JP2015188872A - 多結晶シリコンの破砕装置 - Google Patents

Abstract

【課題】破砕されずに通過する多結晶シリコンを減少させることができ、破砕効率を向上させ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】一対の破砕ロール２、２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１００であって、破砕ロール２の外周面上に複数の破砕歯１０が半径方向外方に突出して設けられており、各破砕ロール２の回転数が異なる構成とされる。また、多結晶シリコンの破砕装置１００においては、一対の破砕ロール２、２の回転方向は、同方向とされるものとすることができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体用シリコンの原料として用いられる多結晶シリコンを塊状に破砕するための多結晶シリコンの破砕装置に関する。

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９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Ｓ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。

この負担を回避するため、適宜の大きさに砕いた塊状のシリコン破砕物を、破砕機で所望の大きさに破砕する技術が知られている。この破砕の際にはロス（微細粉）の発生を低くすることが重要視されている。ロスの発生を低くするためには、ロールに破砕歯が設けられている破砕機においては、破砕機に投入される塊状の多結晶シリコン（以下、チャンクという）の形状の厚みに対して、必要以上に破砕歯を押し込まないこと、つまり、各多結晶シリコンの大きさごとに適正な破砕比を与えながら破砕する必要がある。

この種の技術として、例えば特許文献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記載されている。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ている。そして、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。

また、特許文献２には、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破砕装置が記載されている。各ロールの外周面上には、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、等間隔に配置される各破砕歯を破砕物に接触させることにより、破砕物を効率的に破砕可能になっている。

特開２００６‐１２２９０２号公報 特開２０１２‐９１１３５号公報

しかし、これらの破砕装置において、等間隔に配置された破砕歯の間に多結晶シリコンが入り込んだ状態となると、多結晶シリコンの塊が破砕されないまま落下して、意図した破砕比が得られないことがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、破砕されずに通過する多結晶シリコンを減少させることができ、破砕効率を向上させることができる多結晶シリコンの破砕装置を提供することを目的とする。

本発明は、一対の破砕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、前記破砕ロールの外周面上に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、各破砕ロールの回転数が異なる構成とされることを特徴とする。

例えば、互いに逆回転する一対の破砕ロールの回転数を異ならせることにより、破砕ロール間で破砕歯の配置を変動させながら回転させることができる。この場合、各破砕ロール間では、回転速度の速い他方の破砕ロールの外周面上に配置される破砕歯を、回転速度の遅い一方の破砕ロールの外周面上に配置される破砕歯に対して追い越す様にして移動させることができる。このため、一方の破砕ロールの破砕歯の間に多結晶シリコンの塊が入り込んだ状態となっても、他方の破砕ロールの破砕歯が追い越す際に接触して、多結晶シリコンを破砕することができる。
したがって、一対の破砕ロール間を破砕されずに通過する多結晶シリコンを減少させることができ、破砕効率を向上させることができる。

本発明の多結晶シリコンの破砕装置において、前記一対の破砕ロールの回転方向が、同方向とされるものとしてもよい。
一対の破砕ロールを同方向に回転させると、一対の破砕ロール間において、回転速度の遅い一方の破砕ロールが下方から上方に向かって回転し、回転速度の速い他方の破砕ロールが上方から下方に向かって回転する構成とされ、各破砕ロールの外周面上に設けられる破砕歯が、互いにすれ違いながら回転する。このため、一方の破砕ロールの破砕歯の間に多結晶シリコンの塊が入り込んだ状態となっても、他方の破砕ロールの破砕歯が通過する際に多結晶シリコンに接触して、確実に破砕することができる。

本発明の多結晶シリコンの破砕方法は、一対の破砕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方法であって、前記破砕ロールの外周面上に複数の破砕歯を半径方向外方に突出して設けておき、各破砕ロールの回転数を異ならせて回転させることにより、前記多結晶シリコンを破砕することを特徴とする。

本発明によれば、破砕されずに通過する多結晶シリコンを減少することができるので、破砕効率を向上させることができる。

本発明に係る多結晶シリコンの破砕装置の第１実施形態を示す斜視図である。 図１の平面図である。 図１の側面図である。 特定の垂直断面における破砕ロールの配置を示す断面図である。 破砕ロールの表面状態を示す斜視図である。 破砕歯ユニットを示す斜視図である。 破砕ロールの対向部間における破砕歯の配列を説明する模式図である。 本発明に係る多結晶シリコンの破砕装置の第２実施形態を示す断面図である。 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。 Ｌチャンクを説明するための模式図である。

