JP5359115B2 - 多結晶シリコン破砕用ハンマー - Google Patents

Description

本発明は、例えば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所定の大きさに破砕する際に用いられるハンマーに関する。

半導体用の単結晶シリコンウェハの原料として、例えば、イレブンナイン以上の極めて高純度の多結晶シリコンが用いられている。単結晶シリコンは、高純度の多結晶シリコンを坩堝内で溶融させ、単結晶シリコンの種結晶を使用して単結晶シリコンを成長させることで製造される。ここで、単結晶シリコンを製造する場合には、原料となる塊状の多結晶シリコンの純度が問題となる。単結晶シリコンの製造工程に不純物が混入すると単結晶シリコンの品質が著しく劣化してしまうことになるため、多結晶シリコンへの不純物の混入を可及的に防止する必要がある。

高純度の多結晶シリコンは、シリコン芯棒を配置した反応炉内にトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ_３）ガスと水素ガスとを供給し、シリコン芯棒に高純度の多結晶シリコンを析出させる、いわゆるシーメンス法と呼ばれる方法で製造されている。このようにして直径１４０ｍｍ程度の概略円柱状をなす多結晶シリコンのインゴットが得られる。
この多結晶シリコンのインゴットにハンマーで打撃を加えて破砕することで、前記坩堝に装入できる大きさの塊状の多結晶シリコンを得る。ここで、ハンマーの打撃部の硬度が低い場合には、打撃面が摩耗して摩耗粉が多結晶シリコンへと混入してしまうおそれがあった。

そこで、多結晶シリコンの破砕に使用されるハンマーとして、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されているように、硬度が高く打撃によって摩耗しにくい超硬合金製の打撃部を有するハンマーが提案されている。
特開平０６−２１８６７７号公報 特開平１０−００６２４２号公報

ところで、特許文献１及び特許文献２に記載されたハンマーにおいては、その打撃面が比較的平坦に設けられており、打撃時に多結晶シリコンを潰してしまうことがあり、シリコン粉末が多く発生し、塊状の多結晶シリコンの歩留が低下してしまうといった問題があった。また、打撃面の周縁部に角部が形成されて欠けやすいため、塊状の多結晶シリコンの中に打撃部の欠片が混入するおそれがあった。

また、柄部との結合部分であるヘッド本体（例えば鋼製）と打撃面を備えた打撃部（タングステンカーバイト製）とが別体で形成されているので、衝撃によって打撃部がヘッド本体から分離してしまうおそれがあった。また、ヘッド本体が打撃部よりも硬度の低い材料で構成されているので、打撃部との接合面において摩耗が発生しやすく、この摩耗によって生じた金属粉等が多結晶シリコン内に混入するおそれがあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、多結晶シリコンの破砕時のシリコン粉末の発生を抑えることができるとともに、ハンマーを構成する部材が破砕した多結晶シリコンに混入することを防止可能なハンマーを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコン破砕用ハンマーは、棒状の柄部と、この柄部の先端で該柄部の中心線と交差する方向に延在するヘッド部とを有し、該ヘッド部は、前記柄部と結合するヘッド本体と、このヘッド本体の一端側に連結軸部を介して連設された打撃部と、前記ヘッド本体の他端側に設けられたカウンターウエイト部とを備えており、これらヘッド本体、連結軸部、打撃部及びカウンターウエイト部が超硬合金によって一体に成形されており、前記打撃部の端面には、凸曲面状をなす打撃面が形成され、前記打撃面がなす凸曲面の曲率半径Ｒが、５ｍｍ≦Ｒ≦３０ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする。

この構成のハンマーにおいては、凸曲面状をなす打撃面が形成されているので、打撃時の接触面積が小さくなってシリコンを潰してしまうことがなくなりシリコン粉末の発生を抑制できる。また、打撃面の周縁部に角部が形成されず打撃部の欠損等を防止できる。
また、ヘッド本体、連結軸部、打撃部及びカウンターウエイト部を備えたヘッド部が超硬合金によって一体に成形されているので、打撃の衝撃によってヘッド部が分離することがなく、金属粉等の発生を防止できる。

