JP2012091137A

JP2012091137A - 多結晶シリコンの破砕装置及び多結晶シリコン破砕物の製造方法

Info

Publication number: JP2012091137A
Application number: JP2010242062A
Authority: JP
Inventors: Tatsusuke Tada; 竜佐多田; Motoki Sato; 基樹佐藤
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-05-17
Also published as: DE102011084940A1; CN102463167A; US8517297B2; US20120119004A1

Abstract

【課題】多結晶シリコンを所望の大きさの塊に破砕するとともに、破砕歯及びロール外表面からの多結晶シリコン塊への不純物のコンタミを防止し、高品質の多結晶シリコンを得ることができる多結晶シリコンの破砕装置を提供する。
【解決手段】平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール３間に塊状の多結晶シリコンを挟み込んで破砕する多結晶シリコンの破砕装置であって、ロール３の外周面上に超硬合金又はシリコン材によって形成された複数の破砕歯５が半径方向外方に突出して設けられており、ロール３に破砕歯５を挿通させた状態で巻き付けられて、ロール３の外周面を覆う樹脂カバー４５が設けられている。
【選択図】図７

Description

本発明は、半導体用シリコン等の原料である多結晶シリコンを塊状に破砕する装置及びその破砕装置を用いた多結晶シリコン破砕物の製造方法に関する。

半導体チップに使用されるシリコンウエハは、例えばチョクラルスキー（ＣＺ）法により製造された単結晶シリコンから作製される。そして、このＣＺ法による単結晶シリコンの製造には、例えば、シーメンス法によって棒状に形成された多結晶シリコンを塊状に破砕したものが用いられる。
この多結晶シリコンの破砕は、図８に示すように、多結晶シリコンのロッドＲを数ｍｍ〜数ｃｍの大きさの塊Ｃにするものであり、ロッドＲを熱衝撃等によって適宜の大きさに砕いた後に、ハンマーで直接叩き割る方法が一般的であるが、作業者の負担が大きく、棒状の多結晶シリコンから所望の大きさの塊を得るには非効率である。

特許文献１には、棒状の多結晶シリコンをロールクラッシャーで破砕して塊状のシリコンを得る方法が開示されている。このロールクラッシャーは、一つのロールをハウジング内に収容したシングルロールクラッシャーであり、そのロール表面には複数の歯が形成され、これら歯とハウジングの内壁面との隙間に多結晶シリコンを挟むことによって連続的に衝撃を与えて棒状の多結晶シリコンを破砕する。

一方、特許文献２及び特許文献３には、粗く破砕された塊状の多結晶シリコンを破砕する破砕装置が提案されている。これらの装置は、二つのロールを備え、各ロールの隙間に塊状の多結晶シリコンを挟んで破砕するダブルロールクラッシャーである。

特開２００６−１２２９０２号公報特表２００９−５３１１７２号公報特開２００６−１９２４２３号公報

このような破砕装置により多結晶シリコンを効率的に破砕することができる。しかしながら、多結晶シリコンは硬いため、破砕歯及びロール外表面に欠けや摩耗が生じる場合があり、これらの不純物が破砕した多結晶シリコン塊へ混入することで、コンタミネーション汚染の原因となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、多結晶シリコンを所望の大きさの塊に破砕するとともに、破砕歯及びロール外表面からの多結晶シリコン塊への不純物のコンタミを防止し、高品質の多結晶シリコンを得ることができる多結晶シリコンの破砕装置及びその破砕装置を用いた多結晶シリコン破砕物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の多結晶シリコンの破砕装置は、平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール間に塊状の多結晶シリコンを挟み込んで破砕する多結晶シリコンの破砕装置であって、前記ロールの外周面上に超硬合金又はシリコン材によって形成された複数の破砕歯が半径方向外方に突出して設けられており、前記ロールに前記破砕歯を挿通させた状態で巻き付けられて、前記ロールの外周面を覆う樹脂カバーが設けられていることを特徴とする。

破砕歯を超硬合金又はシリコン材で形成することにより、この破砕歯から多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。また、ロールの外周面（外表面）を覆う樹脂カバーを設けることにより、ロールの外周面上に多結晶シリコン塊が接触した場合でも、ロールの外周面が摩耗することがなく、不純物の発生が防止される。したがって、破砕される多結晶シリコン塊への不純物のコンタミが防止され、高品質の多結晶シリコンを得ることができる。
さらに、樹脂カバーに摩耗などが生じた場合には取り換えることで、破砕装置を長期にわたり良好に使用することができる。

