CN101219789B - 高能束流多晶硅提纯装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高能束流提纯多晶硅的装置，包括有真空室、真空电磁感应熔炼单元、电子束熔炼单元、等离子熔炼单元、定向凝固单元。真空电磁感应熔炼单元安装在真空室的凹形面上；电子束熔炼单元的A电子枪安装在真空室的左斜面上，B电子枪安装在真空室的右斜面上；等离子熔炼单元的A等离子枪安装在真空室的左壳体上，B等离子枪安装在真空室的右壳体上；定向凝固单元的连接座安装在真空室的隔板上；本发明的目的是提供一种融合了真空电磁感应熔炼、等离子熔炼、电子束熔炼、以及定向凝固四种技术的利用高能束流提纯多晶硅的装置，该提纯装置顺次对99.9％的金属硅进行真空电磁感应熔炼、电子束熔炼、等离子熔炼、定向凝固后可获得纯度达到99.9999％的生产太阳能电池用的多晶硅。解决了目前化学法生产太阳能级硅存在的设备投入大，成本高，能源消耗大，环境污染严重等缺陷。

Description

高能束流多晶硅提纯装置

技术领域

本发明涉及一种对金属和非金属材料进行提纯的设备，更具体地说，是指一种集真空电磁感应熔炼、电子束熔炼、等离子熔炼、以及定向凝固四位一体的高能束流多晶硅提纯装置。

背景技术

光伏技术的开发和利用是解决全球能源短缺，生态环境恶化等战略问题的有效途径。多晶硅电池占世界太阳电池总产量的60％以上。

2005年全球光伏产业所需高纯度多晶硅的缺口达到24％，我国的缺口更是高达97％，太阳能级多晶硅材料的匮乏是制约太阳能光伏产业的瓶颈。

现有的太阳能级硅的生产方法有化学法和物理法两种方式。化工法主要包括西门子法和改良西门子法，是传统的生产多晶硅生产工艺。目前95％以上的多晶硅源自此法。

用于工业生产的最重要的化学法是改良西门子法。其具体实施方法是在惰性气体稀释的气氛下，使选自硅烷类气体，如甲硅烷(SiH₄)、二氯硅烷(SiH₂Cl₂)、三氯硅烷(SiHCl₃)等中的一种气体或两种以上的混合气体和氢气与保持在高温的芯材相接触，从而使硅沉积在该芯材的表面。化学法投资大、生产成本高，在生产过程中需要氯气，安全性差，污染严重。

化学法生产多晶硅的投资资金和技术门槛都很高，一个千吨级规模的项目，投资在10多亿元人民币，其产量却占世界总产量的90％以上。如果技术不过关，产品成本高，形成盲目投资和低水平重复建设的局面，将造成资源和能源的浪费，给企业和国家造成损失。

利用电子束和等离子束等高能束流直接熔炼提纯金属硅并结合定向凝固制得太阳能级多晶硅可获得与西门子法相同品质的太阳能级多晶硅，而造价和投资却比化学法低得多。但目前国内尚无自主知识产权融合高能束流熔炼和定向凝固优点的、且能实现连续进料与出料的设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种融合了真空电磁感应熔炼、电子束熔炼、等离子熔炼以及定向凝固四种技术的多晶硅的高能束流提纯装置，该提纯装置顺次对原材料进行真空电磁感应熔炼、电子束熔炼、等离子熔炼、定向凝固后获得纯度达到99.9999～99.99999％的生产太阳能级的多晶硅。解决了目前化学法生产太阳能级硅存在的投资大、成本高，能源消耗大，环境污染严重的缺陷。本发明的四位一体的高能束流提纯多晶硅装置，经工艺优化后，可在一台设备上完成由金属硅制得太阳能级硅的工艺流程。在节约能源和提高效率的同时，有效地避免了产品生产工序转换、输运等中间环节造成的污染；在设备结构设计上具有简单精巧，制造成本低，且提纯精度高的优势；通过加装闸板阀的进料室的设计，实现了持续进料的功能，而拉坯速度可控的定向凝固装置的设计使连续出料成为可能；通过引入可控电子束熔炼除磷(P)、可控等离子束熔炼除硼(B)、可控定向凝固去除金属杂质等优势，并合理匹配各工艺参数，即可在不破坏主真空的条件下有序且连续完成进料、熔炼和出料等过程；因此本发明的装置可有效地提高生产效率；使得单台装置实现了传统生产流水线的功能，整合了并优化了生产工艺，因此具有投资小，产量高、可灵活配置等特点。

