本發(fā)明涉及硅涂覆的塑料材料基底。

背景技術(shù)：

硅涂覆的塑料材料基底可以用于制備生產(chǎn)設(shè)備或裝置的接觸產(chǎn)品的部件的低污染或無(wú)污染表面，以用于制備多晶硅、進(jìn)一步加工多晶硅和多晶硅的物流(logistics)(包裝/運(yùn)輸)。

多晶硅(Polycrystalline silicon，簡(jiǎn)稱polysilicon)例如通過(guò)Siemens方法從甲硅烷或氯硅烷(如三氯硅烷)沉積至細(xì)棒上以獲得多晶硅棒，其隨后被粉碎成多晶硅塊。在粉碎成塊之后，通常將所述塊分級(jí)成特定的尺寸等級(jí)。在分選和分級(jí)之后，將塊計(jì)量成特定的重量并包裝在塑料材料袋中。在包裝之前，任選地將所述塊進(jìn)行濕化學(xué)清洗。在單個(gè)加工步驟之間，塊通常需要從一個(gè)設(shè)備運(yùn)輸至另一個(gè)設(shè)備，例如從粉碎設(shè)備運(yùn)輸至包裝機(jī)器。這通常涉及在緩沖容器中對(duì)塊進(jìn)行中間存儲(chǔ)，所述容器通常為塑料材料盒。

表現(xiàn)出非常低程度污染的多晶硅塊對(duì)于半導(dǎo)體和太陽(yáng)能工業(yè)是期望的。因此，需要以非常低污染的方式來(lái)進(jìn)行粉碎成塊、分選和分級(jí)、計(jì)量和包裝。

一種塊的分選、分級(jí)、計(jì)量和包裝的方法公開(kāi)于US 2013309524A1。在包裝前，首先將多晶硅分配并稱重。多晶硅塊通過(guò)傳送通道運(yùn)輸并利用至少一個(gè)篩分離成粗塊和細(xì)塊。利用計(jì)量天平將所述塊稱重并計(jì)量為不超過(guò)目標(biāo)重量，然后通過(guò)移除通道運(yùn)離并運(yùn)輸至包裝單元。所述至少一個(gè)篩和計(jì)量天平優(yōu)選地在它們的表面上至少部分地包含低污染構(gòu)建材料，例如硬金屬。篩和計(jì)量天平可以具有部分或完全的涂層。所用的涂層優(yōu)選為選自以下的材料：氮化鈦、碳化鈦、氮化鈦鋁和DLC(類(lèi)金剛石碳)。

EP 1 334 907 B1公開(kāi)了一種裝置，所述裝置用于成本低廉并且完全自動(dòng)化地運(yùn)輸、稱量、分配、填充和包裝高純度多晶硅塊，所述裝置包括多晶硅塊的傳送通道、連接至料斗的多晶硅塊稱量裝置、由硅制成的偏轉(zhuǎn)板、填充裝置，所述填充裝置由高純度塑料材料膜形成塑料材料袋，并且包括去離子裝置，所述去離子裝置防止靜電荷以及由此避免塑料材料膜被顆粒污染；用于填充有多晶硅塊的塑料材料袋的焊接裝置；流料箱，其安裝在傳送通道、稱量裝置、填充裝置和焊接裝置上方并防止多晶硅塊被顆粒污染；傳送帶，其具有用于填充有多晶硅塊的焊接的塑料材料袋的磁感應(yīng)檢測(cè)器，所有部件都與多晶硅塊接觸，這些部件都被硅包裹或者被高度耐磨的塑料材料覆蓋。

US 20120156413 A1描述了一種兩層結(jié)構(gòu)，其為金屬基體上的塑料材料片?；w與片相對(duì)，所述片被螺栓等固定，制備所述螺栓的材料與制備片的材料相同或相似?？梢灶?lèi)似地形成與多晶硅接觸的運(yùn)輸通道和容器/料斗。

