CN103816973A - 一种无接触破碎多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无接触破碎多晶硅的方法，更具体的说，本发明公开了一种利用激光技术破碎多晶硅的方法。本发明的无接触破碎多晶硅的方法，把至少一束激光射向多晶硅棒或者多晶硅块，多晶硅棒或者多晶硅块的表面或者体内的局部区域吸收激光能量后，该多晶硅棒或多晶硅块的局部区域被瞬时加热。被加热的多晶硅棒或多晶硅块的局部区域膨胀，在多晶硅柱或多晶硅块的表面或体内产生热膨胀应力，致使多晶硅棒或多晶硅块破碎。

Description

一种无接触破碎多晶硅的方法

技术领域

本发明是有关多晶硅的生产方法，特别是涉及在多晶硅生产过程中，破碎多晶硅的方法。

背景技术

当前，世界上绝大部分晶体硅的原材料多晶硅是采用改良西门子方法生产。所谓的改良西门子法生产多晶硅，就是在高温下用高纯氢还原高纯三氯氢硅，生成的多晶硅沉积在硅芯上。随着多晶硅不断地被沉积在硅芯上，硅芯的直径逐渐增大，最后形成多晶硅棒。多晶硅棒的直径一般在15~30厘米之间。

      改良西门子方法所生产的多晶硅棒是半导体工业和太阳能电池工业所需的单晶硅柱和多晶硅锭的原料。作为多晶硅产品，多晶硅棒必须在出厂前被破碎成体积更小的多晶硅块。多晶硅块作为多晶硅生产商的产品，不仅满足了包装和运输的要求，而且也是为了满足生产单晶硅柱和多晶硅锭的生产要求。

      目前普遍采用的破碎多晶硅棒的方法是手工破碎的方法。所谓的手工破碎就是采用各种锤子作为工具，手工敲击多晶硅棒，致使多晶硅棒破碎。手工破碎的方法不仅需要大量的人力资源，主要问题是在手工破碎多晶硅棒的过程中，多晶硅棒很容易被污染。

      在手工破碎多晶硅棒的过程中，锤子不断地敲击多晶硅棒。由于锤子与多晶硅棒接触，锤子的材料不可避免的会污染多晶硅。因此，手工破碎方法不仅存在多晶硅被污染的风险，而且破碎效率低。因此，多晶硅生产领域的工程师们一直在不断地寻找更好的破碎多晶硅的方法，以提高破碎多晶硅的效率，同时避免多晶硅棒被污染的风险。

      中国专利申请号CN102489372A公开了一种替代手工破碎多晶硅棒的方法。该方法在加热多晶硅棒后，瞬时冷却多晶硅棒。在瞬时冷却多晶硅棒的过程中，多晶硅棒表面温度迅速下降，导致多晶硅棒表面的密度急剧下降。由于多晶硅棒体内温度的下降速率远低于多晶硅棒表面温度的下降速率，或者说，多晶硅棒体内的密度下降速率小于多晶硅棒表面密度的下降速率。多晶硅棒的表面密度与多晶硅棒的体内密度的差，造成在多晶硅棒表面承受热膨胀应力。当这种应力达到一定值后，多晶硅棒就会自然破碎。该方法有效地解决了手工破碎效率低的缺点。但是，在多晶硅被冷却的过程中，多晶硅棒与冷却介质接触，因此还是没有能够很好的避免多晶硅棒被污染的风险。

      中国发明专利申请号CN102836765A公开了另一种多晶硅棒的破碎方法。该方法把多晶硅棒放入一个水池内，通过给水池施加瞬时高电压的方法，利用水电效应破碎多晶硅棒。尽管该方法也避免了手工破碎效率低下的缺点，但是该方法不仅比手工破碎多出额外移动多晶硅棒的步骤，而且还增加了干燥被破碎的多晶硅棒的步骤，因此该方法的破碎总体效率可能比手工破碎的效率更低。不仅如此，该方法在整个破碎过程中，多晶硅棒与水和干燥介质接触，增加了多晶硅棒被污染的风险。

发明内容

针对以上现有技术的缺陷，本发明公开了一种无接触式破碎多晶硅棒的方法，彻底避免了多晶硅棒在破碎过程中被污染的风险。  

      本发明的目的是寻求一种破碎多晶硅棒的方法，该方法能取代现有的手工破碎多晶硅棒的方法，提高破碎多晶硅棒的效率。

      本发明的另一个目的是寻求一种破碎多晶硅方法，该方法在破碎多晶硅棒时，没有除空气以外的固体，液体或气体介质接触多晶硅棒，彻底避免在破碎步骤中，多晶硅棒被额外引入的物质所污染的风险。

