用于除尘工艺的加湿的吹扫气体的制作方法

本公开涉及用于分离多晶硅颗粒和粉末的设备和方法的实施方式。

背景技术：

在例如通过流化床反应器如美国专利no.4,868,013、5,139,762和8,075,692中所示的反应器产生时，粒状多晶硅通常含有0.25重量％至3重量％的粉末或粉尘。粉末可能使产品不适合某些应用。例如，含有这样的粉末水平的产品通常不适合用于生产单晶硅，因为粉末可引起结构损失，使单晶生长变得不可能。

目前用于去除粉尘的湿法工艺有一些缺点，因为要维护复杂、昂贵的设备，需要水和/或化学品，并且该加工可能引起多晶硅的过度氧化。干法工艺可以避免这些缺点，但是在至少一些情况下，产品中粉末或粉尘的量可能不会降低到单晶硅应用的可接受水平。因此，对用于生产粉尘或粉末水平降低的粒状多晶硅的其他方法存在需求。

技术实现要素：

本文公开了用于分离多晶硅颗粒和粉末的装置和方法。用于分离粒状多晶硅和多晶硅粉末的一种装置包括转鼓，所述转鼓包含第一端壁、第二端壁、在所述端壁之间延伸并与所述端壁一起限定室的侧壁，其中所述侧壁、所述第一端壁、所述第二端壁或其组合限定气体入口和出口，其中所述气体入口和所述出口处于间隔开的位置。在一些实施例中，所述侧壁被构造成通过所述转鼓的旋转在所述室中产生主要横向粒子流和次要横向粒子流。所述装置还包括吹扫气体源和与所述吹扫气体源流体连通的水蒸气源。在一些实施方式中，所述水蒸气源被定位在所述吹扫气体源和所述气体入口之间，其中所述水蒸气源与所述吹扫气体源和所述气体入口两者流体连通，并与同所述出口流体连接的集尘组件流体连通。在其它实施方式中，所述水蒸气源与所述吹扫气体的流路流体连通。所述装置还包括动力源，所述动力源可操作成使所述转鼓绕着纵向延伸穿过所述室的旋转轴线旋转。在一些实施方式中，所述装置还包括与所述水蒸气源流体连通的水源。

本文公开了从多晶硅和多晶硅粉末的混合物中分离多晶硅粉末的方法，所述方法包括使吹扫气体(例如加湿的吹扫气体)流过分离装置(例如转鼓、流化床或分级器)，将多晶硅粉末夹带在所述吹扫气体中，并将所述吹扫气体和夹带的多晶硅粉末与其它多晶硅材料分离。用于从多晶硅和多晶硅粉末的混合物中分离多晶硅粉末的方法的实施方式包括：(i)将作为粒状多晶硅和多晶硅粉末的混合物的多晶硅材料引入转鼓中；(ii)使所述转鼓以一定旋转速度绕着旋转轴线旋转一定时间段；(iii)在所述滚动装置旋转的同时，使加湿的吹扫气体从气体入口流过所述转鼓的室到达出口，从而将分离的多晶硅粉末夹带在所述加湿的吹扫气体中；和(iv)将所述吹扫气体和夹带的多晶硅粉末与其它多晶硅材料分离，从而将至少一部分所述多晶硅粉末与所述粒状多晶硅分离。从所述滚动装置移除滚动过的多晶硅材料，所述滚动过的多晶硅材料与引入的多晶硅材料相比包含降低的多晶硅粉末重量百分比。在一些实施方式中，所述方法还包括在所述滚动装置外部的位置处收集夹带的分离的多晶硅粉末。

还公开了颗粒状多晶硅组合物，其包含平均粒子直径为0.25至20mm的颗粒状多晶硅和平均粒度小于50μm的未结合的细粉状多晶硅，其中所述颗粒状多晶硅基本上没有附着的平均粒度小于50μm的细粉状多晶硅。在其它实施方式中，公开了包含球形形状的复合粒子的组合物，所述复合粒子具有被芯涂层包围的芯，其中所述芯是纯度为至少99.999重量％且氯含量以重量计小于10ppm的多晶硅，并且所述芯涂层是基本上由水组成的膜，其中所述层为约厚。

所公开技术的前述和其他特征和优点将从参考附图进行的以下详细描述中变得更加显而易见。

附图说明

图1是用于将多晶硅粉末与粒状多晶硅分离的示例性第一滚动装置的示意图。

图2a和2b是用于将多晶硅粉末与粒状多晶硅分离的示例性滚动装置的局部示意图。

图3是显示除尘工艺的几次运行(运行9-12，表1)期间的温度和rh的图。

图4a和4b是显示各次运行随时间的除尘的图。粉尘的量通过煮沸法来确定。

图5是容纳颗粒状多晶硅组合物的带衬层容器的示意性横截面图。

具体实施方式

粒状多晶硅是在流化床反应器(fbr)中通过含硅气体例如甲硅烷的热解产生的。经由均相和非均相反应发生硅烷向硅的转化。均相反应产生纳米至微米尺寸的硅粉末或硅粉尘，其将作为游离粉末留在床中、附着于硅颗粒、或被流出的氢气淘洗并与所述氢气一起离开fbr。所述非均相反应在可用的表面上形成固体硅沉积物，所述表面主要是晶种材料(其它硅在其上沉积的硅粒子)的表面，其在沉积前在最大维度上的直径通常为0.1-0.8mm，例如0.2-0.7mm或0.2-0.4mm。该过程囊封了一些所述粉末并在所述颗粒上导致生长层，使密度有一些变化。在微观尺度上，粒状硅的表面具有可捕集粉尘的多孔性。所述表面还具有微观附着特征，所述特征可以在通过称为磨损的过程处理所述颗粒时脱离或以其他方式去除。

在本公开的上下文中，术语“粉末”和“粉尘”可互换使用，并且是指平均直径小于250μm的多晶硅粒子。用于本文中时，“平均直径”是指多个粉末或粉尘粒子的数学平均直径。当在流化床反应器中生产多晶硅时，所述粉末粒子的平均直径可以明显小于250μm，例如平均直径小于50μm。单个粉末粒子的直径可以在40nm至250μm范围内，并且直径更通常地在40nm至50μm、或40nm至10μm范围内。粒子直径可通过几种方法测定，包括激光衍射(亚微米至毫米直径的粒子)、动态图像分析(30μm至30nm直径的粒子)和/或机械筛选(30μm至大于30mm直径的粒子)。