US 6375011 B1提出了一種傳送硅塊的方法，其包括將硅塊通過(guò)由極高純度的硅制成的振動(dòng)傳送器的傳送表面。然而，很明顯，在這樣的振動(dòng)傳送單元的操作中可能發(fā)生傳送表面的硅貼面松弛甚至破裂。在傳送期間也存在產(chǎn)物污染的風(fēng)險(xiǎn)。

粒狀多晶硅是Siemens方法中制備的多晶硅的替代。Siemens方法提供圓柱形硅棒形式的多晶硅，但是在進(jìn)一步加工之前，其要求費(fèi)時(shí)且昂貴的粉碎以及甚至可能的清理。粒狀多晶硅表現(xiàn)出干且疏松的材料性質(zhì)，并且可以作為原料直接使用，例如用于光伏和電子工業(yè)的單晶生產(chǎn)。

粒狀多晶硅在流化床反應(yīng)器中制備。這通過(guò)在流化床中利用氣流將硅顆粒流化，并利用加熱裝置將所述床加熱至高溫來(lái)實(shí)現(xiàn)。加入含硅的反應(yīng)氣體如甲硅烷或氯硅烷，任選地為與氫氣的混合物，使得在熱顆粒表面發(fā)生熱解反應(yīng)。這使得單質(zhì)硅沉積在硅顆粒上，并且單個(gè)的硅顆粒直徑增大。定期移除直徑增大的顆粒并加入相對(duì)小的硅顆粒作為晶種顆粒使得該方法以連續(xù)方式操作并且具有連續(xù)方式所具有的所有優(yōu)勢(shì)。

US 20120183686 A1描述了金屬管，其內(nèi)表面至少部分地由硅或含硅材料涂覆。通過(guò)這些管運(yùn)輸硅顆粒。含硅材料可以是熔融石英、碳化硅或氮化硅。這樣的管可以特別地用于制備粒狀多晶硅，其中通過(guò)這樣的管運(yùn)輸晶種顆?；蛄疃嗑Ч?。

US 6007869 A公開(kāi)了一種用于制備粒狀硅的方法。反應(yīng)器的管的內(nèi)部由諸如不銹鋼的金屬制成，具有高純度二氧化硅的貼面(facing)，所述管的外部具有低導(dǎo)熱率的絕緣材料(例如二氧化硅材料)的套。

高純度粒狀多晶硅的制備需要硅晶種顆粒。例如根據(jù)US 7490785 B2的公開(kāi)，噴氣磨已知為用于制備這樣的硅晶種顆粒。在一個(gè)實(shí)施方案中，與硅顆粒接觸的裝置的部分由金屬外殼組成，所述金屬外殼內(nèi)壁具有涂層。單晶或多晶形式的硅或塑料用作涂層。

上述噴氣磨不適合于制備粒徑大于1250μm的硅晶種顆粒。然而，可以借助輥式破碎機(jī)來(lái)制備這樣大小的硅晶種顆粒。JP 57-067019 A公開(kāi)了通過(guò)在輥式破碎機(jī)中粉碎多晶硅然后通過(guò)篩分分離來(lái)制備硅晶種顆粒。輥由高純度硅制成。

US 7549600 B2公開(kāi)了一種通過(guò)在壓碎設(shè)備中粉碎并將細(xì)顆粒分級(jí)來(lái)制備硅細(xì)顆粒的方法，其中邊緣長(zhǎng)度小于或等于期望的硅細(xì)顆粒的最大邊緣長(zhǎng)度的壓碎材料(部分1)的部分被收集在收集容器1中，并且邊緣長(zhǎng)度大于期望的硅細(xì)顆粒的邊緣長(zhǎng)度的壓碎材料(部分2)的部分同樣地被收集。在一個(gè)實(shí)施方案中，從部分1分離并收集邊緣長(zhǎng)度小于期望的硅細(xì)顆粒的最小長(zhǎng)度的細(xì)顆粒(部分3)的部分。獲得的部分1和3可以用作在流化床方法中沉積多晶硅的晶種顆粒。壓碎工具的表面由硬金屬(特別優(yōu)選鈷基質(zhì)中的碳化鎢)或硅制成。

