CN100406110C - 粉粒纯化装置 - Google Patents

Abstract

一种粉粒纯化装置，涉及采用冷等离子体对半导体为主的粉粒粒提纯技术领域。它包括立式放电反应室、投料装置、气体分配器，其特征在于：所述的投料装置位于所述立式反应室内的部分设有振动筛；在所述立式放电反应室的出料口和所述投料装置之间设有由管道和阀门构成的粉体回送系统；所述立式反应室内的阴极表面设有三角槽。本装置主要用于对晶粒和粉粒尺寸在50μm至150μm的半导体和陶瓷粉料的提纯，并具有纯速率提高，一次沉降所去除的杂质量大，当放电功率为1000W，每小时能将400克、纯度为99%的硅粉提纯至99.99%。

Description

粉粒纯化装置

技术领域

本发明属等离子体应用，涉及一种冷等离子对粉粒的纯化装置与技术，尤其适用硅等半导体粉粒的提纯，以做太阳能电池。

背景技术

对于极高纯度的半导体级硅来说，提纯方法主要是四氯硅烷或三氯氢硅的热分解和氢还原，然后经直拉或区熔法进一步物理提纯并制成大直径的硅单晶。这种方法首先还需将低纯工业硅制成氯硅烷，因此成本极高并带来很大的环境污染。对于制造纯度为99.99％至99.99999％这类所谓太阳级硅来说，发展出了数十种不同的技术，如湿法冶金、气吹、浮渣、金属还原、电沉积等及简化上述半导体级硅制备的方法。所有这些方法不是存在费用昂贵就是提纯不理想。在一个大气压下，气体放电形成的低温等离子体用于提纯也已广泛应用，如用焦碳还原二氧化硅可制得纯度为99％的硅。这种方法由于背景温度为3000℃左右，设备复杂，必须用坩埚，因而对提炼材料有很大的玷污，无法制出更高纯度的硅。我们在80年代中期发现了冷等离子体(背景温度为室温)对沉积材料的冶金效应。经十多年的研究使该效应在技术上逐步有所突破，至今才具应用价值。

发明内容

本发明提供一种低气压下气体放电等离子体(冷等离子体)提纯硅粉的装置及技术，经过纯化处理，硅粉的纯度可提高两个量级，即如原料纯度为99％，产品的纯度可达99.99％。

实现本发明目的的粉粒纯化装置包含有反应室顶盖和反应室外壳的立式放电反应室、装料罐和反应气体分配器，所述立式放电反应室是使用低气压下气体放电产生的冷等离子体来完成对粉粒提纯的反应室，装在所述立式放电反应室内的内电极的表面设有三角槽；将反应气与缓冲气引入立式反应室的所述反应气体分配器装在立式反应室内的下部，将反应气与缓冲气抽出立式反应室的抽气口则设在反应室顶盖上，使气流与粉粒沉降方向相反形成反吹；在立式反应室内的装料罐出口的下方设有振动筛；有一粉料回送装置包括有回送管，该回送管的一端通过管道与装在立式放电反应室下端出口的粉粒阀门相连，另一端回送到位于立式反应室外部上方的所述装料罐，粉粒阀门左旋则关闭回送管与立式放电反应室下端出口的通道，让立式放电反应室下端出口与粉粒收集器连通；粉粒阀门右旋则连通回送管与立式放电反应室下端出口的通道，关闭立式放电反应室下端出口与粉粒收集器的连接通道。

上述振动筛可以连接有一振动连杆，该振动连杆伸出所述反应室顶盖外。上述振动筛可设有多层丝网。

立式反应室可为圆筒形或长方形，如为圆筒形则内电极为阴极，外壳为阳极(接地)，阴极表面刻三角槽以保证放电均匀。

本发明由于采取了以下措施而使粉粒的纯化得以更加有效：1、选择原料(工业硅)的供方，规定出炉后熔硅的冷却(固化)工艺，以满足多晶硅晶粒度要求(50μm至150μm)。粉碎后粉粒粒度应等于或小于多晶硅晶粒粒度，以确保绝大多数粉粒中的杂质都呈现在粉粒表面。2、电极表面(对于平板电极)或轴线(对圆柱电极)垂直安装使粉粒沉降方向与电极平行，而反应室体积只随粉粒落程的一次方增加。易于增加粉粒落程(沉降时间增大)而增加一次沉降过程中杂质去除量。3、粉粒经振动抛散可确保粉粒在反应室内均匀分布并

