中国资源综合利
China Resources Comprehensive Utilization
Vol35No9
2017 年 9 月
25
实验研究
电子束炉熔炼晶硅硼铁杂质研究
侯宝峰
（宁夏新研究院（限公司）银川 750021）
摘：晶硅中 B Fe 元素必须硅原料进行高温增氧预处理熔炼坩埚中敷设两块叠
放高纯 SiC 板进行电子束炉熔炼提纯研究表明粒径25 mm 块状硅料进行增氧预处理电
子束炉熔炼提纯BFe 杂质元素明显降低B Fe 率分达 9925 997熔炼坩埚中敷
设两块叠放高纯 SiC 板明显提高 BP 率降低熔炼耗熔炼直接耗 20 kW·hkg
硅块料增氧预处理硅熔炼挥发损失较
关键词：太阳级晶硅电子束炉硼铁真空熔炼
中图分类号：TQ1272 文献标识码：A 文章编号：10089500(2017)09002504
Study on Boron and Iron Impurities in Polycrystalline Silicon Smelted by
Electron Beam Furnace
Hou Baofeng
(Ningxia New Energy Research Institute (Co Ltd) Yinchuan  750021 China)
Abstract In order to remove the B and Fe elements in polysilicon it is necessary to pretreat the silicon raw material by
high temperature and oxygen The two high purity SiC plates are laid in the melting crucible and purified by electron beam
furnace melting The results show that the B and Fe removal rates of B and Fe are up to 9925 and 997 respectively
after aerobic pretreatment and electron beam furnace melting with particle size less than 25 mm The two kinds of high
purity SiC plates stacked in the crucible can obviously improve the removal rate of B and P reduce the energy consumption
of smelting and the direct energy consumption is 20 kW•hkg The pretreatment of silicon block The loss of silicon melting
is greater
Keywords solar grade polysilicon electron beam furnace boron removal iron removal vacuum melting
太阳光伏产业新兴阳产业
快速发展创新绿色产业太阳级晶硅太阳
光伏市场核心原料市场需求量年 20
幅度急剧增长巨市场需求激烈价格竞争
促世界国研究开发环保低成太阳级晶
硅生产技术
目前晶硅生产方法改良西门子法
硅烷法冶金法等 [16]改良西门子法硅烷法生产
晶硅纯度较高纯度达 9 ～ 11 9
做太阳级原料时需晶硅中掺入定
量硼磷镓者砷改良西门子法硅烷法生产
晶硅设备投入高中间产物者副产物毒性易
爆炸相冶金法生产太阳级晶硅具
设备投入低环境污染易产业化等优点吸引
国外许企业进行研究生产
冶金法太阳级晶硅技术包括碳热原法
造渣精炼真空熔炼提纯湿法冶金定凝固等
离子体熔炼电子束熔炼等工艺方法中种工
艺方法相结合综合技术 [713]电子束熔炼提纯冶
金法制备太阳级晶硅关键方法利高
量密度电子束作加热热源进行浅熔池高
热度高真空度熔炼饱蒸气压硅高杂
收稿日期：20170712
基金项目：文系国家科技支撑计划冶金法制备太阳级晶硅关键技术研究工业示范（项目编号： 2011BAE031301）阶段性研
究成果
通讯作者：侯宝峰（1973）男陕西扶风 高级工程师事硅材料研究光伏检测houbaofeng@sinacom
万方数
中国资源综合利 第9期
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实验研究
质元素采电子束炉熔炼提纯晶硅效
PAl 等杂质采电子束炉进行熔炼提
纯法降低硼元素含量反会出现富集现象
谭毅等物料中添加碱性造渣剂电子束炉中进
行熔炼降低硼元素含量该方法避免
碱性造渣剂二次引入金属杂质降低晶
硅品质 [14]目前没种效采电子束炉熔
炼提纯晶硅方法保证降低硼杂质时增
加杂质文采原料增氧预处理熔炼坩埚
敷设两块叠放高纯 SiC 方法解决电子束炉提纯
晶硅难降低硼铁杂质难题
1 试验
11  实验原理
111  硅料增氧预处理
硅料增氧预处理目硅块料表面形成
层氧化层硅块中 BFe 热处理中扩散
硅块表面利续 BFe 般认
硼 SiSiO2 界面处分凝系数 03硼高温更
容易进入二氧化硅层中 [15]空气中硅块进
行高温煅烧表面会形成层氧化层效
硅块部 B 扩散硅块表面够保证电子
束炉熔炼硅块时B O 快速反应
112  电子束熔炼提纯
根真空蒸发提纯原理高温高真空度
条件饱蒸汽元素挥发性饱蒸汽
元素时熔炼程中杂质硅熔体表面蒸
发硅基体会蒸发终杂质浓缩
取决杂质硅蒸发晶硅中杂质元素
FeAlCaPBCO 等图 1 示
电子束熔炼提纯晶硅时硅液中 PCaAl 会容
易气体形式BTi 杂质元素气体形
式 [16]Fe 蒸发力硅法电子
