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用于包装粉碎的多晶硅材料的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于包装粉碎的多晶硅材料的方法和装置。
背景技术
多晶体硅(多晶硅)通常通过西门子方法由三氯硅烷沉积得到，然后，对太阳能工业中的应用而言，通常再进行低污染的粉碎，对半导体工业中的应用而言，则再进行粉碎和随后的部分清洁。取决于计划的应用，这样得到的粉碎的多晶硅材料在包装后可以含有表1所述的最高金属元素的杂质。
表1：金属杂质最高含量
1.1.1数值单位为pptw

  材  料  Fe  Cr  Ni  Na  Zn  Al  Cu  Mo  Ti  W  K  Co  Mn  Ca  Mg  V  A  ＜  50  ＜  20  ＜  10  ＜  100  ＜  20  ＜  30  ＜  10  ＜  10  ＜  100  ＜  20  ＜  100  ＜  5  ＜  20  ＜  100  ＜  100  ＜  5  B  ＜  1000  ＜  100  ＜  50  ＜  1000  ＜  200  ＜  300  ＜  20  ＜  50  ＜  200  ＜  1000  ＜  200  ＜  100  ＜  20  ＜  1000  ＜  500  ＜  20
A：用于电子工业的粉碎的多晶硅材料(低污染粉碎、清洗和包装后)
B：用于太阳能工业的粉碎的多晶硅材料(低污染粉碎和包装后)
用于电子工业的粉碎的多晶硅材料通常必须用5kg的袋包装，重量误差为+/-30g，而用于太阳能工业的粉碎的多晶硅材料通常用初始重量为10kg、重量误差为+/-100g的袋提供。
商业途径可获取的水平或垂直袋成型、充填和密封机，例如制药工业用于包装药剂或食品工业中用于包装茶和咖啡的，其仅仅在一定程度上适合用于包装粉碎的多晶硅材料，因为该粉碎的多晶硅材料是具有锐利的边缘、不能自由流动、单个Si碎块重量可重达10000g的块材料，该材料在充填期间会穿透传统的塑料袋，并且其在最坏情况下会完全破坏塑料袋。此外，这些装置不能满足上述应用对粉碎的多晶硅材料的纯度要求，因为所使用的复合材料薄膜会由于化学添加剂而导致杂质高于表1所述的限定值，因此不适合于粉碎的多晶硅材料的包装。
EP A 133 4907(US 2005-0034430)公开了一种方法和装置，目的是为了能够以低成本并且完全自动的方式分份(portioning)、充填和包装高纯度的粉碎的多晶硅材料。该装置包括用于将粉碎的多晶硅材料分份的装置、具有塑料袋的充填装置，以及充填粉碎的多晶硅材料的塑料袋焊封装置。在该充填装置中，塑料袋由高纯度的塑料薄膜通过充填与袋成型管形成。该方法带有一些弊病：
首先，在塑料袋成型期间，形成塑料袋内侧的塑料表面会与充填和袋成型管的金属表面接触。这会给袋的内表面带来不希望有的金属污染物。因此，该装置不能达到所包装多晶硅＜50pptw的铁水平。
其次，在粉碎多晶硅材料的充填袋期间，与充填和袋成型管的内侧接触会导致粉碎多晶硅材料的污染。
第三，依赖于设计的粉碎多晶硅材料的高降落高度，或边缘锐利的粉碎多晶硅材料所引起的磨损会有这样的影响：在包装约100吨材料后，塑料涂层的磨损如此严重，以至于充填和袋成型管部件必须更换。
第四，由于充填过程中高的降落高度，粉碎的多晶硅材料会经常穿透袋壁。
第五，将通过该装置粉碎的多晶硅材料的初始重量保持在所述误差内几乎不可能。
为此目的进行自动分份是费力的，因为粉碎的多晶硅材料通常会出现重量为0.1～10000g的单个碎块，其必须分离成大小不同的碎块的多个产品流，然后又必须在称重平衡前以特定的方式将它们再次混合在一起，以便能保持所要求的重量精度。
此外，由于依赖于设计的高的降落高度，此方法会导致形成碎料和粉尘，从而导致不可接受的粉碎多晶硅材料的污染和后破磨。