防止成团沉降。4、反应气和缓冲气经分配器从反应室底部引入，抽气口在反应室顶部，使气流与粉粒沉降方向相反，形成反吹。因此粉粒下降的最大速度为：

$V_Z=\frac{{10}^{24}{d_g}^2{d}^2{p}_{s}g}{\sqrt{M_{g}T}}-\frac{{10}^{-3}K,S}{A}$

其中，d_g和d分别为气体分子(平均)和粉粒直径；ps为粉粒的质量密度；g为重加力速度；M_g为气体的平均分子量；T为反应室温度；A为反应在室横截面积；S为直空机组的抽速率；K为比例系数，与真空系统(包括连接管道)的结构和节流阀的开启程度有关。经研究，粉粒沉降的平均速度与V_z几乎相等，在反应区的悬浮时间与V_z成反比。增加悬浮时间的措施是增大KS，但又必须确保V_z＞0。否则粉粒将被真空机级抽走。4、反应气体采用HCl或HBr等，缓冲气体采用Ar。在反应区出现H⁺、Cl⁺或Br⁺、Ar⁺等离子及它们的原子。这些反应粒子能与硅粒表面发生反应碰撞。鞘区内发生刻蚀现象以提高提纯速率。5、增大阴极自偏压、适中的反应室总压力(3Pa左右)、适当增大鞘层厚度以提高反应粒子的浓度及速度(动能)进一步提高纯化速率。6、增加粉粒回送装置，实现多次反复纯化，不仅增加杂质去除量而且实现粉粒表面杂质均匀的去除。这对低纯原料尤为重要。

附图说明

图1为粉粒纯化装置的结构示意图。

图2为粉粒纯化的原理示意图。

附图1中，1、装料罐；2、振动连杆；3、反应室顶盖；4、多层振动筛；5、内电极绝缘套；6、内电极；7、反应室外壳；8反应气体分配器；9、粉粒阀门；10、粉粒收集器；11、粉粒回送装置。附图2中，6、内电极；7、外电极。

具体实施方式

实施方式1为小量产品制备，用于提纯硅粉，原料为99％的工业硅。选择多晶硅晶粒为100μm左右硅块，经破碎、粉碎得颗粒为100μm左右的硅粉，过筛分选。纯化设备中，内电极6外径为4cm，外电极7内径为8cm，放电区有效长度约18cm。粉料装入料罐。先抽真空至1Pa左右，Ar气经盐酸罐鼓泡将HCl气携带送入反应室、调整好放电参数及反应室压力，再将硅料经调节阀撒进振动筛。将粉料阀9倒向右边，让已提纯过的粉料回送至装料罐继续提纯，经几小时后，将阀门转向于左边，收获产品。为实施本方案，放电功率需约1千瓦，反应室气压约3Pa，每小时平均可获得纯度为99.99％的硅料400克，粉料回收率约85％。实施方式2为原料纯度已有99.9％，是先已经固化的硅块。设备和操作方法同方式，但粉料只需依次纯化即可满足要求。因此阀门总旋至右边。此方式每小时可得纯度为99.995％的硅粉15公斤。实施方式3，将反应室横截面A增大至10倍。电极长度增加到3倍，保持放电功率密度不变。这种纯化系统其处理粉料的能力比方式1和2分别扩大20倍和10倍。

除对半导体硅等进行纯化外，纯化设备还可以对TiO₂、SiO₂、Al₂O₃等陶瓷粉体进行纯化

Claims (3)

1.一种粉粒纯化装置，包含有反应室顶盖(3)和反应室外壳(7)的立式放电反应室、装料罐(1)、反应气体分配器(8)，其特征在于：所述立式放电反应室是使用低气压下气体放电产生的冷等离子体来完成对粉粒提纯的反应室，装在所述立式放电反应室内的内电极(6)的表面设有三角槽；所述反应气体分配器(8)装在立式反应室内的下部，抽气口则设在反应室顶盖(3)上；在立式反应室内的装料罐(1)出口的下方设有振动筛(4)；有一粉料回送装置(11)包括有回送管，该回送管的一端通过管道与装在立式放电反应室下端出口的粉粒阀门(9)相连，另一端回送到位于立式反应室外部上方的所述装料罐(1)；粉粒阀门(9)左旋则关闭回送管与立式放电反应室下端出口的通道，让立式放电反应室下端出口与粉粒收集器(10)连通；粉粒阀门(9)右旋则连通回送管与立式放电反应室下端出口的通道，关闭立式放电反应室下端出口与粉粒收集器(10)的连接通道。

2.根据权利要求1所述的粉粒纯化装置，其特征在于：所述振动筛(4)连接有一振动连杆(2)，该振动连杆(2)伸出所述反应室顶盖(3)外。

3.根据权利要求1所述的粉粒纯化装置，其特征在于：所述振动筛(4)设有多层丝网。

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