JP2009190002A - 多結晶シリコンロッドの破砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱した多結晶シリコンロッドの表面が水蒸気膜で覆われた状態となることを防止し、多結晶シリコンロッドを速やかに冷却して確実にクラックを生じさせる。
【解決手段】支持台２に載置した状態で多結晶シリコンロッドＲを加熱した後に水槽５内の冷却水Ｗ中に浸漬して急冷することによりクラックを発生させて破砕する装置であって、支持台２は、水槽５の内と外との間で往復移動可能に支持されるとともに、水槽５内に支持台２ごと浸漬状態とされた多結晶シリコンロッドＲに向けて冷却水を噴出する噴出器２５を有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、多結晶シリコンロッドを塊状に破砕する多結晶シリコンロッドの破砕装置に関する。

半導体用の単結晶シリコンを製造する方法として、いわゆるチョクラルスキー法（ＣＺ法）がある。このチョクラルスキー法は、多結晶シリコンをるつぼ内に入れて溶解し、その溶液から単結晶シリコンを引き上げる方法である。
この多結晶シリコンの製造方法としてシーメンス法があるが、このシーメンス法によって多結晶シリコンを製造する場合、ロッド状に形成されるため、チョクラルスキー法においてこの多結晶シリコンを材料として使用するためには、るつぼ内に装填できる大きさに破砕する必要がある。脆性材料である多結晶シリコンロッドは、ハンマー等で適宜の大きさに破砕されるが、その前処理として、加熱した多結晶シリコンロッドを純水に浸して急冷し、ロッド内部に生じる熱ひずみによってクラックを生じさせる技術が知られている。

例えば、特許文献１においては、多結晶シリコンを加熱する加熱炉を有する多結晶シリコンロッドの破砕装置が記載されている。この破砕装置は、加熱炉内に多結晶シリコンロッドを載せるための支持台を備えており、この支持台に多結晶シリコンロッドを載せた状態で加熱し、加熱後の多結晶シリコンロッドを水槽に投入してクラックを発生させるようにしている。
特開２００５−２８８３３２号公報

しかしながら、この特許文献１に示されるような破砕装置は、加熱された多結晶シリコンロッドを水槽内中に浸漬したときに、この多結晶シリコンロッドの表面付近で水槽中の冷却水が沸騰して、表面を覆うように水蒸気の膜が形成されることがある。この水蒸気膜が多結晶シリコンロッドの表面に形成されると、それが断熱層となって冷却効率が大きく損なわれ、クラックが生じにくくなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、加熱した多結晶シリコンロッドの表面が水蒸気膜で覆われた状態となることを防止し、多結晶シリコンロッドを速やかに冷却して確実にクラックを生じさせることができる多結晶シリコンロッドの破砕装置を提供することを目的とする。

本発明に係る破砕装置は、支持台に載置した状態で多結晶シリコンロッドを加熱した後に水槽内の冷却水中に浸漬して急冷することによりクラックを発生させて破砕する装置であって、前記支持台は、前記水槽の内と外との間で往復移動可能に支持されるとともに、前記水槽内に前記支持台ごと浸漬状態とされた多結晶シリコンロッドに向けて冷却水を噴出する噴出器を有することを特徴とする。

この破砕装置では、水槽内で噴出器から冷却水を噴出することにより、水槽内の冷却水が攪拌された状態となって、多結晶シリコンロッドの表面に水蒸気膜が形成され難いようになっているとともに、この噴出器からの水流が多結晶シリコンロッドに当たることにより、多結晶シリコンロッドの表面に水蒸気膜が発生したとしても、これを水流によって破壊することができ、もって多結晶シリコンロッドの表面に常に新鮮な冷却水を供給して、多結晶シリコンロッドを速やかに冷却することができる。

また、本発明の破砕装置において、前記支持台は、前記多結晶シリコンロッドを複数本載置可能であるとともに、該支持台の厚さ方向に冷却水が挿通可能であり、前記噴出器は、前記水槽内に浸漬状態とされた前記支持台の下方又は側方から多結晶シリコンロッド相互の間に向けて冷却水を噴出するように配置されていることを特徴とする。
このように複数本の多結晶シリコンロッドを載置した状態で水槽に浸漬すると、水蒸気膜が生成され易いが、その部分に噴出器から冷却水が噴出されることから、冷却水を滞留させないようにして、水蒸気膜の発生を防止することができる。

さらに、本発明の破砕装置において、前記噴出器は、前記水槽内に浸漬状態とされた支持台上の多結晶シリコンロッドの長さ方向と平行なパイプを有しており、該パイプの長さ方向に間隔をおいて複数の噴出口が設けられていることを特徴とする。多結晶シリコンロッドの長さ方向の複数個所に冷却水が噴出させられ、水蒸気膜の発生を確実に防止して、効率的に冷却することができる。

