合金凝固精炼过程晶体硅生长界面稳定调控机制研究

Purification of metallurgical grade silicon by the solidification of silicon-based alloys is a novel technology, which can remove impurities efficiently and economically due to its segregation behavior, and in recent years it becomes a hot research topic. During the purification process, the interactions between impurity and growth interface would influence the removal efficiency of boron, which requires further research. So in this project, a zone melting directional solidification technology using a seed is proposed. The dynamic growth process and the variation of crystalline structure are carefully studied in order to clarify and modify the segregation behavior of boron. The regulation of bulk silicon growth will be established, which can promote the growth of bulk silicon and the removal of boron. It is hope that the present application can provide scientific support for the efficient produce of high purity silicon in the world.

合金凝固精炼法基于分离结晶原理，依据固液界面间杂质分凝行为提纯冶金硅，是一种精炼温度低、除杂效果好的冶金净化手段，成为当前的研究热点。在合金凝固精炼过程中晶体硅生长界面与硼杂质分凝行为之间的交互作用对于硼杂质去除与晶体硅分离具有重要意义，需要深入研究。为此，本项目提出“籽晶-区熔定向凝固技术”，通过研究籽晶诱导作用下晶体硅生长动力学过程和相态演变规律，揭示晶体硅生长界面稳定调控机制，探究硼杂质分凝特性及优化手段；综合研究分析结果，构建晶体硅生长动力学过程、相态控制和杂质脱除效率三者的内在关联，优化工艺参数，实现硼杂质有效分凝、晶体硅高效分离的双重效果，为冶金法高效除硼提供必要的技术和理论支撑。

本项目针对合金凝固精炼法，通过研究籽晶诱导作用下晶体硅生长动力学过程和相态演变规律，揭示晶体硅生长界面稳定调控机制，探究硼杂质分凝特性及优化手段；综合研究分析结果，构建晶体硅生长动力学过程、相态控制和杂质脱除效率三者的内在关联，优化工艺参数，实现硼杂质有效分凝、晶体硅高效分离的双重效果，为冶金法高效除硼提供必要的技术和理论支撑。.根据任务书的规定，开展了以下主要研究内容：.（1）测定合金熔体的基本物理性质及硅扩散系数，获得Si-Fe、Si-Sn合金体系籽晶-区熔定向凝固过程中晶体硅生长动力学行为，确定温度梯度、硅源、熔体中硅浓度对晶体硅稳定生长的重要作用，获得晶体硅稳定、高速生长的实验参数。.（2）考察SiC、Si3N4、Si、C等籽晶与Si、Si-Fe、Si-Sn合金熔体之间的润湿行为及影响因素；研究了不同籽晶诱导作用下晶体硅微观组织形貌演变规律，确定晶体硅生长界面稳定调控机制。.（3）研究不同生长条件下Si-Fe、Si-Sn合金体系种硼等杂质的分凝行为和其在不同相中的赋存状态演变规律，进一步确定优化手段，提高精炼效率；探索了一种杂质有效分凝、晶体硅高效分离的新技术。