また、本発明の多結晶シリコンの破砕装置において、一対の前記ロールの両端部に、両ロールの間に架け渡されるように前記ロールの軸線と直交して配置される一対の仕切り板が一定の間隔をおいて設けられており、前記仕切り板は、少なくとも表面が樹脂により形成されているとよい。
この場合、一対のロールと一対の仕切り板とで区画された限られた空間で多結晶シリコンが破砕されることにより、多結晶シリコンが他の部分へ接触することが防止されるので、多結晶シリコン塊への不純物のコンタミを確実に防止することができる。

さらに、本発明の多結晶シリコンの破砕装置において、前記破砕歯は、その先端面が球面状に形成されるとともに、側面が円柱面状に形成されているとよい。
破砕歯の先端面が球面状に形成されていることから、破砕歯の先端と多結晶シリコンとは点接触状態となり、また、その破砕歯の側面も円錐面状又は円柱面状に形成されているので、破砕歯の側面が多結晶シリコンに接触する際には線接触状態となる。したがって、破砕歯と多結晶シリコンとは点接触又は線接触状態となるから、多結晶シリコンが破砕歯により押しつぶされて微細粉が生じることが防止され、ロス率を低減することができる。

本発明の多結晶シリコン破砕物の製造方法は、前記破砕装置のいずれかを用いて多結晶シリコンの破砕物を製造することを特徴とする。

本発明によれば、ロールの回転によって多結晶シリコンを連続的に効率良く破砕することができ、また、破砕歯及びロール外表面からの多結晶シリコン塊への不純物のコンタミを防止して高品質の多結晶シリコンを得ることができる。

本発明に係る多結晶シリコンの破砕装置の一実施形態を示す一部を透視した斜視図である。図１の破砕装置におけるロール表面の斜視図である。図１の破砕装置に取り付けられている破砕歯ユニットを背面から見た斜視図である。複数個並んだ状態の破砕歯ユニットの斜視図である。破砕歯の斜視図である。ロールの対向部における位置関係を説明する正面図である。破砕歯ユニットに樹脂カバーを被せた状態を示す要部の斜視図である。多結晶シリコンのロッドを破砕して塊状としたものを示す模式図である。

以下、本発明に係る多結晶シリコンの破砕装置及びその破砕装置を用いた多結晶シリコン破砕物の製造方法の実施形態を図面を参照しながら説明する。
第１実施形態の破砕装置１は、図１に示すように、ハウジング２内に二つのロール３がその回転軸線４を水平方向に向けて平行に配置されており、両ロール３の外周面に高さの異なる複数の破砕歯５が半径方向外方に向けて突設されている。この場合、各ロール３の外周面は、図２に示すように、均一な円弧面ではなく、軸方向に沿う長尺な平坦面６を周方向に連結して構成された多面体状に形成されており、各平坦面６の両端部にねじ穴７が設けられ、これら平坦面６に、破砕歯ユニット８が一つずつ固定されている。

破砕歯ユニット８は、図３及び図４に示すように、ロール３の平坦面６に当接する短冊状の固定カバー１１と、この固定カバー１１に取り付けられる複数個の破砕歯５とから構成されている。
破砕歯５は、超硬合金又はシリコン材により、図５に示すように、柱状部１３とその基端部で拡径する若干の厚さのつば部１４とが一体に形成された形状とされている。柱状部１３は、その先端面１５が球面状に形成されるとともに、側面１６が円柱面状に形成されている。つば部１４は、円形板の両側部を柱状部１３の長手方向と平行に切除した形状とされ、その切除した部分により、平面部１７が１８０°反対向きに形成されている。

また、固定カバー１１は、ロール３の平坦面６と同じ幅、長さの短冊状に形成され、その長手方向に相互間隔をおいて破砕歯固定孔２１が貫通状態に形成され、両端部にねじ挿通孔２２が形成されている。これら破砕歯固定孔２１は、図３に示すように、固定カバー１１の厚さの半分までが破砕歯５の柱状部１３の側面１６に対応した断面円形の嵌合孔２３とされ、残りの半分が破砕歯５のつば部１４に対応して平面部２４を有する拡径部２５とされている。そして、破砕歯５は、固定カバー１１の嵌合孔２３に柱状部１３を嵌合した状態でつば部１４が拡径部２５に嵌合し、固定カバー１１の平面部２４とつば部１４の平面部１７とが当接することにより、固定カバー１１に回り止めされた状態に保持される。