      本发明的最后一个目的，是寻求一种破碎多晶硅棒的方法，该方法不仅能提高破碎多晶硅棒的效率，避免多晶硅棒在被破碎时被污染的风险，而且该方法能简化多晶硅棒的破碎步骤，使破碎多晶硅棒的步骤更容易实现自动化，更适用于大规模生产。

本发明提供了一种无接触破碎多晶硅的方法，避免了在破碎多晶硅的过程中，由于多晶硅接触其它物质后，例如金属破碎器件等，多晶硅被污染的风险。采用本发明的无接触破碎多晶硅的方法，更可以为实现自动连续破碎多晶硅提供必要的条件。

      为了实现上述目的，本发明公开了一种无接触破碎多晶硅棒的方法。更具体地说，本发明公开了一种无接触破碎多晶硅棒的方法。本发明一种无接触破碎多晶硅的方法，把至少一束激光照射在多晶硅棒或者多晶硅块上，多晶硅棒或者多晶硅块的表面或者体内的局部区域吸收激光能量后，该多晶硅棒或多晶硅块的局部区域被瞬时加热。被加热的多晶硅棒或多晶硅块的局部区域膨胀，在多晶硅棒或多晶硅块的表面或体内产生热膨胀应力，致使多晶硅棒或多晶硅块破碎。

      本发明公开了一种激光破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，该方法利用激光的能量，使多晶硅棒或者多晶硅块的局部区域瞬时产生热膨胀应力，导致多晶硅棒或多晶硅块破碎，达到无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的目的。

本发明一种无接触破碎多晶硅棒的方法与现有技术相比较有如下有益效果：本发明的优点是，在本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的过程中，多晶硅棒或多晶硅块除了接受激光照射外，没有引入其它物质，即，没有引入其它固体、液体和气体与多晶硅棒或多晶硅块接触。多晶硅棒或多晶硅块的纯度是衡量多晶硅棒或多晶硅块质量的最主要指标。多晶硅棒或多晶硅块的杂质含量一般都被控制在百万分之一以下。因此，多晶硅棒或多晶硅块与任何外部物质接触后，其被接触的面积的杂质含量就可能急剧上升，降低了多晶硅棒或多晶硅块的纯度。因此，本发明的无接触式激光破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，可以彻底杜绝多晶硅棒或多晶硅块在接触外部物质后被污染的风险。

本发明的另一个优点是，在本发明在激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的过程中，多晶硅棒或多晶硅块不需要被反复移动，进一步减小了多晶硅棒或多晶硅块在被破碎步骤中被污染的风险。例如，在手工破碎多晶硅棒或多晶硅块时，经常需要移走覆盖在大多晶硅棒或多晶硅块之上的体积较小的多晶硅块，以便破碎这些大的多晶硅棒或多晶硅块。在移动多晶硅棒或多晶硅块的过程中，不可避免会污染多晶硅棒或多晶硅块。在本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的过程中，激光可以透过小多晶硅块之间缝隙，把激光直接照射到在小多晶硅块下部的大多晶硅棒或多晶硅块，破碎这些在小多晶硅块下部的大的多晶硅棒或多晶硅块，避免了由于移动小多晶硅块时，小多晶硅棒或多晶硅块被污染的风险。

本发明的进一步优点是，本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法可以提高破碎多晶硅棒或多晶硅块的效率。利用能量特别集中的特点，激光几乎可以瞬时提高多晶硅棒或多晶硅块局部温度。多晶硅棒或多晶硅块的表面或体内接收到激光能量后，局部区域被瞬时加热，导致该局部区域的体积瞬时膨胀，产生热膨胀应力，该热膨胀应力最终导致破碎多晶硅棒或多晶硅块。因此采用本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，可以提高破碎多晶硅棒或多晶硅块的生产效率。

随着现代化工业的不断发展，自动化连续操作是一个必然的发展趋势。本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，为自动化破碎多晶硅棒或多晶硅块提供了必要条件。例如，采用本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，可以把多晶硅棒放置于一个传输带上，激光可以在多晶硅棒或多晶硅块被传输的过程中，连续破碎多晶硅棒或多晶硅块。在传输带的末端，被破碎的多晶硅块可以直接被包装。这样，本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，不仅为连续破碎多晶硅棒或多晶硅块提供了必要条件，更重要的是，同时也避免了多晶硅棒或多晶硅块被污染的风险，提高了多晶硅产品的质量和整体质量的稳定性。

