TWI522175B - 用於細碎多晶矽棒的裝置及方法 - Google Patents

用於細碎多晶矽棒的裝置及方法 Download PDF

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Description

用於細碎多晶矽棒的裝置及方法
本發明係關於一種細碎多晶矽的裝置及方法。
多晶矽是經由在所謂的西門子反應器(Siemens reactor)中使諸如三氯矽烷的矽化合物熱分解而獲得的，並由此以多晶棒的形式產生。
為了以坩堝提拉的方式製造單晶，首先必須將多晶棒細碎成為碎塊。對於在太陽能工業中的應用，首先也必須將生長的多晶棒細碎成為碎塊。
在現有技術中，已知各種不同的用於細碎矽棒的方法。
US 5,660,335 A揭露了一種細碎方法，其中係將高壓水注射擊到晶體棒。
US 6,360,755 B1描述一種方法，其中係藉助於由電能產生的震波來細碎晶體棒。
US 4,871,117 A建議，首先以熱作用使晶體棒鬆散，隨後以機械力的作用將其細碎。
US 2010/025060 A1描述一種細碎工具，其包含一氣動活塞之驅動裝置，以藉助空氣壓力將安裝在殼體內的活塞由收縮位置引導至射出位置；一引導管，與該殼體連接且在活塞的運動方向上延伸；以及一錘 頭。
錘頭的後端部係以可移動的方式***引導管的前端部。在活 塞由收縮位置移動至射出位置時，活塞的前端碰撞錘頭的後端。
US 7,360,727 B2揭露一種用於細碎多晶矽棒的機械細碎裝 置，該裝置包含一底座、以及細碎工具和配合工具(mating tools)，其中細碎工具和配合工具的縱軸以與底座的縱軸成直角並且平行於底座表面的方式取向，且可移動該細碎工具和配合工具，以使得位於底座表面上的待細碎矽棒可以在這些工具之間以如下方式加以調節：使得在矽棒的區域內的所有工具與矽棒接觸，且在矽棒前後的細碎工具可以在其縱軸方向上移動，直至相對於該配合工具的安全距離，該細碎工具藉助以在其縱軸的方向上的衝擊式移動的方式作用在該矽棒上，並將其打碎。
US 7,360,727 B2同樣揭露一種用於機械細碎多晶矽棒的方 法，其中多晶矽棒係位於一高度可調節的底座上，並由此在細碎工具與配合工具之間加以調節，使得在矽棒的區域內的所有工具與矽棒接觸，且在該矽棒前後的細碎工具和配合工具係彼此接近直至一安全距離，隨後所有緊貼著矽棒的所有細碎工具開始一重複的衝擊動量(striking momentum)，該衝擊動量發揮細碎矽棒的作用。
US 2011/068206 A1描述一種用於有效地細碎矽塊體的壓碎 機，其中形成少量精細的經壓碎的材料(粉末)。該壓碎工具(crushing tool)包含一與活塞連接的錘頭，其中錘頭係位於未使用壓縮空氣的靜止位置，透過使用壓縮空氣而從該靜止位置移動，以與一矽塊體碰撞。在壓碎機中，多個彼此間隔的壓碎工具各自具有一錘頭，且面對著位於一底座上的矽塊 體。
已證明，在現有技術中已知的方法無法實現最佳的壓碎效 果。需要過多的能量或者需要多次重複的衝擊，以使矽細碎。這對於矽的污染有負面的影響。此外，所用的組件的壽命也不能令人滿意。
本發明之目的係基於上述問題而提出。
該目的是經由一種用於細碎多晶矽棒的裝置而實現，該裝置 包含一底座、以及至少一個可移動的細碎工具及至少一個不可移動的砧座，其中該至少一個細碎工具的縱軸係以平行於或者實質上平行於該底座的表面的方式取向，其中位於該底座的表面上的待細碎的矽棒可各自在該細碎工具與該砧座之間加以調節，使得該細碎工具和該砧座可各自在該矽棒的區域內與該矽棒接觸，且該矽棒與該砧座的接觸點、以及延伸穿過棒中心的該矽棒的橫軸、或者一與該橫軸平行並且相對於該棒中心的距離最大為棒直徑的30%的該矽棒的軸，係各自位於該細碎工具的縱軸上或者位於一與該細碎工具的縱軸平行並且相對於該細碎工具的縱軸的距離最大為該棒直徑的30%的軸上。
