KR101068488B1 - 다결정 실리콘 단편의 유동적인 분류 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단편화된 다결정 실리콘을 유동적인 방식으로 분류하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 기계식 스크리닝 시스템과 광전자식 소팅 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 기계식 스크리닝 시스템에 의해 다결정 단편이 미세 실리콘 성분과 잔류 실리콘 성분으로 분리되고, 상기 잔류 실리콘 성분이 광전자식 소팅 시스템에 의하여 추가의 분획으로 분리된다.

다결정 실리콘 단편, 분류, 기계식 스크리닝, 광전자식 소팅, 소팅 파라메터

Description

다결정 실리콘 단편의 유동적인 분류 방법 및 장치{DEVICE AND METHOD FOR THE FLEXIBLE CLASSIFICATION OF POLYCRYSTALLINE SILICON FRAGMENTS}

본 발명은 다결정 실리콘 단편(fragment)을 유동적으로(flexibly) 분류(classification)하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

고순도 실리콘은 가열된 기판 위에 고순도 클로로실란 가스(chlorosilane gas)를 화학증기 증착함으로써 생산된다. 이러한 방법으로 봉(rod) 형상의 다결정실리콘이 생산된다. 이러한 봉이 이용되려면 분쇄되어야 한다. 예를 들어, 금속 죠(metal jaw)나 볼 분쇄기, 해머 또는 치즐(chisels)이 분쇄기구로서 사용된다. 이렇게 하여 얻어진 다결정 실리콘 단편(이하 '다결정 단편')은 이어서 정해진 단편의 크기에 의해 분류된다.

다결정 단편의 분류 기술로서, 예를 들어 특허문헌 EP 1391252 A1, US 6,874,713 B2, EP 1338682 A2 또는 EP 1553214 A2로부터 다양한 기계적인 스크리닝 (mechanical screening) 방법이 알려져 있다. 더욱이 EP 1043249 B1에서는 진동 컨베이어(oscillatory conveyor)를 이용한 분류 기술이 공개되어 있다. 이들 장치들의 기계적 작동원리로 인해, 이러한 스크리닝 시스템에 의해서는 단지 입자 크기에 따른 분리만 가능하고, 희망하는 길이 및/또는 면적에 따른 정확한 분리는 불가 능하다. 상기 시스템은 기계적인 재조정(mechanical refitting) 없이는 분획 범위(fraction limit)의 유동적인 조정을 허용하지 않는다.

길이 및/또는 면적에 따른 제어된 분리는 광전자식 소팅(optoelectronic sorting) 방법에 의해 달성될 수 있다. 이러한 방법들은, 예를 들면 특허문헌 US 6,265,683 B1 및 US 6,040,544로부터 폴리실리콘에 대해서 알려져 있다. 그러나, 상기 문헌에 기재되어 있는 방법은 여전히 특정의 종래에 알려진 피드 플로우(feed flow)를 분리하는 경우만으로 제한된다. 폴리실리콘 단편의 광전자식 분리방법은 공급되는 재료 내에 커다란 미세 성분(> 1 wt% 단편 < 20 mm)이 존재하는 경우에는 문제가 있는데, 그 이유는 미세 성분이 상대적으로 큰 단편의 이미지 인식을 상당한 수준으로 방해하기 때문이다. 따라서 이러한 공지의 장치들로는 다양한 범주의 투입되는 분획들을, 예를 들면 길이 및/또는 면적에 따라 보다 높은 정밀도를 가지고 복수의 입자 등급(particle classes)으로 유동적으로 분리가 불가능하다. 더욱이, 보다 정확한 분류 결과를 얻기 위한 조절 방법이 기재되어 있지 않다.

본 발명의 목적은 분쇄된 다결정 실리콘 (폴리실리콘)을 바람직하게는 다결정 단편들의 길이 및/또는 면적에 따라 유동적으로 분류하는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명에서 단편의 길이는 단편 표면의 두 점 사이의 가장 긴 직선으로서 정의한다. 단편의 면적은 단편을 평면으로 투사했을 때 가장 튼 그림자의 면적으로서 정의된다.

본 발명은, 기계식 스크리닝 시스템과 광전자식 소팅 시스템을 포함하는 장치로서, 다결정 단편은 기계식 스크리닝 시스템에 의해 미세 실리콘 성분(component)과 잔류 실리콘 성분으로 분리되고, 잔류 실리콘 성분은 광전자식 소팅 시스템에 의해 분획들로 추가적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 장치에 관한 것이다.

상기 장치에 의하면, 다결정 단편을 길이, 면적, 형상(shape), 형태(morphology), 색상 및 중량과 원하는 이들의 임의의 조합에 따라 분류하는 것이 가능하다.

분류 시스템은 바람직하게는 다단식(multistage) 기계식 스크리닝 시스템과 다단식 광전자식 소팅 시스템으로 구성된다.

상기 기계식 및/또는 광전자식 분리(separating)장치는 트리 구조(tree structure)로 배치되는 것이 바람직하다(도 1 참조). 스크리닝 시스템과 광전자식 소팅시스템을 트리 구조로 배열하는 것이 직렬 배열(series arrangement)하는 것에 비해 보다 정확한 분류를 가능하게 하는데, 그 이유는 거쳐야 될 분리 스테이지의 수가 더 작고 각각의 분리모듈에서 거부되는 양(rejected amount)이 더 적기 때문이다. 더 나아가, 트리 구조 배열은 거리가 더 짧기 때문에 시스템의 마모 및 커다란 단편의 재분쇄(re-comminution)가 더 적고, 다결정 단편의 오염이 덜 발생한다. 이러한 이유들로 인해 상기 장치 및 관련 방법은 경제적인 실행가능성을 높여준다.