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１００は、図１に示すように、一対の破砕ロール２、２及び一対の送りローラ３、３により構成される供給手段３０を有し、回転する破砕ロール２、２間に供給手段３０から塊状の多結晶シリコンを供給し、これら破砕ロール２、２で多結晶シリコンを挟み込んで破砕するようになっている。また、破砕ロール２、２間で破砕された多結晶シリコンをさらに一対の分級ロール３１、３１によって分級し、所定寸法を超えるものを再度送りローラ３，３に戻して破砕することができるようになっている。

一対の破砕ロール２、２を構成する各破砕ロール２の外径は、基端４側から先端５側にかけて全長にわたって同径の円柱状に形成されており、外周面上に複数の破砕歯１０が半径方向外方に突出して設けられている。そして、これら破砕ロール２、２は、図２に示すように、軸線ｘが先端５に向かうにしたがって漸次水平方向の相互間隔が広くなるように配置されている。これにより、図４に示す各破砕ロール２、２の複数の破砕歯１０の先端を通る外接円２５どうしの間隔は、基端４側より先端５側が広くなるように配置され、基端４における外接円２５どうしの間隔は狭く、先端５側の外接円２５どうしの間隔は、基端４の間隔よりも広くなっている。
また、破砕ロール２、２は、図４の矢印が示す通り互いに逆回転するとともに、各破砕ロール２の回転数が異なるように設定されている。なお、図示は省略するが、各破砕ロール２には、モータが個別に設けられており、それぞれに対して細かな回転制御が可能となっている。

また、各破砕歯１０は、一対の破砕ロール２、２の複数の破砕歯１０の先端を通る外接円２５どうしの間隔が狭い側（基端側）になるにつれて狭いピッチ、外接円２５どうしの間隔が広い側（先端側）になるにつれて広いピッチで配置されている。本実施形態では、図２及び図３にＡ〜Ｆで示す順に複数の破砕歯１０の先端を通る外接円２５どうしの間隔が広くなっている。また、破砕歯１０間のピッチもＡ〜Ｆの順に広くなっている。

この場合、図５に示すように、各破砕ロール２、２の外周面は、均一な円柱面ではなく、軸方向に沿う長尺な平坦面１１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１１の両端部にはねじ穴１３が設けられ、これら平坦面１１に破砕歯ユニット１２が一つずつねじ１４により固定されている。

破砕歯ユニット１２は、図６に示すように、破砕ロール２の平坦面１１に当接する短冊状の固定カバー１５と、この固定カバー１５に取り付けられる複数個の破砕歯１０とから構成されている。破砕歯１０は、超硬合金又はシリコン材により設けられ、その先端部１６が例えば球面状に形成されるとともに、側面部１７が円柱面状に形成されている。

固定カバー１５は、破砕ロール２の平坦面１１と同じ幅、長さの短冊状に形成され、その長手方向に破砕歯取付け用の図示しない複数の固定孔が貫通状態に形成されている。破砕歯１０は、固定孔に嵌合等の適宜の手段によって、固定カバー１５に回り止めされた状態で固着される。
また、各破砕歯ユニット１２は、例えば図６に示すように、隣接する破砕歯ユニット１２の破砕歯１０が破砕ロール２の周方向に連続して並ばないように、破砕歯１０が千鳥状に配列した状態に取り付けられる。

供給手段３０を構成する一対の送りローラ３は、例えば超硬合金又はシリコン材により形成され、多結晶シリコンを長さ方向に送りながら破砕ロール２間に供給するものであり、破砕ロール２、２の対向部の上方位置に設けられている。これら送りローラ３は、円柱状に形成されており、水平方向の相互間隔が基端２０側よりも先端２１側が広くなるように、かつ基端２０側から先端２１側に向かうにしたがって下り勾配に傾斜して配置されており、一対の破砕ロール２間に、その外接円２５どうしの間隔に合わせて厚みの異なる多結晶シリコンを落下させることができるようになっている。
また、送りローラ３は、その対向部間で外周面が下方から上方に向けて移動する向き、すなわち、図１の矢印の方向に相互に逆方向に回転させられる。
なお、図１では、構成がわかり易いように送りローラ３を小さく描いているが、操作性の観点から、図１に示すものより適宜大径の送りローラ３が用いられる。