本发明的一种利用高能束流提纯多晶硅的装置，包括有真空室、真空电磁感应熔炼单元、电子束熔炼单元、等离子熔炼单元、定向凝固单元，真空电磁感应熔炼单元安装在真空室的凹形面上；电子束熔炼单元的A电子枪安装在真空室的左斜面上，B电子枪安装在真空室的右斜面上；等离子熔炼单元的A等离子枪安装在真空室的左壳体上，B等离子枪安装在真空室的右壳体上；定向凝固单元的连接座安装在真空室的隔板上。

附图说明

图1是本发明提纯装置的结构示图。

图2是真空电磁感应熔炼单元的结构示图。

图3是定向凝固单元的外部结构图。

图3A是支架组件的结构图。

图3B是调节件的结构图。

图3C是调节件的***示图。

图3D是驱动组件的结构图。

图3E是凝固组件的结构图。

图3F是无石墨坩埚的凝固组件的结构图。

图中：     1、定向凝固单元  11.支架组件     101.支架     102.电机安装板103.齿轮安装箱 105.下盖板       106.A孔         107.B孔      108.C孔109.D孔        110.E孔          111.上顶板      112.下顶板   12.调节件121.底座       122.挡板         123.夹紧件      124.轴承     125.圆孔126.弹簧       127.通孔         128.A轴孔       129.B轴孔    130.C轴孔15.驱动组件    151.A丝杠        152.B丝杠       153.A齿轮    154.B齿轮155.C齿轮      156.D齿轮        157.E齿轮       158.A轴承    159.B轴承160.C轴承      161.D轴承        162.E轴承       163.F轴承    164.G轴承165.H轴承      166.盲孔         167.拉坯电机    168.联轴器   18.凝固组件181.升降座     182.连接座       183.长套管      184.连接件   185.水冷坩埚186.冷却水管   187.D接          188.进水口      189.出水口   190.A丝杠孔191.B丝杠孔    192.下端盖       193.上端盖      194.管座     2.真空室201.隔板       202.蒸发盘       203.B接口       204.集料盘   211.上真空腔212.下真空腔   213.左斜面       214.右斜面      215.凹形面   216.左壳体217.右壳体    31.A等离子枪      32.B等离子枪    41.A电子枪   42.B电子枪5.真空电磁感应熔炼单元          501.坩埚        502.水冷高频感应线圈503.流量控制盘  504.匀料水冷轴  505.联轴器      506.匀料电机 507.真空容料室571.进料口      508.闸板阀      509.连续填料室  510.A接口    511.C接口

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明是一种集等真空电磁感应熔炼、电子束熔炼、离子熔炼、以及定向凝固四位一体的高能束流多晶硅提纯装置，该提纯装置包括有定向凝固单元1、真空室2、等离子熔炼单元、电子束熔炼单元、真空电磁感应熔炼单元5；真空电磁感应熔炼单元5安装在真空室2的凹形面215上；电子束熔炼单元的A电子枪41安装在真空室2的左斜面213上，B电子枪42安装在真空室2的右斜面214上；等离子熔炼单元的A等离子枪31安装在真空室2的左壳体216上，B等离子枪32安装在真空室2的右壳体217上；定向凝固单元1的连接座182安装在真空室2的隔板201上。在本发明中，电子束熔炼单元的一对等离子枪(A电子枪41、B电子枪42，电子枪的功率为30kW，高压为18kV)安装在设备的中部偏上，它的作用是对样品进行熔炼提纯，除去样品中的硼、磷等杂质。等离子熔炼单元的一对电子枪(A等离子枪31、B等离子枪32，功率为45kW，主气流量为60L/min，次气流量为25～30L/min，弧电流为560～600A，弧电压为50～60V)安装在设备的中上部分，它的作用是对样品进行间接加热，使得样品中的硼和磷等杂质挥发而除去。下面将通过附图，对照对本发明的各器件进行详细说明如下：

