电子级多晶硅筛分装置和方法与流程

本发明涉及多晶硅生产技术领域，具体而言，本发明涉及电子级多晶硅筛分装置和方法。

背景技术：

现有电子级多晶硅主要采用改良西门子法进行生产，利用化学气相沉积在cvd反应器内生产电子级多晶硅棒，电子级多晶硅棒再经过破碎、筛分、清洗等后续工艺才能获得直径范围在6～100mm的硅块产品，此产品可用于下游半导体硅片制造环节进行单晶硅棒拉制。电子级多晶硅棒经过破碎后，一般使用单级或多级筛分设备进行分选，按照下游客户的需求，将电子级多晶硅块(以下简称“硅块”)分选为不同粒径分布的规格用于销售。

硅块在破碎过程中容易产生粉尘吸附在硅块表面，对于免洗硅料而言，粉尘会在运输过程中进一步富集并更多的吸附杂质，在下游单晶拉制过程中，不仅会影响单晶产品纯度，还会漂浮在融化的硅液表面，造成单晶拉制的断苞，影响成晶率。而对于清洗硅料而言，粉尘的存在也会大幅影响清洗效果，使得最终产品表面杂质含量增加，影响产品质量。然而，现有的对硅块中粉尘进行处理的手段仍有待改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出电子级多晶硅筛分装置和采用该电子级多晶硅筛分装置实施的电子级多晶硅筛分方法。该电子级多晶硅筛分装置可以有效筛分去除硅块表面粘附的粉筛，工作效率高，筛分产品粒径分布在规格尺寸的中位径附近较为集中，离散度较低。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种电子级多晶硅筛分装置。根据本发明的实施例，该电子级多晶硅筛分装置包括：

第一筛分层，所述第一筛分层顶部设有硅块入口和惰性气体进气管路，所述第一筛分层的侧部设有第一惰性气体进气口和第一硅粉出口，所述第一筛分层的底部设有第一筛板；

第二筛分层，所述第二筛分层设在所述第一筛分层下方，并通过所述第一筛板与所述第一筛分层相连；所述第二筛分层的侧部设有第二惰性气体进气口和第二硅粉出口，所述第二筛分层的底部设有第二筛板；

第三筛分层，所述第三筛分层设在所述第二筛分层下方，并通过所述第二筛板与所述第二筛分层相连；所述第三筛分层的侧部设有第三惰性气体进气口和第三硅粉出口，所述第三筛分层的底部设有第三筛板；

第四筛分层，所述第四筛分层设在所述第三筛分层下方，并通过所述第三筛板与所述第三筛分层相连；所述第四筛分层的侧部设有第四惰性气体进气口和第四硅粉出口，所述第四筛分层的底部设有沉积板，所述第四硅粉出口连通至硅粉回收箱。

采用本发明的电子级多晶硅筛分装置对硅块进行筛分，待筛分硅块通过硅块入口首先进入装置，然后依次经过第一至第四筛分层进行多级筛分，每级筛分过程中，通过各级筛板振动使粘附在硅块表面的硅粉与硅块分离，并通过惰性气体进气管路和各惰性气体进气口配合工作，将分离的硅粉从各硅粉出口排出。进一步地，经过多级筛分的硅块落入沉积板进行收集，第四筛分层中分离的硅粉可进入硅粉回收箱进行收集。由此，该电子级多晶硅筛分装置可以有效筛分去除硅块表面粘附的粉筛，工作效率高，筛分产品粒径分布在规格尺寸的中位径附近较为集中，离散度较低。

另外，根据本发明上述实施例的电子级多晶硅筛分装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述惰性气体进气管路连通至氮气源或氩气源。

在本发明的一些实施例中，所述第一惰性气体进气口、所述第二惰性气体进气口、所述第三惰性气体进气口、所述第四惰性气体进气口连通至氮气源或氩气源。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板为聚氨酯弹性体筛板。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的弹性模量为40～60mpa。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的shorea硬度大于80。

在本发明的一些实施例中，所述电子级多晶硅筛分装置进一步包括：振动频率控制模块，所述振动频率控制模块分别与所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板相连，且适于控制所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的振动频率满足：

其中，d＝eh³/(12-12μ²)，e为筛板弹性模量，h为筛板厚度，μ为泊松比，ρa为筛板单位面积的质量，ρm为粘附到筛板上的物料质量，a为筛板的长度，b为筛板的宽度。