本發明的目的亦能經由一種用於細碎多晶矽棒的方法來實 現，其中該多晶矽棒係位於一底座上，並在此在至少一個可移動的細碎工具和至少一個不可移動的砧座之間調節，使得該細碎工具和該砧座可各自在該矽棒的區域內與該矽棒接觸，且該矽棒與該砧座的接觸點、以及延伸穿過棒中心的該矽棒的橫軸、或者一與該橫軸平行並且相對於該棒中心的距離最大為棒直徑的30%的該矽棒的軸，係各自位於該細碎工具的縱軸上或 者位於一與該細碎工具的縱軸平行並且相對於該細碎工具的縱軸的距離最大為該棒直徑的30%的軸上，並隨後開始一衝擊動量，其中在開始該衝擊動量時，工具和矽棒係不接觸，該細碎工具由此發揮細碎該矽棒的作用。
該矽棒較佳由實質上為圓截面的大致上旋轉對稱的物體構成，其包含一縱軸和一橫軸。
較佳地，該細碎工具的縱軸，或者與細碎工具的縱軸平行並且相對於該細碎工具的縱軸的距離最大為該棒直徑的30%的軸、穿過該棒中心的橫軸、或者與其平行並且與其之距離最大為該棒直徑的30%的軸，係與該砧座的接觸點形成一個軸。
較佳係使用多個細碎工具和相等數量的砧座。
延伸穿過棒中心的矽棒的橫軸、或者與該橫軸平行並且相對於棒中心的距離最大為棒直徑的30%的矽棒的軸、以及於矽棒與砧座之間的接觸點，係各自位於細碎工具的縱軸上或者位於與細碎工具的縱軸平行並且相對於細碎工具的縱軸的距離最大為棒直徑的30%的軸上。換言之，砧座和細碎工具均可以相互獨立地在兩個方向上相對於延伸穿過棒中心的矽棒的橫軸各自偏移最多30%。
較佳地，位於細碎工具的縱軸上、或者位於與細碎工具的縱軸平行並且相對於細碎工具的縱軸的距離最大為棒直徑的30%的軸上的矽棒橫軸，相對於延伸穿過棒中心之棒的橫軸的距離最大為棒直徑的10%。
較佳地，位於細碎工具的縱軸上、或者位於與細碎工具的縱軸平行並且相對於細碎工具之縱軸的距離最大為棒直徑的10%的軸上的矽 棒橫軸，相對於延伸穿過棒中心的棒橫軸的距離最大為棒直徑的30%。
較佳地，位於細碎工具的縱軸上、或者位於與細碎工具的縱 軸平行並且相對於細碎工具之縱軸的距離最大為棒直徑的10%的軸上的矽棒橫軸，相對於延伸穿過棒中心的棒橫軸的距離最大為棒直徑的10%。
理想地，延伸穿過棒中心的矽棒橫軸、及細碎工具的縱軸、 以及砧座與矽棒之間的接觸點，係位於共同的軸上，換言之，這意味著砧座與矽棒之間的接觸點、以及矽棒的棒中心，係位於細碎工具的縱軸上。
矽棒的棒中心應當理解為圓柱形棒的幾何軸(連接起截面重 心的重心軸)上的點。
接觸點應當理解為砧座與矽棒之間的觸碰點。
細碎工具具有可移動的構造，且較佳可以在平行於衝擊方向 和垂直於底座之平面的兩個方向上移動，以補償矽棒的直徑差。較佳地，包含複數個細碎工具的整個壓碎單元具有可移動的構造。或者，為了使細碎工具平行於衝擊方向和垂直於底座之平面的移動，該底座本身也可以相同的方式設計成可移動的。
細碎工具較佳係與底座平行或者呈最大30°的角度取向。細 碎工具的傾角為10°是特別較佳的，在理想情況下細碎工具和底座係平行地設置。
每個細碎工具係設置一位置相對的砧座，該砧座相對於底座 係不可移動的，且較佳具有圓柱體或半圓柱體的形狀。在本發明的範疇內，圓柱體形狀亦應當包含橢圓形或半橢圓形截面的元件。與矽棒接觸的砧座的表面應當在任何情況下是彎曲的。該形狀可用來確保矽棒與砧座具有恰 好一個觸碰點或接觸點。砧座可以具有單個部分和多個部分的構造。砧座的多個部分的構造的設計亦應當使得在砧座與矽棒之間存在恰好一個接觸點。
若在本發明的範疇內涉及不可移動且牢固固定的砧座，則應 當理解，砧座在操作期間，即在引發衝擊動量期間，是不可移動且牢固固定的。否則，砧座可以完全可移動的方式設計，以便於對砧座、矽棒和細碎工具的調節。
砧座的幾何軸較佳係垂直於或者實質上垂直於衝擊軸。砧座 的幾何軸可以相對於衝擊軸傾斜最大30°。砧座的傾角為10°是特別較佳的，在理想情況下砧座的幾何軸與衝擊軸相互垂直。衝擊軸係由細碎工具的縱軸而定。