参见图1所示，所述真空室2被隔板201分隔成上真空腔211和下真空腔212；真空室2的顶部设有左斜面213、凹形面215、右斜面214，且左斜面213与右斜面214之间是凹形面215；上真空腔211内安装有蒸发盘202、集料盘204，且蒸发盘202放置在集料盘204的上方；B接口203设在上真空腔211的壳体上；在本发明中，熔料溢出蒸发盘202时就会被下面的集料盘204收集到；高能束流可加速磷和硼等与硅的饱和蒸汽压差别较大的杂质元素的蒸发，而等离子束可在真空环境中在熔融硅的表面区域形成还原性的气氛则更加速了某些杂质元素的蒸发，经高能束流提纯后的熔融硅由蒸发盘202溢入集料盘204中。上真空腔211的真空为3×10⁴～5×10⁵MPa。

参见图2所示，所述真空电磁感应熔炼单元5从上至下设有连续填料室509、闸板阀508、真空容料室507、坩埚501、流量控制盘503；连续填料室509的上部设有A接口510和C接口511，其中A接口510用于与外部的真空泵连接，实现对连续填料室509的抽真空；C接口511用于与外部的原材料供给设备连接，实现连续向连续填料室509内供给原材料；连续填料室509的底部与梯形真空容料室507的进料口571之间设有闸板阀508；真空容料室507的上部安装有匀料电机506(输出功率1kW，转速在5～100r/min)，匀料电机506的输出轴通过B联轴器505与匀料水冷轴504的一端连接，匀料水冷轴504另一端一直沿伸至坩埚501内，匀料水冷轴504置于真空容料室507内；在本发明中，匀料电机506、B联轴器505、匀料水冷轴504构成匀料搅拌组件，通过匀料电机506驱动适当长度的匀料水冷轴504有利于原材料在连续熔炼过程中的熔炼均匀；坩埚501的底部设有一通孔，通孔上安装有流量控制盘503，坩埚501的埚体四周外部缠绕有水冷中频感应线圈502，水冷中频感应线圈502所需的中频电源的功率为5kVA，其频率调节范围为320～480Hz；流量控制盘503用于控制熔融硅的流量，即控制真空电磁感应熔炼单元5熔炼产生的熔融硅流入蒸发盘202中的速率。开启/关闭连续填料室509与真空容料室507之间的闸板阀508，可以实现向真空容料室507中持续供料，真空容料室507的真空为3×10⁴～5×10⁵MPa；包裹在石墨熔料坩埚501外部的水冷高频感应线圈502实现了对样品的直接加热，有利于样品原材料的熔炼均匀以及保持样品的熔融状态；匀料电机506是该单元的动力部分，它的作用是带动下面的匀料水冷轴504和流量控制盘503转动；匀料水冷轴504在匀料电机506的带动下，带动坩埚501内的熔料转动，起到搅拌熔料，促使杂质元素挥发的作用；流量控制盘503上设有通孔，通过调节的匀料电机506转速(5～100r/min)，可控制熔料从此通孔流入蒸发盘202的速率，从而可以实现熔料流量的控制，并配合熔炼和定向凝固等过程中的工艺参数控制，实现对整个提纯工艺的速率控制。电子束流保持在0.8～1.2A；坩埚501的熔炼温度保持在1550～1700℃；熔炼速率为2～2.5kg/h。