在本发明的一些实施例中，所述电子级多晶硅筛分装置进一步包括：振动强度控制模块，所述振动强度控制模块分别与所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板相连，且适于控制所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的振动强度满足：

k＝1.46*α+0.7*m+0.55*n，

其中，k为振动强度，α为振动方向角，m为硅块粒径的上限，n为硅块粒径的下限。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用上述实施例的电子级多晶硅筛分装置实施的电子级多晶硅筛分方法。根据本发明的实施例，该电子级多晶硅筛分方法包括：将硅块供给至电子级多晶硅筛分装置中，依次利用第一筛板、第二筛板、第三筛板对硅块进行筛分，并通过惰性气体出扫，除去粘附在所述硅块表面的硅粉。

由此，采用本发明的电子级多晶硅筛分方法对硅块进行筛分，待筛分硅块通过硅块入口首先进入装置，然后依次经过第一至第四筛分层进行多级筛分，每级筛分过程中，通过各级筛板振动使粘附在硅块表面的硅粉与硅块分离，并通过惰性气体进气管路和各惰性气体进气口配合工作，将分离的硅粉从各硅粉出口排出。进一步地，经过多级筛分的硅块落入沉积板进行收集，第四筛分层中分离的硅粉可进入硅粉回收箱进行收集。由此，该电子级多晶硅筛分方法可以有效筛分去除硅块表面粘附的粉筛，工作效率高，筛分产品粒径分布在规格尺寸的中位径附近较为集中，离散度较低。

另外，根据本发明上述实施例的电子级多晶硅筛分方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的振动频率满足：

其中，d＝eh³/(12-12μ²)，e为筛板弹性模量，h为筛板厚度，μ为泊松比，ρa为筛板单位面积的质量，ρm为粘附到筛板上的物料质量，a为筛板的长度，b为筛板的宽度。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的振动强度满足：

k＝1.46*α+0.7*m+0.55*n，

其中，k为振动强度，α为振动方向角，m为硅块粒径的上限，n为硅块粒径的下限。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板为聚氨酯弹性体筛板。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的弹性模量为40～60mpa。

在本发明的一些实施例中，所述第一筛板、所述第二筛板、所述第三筛板的shorea硬度大于80。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的电子级多晶硅筛分装置的结构示意图；

图2是筛分过程中硅块的受力关系示意图；

图3是根据本发明再一个实施例的电子级多晶硅筛分装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三、”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三、”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种电子级多晶硅筛分装置。根据本发明的实施例，参考图1，该电子级多晶硅筛分装置包括：第一筛分层100、第二筛分层200、第三筛分层300、第四筛分层400。其中，第一筛分层100顶部设有硅块入口101和惰性气体进气管路102，第一筛分层100的侧部设有第一惰性气体进气口103和第一硅粉出口104，第一筛分层100的底部设有第一筛板105；第二筛分层200设在第一筛分层100下方，并通过第一筛板105与第一筛分层100相连；第二筛分层200的侧部设有第二惰性气体进气口201和第二硅粉出口202，第二筛分层200的底部设有第二筛板203；第三筛分层300设在第二筛分层200下方，并通过第二筛板203与第二筛分层200相连；第三筛分层300的侧部设有第三惰性气体进气口301和第三硅粉出口302，第三筛分层300的底部设有第三筛板303；第四筛分层400设在第三筛分层300下方，并通过第三筛板303与第三筛分层300相连；第四筛分层400的侧部设有第四惰性气体进气口401和第四硅粉出口402，第四筛分层400的底部设有沉积板403，第四硅粉出口402连通至硅粉回收箱404。

下面进一步对本发明的电子级多晶硅筛分装置进行详细描述。

根据本发明的一些实施例，上述惰性气体进气管路连通至氮气源或氩气源，上述第一惰性气体进气口、第二惰性气体进气口、第三惰性气体进气口、第四惰性气体进气口连通至氮气源或氩气源。由此，可以利用氮气或氩气对分离的硅粉进行吹扫。根据本发明的实施例，优选采用6n纯度的氮气或氩气，以避免其中的携带的杂质对多晶硅料造成污染。

根据本发明的一些实施例，上述第一筛板、第二筛板、第三筛板为聚氨酯弹性体筛板。由此，可以进一步提高对硅块进行筛分的效果。

根据本发明的一些实施例，上述第一筛板、第二筛板、第三筛板的弹性模量为40～60mpa，优选为45～55mpa。上述第一筛板、第二筛板、第三筛板的shorea硬度大于80。如图2所示，各筛板中筛孔变形过程中会对硅颗粒或硅块进行揉搓，通过控制各筛板满足上述条件，可以进一步提高吸附在硅块表面的硅粉的去除效果。

根据本发明的一些实施例，参考图3，本发明的电子级多晶硅筛分装置还进一步包括：振动频率控制模块500，振动频率控制模块500分别与第一筛板105、第二筛203板、第三筛板303相连，且适于控制第一筛板、第二筛板、第三筛板的振动频率满足：