この場合、この固定カバー１１は拡径部２５をロール３表面に向け、嵌合孔２３から破砕歯５の柱状部１３を突出させた状態として、ロール３の各平坦面６に重ねられ、その両端部がねじ２６によりロール表面に固定される。
また、各破砕歯ユニット８は、隣接する破砕歯ユニット８の破砕歯５がロール３の周方向に連続して並ばないように、図４及び図６に示すように、破砕歯５が千鳥状に配列した状態に取り付けられる。
一方、両ロール３の間では、図６に示すように、その対向部（両ロールの破砕歯５どうしが最も近接する位置）において両ロール３の破砕歯５の先端面１５どうしが対向するように配置される。
なお、この図６においては、千鳥状に配列されている破砕歯５のうち、同一円周上に配置される一列の破砕歯５を実線で示し、他の列の破砕歯５を二点鎖線で示している。

そして、この実施形態では、破砕後の多結晶シリコンの塊（多結晶シリコン破砕物）の大きさとして、最大辺の長さが５〜６０ｍｍのものを得るようにしており、その大きさの塊を得るために、各破砕歯５は、柱状部１３の直径Ｄが１０〜１４ｍｍ、図６に示す固定カバー１１の表面から破砕歯５の先端までの突出高さＨが２０〜３０ｍｍとされるとともに、隣接する破砕歯５どうしの間隔Ｌが１１〜３５ｍｍとされている。また、両ロール３の対向部において、破砕歯５の先端面１５どうしの対向距離Ｇが５〜３０ｍｍに設定される。

そして、ロール３の外周面を形成するようにして複数並べられた固定カバー１１の表面には、図７に示すように、破砕歯５及びねじ２６を挿通する多数の孔４３，４４を形成したポリプロピレン等からなる樹脂カバー４５が、固定カバー１１の上からロール３の外周面を覆うように設けられている。樹脂カバー４５は、ロール３の外周面を一周分覆い得るシート状に形成されており、孔４３に破砕歯５の柱上部１３を挿通させた状態で巻き付けられ、固定カバー１１とともにねじ２６によってロール３の表面に固定される。

また、両ロール３を収容したハウジング２は、コンタミ防止のため、ポリプロピレン等の樹脂製とされ、あるいは金属製のハウジングの内面にテトラフルオロエチレンのコーティングをしたものが用いられる。
ハウジング２内には、両ロール３の両端部にロール３の軸線４と直交して配置される一対の仕切り板３１がハウジング２の内壁面との間に一定の間隔をおいて平行に設けられている。これら仕切り板３１は、ハウジング２に固定されており、両ロール３の半分以上を係合するように、ロール３の直径よりも若干大きい径の円弧状にくり抜いた２個の切欠３２が形成され、これら切欠３２内に各ロール３の両端部を係合した状態で、両ロール３の間に架け渡されるように配置されている。この仕切り板３１をロール３に係合した状態では、仕切り板３１の切欠３２の内周面とロール３の外周面との間には、ロール３の回転を阻害しない程度に若干の隙間が形成され、また、ロール３の両端部に設けられている破砕歯ユニット８固定用のねじ２６が仕切り板３１の外側方に配置され、両仕切り板３１がロール３の対向部からその上下の空間を挟んだ状態としている。そして、これら仕切り板３１に挟まれた空間が多結晶シリコン破砕空間３３とされ、ハウジング２の上面には、その破砕空間３３の真上に配置されるように投入口３４が設けられる。これら仕切り板３１も、ハウジング２と同様にポリプロピレン等の樹脂製、あるいは金属製のものにテトラフルオロエチレンのコーティングをしたものが用いられる。
なお、このハウジング２には、両ロール３を回転駆動するギヤボックス（図示略）等が備えられ、ギヤボックスには排気装置（図示略）が接続されて、ハウジング２及びギヤボックスの内部空間が排気されるようになっている。

このように構成した破砕装置１を用いて多結晶シリコン破砕物を製造する場合、両ロール３を回転させた状態で、ハウジング２の投入口３４から両仕切り板３１の間の多結晶シリコン破砕空間３３に予め粗く破砕した適宜の大きさの多結晶シリコンを投入すると、両ロール３の破砕歯５の間で多結晶シリコンがさらに破砕されて塊状に細分化される。
このとき、各破砕歯５は、その先端面１５が球面状に形成されているので、この先端面１５と多結晶シリコンとは点接触となり、また、柱状部１３の側面１６が円柱面状に形成されているので、この側面１６と多結晶シリコンとは点接触又は線接触となる。このため、多結晶シリコンに対して破砕歯５は点接触又は線接触状態で衝撃を付加するので、多結晶シリコンを面で押しつぶすようなことはない。