参见图3所示，所述定向凝固单元1包括有支架组件11、调节件12、驱动组件15、凝固组件18。参见图3A所示，支架组件11的支架101的上顶板111上从左至右开设有B孔107、A孔106、C孔108，支架101的下顶板112上从左至右开设有D孔109、E孔110，下顶板112与电机安装板102之间连接有齿轮安装箱103，电机安装板102的端面连接有下盖板105。参见图3B、图3C所示，调节件12包括有钢球(图中未示出)、弹簧126、轴承124、夹紧件123、挡板122、底座121，夹紧件123的轴中心设有A轴孔128，A轴孔128的四周设有多个圆孔125，圆孔125内用于放置弹簧126，在装配时，弹簧126的一端顶紧在挡板122上，弹簧126的另一端穿过圆孔125后与B齿轮154上的盲孔1661之间放置有钢球。挡板122的轴中心设有B轴孔129，底座121的轴中心设有C轴孔130，挡板122与底座121采用螺纹孔与螺钉(图中未示出)连接。

参见图3D所示，驱动组件15包括有两根丝杠(A丝杠151、B丝杠152)、五个齿轮(A齿轮153、B齿轮154、C齿轮155、D齿轮156、E齿轮157)、八个轴承(A轴承158、B轴承159、C轴承160、D轴承161、E轴承162、F轴承163、G轴承164、H轴承165)、传动轴166；H轴承165套接在B丝杠152的一端，B丝杠152的另一端顺次套接有A轴承158、E齿轮157、D轴承161；G轴承164套接在A丝杠151的一端，A丝杠151的另一端顺次套接有C轴承160、C齿轮155、F轴承163、B齿轮154；B轴承159套接在传动轴166的一端，传动轴166的另一端顺次套接有D齿轮156、E轴承162；A齿轮153与B齿轮154啮合，D齿轮156分别与C齿轮155、E齿轮157啮合；B齿轮154上设有多个圆形盲孔166；A齿轮153通过联轴器168与拉坯电机167的输出轴连接，联轴器168安装在电机安装板102上。在装配时，H轴承165安装在上顶板111的B孔107中，G轴承164安装在上顶板111的C孔108中，A轴承158安装在下顶板112的D孔109中，C轴承160安装在下顶板112的E孔110中；B轴承159、D轴承161、E轴承162、F轴承163、传动轴166安装在齿轮安装箱103内；A丝杠151的一端装配在H轴承165上，A丝杠151的另一端穿过A轴承158、E齿轮157、D轴承161；B丝杠152的一端装配在G轴承164上，B丝杠152的另一端穿过C轴承160、C齿轮155、F轴承163、B齿轮154；即A丝杠151、B丝杠152垂直安装在支架101的上顶板111与下顶板112之间。在拉坯电机167的驱动下，若A齿轮153沿顺时针方向运动，则B齿轮154沿逆时针方向转动，从而带动C齿轮155沿逆时针方向转动，在C齿轮155的传动方式下D齿轮156沿顺时针方向转动，在D齿轮156的传动方式下E齿轮157沿逆时针方向转动。

参见图3E、图3F所示，凝固组件18的长套管183的管座194安装在升降座181上，且管座194上设有进水口188(与冷却水管186导通)、出水口189(与长套管183导通)，长套管183另一端顺次穿过连接座182、连接件184后端部套接有水冷坩埚185，长套管183内安装有冷却水管186，且冷却水管186的一端与进水口188导通；进水口188通过管道与外部冷却池中的冷却水连通，出水口189通过管道将从长套管183排出的水回收至外部冷却池中，实现了对水冷坩埚185的连续循环冷却。套接在长套管183上的连接座182的下端盖192与支架101的上顶板111连接，上端盖193安装在真空室2的隔板201上，连接座182上的D接口187用于滴加密封油，连接座182内安装有多个垫圈；连接件184用于实现水冷坩埚185与长套管183的装配。在定向凝固单元1中，拉坯电机167是该单元设备的动力***，它的作用是带动齿轮组(A齿轮153、B齿轮154、C齿轮155、D齿轮156、E齿轮157)运动的同时，使双丝升降机构(A丝杠151、B丝杠152、升降座181)和长套管183进行升降运动，最终将铸碇从加热室抽出。双丝升降机构通过拉坯电机167(输出功率0.75kW，转速在5～50r/min)带动齿轮组进行升降运动，它又通过螺纹副带动长套管183来完成样品定向凝固过程。水冷坩埚185用于当熔料滴入到坩埚中时，坩埚中的液态金属则不断由下而上逐步凝固，从而可以拉出坯料，并利用各元素分凝系数的不同去除金属杂质。水冷坩埚185的保温温度为1100℃，拉坯速率保持在2～2.5kg/h。