术语“未结合的细粉状多晶硅”或“游离粉尘”是指未与多晶硅颗粒结合的多晶粉末或粉尘，例如，未与多晶硅颗粒通过静电键或相互作用、通过范德华力结合、或机械结合(例如松散地填塞在孔隙或缝隙内)。

术语“附着的细粉状多晶硅”或“表面附着的粉尘”是指与多晶硅颗粒结合(例如，通过静电键、通过范德华力结合或机械结合)的多晶粉末或粉尘。

术语“粒状”或“颗粒状”多晶硅和“颗粒”是指平均直径为0.25至20mm，例如平均直径为0.25-10、0.25-5、或0.25至3.5mm的多晶硅粒子。用于本文中时，“平均直径”是指多个颗粒的数学平均直径。单个颗粒的直径可以在0.1-30mm，例如0.1-20mm、0.1-10mm、0.1-5mm、0.1-3mm或0.2-4mm范围内。

表面粗糙度可表示为粗糙度轮廓(roughnessprofile)的最大高度(rz)、粗糙度轮廓的最大轮廓峰高度(rp)、粗糙度轮廓的最大轮廓谷深度(rv)、粗糙度轮廓元素的平均高度(rc)、粗糙度轮廓的总高度(rt)、粗糙度轮廓的算术平均偏差(ra)、和粗糙度轮廓的均方根偏差(rq或rms)。测量表面粗糙度的方法包括接触分析(例如，利用在表面上描迹的触针)或非接触分析(例如，利用激光显微术(聚焦检测)、共聚焦显微术或干涉测量法)。

当在fbr工艺中由作为全氢硅烷(基本上由硅和氢组成的化合物或化合物的混合物)的硅源气体例如甲硅烷气体生产硅时，所产生的一些硅通常为硅粉末的形式。通过使用卤代硅烷源气体例如三氯硅烷的fbr工艺生产的颗粒状多晶硅，由于反应器内部的不同化学，通常不会导致任何显著的硅粉末积聚。具体地，当由全氢硅烷生产硅时，产物通常是包含粒状多晶硅和硅粉末的硅材料的混合物，其中硅粉末占混合物的0.25重量％至3重量％；这个量包括游离粉末和表面附着的粉末二者。与粒状多晶硅结合的硅粉末的存在对于在单晶生长过程中将多晶硅熔化和重结晶的用户来说是不希望的，因为这可能引起晶体中结构的损失。所述粉末还会造成整理工作和工业卫生的困难，并可能在制造设施处造成易燃粉尘危害。

评价多晶硅产物中的多晶硅粉末/粉尘的方法包括目视分析(定性或半定量)、煮沸法或超声法。在煮沸法中，将粒状多晶硅产物的样品放入烧杯的水中并加热至沸点一定时间段。随后将水冷却并通过预先称重的0.2μm过滤器过滤。将过滤器干燥并称重。通过将所述过滤器上的粉尘重量除以所述粒状样品的初始重量并乘以100来计算粉尘百分比。在超声法中，将10克粒状多晶硅产物样品放入烧杯的水中，然后将其置于超声浴中一定时间段。然后过滤水，并按照对煮沸法的描述来计算粉尘百分比。超声法可以产生比煮沸法更高的粉尘测量值，表明除了容易去除的粉尘之外，还去除了一些脆弱的微观结构。因此，在一些实施例中，煮沸法用于定量游离粉尘的量，而超声法用于指示总粉尘水平，其包括游离粉尘和在粒状多晶硅产物随后的运输和处理期间会经由磨损另外产生的粉尘。

术语“相对湿度”是指给定温度下空气-水混合物中水蒸气的分压与水的饱和蒸气压之比。在一些实施例中，相对湿度表示为百分比。相对湿度可由下式表示：

其中ew是在给定温度下水蒸气的分压，并且e*w是在给定温度下水的饱和蒸气压。

湿度可以使用诸如湿度计的装置来测量。在一些实施例中，湿度计测量物质参数例如温度、压力、质量、或者机械或电随着水分被吸收时产生的变化。电子湿度计测量冷凝温度或者电容或电阻变化以测量湿度。湿度计可能需要定期重新校准，并且可能会受到所述仪器内小温度变化的影响。因此，在一些实施例中，本文描述的相对湿度值可以变化高达约±3％，例如±2％、±1％、或±0.5％(例如，约±0-3％、±1-2％或±0.5-1％)。

i.除尘装置

本文公开了用于多晶硅颗粒除尘的装置，其包括转鼓(例如，2014年11月7日提交的美国专利申请no.14/536,496中描述的装置，所述美国专利申请通过引用整体并入本文)和用于将水蒸气引入所述转鼓的室中的部件。在一些实施方式中，所述除尘装置包括水蒸气源(例如加湿器)，例如用于将水蒸气引入吹扫气体的装置，所述吹扫气体被引入所述转鼓的室中。在其它实施方式中，所述除尘装置还包括水源(例如水净化系统)、湿度传感器、阀、和/或用于控制装置的操作例如水蒸气源和/或吹扫气体流的操作的仪器。

所说明的用于分离粒状多晶硅和多晶硅粉末的设备包括转鼓和用于使所述转鼓旋转的设备例如发动机。图1描绘了转鼓10和可操作成使所述转鼓旋转的动力源11。转鼓10具有纵向旋转轴线a、侧壁20、限定气体入口32的第一端壁30、和限定气体出口42的第二端壁40。

图1中示出的示例性转鼓10的侧壁20是管状的，并与端壁30、40一起限定室22。图示的侧壁20是沿着纵向旋转轴线a具有基本上恒定的圆形横截面几何形状的直圆柱体的侧表面。也考虑了其他几何形状。例如，侧壁20可以具有限定室的内表面，所述室具有横截面为三角形、正方形、五边形、六边形或更高级多边形的边界。在任何所述实施方式中，纵向旋转轴线a有利地可以在室22内居中，如图1所示，或者旋转轴线a可以偏离中心。

在一个实施方式中，所述侧壁、第一端壁和第二端壁共同限定了v型混合器的室(例如，具有转鼓的混合装置，所述转鼓限定了大致为字母“v”形状的混合室并且可绕着水平旋转轴线旋转)。