現(xiàn)有技術(shù)中已知用硅或塑料材料覆蓋(face)設(shè)備部件或完全由這些材料之一制備所述部件。當(dāng)加工硅時(shí)，硬金屬也用作低污染的構(gòu)建材料。貼面是優(yōu)選的，因?yàn)榻饘倩w賦予設(shè)備部件更大的穩(wěn)定性。然而，現(xiàn)有技術(shù)中已知的塑料材料貼面或硅貼面并不總是穩(wěn)定的。貼面的磨損及隨后的損傷可能會(huì)發(fā)生。這可能導(dǎo)致貼面的塑料材料污染多晶硅，特別是被碳污染。貼面的損傷進(jìn)一步暴露通常為金屬基體的表面，這會(huì)導(dǎo)致多晶硅被金屬顆粒污染。經(jīng)由濕化學(xué)清洗，可能進(jìn)一步減少多晶硅塊的表面污染，然而，這會(huì)帶來(lái)額外的成本和復(fù)雜性。

本發(fā)明要實(shí)現(xiàn)的目的源自上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的通過(guò)經(jīng)冷氣噴施來(lái)對(duì)基底的包含塑料材料的表面進(jìn)行硅涂覆的方法實(shí)現(xiàn)，所述方法包括將含硅的粉末注入氣體中，并將所述粉末高速施用于所述包含塑料材料的基底表面，從而所述硅形成牢固地附著在所述包含塑料材料的基底表面上的涂層。

本發(fā)明的目的還通過(guò)這樣的裝置實(shí)現(xiàn)，其至少部分地包含由塑料材料制成的表面，其中所述塑料材料表面具有牢固附著的硅涂層。

結(jié)合以下的說(shuō)明書(shū)和從屬權(quán)利要求書(shū)，所述方法和裝置的優(yōu)選實(shí)施方案會(huì)明顯。

冷氣噴施(又稱為動(dòng)態(tài)噴施)包括將以非常高的速率將粉末施用于支持材料(基底)。通常通過(guò)粉末傳送器將待噴施的材料(粉末)引入氣體中，加熱至幾百度，并將其引入噴施系統(tǒng)中，該系統(tǒng)包括拉伐爾(de Laval)噴嘴，其將包含引入的顆粒的氣體加速至超音速。

從工藝學(xué)的角度出發(fā)，冷氣噴施自身與熱噴施的區(qū)別在于相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程控制，因?yàn)榭梢灾苯涌刂频倪^(guò)程參數(shù)僅為氣體壓力和氣體溫度。

氣體噴射將注入的顆粒加速到如此高的速率，與其他熱噴施方法相比，甚至不需要預(yù)先進(jìn)行初始熔化或完全熔化，所述顆粒在沖擊基底時(shí)形成涂層，所述涂層是均勻閉合的，并且在牢固地附著在基底表面上。沖擊時(shí)的動(dòng)能不足以導(dǎo)致顆粒的完全熔化。

在本發(fā)明的上下文中，牢固附著的硅涂層的描述應(yīng)當(dāng)理解為表示低水平的機(jī)械作用，例如硅材料在涂層上的滾動(dòng)或滑動(dòng)，由于摩擦僅導(dǎo)致磨損而不引起任何顆粒脫離涂層。

所述方法可以用于硅涂覆由熱塑性、熱固性和彈性體塑料材料制成的各種各樣的基底。

涂覆金屬基底使用的氣體噴射溫度不超過(guò)950℃。氣體壓力可以為不超過(guò)50巴。

涂覆包含塑料材料的表面要求明顯更低的氣體壓力和氣體溫度。氣體溫度優(yōu)選為200℃-550℃，必須考慮高于某一溫度時(shí)，在任何塑料材料類(lèi)型上發(fā)生腐蝕(基底上的材料脫離)。