この場合、前記噴出器から噴出される冷却水の噴出口付近における噴出速度は、平均流速が７ｍ／秒以上２５ｍ／秒以下であると好ましい。平均流速を７ｍ／秒以上としたのは、７ｍ／秒未満であると、水蒸気膜を破壊するに足るエネルギーが得られないため、冷却効率の改善効果が少ないからであり、平均流速を２５ｍ／秒以下としたのは、２５ｍ／秒を超えると、水蒸気膜の破壊には十分なエネルギーであるが、過大な純水供給能力を求められるため設備コストが増加するからである。

本発明に係る破砕装置によれば、噴出器から噴出する冷却水によって水槽内を攪拌状態とすることができ、多結晶シリコンロッド表面の水蒸気膜の発生を抑制することができるとともに、この噴出器からの水流が多結晶シリコンロッドに当たることにより、多結晶シリコンロッドの表面に水蒸気膜が発生したとしても、これを水流によって破壊することができ、もって多結晶シリコンロッドの表面に新鮮な冷却水を供給し得て、多結晶シリコンロッドの冷却効率を向上させ、多結晶シリコンロッド全体に確実にクラックを発生させて破砕することができる。

以下、本発明に係る多結晶シリコンロッドの破砕装置及び破砕方法の実施形態を図面を参照しながら説明する。
この実施形態の破砕装置１は、多結晶シリコンロッドRを載置状態に支持するための支持台２と、この支持台２を吊下げ状態で移動する移載機（図示略）と、支持台２上に載置した状態の多結晶シリコンロッドＲを加熱するための加熱器４と、支持台２に載置したまま多結晶シリコンロッドＲを冷却水Ｗに浸漬させて冷却するための冷却手段としての水槽５とを備えている。

支持台２は、複数本のパイプ部材１１を相互に間隔をあけて並べて一体化してなり、これらパイプ部材１１の両端に、各パイプ部材１１に連通するヘッダ部材１２が配設され、これらヘッダ部材１２が移載機から吊下げ部材１３を介して吊下げられた構成とされている。

パイプ部材１１は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）を材料として多結晶シリコンロッドRよりも長尺状に設けられ、その内側には給排管１５を経由して外部から送られる冷却水が流れている。この給排管１５にパイプ部材１１を接続するためのヘッダ部材１２は、各パイプ部材１１の両端を一括して保持するように設けられており、各ヘッダ部材１２の外側に設けた吊下げ部材１３によって移載機から支持されている。そして、その移載機によって支持台２を加熱器４と水槽５との間で往復移動させることができるようになっている。

この場合、多結晶シリコンロッドRは、２本のパイプ部材１１に対して１本が載置され、本実施形態においては、パイプ部材１１が４本並べられていることにより、これら４本のパイプ部材１１の上に２本の多結晶シリコンロッドRと、この２本の多結晶シリコンロッドRの上に更に１本の多結晶シリコンロッドRを載置して、合わせて３本の多結晶シリコンロッドRを一度に載置した状態とすることができるようになっている。ただし、この実施形態の構造に限るものではなく、パイプ部材１１は、４本以外に設定することで一度に取り扱う多結晶シリコンロッドRの本数を変えてもよい。なお、これらパイプ部材１１の表面には、チタン（Ｔｉ）等のシリコンに対する低熱拡散材料が被覆される。

一方、加熱器４は、パイプ部材１１よりも長尺状の２つの半円筒部材２１ａ，２１ｂがヒンジ部を介して開閉自在に繋げられ、横向き姿勢で装置本体（図示略）に支持されており、これら半円筒部材２１a，２１ｂの内周面には適宜数のヒータ２２が設けられている。そして、これら半円筒部材２１ａ，２１ｂを閉じ合わせて円筒状とし、その内部空間に支持台２を配置することにより、該支持台２の周囲を囲った状態とすることができるようになっている。この場合、下側の半円筒部材２１ａは装置本体に上方を開放した状態で固定され、図示略の駆動手段によって上側の半円筒部材２１ｂを開閉する構成である。そして、支持台１２は、上側の半円筒部材２１ｂを開いて下側の半円筒部材２１ａの上方が開放状態とされているときに、移載機によって、図１に示すように下側の半円筒部材２１ａの上に配置された位置と、その前側下方に配置された水槽５に浸漬した位置との間で往復移動させられるようになっている。

水槽５は、加熱した多結晶シリコンロッドRを急冷するための冷却手段として設けられ、冷却水Ｗとして純水が満たされており、支持台２に載置された状態の多結晶シリコンロッドＲを支持台１２ごと水没させ得る大きさに形成されている。そして、この水槽５の底部に、冷却水を噴出する噴出器２５が設けられている。

