JP5531876B2

JP5531876B2 - 多結晶シリコンの破砕装置

Info

Publication number: JP5531876B2
Application number: JP2010204924A
Authority: JP
Inventors: 紀一駒田
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-09-13
Also published as: JP2012055875A

Description

本発明は、半導体用シリコンの原料である多結晶シリコンを塊状に破砕する装置に関する。

半導体チップに使用されるシリコンウエハは、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、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には、ダイヤモンドカッターによる切断や、ハンマーで直接叩き割る方法等が知られている。
ダイヤモンドカッターによる切断や、ハンマーで直接叩き割る場合においては、多段階にわたり作業を繰り返すことによる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。

また、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粉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のロール表面には複数の歯が形成されており、これら歯と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。
しかしながら、この装置においては、ロールに形成された各歯の歯元と内壁面との隙間に、破砕された塊状のシリコンが押し込まれ、すり潰されるために、多結晶シリコンの微粉が生成される割合が多い。したがって、所望の大きさの塊状のシリコンにする破砕効率が低いだけでなく、生じた微粉は粒径が小さいためにＣＺ法では用いることができず、損失が大きいものとなっている。

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。
この場合、ロール間で多結晶シリコンの塊がすり潰されながら破砕されるため、多結晶シリコンの微粉が生成される割合が多く、効率的でない。

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

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、破砕時に微粉の発生を抑えることができる、多結晶シリコンの破砕に適した装置を提供する。

本発明は、平行な軸心回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は、少なくとも３歯で一組とする破砕歯が複数組設けられており、前記一組の破砕歯は、対向する破砕歯同士のそれぞれの対向面又は辺が、これらの中間に位置する前記ロールの外周面の法線と平行又は歯先よりも歯元が離間して設けられることを特徴とする。

この破砕装置によれば、一方のロールの破砕歯と他方のロールの破砕歯とによって多結晶シリコンの破砕物を挟み込むことで、確実に破砕物を把持して、ロールの回転に伴って把持部から破砕することができる。
また、一つのロールにおける各破砕歯の間隔は、得ようとする多結晶シリコンの塊のサイズに応じた間隔を備えるとともに、各破砕歯の間隔を、平行もしくは歯先よりも歯元の方を大きくして設けていることから、破砕歯の先端で破砕された多結晶シリコンの塊が、各破砕歯の間に押し込まれた場合も、押し込まれた先の空間が少なくとも破砕後の塊以上の大きさとなっていることにより、塊が押しつぶされて過度に微細化されることを回避できる。破砕歯の間隔を、歯先よりも歯元の方を大きくした場合には、破砕後の多結晶シリコンの塊よりも広がった逃げ形状となっていることにより、さらに効果的である。
また、一組の破砕歯は４歯以上に設けてもよいが、その数は少なくする程よく、破砕物との接触面積を減らすことができ、さらに微粉の発生を抑えることができる。

また、本発明の多結晶シリコンの破砕装置において、前記一対のロールは同調して回転し、各ロールの前記破砕歯が最も近接する位置において、前記破砕歯の先端同士が対向するように設けられるとよい。

この場合、各ロールの破砕歯は同じ角度及びタイミングで多結晶シリコンの破砕物に当接するため、破砕後の多結晶シリコンの塊のサイズを、確実に各ロールの各破砕歯の間隔で形成される空間サイズ以下とすることができ、塊が押しつぶされて過度に微細化されることを回避することができる。

本発明の多結晶シリコンの破砕装置によれば、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、破砕時において、微粉の発生を抑えることができる。

本発明に係る多結晶シリコン破砕装置の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。図１に示すロールの要部拡大図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。他の実施形態の破砕歯を説明する上面図である。

以下、本発明に係る多結晶シリコンの破砕装置の一実施形態について説明する。
本実施形態の破砕装置１００は、図１に示すように、平行な軸１１回りに互いに同調して逆回転する一対のロール１ａ，１ｂを備えるダブルロールクラッシャーである。そして、これらロール１ａ，１ｂの外周面１２上に、複数の破砕歯２が設けられており、各ロール１ａ，１ｂに設けられた破砕歯２で多結晶シリコンの破砕物３を挟み込むことにより、この破砕物３を所望の大きさに破砕する。

ロール１ａ，１ｂは離間して設けられ、この離間距離を調整可能に軸１１に軸支されている。これにより、破砕後に得られる多結晶シリコンの塊３０を所望のサイズに調整することが可能である。これらロール１ａ，１ｂは、例えば、ＳＵＳ材で形成される。