氣體速率優(yōu)選是聲速的數(shù)倍(例如，在0℃，氦氣為971m/s或者氮?dú)鉃?34m/s)；在沖擊待涂覆的基底表面之前，氣體噴射將顆粒加速到500m/s-1500m/s的速率。

與硬的、可延展的和具有相對(duì)高的熱彈性的金屬表面相比，塑料材料基底具有彈性、塑性至脆性的性質(zhì)和相對(duì)低的熱彈性。為了將耐用的硅涂層施用于塑料材料表面，應(yīng)當(dāng)使以下參數(shù)彼此適合：到基底表面的噴施距離、引入的粉末的量、自動(dòng)裝置的供料速度以及相關(guān)的最優(yōu)粒徑。取決于待涂覆的對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)，噴施的硅涂層的質(zhì)量還由方法參數(shù)決定。例如，對(duì)于平坦的基底，參數(shù)行間距和行重疊對(duì)于基底表面上的噴射的蜿蜒路徑是至關(guān)重要的。相比之下，對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，例如，車(chē)床上夾住的基底體的旋轉(zhuǎn)起到重要的作用。

硅顆粒理想地具有恰好使塑料材料產(chǎn)生塑性形變所需的量的動(dòng)能。由此，顆粒通過(guò)機(jī)械形變滲入塑料材料表面(足夠遠(yuǎn))，使得所述顆粒表現(xiàn)出機(jī)械附著并變?yōu)楣柰繉拥囊徊糠帧?/p>

冷氣噴施中所用的工藝氣體(process gas)優(yōu)選地為不活潑性氣體氮?dú)狻⒑饧八鼈兊幕旌衔?。特別優(yōu)選地，以高純形式使用這些氣體。高純度應(yīng)當(dāng)理解為表示存在的雜質(zhì)的量小于5ppmv。

使用高純度氣體避免諸如金屬、摻雜物或碳的污染物通過(guò)該氣體摻入硅涂層。

拉伐爾噴嘴優(yōu)選地由鈷基質(zhì)中的碳化硅或碳化鎢制成。

優(yōu)選地，粉末包含的多晶硅的晶粒尺寸為1-400μm，更優(yōu)選的晶粒尺寸為20-80μm。20-80μm的晶粒尺寸產(chǎn)生特別均勻的涂層。

一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案使用硅粉塵顆粒來(lái)提供晶種顆粒，硅粉塵顆粒在研磨粒狀多晶硅時(shí)作為副產(chǎn)物形成。合適的研磨方法的詳細(xì)描述可見(jiàn)US 7490785 B2。空氣噴射磨優(yōu)選具有高純度結(jié)構(gòu)材料的貼面，特別優(yōu)選硅。這最小化晶種顆粒和產(chǎn)生的硅粉塵的污染。

來(lái)自研磨的硅粉塵顆粒表現(xiàn)出低水平的金屬污染，其總和不超過(guò)80ppbw。

最大水平的金屬污染優(yōu)選為：

Fe:最大10ppbw；

Cr:最大5ppbw；

Ni:最大5ppbw；

Cu:最大5ppbw；

Zn:最大12ppbw；

Na:最大5ppbw。

硼和磷的最大污染水平優(yōu)選分別為25ppta和200ppta。

顆粒的碳污染的最大水平優(yōu)選為10ppmw。

所述方法產(chǎn)生的涂層的厚度優(yōu)選為1-500μm。5-20μm的涂層厚度是特別優(yōu)選的，因?yàn)檫@樣的厚度實(shí)現(xiàn)涂層特別好的附著和耐久性。

塑料材料基底優(yōu)選由聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氨酯、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯或乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)制成。所述基底的厚度優(yōu)選為至少1mm。