基于自动包装机的这些弊病，经清洁的粉碎多晶硅材料在100级清洁室中进行劳动密集的人工包装仍是高等级多晶硅的一般惯例。在该过程中，有人穿戴无菌手套，例如无菌的织物、PU或PE手套，将清洁过的粉碎多晶硅材料从工艺器皿中取出，并且引入到PE双层袋中，其中粉碎多晶硅材料的清洁在所述器皿中进行，且取出时该粉碎多晶硅材料的表面上已不再有任何金属杂质。由于手套摩擦及工作人员所执行的通常处理，粉碎的多晶硅材料与手套接触后，其上面的塑料和金属粒子含量会增加。测量显示，在人工包装的情况下，单种元素的金属表面含量会平均增加下表2中所述的数值：
表2：人工包装情况下粉碎的多晶硅材料污染物的增加
数值单位为pptw
  Fe  Cr  Ni  Na  Zn  Al  Cu  Mo  Ti  W  K  Co  Mn  Ca  Mg  V  15  2  3  15  10  4  3  0  16  0  12  0  0  19  3  0
该表显示，只有通过这样费力的时间密集型粉碎多晶硅材料的人工包装，才能满足电子工业关于金属表面数值的纯度要求(表1)。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，该方法使边缘锐利的粉碎多晶硅材料能够低成本、低污染地进行包装。
实现该目的的方法包括：通过充填装置向自由悬挂的完全成形的袋中填充多晶硅，随后密封充填的袋，其特征在于，所述袋由壁厚10～1000μm的高纯度塑料构成。
该充填装置优选包括自由悬挂的非金属低污染材料的能量吸收器，该能量吸收器在充填多晶硅之前引入到塑料袋中。多晶硅通过能量吸收器充填到塑料袋中。自由悬挂的能量吸收器随后从充填了多晶硅的塑料袋中取出，以及密封塑料袋。
该方法适合于包装用于太阳能应用的粉碎的多晶硅材料和用于电子工业的多晶硅材料两者。其还适用于包装多晶硅颗粒，因为就这样的材料而言，也可以减少在PE袋充填期间由于摩擦掉的塑料所产生的颗粒污染。根据本发明的方法和装置尤其适合用于包装边缘锐利的重量高达10kg的多晶硅碎块。存在平均重量大于80g的碎块时，尤其具有优势。
根据本发明的方法，在包装用于太阳能工业的多晶硅时，可以降低粉碎的多晶硅材料污染，获得相当于根据EP 1334907的包装机生产率的生产率水平。在包装用于电子工业的多晶硅的情况下，由于严格的纯度要求，这类多晶硅以前没有用根据EP 1334907的包装机器包装过，而是仍必须人工包装，而根据本发明的方法可以将生产率提高到四倍于人工包装，同时就硅的污染和袋的穿透率而言质量却保持相同。
针对本发明的目的，低污染材料的含义应理解为与多晶硅接触后，材料最多如下污染多晶硅的表面：金属10倍，优选5倍，尤其是小于或等于1倍，其高于表2所规定；掺杂物硼、磷、砷、锑低于10ppta，优选低于2ppta；碳低于300pptw。
通过“一块Si与材料接触后的污染物”减去“一块Si与材料接触前的污染物”形成的差值，得到对污染物的测量结果。高纯度的塑料优选聚乙烯(PE)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或聚丙烯(PP)。
高纯度优选应理解为在本体中及表面上塑料不含有任何其它的抗静电剂，例如SiO₂，或滑爽剂，如长链的有机化合物(例如Erucamide)。
充填粉碎的多晶硅材料时，塑料袋优选通过至少两个钳状抓取器固定，并且通过这些抓取器进给到密封装置，优选焊封装置。优选从贮藏容器中取出10～1000μm厚的PE袋，并且在充填前通过抓取器打开。在此情况下，抓取臂优选在边缘抓住PE袋。结果是，不同于根据EP 133 4907B1的袋成型、充填及密封机的情况，PE袋的内表面没有污染，因为没有缓冲板。或者，如实用新型DE 202 06 759 U1中所述，塑料袋可以通过真空吸入器从输送带上拾起，并单个地引入到包装装置中。