このように、送りローラ３が下り勾配に傾斜して配置され、相互に逆方向に回転させられることで、これら送りローラ３の間に供給された多結晶シリコンを先端２１の方向に送ることができるようになっている。その際、多結晶シリコンは送りローラ３に対して一個ずつ供給される。送りローラ３が基端２０側から先端２１側に向かうにしたがって水平方向の相互間隔が所定角度で漸次広がっていることにより、相互間隔が狭い基端２０側に供給された破砕片は、両送りローラ３、３によって先端２１側に送られながら、これら送りローラ３の間からその相互間隔よりも小さいものが順次破砕ロール２上に落下するようになっている。送りローラ３の基端２０側で小さい破砕片が落下し、先端２１側で大きい破砕片が落下する。

また、送りローラ３どうしの相互間隔と破砕ロール２どうしの相互間隔（複数の破砕歯１０の先端を通る外接円２５どうしの間隔）とは、送り方向に直交する同一垂直断面位置では、図４に示すように、送りローラ３の相互間隔Ｇ１が破砕ロール２の相互間隔Ｇ２よりも広くなるように設定されており、その垂直断面での破砕ロール２の相互間隔に対する送りローラ３の相互間隔の比（Ｇ１／Ｇ２）が、長さ方向にわたってほぼ同じ比率に設定されている。この比率、すなわち（送りローラの相互間隔）／（破砕ロールの相互間隔）は、（破砕すべき投入多結晶シリコンの大きさ）／（目的とする破砕片の大きさ）であり、破砕比である。

分級ローラ３１、３１は、破砕ロール２、２の対向部の下方位置に設けられており、水平方向の相互間隔は全長にわたって一定とされるが、送りローラ３、３と同様に基端側から先端側に向けて下り勾配に傾斜している。この分級ローラ３１、３１の水平方向の相互間隔が、分級すべき製品寸法に設定される。
また、この分級ローラ３１、３１の回転方向は、送りローラ３，３と同様に、対向部間で両ローラ３１、３１の外周面が下から上に移動する方向とされる。さらに、これら分級ローラ３１、３１の両側方には、破砕ロール２、２間から落下する多結晶シリコンを分級ローラ３１、３１の間に案内するためのシュータ３２が設けられている。
また、分級ローラ３１、３１の対向部間の下方には、分級ローラ３１、３１間から落下する多結晶シリコンを捕集するための容器３３が設置され、分級ローラ３１、３１の先端には、分級ローラ３１、３１間から落下しなかった多結晶シリコンを再度送りローラ３の基端部に供給する送り戻し機構３４が接続される。この送り戻し機構３４はコンベアやシュータ等を組み合わせて構成することができる。

なお、破砕装置１００には、破砕ロール２、送りローラ３、分級ローラ３１等を収容するために図示しないハウジングが設けられ、このハウジングは、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。

このように構成した破砕装置１００を用いて多結晶シリコン破砕片を破砕する場合、両破砕ロール２、２を回転させた状態で、予め粗く破砕した適宜の大きさの多結晶シリコンの破砕片を送りローラ３の基端２０側に投入すると、上記したように送りローラ３、３の相互間隔よりも小さくなる位置で送りローラ３の間から破砕片が破砕ロール２上に落下する。

両破砕ロール２、２の間に落下した多結晶シリコンは、その破砕歯１０により、小さな塊状に破砕される。このとき、一対の破砕ロール２、２間の相互間隔Ｇ２と、一対の送りローラ３、３間の相互間隔Ｇ１とは、前述したように、送り方向に直交する同一垂直断面における比（Ｇ２／Ｇ１）が長さ方向にわたってほぼ同じ比率に設定されているので、長さ方向にわたってほぼ一定の破砕比で破砕することがきる。そして、両送りローラ３の基端側では小さい多結晶シリコンが破砕ロール２、２間に供給され、先端側に向かうにしたがって大きい多結晶シリコンが供給され、その多結晶シリコンの大きさに合わせるように破砕ロール３も基端側から先端側にかけて漸次相互間隔を広げて配置され、したがって、投入される多結晶シリコンの大きさにかかわらずほぼ一定の破砕比で破砕することができる。

