JP2014031311A - 多結晶シリコンロッドを粉砕する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロッドの形態で生じる多結晶シリコンを粉砕する際の、シリコンの汚染、使用される装置部品の寿命の問題を解決する。
【解決手段】支持台、少なくとも１つの可動性粉砕工具および、少なくとも１つの不動性アンビルを含む粉砕装置であって、少なくとも１つの粉砕工具が、支持台の表面に平行または実質的に平行に向いている長手軸を有し、支持台の表面にある粉砕すべきシリコンロッドが、粉砕工具とアンビルの間で、粉砕工具およびアンビルがシリコンロッドの領域においてそれぞれシリコンロッドと接触し、シリコンロッドとアンビルの接触点、ならびにロッド中心を通るシリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行でロッド中心からロッド直径の３０％まで離れているシリコンロッドの軸が、それぞれ粉砕工具の長手軸または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸上にあるように調整可能である装置。
【選択図】なし

Description

本発明は、多結晶シリコンを粉砕する装置および方法に関する。

多結晶シリコンは、いわゆるシーメンス反応器中で例えばトリクロロシランなどのケイ素化合物の熱分解により採取され、多結晶ロッドの形態で生じる。

るつぼ引き上げにより単結晶を生成するには、多結晶ロッドはまず第一に断片へと粉砕されなければならない。ソーラー産業での用途においても、成長した多結晶ロッドは、まず第一に断片へと粉砕されなければならない。

従来技術において、シリコンロッドを粉砕する種々の方法が知られている。

米国特許第５，６６０，３３５Ａ号は、高圧水ジェットが結晶ロッドに発射される粉砕方法を開示している。

米国特許第６，３６０，７５５Ｂ１号において、結晶ロッドが、電気エネルギーにより生じる衝撃波により粉砕される方法が記載されている。

米国特許第４，８７１，１１７Ａ号において、まず第一に結晶ロッドを熱作用により解圧縮し（decompact）、次いで機械力作用によりそれを粉砕することが提案されている。

米国公開特許第２０１０／０２５０６０Ａｌ号は、破砕工具であって、ケースに備え付けられた空気式ピストンを空気圧により収縮位置から発射位置に導くための空気式ピストンの駆動手段、ケースに接続されたピストンの運動方向に延びるガイドチューブ、およびハンマーヘッド、を含む破砕工具を記載している。

ハンマーヘッドの後端部は、ガイドチューブの前端部に可動的に挿入されている。ピストンが収縮位置から出て発射位置へと動くとき、ピストンの前端部はハンマーヘッドの後端部と衝突する。

米国特許第７，３６０，７２７Ｂ２号は、支持台、ならびに粉砕工具および接合工具を含む多結晶シリコンロッドを粉砕する機械的破砕装置であって、粉砕工具および接合工具が、支持台の長手軸に対して直角に向いており、支持台の表面に平行である長手軸を有する装置であり、シリコンロッドの領域にある全ての工具がシリコンロッドと接触し、シリコンロッドの前後にある粉砕工具がその長手軸の方向に接合工具への安全距離まで移動でき、粉砕工具が、その長手軸の方向の打撃動作によりシリコンロッドに作用し、それを粉々にするように、支持台の表面にある粉砕すべきシリコンロッドが、工具の間で調整可能であるように、粉砕工具および接合工具が可動である、破砕装置を開示している。

同様に、米国特許第７，３６０，７２７Ｂ２号は、多結晶シリコンロッドを機械的に粉砕する方法であって、多結晶シリコンロッドが高さ調節可能な支持台上に置かれ、そこで、シリコンロッドの領域の全工具がシリコンロッドに接触し、シリコンロッドの前後の粉砕工具および接合工具が安全距離まで共に近づけられ、その後、シリコンロッドを圧迫している全粉砕工具に関して反復する打撃運動量（ｍｏｍｅｎｔｕｍ）が始まり、その打撃運動量がシリコンロッドの粉砕を実施するように、粉砕工具および接合工具の間で調整される方法を開示している。

米国公開特許第２０１１／０６８２０６Ａｌ号は、シリコンの塊を効率よく粉砕する破砕機であって、少量の微粉砕材料（粉体）が形成される破砕機を記載している。破砕機はピストンに接続したハンマーヘッドを含み、前記ハンマーヘッドは停止位置において圧縮空気なしに配置され、圧縮空気の利用により停止位置から動いてシリコンの塊に衝突する。破砕機において、それぞれハンマーヘッドを有する互いに間隔のあいた多数の破砕工具が、支持台上に存在するシリコンの塊に面する。