바람직하게는, 분류될 다결정 단편의 미세 성분은 먼저 기계식 스크리닝 시스템에 의해 잔류 실리콘 성분으로부터 분리되고, 그 다음에는 복수의 기계 스크리닝 시스템에 의해 분획들로 더 분리된다.

임의의 공지된 기계 스크리닝 장비가 기계식 스크리닝 시스템으로 사용될 수 있다. 바람직하기로는, 비평형 모터(unbalance motor)에 의해 구동되는, 진동 스크리닝 장비가 사용된다. 스크리닝 표면으로서, 메쉬 및 홀 스크린이 바람직하다. 기계식 스크리닝 시스템이 생성물 플로우(product flow) 중의 미세 성분들을 분리하는데 사용된다. 미세 성분은 최대 25mm, 바람직하게는 10mm까지의 입자 크기를 포함한다. 따라서, 기계식 스크리닝 시스템은 바람직하게는 상기 입자 크기들을 분리하는 메쉬 폭을 가지고 있다. 따라서 초기에는 기계식 스크린은 작은 단편의 형태(≤FS1)만을 분리할 수 있도록 단지 작은 홀을 가지고 있기 때문에, 스크린이 입자에 의해 막히는 경우가 거의 발생하지 않고, 결과적으로 시스템의 생산성을 높일 수 있게 된다. 문제를 일으키는 커다란 다결정 단편들은 스크린의 작은 메쉬 폭에 붙을 수 없다.

미세 성분은 다단식 기계식 스크리닝 시스템을 이용하여 분획들로 더 분리될 수도 있다.

스크리닝 시스템(스크리닝 스테이지)은 직렬로 배열되거나 또는 트리 구조와 같은 다른 구조로 배치될 수 있다. 스크린은 바람직하게는 1 개의 스테이지보다 많은 스테이지수로 배열되는데, 특히 바람직하게는 트리 구조의 3개 스테이지로 배치된다. 예를 들자면, 다결정 단편을 4개의 입자 분획으로 분리하고자 할 때(예를 들어 분획 1, 2, 3, 4으로), 스테이지1에서 분획 1과 2가 분획 3과 4로부터 분리된다. 그 다음 스테이지2에서 분획 1은 분획 2로부터 분리되고, 병렬로 배치된 스테이지3에서 분획 3이 분획 4로부터 분리된다.

잔류 폴리실리콘 성분은 이미지 및 센서 기술에 있어 종래 기술을 구성하는 모든 기준(criteria)에 따라 분류될 수 있다. 바람직하게는, 광전자식 소팅이 사용된다. 분류는 폴리실리콘 단편의 길이, 면적, 형상, 형태, 색상 및 중량으로 이루어진 군으로부터 선택된 1개 또는 그 이상의 기준, 더 바람직하게는 1개 내지 3개의 기준에 따라 실시하는 것이 바람직하다. 특히 폴리실리콘 단편의 길이와 면적에 따라 실시하는 것이 바람직하다. 바람직하기로는, 잔류 실리콘 성분은 1개 또는 그 이상의 광전자식 소팅 시스템에 의해 분획으로 더 분리된다. 바람직하게는 트리 구조로 배열된, 2개, 3개, 또는 그 이상의 광전자식 소팅 시스템이 사용된다. 상기 광전자식 소팅 시스템에 의한 광학 이미지 인식은 "참(true)" 길이 또는 면적을 측정한다는 장점을 가진다. 이 방법은 종래의 기계식 스크린 방법과 비교하여 각각 희망하는 파라메터에 따라 단편들을 보다 정확하게 분리하는 것을 가능하게 한다. 바람직하기로는, 특허문헌 US 6,265,683 B1 또는 US 6,040,544에 기술된 장치가 광전자식 소팅 시스템으로 사용된다. 광전자식 소팅 시스템의 세부사항에 관한 내용은 상기 문헌에서 참조할 수 있다. 이 광전자식 소팅 시스템은 다결정 단편의 분리장치(dividing device)와, 수평면에 대하여 슬라이드면의 각을 조절할 수 있도록 구성한, 다결정 단편용 슬라이드 면(sliding surface), 다결정 단편이 낙하하는 빔 통로를 관통하는 빔원(beam source), 및 디버터 기구(diverter device)를 제어하는 제어 유닛(control unit)에 분류된 재료의 형상을 전송하는 형상 인식 장치를 포함한다.

