一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺：将Si‑M母合金加热至相应的液相线温度，得到Si‑M合金熔体，在Si‑M合金熔体中引入直流电场使Si‑M合金熔体中的硅原子发生定向移动，在石墨坩埚的底部富集，形成过饱和区域，从而在晶硅衬底上形核、生长；在生长过程中，由石墨坩埚顶部连续添加原料硅，实现晶体硅的连续生长。生长结束后，关闭热源，冷却凝固后关闭直流电源。本发明专利技术实现高精准度的定向生长模式，有效降低了精炼温度，以及各种杂质的分凝系数，减少能耗，增强了提纯效果，使不同杂质在电场作用下重新分布，通过不断添加原料硅，在凝固析出硅的同时能源源不断地提供硅原子，实现硅的连续生长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于冶金法技术生长提纯多晶硅
，具体地说是一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺。
技术介绍
冶金法是针对制造太阳能级多晶硅而提出的一种专属提纯工艺。该方法使用冶金级硅(MG-Si)为原料，依据杂质与硅物理化学性质的差异性，优化集合酸洗、造渣精炼，真空冶炼、载能束熔炼、凝固精炼等方法，逐步降低硅中杂质含量，实现杂质高选择性、梯度式分离，最终制备得到太阳能级硅的材料；合金凝固精炼方法最早由日本东北大学Obinata和Komatsu于1957年提出，如今东京大学、多伦多大学、大连理工大学、昆明大学、中科院过程研究所等多所高校和科研机构的研究者对此进行了广泛的研究。合金凝固精炼主要是利用低温下杂质在Si中具有热力学不稳定的性质，即，随着温度的降低，杂质的固溶度逐渐降低。尝试向MG-Si中添加金属形成硅二元或多元合金熔体，使得Si作为初生相在低于Si熔点下析出，在Si重结晶过程中利用杂质的再分配行为提纯MG-Si；东京大学的Moria和Yoshikawa对Al-Si合金体系进行了深入的热力学研究和精炼效果的研究。在1273K精炼温度下，采用一次Si-Al凝固精炼方法便可去除99％左右的Fe、Ti杂质，达到太阳能级多晶硅中Fe和Ti的允许含量，同时还可有效去除95％～98.6％的B、P杂质，但难以一次达标。Wu等进行了Si-Sn合金精炼-定向凝固分离、提纯MG-Si的研究，该方法避免了Sn的夹杂污染，将MG-Si中总金属杂质含量由58.3x10-6ppm降低为7.6x10-6ppm。Oshima等采用相平衡方法讨论了Si中Cu的热力学性质，1273K温度下Si中Cu固溶度约为10ppma，同时采用定向凝固方法在Si-Cu合金中生长得到块体Si，有效避免了Cu熔剂对初晶硅的污染。Ban等研究了不同电磁场强度下Si-Al合金精炼的除杂过程，研究发现：具有较小分凝系数的金属杂质不仅会富集在合金相中，部分杂质还会与Si形成类似如Al7Fe2Si和Al5FeSi等化合物的中间相；Zou等采用旋转磁场的加热方式(RMF)进行MG-Si凝固精炼处理，应用该技术可以在Si-Al合金的边缘部位形成富集SI层，有利于Si与合金相的分离。虽然目前研究的提纯技术都能将MG-Si提纯到一定的效果，精炼温度下降，能耗也大大降低，但由于引入溶剂金属，凝固精炼的最终产物是合金相和初晶相，必然会有Si与Al形成共晶相，导致析出的初晶相有限，同时不可避免造成溶剂金属Al对初晶硅的夹杂污染，限制了初晶硅与合金的有效分离，使后续分离程序繁琐，增加生产成本。同时传统定向凝固工艺是通过温度场控制，由于实际实验装置的限制，很难保证温度精准，从而达不到理想的定向凝固生长的效果。因此，一种提高提纯精度，达到理想定向凝固生长效果的直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺亟待研发。
技术实现思路
根据上述提出的技术问题，而提供一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺。本专利技术采用的技术手段如下：一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺，其特征在于具有如下步骤：S1、选择一种或者几种金属元素，与元素Si形成合金；S2、根据合金相图，选择所需合金配比，并根据该配比，配制熔炼得到Si-M母合金；S3、选择石墨坩埚作为熔炼坩埚，石墨坩埚内侧壁绝缘，在石墨坩埚底部放置高纯硅的碎晶作为衬底，再将Si-M母合金置于石墨坩埚中；S4、将Si-M母合金加热至相应的液相线温度，得到Si-M合金熔体，将石墨电极Ⅰ插入所述Si-M合金熔体中，启动直流电源，所述石墨电极Ⅰ和石墨坩埚分别接直流电源的两极，可根据金属M与Si的电负性差异调整正负极的方向，以保证晶体硅能在坩埚底部形核并生长，所述相应的液相线温度是指在合金相图中，所需合金配比成分所对应的液相线温度；S5、由石墨坩埚顶部向Si-M合金熔体中加入原料硅，保持所述液相线温度下Si-M合金熔体的配比，同时保持晶体硅的连续生长；S6、待生长结束后，关闭热源，冷却凝固后关闭直流电源。