従来技術において公知である方法によっては、最適な破砕結果が達成できないことが示された。シリコンを粉砕にするのに必要なエネルギーが多すぎるか、または反復する打撃の回数が多過ぎる。このことは、シリコンの汚染にも悪影響を有する。さらに、使用される部品の寿命も満足できるものでない。

本発明の目的は、上記の問題に基づいて定められた。

この目的は、支持台、ならびに少なくとも１つの可動性粉砕工具および少なくとも１つの不動性アンビルを含む多結晶シリコンロッドを粉砕する装置であって、少なくとも１つの粉砕工具が、支持台の表面に平行または実質的に平行に向いている長手軸を有し、支持台の表面にある粉砕すべきシリコンロッドが、粉砕工具とアンビルの間で、粉砕工具およびアンビルがシリコンロッドの領域においてそれぞれシリコンロッドと接触し、シリコンロッドとアンビルの接触点、ならびにロッド中心を通るシリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行でロッド中心からロッド直径の３０％まで離れているシリコンロッドの軸が、それぞれ粉砕工具の長手軸または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸上にあるようにそれぞれ調整可能である装置により達成される。

本発明の目的は、多結晶シリコンロッドを粉砕する方法であって、多結晶シリコンロッドを支持台上に配置し、少なくとも１つの可動性粉砕工具と少なくとも１つの不動性アンビルとの間で、粉砕工具およびアンビルが、シリコンロッドの領域中でそれぞれシリコンロッドと接触し、シリコンロッドとアンビルの接触点、ならびにロッド中心を通るシリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行でロッド中心からロッド直径の３０％まで離れているシリコンロッドの軸が、それぞれ粉砕工具の長手軸または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸上にあるように調整し、次いで、打撃運動量を始め、打撃運動量が始まるときに工具とシリコンロッドは触れておらず、その後、粉砕工具がシリコンロッドの粉砕を実施する方法によっても達成される。

シリコンロッドは、好ましくは、長手軸および横軸を含み、実質的に円形の断面の大まかに回転対称の本体により構成される。

好ましくは、粉砕工具の長手軸、または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸、ロッド中心を通る横軸、またはそれに平行でそこからロッド直径の３０％まで離れている軸、およびアンビルとの接触点は、１つの軸を形成する。

好ましくは、複数の粉砕工具と同じ数のアンビルが使用される。

それぞれ粉砕工具の長手軸、または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸の上に、ロッド中心を通るシリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行でロッド中心からロッド直径の３０％まで離れているシリコンロッドの軸、ならびにシリコンロッドとアンビルとの接触点がある。換言すれば、アンビルと粉砕工具は両方とも、互いに独立に、ロッド中心を通るシリコンロッドの横軸から両方向に３０％までそれぞれずれていてよい。

好ましくは、粉砕工具の長手軸上にあるか、または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸上にあるシリコンロッドの横軸は、ロッド中心を通るロッドの横軸から、ロッド直径の１０％まで離れている。

好ましくは、粉砕工具の長手軸上にあるか、または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の１０％まで離れている軸上にあるシリコンロッドの横軸は、ロッド中心を通るロッドの横軸から、ロッド直径の３０％まで離れている。

好ましくは、粉砕工具の長手軸上にあるか、または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の１０％まで離れている軸上にあるシリコンロッドの横軸は、ロッド中心を通るロッドの横軸から、ロッド直径の１０％まで離れている。

理想的には、ロッド中心を通るシリコンロッドの横軸、および粉砕工具の長手軸、ならびにアンビルとシリコンロッドの接触点は共通の軸上にあり、換言すれば、アンビルとシリコンロッドの接触点、ならびにシリコンロッドのロッド中心は粉砕工具の長手軸上にある。