바람직하게는 각각의 광전자식 소팅 스테이지에서, 생성물 플로우는 통합된 진동 이송 트로프(integrated oscillatory delivery trough)에 의해 나뉘어진 다음 활강경사면을 거쳐 자유낙하한 후, 길이, 면적, 부피(중량), 형상, 형태 및 색상으로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 분류 파라메터에 따라 분류를 실행하는 하나 또는 그 이상의 CCD 컬러 라인 카메라들(color line camera)을 통과한다. 대안으로서, 단편의 파라메터를 인식하기 위해 종래 기술에서 알려진 모든 전자 센서 기술이 사용될 수 있다. 측정값은 상위 제어 및 조절장치(superordinate control and regulating instrument)에 전달되고, 예를 들어, 마이크로프로세서를 이용하여 평가된다. 식(formula)으로 저장된 분류 기준과 비교하여, 생성물 플로우에서 단편의 통과여부 및 방출여부가 결정된다. 바람직하게는, 방출은 노즐에서 나오는 압축공기의 펄스에 의해 수행되는데, 이때의 압력은 상위 제어기(superordinate controller)에서 식을 통해 조정된다. 이 경우 예를 들면, 분리 채널(압축공기 어레이)은 이미지 인식기 아래 배열된 밸브 어레이에 의해 구동되고, 입자 크기에 의해 결정되는 분사된 압축공기 펄스를 받아들인다.

따라서 바람직하기로는, 본 발명의 장치는 상위 제어기를 구비하는데, 이 상위 제어기에 의해, 다결정 단편의 분리 파라메터 및/또는 다결정 단편의 이송에 영향을 미치는 시스템 파라메터 (예를 들면 이송속도)가 본원 장치의 각 (구성)요소들에 대하여 유동적으로 순응될 수 있다. 바람직하기로는, 다결정 단편을 분류하는 분류 파라메터는 전술한 파라메터이고, 특히 바람직하게는 단편의 길이, 면적, 형상, 색상 또는 형태로 구성된 군으로부터 선택된다.

상위 제어기는 바람직하게는 아래에 언급한 장치의 항목들을 하나 또는 둘 이상 변화시킨다.

- 이송 트로프(trough)의 처리량 (예를 들면 비평형 모터의 주파수를 변경함으로써)

- 기계식 스크린의 진동 주파수

- 분류를 위한 파라메터들 (단편의 면적, 길이, 색상 또는 형태, 바람직하게는 단편의 길이 및/또는 면적에 대한 범위)

- 방출 블로워 유닛의 주 압력

다결정 단편을 분류하는 분류 파라메터(sorting parameter)들의 값은 바람직하게는 상위 제어기에 식의 형태로 저장되고, 기계식 스크리닝 장치 및/또는 광전자식 소팅기에서의 선택 기준은 식의 선택에 의해 변화되며, 그에 따라 본 발명에 따른 장치의 개별 부분에 이러한 조합된 분류 파라메터가 적용된다.

바람직한 실시예에서는, 본 발명의 장치가 분류 시스템 이후에, 분류된 분획의 산출물의 중량을 결정하는 저울들(balances)을 포함한다. 바람직하게는 본 장치는 분류 시스템 이후에, 완전 자동의 박스 충전(filling) 및 이송 장치를 포함한다.

본 발명의 장치의 바람직한 실시예는, 기계식 스크리닝 시스템 및/또는 광전자식 소팅 시스템이 분류된 폴리실리콘 단편의 정해진 파라메터들에 대한 측정기구를 구비하며, 이 측정기구는 상위 제어 및 조절장치에 연결되는 것을 특징으로 하는데, 상기 상위 제어 및 조절장치는 측정된 파라메터들을 통계학적으로 평가하고 그 값들을 미리 정해진 파라메터들과 비교하고, 만일 측정된 파라메터와 미리 정해진 파라메터가 불일치할 경우에는 광전자식 소팅 시스템 또는 전체 분류시스템의 분류 파라메터들(예를 들어 다결정 단편의 이송율이나 기계식 스크리닝 시스템의 주파수)의 설정이나 식의 선택을 변경하여, 측정된 파라메터가 미리 정해진 파라메터와 근사하도록 할 수 있다.

바람직하기로는, 폴리실리콘 단편의 길이, 면적, 형상, 형태, 색상 및 중량으로 구성된 군으로부터 선택된 파라메터가 측정된다. 각각의 분획 내의 다결정 실리콘 단편의 길이 또는 면적은 바람직하게는 길이 또는 면적 분포(distribution)(예를 들어 5%, 50% 또는 95% 변위치 (quantile))의 형태로 측정되고 평가된다. 또 다른 방법으로서, 각각의 스크린 분획의 중량 산출량은 스크린출구에서 저울들에 의해 결정된다. 추가적인 측정 파라메터로는 각각의 광전자식 분류 시스템에서 결정된 질량과 입자 처리량이 있다.

원하는 수율(yield)을 안정화하기 위하여, 저울에 의해 기록된 각각의 분획의 중량 또는 광전자식 분류시스템에서 측정된 각각의 단편 분획들의 길이 분포를 이용할 수 있다. 예를 들어, 발생되는 커다란 단편의 양이 너무 많거나 광학 분리스테이지에서 결정된 단편 분포의 평균 길이값(실제 값)이 설정값보다 큰 경우에는, 식으로 확립된 로직(logic)에 따라 분리 범위(separating limits)를 변경시켜 단편의 분포를 목표 쪽으로 이동(shift)시킨다.

반대로, 만일 작은 단편 성분이 너무 많은 경우에는, 예를 들어 시스템에 과부하가 걸리지 않도록 측정된 입자의 수를 이용하여 이송율(delivery rate)을 결정하거나 다른 분류식(sorting formula)을 선택할 수 있다.

