[发明专利]一种电场强化熔渣精炼提纯硅合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种强化熔渣精炼提纯合金的方法，特别涉及一种电场强化熔渣精炼提纯硅合金的方法。

背景技术

在信息技术飞速发展的今天，以半导体材料为基础制作的各种各样的器件，在人们生活的各个领域不断改善着人们的生活方式，提高着人们的生活质量，促进了人类社会的文明进步。现在电子元器件90％以上都是由硅材料制备的，全世界与硅相关的电子工业已达一万亿美元以上。但硅材料提纯成本过高及纯度达不到制备半导体元器件的要求等因素，大大影响了半导体工业乃至信息产业的发展。

目前，提纯多晶硅的方法主要有三种：改良西门子法、流化床法和冶金法。尽管改良西门子法和流化床法在控制生产成本和提高提纯效率的方面有了一定的进步，但其提纯过程中的两步相态转变(固态-液态、液态-固态)成为了改良西门子法和流化床法在降低生产成本方面的最大限制性环节。而作为一种不改变主体硅性质的提纯技术，冶金法得到了国内外专家极大的认可。

硅中主要杂质元素为金属元素Fe、Al、Ca、Ti和非金属元素B、P等。金属杂质元素可以通过酸洗、定向凝固的方法去除。但非金属杂质B、P由于其分凝系数小的特点不易被传统的冶金法去除。太阳能级多晶硅对B杂质的含量的要求是低于0.3个ppmw，对磷的要求是低于0.5个ppmw，而电子级硅对于B、P的杂质含量要求更加精确。氧化造渣精炼是一种较为有效的去除B元素的方法，利用熔渣的氧化性在渣金界面将硅中的硼单质氧化成硼氧化物的形式，进而上浮被渣相吸收，并与渣中的化合物结合，形成稳定的硼氧酸盐留在渣中或挥发到空气中。氧化造渣精炼由于B在渣金体系中的分配系数小、B在从硅相到渣相过程的传质速率较慢的特点，限制了此种技术在工业生产中的规模化应用。所以，一种可以高效去除硅中杂质B、P的工艺具有重要的应用价值和市场前景。

澳大利亚斯威本科技大学M.S.Islam和M.A.Rhamdhani在The Minerals,Metals&Materials Society上发表的《Electrically Enhanced Boron Removal from Silicon Using Slag》中提出，在3V电场下用CaO-SiO₂-Al₂O₃渣精炼工业硅，对去除硼杂质有很明显的效果。但由于其精炼的原料为多晶硅，导电性较差，且精炼工艺的不足，造成效率较低，所以并不能达到多晶硅生产的工业要求。

发明内容

本发明的目的在于：克服现有氧化造渣精炼技术的不足，提供一种强化熔渣精炼提纯合金的方法，通过电场作用，解决了氧化造渣精炼过程中杂质元素分配系数小，传质速率慢的技术难题，大幅度提高了杂质的净化效果。

本发明技术解决方案：一种电场强化熔渣精炼提纯硅合金的方法，包括以下步骤：

(1)首先预熔熔渣与硅合金，渣金质量比为0.1-50，形成稳定的熔渣与硅合金双层界面；

(2)其次将两个电极分别插入硅合金层和熔渣层中；

(3)在一定温度条件下在电极两端施加电压进行氧化精炼；

(4)将精炼所得硅合金进行破碎分离，获得纯化的多晶硅。

所述硅合金为Si与Sn、Al、Cu、Fe、Ni、Zn形成的两种或两种以上的硅合金化合物。

所述熔渣为CaO、SiO₂、Al₂O₃、MgO、Na₂O、Fe₂O₃、MnO、BaO、CaF₂、Na₂CO₃、Na₂SiO₃、Na₃AlF₆中的三种或三种以上的混合物。

所述熔渣化学组分按重量百分比计为：

所述的渣层与硅合金层的质量渣金比优选为0.5-5。

所述的两个电极中正极插入硅合金层，负极插入熔渣层。

步骤(3)中所述的施加电压为0.2v-20v。

步骤(3)中所述的电极材料为钨丝，钼丝，铂丝中的一种。

步骤(3)中所述的温度范围为1200℃-1600℃。