また、打撃面の凸曲面をこの範囲の曲率半径に設定すると、シリコンをつぶし過ぎることなく適度の大きさに破砕することができ、ロスを抑制して生産性を高めることができる。

本発明の多結晶シリコン破砕用ハンマーにおいて、前記打撃部は半球状をなしており、前記連結軸部は、前記打撃部がなす半球の直径よりも一段小径とされている構成としてもよい。
この場合、打撃部とヘッド本体との間に小径の連結軸部が介在することになり、打撃部の重量バランスが大きくなって、小さな力で大きな衝撃力を発生させることができ、多結晶シリコンの破砕を効率良く行うことができる。
また、打撃部が半球状とされることでその端面に形成された打撃面は半球面状をなすことになる。よって、打撃面の周縁部に角部が形成されず欠損を確実に防止することができる。また、多結晶シリコンに対する打撃角度が傾斜した場合でも、確実に打撃面を多結晶シリコンに接触させて破砕することができる。

本発明の多結晶シリコン破砕用ハンマーにおいて、前記柄部の前記中心線から前記打撃面先端までの距離Ｌ１と前記中心線から前記カウンターウエイト部の端面までの距離Ｌ２とが、１≦Ｌ１／Ｌ２≦２の関係を有している構成としてもよい。
この場合、打撃部側の重量バランスが大きくなって小さな力で大きな衝撃力を得ることができる。また、柄部の中心線から打撃面先端までの距離が確保されるので、柄部を把持した手が多結晶シリコンと干渉することを防止でき、多結晶シリコンの破砕を簡単に行うことができる。

本発明の多結晶シリコン破砕用ハンマーにおいて、前記柄部は木材によって構成されており、前記柄部には合成樹脂製の保護筒が外嵌されている構成としてもよい。
この場合、柄部が木材によって構成されているのでハンマーを軽量化することができ、取扱いが容易となる。また、柄部に合成樹脂製の保護筒が外嵌されているので、柄部に多結晶シリコンが衝突して木材が混入することを防止できる。

本発明の多結晶シリコン破砕用ハンマーにおいて、前記カウンターウエイト部の端面に、第２の打撃面が形成されている構成としてもよい。
この場合、カウンターウエイト部の端面に形成された第２の打撃面によっても打撃を加えることが可能となり、破砕する対象物の形状や使用状況に応じて２つの打撃面を使い分けて多結晶シリコンを効率良く破砕することができる。

本発明によれば、多結晶シリコンの破砕時のシリコン粉末の発生を抑えることができるとともに、ハンマーを構成する部材が破砕した多結晶シリコンに混入することを防止可能なハンマーを提供することができる。

以下に、本発明の第１の実施形態である多結晶シリコン破砕用ハンマーについて添付した図面を参照して説明する。
本実施形態であるハンマー１０は、シーメンス法によって製造された直径１４０ｍｍ程度の概略円柱状をなす多結晶シリコンのインゴットを破砕して塊状の多結晶シリコンを得るために使用されるものである。

このハンマー１０は、ストレートの棒状に形成された柄部１１と、この柄部１１の先端（図１において上端）で該柄部１１の中心線Ｃに交差する方向（図１において左右方向）の軸線Ｌに沿って延在するヘッド部１２とを有している。本実施形態では、ヘッド部１２は中心線Ｃに対して直交する方向に延在させられている。つまり、中心線Ｃと軸線Ｌとが直交させられているのである。

柄部１１は木材によって構成されており、中心線Ｃに直交する断面形状が概略長円状をなしている。この柄部１１は、図１に示すように、先端側に向かうにしたがい断面がなす長円の長さが漸次短くなるように形成されている。また、柄部１１の先端部分１１ａは、先端側に向かうにしたがい前記長円の長径および短径がともに漸次小さくなるテーパ形状とされている。なお、柄部１１の先端部分１１Ａのテーパ角は約４°に設定されている。
また、この柄部１１には、合成樹脂製の保護筒１９が嵌合されている。

ヘッド部１２は、柄部１１と結合するヘッド本体１３と、このヘッド本体１３の一端側（図１、図２において左側）に連結軸部１４を介して連設された打撃部１５と、ヘッド本体１３の他端側（図１、図２において右側）に設けられたカウンターウエイト部１６とを備えている。これらヘッド本体１３、連結軸部１４、打撃部１５及びカウンターウエイト部１６は、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金によって一体に成形されている。

ヘッド本体１３は、ヘッド部１２の軸線Ｌに沿って延びる円筒状をなしており、柄部１１の先端部分１１Ａが装入可能な装着孔１３Ａが軸線Ｌに対して直交するように形成されている。この装着孔１３Ａは、柄部１１の先端部分１１Ａのテーパ形状に応じた形状とされ、一方の開口部（図１において上側開口部）の開口面積が他方の開口部（図１において下側開口部）の開口面積よりも小さくされている。