附圖說(shuō)明

圖1示出由聚酰胺制成的基底的SEM圖像，所述基底已經(jīng)提供有硅涂層。

圖2示出基底的橫截面的SEM圖像。

具體實(shí)施方式

明顯可見(jiàn)，在聚酰胺基底上產(chǎn)生了非常致密(tight-closed)并且均勻的硅涂層，涂層厚度為約15-20μm。

所用的塑料材料的硬度優(yōu)選為至少40肖氏D。使用LDPE(低密度聚乙烯)是特別優(yōu)選的。

還特別優(yōu)選使用硬度為55-95肖氏A的聚氨酯。在這樣的基底上可以制備特別均勻的硅涂層。

在DIN ISO 7619標(biāo)準(zhǔn)的第1和第2部分以及DIN 7868-1中定義了肖氏硬度。

多晶硅涂層的施用使得塑料材料基底硬化。這伴隨著塑料材料表面的磨損減少。

硅涂層還將來(lái)自塑料材料基底的碳污染最小化。

一個(gè)實(shí)施方案提供金屬基體，所述金屬基體具有置于其上的塑料材料涂層或貼面，所述塑料材料涂層或貼面具有硅涂層。金屬基體在其部分或全部表面上可具有塑料材料涂層或貼面。

優(yōu)選地，基體的至少可能與待加工或運(yùn)輸?shù)漠a(chǎn)物接觸的那部分具有塑料材料涂層或貼面以及隨后施加的硅涂層。硅涂層充當(dāng)產(chǎn)物接觸的涂層。塑料材料貼面優(yōu)選地充當(dāng)用于檢測(cè)硅涂層的損傷的檢測(cè)涂層。為此，檢測(cè)涂層包含在產(chǎn)物上可檢測(cè)的物質(zhì)。對(duì)貼面的損傷可以通過(guò)可檢測(cè)物質(zhì)對(duì)產(chǎn)物的污染來(lái)檢測(cè)。產(chǎn)物優(yōu)選為多晶硅。多晶硅上容易檢測(cè)到的物質(zhì)的實(shí)例包括碳和金屬。因此，由塑料材料制成并且包含碳或金屬的檢測(cè)涂層是特別優(yōu)選的。

在一個(gè)實(shí)施方案中，在用于制備粒狀多晶硅的流化床反應(yīng)器中，晶種供料部分和產(chǎn)物排出部分包含硅涂覆的塑料材料表面。這些區(qū)域的操作溫度通常低250℃。

本發(fā)明的硅涂覆的塑料材料基底的使用通常限于“冷”方法，即不超過(guò)250℃的溫度范圍。然而，這實(shí)際上適用于多晶硅制備鏈的所有領(lǐng)域，除了實(shí)際沉積和經(jīng)受更大熱壓力的直接相鄰部件。

有利的是，具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)并且無(wú)法通過(guò)貼面加以保護(hù)的基底也可以容易地進(jìn)行涂覆。二道底漆(intercoats)，例如粘合促進(jìn)劑不是必須的，即硅可以直接噴施于塑料材料上。

而且，所述方法是非常經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)榧庸そY(jié)果幾乎不引起任何硅損失并且僅需要低加工溫度。所述方法總體上而言對(duì)于貼面設(shè)備部件比傳統(tǒng)方法更廉價(jià)且省時(shí)。

有缺陷的涂層部分可以相對(duì)容易且廉價(jià)地修復(fù)。通過(guò)向所述部分局部再噴施硅來(lái)消除損傷的部分。相比之下，有缺陷的貼面則要求重新制備擦傷的貼面部件。

即使當(dāng)包含硅的涂層受到損傷時(shí)，由于相鄰的塑料材料基底而仍然確保產(chǎn)物的高質(zhì)量。

運(yùn)輸方式也從減輕的重量受益，因?yàn)椴恍枰N面。

結(jié)合本發(fā)明方法的上述實(shí)施方案描述的特征可以相應(yīng)地適用于本發(fā)明的裝置。相反地，結(jié)合本發(fā)明裝置的上述實(shí)施方案描述的特征可以相應(yīng)地適用于本發(fā)明的方法。