シリコンロッドのロッド中心は、円柱状のロッドの幾何学的な軸（重力の断面中心を集めた中立軸)上にある点であると理解されたい。

接触点は、アンビルとシリコンロッドの間の触れる点であると理解されたい。

粉砕工具は可動性の構成であり、好ましくは、シリコンロッドの直径の差を相殺するために、打撃方向に平行な方向と支持台の面に垂直な方向の２方向に動くことができる。好ましくは、複数の粉砕工具を含む破砕ユニット全体が、可動性の構成である。或いは、打撃方向に平行な方向と支持台の面に垂直な方向に粉砕工具が動くために、支持台自体を、同様に可動性であるように設計することもできる。

粉砕工具は、好ましくは、支持台に平行であるか、または３０°までの角度に向いている。粉砕工具の１０°の傾きが特に好ましいが、理想的な場合において粉砕工具および支持台は平行に配置されている。

各粉砕工具には、対向して位置するアンビルが備えられているが、これは支持台に対して不動性であり、好ましくは円筒または半円筒の形状を有する。

本発明の範囲内で、円筒形状は、楕円または半楕円断面の要素も含むべきである。シリコンロッドと接触するアンビルの表面は、どのような場合でも湾曲しているべきである。この形状は、シリコンロッドが、アンビルとの正確に１つの触れる点または接触点を有することを確実にするように作用できる。アンビルは、単体構造でも複部構造でもよい。また、アンビルの複部構造は、アンビルとシリコンロッドとの間に正確に１つの接触点があるように設計されるべきである。

本発明の範囲内で、不動性のしっかりと固定されたアンビルが言及されている場合、これは、操作の間、すなわち打撃運動量が引き起こされている間、アンビルが不動性でしっかりと固定されていることを意味すると理解されたい。その他の点では、アンビル、シリコンロッド、および粉砕工具の調整を容易にするため、アンビルを完全に可動性に設計することもできる。

アンビルの幾何学的な軸は、好ましくは、打撃軸に垂直または実質的に垂直である。アンビルの幾何学的な軸は、打撃軸に対して３０°まで傾いていてよい。アンビルの１０°の傾きが特に好ましいが、理想的な場合において、アンビルの幾何学的な軸と打撃軸は互いに垂直である。打撃軸は、粉砕工具の長手軸により与えられる。

シリコンロッドと接触する粉砕工具の一端は、好ましくは円形状であり、好ましくは平面加工を含まない。

シリコンロッドの粉砕の間に、好ましくは、粉砕工具によるただ一回の打撃がなされる。複数の粉砕工具が使用される場合、粉砕工具あたり正確に一回の打撃がなされる。打撃運動量が始まると、粉砕工具の端部からシリコンロッドへの距離は、好ましくは、粉砕工具の事前設定ストローク（ｓｔｒｏｋｅ）からシリコンロッドへの起こり得る浸透深さを引いたものに相当するように選択される。ストロークとは、加工物の方向への粉砕工具の事前設定直線運動であると理解されたい。ストロークは、通常、調整可能な止め具により変えることができる。ストロークが大きいほど、打撃エネルギーが大きい。

アンビルは、好ましくは、操作の間しっかりと固定されている。

少なくとも１つの粉砕工具および支持台の打撃軸または長手軸は、好ましくは、水平に対して０〜９０°の角度で傾いている。９０°の傾きでは、シリコンロッドは支持台に触れ（この場合、装置の側面の境界を構成する）アンビル上にある。シリコンロッドが少なくとも１つのアンビルに対してその自重下でベースロール上にあるように、１〜４５°の傾きの角度が特に好ましい。ここで１〜２０°の傾き角度が非常に好ましい。

アンビル（複数可）と粉砕工具(複数可）の端部（複数可）は、好ましくは、炭化タングステン（ＷＣ）からなる。或いは、硬質金属被覆スチールまたはセラミックを、アンビル（複数可）および粉砕工具（複数可）の端部（複数可）に使用できる。

複数の粉砕工具が連続して接続されている場合、打撃順序は、シリコンロッドの長さにわたって、好ましくは外側から内側へ交互に達成される。

まず、打撃運動量が、例えば、外側に位置する粉砕工具の１つにより達成され、次いで、シリコンロッドの長さの他方の側で隣接する粉砕工具により打撃運動量が達成され、それに続いて、交互に、さらに内側にある粉砕工具により打撃運動量が達成される。このような交互の打撃は、好ましくは、５〜１０００ｍｓの比較的短期間に達成される。隣接する工具の影響を避け、それにより工具の耐久寿命を増すために、各打撃の後、その後の工具の作動の前に、その前の工具は、好ましくは再度後ろに動かされる。