両ロール３の両端部上に配置されている仕切り板３１は、その間で破砕される多結晶シリコンの塊がハウジング２の内壁面とロール３の端面との間に侵入してつぶされることを防止しており、多結晶シリコンの塊を確実に両ロール３の間で破砕して下方に通過させることができる。
したがって、この破砕装置１では多結晶シリコンを所望の大きさの塊に破砕することができ、微細粉の発生を防止して、ロス率を低減することができる。

また、この破砕装置１においては、破砕歯５を超硬合金又はシリコン材によって形成しているので、この破砕歯５から多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。
さらに、ロール３の外周面（外表面）は、樹脂カバー４５により覆われているため、ロール３の外周面上に多結晶シリコン塊が接触した場合でも、ロール３の外周面が摩耗することがなく、不純物の発生が防止される。また、樹脂カバー４５によって破砕歯ユニット８の固定カバー１１どうしの間に形成される若干の隙間ｇ（図７参照）も覆うことができ、破砕粉等が隙間ｇに付着することが防止される。なお、樹脂カバー４５に摩耗等が生じた場合にも、この樹脂カバー４５は容易に取り換え可能であるので、破砕装置を長期にわたり良好に使用することができる。

一方、破砕歯ユニット８を固定するねじ２６は一般には金属製のものが用いられるが、このねじ２６は仕切り板３１により多結晶シリコン破砕空間３３の外方に配置されているため、多結晶シリコンに接触することがなく、多結晶シリコン破砕空間３３を囲む仕切り板３１、ハウジング２がポリプロピレン等の樹脂製とされ、あるいはテトラフルオロエチレンのコーティングがなされているので、破砕途中の多結晶シリコンに不純物が混入することが防止される。
したがって、この破砕装置１によれば、多結晶シリコン塊への不純物のコンタミが防止され、半導体原料用の多結晶シリコンとして高品質のものを得ることができる。

さらに、本実施形態においては、個々の破砕歯５を固定カバー１１により保持して破砕歯ユニット８を構成し、この破砕歯ユニット８をロール３の表面に固定しているので、一部の破砕歯５に欠損等が生じたとしても、その欠損が生じた破砕歯５のみを交換すればよく、その場合、破砕歯ユニット８はねじ止めによりロール３に固定されているとともに、破砕歯５は固定カバー１１の破砕歯固定孔２１に嵌合されているだけであり、その交換作業も容易である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
例えば、上記実施形態では破砕歯の柱状部の側面を円柱面状に形成したが、円錐面状に形成してもよく、また、先端部分を球面の先端面に連続する円錐面状にし、基端部分を円柱面状にした組み合わせの形状としてもよい。
また、一実施形態で説明した破砕歯の対向間隔等の諸寸法は、必ずしもこれに限定されるものではない。

１破砕装置
２ハウジング
３ロール
４回転軸線
５破砕歯
６平坦面
７ねじ穴
８破砕歯ユニット
１１固定カバー
１３柱状部
１４つば部
１５先端面
１６側面
１７平面部
２１破砕歯固定孔
２２ねじ挿通孔
２３嵌合孔
２４平面部
２５拡径部
２６ねじ
３１仕切り板
３２切欠
３３多結晶シリコン破砕空間
３４投入口
４３，４４孔
４５樹脂カバー

Claims

平行な軸線周りに互いに逆回転する一対のロール間に塊状の多結晶シリコンを挟み込んで破砕する多結晶シリコンの破砕装置であって、前記ロールの外周面上に超硬合金又はシリコン材によって形成された複数の破砕歯が半径方向外方に突出して設けられており、前記ロールに前記破砕歯を挿通させた状態で巻き付けられて、前記ロールの外周面を覆う樹脂カバーが設けられていることを特徴とする多結晶シリコンの破砕装置。
一対の前記ロールの両端部に、両ロールの間に架け渡されるように前記ロールの軸線と直交して配置される一対の仕切り板が一定の間隔をおいて設けられており、前記仕切り板は、少なくとも表面が樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコンの破砕装置。
前記破砕歯は、その先端面が球面状に形成されるとともに、側面が円柱面状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多結晶シリコンの破砕装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の多結晶シリコンの破砕装置を用いて多結晶シリコンの破砕物を製造することを特徴とする多結晶シリコン破砕物の製造方法。