自由悬挂的非金属低污染材料的软质能量吸收器优选具有漏斗或中空体的形式，例如管或方形管，或与纵向平行的横向上部分裂开的中空体，或板条的筛子或多个延长的板、索或棒。优选其由织物材料(例如Gore--PTFE织物或聚酯/聚酰胺织物)、塑料(例如PE、PP、PA或这些塑料的共聚物)构成。尤其优选其由橡胶弹性塑料构成，例如PU、未硫化或硫化的橡胶或乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)，该弹性塑料其Shore A硬度为30A～120A，优选70A。
塑料袋的密封可以例如通过焊封、粘合剂粘合或形状配合连接(formschluss)进行。优选通过焊封进行。
充填装置优选包括充填单元和自由悬挂的能量吸收器，所述能量吸收器连接到充填单元。自由悬挂的能量吸收器优选具有自由悬挂的可移动软质管形式或所提及的其它形式之一，为了简洁起见这些形式在下文中应理解为由术语管所归纳的一类。将可移动的软质管装入袋中，粉碎的多晶硅材料通过充填单元和软质管引入到袋中。充填单元优选为漏斗、输送通道或斜槽，其衬有低污染材料或由低污染材料构成。充填袋之后，将可移动的软质管从袋中抽出，随后焊封该袋。
自由悬挂的能量吸收器吸收了降落到所述袋中的粉碎的多晶硅的大部分动能。其保护塑料袋壁不与边缘锐利的多晶硅接触，防止塑料袋穿透。实际上，由于能量吸收器以自由移动的方式悬挂在塑料袋中，这就意味充填期间没有摩擦，因为降落到袋中的多晶硅的动能转变成了能量吸收器的动能，因此不会产生磨损物质。
在密封过程中，优选从袋中抽出空气，直到产生10～700mbar的真空。优选500mbar的真空。
在一个实施方案中，多晶硅在通过根据本发明的方法包装前首先分份并称重。在此情况下，粉碎多晶硅材料的分份和初始称重通过现有技术已知的人工或自动方法进行。方法的自由选择意味着甚至可以实现用于半导体工业的粉碎多晶硅材料所要求的不超过+/-0.6％范围的高的初始称重精度。因此发生的多晶硅污染微不足道，原因在于在本发明的优选实施方案中被污染的多晶硅在包装前要进行清洁，如果涉及的污染高于许可的限定值。
为此目的，如已说明，首先将粉碎的多晶硅材料称重，再将其一部分放置在工艺器皿中并对其进行清洁，然后借助于本发明的方法，使其以这些分份的单位通过配有自由悬挂的非金属低污染材料的软质管的充填装置，进入到类似自由悬挂的、高纯度的塑料袋中，随后密封该塑料袋。可以根据现有技术已知的方法对工艺器皿中的多晶硅材料进行清洁；优选进行化学清洁，例如EP 0905 796 B1所述的。
根据本发明的包装方法的变例，如也在实施例4中所描述的，其生产率与具有相同包装质量的粉碎多晶硅材料的人工包装相比，提高了100％多(kg Si/每小时劳动)。
优选地，所述方法的所有变例都在流箱(flow box)下进行，或者对于半导体材料在＜100级的清洁室条件下进行。这样的结果是，所述方法优选通过旋转传送带式充填与密封机或相似类型的包装机实施，其中充填与密封工作台是非圆形布置的，其中充填装置配备有自由悬挂的非金属低污染材料的软质管，通过该软质管，粉碎的多晶硅材料可以落入高纯度的、自由悬挂的塑料袋中，例如PE或PP袋。由于严格的纯度要求，所述方法的该变例尤其适合于用于电子工业的粉碎多晶硅材料的包装。
在根据本发明的方法中，使用商业途径可得到的高纯度塑料袋，优选使用低密度(LD)PE袋。挤出后，这些袋立即在＜100级的清洁室中密封，并且在封闭的塑料箱中运输。与专利EP 133 4907 B1中所使用的方法相比，使用这些袋时，与产品接触的袋的内侧没有被环境微粒污染的危险。只在清洁室中打开箱并为装置提供袋。在装置中，袋不变地保持在＜100级的清洁室条件下，并且在充填多晶硅之后进行密封或优选进行焊封，优选在＜10秒之内。
优选地，将通过本方法的变例之一得到的袋再一次引入塑料袋中，例如LDPE的，其壁厚为10～1000μm，并且焊封。其依次又优选通过根据本发明的方法进行，这样，将填充了粉碎多晶硅材料的密封塑料袋填充到第二塑料袋中，而不是充填粉碎的多晶硅材料到第二塑料袋中，然后密封第二塑料袋，优选焊封。随后将袋或双层袋包装在箱子中。