本发明设备的工作过程为：

(1)实验前先称取5Kg的99.9％金属硅颗粒放入连续填料室509中，所述金属

硅颗粒中含有硼杂质为10ppm，磷杂质为15ppm，晶粒直径在0.5～2mm之间；

(2)打开冷却水池的总水源，让水从进水口188进入入长套管182中；

(3)打开电源；

(4)首先对真空容料室507抽真空，打开与A接口510相连的真空泵，抽真空度至10Pa；然后坩埚501在有水冷高频感应线圈502提供热源的条件下熔炼样品，熔炼温度1500℃，熔炼时间5～15min；

(5)打开与B接口203连接的真空泵对真空室2进行抽真空，抽真空度至0.001Pa，提纯开始；

(6)启动电子束提纯熔炼操作***，接通电子枪高压电源，调节电子枪的电压到18kV，电流为1A，调节聚焦和偏转磁场，使电子束对准蒸发盘202；

(7)启动等离子提纯熔炼操作***，把电流调到550～600A，调节聚焦和偏转磁场，使离子束对准集料盘204；

(8)当完成提纯后，关闭电子枪，离子枪供电高压电源，高频感应加热器的电源以及电机电源，关闭总电源，关闭总水源。

取出通过上述制备过程获得的样品，并利用超声波清洗30min，然后取出烘干20min。检测提纯后的样品，利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)以及电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)，硅的含量由99.9％增加到99.9999％，其中杂质硼和磷的含量以及主要的金属杂质的含量减少到1ppm以下。

Claims (7)

1.一种高能束流多晶硅提纯装置，包括有等离子熔炼单元、电子束熔炼单元，其特征在于：还包括有定向凝固单元(1)、真空室(2)、真空电磁感应熔炼单元(5)，真空电磁感应熔炼单元(5)安装在真空室(2)的凹形面(215)上；电子束熔炼单元的A电子枪(41)安装在真空室(2)的左斜面(213)上，B电子枪(42)安装在真空室(2)的右斜面(214)上；等离子熔炼单元的A等离子枪(31)安装在真空室(2)的左壳体(216)上，B等离子枪(32)安装在真空室(2)的右壳体(217)上；定向凝固单元(1)的连接座(182)安装在真空室(2)的隔板(201)上；

所述真空室(2)被隔板(201)分隔成上真空腔(211)和下真空腔(212)；真空室(2)的顶部设有左斜面(213)、凹形面(215)、右斜面(214)，且左斜面(213)与右斜面(214)之间是凹形面(215)；上真空腔(211)内安装有蒸发盘(202)、集料盘(204)，且蒸发盘(202)放置在集料盘(204)的上方；B接口(203)设在上真空腔(211)的壳体上；

所述真空电磁感应熔炼单元(5)从上至下设有连续填料室(509)、闸板阀(508)、真空容料室(507)、坩埚(501)、流量控制盘(503)；连续填料室(509)的上部设有A接口(510)和C接口(511)，连续填料室(509)的底部与梯形真空容料室(507)的进料口(571)之间设有闸板阀(508)；真空容料室(507)的上部安装有匀料电机(506)，匀料电机(506)的输出轴通过联轴器(505)与匀料水冷轴(504)的一端连接，匀料水冷轴(504)另一端一直沿伸至坩埚(501)内，匀料水冷轴(504)置于真空容料室(507)内；坩埚(501)的底部设有一通孔，通孔上安装有流量控制盘(503)，坩埚(501)的埚体四周外部缠绕有水冷高频感应线圈(502)；

