專(zhuān)利名稱(chēng)：局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用電子束熔
煉技術(shù)將多晶硅中的雜質(zhì)硼去除的方法。
背景技術(shù)：
高純多晶硅是制備太陽(yáng)能電池的主要原料。國(guó)外制備高純多晶硅主要使用西門(mén)子 法，具體為硅烷分解法和氯硅烷氣相氫還原法，西門(mén)子法是目前多晶硅制備的主流技術(shù)。其 有用沉積比為1 X 103，是硅烷的100倍。西門(mén)子法沉積速度可達(dá)8 10 ii m/min。 一次通過(guò) 的轉(zhuǎn)換效率為5% 20%，沉積溫度為110(TC，僅次于SiCl4(120(TC )，耗電量為120kWh/kg 左右，電耗也較高。國(guó)內(nèi)SiHCl3法的電耗經(jīng)過(guò)多年的努力已由500kWh/kg降至200kWh/kg， 硅棒直徑達(dá)到100mm左右。西門(mén)子法的不足之處在于其在流程的核心環(huán)節(jié)上采取了落后的 熱化學(xué)氣相沉積，工藝流程的環(huán)節(jié)過(guò)多，一次轉(zhuǎn)化率低，導(dǎo)致流程時(shí)間太長(zhǎng)，增加了材耗、能 耗成本。鑒于此，在眾多制備的新工藝中冶金法是根據(jù)雜質(zhì)元素在硅中的分凝系數(shù)不同進(jìn) 行定向凝固的方式，具有能耗低、環(huán)境污染小的特點(diǎn)。單純的定向凝固方法無(wú)法去除分凝系 數(shù)較大的雜質(zhì)磷，而在多晶硅的眾多雜質(zhì)中，硼是有害雜質(zhì)，直接影響了硅材料的電阻率和 少數(shù)載流子壽命，進(jìn)而影響了太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。可用做制備太陽(yáng)能電池的多晶 硅磷含量要求降低到O. 00003%以下，已知的發(fā)明專(zhuān)利和科技論文中上尚沒(méi)有應(yīng)用電子束 去除硼的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是利用電子束熔煉技術(shù)，將多晶硅中的雜質(zhì)元素硼去除 到0. 00003%的程度，進(jìn)而達(dá)到太陽(yáng)能電池用硅材料的使用要求。該方法工藝簡(jiǎn)單，能耗低， 環(huán)境污染小，提純精度高。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的方法，用電子束熔煉對(duì) 石墨坩堝中的多晶硅進(jìn)行局部熔煉，將液態(tài)硅蒸發(fā)到石墨坩堝上方的沉積板上，收集沉積 在沉積板上多晶硅，其步驟如下 1)、將含硼量為0. 001%以下的高硼多晶硅6放入石墨坩堝8中，關(guān)閉真空蓋3 ;
2)、抽真空過(guò)程，先用機(jī)械泵2、羅茲泵15將真空室12抽到低真空1Pa，再用擴(kuò)散 泵16將真空抽到高真空0. 001Pa以下; 3)、通過(guò)水冷支撐桿10向水冷銅托盤(pán)9中通入冷卻水，將水冷銅托盤(pán)的溫度維持 在40度以下； 4)、給電子槍13預(yù)熱，設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5_10分鐘，關(guān)閉高壓，設(shè)置電 子槍13束流為70-200mA，束流預(yù)熱5_10分鐘，關(guān)閉電子槍13束流； 5)、同時(shí)打開(kāi)電子槍13的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍13轟擊石墨坩堝8中心部 位的高硼多晶硅6，使中心部位形成熔池，增大電子槍13束流到500-1000mA，持續(xù)轟擊；
6)、旋轉(zhuǎn)沉積板14的支撐桿l，使沉積板14以每分鐘2-30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，沉積蒸發(fā)到板上的低硼多晶硅7; 7)、通過(guò)填料口 5向石墨坩堝8中補(bǔ)充高硼多晶硅6，保證反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行；