분류된 다결정실리콘 단편의 분류 파라메터(예를 들면 분획의 평균 길이 값)는 분류 기준(예를 들면 길이분포, 중량분포)에 따라 온라인 모니터링 범주 내에서, 예를 들어 광전자식 분류 시스템에 의하여 결정되며, 상위 제어 조절장치에 전달되어 미리 정해진 설정값과 비교된다. 측정된 파라메터와 미리 정해진 파라메터들 사이에 불일치가 발생하는 경우, 가변성 분류 파라메터(예를 들어 두 분획 사이의 분리 범위 또는 모듈을 통과하는 이송 모드)는 제어 및 조절 기구에 의하여 보정되어, 측정된 파라메터가 미리 정해진 파라메터에 근사하게 된다.

바람직하게는 조절기구는 분획들 사이의 분리범위, 이송 트로프를 통한 처리량(throughput) 또는 방출 블로어 노즐의 압력을 조절한다.

본 발명에 따른 장치의 변형예에 있어서, 자석 추출기(magnetic extractor) (예를 들면 자석판, 드럼형 자석 또는 스트립형 자석)는 폴리실리콘 단편으로부터 금속 이물질을 제거하고, 폴리실리콘 단편의 금속 오염을 감소시키기 위해 각 분류 스테이지(stage) 사이에 배치된다.

바람직하게는, 제어 및 조절장치는 모든 서브시스템(예를 들면 기계식 분류 시스템과 광전자식 소팅 시스템, 식 운용(formula handling)을 통한 자동 박스 처리(processing) 및 제어 로직(control logic)의 운용)을 관리하고 조절하는 메모리 프로그램 제어기 (PLC) 형태의 관리 시스템으로 구성된다. 교차 서브시스템(cross-subsystem)의 표시와 작동은 상위의 관리시스템(superordinate management system)에 의해 수행된다. 모든 서브시스템의 에러와 작동 메시지는 에러 또는 작동 메세지 데이터베이스 안에서 함께 복사되어, 평가되고 표시된다.

본 발명에 따른 장치를 구성하기 위해 개별 시스템을 결합하고 상위 제어기를 이용하여 논리적 작동(logic operation)을 시킴으로써, 처음으로 서로 다른 소팅 프로세스(sorting processes)의 수행이 가능하게 되었다. 즉, 장치를 기계적으로 재조정할 필요 없이 상이한 소팅 파라메터들에 따라 소팅 프로세스의 수행이 가능하게 되었다.

특히, 본원 발명에 따른 장치는 상이한 입자 크기 분포를 가진 공급 재료를 유동적으로 분리할 수 있다. 아주 작은 크기의 입방형 단편 (길이 < 45 mm)과 매우 커다란 입방형 단편들(길이 > 45 - 250 mm)이 모두 단순한 소프트웨어의 구동으로 기계적인 재조정 없이 분류될 수 있다.

본 발명의 범위에 있어서, 임의의 다결정 실리콘 단편에 대한 광전자식 소팅의 기능은, 단순히 미세 성분 분리를 위한 기계식 스크리닝을 먼저 거친 후, 광전자식 소팅을 실시함으로써, 필요한 정확도 범위 내에서 가능하게 되었다. 광전자식 소팅 시스템으로 공급되는, 재료 중의 고(high) 미세 성분은 소팅의 정확도를 아주 크게 손상시키고, 극단의 경우에는 광전자식 소팅 기능까지도 손상시킨다.

본 발명에 따른 장치는 기계식 스크리닝 시스템만을 사용하였을 때와 비교하여, 단편의 길이 및/또는 면적에 대하여 보다 높은 분리 정확도를 제공한다. 본 발명의 장치는 소팅 시스템의 제어 변수(예를 들면 각 광전자식 소팅 스테이지에서의 분리 범위)로서 소팅 파라메터들(예를 들면 광전자식 스크리닝 시스템에서 측정된 입자 분획(FS)의 평균값)을 피드백함으로써 조절된다. 제어 및 조절은 측정된 중량 수율을 이용하여 식을 통해 적절하게 이루어질 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 소팅 기준(예를 들면 길이 분포, 중량 분포)에 따라 공급되는 재료의 양(예를 들면 분쇄 후의 입자 크기 분포의 통계학적 평가)에 대한 온-라인 모니터링을 가능하게 한다.

더욱이 본 발명은 본 발명에 따른 장치에 의해 다결정 단편을 분류하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 있어서, 다결정 단편은 바람직하게는 기계식 스크리닝 시스템에 의해 스크리닝된 미세 분획 잔류 분획으로 분리되고, 상기 스크리닝된 미세 분획은 추가의 기계식 스크리닝 시스템을 이용하여 분획 1과 분획 2로 분리되고, 상기 잔류 분획은 광전자식 소팅에 의해 2개의 분획으로 분리된다. 상기 2개의 분획은 각각 추가의 광전자식 소팅을 통해 추가적인 4개의 타겟 분획 (타겟 분획 3 내지 6)으로 세분된다.

본 발명에 따른 방법은 높은 생산성을 나타내는데, 그 이유는 설정(setup) 시간이 공지의 분류 장치에 비하여 짧고, 기계식 스크린에서 발생하는 스크린의 막힘이 거의 일어나지 않기 때문이다.