複数の粉砕工具の場合、全ての群において打撃順序を並行して進めるために、一列の粉砕工具の異なる領域を群に分けることができる。

或いは、外側から内側への打撃順序に並行して、または交互に、打撃順序を、一列の粉砕工具の中心から外側に交互に始めることが可能である。

粉砕工具の間に十分な距離があるとすると、打撃順序における個々の粉砕工具の打撃は同時に達成することもできる。
好ましいと考えられる打撃順序パターンのいくつかの実施形態が上記に記載されるが、本発明の精神から逸脱せずに、打撃順序パターンの変更が可能なことは明らかである。したがって、本発明は、記載された具体的な実施形態に全く限定されないものとする。
数多くの破砕試験から、本発明者らは、可能な最小の打撃エネルギーで最適な破砕結果が得られるのは、それぞれ、シリコンロッドとアンビルの接触点、ならびにロッド中心を通るシリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行でロッド中心からロッド直径の３０％まで離れているシリコンロッドの軸が、粉砕工具の長手軸、または粉砕工具の長手軸に平行で粉砕工具の長手軸からロッド直径の３０％まで離れている軸上にある場合だけであることを認識した。
異なるシリコン材料の挙動についても試験を実施した。そのために、脆く多孔性の材料ならびに緻密なシリコンで試験を実施した。アンビルの剛性も試験において変化させた。

硬く、しっかりと固定されたアンビルが、緻密な材料に関して使用される場合、要求される打撃エネルギーが最小であることが示された。２００Ｊの打撃エネルギーが緻密なロッドを粉砕するのに十分になり得る。初めて、ロッド直径が１５０ｍｍを超える緻密なシリコンロッドを、低い打撃エネルギーおよび低い汚染で複数打撃を利用せずに破砕できた。

脆い材料の場合、アンビルの構成が破砕挙動に対して与える影響は小さい。アンビルの構成にかかわらず、およそ７５Ｊがそのようなロッドを粉砕するのに十分であった。脆い材料の場合、先に述べられたとおり、アンビルを全く省くことが可能である。

緻密なシリコンの場合、硬く、しっかりと固定されたアンビルが使用されるならば、４００Ｊの打撃エネルギーで十分である。例えば、炭化タングステンでできており、中実の剛性のフレーム構造により固定されているアンビルが、この目的には好適である。その代わりに、より柔らかく曲がりやすい材料でできたアンビルが使用されるか、またはアンビルの固定に弾力のあるフレーム構造が使用される場合、少なくとも１０００Ｊの打撃エネルギーが、緻密なロッドの粉砕に必要である。

より低い打撃エネルギーは、破砕操作により荷重に曝される部品の耐久性／寿命を延ばすのに役立つ。

さらに、低い打撃エネルギーは、多結晶シリコンの汚染のレベルを低下させる。

複数の接触点、接触線、または接触表面の場合、打撃力はロッドにわたって分散されるため、破砕結果に負の効果を有する。

したがって、Ｖブロックまたはカウンタープレートの形態での平坦な接触表面を含む従来技術に提案された解決法は、破砕結果にとって非常に不利益である。斜めに角度のついた接触表面は、追加の破砕効果を有する遡及的な打撃運動量をそらす効果がある。

最適な破砕構成は、打撃軸が支持台に平行であることを規定するが、破砕操作の間の支持台への負荷を最小限に抑える。

したがって、支持台は、シリコンの汚染に関して有害性の低い材料から製造することができる。例えば、シリコン、ＰＵ、または他のプラスチックがこの目的に好適である。

アンビルの好ましい細長い円筒形状は、破砕すべきロッド直径を全て網羅することを可能とする。そのために、支持台上のアンビルの高さは、好ましくは、ロッド直径の少なくとも半分に相当するように選択すべきである。

単一打撃法は、従来技術に提案された反復打撃運動量に比べて、粉砕工具およびアンビルとの接触による汚染のレベルを低下させる。

接触点としてのアンビルは、打撃運動量を最適に反射するために、理想的には、硬く、しっかりと固定された構造であるべきである。従来技術において特許請求された、移動軸に沿って可動である接合工具はこの機能を満たすことができない。