相比之下，在根据现有技术方法(例如EP 0905 796 B1)的情况下，尽管在装袋前进行了自动分份，但是不再对粉碎的多晶硅材料进行任何的清洁。
重量自动校正，例如EP 0 905 796 B1中所描述的，在根据本发明方法的情况下也是可以的，因为根据本发明，多晶硅只在重量校正后进行清洁，因此不会增加污染风险，这不同于EP 0 905 796 B1所描述的情况。在使用以下方法的变例的自动包装的情况下，可以实现充填重量5000克精度为+/-30g的重量校正：
方法1
重新称重填充且焊封的PE袋。如果偏重或重量不足，取出这几个袋。在袋的初始重量不正确的情况下，人工校正该重量；再次清洗多晶硅，若有必要，可将其慢慢倾倒到新的袋中，再焊封袋。
方法2
a.)差动称量清空前和清空后的工艺器皿。
b.)如果重量偏差为+/-30g，自动停止方法，操作员进行人工校正。
c.)重量校正后，根据本发明的方法继续PE袋充填。
根据本发明人的经验，根据方法2的操作大约每200个填充袋需要进行一次。
本发明还涉及用于封装粉碎的多晶硅材料或多晶硅颗粒的装置。
该装置包括充填工作台和密封工作台，其中悬挂在抓取器系统上的PE袋以循环顺序从工作台移动到工作台，其特征在于，充填工作台包括自由悬挂的非金属低污染材料(例如塑料)的管，所述管在PE袋充填多晶硅之前被引入到PE袋中，并且在PE袋充填了多晶硅后从PE袋中取出，充填过的PE袋进一步通过抓取器系统进给到密封工作台，并在那里进行密封。
优选地，焊封的袋随后通过抓取系统或传送带进给到提供外袋的机器部分。
优选地，抓取器系统包括两个抓取器，并且其布置方式应能使抓取器系统的所有部件位于打开的袋的侧面或下面。抓取器系统的这样布置可避免袋的内侧污染。
密封装置/密封工作台优选焊封装置，尤其优选基于加热焊丝的热封焊接装置，优选涂敷有非金属材料的，例如Teflon。然而，密封装置也可以是粘合剂粘合或形状配合连接装置。
根据本发明对本身已为人所知的标准包装机进行改进，通过在塑料袋中自由悬挂的短的低污染软质管，使得包装边缘锐利的重的高纯度大块材料(用于电子工业的多晶硅)首次成为可能。
旋转传送带式的充填与密封机或类似类型的设计在现有技术中是已知的。在根据本发明的装置的充填工作台上，袋被打开。通过输送装置，所述输送装置衬有硅或低污染材料，并且与可移动的非金属材料如塑料的软质管相连，边缘锐利的粉碎的多晶硅材料就可以通过该管填充到打开的PE袋中。
输送装置为例如输送通道或斜槽，优选斜槽。
优选管的直径为10～50cm，长度为5～50cm，壁厚为0.1～100mm，并且与输送装置平面的倾角为1～120度。优选直径为20～30cm(尤其优选25cm)，倾角为80～100度(尤其优选90度)，长度为10～20cm(尤其优选15cm)并且壁厚为1～10mm(尤其优选5mm)。多晶硅自由下落到PE袋中引起的冲击被可自由移动的管吸收，其方式与袋成型、充填与密封机相比能使发生的破坏明显更少。即使充填平均边缘长度大于100mm、单个粉碎的多晶硅材料块的重量为2000～10000g的这类粉碎的多晶硅材料时，情况也是如此。
充填之后，充填了粉碎的多晶硅材料的袋通往密封工作台。在该工作台优选有热封焊接装置，其中金属焊丝优选涂敷有非金属的材料，例如Teflon。PE袋通过热封焊接装置焊封。在该操作过程中，优选从袋中抽出空气，直到产生10～700mbar的真空。优选500mbar的真空。
优选地，人工分份与称重在根据本发明装置中的包装以前进行。清洁优选如EP 0905 796 B1所描述地进行。
焊封的袋优选通往用于提供外袋的根据本发明的第二装置。在从装置1到装置2的途中，内袋可以在传送带上轻微摇晃，以摇匀袋子。
在第二装置中，充填了多晶硅的焊封袋被引入到第二PE袋中。在第二装置的充填工作台上打开第二PE袋。通过输送组件如抓取系统，从第一装置输送到第二装置的充填过的PE袋(内袋)通过抓取装置被引入到第二袋(外袋)中。
