专利名称：在转运包中去除金属硅中硼的方法
技术领域：
本发明涉及一种硅提纯技术，更具体地说涉及一种在转运包中去除金属硅中硼的 方法。
背景技术：
金属硅是制作半导体器件和太阳能电池的重要原料，一般生产金属硅的方法是将 高纯度石英投入到矿热炉熔化，用碳质作还原剂，在矿热炉中将硅石还原成硅，可以得到 98 99.9%的金属硅。而太阳能电池所需的硅纯度在5个9以上，半导体器件所需硅纯度 在9个9以上，不同的用途，将对杂质有不同的要求。由于金属硅纯度太低，将不能直接做 太阳能电池和半导体器件，杂质主要为碳、硼、磷等非金属杂质和Fe、Al、Ca等金属杂质，要 使金属硅在太阳能电池和半导体器中应用，必须采用物理法或化学法对金属硅将进一步提 纯，其中降硼是其能否作为太阳能电池等级硅的关键工艺。在金属硅中，杂质含量通常在0.5%以上，其中硼和磷杂质的浓度为(20 60) xlO-6，金属杂质Fe的浓度为(1600 3000)xl0-6，Al的浓度为(1200 4000) xl0_6。除硼 以外，C在凝固时可以使SiC析到表面上，固溶的碳可以通过氧化精炼形成CO加以去除；磷 可以利用其蒸汽压较高的特点真空进行去除；其他金属杂质的分凝系数都较小，在10-5左 右或者更小，所以能够通过定向凝固等方法予以去除。由于硼在硅中的分凝系数大于0.8， 很难通过定向凝固的方法将它们去除。而硼杂质含量多少可以决定硅材料的导电类型以及 掺杂效果。目前，金属硅中去除硼杂质的主要方法是将金属硅加热熔化，向该金属硅溶液表 面喷吹高温、高速的等离子流，使硼形成氧化物而加以去除，但是这样会在液态金属硅表面 易形成氧化硅薄膜，硼的去除速度慢，处理时间长，成本高，难以实现工业化生产。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术不足之处而提供一种制作工艺简单、低成本、高效 率地在转运包中去除金属硅中硼的方法。本发明的目的是通过以下措施来实现一种在转运包中去除金属硅中硼的方法， 其特征在于该方法包括首先将矿热炉中还原后的液态金属硅至转运包中；然后将预热后 的混合气体从转运包底部吹入液态金属硅中，所述混合气体由高纯氧气、水蒸气、氩气组 成；经充分反应去杂后的液态金属硅从转运包底部流出并进行浇铸，得到高纯度的金属硅。所述由高纯氧气、水蒸气、氩气组成的混合气体中氧气的浓度为0_25%，水蒸气的 浓度为5-20%，其余为氩气。所述水蒸气的浓度在20%时为最佳。所述液态金属硅的温度为1600 1800°C。所述液态金属硅的最佳温度为1800°C。所述由高纯氧气、水蒸气、氩气组成的混合气体中氩气的纯度大于99. 999%，氧气 的纯度大于99. 999 %，水蒸汽纯度大于99. 99 %。
所述高纯氧气、水蒸气、氩气预热温度保持在180(TC以上。所述高纯氧气、水蒸气、氩气在压力平衡器之前混合，经压力平衡器进入至转运 包。所述充分反应的时间为2. 4 2. 6小时。与现有技术相比，由于采用了本发明提出的在转运包中去除金属硅中硼的方法， 通过预热高温下的高纯氧气、水蒸气和氩气混合气体从转运包底部吹入熔融状态下的金属 硅内部，去除硼和磷杂质效果明显，其它部分杂质经过氧化生成易发挥物质被气体携带走 或漂浮在金属硅液体表面，使金属硅中的杂质明显下降。该技术与其它去除硼方法相比较 具有明显的经济优势，可大幅降低能量消耗，缩短去杂工艺，实现低成本、高纯度金属硅的 工业化生产，对大规模生产有重要意义。
图1为在转运包中金属硅去除硼示意图。其中1-交流电弧放电电极；2-转运包体；3-绝热保温层；4-液态金属硅；5-出 硅口 ；6-海绵状多孔风口 ；7-四通进风管；8-混合气体预热系统；9-线圈加热器；10-压 力平衡器；11-压力调节控制系统；12-高纯氧气压力控制阀；13-高纯水蒸气压力控制阀； 14-高纯氩气压力控制阀；15-精炼容器；16-100 130V交流电源。