カウンターウエイト部１６は、ヘッド本体１３よりも一段小径とされるとともにヘッド本体１３と同軸上に伸びる概略円柱状をなしている。ヘッド本体１３とカウンターウエイト部１６との連接部分には凹曲面状にＲ加工が施されている。また、カウンターウエイト部１６の端面の周縁部には凸曲面状にＲ加工が施されている。さらに、カウンターウエイト部１６の端面には、軸線Ｌに沿って延びる止まり孔１６Ａが開口させられている。この止まり孔１６Ａは、ヘッド本体１３の一端部分にまで達するように形成されている。

連結軸部１４は、ヘッド本体１３よりも一段小径の直径Ｄでヘッド本体１３と同軸上（軸線Ｌ上）に延びる概略円柱状をなしている。本実施形態では、この連結軸部１４の直径Ｄはカウンターウエイト部１６と同径とされており、連結軸部１４とヘッド本体１３との連接部分には凹曲面状にＲ加工が施されている。

この連結軸部１４には概略半球状をなす打撃部１５が設けられている。この打撃部１５の端面は半球面状をなす打撃面１５Ａとされている。ここで、打撃面１５Ａがなす半球面の曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦３０ｍｍの範囲内に設定するとよく、本実施形態ではＲ＝１１ｍｍとされている。
また、連結軸部１４の直径Ｄは、打撃面１５Ａがなす半球面の曲率半径Ｒの２倍よりも小さく設定されており、本実施形態では、０．６×Ｒ以上２×Ｒ未満の範囲内に設定されており、より具体的には、１．２８×Ｒとされている。さらに、連結軸部１４と打撃部１５との連設部分には凹曲面状にＲ加工が施されている。

柄部１１の先端部分１１Ａの半分程度までがヘッド本体１３に設けられた装着孔１３Ａに嵌入されることにより、柄部１１とヘッド部１２とが結合され、柄部１１の先端部分１１Ａの残り半分の部分に保護筒１９が被せられ、本実施形態であるハンマー１０が構成される。
ここで、柄部１１の中心線Ｃから打撃面１５Ａ先端までの距離Ｌ１と中心線Ｃからカウンターウエイト部１６の端面までの距離Ｌ２とが、１≦Ｌ１／Ｌ２≦２の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｌ１／Ｌ２＝１．２２とされている。

このような構成とされた本実施形態であるハンマー１０は、概略円柱状をなす多結晶シリコンのインゴットに対して打撃面１５Ａを衝突させることで、チャンクと称される塊状の多結晶シリコンを得る。

本実施形態であるハンマー１０によれば、ヘッド本体１３、連結軸部１４、打撃部１５及びカウンターウエイト部１６を備えたヘッド部１２が超硬合金によって一体に成形されているので、打撃の衝撃によってヘッド部１２が分割することがなく金属粉等の発生を防止できる。これにより、ハンマー１０によって破砕した塊状の多結晶シリコンに不純物が混入することを防止できる。

また、半球面状をなす打撃面１５Ａが形成されているので、円柱状の多結晶シリコンのインゴットに打撃を加える際に、その接触面積が小さくなりシリコンを潰してしまうことがなくシリコン粉末の発生を抑制できる。また、打撃面１５Ａが半球面状とされているので打撃面１５Ａの周縁部に角部が形成されず打撃部１５の欠損を防止できる。

また、連結軸部１４が、打撃面１５Ａがなす半球面の直径（Ｒ×２）よりも一段小径とされているので、連結軸部１４の一端に設けられた打撃部１５の重量バランスが大きくなって、小さな力で大きな衝撃力を発生させることができ、多結晶シリコンの破砕を効率良く行うことができる。
さらに、柄部１１が木材によって構成されているので、ハンマー１０を軽量化することができ、取扱いが容易となる。また、柄部１１に合成樹脂製の保護筒１９が外嵌されているので、柄部１１と多結晶シリコンとの衝突を防止し、破砕した多結晶シリコンに木材が混入することを防止できる。

また、柄部１１の中心線Ｃから打撃面１５Ａ先端までの距離Ｌ１と中心線Ｃからカウンターウエイト部１６の端面までの距離Ｌ２とが、１≦Ｌ１／Ｌ２≦２の範囲内に設定され、本実施形態ではＬ１／Ｌ２＝１．２２に設定されているので、打撃部１５側の重量バランスが大きくなって小さな力で大きな衝撃力を得ることができる。また、柄部１１の中心線Ｃから打撃面１５Ａ先端までの距離が確保されるので、柄部１１を把持した手が多結晶シリコンと干渉することを防止でき、多結晶シリコンの破砕を簡単に行うことができる。