바람직하게는, 스크리닝된 미세 분획은 20 mm 미만의 입자 크기를 가지며, 잔류 분획은 5 mm 보다 큰 입자 크기를 가지며, 타겟 분획 1은 입자 크기가 10 mm보다 작고, 타겟 분획 2는 입자 크기가 2 mm 내지 20 mm 이고, 타겟 분획 3은 입자 크기가 5 mm 내지 50 mm, 타겟 분획 4는 입자 크기가 15 mm 내지 70 mm, 타겟 분획5는 입자 크기가 30 mm 내지 120 mm이고, 타겟 분획 6은 입자 크기가 60 mm 보다 크다.

바람직하기로는, 원하는 타켓 분획의 소팅 파라메터가 상위 제어 및 조절 장치에 입력되며, 상기 제어 및 조절 장치는 다결정 단편의 원하는 타겟 분획을 제조하기 위해 소팅 시스템의 파라메터들에 대한 상응하는 조정을 수행한다. 상기 소팅 시스템의 파라메터들의 조정은 본 발명에 따른 장치에 대해 설명한 바와 같이 수행된다.

바람직하게는, 각 분류 파라메터와 관련하여, 보다 큰 입자를 갖는 분획 번호가 광전자식 소팅시 거부되거나(rejected) 방출(blown out)된다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 장치의 상위 제어기에서 미리 조정된 식이 선택된다. 소팅 시스템의 모든 파라메터와 조정된 제어 변수들이 식으로 저장된다. 바람직하기로는, 생성물 파라메터의 측정과 폴리실리콘 단편의 분류가 아래에 설명된 바와 같이 실행된다:

제1 기계식 스크리닝 스테이지의 분류 크기를 초과하는 단편들은 다단식의 광전자식 분리 시스템으로 보내진다. 각 광전자식 소팅 스테이지에서, 생성물 플로우는 통합된 진동 이송 트로프(integrated oscillatory delivery trough)에 의해 나누어진 다음 슈트(chute)을 거쳐 자유낙하한 후, 길이, 면적, 부피(중량), 형상, 형태 및 색상으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 파라메터에 따라 분류를 실행하는 하나 또는 그 이상의 CCD 색상선 카메라들(color line camera)을 통과한다. 대안으로서, 단편의 파라메터 인식을 위해 종래 기술에서 공지된 모든 전자센서 기술이 사용될 수 있다. 측정값은 상위 제어 및 조절 장치에 전달되고, 예를 들어, 마이크로프로세서를 이용하여 평가된다. 식(formula)에 저장된 분류 기준과 비교하여, 생성물 플로우에서 단편의 통과여부 및 방출여부가 결정된다. 바람직하게는 방출은 노즐에서 나오는 압축공기의 펄스에 의해 수행되는데, 이때의 압력은 상위 제어기에서 식을 통해 조정된다. 이 경우 예를 들면, 분리 채널(압축공기 어레이)은 이미지 인식기 아래에 배치된 밸브 어레이에 의해 구동되고, 입자 크기에 의해 결정되는 분사된 압축공기 펄스를 받아 들인다. 이송된 플로우와 거부된 플로우가 분리되어 방출되어, 다음의 광전자식 분류 스테이지로 전달된다. 대안으로서, 방출은 유압식 또는 기계식으로 수행될 수도 있다. 놀랍게도, 보다 많은 입자수를 갖고 있더라도, 보다 작은 길이를 갖는 분획을 제거(blowing out)함으로써 보다 높은 분류 정확도가 달성된다는 것을 발견하였다. 구체적으로, 종래 기술에 의하면 분류의 정확도는 거부되는 성분이 증가할수록 떨어지는 것으로 예상된다. 즉, 입자 수 면에서 "보다 작은" 분획을 블로잉 아웃(유압식/기계식 제거)하는 것은 단편의 보다 정확한 분리를 가능하게 한다고 종래 기술은 제시하고 있다. 그러나, 놀랍게도 본 발명에서는 보다 정확한 단편의 분리가 단편의 길이나 면적의 분리에 있어서 종래 기술과는 상반되는 접근법으로 달성된다.

센서를 이용한 인식, 바람직하게는 광학 이미지 인식장치에 의한 인식은 단편의 "참" 길이, 면적 또는 형상이 측정된다는 장점이 있다. 이러한 장치는 보다 예를 들면 단편의 길이에 대해 종래의 기계식 스크린 방법과 비교하여 보다 정확한 분리를 가능하게 한다. 분리해야 하는 두 분획 간의 중첩은 더 작다. 반면에, 분리 범위는 상위 제어기에 미리 정해진 파라메터 (식)를 통해, 기계장치 그 자체의 보정없이(예를 들면 스크리닝 표면의 변경), 임의의 바람직한 방식으로 조정될 수 있다. 기계식 스크린과 광전자식 분류 시스템의 창의적 결합을 최초로 실시함으로 공급되는 재료의 조성과 상관없이, 작은 크기 범위의 단편과 커다란 크기 범위의 단편이 모두 분리가능하게 되었다.

더욱이 전체 시스템은 "온라인 측정"을 통해서 조절될 수 있는데, 예를 들면 공급되는 재료에 따라 분리 범위를 직접 수정함으로써 조절된다.