其中，d＝eh³/(12-12μ²)，e为筛板弹性模量，h为筛板厚度，μ为泊松比，ρa为筛板单位面积的质量，ρm为粘附到筛板上的物料质量，a为筛板的长度，b为筛板的宽度。由此，可以利用振动频率控制模块500将筛板的工作频率设置为筛面弹性振动的基频，引发筛分的弹性共振，以解决筛孔有时堵塞的问题。

为了验证上述理论的合理性，在实验振动筛的模型机上将金属筛面改装成聚氨酯筛面。每块筛板的尺寸为500mm*200mm，筛板厚度h＝4mm；聚氨酯板的弹性模量为40mpa，泊松比μ＝0.4，单位面积筛面的质量ρa＝1.2，粘附到筛板上的物料质量ρm＝1.5。其一阶固有频率如下：

根据本发明的一些实施例，参考图3，本发明的电子级多晶硅筛分装置还进一步包括：振动强度控制模块600，振动强度控制模块600分别与第一筛板105、第二筛板203、第三筛板303相连，且适于控制第一筛板、第二筛板、第三筛板的振动强度和满足：

k＝1.46*α+0.7*m+0.55*n，

其中，k为振动强度，α为振动方向角，m为硅块粒径的上限，n为硅块粒径的下限。发明人在研究中发现，筛分的关键在于硅颗粒或硅块在筛面上的运动特性，在筛面处于振动状态时，筛面上的颗粒群会沿着筛面做整体移动，同时颗粒间也存在碰撞作用。在颗粒沿着筛面向下运动的同时，会伴随着与筛面垂直的跳动过程，在经过筛孔时，运动速度与方向的差异会造成硅块或硅颗粒能否透过筛孔，进而影响筛分效率。当k根据物料颗粒大小不同，按照振动方向角的大小根据上式进行调整后，筛分效率可大幅提升。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种采用上述实施例的电子级多晶硅筛分装置实施的电子级多晶硅筛分方法。根据本发明的实施例，该电子级多晶硅筛分方法包括：将硅块供给至电子级多晶硅筛分装置中，依次利用第一筛板、第二筛板、第三筛板对硅块进行筛分，并通过惰性气体出扫，除去粘附在硅块表面的硅粉。

根据本发明的一些实施例，第一筛板、第二筛板、第三筛板的振动频率满足：

其中，d＝eh³/(12-12μ²)，e为筛板弹性模量，h为筛板厚度，μ为泊松比，ρa为筛板单位面积的质量，ρm为粘附到筛板上的物料质量，a为筛板的长度，b为筛板的宽度。由此，可以利用振动频率控制模块500将筛板的工作频率设置为筛面弹性振动的基频，引发筛分的弹性共振，以解决筛孔有时堵塞的问题。

为了验证上述理论的合理性，在实验振动筛的模型机上将金属筛面改装成聚氨酯筛面。每块筛板的尺寸为500mm*200mm，筛板厚度h＝4mm；聚氨酯板的弹性模量为40mpa，泊松比μ＝0.4，单位面积筛面的质量ρa＝1.2，粘附到筛板上的物料质量ρm＝1.5。其一阶固有频率如下：

根据本发明的一些实施例，第一筛板、第二筛板、第三筛板的振动强度和满足：

k＝1.46*α+0.7*m+0.55*n，

其中，k为振动强度，α为振动方向角，m为硅块粒径的上限，n为硅块粒径的下限。发明人在研究中发现，筛分的关键在于硅颗粒或硅块在筛面上的运动特性，在筛面处于振动状态时，筛面上的颗粒群会沿着筛面做整体移动，同时颗粒间也存在碰撞作用。在颗粒沿着筛面向下运动的同时，会伴随着与筛面垂直的跳动过程，在经过筛孔时，运动速度与方向的差异会造成硅块或硅颗粒能否透过筛孔，进而影响筛分效率。当k根据物料颗粒大小不同，按照振动方向角的大小根据上式进行调整后，筛分效率可大幅提升。

根据本发明的一些实施例，上述第一筛板、第二筛板、第三筛板为聚氨酯弹性体筛板。由此，可以进一步提高对硅块进行筛分的效果。

根据本发明的一些实施例，上述第一筛板、第二筛板、第三筛板的弹性模量为40～60mpa，优选为45～55mpa。上述第一筛板、第二筛板、第三筛板的shorea硬度大于80。通过控制各筛板满足上述条件，可以进一步提高吸附在硅块表面的硅粉的去除效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。