图1中所示的示例性转鼓10还包括延伸穿过侧壁20的端口50。端口50可用于将作为粒状多晶硅和多晶硅粉末的混合物的多晶硅材料引入室22中。端口50还可用于从室22移除滚动过的多晶硅材料。端口50在转鼓10旋转期间是关闭的。进料斗55可以可拆卸地或固定地与端口50连接，以便于将所述多晶硅材料引入室22和/或便于在滚动后从室22移除粒状多晶硅。或者，所述进料斗可以与侧壁整合，例如，侧壁和料斗是一体结构，其中所述端口延伸穿过侧壁并进入料斗。

如图1所示，吹扫气体源12与气体入口32连接，以提供纵向穿过室22的吹扫气体流(吹扫气体的流路)。在一些实施方式中，所述吹扫气体的流路包括在吹扫气体源12和气体入口32之间的连接器(例如管子或管)。过滤器(未显示)例如hepa过滤器可以被定位在吹扫气体源12和气体入口32之间。水蒸气源15与所述吹扫气体的流路流体连通。在一些实施方式中，例如如图1和图2a中显示，水蒸气源15经由连接器(例如管或管子)19与所述吹扫气体的流路流体连通。

如图2b所示，在其它实施方式中，水蒸气源15被定位在所述吹扫气体的流路中、在吹扫气体源12和气体入口32之间(例如，水蒸气源与吹扫气体源和气体入口二者流体连接)。在包括过滤器和水蒸气源(未显示)二者的实施方式中，所述部件可以与所述过滤器一起布置在吹扫气体源12和水蒸气源15之间。在其它实施例中，所述过滤器可以被定位在水蒸气源15和气体入口32之间。在一些实施例中，将干燥的吹扫气体(例如氮气)供应到水蒸气源15。所述吹扫气体获得水蒸气并进入气体入口32。

在一些实施方式中，所述水蒸气源是加湿器。可用于本文公开的装置中的加湿器包括雾化器(例如，直接液体喷射)、气泡加湿器和膜加湿器。不同类型的加湿器是可商购的，并且本领域普通技术人员可以选择合适的加湿器。在一些非限制性实施方式中，所述除尘装置包括膜加湿器。示例性的膜加湿器可得自membrana(charlotte，nc)、permselect(annarbor，mi)，permapurellc(tomsriver，nj)和rasirc(sandiego，ca)。在一些特定实施例中，如图2b所示，在所述装置中，例如在吹扫气体源12和气体入口32之间包括加湿系统(rasirc)。

在另外的实施方式中，所述装置还包括与水蒸气源15流体连接的水源16。在一些实施例中，所述水源通过连接器，例如在水源16与水蒸气源15的入水口18之间延伸的管17，向水蒸气源15提供水。水源16可以是任何类型的水源，包括市政供水、水箱和/或水净化系统。在一些实施例中，水源16提供净化水，例如蒸馏水或去离子水。因此，在一些实施方式中，水源16包括水净化系统，例如去离子系统。在特定实施例中，水源16提供mω纯度的水。水净化系统是可商购的，并且本领域普通技术人员可以选择合适的系统。示例性的去离子水系统可得自raynewater(sandiego，ca)、nalcopts(aston，pa)和marloincorporated(racine，wi)。可包括在所述装置中的水净化系统的非限制性实例是elix基本水净化系统(elixessentialwaterpurificationsystem)(由emdmillipore制造，billerica，ma)。

在一些实施方式中，所述除尘装置任选包括一个或多个传感器，用于检测所述系统中的湿度(例如，绝对湿度和/或相对湿度)。湿度传感器可以被放置在所述装置的吹扫气体流路中的任何点处，或者可以附着于所述装置的吹扫气体流路中的任何点处的端口。在一些实施例中，湿度传感器被包括在水蒸气源中。例如，加湿器可包括一个或多个传感器，其在吹扫气体穿过所述加湿器时监测其露点。在特定实施例中，所述加湿器还包括根据需要调节吹扫气体流量的仪器，以供应具有选定的相对湿度水平的加湿吹扫气体。在其它实施例中，一个或多个(例如两个或更多个)水分发送器位于所述系统中，例如位于吹扫气体源12下游的吹扫气体流路中和气体入口32上游的过滤器(未显示)的下游(例如，为了防止粉尘沾污传感器)。然而，因为所述系统在操作期间是关闭的，因此认为所述传感器可以放置在或附着于所述系统的任何部分处的端口中，而基本上不影响吹扫气体总湿度的测量精度(例如，在操作期间)。示例性水分传感器是dewprommr31水分发送器(由gemeasurementandcontrol制造，boston，ma)。

所述装置还可包括阀、管路、或用于提供和/或调节水流(例如，从水源到加湿器的水流)、吹扫气体流的其他部件，以及用于控制水蒸气源(例如加湿器)的操作的仪器，以便在操作期间在所述系统中达到期望的湿度水平。在一些实施例中，所述仪器可以是计算机控制的或自动化的。

如图1所示，包括鼓风机、旋风器和过滤器组件的集尘组件14与出口42可操作地连接，以收集从粒状多晶硅移除的粉尘。在一个实施方式(未示出)中，吹扫气体从所述集尘组件再循环到气体入口32。在一个实施方式中，纵向轴线a是水平的。在另一个实施方式中，纵向轴线a是倾斜的，使得出口42低于入口32。纵向轴线a可以以与水平成最高30度的角度倾斜。

在一些实施方式中，转鼓10包括一个或多个提升叶片60(例如1-40、1-20、5-15或10-12个提升叶片)，例如附着于侧壁20并从侧壁20向内延伸。叶片的数量可以至少部分取决于侧壁20的内周长和/或所述提升叶片的高度。随着侧壁20的内周长增加，提升叶片的数量可以增加。提升叶片的数量可以与提升叶片的高度成反比地变化，例如，随着叶片高度增加，叶片的数量可以减少。提升叶片的数量也可以由叶片几何形状(例如，提升叶片基部的宽度和螺距角)以及所述粒状多晶硅的粒度来确定。例如，有利的是，将所述提升叶片间隔开的距离不能比粒状多晶硅的最大粒度更小。美国专利申请no.14/536,496中更详细地描述了提升叶片的几何形状和布置。

