发明内容

本发明的目的在于针对上述现有多晶硅定向凝固技术在金属杂质去除方面存在的不足，特别的是本发明重点以2-4N级工业硅为原料制备纯度为6-7N级多晶硅的方法，提供一种冶金法太阳能级多晶硅的定向凝固提纯装置与定向凝固方法，该装置具有单炉产能大、除杂效果好、连续化生产，工序时间短、运行能耗低等的特点，适合于规模化生产。

本发明的整体构思为：一种多晶硅离心定向凝固提纯装置与方法技术，采用旋转离心定向凝固原理，即通过一中间腔体通有循环冷媒的冷却体以一定转速插入熔融硅液中，由于冷却体与熔融硅液存在较大温度梯度，硅液会在冷却体上凝固一层纯度高的结晶体，间隔一段时间后将冷却体与结晶体一同上升并借助外力分离，达到快速高效提纯的目的。

根据定向凝固杂质偏析原理得知，提纯效果与杂质元素的有效分凝系数k_eff有关，为了降低k_eff值通常采取减缓晶体生长速度与减少固液界面杂质富集层厚度的方法。熔融硅液在凝固结晶过程中，如宏观上固相、固液界面、液相处于相对静止状态，减缓晶体生长速度目的是抑制晶粒的不稳定平衡生长，原因是硅属于小平面相，不同晶面自由能不相同，表面自由能最低的晶面会优先生长，较快的晶体生长速度就会加大固液界面（即杂质富集层）厚度，无法形成较大的温度梯度（短距离大温差）而使过多的分叉树枝状晶体生长，树枝晶体数量的增加即增加了晶界的数量，杂质易富集在晶界中，达不到高效去除杂质的目的。但工业上减缓晶体生长速度等同于降低生产效率没有实际意义，而增加温度梯度、减少富集层厚度是行之有效的方法。

采用旋转离心定向凝固技术，在熔融硅液插入旋转的冷却体直接带动固液界面侧液相加速流动，流动硅液携带的热能量使固液界面与液相中高温区的距离缩短，利于大温度梯度的形成，有效抑制晶体树枝晶的生长，固液界面会以较佳状态稳定平衡推进快速生长，当晶体固相厚度达到一定值破坏这种平衡状态即可结束本轮结晶。同时流动的硅液，加快固液界面附近杂质向熔体扩散的速度，从而大大降低杂质富集层厚度，降低杂质有效分凝系数，增强提纯效果。此外，旋转离心定向凝固结构也有利于熔池体积V与固液界面面积S之比（V / S）的加大设计，固相凝固结晶排出的杂质可以充分混合到液相熔池中，也增强提纯效果。故本发明的目的是利用旋转离心定向凝固技术，从装置设备功能的实现和操作工艺的协作配合是可以达到高效、低成本去除太阳能级多晶硅金属杂质，克服了现有技术和装备的不足。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：

一种多晶硅离心定向凝固提纯装置，该装置主要包括主炉室、副炉室、下炉体、冷却体及升降旋转装置、坩埚体及升降倾倒机构、硅料二次加料系统、立柱及副炉室提升机构、冷媒闭路循环系统、真空系统、炉温控制系统、电源电控系和炉体循环水冷系统。

主炉室由炉底、炉筒、炉盖组成，各部件均采用不锈钢焊接而成，并采用双层水冷结构；主炉室中设置电阻加热器、保温热场；所述电阻加热器为环形高纯石墨加热器，通过炉筒下侧多根空心水冷结构电极杆与电源连接；所述保护热场为石墨筒、石墨盖板、硬质或软质碳毡构成，保证热场温区温度可达到1600℃上下；炉盖为椭圆型封头结构，炉盖正面设有水冷结构的石英玻璃观察窗，通过观察窗观测炉内运行状况。此外，在炉筒外侧中部设置有一红外测温计接口，与炉温控制系统连接；在炉筒外侧下部设置有真空管道接口，与炉体真空系统连接。