また、互いに逆回転する一対の破砕ロール２、２の回転数を異ならせているので、破砕ロール２、２間で破砕歯１０の配置を変動させながら回転させることができる。例えば、図７（ａ），（ｂ）に示すように、左側に配置される一方の破砕ロール２Ａに対して、右側に配置される他方の破砕ロール２Ｂの回転速度を速く設定した場合には、回転速度の速い他方の破砕ロール２Ｂの外周面上に配置される破砕歯１０Ｂを、回転速度の遅い一方の破砕ロール２Ａの外周面上に配置される破砕歯１０Ａに対して対向部間で追い越す様にして移動させることができる（図７（ａ）の状態から（ｂ）の状態に変化する。）。このため、一方の破砕ロール２Ａの破砕歯１０の間に多結晶シリコンの塊が入り込んだ状態となっても、他方の破砕ロール２Ｂの破砕歯１０が追い越す際に多結晶シリコンと接触して、その多結晶シリコンを確実に破砕することができる。
その結果、一対の破砕ロール２Ａ，２Ｂ間を破砕されずに通過する多結晶シリコンを減少させることができ、破砕効率を向上させることができる。

なお、前述したように、同一垂直断面位置では、送りローラ３の方が破砕ロール２よりも相互間隔が広いため、送りローラ３の間から落下した破砕片が破砕ロール２の破砕歯１０、１０の間に確実に挟まり、この破砕歯１０により確実に破砕片を破砕することができる。

そして、両破砕ロール２間で破砕された多結晶シリコンは、破砕ロール２の下方で分級ローラ３１、３１間に案内され、分級ローラ３１、３１の相互間隔で設定される所定の大きさの多結晶シリコンは分級ローラ３１、３１間から落下して容器３３に捕集され、所定寸法より大きい多結晶シリコンは分級ローラ３１、３１の先端から落下する。分級ローラ３１、３１間から落下した多結晶シリコンは製品として供され、一方、分級ローラ３１、３１の先端から落下した多結晶シリコンは送り戻し機構３４を経由して送りローラ３に戻され、再度破砕処理が繰り返される。
このように、破砕ロール２間で破砕した多結晶シリコンを分級しながら、所定寸法より大きい多結晶シリコンのみ破砕を繰り返すことで、その繰り返し回数を最小とし、ロスを低減することができる。

第１実施形態の多結晶シリコンの破砕装置１００においては、一対の破砕ロール２、２を互いに逆回転する構成としていたが、図８に示す第２実施形態の多結晶シリコンの破砕装置２００のように、一対の破砕ロール２、２の回転方向を同方向とすることもできる。
この第２実施形態の破砕装置２００においては、同方向に回転する一対の破砕ロール２、２の対向部間において、左側に配置される一方の低速回転する破砕ロール２が下方から上方に向かって回転し、右側に配置される他方の高速回転する破砕ロール２が上方から下方に向かって回転する構成とされ、各破砕ロール２、２の外周面上に設けられる破砕歯１０が、互いにすれ違いながら回転する。このため、一方の破砕ロール２の破砕歯１０の間に多結晶シリコンの塊が入り込んだ状態となっても、他方の破砕ロール２の破砕歯１０が通過する際に多結晶シリコンに接触して、確実に破砕することができる。
第２実施形態の多結晶シリコンの破砕装置２００のその他の構成は、第１実施形態のものと同じであり、説明を省略する。

次に、本発明の効果を確認するために、図１に示す構成の破砕装置１００を用いて、Ｌチャンクの破砕試験を行った。Ｌチャンクは、図１０に示すように、塊状の多結晶シリコンＳが破砕ロール２で安定して破砕されやすい姿勢での破砕ロール２の相互間隔方向に沿う寸法をチャンク厚みｔとし、その最長部長さをチャンク最長部長さｈとした場合に、チャンク厚みｔが２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下、チャンク最長部長さｈが４２ｍｍ以上５０ｍｍ以下とされる塊状の多結晶シリコンである。各試験においては、一対の破砕ロール（表１ではロール１、ロール２と示す。）の回転数を表１に示す条件に設定し、破砕ロール間にＬチャンクを約１００〜１３０個（重量約３ｋｇ）投入して、得られた多結晶シリコンの破砕物に含まれるＬチャンク、Ｓチャンク、微粉の割合を調べた。