本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，与其它机械破碎方法相比，其独特的优点是使用较小的能量，达到破碎多晶硅棒或多晶硅块的目的。例如，本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，不需要对整个多晶硅棒或多晶硅块加热和冷却，而是加热多晶硅棒或多晶硅块的局部区域，降低了破碎多晶硅棒或多晶硅块所需要的能量，节约了破碎多晶硅棒或多晶硅块步骤的生产成本。

本发明的另一个优点是，激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法可以很容易的被应用在多晶硅的大规模生产过程中。或者说，本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法简单，避免了各种放大效应的存在可能。本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，可以被应用在各种规模的多晶硅生产中。

附图说明

图1. 是本发明一种无接触破碎多晶硅棒的方法实施例一结构示意图；

图2. 是本发明一种无接触破碎多晶硅棒的方法实施例二结构示意图；

图3. 是本发明一种无接触破碎多晶硅棒的方法实施例三结构示意图。

其中：1、激光器；11、激光束；2、多晶块；3、局部区域；4、裂缝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种无接触破碎多晶硅棒的方法技术该当作进一步详细说明。

本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法，是利用激光产生的能量，瞬时加热多晶硅棒或多晶硅块的某个区域。多晶硅棒或多晶硅块的某个区域被瞬时加热后，该局部区域的温度瞬时高于该局部区域之外的多晶硅棒或多晶硅块的温度。由于该局部区域的温度瞬时被提高，该局部区域的密度被降低，或者说，该局部区域的体积会瞬时膨胀，使整个多晶硅棒或多晶硅块上承受热膨胀应力，该热膨胀应力致使破碎多晶硅棒或多晶硅块。

一种无接触破碎多晶硅的方法是采用激光器1加热多晶硅2局部区域3，使被加热后的多晶硅2局部区域3体积膨胀，产生热膨胀应力，破碎多晶硅2；所述的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法是把至少一束激光11照射在多晶硅棒或者多晶硅块上，多晶硅棒或者多晶硅块的表面或者体内的局部区域3吸收激光能量后，该多晶硅棒或多晶硅块的局部区域3被瞬时加热；被加热的多晶硅棒或多晶硅块的局部区域3膨胀，在多晶硅棒或多晶硅块的表面或体内产生热膨胀应力，致使多晶硅棒或多晶硅块破碎。

所述的无接触破碎多晶硅的方法是多晶硅2在被破碎的过程中不接触除空气以外的其它物质。

所述的除空气以外的其它物质是固体，或者是液体，或者是气体。

所述的激光器1可以是连续激光器，或者是脉冲激光器。

所述的激光器1可以是一个或一个以上的激光器，同时对多晶硅2表面或多晶硅2体内的某一个点3实施照射。

所述的多晶硅2可以是多晶硅棒，或者是不规则的多晶硅块。

所述的多晶硅局部区域3可以是多晶硅的表面，或者是多晶硅体内的任何一个局部区域。

实施例1。

如图1所示，本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法可以得到更详细的说明。激光束11由激光器1产生。当激光束11照射到多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3后，激光束11的能量被多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3吸收。多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3在吸收激光束11的能量后，多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3的温度迅速上升。由于多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3的温度上升，导致多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3的密度急剧下降，即，多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3的体积急剧膨胀。由于多晶硅棒或多晶硅块2的其它区域没有被激光束11照射，因此多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3以外的其它区域的温度基本保持不变，或者说，多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3以外的其它区域的密度没有明显的发生变化，也就是多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3外的体积没有发生明显的变化，这样，多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3的膨胀体积会对多晶硅棒或多晶硅块2的局部区域3外产生热膨胀应力。该热膨胀应力导致在多晶硅棒或多晶硅块2内产生裂缝4，最终破碎多晶硅棒或多晶硅块2。

在实施本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法时，激光器1可以是连续激光器，使用连续激光器的优点是，由于多晶硅棒或多晶硅块2连续的接受激光器1的能量，因此可以使多晶硅棒或多晶硅块2的表面点局部区域3的温度更快速上升。这样，由于表面点即局部区域3温度的迅速上升，使表面点即局部区域3的温度与其周围的多晶硅棒或多晶硅块2的温度差迅速增大，有利于迅速产生热膨胀应力，破碎多晶硅棒或多晶硅块2。