さらに、本実施形態においては、ヘッド部１２のうち打撃部１５と連結軸部１４との連設部分、ヘッド本体１３とカウンターウエイト部１６及び連結軸部１４との連設部分、並びに、カウンターウエイト部１６の端面にＲ加工が施されているので、ヘッド部１２の欠損を防止することができる。

ここで、多結晶シリコンを破砕するときの打撃面１５Ａの曲率半径の大きさによる影響を測定したところ、表１に示す結果となった。
この測定は、直径１３０ｍｍの多結晶シリコンのインゴットを最大長さ部分が５ｍｍ以上１２０ｍｍ以下のチャンク形状の小片に破砕する作業を打撃面の曲率半径が異なる複数種のハンマーで１日６時間ずつ２０日間行った。２０日間経過後、最大長さ部分が５ｍｍ以下の小片となったものをシリコンロスとし、そのシリコンロスの量、全体の生産量、ハンマーの打撃面周辺部の状態観察を行った。

この表１において、曲率半径の単位はｍｍである。また、生産量については、打撃面の曲率半径がＲ＝１１の場合を１００とし、その相対量で示している。
また、シリコンロスの量は、[{（破砕前のシリコン重量）−（破砕後のシリコン重量）}／（破砕前のシリコン重量）]×１００（％）で示している。
この表１からわかるように、打撃面がフラットの場合は、打撃面に欠けが生じ、その破片が多結晶シリコンに混入するおそれがある。打撃面が凸曲面とされると欠けの発生は認められなかった。ただし、打撃面が凸曲面とされている場合でも、曲率半径Ｒが３ｍｍの場合、及び曲率半径が４５ｍｍの場合は、他の曲率半径のものよりも、シリコンロスが多くなった。曲率半径が大き過ぎる場合は、フラットに近くなるため、シリコンが潰されてシリコンロスが増えることによる。一方、曲率半径が小さ過ぎる（先端が鋭利となる）と、衝撃のエネルギーが集中し、１回当たりの打撃によるロスが減る半面、ハンマー重量が低下するため破砕効率が低下するものと考えられ、結果的に打撃回数が多くなってロスが増加し、さらに生産量も低下することとなった。
この測定結果から、打撃面の曲率半径Ｒとしては、５ｍｍ≦Ｒ≦３０ｍｍの範囲とするのが好ましく、Ｒ＝１１ｍｍが最も良好である。

次に、本発明の第２の実施形態であるハンマーについて図３及び図４を参照して説明する。
第２の実施形態であるハンマー２０は、ストレートの棒状に形成された柄部２１と、この柄部２１の先端（図３において上端）で該柄部２１の中心線Ｃに交差する方向（図３において左右方向）に延在するヘッド部２２とを有している。

柄部２１は木材によって構成されており、中心線Ｃに直交する断面形状が概略長円状をなしている。この柄部２１は、図３に示すように、先端側に向かうにしたがい断面がなす長円の長さが漸次短くなるように形成されている。また、柄部２１の先端部分２１Ａは、先端側に向かうにしたがい前記長円の長径および短径がともに漸次小さくなるテーパ形状とされている。なお、柄部２１の先端部分２１Ａのテーパ角は約２°に設定されている。
また、この柄部２１には合成樹脂製の保護筒２９が外嵌されている。

ヘッド部２２は、柄部２１と結合するヘッド本体２３と、このヘッド本体２３の一端側（図３、図４において左側）に連結軸部２４を介して連設された打撃部２５と、ヘッド本体２３の他端側（図３、図４において右側）に設けられたカウンターウエイト部２６とを備えている。
そして、本実施形態では、カウンターウエイト部２６に、第２の打撃部２７及び第２の打撃面２７Ａが設けられている。これらヘッド本体２３、連結軸部２４、打撃部２５、カウンターウエイト部２６及び第２の打撃部２７は、タングステンカーバイドを主成分とする超硬合金によって一体に成形されている。

打撃部２５は半球状をなし、打撃部２５の端面が半球面状をなす打撃面２５Ａとされている。ここで、打撃面２５Ａがなす半球面の曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦３０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態ではＲ＝１７．５ｍｍとされている。
また、連結軸部２４の直径Ｄ１は、打撃面２５Ａがなす半球面の曲率半径Ｒの２倍よりも小さく設定されており、本実施形態では、０．６×Ｒ以上２×Ｒ未満の範囲内に設定されており、より具体的には、１．３８×Ｒとされている。