有利地，螺旋叶片45可位于转鼓10的排气管道44内。排气管道44可具有圆柱形构造。理想地，排气管道44具有圆形横截面，并且螺旋叶片45的外径d2与排气管道44的内径(例如2×r)相近。在螺旋叶片45的外缘45a和排气管道44的内表面44a之间存在的任何间隙小于所述多晶硅颗粒的平均直径。在一些实施方式中，螺旋叶片45的外径d2仅略小于排气管道44的内径(2×r)，因此在螺旋叶片45的外缘45a与排气管道44的内表面44a之间没有间隙。有利地，螺旋叶片45不包括中心轴。相反，螺旋叶片45最好附接于排气管道44内的表面。螺旋叶片45可以通过任何合适的手段附接于排气管道44的内表面，所述手段包括但不限于焊接、使用螺栓、或粘合剂粘合。

在图1所示的实施方式中，鼓10刚性地附着于排气管道44，并且螺旋叶片45附着于排气管道44。在转鼓10和排气管道44旋转时，螺旋叶片45也旋转。螺旋叶片45被构造成使得粉尘和粉末粒子保持夹带在吹扫气体中并且流过叶片45到达集尘组件14。较大的粒子与吹扫气体分离，并在排气管道44和螺旋叶片45旋转时以与吹扫气体流逆流的方向被运送到室22。螺旋叶片45具有从排气管道44的内表面44a起测量的高度h2，所述高度足以在流过排气管道44的具有夹带的多晶硅粉尘和粒状粒子的吹扫气体中引起旋流模式和离心力，所述离心力有效地将粒状粒子(例如，平均直径大于0.25μm的粒子)与吹扫气体和粉尘粒子分离。然而，螺旋叶片高度h2不会太大以至于引起对气体流的过度阻力。在一些实施方式中，螺旋叶片高度h2是排气管道44的半径r的0.25x至0.75x。

在一些布置中，一个或多个中间支撑件(未显示)围绕侧壁20的内周间隔开。中间支撑件沿着侧壁20的内表面纵向延伸，有利地与轴线a大致平行。中间支撑件可被定位在相邻的提升叶片60之间。有利地，所述中间支撑件围绕侧壁20的内周彼此基本上等距地间隔开。当单个中间支撑件被定位在相邻的一对提升叶片60之间时，所述中间支撑件可位于所述提升叶片之间的中点处。中间支撑件为侧壁20提供附加的强度并且可以减少侧壁的变形。中间支撑件的高度小于提升叶片60的高度，例如，中间支撑件的高度小于室22的内径的0.05x。

起初，在具有夹带的多晶硅粉尘和粒状粒子的吹扫气体通过出口42进入排气管道44时，将跨螺旋叶片45流动。螺旋叶片45引起气体流涡旋。进入所述排气管道后的吹扫气体流动速率足够低，以允许一些固体(例如，平均直径大于250μm的粒状粒子)与所述吹扫气体流脱离。随着吹扫气体沿着排气管道44行进得更远，流场的角速度增加并且变得与螺旋叶片45的转角更加对齐。该旋转流产生离心力，使较大的粒子朝着排气管道44的内表面44a向外移动。由于从壁表面44a和叶片表面45b施加在所述气体上的摩擦力，将形成紧邻这些表面的具有最低速度的边界层。当较大的粒子到达这些较低速度的区域时，它们将不再被夹带在吹扫气体流中，并且它们的运动将更多地受到重力影响。这些分离的粒子将在螺旋叶片45的转角之间沿着排气管道44的下部分积聚。随着螺旋叶片45与室22和排气管道44一起旋转，并且螺距使得所述粒子爬上旋转的排气管道的内表面44a并靠近螺旋叶片45落下时，它们将对抗吹扫气体流被轴向引导回到室22中。螺旋叶片45的存在可以将产物(例如，多晶硅颗粒)损失减少到小于放入所述鼓中的初始装料重量的2重量％或小于1重量％。

在一个独立的实施方式中，可在圆柱形排气管道44内放置筛网(未显示)，以阻挡固体进入集尘组件14。例如，可以在圆柱形排气管道44内放置25目至60目的尼龙筛。在这样的实施方式中，可以向所述筛网的下游侧定期施加清洁气体脉冲，以提供反向流并清除来自所述筛网的上游侧的积聚粒子。

转鼓10的旋转在鼓中产生多晶硅材料的滚动或搅动。所公开的转鼓10的实施方式为装载在鼓内的粒状硅床建立了两个不同的流路：(1)主要横向流，和(2)次要横向流。主要横向流是由作用在装载在鼓内的粒状硅床上的侧壁力、粒子间力、重力和离心力产生的流动。次要横向流是由所述粒状硅床的局部部分与侧壁的几何形状之间的相互作用产生的流动，所述侧壁的几何形状例如为提升叶片60或者当侧壁具有多边形小平面内表面21时，例如当侧壁20具有在横截面上是三角形、正方形、五边形等的内表面21时，侧壁20自身的小平面之间的过渡部分。次要横向流使受影响的材料在床的上方弹射出或提升并分配在床的上方或弹射到床内或侧壁20的相反部分中。这些流动取决于鼓横截面积、转速、床深度、粒子几何形状(尺寸，尺寸分布，形状，和粗糙度)、提升叶片(高度，螺距角，和数量)、鼓的内表面的粗糙度、以及鼓的内表面和多晶硅材料之间的动摩擦系数。主要横向流方式包括滑动、坍落、滚动、梯级跌落(cascading)、瀑泻(cataracting)和离心方式。美国专利申请no.14/536,496中更详细地描述了这些流动方式。

在转鼓中处理的粒状硅的表面改性是由于粒子间以法向和切向这两种速度分量的碰撞而发生的。在法线方向上对齐的碰撞力分量产生压缩力，其使表面特征破裂并使在颗粒之间撞击的粉尘粒子的尺寸减小。在这些碰撞中产生的惯性力导致捕获在缝隙和孔隙内的粉尘粒子被释放。在切线方向上对齐的碰撞力分量导致表面特征被剪切或破裂，并且还导致松散附着于平面或凸面特征的粉尘通过擦拭动作被释放。如下所述，据认为，在室中由于加湿的吹扫气体的存在而在多晶硅颗粒和多晶硅粉末的表面上形成的水膜削弱了范德华力(伦敦力(londonforces))，从而允许粉尘粒子与粒状硅分离，并促进在吹扫气体中夹带粉尘粒子和将它们从转鼓的室移除。