在实施本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法时，激光器1也可以是脉冲式激光器。所用脉冲式激光器的优点是，当脉冲式激光束11照射在多晶硅棒或多晶硅块2的表面即局部区域3时，脉冲激光束11除了加热多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3以外，还可以产生一种机械脉冲应力，该机械脉冲应力可以起到类似不断敲击多晶硅棒或多晶硅块2的作用，加速破碎多晶硅棒或多晶硅块2。

在实施本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法时，激光器1所产生的激光束11可以是各种波长的激光束。在图1的实施例中，优化的激光束是紫外光，例如波长为355纳米的紫外激光束。多晶硅棒或多晶硅块2对光的吸收系数随着光波长的增大而降低。因此，当使用紫外激光时，激光的能量在多晶硅棒或多晶硅块2的表面的几个微米之内就能被完全吸收。或者说，多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3处被紫外激光束11照射后，由于紫外激光束11的能量被几微米厚的多晶硅棒或多晶硅块2的表面所吸收，在多晶硅棒或多晶硅块2的表面与其它部位迅速形成巨大的温度梯度，而这巨大的温度梯度在多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3周围产生裂缝4，最终破碎多晶硅棒或多晶硅块2。

实施例2。

在实施本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法时，也可以使用较长波长的激光器1。在图2的实施例中，激光束是红外激光束11，即波长为1064纳米的激光光束。当使用红外激光时，由于多晶硅棒或多晶硅块2对红外光的吸收系数较小，因此，必须把激光束的焦点调节在多晶硅棒或多晶硅块2的体内点即局部区域3。多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3处被红外激光束11照射后，多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3处的温度迅速上升，在多晶硅棒或多晶硅块2内迅速形成巨大的温度梯度，而这巨大的温度梯度在多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3周围产生裂缝4，最终破碎多晶硅棒或多晶硅块2。由于裂缝4产生在多晶硅棒或多晶硅块2的内部，可以把多晶硅棒或多晶硅块2破碎成更小的多晶硅块。

实施例3。

在本发明的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法的其他应用中，可以采用多个激光器达到破碎多晶硅棒或多晶硅块2的目的。图3展示了本发明使用2个激光器1破碎多晶硅棒或多晶硅块2的实施例。在该实施例中，二个红外激光器1各自产生一个红外激光束11。这二个红外激光束11都被聚焦在多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3处。多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3处被二个红外激光束11照射后，多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3处的温度迅速上升，在多晶硅棒或多晶硅块2内迅速形成巨大的温度梯度，而这巨大的温度梯度在多晶硅棒或多晶硅块2的点即局部区域3周围产生裂缝4，最终破碎多晶硅棒或多晶硅块2。使用多个激光器照射多晶硅棒或多晶硅块的某一个点的优点是降低了对激光功率的要求。

显然，这些说明并不是用于限制本发明。在不背离本发明精神及其实质情况下，本领域的技术人员可根据本发明作出各种其它相应的组合，变更或修改。这些相应的组合，变更和修改都属于本发明所附权力要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于：所述的多晶硅的破碎方法是采用激光器（1）加热多晶硅（2）局部区域（3），使被加热后的多晶硅（2）局部区域（3）体积膨胀，产生热膨胀应力，破碎多晶硅（2）；所述的激光无接触破碎多晶硅棒或多晶硅块的方法是把至少一束激光（11）照射在多晶硅棒或者多晶硅块上，多晶硅棒或者多晶硅块的表面或者体内的局部区域（3）吸收激光能量后，该多晶硅棒或多晶硅块的局部区域（3）被瞬时加热；被加热的多晶硅棒或多晶硅块的局部区域（3）膨胀，在多晶硅棒或多晶硅块的表面或体内产生热膨胀应力，致使多晶硅棒或多晶硅块破碎。

2.根据权利要求1所述的无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于，所述的无接触破碎多晶硅的方法是多晶硅（2）在被破碎的过程中不接触除空气以外的其它物质。

3.根据权利要求2所述的无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于，所述的除空气以外的其它物质是固体，或者是液体，或者是气体。

4.根据权利要求1所述的无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于，所述的激光器（1）可以是连续激光器，或者是脉冲激光器。

5.根据权利要求1所述的无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于，所述的激光器（1）可以是一个或一个以上的激光器，同时对多晶硅（2）表面或多晶硅（2）体内的某一个点（3）实施照射。

6.根据权利要求1所述的无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于，所述的多晶硅（2）可以是多晶硅棒，或者是不规则的多晶硅块。

7.根据权利要求1所述的无接触破碎多晶硅的方法，其特征在于，所述的多晶硅局部区域（3）可以是多晶硅的表面，或者是多晶硅体内的任何一个局部区域。

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