内袋被引入到外袋中后，将充填有粉碎多晶硅材料的PE双层袋送至密封工作台。在该工作台优选有热封焊接装置，其中金属焊丝优选涂敷有非金属的材料，例如Teflon。然后焊封PE外袋。在操作过程中，优选从袋中抽出空气，直到产生10～700mbar的真空。尤其优选500mbar的真空。
在根据本发明的装置中，可以使用位置横向对着PE袋外侧的整形器，使填充的袋成为方形，而不是凸出的形状。密封后，可容易得多地将方形的扁平袋引入到具有中间分隔断的箱子中。与凸出的袋相比，更容易的引入可以最大程度地降低穿透率增加的风险。
焊封的双层袋通过输送系统，例如抓取系统或传送带，从抓取器通往最终的包装。在最终的包装中，双层袋被引入到运输箱中。
在包装用于太阳能工业的粉碎多晶硅材料的情况下，低的质量要求使得能够在＞100级的清洁室或其它气候控制区中安装本发明的两个装置。在此情况下，也可以使用商业途径可得到的垂直或水平的袋成型、充填与密封机作为第二装置代替根据本发明的装置，用于提供外袋。
具体实施方式
以下实施例用于进一步说明本发明。
实施例中给出的碎块尺寸1～5为具有以下特性的多晶硅碎块：
  碎块尺寸  平均重量  边缘长度范围  平均边缘长度  5  600g  80-170mm  115mm  4  80g  40-150mm  75mm  3  5.5g  20-80mm  32mm  2  0.5g  5-45mm  17mm  1  0.1g  3-25mm  5.5mm
实施例1：根据本发明的包装
将二十个批次的每个5kg的尺寸为5、4、3及2的碎块装填到低污染内衬的振动通道上，并且在10秒钟内通过可自由移动的塑料管(直径25cm、长度15cm、壁厚5mm，与振动通道的倾角为90度)充填到自由悬挂的高纯度PE袋中，塑料管延伸到PE袋(32cm宽、45cm长、300μ厚)中。充填后，袋在500mbar的真空下用具有Teflon涂敷焊丝的真空焊封装置焊封。
充填后的袋随后以上面描述的方法人工装入外袋中并且焊封。焊封后，每个袋都引入到运输箱中。随后密封箱。
为了测定穿透率，首先打开箱子并取出袋，打开并倒空袋。倒空的袋每个检测如下：
通过浸没在水浴中目视确认有穿孔的袋。有孔的袋会放出气泡。这样辨认的每个袋中的孔的mm²表面积可以通过测量并累加每个袋的孔的总表面积来确定。
此外，确定充填袋之前和之后的塑料管的重量。通过与根据EP A133 4907的方法相比较，目测没有明显的磨损。充填袋之前和之后塑料管的差动称量表明，塑料磨损(＝碳磨损)低于0.1mg/400kg的探测极限，因此低于所要求的300ng/kg Si。
实施例2：传统的包装
以同样的方式，确定传统的、非自动包装方法的穿透率。在该方法的情况下，人工地将两个袋的一个插入到另一个中，随后人工充填、人工焊封并装入运输箱中。
表3所示为实施例1(根据本发明)的方法与实施例2(比较例)的对比。
表3
  以％表示的穿透率  碎块尺寸  实施例2  内袋  实施例2  外袋  实施例1  内袋  实施例1  外袋  5  75  20  40  0  4  60  50  30  0  3  20  0  10  0  2  0  0  0  0  1  0  0  0  0
  每个袋以mmw表示  的孔的表面积  碎块尺寸  实施例2  内袋  实施例2  外袋  实施例1  内袋  实施例1  外袋  5  1.5  0.2  0.4  0  4  1.1  0.8  0.7  0  3  0.2  0  0.1  0  2  0  0  0  0  1  0  0  0  0
表3显示，使用根据本发明的包装方法，与传统的、生产率更低的人工方法相比，就每个袋的穿透率和孔的mm²表面积而言，对于所有的硅碎块尺寸均可以实现至少同样优良的值，而对于碎块尺寸5、4及3，甚至可以实现更好的值。因此，根据本发明的自动包装方法可满足电子工业的高要求，而这迄今只有通过人工包装才能实现。