또한, 본원 발명에 따른 장치에서 광전자식 소팅은 개별 요구사항(예를 들면 입방도가 높은(high cubicity) 단편)에 따라 면적과 길이를 함께 고려함으로써 보다 정확한 단편의 분리가 가능하다는 장점을 제공한다.

본 발명에 따른 장치에 의해 분류되는 실리콘 단편의 분획들은 수집되고, 바람직하게는 박스에 충전(loading)된다. 바람직하기로는, 박스에의 충전은, 예를 들어 특허문헌 EP 1334907 B에 기재된 방법대로 자동화된다.

도 1은 실시예에서 사용된 본 발명에 따른 장치에서 수행되는 방법의 원리를 나타내고 있다.

도 2는 사전의 스크리닝 없이 (종래 기술) 실시한 옵토뉴메틱(optopneumatic 분리 장치에 의한 옵토뉴메틱 분리 결과와 비교하여, 실시예 1에 의한 분류의 결과를 나타내고 있다.

도 3은 실시예 2에서 설명된 바와 같이, 광전자식 분리시스템에 설정된 분류 범위(여기서는 단편의 길이)가 얻어진 분획의 단편 크기 분포에 미치는 영향을 나 타내고 있다.

하기 예들은 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 것이다.

다음과 같은 단편 크기의 다결정 단편들이 실시예에서 제조되었다.

FS 0: 단편 크기가 5 mm 미만의 분포를 가진 것

FS 1: 단편 크기가 약 2 mm 내지 12 mm의 분포를 가진 것

FS 2: 단편 크기가 약 8 mm 내지 40 mm의 분포를 가진 것

FS 3: 단편 크기가 약 25 mm 내지 65 mm의 분포를 가진 것

FS 4: 단편 크기가 약 50 mm 내지 110 mm의 분포를 가진 것

FS 5: 단편 크기가 약 90 mm 내지 250 mm의 분포를 가진 것

길이 데이터는 단편의 최대 길이를 의미하며, 단편의 85 중량%가 명시된 범위 내의 최대 길이를 가진다.

실시예 1

지멘스(Siemens) 방법으로 폴리실리콘을 봉의 형태로 증착하였다. 봉을 지멘스 반응기에서 꺼낸 후, 종래기술(예들 들면 수동 분쇄)에서 공지된 방법에 따라굵은 폴리실리콘 단편을 형성하기 위해 분쇄하였다. 모서리 길이가 0 내지 250 mm인 단편으로 구성된 이러한 굵은 단편들을 공급장치(feed device), 바람직하게는 깔대기를 통해, 재료가 본 발명의 장치로 이송되도록 이송 트로프로 방출시켰다.

생성될 분획을 위한 파라메터를 상위 측정 및 제어장치에 입력하였다. 생성될 단편들의 각각의 향후 개별용도에 따라 각각의 분획에서 각각 바람직한 입자 크 기 분포가 결정되기 때문에, 그 분획들은 일반적으로 상위 측정 및 제어장치에 식의 형태로 저장된 후, 선택되어 사용된다. 본 실시예에서는, 본 발명의 장치를 사용하여 6종의 상이한 분획 (FS 0, 1, 2, 3, 4, 5)을 생산하였다. 광전자식 소팅시스템과 기계식 분류시스템 및 이송 방법에 관한 모든 파라메터들은 식의 형태로 각각 저장된다.

커다란 단편 성분(FS 5)을 가진 다결정 단편을 소팅하기 위하여, 다음과 같은 파라메터들을 식으로 저장하였다.

다결정 단편의 미세 성분 (FS 0 및 1)은 메쉬 폭이 약 10 mm 인 기계식 스크린상에서 분리하고, 상기 분리된 성분을 다시 예를 들어 메쉬폭이 약 4 mm 인 추가 기계식 스크리닝 시스템에 의해 FS 0와 FS 1으로 분리하였다.

굵은 성분(FS 2, 3, 4 및 5)은 이송 특성(delivery characteristics), 예를 들어 주파수 특성이 식의 형태로 저장된 이송 트로프를 통해 광학적 소팅 시스템에 공급되어, 2개의 트리 레벨을 이용하여, 즉 3개의 광학적 스테이지를 이용하여 다음과 같이 분리되었다: 제1 스테이지에서 FS 3&2가 FS 4&5로부터 분리되었다. 55 mm의 최대 길이가 분리 범위로서 식으로 저장되었다. 제2 스테이지에서, FS 3&2는 식으로 저장된 분리범위를 27mm로 하여, FS 3 및 2로 분리되었다. FS 4&5는 분리범위를 100 mm로 하여 제3 스테이지에서 FS 4 및 5로 분리되었다.

보다 높은 소팅 정확도는, 비록 더 많은 입자 수를 가지고 있더라도, 길이에 있어서 보다 작은 분획이 제거될 때, 달성된다. FS5 및 FS4의 성분이 우세한 공급 재료를 분리하기 위하여, 제1 모듈에서 분획 "FS4 + FS5" 보다는 입자 수 면에서 최대 분획인 "FS2 + FS3"가 전체 분획으로부터 제거되었다. 유사하게, "FS3" 보다는 입자 수면에서 더 큰 분획 "FS2"가 "FS2 + FS3"의 혼합물로부터 제거되었다.