束炉熔炼时
Si 液中 BFe 杂质元素需 B
Fe 元素转化饱蒸气压硅高物质BFe 杂质
元素低价氧化物 BOxFeO 饱蒸气压 Si 高
电子束炉熔炼提纯晶硅时保证硅液中存定
量 O2实现 B Fe 熔炼前硅
块料进行适量表面氧化增氧实现 BFe 杂
质元素效
图 1 硅中杂质元素饱蒸气压曲线
113  熔炼坩埚敷设高纯 SiC 板
熔炼坩埚敷设两叠层高纯 SiC 板熔炼程
中水冷铜坩埚会直接硅液热量带走热量
直接硅液中传铜坩埚热量损失非常熔炼
坩埚底部敷设两层叠放 SiC 板热量传导分
成 3 段传导传热特SiC SiC 间存接触界面
降低热传导效率减少熔炼热量损失
12  原料试验装置
试验采粒径 25 mm 硅块料原料
成分表 1 示试验装置三枪电子束炉设
备示意图图 2 示中左右两电子枪硅料熔炼
提纯中间电子枪硅液二次熔炼定凝固梯
度热源试验装置实现电子束真空熔炼定
凝固耦合提纯
表 1 硅料成分（ppmw）
元素 C O B P Al Ca Fe Mn Na
含量 439 145 1211 908 240 155 1730 091 451
图 2 电子束熔炼炉
13  试验方法
试验采试验批次硅料中分
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侯宝峰：电子束炉熔炼晶硅硼铁杂质研究 实验研究
取三批硅料分编方案 1#方案 2# 方案 3#方
案 1# 料进行增氧预处理直接进入电子束炉中熔
炼方案 2# 料进行试验：硅块料放入高温电
阻炉5℃ min 速度快速升温 600℃保温4 h
5℃ min 速度快速升温 1 000℃保温 8 h
然降温室温出料增氧预处理硅块料装入
电子束炉进行熔炼炉室真空度保持 103Pa 级枪
室真空度保持 103Pa 级熔炼坩埚中埚化料
熔炼时间40 min电子束炉熔炼工艺方案1#相
熔炼结束炉硅锭降室温停炉取出硅锭
锯床分切掉锥台形硅锭表皮底端层然硬
质合金锤敲掉硅锭部芯部较疏松金属杂质富集
部位硅锭破碎制晶硅方案 3# 采
方案 2# 相硅料预处理熔炼工艺区：方
案 3# 熔炼时熔炼坩埚底部敷设两块紧密叠放
高纯 SiC 板熔炼功率方案 2# 熔炼功率相
埚化料熔炼时间 20 min
电子束炉熔炼试验结束采二次离子质谱仪
（SIMS）硅材料成分进行取样测试含量取质量
百分浓度（ppmw）
2 结果讨
21  电子束熔炼杂质含量
电子束炉熔炼处理晶硅成分检测结
果表 2 示表 2 中出方案 1# 电子
束炉熔炼杂质元素含量降低非金属元素 O
P 降低明显金属元素 NaAlCa 明显降低BP
Fe 相降低明显方案 2# 出硅中金属元
素非金属元素明显降低批次 3# 中金属元素
非金属元素相方案 2# 降低更明显特难
BFe 元素
表 2 电子束炉熔炼前杂质含量（ppmw）
C O B P Fe Ca Mn Na Al
原料硅 439 145 1211 908 1730 155 091 451 240
批次 1# 033 ＜ 057 1013 008 175 005 001 0009 ＜ 001
批次 2# ＜ 017 ＜ 057 009 ＜ 001 ＜ 005 ＜ 005 0007 0007 ＜ 001
批次 3# ＜ 017 ＜ 057 0015 ＜ 001 ＜ 005 ＜ 005 0005 ＜ 0006 ＜ 001
22  硅挥发损失
熔炼结束时扣硅坩埚壁粘连损失计
算熔炼前硅挥发损失率图 3 示方案 1# 硅
挥发损失 10方案 2 挥发损失 122方案 3#
挥发损失 151出电子束炉熔炼挥
发损失较方案3# 挥发损失方案2# 次
方案 1# 相较方案2#方案3# 挥发损失原
硅料中氧含量增熔炼时部分硅氧反应
生成 SiOx造成挥发损失时方案 3# 熔炼坩
埚敷设 SiC熔池浅量利更高挥发损失
图 3 方案硅挥发损失
23  熔炼耗
方案 1#方案 2#方案 3# 熔炼单位耗
KW·hkg 直接电耗计算统计结果表 3
示表 3 出熔炼坩埚中敷设两层叠放
高纯 SiC板单位生产耗低20 kW·h
kg方案 2# 方案 3# 直接耗差异分
75 kW·hkg 78 kW·hkg出敷设
两叠层 SiC 板效降低熔炼耗
表 3 方案电子束炉熔炼晶硅单位耗
方案 直接耗（kW·hkg）
方案 1# 78
方案 2# 75
方案 3# 20
3 结
采电子束炉熔炼晶硅 BFe 外非金
属杂质金属杂质明显降低硅块料进行
煅烧增氧预处理电子束炉熔炼BFe 杂质元
素明显降低B 率达 9925Fe 率达
997熔炼坩埚底部敷设两块叠放高纯 SiC
板电子束炉熔炼 BP 降低更明显明显
降低熔炼耗熔炼直接耗 20 kW·hkg
采硅块料增氧预处理电子束炉熔炼硅挥发损
失较
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实验研究
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表2中列碘元素回收率986～
1038 符 合 GB173782007 中 样 品 中 浓 度
含量范围低100 μgL元素回收率应
60 ～ 110求碘元素测试相标准偏差
10 ～ 24碘元素测试稳定性加标回收率
均满足测试求碘元素含量低 5 μgL
样品测试相偏差会增碘元素含量
低 5 μgL 淡水建议方法
3 结
文采直接法测定淡水中碘元素含量法
具操作简单样品消耗少测试程中会仪器
造成堵塞损伤等优点通10 次空白溶液测试
相标准偏差 10 ～ 24通加标回收法检验
方法准确度回收率 980 ～ 104表明方
法满足淡水中碘元素准确测试求碘元素
含量低 5 μgL 淡水方法仅作参考
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