为了使在所述转鼓中研磨和抛光的粒状硅材料的量最大化，希望建立梯级跌落流动方式，其产生增加的粒子速度，同时床内的所有粒子保持彼此接触并经历大量的切向碰撞。实现梯级跌落流动的典型速度范围介于临界速度的55％至75％之间。因此，在一些实施方式中，选择旋转速度来提供梯级跌落流动方式。在一些实施方式，进行两级分离，使用在该速度范围的下端(例如，临界速度的55-75％或55-65％)的第一旋转速度来去除游离粉尘，随后使用接近瀑泻流动方式的增加的旋转速度(例如，临界速度的65-90％或70-85％)来去除附着特征，否则所述附着特征可以在例如包装和/或运输期间处理所述颗粒时通过磨损而脱离或去除。

另外，在转鼓10旋转时，所述一个或多个提升叶片60向上携带一部分多晶硅材料。在每个提升叶片60向上旋转超过水平取向时，由该提升叶片60携带的多晶硅材料向下落下。流过室22的吹扫气体夹带至少一部分所述落下的多晶硅粉末，其通过出口42被带出室22。夹带的多晶硅粉末可以通过任何合适的手段，例如通过使离开的气体和夹带的粉末流过过滤器来收集。在足够低的吹扫气体流速和/或滚动速度下，粒状多晶硅不会被流动气体夹带并留在室22中。然而，较低的气体流速和/或旋转速度在去除粉尘和抛光多晶硅颗粒方面可能不太有效。因此，可以增加吹扫气体流速和/或旋转速度以改善功效。被较高的气体流速和/或旋转速度扫入圆柱形排气管道44的任何粒状多晶硅通过螺旋叶片45的旋转而被返回到室22，从而使粒状产物的损失最小化。在一定时间段之后，停止旋转和吹扫气体流并且经由端口50排空室22。从室22移除的多晶硅材料与引入所述室中的材料相比包含降低的多晶硅粉末重量百分比。

在一个示例性布置中，转鼓10具有1000-4000kg多晶硅的容量(例如1000-2000kg，1500-3000kg，或2500-4000kg)。室22部分由具有内表面的转筒侧壁20限定，所述内表面是具有圆形横截面的圆柱体，具有150-200cm的均一直径和100-130cm的长度。所述转鼓包括1至20个提升叶片60，例如5-15或10-12个提升叶片。如果存在的话，每个提升叶片可具有7.5cm至40cm、例如15-30cm的高度。所述转鼓也可包括多个中间支撑件(未显示)。转鼓10可以用粒状多晶硅和多晶硅粉末的混合物填充到不阻塞气体入口32和/或出口42的深度。因此，所述转鼓可以用所述混合物填充到50-80cm的深度。在这种布置中，所述转鼓可操作成以5-30rpm旋转。

为了减少由于与所述滚动装置内的表面接触而导致的粒状硅和多晶硅粉末的污染，侧壁20、第一端壁30、第二端壁40或其组合的内表面的所有部分可以包含石英、碳化硅、氮化硅、硅或其组合。在一种布置中，侧壁20、第一端壁30、第二端壁40或其组合由石英构成或衬有石英。

在另一个实施方式中，通过用聚氨酯、聚四氟乙烯(ptfe，(dupontco.))或乙烯四氟乙烯(etfe，(dupontco.))涂覆侧壁20的内表面21、第一端壁30的内表面和/或第二端壁40的内表面的至少一部分来减少多晶硅污染。有利地，提升叶片(如果存在)、中间支撑件(如果存在)和/或螺旋叶片45的外表面的至少一部分也可以涂有聚氨酯、ptfe或etfe。用于本文中时，术语“聚氨酯”也可包括其中聚合物主链包含聚脲氨酯或聚氨酯-异氰脲酸酯键的材料。所述聚氨酯可以是微孔弹性体聚氨酯。

术语“弹性体”是指具有弹性性质的聚合物，例如类似于硫化天然橡胶。因此，弹性体聚合物可被拉伸，但在释放时缩回到大约其原始的长度和几何形状。术语“微孔”一般是指孔尺寸在1-100μm范围内的泡沫结构。

除非在高倍显微镜下观察，否则微孔材料通常在不经意看来是固体的，没有可辨别的网状结构。关于弹性体聚氨酯，术语“微孔”通常由密度限定，例如弹性体聚氨酯的体积密度大于600kg/m³。体积密度较低的聚氨酯通常开始获得网状形式，并且一般不太适合用作本文所述的保护性涂层。

适用于本公开的申请的微孔弹性体聚氨酯是体积密度为1150kg/m³或更低、并且肖氏硬度(shorehardness)为至少65a的聚氨酯。在一个实施方式中，所述弹性体聚氨酯的肖氏硬度为至多90a，例如至多85a；并且至少70a。因此，肖氏硬度可以在65a至90a，例如70a至85a范围内。另外，合适的弹性体聚氨酯的体积密度为至少600kg/m³，例如至少700kg/m³并更优选至少800kg/m³；并且至多1150kg/m³，例如至多1100kg/m³或至多1050kg/m³。因此，体积密度可以在600-1150kg/m³，例如800-1150kg/m³，或800-1100kg/m³范围内。固体聚氨酯的体积密度应理解为在1200-1250kg/m³范围内。在一个实施方式中，所述弹性体聚氨酯的肖氏硬度为65a至90a并且体积密度为800至1100kg/m³。

弹性体聚氨酯可以是热固性或热塑性聚合物；本公开的申请更适合使用热固性聚氨酯，特别是基于聚酯多元醇的热固性聚氨酯。观察到具有上述物理属性的微孔弹性体聚氨酯特别稳固，并且比许多其他材料明显更好地耐受磨蚀环境和对颗粒状颗粒硅的暴露。

