一种多温区硅材料提纯与铸锭的方法及装置，将硅料中加入造渣剂后放入坩埚中，对硅料进行感应加热熔融、真空熔炼，并通入氧化性气体进行反应，随后对硅料进行降温定向凝固，并结晶成硅锭；本发明专利技术的装置包括坩埚系统、升降装置、感应加热器和电阻加热体，感应加热器设于电阻加热体上面，其分别构成感应加热区和电阻加热区，升降装置设于电阻加热区下面，并且可以在感应加热区和电阻加热区内上下移动，坩埚系统设于升降装置上，采用本发明专利技术的方法及装置提纯及铸锭的硅锭纯度高、提纯效率高，而且整个过程在一个炉体内完成，节约了时间和能源。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于多晶硅生产
，涉及一种多温区硅料提纯与铸锭的 方法及装置，。
技术介绍
虽然金属的高温熔炼和真空熔炼的时间已经很长，^^圭的真空熔炼的时 间却很短。自从太阳能电池市场开始迅速发展后，对太阳能级的硅的需求大幅上升。由于太阳能级硅的纯度要求比半导体要低，只要能够达到6N (99.9999%)就可以了。因此，采用冶金方法对硅进行提纯的技术又受到人 们的重视。目前，国际上报道的对硅的熔炼，主要是利用通入H2、水蒸气、 氩气以及用离子束、电子束等去除硼磷等杂质；然后，再利用定向凝固的分 凝效应，来达到去除金属杂质的效果。但上述的各个方法，要么去除的杂质 有限；要么就需要一遍一遍地去除，效率太低。此外，冶金法对硅材料的提 纯的纯度的一致性，也一直是一个令人头痛的问题。这些问题的产生，是因 为，从来没有人对硅中的各类杂质进行系统的分析，从而得到一种能够去除 硅中所含的所有杂质的方法。而且在多晶硅的生产和提纯的过程中，通常需 要在两个炉体内部完成，即先用感应炉进行真空熔炼，冷却后，再用电阻炉 进行定向凝固。但这样，硅液要进行两次加热和两次冷却，无谓地消耗了电 能。
技术实现思路
本专利技术主要目的是为了解决上述问题，提供一种多温区硅材料提纯 与铸锭的方法及装置，对硅中大多数杂质元素有去杂作用，同时也可以在提纯后达到多晶硅铸锭的目的，使得铸锭后得硅锭可以直接进行切片来生产 太阳能电池。为了达到上述目的，本专利技术提供的技术方案是 一种多温区硅材料 提纯与铸锭的方法，将硅料中按照80: 1~100: 1的比例加入造渣剂后 放入坩埚中；在感应加热区抽先真空后进4亍感应加热，硅料温度升至200 °C ~ 400。C时，保温0. 5 ~ 2个小时；继续加热，硅料温度升至800°C ~ 1000 。C时，再保温0.5~2个小时；之后升温至1350°C ~ 143(TC,再保温1 ~ 3小时；加热至硅料熔化成熔融状态，将硅料温度升至1500 ~ 1700°C， 保温1 ~ 3个小时；再将氧化性气体通入熔融状态的硅料中1 ~ 3个小时； 然后对熔融状态的硅料进行降温，硅料温度降至1450 ~ 1500'C时，保温 1 ~ 3个小时；在感应加热区降温同时将电阻加热区通电，升温至1450°C ~ 160(TC时，降^f氐坩埚至电阻加热区，^使坩埚顶部有20~ 200mm在感应加 热区；开始降温使温度降到1400 ~ 150(TC时，保温1~3个小时；随后对 坩埚底部向上逐步进行降温，并保持坩埚底部的温度水平均匀分布，此 时坩埚内的硅料从底部开始结晶，当整个坩埚内的硅料全部结晶后形成 一个硅4走，去除该石圭4走的顶部和四周与坩埚接触的部分即可。造渣材料为CaO、 MgO、 Si02、 FeO、 Na20、 BaO和CaF2中的一种或几种。氧化性气体为氧气、氢气、水蒸气、四氯化硅、四氟化硅、氯化氢、 氢氰酸、氮气和氦气中的一种或几种。一种多温区硅材料提纯与铸锭的装置，包括坩埚系统、升降装置、 感应加热器和电阻加热体，感应加热器设于电阻加热体上面，其分别构 成感应加热区和电阻加热区；升降装置设于电阻加热区下面，并且在感 应加热区和电阻加热区内上下移动；坩埚系统设于升降装置上。坩埚系统包括坩埚、护套、石墨盖、平台均热层、热开关和冷却装置；在坩埚的外侧设有护套，坩埚的口部设有石墨盖，坩埚的底部设有 平台均热层，平台均热层的下面设有热开关，热开关的下面设有冷却装 置。感应加热器和电阻加热体的外面设有隔热保温层。感应加热区和电阻力口热区以及炉顶和炉底均有测温元件。电阻加热体采用梯度加热体。石墨盖上设有至少1个反应气体导入管。冷却装置上设有冷却气体导入管。本专利技术的工作原理及有益效果本专利技术采用金属硅作为提纯的原料。 金属硅的纯度在95%~99. 9%之间，所包含的杂质包括金属杂质、非金属杂质。 而其中比较难以去除的是硼、磷元素。对于磷元素等沸点较低的元素，可先在低温下停留一段时间，让这些元 素在其沸点附近的温度进行挥发。