所述定向凝固单元(1)包括有支架组件(11)、调节件(12)、驱动组件(15)、凝固组件(18)；

支架组件(11)的支架(101)的上顶板(111)上从左至右开设有B孔(107)、A孔(106)、C孔(108)，支架(101)的下顶板(112)上从左至右开设有D孔(109)、E孔(110)，下顶板(112)与电机安装板(102)之间连接有齿轮安装箱(103)，电机安装板(102)的端面连接有下盖板(105)；

调节件(12)包括有钢球、弹簧(126)、轴承(124)、夹紧件(123)、挡板(122)、底座(121)，夹紧件(123)的轴中心设有A轴孔(128)，A轴孔(128)的四周设有多个圆孔(125)，圆孔(125)内用于放置弹簧(126)，挡板(122)的轴中心设有B轴孔(129)，底座(121)的轴中心设有C轴孔(130)，挡板(122)与底座(121)采用螺纹孔与螺钉连接；

驱动组件(15)包括有A丝杠(151)、B丝杠(152)、A齿轮(153)、B齿轮(154)、C齿轮(155)、D齿轮(156)、E齿轮(157)、A轴承(158)、B轴承(159)、C轴承(160)、D轴承(161)、E轴承(162)、F轴承(163)、G轴承(164)、H轴承(165)、传动轴(166)；H轴承(165)套接在B丝杠(152)的一端，B丝杠(152)的另一端顺次套接有A轴承(158)、E齿轮(157)、D轴承(161)；G轴承(164)套接在A丝杠(151)的一端，A丝杠(151)的另一端顺次套接有C轴承(160)、C齿轮(155)、F轴承(163)、B齿轮(154)；B轴承(159)套接在传动轴(166)的一端，传动轴(166)的另一端顺次套接有D齿轮(156)、E轴承(162)；A齿轮(153)与B齿轮(154)啮合，D齿轮(156)分别与C齿轮(155)、E齿轮(157)啮合；B齿轮(154)上设有多个圆形盲孔(1661)；A齿轮(153)通过A联轴器(168)与拉坯电机(167)的输出轴连接，A联轴器(168)安装在电机安装板(102)上；

凝固组件(18)的长套管(183)的管座(194)安装在升降座(181)上，且管座(194)上设有进水口(188)、出水口(189)，长套管(183)另一端顺次穿过连接座(182)、连接件(184)后端部套接有水冷坩埚(185)，长套管(183)内安装有冷却水管(186)，且冷却水管(186)的一端与进水口(188)导通；套接在长套管(183)上的连接座(182)的下端盖(192)与支架(101)的上顶板(111)连接，上端盖(193)安装在真空室(2)的隔板(201)上，连接座(182)上的D接口(187)用于滴加密封油，连接座(182)内安装有多个垫圈；连接件(184)用于实现水冷坩埚(185)与长套管(183)的装配。

2.根据权利要求1所述的多晶硅提纯装置，其特征在于：电子束熔炼单元的A电子枪(41)、B电子枪(42)的输出功率为30kW。

3.根据权利要求1所述的多晶硅提纯装置，其特征在于：等离子熔炼单元的A等离子枪(31)、B等离子枪(32)的输出功率为45kW。 

4.根据权利要求1所述的多晶硅提纯装置，其特征在于：电子束流保持在0.8～1.2A；坩埚(501)的熔炼温度保持在1550～1700℃；熔炼速率为2～2.5kg/h。

5.根据权利要求1所述的多晶硅提纯装置，其特征在于：水冷坩埚(185)的保温温度为1100℃，拉坯速率保持在2～2.5kg/h。 

6.根据权利要求1所述的多晶硅提纯装置，其特征在于：匀料电机(506)的输出功率1kW，转速在5～100r/min。

7.根据权利要求1所述的多晶硅提纯装置，其特征在于：拉坯电机(167)的输出功率0.75kW，转速在5～50r/min。

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