在一些实施方式中，将聚氨酯涂层施加于壁20的面向内的表面。所述聚氨酯涂层可以通过任何合适的手段来固接。在一个实施方式中，聚氨酯涂层被原位浇铸并在浇铸时粘附到侧壁20上。在另一个实施方式中，利用粘合材料例如环氧树脂例如westsystem105与206(westsysteminc.，baycity，mi)，将聚氨酯涂层固接到侧壁20上。在另一个实施方式中，利用双面胶带，例如3m^tmvhb^tmtape5952(3m，st.paul，mn)，将聚氨酯涂层固接到侧壁20上。在又一个实施方式中，聚氨酯涂层通过提升叶片60和螺栓和/或通过中间支撑件和螺栓来固接。

侧壁20的内表面和/或提升叶片和/或中间支撑件的外表面上的聚氨酯涂层通常以至少0.1、例如至少0.5、至少1.0、或至少3.0毫米，并且至多约10例如至多约7或至多约6毫米厚度的总厚度存在。因此，所述聚氨酯涂层可具有0.1-10mm、例如0.5-7mm或3-6mm的厚度。

ii.分离多晶硅颗粒和粉末的方法

本文公开了利用加湿的吹扫气体和分离装置分离粒状多晶硅和多晶硅粉末的方法。所述分离装置可以是流化床、分级器或转筒(例如本文第i部分中描述的除尘装置)。

在一些实施方式中，将作为粒状多晶硅和多晶硅粉末的混合物的多晶硅材料引入分离装置的室中。对所述系统供能(例如，通过使转筒旋转或引入加压流体)以分散粒状多晶硅和多晶硅粉末。将吹扫气体(例如惰性气体)流经由入口引入所述室中，并将所述室中的气氛加湿(例如，通过使加湿的吹扫气体流过所述室)。松散的多晶硅粉末变成气载的并在所述室内形成云。所述吹扫气体流速足够高以夹带松散的多晶硅粉末并经由出口(例如，在所述室的与入口相反的一端)将所述多晶硅粉末带出所述室；然而，该吹扫气体流速不足以夹带多晶硅颗粒。

参考使用本文公开的转筒装置来描述所述方法。然而，本领域普通技术人员可以将这些方法应用于其他分离装置，例如流化床或分级器。在一个实施方式中，将作为粒状多晶硅和多晶硅粉末的混合物的多晶硅材料引入所述转鼓的室中。转鼓10以任何合适的速度，例如1-100rpm、2-75rpm、5-50rpm、10-40rpm或20-30rpm的速度旋转。选择所述速度以随着一份份混合物被例如一个或多个提升叶片提升并随着转鼓旋转而落下，有效地将至少一些粉末与多晶硅颗粒分离。本领域普通技术人员理解，所选择的速度可至少部分取决于转鼓的尺寸和/或转鼓内混合物的质量。

吹扫气体流经由气体入口例如在所述室的一端处的气体入口被引入所述室中。吹扫气体可以是空气或惰性气体(例如氩气，氮气，氦气)。在一些实施例中，吹扫气体是氮气。当所述转鼓旋转时，松散的多晶硅粉末变成气载的并在所述室内形成云。所述吹扫气体流速足够高以夹带松散的多晶硅粉末并经由出口(例如，在所述室的与入口相反的一端)将所述多晶硅粉末带出所述室；然而，该吹扫气体流速不足以夹带多晶硅颗粒。有利地，当吹扫气体是空气时，维持足够的气体流速以保持所述室内的气载粉尘浓度小于最低可爆炸浓度(mec)。当吹扫气体是惰性的(例如，氮气，氩气，氦气)时，可以使用较低的吹扫速率。合适的吹扫气体轴向流速在所述室中可以在20cm/sec至40cm/sec(0.7ft/sec至1.3ft/sec)范围内，而在与出口连接的排气管道中可以在200cm/sec至325cm/sec(6.6ft/sec至10.7ft/sec)范围内。

在本文公开的方法中，所述转鼓中的气氛被加湿(例如，通过使加湿的吹扫气体流过转鼓)。不受理论束缚，据认为维持所述室中的相对湿度导致在所述室中的多晶硅颗粒和多晶硅粉末的表面上形成水膜。形成足够厚度的水膜被认为会削弱范德华力(伦敦力)，以允许粉尘粒子与粒状硅分离，并且促进在吹扫气体中夹带粉尘粒子和将它们从所述室移除。

因此，在一些实施方式中，从气体入口流过转鼓室到达气体出口的吹扫气体在其通过气体入口引入所述室中之前被加湿。在一些实施例中，通过在吹扫气体流中注入水(例如净化水，例如去离子水)，例如通过手动将水添加到吹扫气体源和气体入口之间的过滤器或过滤器的配件，对吹扫气体进行加湿。在吹扫气体流过所述过滤器时，吹扫气体吸收水蒸气。在其它实施例中，通过放置在吹扫气体源和气体入口之间的加湿器对吹扫气体进行加湿。在具体的非限制性实施例中，使用加湿系统(rasirc，sandiego，ca)对吹扫气体进行加湿。在更进一步的实施例中，通过将水蒸气添加到吹扫气体源下游和气体入口上游的吹扫气体流中，对吹扫气体进行加湿。

在一些实施例中，所述室中的吹扫气体被加湿到至少约2％(例如，至少约3％，至少约4％，至少约5％，至少约10％，至少约15％，或更高)的相对湿度。在一些实施例中，rh为约3-22％(例如，约3-6％，约5-10％，约6-12％，约8-15％，约12-20％，约16-22％，或约10-22％)。在其他实施例中，rh为约10-90％(例如约10-30％，25-50％，40-75％，或60-90％)。然而，只要温度维持在超过露点或者在使温度降至低于初始露点之前降低湿度以避免在所述系统中的冷凝，则有可能使用甚至更高水平的rh。在吹扫气体在操作过程中流过所述室期间，rh可以基本上恒定(例如，从操作开始到操作结束±1％rh)。然而，在吹扫气体在操作过程中流过所述室期间，rh可以增加和/或减少2％rh或更多(例如，±2％，3％，4％，5％，或更多)。在特定实施例中，只要rh维持在选定点或高于选定点，例如5％、10％、15％或20％，rh在操作过程期间可以增加和/或减少。在一些实施例中，当考虑将所述系统冷却至低于露点时，rh可以减少。