所述副炉室置于主炉室正上方，两室之间设有两道真空闸板阀；副炉室上部设置冷却体升降旋转装置，采用垂直的双直线导轨及滚珠丝杠组合滑台，由步进电机、减速器驱动丝杠旋转，丝杠螺母带动升降架上升下降；升降架通过固定的上下两个磁流密封体与冷却体、循环冷媒管路连接，并在冷却体杆外部设置楔形带轮，旋转电机通过楔形带带动冷却体旋转，即可实现副炉室内的冷却体上升下降、旋转和中空通气功能，冷却体伸出副炉室部分采用金属焊接波纹管密封；

所述副炉室上部设置的冷却体升降旋转装置，其冷却体上升下降行程应满足从副炉室插入到主炉室坩埚硅液液面下约200mm的距离。冷却体表面每次结晶生长硅晶体后提升回副炉室，关闭主副炉室之间的真空闸板阀后，可在维持主炉室工艺气氛不变的情况下，打开副炉室前置炉门，敲击分离结晶体硅料。

所述冷却体分为上下两部分，下部为内外两层高纯石墨件，上部为内外两层金属耐高温不锈钢管，螺纹密封连接而成；下部内层中空底部分布数个小孔与外层内腔连通，冷媒通过磁流密封体进入冷却体内层中空，在冷却体底部头部从内侧冷却外层，再通过内层与外层的腔体经磁流密封体返出炉室外；所述冷却体内外两层之间除底部头部还需设置隔热层，尽可能防止冷媒在冷却体较长的杆部上下传输过程中进行热交换，使冷媒冷量直达冷却体底部头部，形成固液界面较大的温度梯度，隔热层采用性能优越的耐温气凝胶材质。

所述冷媒为安全惰性气体，包括氦气、氩气、氮气等中的一种，优选氩气。

所述冷媒闭路循环系统包括不锈钢管道、阀门、罐体、气体压缩循环泵、水箱热交换器、气体流量控制器、压力表、释压阀和安全阀，上述各零部件通过管线相连。冷媒进入冷却体内的密闭空腔受热膨胀，再返出炉体通过水箱热交换器冷却进入罐体缓冲，与气体循环泵形成密封闭路循环，最大限度减少冷媒使用量。

所述坩埚体为电弧石英坩埚或陶瓷石英坩埚，以及坩埚外置的高纯石墨三瓣锅保护体，可承受1600℃温度。高纯石墨三瓣锅保护体上沿扣紧固定坩埚，置于坩埚石墨底托台阶上，并与陶瓷隔热板一同通过石墨或陶瓷螺栓连接到坩埚升降倾倒机构的上层托板上。

所述下炉体为矩形立方体单层不锈钢板结构，外部焊接加强槽钢筋板，内部炉壁均设置硬质碳毡保温层，在下炉体前方或后方开设真空密封的检修清炉炉门，在侧方开设废硅料出料炉门。

所述坩埚升降倾倒机构采用双液压缸结构，一只为单级伸缩防转液压缸负责坩埚升降，一只为二级或多级伸缩液压缸负责坩埚倾倒。所述升降液压缸坩埚托板为上下两层，上层为圆形夹层板结构，下层为矩形单板开槽带加强筋板结构，上下两层通过一侧用转轴铰链连接，另一侧与坩埚倾倒液压缸缸体前端及推杆头部转轴铰链连接，倾倒液压缸置于下层托板的侧方下。

所述硅料二次加料系统设置在主炉室炉盖上，采用液压转轴下翻板密封结构，利用重力通过硅料导管（石墨材质）将待提纯颗粒硅料加入坩埚中。在盛装硅料筒体上侧连通真空管道、阀门，当需要加料时，先关闭翻板及真空阀门，进行真空泄压，再打开盛装硅料筒体上盖装入硅料，然后关闭上盖密封，开启真空阀门进行气体置换抽真空，盛装硅料筒体真空负压与主炉室一致时，打开翻板、硅料下滑加入坩埚。实现在维持主炉室工艺气氛不变的情况下，进行二次加料工艺操作。