所述金属元素包括元素Al、Sn、Fe、Cu和Zn。通过在所述石墨坩埚的内侧壁设置绝缘套管使石墨坩埚内侧壁绝缘。所述石墨坩埚的底部外壁设有石墨电极Ⅱ，所述石墨坩埚通过所述石墨电极Ⅱ与直流电源连接。配制熔炼得到Si-M母合金中的元素Si的来源为冶金级硅，所述原料硅为冶金级硅。传统工艺采用温度场控制合金的定向凝固生长，控制精准度不高，本专利技术采用直流电场控制原子迁移，实现高精准度的定向生长模式；本专利技术采用Si-M合金体系代替单纯Si体系的凝固提纯，有效降低了精炼温度，以及各种杂质的分凝系数，减少能耗，增强了提纯效果；本申请在合金精炼过程中引入直流电场，使不同杂质在电场作用下重新分布；本专利技术还提供了一种连续提纯工艺，通过不断添加原料硅，保持所述相应液相线温度下Si-M合金熔体的配比，在凝固析出硅的同时能源源不断地提供硅原子，实现硅的连续生长。基于上述理由本专利技术可在冶金法技术生长提纯多晶硅技术等领域广泛推广。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术的具体实施方式中一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程装置的结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺，具有如下步骤：S1、在元素Al、Sn、Fe、Cu和Zn中选择一种或者几种，与元素Si形成合金；S2、根据合金相图，选择所需合金配比，并根据该配比，配制熔炼得到Si-M母合金；S3、选择石墨坩埚1作为熔炼坩埚，石墨坩埚1内侧壁绝缘，在石墨坩埚1底部放置高纯硅的碎晶2作为衬底，再将Si-M母合金置于石墨坩埚1中；S4、将Si-M母合金加热至液相线温度，得到Si-M合金熔体3，将石墨电极Ⅰ4插入所述Si-M合金熔体3中，启动直流电源5，所述石墨电极Ⅰ4和石墨坩埚1分别接直流电源5的两极，在直流电场的作用下，Si-M合金熔体3中的硅原子发生定向移动，并在所述石墨坩埚1的内壁底部形核、生长；S5、向Si-M合金熔体3中加入原料硅6，保持所述液相线温度下Si-M合金熔体3的成分配比；S6、待生长结束后，关闭热源，冷却凝固后关闭直流电源5。所述石墨坩埚1的内侧壁具有绝缘套管7。所述石墨坩埚1的底部外壁设有石墨电极Ⅱ8，所述石墨坩埚1通过所述石墨电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺，其特征在于具有如下步骤：S1、选择一种或者几种金属元素，与元素Si形成合金；S2、根据合金相图，选择所需合金配比，并根据该配比，配制熔炼得到Si‑M母合金；S3、选择石墨坩埚作为熔炼坩埚，石墨坩埚内侧壁绝缘，在石墨坩埚底部放置高纯硅的碎晶作为衬底，再将Si‑M母合金置于石墨坩埚中；S4、将Si‑M母合金加热至相应的液相线温度，得到Si‑M合金熔体，将石墨电极Ⅰ插入所述Si‑M合金熔体中，启动直流电源，所述石墨电极Ⅰ和石墨坩埚分别接直流电源的两极，可根据金属M与Si的电负性差异调整正负极的方向，以保证晶体硅能在坩埚底部形核并生长；S5、由石墨坩埚顶部向Si‑M合金熔体中加入原料硅，保持所述液相线温度下Si‑M合金熔体的配比，同时保证晶体硅的连续生长；S6、待生长结束后关闭热源，冷却凝固后关闭直流电源。

【技术特征摘要】
1.一种直流电场诱导合金定向凝固生长、强化合金精炼过程的工艺，其特
征在于具有如下步骤：
S1、选择一种或者几种金属元素，与元素Si形成合金；
S2、根据合金相图，选择所需合金配比，并根据该配比，配制熔炼得到Si-M
母合金；
S3、选择石墨坩埚作为熔炼坩埚，石墨坩埚内侧壁绝缘，在石墨坩埚底部
放置高纯硅的碎晶作为衬底，再将Si-M母合金置于石墨坩埚中；
S4、将Si-M母合金加热至相应的液相线温度，得到Si-M合金熔体，将石
墨电极Ⅰ插入所述Si-M合金熔体中，启动直流电源，所述石墨电极Ⅰ和石墨坩
埚分别接直流电源的两极，可根据金属M与Si的电负性差异调整正负极的方向，
以保证晶体硅能在坩埚底部形核并生长；
S5、由石墨坩埚顶部向Si-M合金熔体中加入原料硅，保持所述液相线温度
下Si-M合金熔体的配比，同时保证晶体硅的连续生长...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳艳，倪萍，谭毅，王亮，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21