細碎工具與矽棒接觸的一端較佳具有圓形形狀，且較佳不包 含平頭(flattening)。
在細碎矽棒時，較佳僅以細碎工具實施一次衝擊。若使用複 數個細碎工具，則每個細碎工具實施一次衝擊。在衝擊動量開始時，較佳係選擇細碎工具的末端與矽棒的距離，使該距離係對應於細碎工具預先設定的衝程減去可能穿透進入矽棒中的深度。衝程應當理解為細碎工具在工件的方向上的預先設定的線性運動。該衝程通常可以經由可調節的擋塊(stops)改變。衝程越長，則衝擊能量越高。
砧座在操作期間較佳是牢固固定的。
至少一個細碎工具的衝擊軸或縱軸和底座較佳係相對於水 平傾斜0至90°的角度。在傾角為90°時，矽棒接觸底座(其在此情況下構成 裝置的側邊界)，並且位於砧座上。傾角的角度為1至45°是特別較佳的，使得位於底座上的矽棒在其自身重量與至少一個砧座相對地滾動。在此，傾角的角度為1至20°是尤佳的。
一或多個砧座以及一或多個細碎工具的一個或多個末端較 佳由碳化鎢(WC)組成。或者，可將經硬質金屬塗覆的鋼或陶瓷作為一或多個砧座以及一或多個細碎工具的末端。
在串聯連接複數個細碎工具的情況中，在矽棒的長度上較佳 係交替地由外向內實現衝擊序列。
首先，例如經由一個位於外側的細碎工具實現一衝擊動量， 然後經由位於矽棒的長度的另一側的相鄰細碎工具實現一衝擊動量，且隨後經由位於更靠內的細碎工具交替地實現衝擊動量。
較佳以5至1000毫秒的相對短時間間隔實現這些交替的衝 擊。為了避免影響相鄰的工具以延長工具的壽命，在每次衝擊之後，在引發隨後的工具之前，較佳使在前的工具再次返回。
在多個細碎工具的情況下，可以將細碎工具排列的不同區域 劃分成組，以使所有組中的衝擊序列可以平行地進行。
或者，可在由外向內的平行於或交替地衝擊序列中，開始一 由細碎工具排列的中心交替地向外的衝擊序列。
在細碎工具之間具有足夠距離的情況下，衝擊序列中的單獨 細碎工具的衝擊也可以同時進行。
前面描述了一些被認為是較佳的衝擊序列模式的實施態 樣，顯然可以在不偏離本發明的精神的情況下改變衝擊序列模式。因此， 絕非意欲將本發明限制在所述的具體的實施態樣。
本發明的發明人經大量的壓碎試驗認識到，只有在矽棒與砧 座的接觸點、以及延伸穿過棒中心的矽棒橫軸、或者與該橫軸平行並且相對於棒中心的距離最大為棒直徑的30%的矽棒的軸，係各自位於細碎工具的縱軸上或者位於與細碎工具的縱軸平行並且相對於細碎工具的縱軸的距離最大為棒直徑的30%的軸上的情況下，才能以盡可能小的衝擊能量實現最佳的壓碎效果。
亦研究了不同矽材料的特性。為此，利用易碎的多孔材料、 以及利用緊密的矽進行試驗。並於試驗中改變砧座的剛度。
在此證明，在使用硬質且牢固固定的砧座時，在緊密的材料 的情況下需要的衝擊能量最低。200焦耳(J)的衝擊能量已經足以細碎緊密的棒。首次能在不使用多重衝擊的情況下，以低的衝擊能量和低的污染物含量細碎棒直徑大於150毫米的緊密的矽棒。
在易碎的材料的情況下，砧座的構造對壓碎特性的影響較 小。與砧座的構造無關，約75焦耳足以細碎該棒。如前所述，在易碎的材料的情況下，完全可以不使用砧座。
在緊密的矽的情況下，若使用硬質且牢固固定的砧座，則400 焦耳的衝擊能量是足夠的。例如，由碳化鎢製成且經由實心的剛性框架結構固定的砧座適合於此。若替代性地使用由更軟的柔性材料製成的砧座、或者使用彈性框架結構以固定砧座，則需要至少1000焦耳的衝擊能量以細碎緊密的棒。
更低的衝擊能量有助於提高經細碎操作所載入的元件的耐 久性/壽命。
此外，低的衝擊能量降低多晶矽的污染程度。
在複數個接觸點的情況下，接觸線或接觸表面將衝擊力分散 在棒上，從而對壓碎效果有負面影響。