この噴出器２５は、図３及び図４に示すように、パイプ２６の途中に、その長さ方向に間隔をおいて複数の噴出口２７を形成してなるもので、水槽５の底部のほぼ中央位置に底面に沿って配置され、矢印で示すように、上方に向けて冷却水を噴出するように噴出口２７を上向きに配置した状態としている。この場合、このパイプ２６は、図４に示すように、多結晶シリコンロッドＲを載置した支持台２を移載機によって水槽５内に浸漬したときに、該支持台２に載置されている３本の多結晶シリコンロッドＲのうちの下の段の２本の多結晶シリコンロッドＲの間に向けて冷却水を噴出させるように配置されている。また、パイプ２６には給水管２８が接続され、水槽５の外部から冷却水が供給されるようになっている。尚、パイプ２６は、支持台２の動作に干渉しない範囲でパイプ部材１１との距離が最小になるような位置に設置されることが望ましい。

次に、このように構成した破砕装置１によって多結晶シリコンロッドRを破砕する方法について説明する。
多結晶シリコンロッドRは、予め純水により洗浄しておく。そして、加熱器４の半円筒部材２１ａ，２１ｂを開いた状態とするとともに、その下側の半円筒部材２１ａに支持台１２を配置し、その支持台１２のパイプ部材１１に対して前述のように３本の多結晶シリコンロッドＲを載置して、図２に示す状態とする。

そして、この支持台２のパイプ部材１１の上に載置した状態で多結晶シリコンロッドRの上方から半円筒部材２１ｂを被せて両半円筒部材２１ａ，２１ｂを円筒状に閉じ合わせることにより、多結晶シリコンロッドＲをこれら半円筒部材２１ａ，２１ｂにより囲った状態とし、ヒータ２２により多結晶シリコンロッドRを表面温度が例えば６００〜８００℃となるように加熱する。このとき、パイプ部材１１の内側には冷却水を流しておく。

そして、この多結晶シリコンロッドRの加熱後には、移載機を駆動して図２の矢印で示すように支持台２を移動し、該支持台２ごと多結晶シリコンロッドRを水槽５の冷却水Ｗ中に浸漬させて急冷する。この急冷時の熱衝撃によって多結晶シリコンロッドRに熱ひずみが生じ、クラックが発生して、その一部は破砕する。

このとき、水槽５内では、噴出器２５から冷却水を噴出させておく。この噴出器２５によって冷却水が水槽５の底部から上方に向けて噴出されることにより、水槽５内が攪拌された状態となる。そして、移載機によって支持台２を水槽５中に浸漬すると、図３及び図４に示すように噴出器２５のパイプ２６の真上に支持台２が配置され、前述したように、支持台２の上に載置されている３本の多結晶シリコンロッドＲのうちの下段の２本の多結晶シリコンロッドＲの間に向けて噴出器２５から冷却水が噴出させられることになる。この３本積みの下段の２本の多結晶シリコンロッドＲの間は最も冷却水Ｗが滞留させられ易い部分であり、その部分に向けて冷却水が噴出させられることにより、その部分の冷却水Ｗが滞留することなく、噴出器２５から常に新鮮な冷却水Ｗが供給される。また、水槽５内の全体が攪拌されることと相まって水蒸気膜Ｖの発生が防止される。

図４は、理解を容易にするため、多結晶シリコンロッドＲの表面を水蒸気膜Ｖで覆った状態を二点鎖線で示しており、この水蒸気膜Ｖは冷却水Ｗが滞留していると生じ易いが、この実施形態の場合は噴出器２５からの水流によって冷却水Ｗの滞留が防止されるので、水蒸気膜Ｖの発生は防止される。また、わずかに水蒸気膜Ｖが生じたとしても、下方から噴出される冷却水の水流によって水蒸気膜Ｖが破壊され、多結晶シリコンロッドＲの外周面が水蒸気膜Ｖによって覆われてしまう現象を防止することができる。

したがって、高温に加熱された多結晶シリコンロッドＲの全体を速やかに冷却することができ、クラックを多結晶シリコンロッドR全体に生じさせることができる。そして、多結晶シリコンロッドRにクラックを生じさせた後には、図示しないプレス機やハンマー等の破砕機により機械的に衝撃を加えて破砕する。これにより、多結晶シリコンロッドRを適当な大きさの塊状に破砕することができる。

このように、この破砕装置１では、水槽５内で噴出器２５によって冷却水が噴出させられることにより、水槽５内の冷却水Ｗを攪拌するとともに、多結晶シリコンロッドＲを水槽５に浸漬した際に、支持台２上に複数本載置された多結晶シリコンロッドＲの間に向けて冷却水を噴出するようにしているから、その部分への冷却水Ｗの滞留を防止して、多結晶シリコンロッドＲの表面が水蒸気膜Ｖによって覆われた現象となることを防止し、これを速やかに冷却して効率的にクラックを生じさせることができるものである。

