步熔炼提纯：最后开启加料装置，高磷硅料连续缓慢落入熔池中，此时加大束流至300-700mA，同时调节电子束束斑位置，使其右侧在熔池中熔炼，其左侧用于熔化下落中和刚落入熔池的高磷硅料，高磷硅料熔化后形成高磷硅液，高磷硅液熔炼后杂质磷得到去除，此后从导流口流入坩埚之中，得到低磷硅液，凝固后得到低磷的多晶硅锭。

所述第一步备料及预处理：分别采用机械泵、罗茨泵和扩散泵对设备抽取真空，将真空室抽到高真空0.002Pa以下；向水冷支撑杆、水冷坩埚及水冷支撑底座中通入冷却水，使其温度维持在30-45℃；给电子枪预热，设置高压为30-32kV，高压稳定5-10分钟后，关闭高压，设置电子枪束流为100-200mA进行预热，预热10-15分钟后，关闭电子枪束流。

所述高磷硅料为碎块料或粉料。