KR101817047B1

KR101817047B1 - 다결정 실리콘 파쇄물, 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법 및 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치

Info

Publication number: KR101817047B1
Application number: KR1020177007285A
Authority: KR
Inventors: 카츠히로 카와구치; 마사미 후지; 쇼 우치다; 마나부 콘도; 요시후미 미토; 노부아키 요시마츠
Original assignee: 가부시키가이샤 도쿠야마
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2018-01-09
Also published as: US11590509B2; CN106794992B; EP3208236A1; CN106794992A; SG11201703107QA; MY182043A; TW201623145A; US20170239666A1; WO2016060076A1; US20190240669A1; TWI686352B; KR20170037669A; US10307763B2; EP3208236A4

Abstract

[과제] 단결정 실리콘 잉곳 제조시의 조작성, 생산성의 향상에 기여할 수 있는 다결정 실리콘 파쇄물을 제공한다.
[해결 수단] 다결정 실리콘 덩어리를 파쇄하여 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물로서, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.1∼40ppmw인 다결정 실리콘 파쇄물.

Description

다결정 실리콘 파쇄물, 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법 및 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치{POLYCRYSTALLINE SILICON FRAGMENT, METHOD FOR MANUFACTURING POLYCRYSTALLINE SILICON FRAGMENT, AND POLYCRYSTALLINE SILICON BLOCK FRACTURE DEVICE}

본 발명은 다결정 실리콘 덩어리(塊)를 파쇄하여 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물에 관한 것으로서, 더 상세하게는 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말(粉)의 함유량이 저감되며, 또한 미소한 실리콘 더스트(dust)가 적고, 표면 금속 오염도 저감된 다결정 실리콘 파쇄물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기의 다결정 실리콘 파쇄물의 제조에 적합하게 이용되는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 관한 것이다.

폴리 실리콘이라고도 불리는 다결정 실리콘을 제조하는 방법으로서 지멘스법이 알려져 있다. 지멘스법은 벨자형(bell jar)의 반응 용기 내부에 배치된 실리콘 심선(芯線)을 통전(通電)에 의해 실리콘의 석출 온도로 가열하고, 여기에 트리클로로실란(SiHCl₃)이나 모노실란(SiH₄) 등의 실란 화합물의 가스와 수소를 공급하여, 화학기상석출법에 의해 실리콘 심선상에 다결정 실리콘을 석출시켜 고순도의 다결정 실리콘 로드를 얻는다.

얻어진 다결정 실리콘 로드는 다음 공정에 사용하는 장치 또는 다음 공정에서의 제조 대상물의 제조에 적합한 크기로 파쇄, 선별되어, 다음 공정으로 반송된다. 구체적으로는 다결정 실리콘 로드를 탄화 텅스텐 등의 경질 금속으로 구성된 해머 등으로 깨뜨려 원료 다결정 실리콘 덩어리를 얻는다. 그 후, 원료 다결정 실리콘 덩어리를 추가적으로, 경질 폴리머나 경질 금속 등으로 구성된 파쇄 장치에 의해 원하는 입자 사이즈로 파쇄하고, 계속하여 필요에 따라, 같은 재질로 이루어지는 분급 장치에 의해 원하는 사이즈로 분급하여, 원하는 입자 사이즈를 갖는 다결정 실리콘 파쇄물을 얻는다.

얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물은 그 사이즈에 따라, 더스트, 분말(粉), 칩, 너겟, 청크(chunk) 등으로 불리지만 엄밀한 분류의 기준은 없다. 본 명세서에서는, 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 것을 "실리콘 더스트"라고 하고, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 것을 "다결정 실리콘 분말"이라고 하고, 이들 실리콘 더스트, 다결정 실리콘 분말 및 원하는 사이즈의 다결정 실리콘 파쇄편 등을 포함하는 다결정 실리콘 덩어리를 파쇄하여 얻어진 파쇄편을 "다결정 실리콘 파쇄물"이라고 한다.

다결정 실리콘 로드의 파쇄, 선별시에는 로드 및 파쇄물이 파쇄 장치나 선별 장치에 접촉하고, 이들 장치로부터의 오염물이 표면의 표면 산화층에 부착된다. 또한, 파쇄 장치 내부의 마모 등에 의해 금속의 미세한 분말이 발생하고, 파쇄물의 표면 산화층에 부착되어 오염되는 경우도 있다. 이것을 표면 금속 오염이라고 부른다. 표면 금속 오염은 파쇄물의 입자 사이즈가 작아질수록 증대하는 경향에 있으며, 특히 입자 사이즈가 작은 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말에 오염물이 부착되어 표면 금속 오염을 증대한다.