8)、待沉積結(jié)束后，關(guān)閉電子槍13，繼續(xù)抽真空10-20分鐘； 9)、依次關(guān)閉擴(kuò)散泵16、羅茲泵15、機(jī)械泵2，打開(kāi)放氣閥11，打開(kāi)真空蓋3，從沉積 板14上取出硅材料； 該裝置由真空蓋3、真空?qǐng)A桶4構(gòu)成裝置的外殼，真空?qǐng)A桶4的內(nèi)腔即為真空室 12，真空室12內(nèi)裝有熔煉系統(tǒng)，熔煉系統(tǒng)由電子槍13、石墨坩堝8、水冷銅托盤(pán)9組成，石墨 坩堝8安放在水冷銅托盤(pán)9上，水冷銅托盤(pán)9由水冷支撐桿10支撐，石墨坩堝8上側(cè)面安 裝有電子槍13，沉積板14與支撐桿1相連安裝在真空蓋3的內(nèi)部，支撐桿1與真空蓋3連 接，焊牢，填料口 5安裝在真空?qǐng)A桶4的右側(cè)部；放氣閥11安裝在真空?qǐng)A桶4的左側(cè)部，水 冷支撐桿10安裝在真空?qǐng)A桶4的底部相連；機(jī)械泵2、羅茲泵15和擴(kuò)散泵16分別安裝在 真空蓋3上部。 該裝置中的沉積板14的材質(zhì)為硅材料、陶瓷或其他與硅潤(rùn)濕性低的材料。
本發(fā)明的顯著效果是可以將分凝系數(shù)較大的硼用電子束熔煉去除，解決了當(dāng)前使 用冶金法無(wú)法有效去除硼的技術(shù)瓶頸，有效提高了多晶硅的純度，達(dá)到了太陽(yáng)能級(jí)硅的使 用要求，其提純效果好，技術(shù)穩(wěn)定，方法簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。


附圖l為一種局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的裝置。圖中，l.支撐桿，2.機(jī)械泵，3.真 空蓋，4.真空?qǐng)A桶，5.填料口，6.高硼多晶硅，7.低硼多晶硅，8石墨坩堝，9.水冷銅托盤(pán)， 10.水冷支撐桿，ll.放氣閥，12.真空室，13.電子槍?zhuān)?4.沉積板，15.羅茲泵，16.擴(kuò)散泵
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合技術(shù)方案及附圖詳細(xì)說(shuō)明本方案的具體實(shí)施。 根據(jù)Langmuir方程，^ = 4,37x10_3 xPB^]\^ /7V:(,，C其中"B為蒸發(fā)速
率，Pe為硼的飽和蒸氣壓，Me為硼原子的原子量，T為熔池溫度，YB(1)inSi°為硼在硅中的活度 系數(shù)。由于硼的飽和蒸汽壓很低，在高溫下熔煉硅，硅蒸氣中含有的硼只有硅基體的百分之 一以下，沉積蒸發(fā)的硅蒸氣，達(dá)到去除硼的目的。 將含硼量為0.0005%的高硼多晶硅6放入石墨坩堝8中，關(guān)閉真空蓋3，抽真空過(guò) 程，先用機(jī)械泵2、羅茲泵15將真空室12抽到低真空l(shuí)Pa，再用擴(kuò)散泵16將真空抽到高真 空0. 001Pa以下；通過(guò)水冷支撐桿10向水冷銅托盤(pán)9中通入冷卻水，將水冷銅托盤(pán)的溫度 維持在40度以下；給電子槍13預(yù)熱，設(shè)置高壓為25kW，高壓預(yù)熱5分鐘，關(guān)閉高壓，設(shè)置電 子槍13束流為70mA，束流預(yù)熱5分鐘，關(guān)閉電子槍13束流；同時(shí)打開(kāi)電子槍13的高壓和 束流，穩(wěn)定后用電子槍13轟擊石墨坩堝8中心部位的高硼多晶硅6，使中心部位形成熔池， 增大電子槍13束流到1000mA，持續(xù)轟擊；旋轉(zhuǎn)沉積板14的支撐桿1，使沉積板14以每分鐘 5轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，沉積蒸發(fā)到板上的低硼多晶硅7 ;通過(guò)填料口 5向石墨坩堝8中補(bǔ)充高硼 多晶硅6，保證反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行；待沉積結(jié)束后，關(guān)閉電子槍13，繼續(xù)抽真空10分鐘；依次 關(guān)閉擴(kuò)散泵16、羅茲泵15、機(jī)械泵2，打開(kāi)放氣閥11，打開(kāi)真空蓋3，從沉積板14上取出硅材料，經(jīng)電感耦合等離子質(zhì)譜儀設(shè)備ICP-MS的檢測(cè)，硼的含量降低到0. 00001%以下，達(dá)到了 太陽(yáng)能級(jí)硅材料的使用要求。 本發(fā)明去除多晶硅中雜質(zhì)硼效果良好，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定，解決了困擾冶金法的除硼難題， 為冶金法大規(guī)模制備太陽(yáng)能級(jí)多晶硅材料打下基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