各ロール１ａ，１ｂに設けられる破砕歯２は、ロール１ａ，１ｂの回転方向に先行する一対の第１破砕歯２ａと、この第１破砕歯２ａから回転方向に間隔をおいて設けられる第２破砕歯２ｂとを一組として構成される。第１破砕歯２ａは、ロール１ａ，１ｂの外周面１２上に軸方向に沿って並んで配置されている。そして、これら３歯で構成される破砕歯２を複数組、等間隔にロール１ａ，１ｂの外周面１２上に設置した構成となっている。これらの破砕歯２の先端部には、例えば、超硬合金が用いられる。
第１破砕歯２ａ及び第２破砕歯２ｂは、図２に示すように、それぞれが対面して設けられる非対称な多角錐形状とされており、第１破砕歯２ａ及び第２破砕歯２ｂのロール１ａ，１ｂの周方向に対向する各対向面２１ａ，２１ｂは、その対向面同士の中間に位置するロール１ａ，１ｂの外周面１２の法線Ｏａに相互に平行となるように設けられている。また、一対に設けられる第１破砕歯２ａ同士のロール１ａ，１ｂの軸方向に対向する対向面２２ａも、その対向面同士の中間に位置するロール１ａ，１ｂの法線Ｏｂに沿って平行に設けられている。図２（ｂ）に示す例では、破砕歯２ａ，２ｂの対向面２１ａ，２１ｂ同士は平行に設けられ、破砕歯２ｂの対向面２２ｂ同士も平行に設けられている。
また、これら対向面２１ａ，２１ｂ及び対向面２２ａの間隔Ｌ１，Ｌ２、破砕歯２のロール１ａ，１ｂの外周面１２からの最大突出量Ｌ３は、得ようとする多結晶シリコンの塊３０の最大許容寸法値に応じて決定される。

また、各ロール１ａ，１ｂに設けられる各破砕歯２は、図１（ａ）に示すように、同調するロール１ａ，１ｂの回転に伴って最も近接する配置となった際に、第１破砕歯２ａ及び第２破砕歯２ｂの先端同士が、それぞれ対向するように設けられている。これにより、各ロール１ａ，１ｂの破砕歯２を同じ角度及びタイミングで破砕物３に当接させることができる。
なお、一組の破砕歯２の組同士の間隔は、得られる多結晶シリコンの塊３０よりも十分に大きく形成されている。

一方、ロール１ａ，１ｂ間の上方には、多結晶シリコンの破砕物３を投下する投下手段４が設けられている。そして、破砕物３が投下されるロール１ａ，１ｂ間の投下位置には、投下する破砕物３と、破砕歯２との噛み込みのタイミングを調整するタイミング機構５が設けられている。このタイミング機構５は、破砕物３の投入時に、ロール１ａ，１ｂ間の破砕歯２の通過位置に配置されることにより、破砕歯２が破砕物３を噛み込むまでの間、破砕物３を受け、破砕物３を破砕歯２で確実に把持させた後、破砕時にはロール１ａ，１ｂ間から退避して、破砕後の多結晶シリコンの塊３０を排出する際の妨げとならない。
このタイミング機構５としては、例えば、ローラ１ａ，１ｂに同期して、ロール１ａ，１ｂ間を回転方向に移動しながら、所定の位置で退避する動作を反復する機構や、片持ち状態の梁をロール１ａ，１ｂの回転方向に倒しながら退避して、破砕物３の破砕後に元の位置に戻す機構等がある。
また、このタイミング機構５は、ロール１ａ，１ｂの回転速度や、破砕物３をロール１ａ，１ｂ間に投下するタイミング等を調整することにより、省略することも可能である。

次に、このように構成した破砕装置１００によって、多結晶シリコンの破砕物３を破砕する方法について説明する。
破砕物３には、φ１２０ｍｍ×Ｌ２０００ｍｍの多結晶シリコンのロッドを切断や熱衝撃破砕等によって、ある程度の大きさまで破砕したものを用いる。

まず、破砕物３は、投下手段４によりロール１ａ，１ｂ間の上方に運ばれて投下される。このとき、タイミング機構５によって、破砕物３は所定位置に保持されるので、ロール１ａ，１ｂ上の回転する破砕歯２ａ，２ｂの先端と確実に当接させることができる。
そして、ロール１ａ，１ｂ間に挟まれて把持された破砕物３は、ロール１ａ，１ｂの回転にともなって破砕歯２の先端部から破砕される。
各破砕歯２の間隔は、得ようとする多結晶シリコンの塊３０のサイズ以上の間隔を備えていることから、破砕歯２の先端で破砕された塊３０が、各破砕歯２の間の空間に押し込まれた場合にも、押しつぶされることなく、破砕歯２の間を通過して、破砕装置１００の下方に落下して取り出される。