例如，磷元素在300度和900度时都有较 大的挥发性，虽然此时硅材料还是固体状态，不可能挥发的很干净，但在这 种情况下，可以让磷挥发掉大部分，减少后续的提纯难度和成本。对于钙、镁、锰、铝、磷等在高温下挥发较大的元素，可以采用感应加 热的方式，将硅料加热到1600度以上，并将真空度抽到10Pa以上，使这些 元素挥发。感应加热的方式还可以实现硅料的搅拌，便于硅料的表面不断有 新的熔体暴露在真空下。对于其它的一些较难挥发的元素，如硼、碳、铁、金、银、钛等，可以 采用高温下向熔体中通入反应气体的方式，所通入的气体包含下列气体中的 至少一种氧气、氢气、水蒸气、四氯化硅、四氟化硅、氯化氢、氢氰酸、 氮气、氦气等，所通入的气体与硅料中的各种难挥发杂质反应，生产更易于 挥发的化合物，在高温下挥发。对于硼、磷等元素，可以采用造渣的方法，利用硅渣分离的原理，使这些元素从硅中向渣中过渡。造渣剂由以下组分中的至少一种成分构成CaO、 MgO、 Si02、 FeO、 Na20、 BaO、 CaF2等。这些元素在硅料开始时就放入珪料 中，放入的比例与硅料的纯度有关。在高温熔融后，硅料中的磷、硼等杂质， 部分地将在硅渣界面上从硅向渣中过渡迁移，感应加热造成的电》兹搅拌效 应，将不断形成新的硅渣界面，促使硅中的杂质不断向渣中迁移。由于坩埚与硅料的接触，可能在熔炼的过程中会产生碳、氧的污染，在 高温下，碳氧元素会进入硅液。但当温度降低到1500度以下的时候，碳和 氧都将不再进入硅液中，而且，超出硅的溶解度的碳元素会形成沉淀，上移 到渣中，而氧则会与硅反应生成SiO，而挥发，因此，在1500度以下保温一 段时间，有助于碳和氧元素的去除。经过以上真空熔炼后，硅中主要剩下一些金属元素。这时，对坩埚的底 部进行降温，并保持坩媽底部的温度分布是水平均匀的，则，坩埚内的硅会 从底部开始结晶，晶体在底部生成后，会向上部生长。控制底部的冷却速度 和顶部的问题，可以控制晶体生长的速度。在晶体生长时，由于固液界面的 分凝效应，硅中所剩余的金属杂质会被"挤"到顶部，当整个坩埚内的硅料 全部结晶后，形成一个硅锭。硅锭的顶部是杂质富集区和渣熔区，中部和下 部则是纯度较高的区域。通常，纯度较高的区域的比例为40%~80%。去除顶 部和四周与坩祸接触的部分，可以得到纯度为6N的太阳能级的多晶硅锭。与现有其它技术相比，本专利技术在装置因同时设有两个温度区，在感应加 热区可利用感应加热搅拌硅液，采用高温脱气、造渣精炼、并进行通气反应， 可以充分地利用高温和真空进行各种熔炼去杂；而在电阻加热区由于没有加 热元件和坩埚的相对运动，梯度加热体的设计使得结晶时坩埚和加热体都不 需要移动，减少了振动干扰，同时，釆用底部热开关和气体冷却两种并用的 底部冷却方式，可保证最好的定向凝固效果和结晶效果，较好地进行定向凝 固去杂和结晶铸锭。也就是说，用一套装置可同时较好地进行脱气去杂、造渣精炼、气体反应提纯和定向凝固去杂，完成了以往需要两台或更多的炉子 才能完成的功能，而且，这样集多种炉子的功能在一台装置内完成，可以避免硅料的冷却和再加热，保证了较高的能源效率。本专利技术每次可对0.2-1 吨的金属硅进行提纯，并本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多温区硅材料提纯与铸锭的方法，其特征在于：将硅料中按照８０∶１～１００∶１的比例加入造渣剂后放入坩埚中；在感应加热区先抽真空后进行感应加热；硅料温度升至２００℃～４００℃时，保温０．５～２个小时；继续加热，硅料温度升至８００℃～１０００℃时，再保温０．５～２个小时；之后升温至１３５０℃～１４３０℃，再保温０．５－２小时；加热至硅料熔化成熔融状态；将硅料温度升至１５００～１７００℃，保温１～３个小时；再将氧化性气体通入熔融状态的硅料中１～３个小时；然后对熔融状态的硅料进行降温，硅料温度降至１４５０～１５００℃时，保温１～３个小时；在感应加热区降温同时将电阻加热区通电，升温至１４５０℃～１６００℃时，降低坩埚至电阻加热区，使坩埚顶部有２０～２００ｍｍ在感应加热区；开始降温使温度降到１４００～１５００℃时，保温１～３个小时；随后对坩埚底部向上逐步进行降温，并保持坩埚底部的温度水平均匀分布，此时坩埚内的硅料从底部开始结晶，当整个坩埚内的硅料全部结晶后形成一个硅锭，去除该硅锭的顶部和四周与坩埚接触的部分即可。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：史珺，水川，佟晨，宗卫峰，
申请(专利权)人：上海普罗新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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