結(jié)合本發(fā)明方法的上述實(shí)施方案描述的特征可以單獨(dú)地實(shí)施或與本發(fā)明的實(shí)施方案組合來(lái)實(shí)施。所述特征還可以描述能夠保護(hù)其自身權(quán)利的有利實(shí)施方案。

一個(gè)實(shí)施方案包括硅涂覆用于粒狀硅的常壓?jiǎn)伪诖鎯?chǔ)和緩沖容器的內(nèi)部，其中所述容器由塑料材料制成。

另一個(gè)實(shí)施方案包括提供額定壓力存儲(chǔ)和加工容器，其包含金屬的額定壓力壁和塑料材料內(nèi)涂層(例如由氟塑料材料制成)，具有硅的最終表面涂層。

還包括硅涂覆用于多晶硅塊的運(yùn)輸和存儲(chǔ)容器或運(yùn)輸盒的產(chǎn)物接觸的內(nèi)部表面，其中所述容器或盒由塑料材料(例如聚乙烯)制成。

與具有由硅或玻璃制成的貼面的容器相比，這些容器的重量較輕，具有更大的可用體積，并且制造更簡(jiǎn)單。

另一實(shí)施方案包括硅涂覆非金屬管的內(nèi)表面，例如由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的管。

另一實(shí)施方案包括提供耐壓(pressure-safe)金屬管，其內(nèi)部覆蓋有塑料材料，優(yōu)選聚四氟乙烯(PTFE)，并且具有所述塑料材料上的額外的硅涂層。

另一優(yōu)選實(shí)施方案包括提供耐壓金屬管，其內(nèi)部覆蓋有塑料材料，優(yōu)選乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)，并且具有所述塑料材料上的額外的硅涂層。

同樣可以向塑料材料表面提供硅涂層，所述塑料材料表面由于滑動(dòng)而經(jīng)受應(yīng)力，但是由于產(chǎn)物而經(jīng)受很少的摩擦應(yīng)力。這減少磨損，從而減少塑料材料(主要是碳)對(duì)產(chǎn)物的污染。

同樣可以硅涂覆由塑料材料制成的抗濺貼面，例如在裝填管、抽吸罩和破碎臺(tái)上。

一個(gè)實(shí)施方案包括硅涂覆用于將粒狀硅和塊分級(jí)的篩分機(jī)的篩格和蓋，其中所述格和蓋由塑料材料制成。優(yōu)選使用特別是由耐磨塑料材料制成的篩網(wǎng)，即硬度大于65肖氏A、更優(yōu)選硬度大于80肖氏A的彈性體。在DIN 53505和DIN 7868標(biāo)準(zhǔn)中定義了肖氏硬度。一個(gè)或多個(gè)篩網(wǎng)或其表面可以由這樣的彈性體制成。

同樣可以硅涂覆用于硅塊傳送部分的塑料材料側(cè)蓋，例如在振動(dòng)臺(tái)中。這等同地適用于取樣點(diǎn)(包括其附近的設(shè)備部件(臺(tái)、抽吸罩))和取樣容器。

同樣優(yōu)選的是通過(guò)用硅涂覆來(lái)將彈性聚氨酯貼面材料鈍化。即使當(dāng)部件發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械形變時(shí)(彎曲、拉伸)，噴施的硅涂層的附著也能得到保證。

上文說(shuō)明書(shū)的示例性實(shí)施方案應(yīng)當(dāng)理解為是舉例的。本公開(kāi)使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明以及相關(guān)的優(yōu)勢(shì)，并且涵蓋對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的對(duì)所述結(jié)構(gòu)和方法的改變和修飾。因此，所有這樣的改變和修飾以及等同應(yīng)當(dāng)被所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍所覆蓋。