所述盛装废硅料筒体为石墨材质，其下部安装滚轮及限位轨道，方便停炉后废硅料的出炉操作。

所述立柱及副炉室提升机构，采用梯形丝杠、丝母结构，在停炉状态下，由减速电机旋转驱动提升副炉室与主炉室炉盖一同上升，配合手动侧拉开启主炉室，进行清理、检查、维修操作。提升机构的提升支架既是与副炉室的连接体，也是冷却体升降旋转装置滚珠丝杠组合滑台的垂直基座。

一种多晶硅离心定向凝固提纯方法，包括如下步骤：

步骤1：首次开炉或停炉再次开炉的初始状态下，将硅料放置在坩埚中，升起坩埚至主炉室，开启真空系统进行气体置换抽真空，检漏＜3Pa/10min合格后向炉内充入保护氩气，维持炉压10000-12000Pa，开启石墨加热器电源开关，每间隔0.5小时调节一次功率，炉温升至1550℃并维持，待固体硅料完全熔化后，降低加热功率，控制炉温至1450～1480℃；

步骤2：打开冷却体旋转电源，设定旋转速度20～80r/min，并向冷却体内通入大流量循环冷媒介质，打开主副室之间的两道真空闸板阀，将冷却体快速下降至硅液液面处，再以10mm/s的速度缓慢插入硅液液面下200mm位置，进行旋转离心定向凝固结晶提纯；待结晶体厚度到达30～40mm（约8～10公斤），以10mm/s的速度缓慢提升冷却体离开液面，再以20mm/s的速度提升至副炉室内，快速关闭两道真空闸板阀；

步骤3：对副炉室充气真空泄压，关停冷却体旋转，打开副炉室炉门，放入承接容器，轻敲结晶体上边缘，使结晶体与冷却体脱离，取出。关闭副炉室炉门，进行副炉室气体置换抽真空，充入保护氩气；

步骤4：按照循环步骤2、3，进行多次旋转离心定向凝固结晶提纯，其整个过程中持续向冷却体内通入大流量循环冷媒介质，不得间断；

步骤5：待结晶提纯坩埚硅液面下降至总液体高度不足250mm时，在维持主炉室工艺气氛不变的情况下，进行二次加料工艺操作。先关闭二次加料系统翻板及真空管道阀门，进行真空泄压，再打开盛装硅料筒体上盖装入硅料，硅料为5-20mm颗粒粒径，然后关闭上盖密封，开启真空管道阀门进行气体置换抽真空，待盛装硅料筒体真空负压与主炉室一致时，打开翻板、硅料沿导管下滑加入坩埚。加料完成后关闭二次加料系统翻板及真空管道阀门，进行加热熔化，重复步骤4。

步骤6：重复循环步骤4、5，进行2-3次后，开始坩埚下降倾倒工艺操作，此时冷却体升至副炉室、真空闸板阀关闭，二次加料系统真空管道阀门关闭，开始下降坩埚到指定位置，启动倾倒机构，将坩埚中的剩余熔融硅料倒入盛装废硅料容器中，返回倾倒机构，升起坩埚至主炉室，进行再次的二次加料、熔化、提纯循环工艺操作；

步骤7：视装置设备运行情况，进行停炉冷却、取出废硅料、清理、检查检修、更换坩埚。

本发明具有如下显著效果：

1、本发明装置，利用冷却体旋转带动固液界面侧液相硅液加速流动，降低杂质富集层厚度，降低杂质有效分凝系数，强化提纯效果。

2、冷却体凝固生长结晶体到达一定厚度时提升取出，更加符合增强温度梯度技术要求，虽工艺操作智能化不强，但合理高效利用冷媒冷量，减低生产能耗，稳定提纯效果，提高单位时间生产产能。

3、冷媒采用惰性气体，减少了安全生产危险因素，增强了装置运行的操作安全性。

4、本发明实现了冷却体升降旋转、二次加料及坩埚升降倾倒等功能组合，使整体装置设计合理紧凑，实现了离心定向凝固提纯连续化规模化工业生产需要，单炉生产能力高，生产效率、硅料利用率也大大提高。

5、本发明连续化生产坩埚利用率高，出炉提纯结晶硅料与废硅料自然分开，无需锯切硅锭工序，降低其破碎强度，节约大量生产成本。