금속성의 오염성분을 추출하기 위한 자석이 다양한 시스템 구성요소들 사이에 설치될 수 있는데, 그 예로 이송 트로프를 들 수 있다.

도 2는 사전 스크리닝 없이 옵토뉴메틱 장치를 이용하여 분리한 결과(종래 기술)와 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 결과를 나타낸다. 공급 재료가 선택된 길이 등급들로 분류될 수 있다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 종래의 스크리닝 방법에 비해 더 정확한 분리 (예를 들어 길이)가 이루어지는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 종래의 분리 방법에 따르면, FS2/FS3가 중첩되어, FS3 분포가 이미 20 mm에서 시작되는 반면에 FS2 분포는 약 45 mm까지 끝나지 않음을 알 수 있다. 따라서 중첩되는 부분이 25 mm이다. 본 발명에 따른 방법으로는, FS3 분포는 25 mm까지 시작되지 않는 반면에 동시에, FS2 분포는 이미 약 40 mm에서 끝난다. 따라서 단지 15 mm만 중첩이 발생하므로, 종래 기술과 비교해 볼 때 약 40% 작아진다.

실시예 2

원하는 수율을 안정화시키기 위해, 소프트웨어 파라메터 또는 개별 분획의 분리 범위는 약간 변화시켰다. 광전자식 분리 시스템을 제어하기 위한 식에서, 개별 분획에서 단편들에 대해 허용되는 최대 또는 최소 길이와 관련된 값들을 몇 mm 정도 (도 3 참조) 변경시켰다. 따라서, FS 2 와 3간을 분리하기 위한 분리 범위는 27 mm에서 31 mm로 변경되었고, FS 3과 4 사이의 분리 범위는 55 mm에서 57 mm로 변경시켰다. 이와 같이 프로그램 파라메터를 단지 몇 mm 정도만 변경해도 생성물의 물성(예를 들면 길이 분포)에 뚜렷하게 반영된다. 즉, 개별 분획 간의 분리 범위는 단순히 식을 달리 선택함으로써 높은 정확도로 각각의 스펙(specification)에 융통성있게 유동적으로 순응될 수 있거나, 또는 상기 분리 범위는 원하는 설정(setpoint) 값을 달성하기 위해 온라인 조절 범위에 적용될 수 있다.

실시예 3

본 발명에 따른 장치를 이용한 상이한 입자 크기 분포의 다결정 단편의 분류

a) 주 분획(main fraction)이 100 mm보다 큰 다결정 단편을 6개의 분획(예를 들면 FS0 내지 FS5)으로 소팅함.

미세 성분(< 12 mm, 즉 FS0 + FS1)은 먼저 굵은 분획으로부터 기계식 스크린에 의해 분리되었다. 이 분리된 분획을 이어서 제2 기계식 스크린에 의해 분획 FS0 및 FS1으로 나우었다. 굵은 분획(≥ FS2)을 광전자식 소팅 시스템으로 보내어, 제1 분리 스테이지(모듈 1, 또는 제1 트리 레벨)에서 상대적으로 큰 분획 (≥ FS4)과 상대적으로 작은 분획(≤ FS3)으로 분리하였다(FS3/FS4 분리범위는 ~50 mm 내지 70 mm). 이들 2개의 분획을 각각 제2 트리 레벨의 다음 번 분리 스테이지(모듈 2 및 모듈 3)로 보내고, 다시 2개의 분획으로 분리하였다. (FS2/FS3 분리범위는 약 25 내지 45 mm이고, FS4/FS5의 분리범위는 약 85 mm 내지 120 mm). 이렇게 하여, 분획 FS2, FS3, FS4 및 FS5를 얻었다. 보다 세분된 분획이 필요한 경우에는, 제3 또는 그 이상의 트리 레벨에서 추가의 분리 스테이지(또는 모듈)가 실시될 수 있다.

b) 주 분획이 약 80 mm인 다결정 단편을 5개의 분획(FS0 내지 FS4)으로 소팅함.

1) 이 방법은, 제2 트리 레벨에서 상대적으로 큰 분획에 대한 모듈이 불활성화됨에 따라 FS4 이상의 분획이 더 분리되지 않는 점을 제외하고는, 실시예 3a)과 동일하다.

2) 대안으로서, FS2 내지 FS4의 혼합물을 제1 모듈에서 FS3 이상의 분획과 분획 FS2로 분리하였다. 제2 트리 레벨에서, FS3 이상의 분획은 분획 FS3과 FS4로 분리하였지만, FS2는 더 이상 분리하지 않았다.

c) 주 분획이 약 45 mm인 다결정 단편을 4개의 분획(FS0 내지 FS3)으로 소팅함.

1) 미세 성분(FS0 + FS1)의 분리는 실시예 3a)에서와 유사하게 수행하였다. 잔류물, 즉 FS2와 FS3의 혼합물은 이어서 제1 광학 모듈에서 직접 FS2와 FS3로 분리하고, 다음의 제2 트리 레벨의 비활성화된 모듈은 단순히 지나쳤다.

2) 대안으로서, 제1 레벨(모듈)을 비활성화시키고, FS2 - FS3의 분리는 제2트리 레벨에 이를 때까지 수행하지 않았다.

d) 주 분획이 약 25 mm인 다결정 단편을 3개의 분획(FS0 내지 FS2)로 소팅함.