装置（打撃軸および支持台）のわずかな傾きは、シリコンロッドがそれ自体の重さでアンビルに対して転がる効果を有し、最適な破砕結果にとって重要である直接のアンビルの接触が確保される。

連続して配置された多数の破砕工具を同時に作動する場合の甚大な打撃エネルギーは、長期的に見るとシステム全体を損傷するだろうから、粉砕工具は特定の時間差で作動される。

しかし、これが達成されると、打撃の結果としてロッドピースが、ロッドピース端部からロッドピース端部の方向に、その位置がそれたりずれたりすることがあるので、破砕の成功度が低下する。

ロッド端部から交互に、最後にはロッドの中間部に進行する打撃順序は、ロッドの位置が変化するのを（そうでなくては必要になる、側面の締め付けまたは止め具なしに）効果的に防止する。

装置および方法の好ましい態様において、アンビルを省くことが与えられ得る。打撃軸および支持台はこの場合水平である。要求される破砕エネルギーが４００Ｊ未満の範囲で動く限り、脆いシリコンロッドはアンビルなしでも破砕できる。硬質金属アンビルとの接触による汚染のリスクはこの結果なくなる。そのために、破砕領域への距離が十分だとして、支持台のライニングは、汚染リスクの低い材料（シリコン、ＰＵ、プラスチック）で与えることができる。ロッドの安定化には、支持台に好適なくぼみを与えることができる。

Claims (8)

1. 支持台、ならびに少なくとも１つの可動性粉砕工具および、必要な場合、少なくとも１つの不動性アンビルを含む、多結晶シリコンロッドを粉砕する装置であって、前記少なくとも１つの粉砕工具が、前記支持台の表面に平行または実質的に平行に向いている長手軸を有し、前記支持台の表面にある粉砕すべきシリコンロッドが、粉砕工具とアンビルの間で、前記粉砕工具および前記アンビルが前記シリコンロッドの領域においてそれぞれ前記シリコンロッドと接触し、シリコンロッドとアンビルの接触点、ならびにロッド中心を通る前記シリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行で前記ロッド中心からロッド直径の３０％まで離れている前記シリコンロッドの軸が、それぞれ前記粉砕工具の長手軸または前記粉砕工具の長手軸に平行で前記粉砕工具の長手軸から前記ロッド直径の３０％まで離れている軸上にあるようにそれぞれ調整可能である、装置。
2. アンビルとシリコンロッドが正確に１つの接触点を有し、この接触点を含む前記アンビルの表面が湾曲している、請求項１に記載の装置。
3. 前記粉砕工具の先端および前記アンビルが炭化タングステンからなる、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記支持体が、シリコンに対する汚染リスクの低い材料でライニングされており、前記シリコンロッドを受け入れ安定化させるための好適なくぼみを含み、アンビルが備えられていない、請求項１に記載の装置。
5. 多結晶シリコンロッドを粉砕する方法であって、前記多結晶シリコンロッドを支持台上に配置し、少なくとも１つの可動性粉砕工具と、必要な場合、少なくとも１つの不動性アンビルとの間で、前記粉砕工具および前記アンビルが前記シリコンロッドの領域中でそれぞれ前記シリコンロッドと接触し、シリコンロッドとアンビルの接触点、ならびにロッド中心を通る前記シリコンロッドの横軸、またはその横軸に平行で前記ロッド中心からロッド直径の３０％まで離れているシリコンロッドの軸が、それぞれ前記粉砕工具の長手軸または前記粉砕工具の長手軸に平行で前記粉砕工具の長手軸から前記ロッド直径の３０％まで離れている軸上にあるように調整し、次いで、打撃運動量を始め、打撃運動量が始まるときに工具とシリコンロッドは触れておらず、その後、前記粉砕工具が前記シリコンロッドの粉砕を実施する、方法。
6. 前記アンビルが、前記粉砕工具の長手軸に対して直角、または実質的に直角である幾何学的軸を有する、請求項５に記載の方法。
7. 複数の粉砕工具が連続して接続されており、打撃順序の形態の打撃運動量が、シリコンロッドの長さにわたって外側から内側へ交互に達成される、請求項５または６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記支持台が、シリコンに対する汚染リスクの低い材料でライニングされており、前記粉砕の間にシリコンロッドを安定な位置に保つための好適なくぼみを含み、別のアンビルが備えられていない、請求項５に記載の方法。