以上説明したように、この多結晶シリコンの破砕装置１００によれば、ロール１ａ，１ｂの外周面１２上に設けられた破砕歯２によって多結晶シリコンの破砕物３を確実に把持して挟み込むことで、ロール１ａ，１ｂの回転に伴って効率的に破砕することができる。
さらに、各破砕歯２の間隔は、得ようとする多結晶シリコンの塊３０のサイズに応じた隙間を備え平行に設けられていることから、各破砕歯２で形成される空間が少なくとも破砕後の塊３０以上の大きさとなっており、破砕歯２の先端で破砕された塊３０が、各破砕歯２の間に押し込まれた場合も、塊３０が押しつぶされることがなく、過度に微細化されることを回避できる。
なお、破砕歯２の間隔を、歯先よりも歯元の方を大きくした場合には、破砕後の多結晶シリコンの塊３０よりも広がった逃げ形状とすることができ、さらに効果的である。

また、一対のロール１ａ，１ｂは同調して回転し、各ロール１ａ，１ｂの破砕歯２が最も近接する位置において、破砕歯２の先端同士が対向するように設けられているので、各ロール１ａ，１ｂの破砕歯２は同じ角度及びタイミングで破砕物３に当接するため、破砕後の多結晶シリコンの塊３０のサイズを、確実に各ロール１ａ，１ｂの各破砕歯２の間隔で形成される空間サイズ以下とすることができる。
さらに、本発明の多結晶シリコンの破砕装置１００においては、破砕する多結晶シリコンの破砕物３の大きさに対応させて一対のロール１ａ，１ｂの間隔を調整することにより、確実に破砕物３を把持して破砕できるとともに、得ようとする破砕後の多結晶シリコンの塊３０を所望のサイズに調整することができる。

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、上述の実施形態においては、第１破砕歯２ａを２歯、第２破砕歯２ｂを１歯とする３歯で一組の破砕歯２として説明したが、第１破砕歯２ａを１歯、第２破砕歯２ｂを２歯としてもよい。しかし、第１破砕歯２ａを２歯とした方が、投入される破砕物３を一対のロール１ａ，１ｂ間の４歯の第１破砕歯２ａで受けることができるので、破砕物３を受け易い。また、一組を３歯に限定する必要はなく、第１破砕歯及び第２破砕歯をともに２歯ずつで構成して４歯で一組の構成としてもよい。
また、ロール１ａ，１ｂのいずれか一方のロールを、上述のロール１ａ，１ｂと同様にして先行する第１破砕歯を２歯、第２破砕歯を１歯として構成し、対向する他方のロールにおいては第１破砕歯を１歯、第２破砕歯を２歯として構成してもよく、この場合においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、図２に示す実施形態においては、第１破砕歯２ａの２歯と、第２破砕歯２ｂの１歯とで一組の破砕歯を構成し、各破砕歯のそれぞれの対向面（対向面２１ａ，２１ｂ同士及び対向面２２ｂ同士）を平行に設けていたが、図３に示すように、一組の破砕歯をロール外周面の法線Ｏｃに沿う三角柱の側面を形成するように向き合い、又は法線Ｏｃ上のロールから離れた位置に頂点を有する三角錐の側面を形成するように向き合った対向面２１ｃを有する３歯の破砕歯２ｃで構成してもよい。この場合、法線Ｏｃは、対向する３歯の破砕歯２ｃ同士のそれぞれの対向面２１ｃ間の中間に位置する。図３に示す平面視では、法線Ｏｃは、これら対向面２１ｃが形成する三角形Ａ（図中に破線で示す）の図心上に配置される。また、一組の破砕歯の中で、対向部分が複数箇所ある場合、各破砕歯の対向部分において、その対向面同士が、これらの中間に位置するロール外周面の法線と平行又は歯先よりも歯元が離間して設けられていればよい。例えば、図２では、破砕歯２ａの対向面２１ａと破砕歯２ｂの対向面２１ｂが法線Ｏａと平行に設けられ、破砕歯２ｂの対向面２１ｃ同士が法線Ｏｂと平行に設けられている。

１ａ，１ｂロール
２，２ｃ破砕歯
２ａ第１破砕歯
２ｂ第２破砕歯
３破砕物
４投下手段
５タイミング機構
１１軸
１２外周面
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ対向面
３０多結晶シリコン塊
１００多結晶シリコン破砕装置

Claims

平行な軸心回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は、少なくとも３歯で一組とする破砕歯が複数組設けられており、前記一組の破砕歯は、対向する破砕歯同士のそれぞれの対向面又は辺が、これらの中間に位置する前記ロールの外周面の法線と平行又は歯先よりも歯元が離間して設けられることを特徴とする多結晶シリコンの破砕装置。
前記一対のロールは同調して回転し、各ロールの前記破砕歯が最も近接する位置において、前記破砕歯の先端同士が対向するように設けら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。