[发明专利]一种电场下连续造渣提纯多晶硅的系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及高纯多晶硅的制备系统及方法，具体是指一种在电场作用下连续造渣制备高纯多晶硅的系统，以及用该系统制备高纯多晶硅的方法。

背景技术

冶金法作为一种制备太阳能级多晶硅的方法，以其成本低、污染少等优点近年来受到越来越多的关注。造渣精炼是冶金法中行之有效的除硼手段，在生产上广为使用，对去除Ca、Al、Ti等比硅更易氧化的金属也非常有效。通常造渣除杂是使熔融硅液与Na2O-CaO-SiO₂等渣相接触，利用杂质在渣相和硅液中的平衡分配，使杂质进入渣相，除杂效果的好坏主要取决于渣相对杂质的分配比（即杂质在渣相的含量与在硅液中的含量之比）。

金属硅（冶金硅）是制备太阳能级多晶硅的原材料，通常B的含有量在5～30ppmw，而要达到太阳能级要求B必须降到0.3ppmw或者更低，这就需要具有高分配比的渣相，然而到目前为止，各种渣系的分配比都比较低。如美国专利US5688945采用的CaO-SiO₂渣系对B的分配比是2；Tanahashi等人的研究（Tanahashi et al，Distribution behavior of Boron between SiO₂-saturated NaO_0.5-CaO-SiO₂ flux-molten silicon，Journal of the Mining and Materials，118[7](2002)497-505）表明Na₂O-CaO-SiO₂渣系的B分配比为3.5。为了使B降至满足太阳能级要求，通常工业上需要多次造渣，渣相与硅料的质量比往往达到1∶1甚至更高，同时随着硅液中B含量的降低，也对造渣剂自身的B含量提出了更苛刻的要求。

为了提高造渣的除杂效果，一些造渣结合吹气或真空的方法得到了应用，如日本专利JP2003-12317A公开了造渣同时在硅液中吹入稳定的氧化性气体的方法；美国专利US5972107和US68403利用氧气、氢气等把CaO、BaO、SiO₂、CaF₂吹入，同时还添加水蒸气。这些吹气技术的使用在一定程度上强化了造渣除杂效果，减少了造渣剂使用量，但高温下吹管的特殊性以及操作的复杂性使其在工业生产上难以实现。中国专利公开了一种在真空条件下造渣的方法，利用硼的化合物沸点低、易挥发的特点，以Na₂CO₃作为氧化剂、Na₂CO₃和SiO₂的混合物作为渣相，在1000Pa的真空条件下，重复造渣三次，能将B含量从12ppmw降至0.09ppmw，取得非常好的效果。该方法使用的高纯氧化剂的硼含量只有0.3ppmw，这对于工业用原材料来说要求甚高，并有三次从大气状态到真空环境的切换，在生产操作上相当繁琐。

造渣除杂效果差、造渣剂用量大的主要原因一方面是由于目前开发的造渣剂分配比还比较低，另一个根本的原因是杂质在硅液中均匀分布，只有在硅液与渣相界面的杂质才能有机会与渣相反应而溶入渣相。若是能改变杂质在硅液中的分布状态，使杂质向反应界面聚集，提高界面上杂质的浓度，即使在相同的分配比和造渣剂用量的情况下，也能够除去更多的杂质。电场作用可以使杂质在导电熔体中产生定向迁移，中国专利申请号201010177389.9公开了一种电迁移连续提纯多晶硅的方法和装置，该方法利用电场作用使杂质向两侧的电极方向迁移，然后利用挡板将杂质浓度高的硅液和纯净的硅液隔开进行分别回收处理。该方法的连续性好，但是提纯过程中一部分杂质浓缩的硅液要进行回收再提纯，生产效率偏低，有能源浪费现象，并且在电迁移过程中石墨电极跟硅液直接接触，会造成污染，降低了提纯的效果。

发明内容

为了解决以上这些问题，本发明提出了一种在电场作用下连续造渣制备高纯多晶硅的系统及用该系统制备高纯多晶硅的方法。采用本发明的系统及制备方法可以实现高纯多晶硅的大规模连续生产。