표면 금속 오염을 저감시키기 위하여, 다결정 실리콘에 산(酸)처리 등의 습식 화학 처리를 실시하는 것은 널리 행해지고 있다. 이러한 습식 화학 처리에 의해, 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말의 입자 직경이 작은 것도 제거되며, 또한, 다결정 실리콘 분말의 입자 직경이 큰 것이나 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 오염도 제거되기 때문에, 다결정 실리콘 파쇄물에 동반하는 실리콘 더스트량 및 표면 금속 오염은 ppbw의 오더 이하까지 저감할 수 있다. 따라서, 실리콘 단결정의 육성 원료로 매우 높은 순도가 요구되는 경우에는, 습식 화학 처리를 실시하여 다결정 실리콘 파쇄물에서의 불순물 레벨을 가능한 한 저감하고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1(일본특허공개 평6-144822)에는 분쇄에 의해 미세 입자화되어, 입자의 직경이 1000㎛ 이하의 상기 다결정 실리콘 분말 정도가 되면, 분쇄기 마모 등에 의해 발생하는 금속의 미세한 분말 등의 불순물의 혼입이 심하게 되어, 반도체 용도를 고려하면 습식 화학 처리를 실시하는 것이 필요하게 됨이 명기되어 있다(단락[0009] 참조). 그러나, 습식 화학 처리에는 비용이 든다. 또한, 반도체 용도의 경우, 상기 1000㎛ 이하까지 입자의 직경이 작아진 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말에 대해서는, 상기 습식 화학 처리로도 고순도화는 충분하게 달성할 수 없는 것이 나타나고 있다.

한편, 태양광 패널의 제조 등의 용도로 이용되는 다결정 실리콘에는 상기와 같이 매우 높은 순도는 요구되지 않는다. 이 때문에, 용도에 따라서, 실리콘 더스트량이나 표면 금속 오염이 허용치 이하라면, 과도하게 순도를 높이지 않고 비용의 저감을 우선하는 경우가 있다.

비교적 저비용으로 표면 금속 오염을 저감할 수 있는 방법으로서, 특허문헌 2(일본특허공개 2012-46412)에는 파쇄, 분급 후의 다결정 실리콘에 압축 공기 또는 드라이 아이스를 분사하여, 실리콘 더스트를 제거하는 방법이 제안되어 있다.

그러나, 다결정 실리콘 파쇄물에 압축 공기를 분사하면, 그 풍압에 의해 실리콘 더스트는 제거되지만, 동시에 실리콘 더스트보다 입자의 직경이 큰 실리콘 파쇄물이 튀어오르거나, 파쇄물끼리 충돌하기 때문에 새로운 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말이 발생할 수 있다. 또한, 실리콘 로드의 파쇄시에는 파쇄물의 파단면에 산화막이 형성된다. 이 산화막에 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말이 부착되면, 표층의 산화막과 파쇄물 파단면의 산화막이 일체화되어, 이들 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말의 제거가 어렵게 되는 것이 예상된다. 나아가, 분급후에 다결정 실리콘을 중첩시킨 상태에서 압축 공기를 분사해도, 중첩된 파쇄물의 틈에 들어간 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말을 충분히 제거할 수 없다.

또한, 특허문헌 2에서는 입자 사이즈가 400㎛ 미만인 실리콘 더스트를 제거 대상으로 하고 있다. 입자 사이즈가 500㎛(0.5㎜) 이상인 파쇄물에 대해서는, 제품으로 인식되어 제거 대상이 되지 않는다. 그러나, 입자 사이즈가 500㎛∼1㎜ 정도의 본 발명에서 "다결정 실리콘 분말"이라고 하는 입자 사이즈의 미립자에서도, 상기 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이 금속 불순물의 혼입은 여전히 심하여, 본 발명자가 검토한 바, 아래와 같은 결함이 발견되었다.