一種局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的方法，其特征在于，用電子束對(duì)石墨坩堝中的多晶硅進(jìn)行局部熔煉，將液態(tài)硅蒸發(fā)到石墨坩堝上方的沉積板上，收集沉積在沉積板上多晶硅的方法，其步驟如下1)、將含硼量為0.001％以下的高硼多晶硅(6)放入石墨坩堝(8)中，關(guān)閉真空蓋(3)；2)、抽真空過(guò)程，先用機(jī)械泵(2)、羅茲泵(15)將真空室(12)抽到低真空1Pa，再用擴(kuò)散泵(16)將真空抽到高真空0.001Pa以下；3)、通過(guò)水冷支撐桿(10)向水冷銅托盤(pán)(9)中通入冷卻水，將水冷銅托盤(pán)的溫度維持在40°以下；4)、給電子槍(13)預(yù)熱，設(shè)置高壓為25-35kW，高壓預(yù)熱5-10分鐘，關(guān)閉高壓，設(shè)置電子槍(13)束流為70-200mA，束流預(yù)熱5-10分鐘，關(guān)閉電子槍(13)束流；5)、同時(shí)打開(kāi)電子槍(13)的高壓和束流，穩(wěn)定后用電子槍(13)轟擊石墨坩堝(8)中心部位的高硼多晶硅(6)，使中心部位形成熔池，增大電子槍(13)束流到500-1000mA，持續(xù)轟擊；6)、旋轉(zhuǎn)沉積板(14)的支撐桿(1)，使沉積板(14)以每分鐘2-30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，沉積蒸發(fā)到沉積板(14)上的低硼多晶硅(7)；7)、通過(guò)填料口(5)向石墨坩堝(8)中補(bǔ)充高硼多晶硅(6)，保證反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行；8)、待沉積結(jié)束后，關(guān)閉電子槍(13)，繼續(xù)抽真空10-20分鐘；9)、依次關(guān)閉擴(kuò)散泵(16)、羅茲泵(15)、機(jī)械泵(2)，打開(kāi)放氣閥(11)，打開(kāi)真空蓋(3)，從沉積板(14)上取出硅材料；
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的方法采用的裝置，其特征 在于，裝置由真空蓋(3)、真空?qǐng)A桶(4)構(gòu)成裝置的外殼，真空?qǐng)A桶(4)的內(nèi)腔即為真空室 (12)，真空室(12)內(nèi)裝有熔煉系統(tǒng)，熔煉系統(tǒng)由電子槍(13)、石墨坩堝(8)、水冷銅托盤(pán)(9) 組成，石墨坩堝(8)安放在水冷銅托盤(pán)(9)上，水冷銅托盤(pán)(9)由水冷支撐桿(10)支撐，石 墨坩堝(8)上側(cè)面安裝有電子槍(13)，沉積板(14)與支撐桿(1)相連安裝在真空蓋(3)的 內(nèi)部，支撐桿(1)與真空蓋(3)連接，焊牢，填料口 (5)安裝在真空?qǐng)A桶(4)的右側(cè)部；放氣 閥(11)安裝在真空?qǐng)A桶(4)的左側(cè)部，水冷支撐桿(10)安裝在真空?qǐng)A桶(4)的底部相連； 機(jī)械泵(2)、羅茲泵(15)和擴(kuò)散泵(16)分別安裝在真空蓋(3)上部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的方法采用的裝置，其特征在 于，沉積板(14)的材質(zhì)為硅材料、陶瓷或其他與硅潤(rùn)濕性低的材料。
全文摘要
本發(fā)明局部蒸發(fā)去除多晶硅中硼的方法及裝置屬于用物理冶金技術(shù)提純多晶硅的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用電子束熔煉技術(shù)將多晶硅中的雜質(zhì)硼去除的方法和裝置。該方法用電子束對(duì)石墨坩堝中的多晶硅進(jìn)行局部熔煉，將液態(tài)硅蒸發(fā)到石墨坩堝上方的沉積板上，收集沉積在沉積板上多晶硅的方法；該裝置由真空蓋、真空?qǐng)A桶構(gòu)成裝置的外殼，真空?qǐng)A桶的內(nèi)腔即為真空室，真空室內(nèi)裝有熔煉系統(tǒng)，熔煉系統(tǒng)由電子槍、石墨坩堝、水冷銅托盤(pán)組成。該方法工藝簡(jiǎn)單，能耗低，環(huán)境污染小，提純精度高；技術(shù)穩(wěn)定，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B33/037GK101708849SQ200910220058
公開(kāi)日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者姜大川, 李國(guó)斌, 董偉, 譚毅 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)