미세 성분(FS0 + FS1)의 분리는 실시예 3a)에서와 유사하게 수행하였다. 잔류물, 예를 들면 FS2는 비활성화된 모듈인 1과 2를 그냥 통과하도록 하였다. 즉 어떠한 트리 레벨에서도 분리되지 않았다.

e) 주 분획이 25 mm 보다 작은 다결정 단편을 2개의 분획(FS0 및 FS1)으로 소팅함.

미세 성분(FS0 + FS1)의 분리는 실시예 3a)에서와 유사하게 수행하였다. 어떠한 재료도 광학적 소팅 시스템까지는 도달하지 않았다.

상기 분류 a) 내지 e)가 장치를 재조정할 필요없이 본 발명에 따른 장치를 이용하여 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 이용하면, 장치의 기계적인 재조정 없이 원하는 분류 파라메터에 따라 다결정 실리콘 단편을 유동적으로 분류할 수 있다.

Claims (17)

1. 분쇄된 다결정 실리콘을 유동적으로 분류하는 장치로서, 상기 장치는 기계식 스크리닝 시스템과 광전자식 소팅 시스템을 포함하며, 다결정 단편이 상기 기계식 스크리닝 시스템에 의해 미세 실리콘 성분과 잔류 실리콘 성분으로 분리되고, 상기 잔류 실리콘 성분이 상기 광전자식 소팅 시스템에 의하여 추가의 분획으로 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기계식 스크리닝 시스템과 광전자식 소팅 시스템은 각각 다단식 기계식 스크리닝 시스템과 다단식 광전자식 소팅 시스템인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기계식, 광전자식, 또는 기계식 및 광전자식 분리 장치는 트리 구조로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기계식 스크리닝 시스템은 비평형 모터에 의하여 구동되는 진동 스크리닝 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기계식 스크리닝 시스템의 스크린은 1 스테이지보다 많은 스테이지로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광전자식 소팅 시스템이 2개 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광전자식 소팅 시스템이 3개 또는 그 이상 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장치는 다결정 단편의 소팅을 위한 소팅 파라메터, 다결정 단편의 이송에 영향을 미치는 시스템 파라메터, 또는 상기 소팅 파라메터 및 상기 시스템 파라메터 모두가 상기 장치의 개별 부분들에 대해 유동적으로 순응되도록 하는 상위 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항에 있어서, 다결정 단편의 소팅을 위한 파라메터는 길이, 면적, 형태, 색채 및 형상으로 구성된 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 제어기에 의하여 상기 장치의 하기 사항 중 하나 또는 그 이상이 변화하는 것을 특징으로 하는 장치:

    - 이송 트로프의 처리량

    - 기계식 스크린의 진동 주파수

    - 소팅 파라메터

    - 방출 블로어 노즐의 압력.
11. 제8항에서 있어서, 상기 기계식 스크리닝 시스템, 광전자식 소팅 시스템, 또는 기계식 스크리닝 시스템 및 광전자식 소팅 시스템 모두는 분류된 다결정 실리콘 단편의 정해진 파라메터를 측정하기 위한 측정장치를 포함하며, 상기 측정장치는 상기 제어기에 의해 제어 및 조절기구 (control and regulating instrument)와 연결되어 있고, 상기 제어 및 조절기구는 측정된 파라메터를 통계학적으로 평가하고 미리 정해진 파라메터와 비교하며, 측정된 파라메터와 미리 정해진 파라메터 사이에 불일치가 있는 경우에는 상기 광전자식 소팅 시스템이나 전체 소팅 시스템의 소팅 파라메터의 설정을 변경하여 측정된 파라메터가 미리 정해진 파라메터에 근사하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자석 추출기가 각 분류 스테이지 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 분쇄된 다결정 실리콘(다결정 단편)을 유동적으로 분류하는 방법으로서, 제1항 또는 제2항에 따른 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 다결정 단편은 기계식 스크리닝 시스템에 의하여 스크리닝된 미세 분획과 잔류 분획으로 분리되고, 상기 스크리닝된 미세 분획은 추가 의 기계식 스크리닝 시스템에 의하여 분획 1과 분획 2로 분리되고, 상기 잔류 분획은 광전자식 소팅 수단을 이용하여 2개의 분획으로 분리되고, 상기 2개의 분획은 각각 추가의 광전자식 소팅 수단에 의하여 4개의 분획 (분획 3 내지 6)으로 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 스크리닝된 미세 분획은 20 mm 미만의 입자 크기를 가지고, 상기 잔류 분획은 5mm 보다 큰 입자 크기를 갖고, 분획 1은 10mm 미만의 입자 크기를 가지고, 분획 2는 2mm 내지 20mm의 입자 크기를 가지고, 분획 3은 5mm 내지 50mm의 입자 크기를 가지고, 분획 4는 15mm 내지 70mm의 입자 크기를 가지고, 분획 5는 30mm 내지 120mm의 입자 크기를 가지고, 분획 6은 60mm 보다 큰 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제13항에 있어서, 각각의 소팅 파라메터와 관련하여 입자 수가 상대적으로 큰 분획이 상기 광전자식 소팅 수단에서 제거(blown out)되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제12항에 있어서, 상기 자석 추출기가 자석판, 드럼형 자석 또는 스트립형 자석인 것을 특징으로 하는 장치.

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