具体实施例方式下面结合附图对具体实施方式
作详细说明本发明的方法按下列步骤实施首先，将矿热炉中还原后的液态金属硅至转运包中金属硅放入到转运包精炼容器 中，并用交流电弧放电加热。加热使金属硅液体温度保持在1600 1800°C。其次，打开 混合气体高纯氧气、水蒸气、氩气预热系统，流经压力平衡器的混合气体进入预热系统，所 述由高纯氧气、水蒸气、氩气组成的混合气体中氩气的纯度大于99. 999%，氧气的纯度大于 99. 999%，水蒸汽纯度大于99. 99%。对气体进行加热，使混合气体的温度在1800°C以上， 使水蒸气分解成氧气和氢气。再次，按照压力调节控制系统调节高纯氧气、水蒸气和氩气的 压力比，控制其流量，使氧气、水蒸气和氩气的浓度比达到要求，氧气的含量为0-25%，水蒸 气的浓度为5-25%，其余为氩气(50-95%)。通过压力平衡器，保证在一定的流速下，氧气、 水蒸气和氩气的压力比处于稳定状态，使混合气体以大于液压底部压力的恒压进入预热系 统。继之，混合气体以一定的速度从转运包底部吹入金属硅熔体中，然后到达液态硅表面， 氩气的主要作用是可以形成保护气氛，液态金属硅中的硼与氢气和氧气生成易挥发性硼氢 化物等物质，液态金属硅中的磷在高温下蒸发去除，吹入的气体可以携带这些反应气体、反 应粉末和反应液体挥发至空气中，液态金属硅中的其它金属杂质则与氧气发生反应生成氧 化物，漂浮在金属硅液表面。在吹入混合气体过程中，随着水蒸气的浓度越高，金属硅中的硼去除速度越快，但 金属硅液表面的氧化硅膜生成速度也相应的加快，因而阻碍去除硼的概率也相应的增大。 因此，水蒸气应有一个适当的浓度值，使液态硅表面形成的氧化硅薄膜对去除硼影响小，而 去除硼的速度高且稳定，试验表明，水蒸气的浓度最高在20% (分压比)时可以去硼杂质速度最快。经预热后温度高于1800°C的高纯水蒸气、氢气、氩气和氧气的混合气体通过容器 底部吹入液态金属硅，进气孔分三路进入硅液，保证混合气体与液态硅充分接触。进气管由 紫铜管制作而成。由负反馈控制器进行控制水蒸气和氧气的流量，使它们吹入的混合气体 按照设定的气压百分比进行。金属硅液在吹入混合气体过程中，气体吹入相当于加快了金属硅熔体的搅拌，使 杂质扩散加快，化学反应加剧，有利于杂质的去除。去除杂质后的金属硅液从精炼容器底部流出，漂浮在金属液态硅表面的杂质将最 后留在精炼容器内，最后清除掉。金属硅液在1600 1800°C温度范围内去除硼和蒸发磷， 得到的产品经检测磷的含量小于3ppmwt，硼的含量小于lppmwt，完成提纯得到高纯度的多晶娃。下面例举实施例进一步说明实施例1 将矿热炉中还原后的液态金属硅500kg至转运包15精炼容器中，打开 交流电源14，使电弧放电电极1放电加热，使熔融态金属硅的温度保持在1650 1660°C。 开通氧气气压阀12、水蒸气的气压阀13和氩气气压阀14，使氧气的含量为20%，水蒸气的 含量为10%，其余为氩气；混合气体经过压力平衡器10后的流量为350升/分，并通过预 热系统8用加热线圈加热9进行加热，使混合气体保持在1800°C以上，然后通过防止倒流 的海绵状多孔风口 6吹入到金属液态硅4中，使高纯水蒸气、氩气、氢气和氧气与液态硅充 分接触反应；混合气体从底部经金属液态硅上升到硅液表面，气泡翻滚，起到搅拌液态硅作 用，加剧混合气体与杂质的反应。吹入150分钟，然后经出硅口 5浇注液态硅铸型，经检测 其硼的含量为0. 79ppmwt，磷含量为2. 3ppmwt。实施例2 将500kg的金属硅熔化，保持金属硅液的温度在1700 1710°C。使氧 气的含量在15%，水蒸气的含量为15%，其余为氩气；混合气体的流量为350升/分，并通 过预热系统加热温度保持在1800°C以上吹入到液态硅中，吹入150分钟，然后经出硅口浇 注铸型，经检测其硼的含量为0. 