表１に結果を示す。なお、表１の「Ｌ率」はＬチャンク（チャンク厚みｔが２０ｍｍ以上２５ｍｍ以下、チャンク最長部長さｈが４２ｍｍ以上５０ｍｍ以下）の割合であり、「Ｓ率」はＳチャンク（チャンク厚みｔが３．５ｍｍ以上２５ｍｍ未満、チャンク最長部長さｈが７ｍｍ以上４２ｍｍ未満）の割合、「ロス率」は微粉（チャンク最長部長さｈが７ｍｍ未満）の割合を示す。また、表１では、各破砕ロールの正回転（時計回り）と逆回転（反時計回り）とを区別するために、回転数の値において逆回転を「−（マイナス）」で表記した。

表１からわかるように、各破砕ロールの回転数を異ならせたＮｏ．４〜８においては、各破砕ロールの回転数を同じに設定したＮｏ．１〜３よりも、Ｓチャンクへの破砕効率（Ｓ率）が高くなっていることがわかる。また、手での破砕時に発生するロス率が３％程度であるため、ロス率は３％以下を合格ラインとしているが、Ｎｏ．１〜８の全てにおいてロス率が３％以下となった。

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、前述の実施形態では、各破砕ロール２に個別にモータを設ける構成としたが、各破砕ロールの駆動方法はこれに限定されるものではない。例えば、一つのモータを各破砕ロールに減速機構を介して接続することにより、一対の破砕ロールを異なる回転速度で駆動する方法を採用することも可能である。
また、各破砕ロール２の外径は全長にわたって同じに設定して、両軸線の間隔を先端に向かうにしたがって漸次大きくなるように配置したが、これに限定されるものではない。例えば、破砕ロールを先細り状のテーパ状に形成して軸線は相互に平行に配置する、破砕ロールを先端に向かうにしたがって漸次小径となる段付きロールとして、その軸線は相互に平行に配置する、などの構成としてもよい。

さらに、前述の実施形態では、送りローラの相互間隔と破砕ロールの相互間隔とにより設定される破砕比を長さ方向にわたってほぼ同じ比率に設定したが、例えば、破砕ロールの相互間隔は変えないで、送りローラ先端の間隔を大きくして破砕比を先端側に向けて漸次大きくする、あるいは送りローラ先端の間隔を小さくして破砕比を先端側に向けて漸次小さくすることで先端側から多結晶シリコンを投入することも可能である。
破砕歯に関しては、固定カバー１５を用いて破砕ロール２に固定する方法を示したが、破砕歯を直接ロール面に固定する方法として、ロール表面に植え込みボルトを配設し、この植え込みボルトに破砕歯を締結するようにしてもよい。
また、各破砕歯ユニット１２は、破砕歯１０が千鳥状に配列した状態に取り付けていたが、破砕歯の配列は、これに限定されるものではない。隣接する破砕歯ユニット１２の破砕歯１０を破砕ロール２の周方向に連続して並べる構成としてもよい。

１００，２００ 破砕装置（多結晶シリコンの破砕装置）
２ 破砕ロール
３ 送りローラ
４ 破砕ロールの基端
５ 破砕ロールの先端
１０，１０Ａ，１０Ｂ 破砕歯
１１ 平坦面
１２ 破砕歯ユニット
１３ ねじ穴
１４ ねじ
１５ 固定カバー
１６ 先端部
１７ 側面部
１８ 表面カバー
２０ 送りローラの基端
２１ 送りローラの先端
２５ 外接円
３１ 分級ローラ
３２ シュータ
３３ 容器
３４ 送り戻し機構

Claims (3)

1. 一対の破砕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、前記破砕ロールの外周面上に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、各破砕ロールの回転数が異なる構成とされることを特徴とする多結晶シリコンの破砕装置。
2. 前記一対の破砕ロールの回転方向が、同方向とされ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。
3. 一対の破砕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方法であって、前記破砕ロールの外周面上に複数の破砕歯を半径方向外方に突出して設けておき、各破砕ロールの回転数を異ならせて回転させることにより、前記多結晶シリコンを破砕することを特徴とする多結晶シリコンの破砕方法。

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