因此，在現有技術中所建議的方案，包括V形支座或者以對 板(counter-plate)形式的平坦的接觸表面，對於壓碎效果特別不利。傾斜地成角度的接觸表面的作用在於，使具有額外的壓碎作用的反作用衝擊動量偏移。
提供衝擊軸平行於底座的最佳壓碎佈置，使在壓碎操作期間 底座的負載最小化。
因此，底座可以由對矽的污染方面為較低有害性的材料製 成。例如矽、PU或其他塑膠係適合於此。
砧座的較佳的長圓柱體形狀能夠完全覆蓋待壓碎的棒直 徑。為此，較佳應選擇砧座在底座上方的高度，使其對應於棒直徑的至少一半。
與現有技術中所建議的重複衝擊動量相比，單次衝擊方法降 低了透過與細碎工具和砧座接觸而污染的程度。
砧座作為接觸點應當理想地具有硬質且牢固固定的構造，以 最佳地反射衝擊動量。如現有技術中所主張的，穿過橫軸的可移動的配合工具無法實現該功能。
裝置的稍微傾斜(衝擊軸和底座)的作用在於，使矽棒在其 自身重量與砧座相對地滾動，並確保直接接觸砧座，這對於最佳的壓碎效 果是決定性的。
因為在同時引發多個串聯排列的細碎工具的情況下巨大的 衝擊能量將長時間損害整個系統，所以係以特定的時間間隔引發該細碎工具。
但是，若此係以從棒塊末端至棒塊末端取向的方式實現，則 該棒塊由於衝擊的結果可偏移/漂移其位置，並由此降低壓碎的成功率。
交替地從棒末端且最終至棒中心進行衝擊序列，有效地防止 該棒的位置改變(不使用可能需要的橫向夾具或擋塊)。
在裝置和方法的一個較佳的實施態樣中，可以不提供砧座。 衝擊軸和底座在此情況下是水平的。若所需的壓碎能量在小於400焦耳的範圍內改變，則在不使用砧座的情況下也可以壓碎易碎的矽棒。由此消除了與硬質金屬的砧座接觸而污染的風險。為此，底座的包襯可以在與壓碎區域具有足夠距離的情況下設置低污染風險的材料(矽、PU、塑膠)。為了使棒穩定化，可在底座中設置合適的凹坑。

Claims (5)

  1. 一種用於細碎多晶矽棒的裝置，該裝置包括一底座、以及至少一個可移動的細碎工具，及至少一個不可移動的砧座，其中該至少一個細碎工具的縱軸係以平行於或者實質上平行於該底座的表面的方式取向，其中位於該底座的表面上的待細碎的矽棒可各自在該細碎工具與該砧座之間加以調節，使得該細碎工具和該砧座可各自在該矽棒的區域內與該矽棒接觸，其中該砧座和該矽棒具有恰好一個接觸點，且包含該接觸點的該砧座的表面是彎曲的，且該矽棒與該砧座的接觸點，以及延伸穿過棒中心的該矽棒的橫軸或一與該橫軸平行並且相對於該棒中心的距離最大為棒直徑的30%的該矽棒的軸，係各自位於該細碎工具的縱軸上或者位於一與該細碎工具的縱軸平行並且相對於該細碎工具的縱軸的距離最大為該棒直徑的30%的軸上。
  2. 如請求項1所述之裝置，其中該細碎工具的尖端和該砧座由碳化鎢組成。
  3. 一種用於細碎多晶矽棒的方法，其中該多晶矽棒係位於一底座上，並在此在至少一個可移動的細碎工具和至少一個不可移動的砧座之間調節，使得該細碎工具和該砧座可各自在該矽棒的區域內與該矽棒接觸，其中該砧座和該矽棒具有恰好一個接觸點，且包含該接觸點的該砧座的表面是彎曲的，且該矽棒與該砧座的接觸點，以及延伸穿過棒中心的該矽棒的橫軸或一與該橫軸平行並且相對於該棒中心的距離最大為棒直徑的30%的該矽棒的軸，係各自位於該細碎工具的縱軸上或者位於一與該細碎工具的縱軸平行並且相對於該細碎工具的縱軸的距離最大為該棒直徑的30%的軸上，並隨後開始一衝擊動量(striking momentum)， 其中在開始該衝擊動量時，工具和矽棒係不接觸，該細碎工具由此發揮細碎該矽棒的作用。
  4. 如請求項3所述之方法，其中該砧座的幾何軸與該細碎工具的縱軸成直角或者實質上成直角。
  5. 如請求項3或4所述之方法，其中複數個細碎工具係串聯連接，且係由外向內在矽棒的長度上交替地以衝擊序列的形式實現衝擊動量。
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