在一个实施方式中，所述滚动过程是批式过程，其中将一定量的多晶硅材料经由端口引入所述室中。在如上所述的加工之后，从所述室移除滚动过的多晶硅材料(例如，通过所述端口)，并将另一个量的多晶硅材料引入室中。

在滚动过程之后，从所述滚动装置移除包含粒状多晶硅和重量百分比减少的多晶硅粉末的多晶硅材料。初始多晶硅材料可包含0.25重量％至3重量％的粉末。在一些实施方式中，滚动过的多晶硅材料包含小于0.1重量％的粉末，例如小于0.05重量％的粉末，小于0.02重量％的粉末，小于0.015重量％的粉末，小于0.01重量％的粉末，或甚至小于0.001重量％的粉末。在一些实施方式中，所述粒状多晶硅在从所述转鼓移除后干燥。

iii.颗粒状多晶硅组合物

本文公开了颗粒状多晶硅组合物。在一些实施方式中，所述组合物包括第一组分和第二组分，所述第一组分是平均粒子直径为0.25至20mm的颗粒状多晶硅，所述第二组分是平均粒度小于50μm的未结合的细粉状多晶硅。在一些实施例中，所述第一组分的平均粒子直径为0.25至20mm(例如0.25-10，0.25-5，或0.25至3.5mm)。所述第一组分以所述组合物的至少99.9重量％(例如99.99重量％或99.999重量％)存在于所述组合物中，并且所述第一组分的单个颗粒的直径在0.1-30mm，例如0.1-20mm、0.1-10mm、0.1-5mm、0.1-3mm、或0.2-4mm范围内。所述第二组分以小于组合物的0.02重量％(例如小于0.015重量％、0.01重量％、0.005重量％、0.001重量％，或更低)的量存在于所述组合物中，并且单个粉末粒子的直径可以在40nm至250μm范围内(例如，直径在40nm至50μm或40nm至10μm范围内)。在特定的实施方式中，所述颗粒状多晶硅的表面基本上不含任何附着的平均粒度小于50μm的细粉状多晶硅。另外，所述第一组分和第二组分二者均具有以重量计小于10ppm(例如以重量计小于5ppm或以重量计小于2ppm)的氯含量。

在另外的实施方式中，与以前可得的颗粒状多晶硅组合物相比，所述组合物的第一组分的表面粗糙度降低。在一些实施例中，所述颗粒状多晶硅(第一组分)的表面粗糙度ra小于1μm(例如，小于900nm，小于800nm，小于700nm，小于600nm，小于500nm，小于400nm，小于300nm，小于200nm，小于150nm，小于100nm，或小于50nm)。

在更进一步的实施方案中，所述组合物在颗粒状多晶硅和/或细粉状多晶硅的表面上包含水膜。在一些实施例中，颗粒状多晶硅或细粉状多晶硅的表面上的水膜为至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约至少约或至少约厚(例如约或厚)。在一些实施例中，所述水膜是在颗粒状多晶硅的表面上和/或在细粉状多晶硅的表面上的连续层或基本上连续的层。基本上连续的水膜是仅具有微小的中断或缺口或甚至没有可检测的中断或缺口的水膜。因此，在一些实施例中，颗粒状多晶硅的表面上或细粉状多晶硅的表面上的水膜没有可检测的缺口或中断。在一些实施例中，水膜为厚并且是连续的(例如，在所有表面上)，但是，例如取决于所述粒子表面的局部形貌，可以存在膜厚度的局部变化。在其它实施例中，所述水膜在颗粒状多晶硅的表面上和/或在细粉状多晶硅的表面上具有均一的厚度。

至少一部分水可通过物理吸附(也称为物理性吸附)和/或化学吸附(也称为化学性吸附)与所述表面相互作用。物理吸附是指水与颗粒状多晶硅之间的非共价或非离子相互作用，例如通过范德华力的相互作用。化学吸附是指水与颗粒状多晶硅之间通过共价键或离子键的相互作用。在特定实施例中，所述颗粒状多晶硅和/或细粉状多晶硅的表面上的水主要是物理吸附水(例如，至少80％、85％、90％、95％、99％或更多的水是物理吸附的)。在其它实施例中，所述颗粒状多晶硅和/或细粉状多晶硅的表面上的所有或基本上所有的水都是物理吸附水。如上所述，在多晶硅颗粒除尘期间形成水膜被认为会削弱附着的细粉状多晶硅与所述多晶硅颗粒之间的相互作用，从而促进附着的多晶硅粉尘的释放。

在另外的实施方式中，所述颗粒状多晶硅组合物包括复合粒子，所述复合粒子具有基本上球形的形状并且具有被芯涂层包围的芯。所述组合物的芯包含纯度为至少99.9重量％(例如99.99重量％或99.999重量％)并且氯含量以重量计小于10ppm(例如以重量计小于5ppm或以重量计小于2ppm)的多晶硅。所述组合物的涂层是基本上由水组成的膜。在一些实施例中，所述水膜为约厚(例如，或厚)。所述水膜的至少一些是物理吸附水。在特定实施方式中，所述复合粒子以基于组合物总重量的至少99.9重量％(例如至少99.99重量％或99.999重量％)存在于所述组合物中。

在特定实施方案中，所述复合粒子的芯的平均直径为0.25mm至20mm(例如0.25-10、0.25-5、或0.25至3.5mm)。在其它实施方式中，芯的平均直径为0.001mm至小于0.25mm(例如0.001-0.05mm，0.01-0.1mm，0.025-0.1mm，或0.1-0.2mm)。在更进一步的实施方式中，芯的平均直径小于50μm(例如，40nm至50μm或40nm至10μm)。在一些实施例中，所述芯粒子的平均直径为0.25mm至20mm，并且基本上没有附着的平均粒度小于50μm的细粉状多晶硅。

在一些实施方式中，所述组合物包含双峰尺寸分布的芯粒子，所述芯粒子包含平均直径为0.25mm至20mm的第一芯粒子群和平均直径小于50μm的第二芯粒子群，其中所述第一芯粒子群以基于芯粒子总重量的至少99.9重量％存在于所述组合物中，并且其中所述第二芯粒子群以小于芯粒子总重量的0.02重量％(例如小于0.015重量％或小于0.01重量％)的量存在于所述组合物中。在一些实施例中，第一群的单个芯粒子的直径在0.1-30mm(例如0.1-5mm或0.2-4mm)范围内，并且第二群的单个芯粒子的直径在40nm至250μm(例如40nm至50μm或40nm至10μm)范围内。