カウンターウエイト部２６に設けられた第２の打撃部２７は半球状をなし、第２の打撃部２７の端面が半球面状をなす第２の打撃面２７Ａとされている。ここで、第２の打撃面２７Ａがなす半球面の曲率半径Ｒは、５ｍｍ≦Ｒ≦３０ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態ではＲ＝１７．５ｍｍとされている。
また、カウンターウエイト部２６の中間部の直径Ｄ２は、第２の打撃面２７Ａがなす半球面の曲率半径Ｒの２倍よりも小さく設定されており、本実施形態では、０．６×Ｒ以上２×Ｒ未満の範囲内に設定されており、より具体的には、１．３８×Ｒとされている。

柄部２１の中心線Ｃから打撃面２５Ａ先端までの距離Ｌ１と中心線Ｃからカウンターウエイト部２６に設けられた第２の打撃面２７Ａ先端までの距離Ｌ２とが、１≦Ｌ１／Ｌ２≦２の範囲内に設定されており、本実施形態では、Ｌ１／Ｌ２＝１．３２とされている。

柄部２１の先端部分２１Ａの半分程度までがヘッド本体２３に設けられた装着孔２３Ａに嵌入されることにより、柄部２１とヘッド部２２とが結合され、柄部２１の先端部分２１Ａの残り半分の部分に保護筒２９が被せられ、本実施形態であるハンマー２０が構成される。

本実施形態であるハンマー２０によれば、カウンターウエイト部２６の端面に第２の打撃面２７Ａが形成されているので、第２の打撃面２７Ａによっても打撃を加えることが可能となり、破砕する対象物の形状や使用状況に応じて２つの打撃面２５Ａ、２７Ａを使い分けて多結晶シリコンを効率良く破砕することができる。例えば、大きな衝撃を与えたい場合には柄部２１の中心線Ｃから離間した打撃面２５Ａを用いて打撃し、衝撃を与える位置を精度良く決定したい場合には柄部２１の中心線Ｃに近接した第２の打撃面２７Ａを用いて打撃するとよい。

以上、本発明の実施形態であるハンマーについて説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、柄部を木材で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の材質で構成されていてもよい。また、柄部とヘッド部との結合に結合ピンを用いてもよい。

また、柄部の長手方向とヘッド部の延在方向とが直交するように構成されたものとして説明したが、これに限定されることはなく、斜交するように構成されていてもよい。
さらに、打撃面を半球面としたもので説明したが、これに限定されることはなく、凸曲面であればよい。

本発明の第１の実施形態であるハンマーの側面図である。 本発明の第１の実施形態であるハンマーの上面図である。 本発明の第２の実施形態であるハンマーの側面図である。 本発明の第２の実施形態であるハンマーの上面図である。

符号の説明

１０、２０ ハンマー
１１、２１ 柄部
１２、２２ ヘッド部
１３、２３ ヘッド本体
１４、２４ 連結軸部
１５、２５ 打撃部
１５Ａ、２５Ａ 打撃面
１６、２６ カウンターウエイト部
１９、２９ 保護筒
２７ 第２の打撃部
２７Ａ 第２の打撃面

Claims (5)

1. 棒状の柄部と、この柄部の先端で該柄部の中心線と交差する方向に延在するヘッド部とを有し、
   該ヘッド部は、前記柄部と結合するヘッド本体と、このヘッド本体の一端側に連結軸部を介して連設された打撃部と、前記ヘッド本体の他端側に設けられたカウンターウエイト部とを備えており、これらヘッド本体、連結軸部、打撃部及びカウンターウエイト部が超硬合金によって一体に成形されており、
   前記打撃部の端面には、凸曲面状をなす打撃面が形成され、
   前記打撃面がなす凸曲面の曲率半径Ｒが、５ｍｍ≦Ｒ≦３０ｍｍの範囲内に設定されていることを特徴とする多結晶シリコン破砕用ハンマー。
2. 前記打撃部は半球状をなしており、前記連結軸部は、前記打撃部がなす半球の直径よりも一段小径と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破砕用ハンマー。
3. 前記柄部の前記中心線から前記打撃面先端までの距離Ｌ１と前記中心線から前記カウンターウエイト部の端面までの距離Ｌ２とが、１≦Ｌ１／Ｌ２≦２の関係を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多結晶シリコン破砕用ハンマー。
4. 前記柄部は木材によって構成されており、前記柄部には合成樹脂製の保護筒が外嵌されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多結晶シリコン破砕用ハンマー。
5. 前記カウンターウエイト部の端面に、第２の打撃面が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の多結晶シリコン破砕用ハンマー。

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