このような水蒸気膜Ｖの破壊を有効に行わせるためには、噴出器２５の各噴出口２７から噴出される冷却水の噴出口付近の噴出速度は、平均流速が７ｍ／秒以上２５ｍ／秒以下であると好ましい。平均流速が７ｍ／秒未満であると、水蒸気膜を破壊するに足るエネルギーが得られないため、冷却効率の改善効果が少ないからであり、２５ｍ／秒を超えると、水蒸気膜の破壊には十分なエネルギーであるが、過大な純水供給能力を求められるため設備コストが増加するからである。

図５は多結晶シリコンロッドの破砕装置の他の実施形態を示したものであり、この実施形態の破砕装置３１では、噴出器３２のパイプ３３が水槽３４の内側面に沿って配置され、その噴出口３５が水槽３４内に浸漬状態とされた支持台２の側方から冷却水を噴出するように配置されている。この場合も、支持台２の上に載置されている３本の多結晶シリコンロッドＲのうちの下段の２本の多結晶シリコンロッドＲに向けて冷却水が噴出させられるようになっている。また、水槽３４には、噴出口３５とは反対位置の側壁３６からオーバーフローさせるように排水口３７が設けられている。したがって、噴出器３５から噴出された冷却水は多結晶シリコンロッドＲに衝突して排水口３７に向かう一方向の流れとなって、滞留が抑制される構成である。その他の構成は一実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。

なお、本実施形態においては、水槽内に１本のパイプからなる噴出器を配置したが、その個数を増やしてもよく、その場合に、主として水槽内の冷却水の攪拌のための噴出器と、多結晶シリコンロッドの間に向けて冷却水を噴出する噴出器とを別個に配置してもよい。
また、前述の実施形態においては、支持台の上に３本の多結晶シリコンロッドＲを載置するようにしたが、この多結晶シリコンロッドＲは、３本に限らず適宜数を載置することができる。この多結晶シリコンロッドＲの本数をより多くした場合には、近接した多結晶シリコンロッドの各間隙に向けて冷却水を噴出できるように噴出器を増やすとよい。
また、支持台は４本のパイプによって構成したが、水槽内に浸漬されたときに下方から噴出される冷却水を挿通させることができるものであれば、例えばメッシュ状のものでもよい。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係る多結晶シリコンロッドの破砕装置の一実施形態を示した斜視図である。 図１の破砕装置における支持台に多結晶シリコンロッドを載置した状態を示した斜視図である。 図１の破砕装置における支持台を水槽内に浸漬した状態を示す縦断面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う矢視拡大断面図である。 本発明に係る多結晶シリコンロッドの破砕装置の他の実施形態における水槽内の状態を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 破砕装置
２ 支持台
４ 加熱器
５ 水槽
１１ パイプ部材
１２ ヘッダ部材
１３ 吊下げ部材
２５ 噴出器
２６ パイプ
２７ 噴出口
２８ 給水管
３１ 破砕装置
３２ 噴出器
３３ パイプ
３４ 水槽
３５ 噴出口
３６ 側壁
３７ 排水口
Ｒ 多結晶シリコンロッド
Ｗ 冷却水
Ｖ 水蒸気膜

Claims (4)

1. 支持台に載置した状態で多結晶シリコンロッドを加熱した後に水槽内の冷却水中に浸漬して急冷することによりクラックを発生させて破砕する装置であって、前記支持台は、前記水槽の内と外との間で往復移動可能に支持されるとともに、前記水槽内に前記支持台ごと浸漬状態とされた多結晶シリコンロッドに向けて冷却水を噴出する噴出器を有することを特徴とする多結晶シリコンロッドの破砕装置。
2. 前記支持台は、前記多結晶シリコンロッドを複数本載置可能であるとともに、該支持台の厚さ方向に冷却水が挿通可能であり、前記噴出器は、前記水槽内に浸漬状態とされた前記支持台の下方又は側方から多結晶シリコンロッド相互の間に向けて冷却水を噴出するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多結晶シリコンロッドの破砕装置。
3. 前記噴出器は、前記水槽内に浸漬状態とされた支持台上の多結晶シリコンロッドの長さ方向と平行なパイプを有しており、該パイプの長さ方向に間隔をおいて複数の噴出口が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の多結晶シリコンロッドの破砕装置。
4. 前記噴出器から噴出される冷却水の噴出口付近における噴出速度は、平均流速が７ｍ／秒以上２５ｍ／秒以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の多結晶シリコンロッドの破砕装置。

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