在一些实施例中，使用本文所述的系统和/或方法生产所述颗粒状多晶硅组合物。

本文还公开了所述颗粒状多晶硅组合物的包装物(例如，用于运输或储存)，其具有壁，所述壁具有限定空腔的内表面，以及被包含在所述空腔内的一定体积的颗粒状多晶硅组合物。在一些实施方式中，所述壁由无污染材料构成，或者所述壁衬有或涂有无污染材料的保护层。在一些实施方式中，所述包装物至少部分由金属构成并且具有金属内表面。在其它实施方式中，所述包装物至少部分由无污染材料构成。所述无污染(或保护性)材料可以减少或消除所述颗粒状多晶硅组合物的污染(例如，如果所述壁的内表面是金属的话，则金属污染)。

图5是包括至少一个壁110的示例性包装物100的横截面示意图，所述壁110具有内表面120和覆盖一个或多个内表面120的保护性衬层或涂层130。颗粒状多晶硅组合物140位于壁110内并与保护性衬层130接触。本领域普通技术人员将认识到，容纳所述颗粒状多晶硅组合物的包装物可具有任何合适的尺寸和形状，并且可包括一个或多个另外的开口，例如用于装载或卸载所述组合物。

所述包装物的内表面上的无污染衬层或涂层通常以至少0.1、例如至少0.5、至少1.0、或至少3.0毫米，并且至多约10，例如至多约7或至多约6毫米厚度的总厚度存在。因此，所公开的保护性衬层的实施方式可具有0.1-15mm，例如0.5-7mm，1-10mm，3-6mm，或5-13mm的厚度。所述保护性衬层可以是塑料层压结构，其包括与硅接触的聚氨酯外层。在其它实施例中，所述保护性衬层可以是聚乙烯、ptfe或etfe。然而，在一个实施方式中，考虑了所述保护性衬层的大部分或整体是弹性体微孔聚氨酯。在一些非限制性实施例中，所述保护性衬层或涂层是微孔弹性体聚氨酯，从而减少或消除所述颗粒状多晶硅组合物的污染。

还公开了所述颗粒状多晶硅组合物的包装物(例如，用于运输或储存)，例如含有所述颗粒状多晶硅组合物的柔性袋。在一些实施方式中，所述袋由无污染材料构成。所述无污染材料可减少或消除所述颗粒状多晶硅组合物的污染，例如，来自包装材料的污染。在一些实施例中，所述柔性袋可以由聚乙烯(例如低密度pe或线性低密度pe)制成。用于所述柔性袋的其它合适的材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)或聚丙烯。另外的材料可以选自本领域已知的那些，包括在美国专利公布no.2014/0151259和2013/0309524以及日本专利no.551408中描述的那些，所有这些文献都通过引用整体并入本文。

iv.实施例

湿度对除尘的影响

在流化床反应器(例如，如美国专利no.8,075,692中所述)中产生的粒状多晶硅在如本文所述的用于分离粒状多晶硅和多晶硅粉末的装置中滚动后进行评价。除尘通过目视分析来评价并分类为差、良好或优异(表1)。近似粉尘量对于差结果来说为约>0.04％，对于良好结果来说为0.01-0.02％，对于优异结果来说为<0.01％。图3中显示了运行9-12的温度和rh。除了运行8b(在运行结束时测量)之外，所有其它运行都是用485b型温湿度计(thermo-hygrometer)(由dwyerinstruments制造，michigancity，in)通过在hepa过滤器外壳(在吹扫气体源的下游和气体入口的上游)的排气侧中的螺纹喷嘴以各种间隔连续测量并且手动记录的。

表1.除尘条件

在系统对环境潮湿大气开放一段延长的时间后进行运行5b。具体而言，在运行5b之前的三天中，所述系统在第一天早晨(平均温度53°f，平均rh53％)打开进行管道修正，在第二天全天对大气开放(平均温度48°f，平均rh63％)，并且在第三天下午完成系统重新组装(平均温度49°f，平均rh58％)。运行5b在次日进行。据认为大气湿度在转筒和吹扫气体系统中的所有表面上提供了水膜，并且还吸收到过滤器的介质和嵌入其中的粉尘二者中，这被认为提供了小的储水库。在开始此次运行之前，为了去除氧气，用干燥的氮气对所述系统进行驱气，但由于这种储水库的可用性，所产生的系统湿度仍可能高得足以在整个运行5b中允许非常有效的清洁过程，从而达到优异的结果。

随着添加各批粒状硅和相应的粉尘，每个粒子的表面获得水膜，该水膜在集尘鼓中和在将处理过的颗粒排出到fibc装载系统中失去，这个储水库据推测在运行6、7和8a的过程中变得耗尽。另外，水分随着在转筒和固定的管道密封件之间泄漏的吹扫气体而损失。其被供应到所述系统的非常干燥的连续氮气驱气代替。据认为，运行6可能开始有一些湿度，这使得它获得良好的结果，但是在其运行过程中，该湿度可能下降得足够低从而阻止了粉尘的完全去除。由于没有向所述系统添加新的水分，因此运行7和8a在低湿度下进行，这被认为造成了它们的差结果。

通过打开hepa过滤器外壳将所述系统暴露于环境湿度仅几小时后，尝试运行8b。该运行完成后，进行第一次湿度测量。在评价运行8b的连续差结果时，尽管引入了一些湿度，但推测在该运行结束时存在的5％rh可能低于运行5b的rh并且不足以获得期望的结果。因此，在运行8c开始之前，建立了更主动积极的湿度控制。这是通过在运行8c-12中将去离子水添加到hepa过滤器外壳(位于所述吹扫气体源的下游和所述气体入口的上游)以维持所显示的rh水平来实现的。这些运行通过目视检查和煮沸法全部提供了优异的除尘(图4a和4b)。采用>10％rh，在多于50次随后的运行中获得了优异的结果。

鉴于本公开的原理可适用的许多可能的实施方式，应该认识到，所说明的实施方式只是实施例并且不应该被认为限制本发明的范围。相反，本发明的范围由后面的权利要求限定。因此，我们请求保护落入这些权利要求的范围和精神内的全部均作为我们的发明。