56ppmwt，磷含量为1. 9ppmwt0实施例3 将500kg的金属硅熔化，保持金属硅液的温度在1800°C。使氧气的含量 在10%，水蒸气的含量为20%，其余为氩气；其它条件如上述实施条件相同，混合气体的流 量同样为350升/分，并通过预热系统加热让温度保持在1800°C以上吹入到液态硅中，吹入 150分钟，然后经出硅口浇注铸型，经检测其硼的含量为0. 37ppmwt，磷含量为1. 4ppmwt0上述实施例并不购成对本发明的限制，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得 的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于该方法包括首先将矿热炉中还原后的液态金属硅至转运包中；然后将预热后的混合气体从转运包底部吹入液态金属硅中，所述混合气体由高纯氧气、水蒸气、氩气组成；经充分反应去杂后的液态金属硅从转运包底部流出并进行浇铸，得到高纯度的金属硅。
2.根据权利要求1所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述由高纯 氧气、水蒸气、氩气组成的混合气体中氧气的浓度为0-95%，水蒸气的浓度为5-20%，其余 为氩气。
3.根据权利要求2所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述水蒸气 的浓度在20%时为最佳。
4.根据权利要求1或2所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述液 态金属硅的温度为1650 1800°C。
5.根据权利要求4所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述液态金 属硅的最佳温度为1800°C。
6.根据权利要求1或2所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述 由高纯氧气、水蒸气、氩气组成的混合气体中氩气的纯度大于99. 999%，氧气的纯度大于 99. 999 %，水蒸汽纯度大于99. 99 %。
7.根据权利要求1或2所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述高 纯氧气、水蒸气、氩气预热温度保持在180(TC以上。
8.根据权利要求1或2所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述高 纯氧气、水蒸气、氩气在压力平衡器之前混合，经压力平衡器进入至转运包。
9.根据权利要求1或2所述的在转运包中去除金属硅中硼的方法，其特征在于所述充 分反应的时间为2. 4 2. 6小时。
全文摘要
本发明涉及一种在转运包中去除金属硅中硼的方法。其包括首先将矿热炉中还原后的液态金属硅至转运包中；然后将预热后的混合气体从转运包底部吹入液态金属硅中，所述混合气体由高纯氧气、水蒸气、氩气组成；经充分反应去杂后的液态金属硅从转运包底部流出并进行浇铸，得到高纯度的金属硅。本发明通过预热高温下的高纯氧气、水蒸气和氩气混合气体从转运包底部吹入熔融状态下的金属硅内部，去除硼和磷杂质效果明显，其它部分杂质经过氧化生成易发挥物质被气体携带走或浮于液态金属硅表面，使金属硅中的杂质明显下降。该技术与其它去除硼方法相比较具有明显的经济优势，可大幅降低能量消耗，缩短去杂工艺，实现低成本、高纯度金属硅的工业化生产有重要意义。
文档编号C01B33/037GK101850976SQ20091004870
公开日2010年10月6日 申请日期2009年4月1日 优先权日2009年4月1日
发明者赵百通, 高文秀 申请人:高文秀