实施例3：没有可移动塑料管的包装
将二十个批次的每个5kg、尺寸为5、4、3及2的碎块装填到低污染内衬的振动通道上，并且在10秒钟内直接充填到自由悬挂的尺寸为32cm宽、45cm长、300μ厚的PE双层袋中。与实施例1的不同在于没有使用塑料管。充填后，袋在500mbar的真空下用有Teflon涂敷焊丝的真空焊封装置焊封。以实施例1所描述的方法确定每个袋的穿透率和孔的表面积。
表4
  以％表示的穿透率  碎块尺寸  实施例2  内袋  实施例2  外袋  实施例3  内袋  实施例3  外袋  5  75  20  100  100  4  60  50  100  70  3  20  0  20  0  2  0  0  0  0  1  0  0  0  0
 每个袋以mm²表示的  孔的表面积  碎块尺寸  生产过程  中的内袋  生产过程  中的外袋  试验  内袋  试验  外袋  5  1.5  0.2  25  15  4  1.1  0.8  5.5  3.5  3  0.2  0  0.1  0  2  0  0  0  0  1  0  0  0  0
结果表明，与实施例1的方法不同，对于碎块尺寸5和4，填充后PE袋明显有更多的穿孔。对于尺寸小于4的碎块，甚至没有可移动的塑料管也可以实现所要求的穿透率。对于这些碎块尺寸，与传统的包装方法(EP1334907/实施例4)相比，根据本发明的方法可以获得生产率的明显提高，或者产品污染的明显减少。
实施例4：用根据本发明的装置包装经分份、清洁的粉碎多晶硅材料
(改进的旋转传送带式的充填和密封机)
将粉碎的多晶硅材料人工分份成5kg的份额，并且对分份后的粉碎多晶硅材料进行化学清洁(如EP 0905796 B1所述)。随后，清洁后的粉碎材料在清洁室中通过可移动的塑料管充填到旋转传送带式充填与密封机所控制的300μm厚的高纯度PE袋中，并焊封袋。
为了评估包装的粉碎多晶硅材料的质量，在100级的清洁室中打开袋，取出六份100g重的Si碎块(表5中Si 1～Si 6)，并以US 6,309,467B1中所描述的方法确定这些碎块的金属表面值。
在清洗和人工包装后的测量结果、相应的中间值和(表1)比较值见表5中所示。
表5
数值单位为pptw
  Fe  Cr  Ni  Na  Zn  Al  Cu  Mo  Ti  W  K  Co  Mn  Ca  Mg  V  Si1  55  6  0  7  14  8  1  0  44  7  7  0  2  24  2  0  Si2  12  6  0  5  1  2  6  0  0  12  8  3  0  2  16  3  1  Si3  44  1  1  100  32  6  1  0  26  17  32  0  1  30  3  0  Si4  58  2  3  14  15  7  1  0  8  8  3  0  1  32  5  0  Si5  76  2  1  0  12  2  0  0  9  4  7  0  0  23  1  0  Si6  15  2  0  5  22  5  1  0  22  19  12  0  1  10  6  0  中  间  值  43  3  1  22  18  6  1  0  20  10  11  0  1  23  3  0  表  1  50  20  10  100  20  30  10  10  100  20  100  5  20  100  100  5
表5显示，通过根据本发明“分份-＞清洁-＞使用根据本发明的装置进行自动包装”的方法顺序，与人工的标准包装方法(表1)相比，对于电子应用的金属表面值，或总污染物没有明显提高，并且由于自动包装，或所述方法变例的结果，污染物的含量也因此位于表2所示的水平上。