다결정 실리콘 파쇄물은 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 단결정 잉곳 제조시에 용융 용기로의 다결정 실리콘 파쇄물의 충전을 원활하게 행할 필요가 있다. 그러나, 500㎛∼1㎜ 정도의 다결정 실리콘 분말이 포함되면, 다결정 실리콘 파쇄물의 유동성이 나빠져서, 용융 용기에의 원활한 투입이 방해될 경우가 있다. 또한, 잉곳 제조를 위해서는, 다결정 실리콘 파쇄물을 용융 용기중에서 용융하여 인상을 행한다(초크랄스키(CZ)법이라고 불린다). 그러나, 500㎛∼1㎜ 정도의 분말체는 융해하기 어려울 수 있어 결정 생성의 핵이 되어, 잉곳이 다결정화될 경우가 있다. 이 때문에, 단결정 잉곳을 제조하기 위해서는, 다결정화한 잉곳을 재용융하여, 다시 인상을 행할 필요가 있어 생산성의 저하를 초래한다.

또한, 실리콘 파쇄물이 중첩된 상태에서는, 압축 공기를 분사해도 미세한 실리콘 더스트는 제거할 수 있지만, 500㎛∼1㎜의 다결정 실리콘 분말을 제거하는 것은 어렵다. 압축 공기의 압력을 과도하게 강력하게 하면, 전술한 바와 같이 실리콘 파쇄물이 튀어오르거나 파쇄물끼리 충돌하기 때문에, 새로운 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말이 발생한다.

특허문헌 3(일본특허공개 2009-78961)에는 대전된 다결정 실리콘에 더스트가 부착되는 것을 방지하기 위하여, 다결정 실리콘에 이온화한 청정공기를 분사하여, 정전기를 제거하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 다결정 실리콘 로드의 파쇄시에, 장치로부터 파쇄물 표면에 금속이 부착되는 것을 힘껏 방지하는 것이 바람직하고, 그 파쇄 장치에 있어서, 다결정 실리콘 로드에 대한 외력 부하 부재, 구체적으로 조 크러셔(jaw crusher)이면, 가동톱니나 고정톱니의 재질을 탄화 텅스텐 등의 경질 금속으로 구성하는 것이 시도되고 있으며(예를 들면, 일본특허공개 2004-161595), 특허문헌 4(일본특허 제4351666호)에는, 초경질 분쇄 공구를 구비한 분쇄기에 의해 다결정 실리콘을 분쇄하고, 분급하는 실리콘 분쇄물의 제조 장치가 개시되어 있다.

[특허문헌 1] 일본특허공개 평 6-144822 [특허문헌 2] 일본특허공개 2012-46412 [특허문헌 3] 일본특허공개 2009-78961 [특허문헌 4] 일본특허 제4351666호

상술한 바와 같이 특허문헌 2에서는, 압축 공기 또는 드라이 아이스를 분사함으로써, 다결정 실리콘에서 입자 사이즈가 400㎛ 미만인 실리콘 더스트를 제거하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 1에서는, 입자 사이즈가 500㎛∼1㎜ 정도의 다결정 실리콘 분말은 제품으로 간주되어, 제거 대상이 되지 않는다. 그러나, 입자 사이즈가 500㎛∼1㎜ 정도의 실리콘 미립자는 특히 단결정 실리콘 잉곳 제조시의 조작성, 생산성을 손상하는 요인이 된다. 한편, 중첩된 다결정 실리콘 파쇄물의 집합에 대하여, 압축 공기 또는 드라이 아이스를 분사해도, 입자 사이즈가 500㎛∼1㎜ 정도의 실리콘 미립자를 효율적으로 제거하는 것은 어려우며, 분사량을 과도하게 높여서 실시하면, 반대로 새로운 실리콘 더스트나 다결정 실리콘 분말을 생성할 수도 있다.

따라서, 본 발명은 입자 사이즈가 500㎛∼1㎜ 정도의 다결정 실리콘 분말이 제거되어, 특히 단결정 실리콘 잉곳 제조시의 조작성, 생산성의 향상에 기여할 수 있는 다결정 실리콘 파쇄물을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

또한, 종래 기술에 따른 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 있어서, 외력 부하 부재의 재질을 탄화 텅스텐과 같은 경질 금속으로 구성해도, 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 금속 오염을 충분히 저감할 수 없어, 만족할 수 있는 수준까지 표면 금속 오염을 저감할 수 있는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치는 실현할 수 없었다.

따라서, 본 발명은 파쇄시에 있어서, 금속의 다결정 실리콘 파쇄물에의 부착을 저감할 수 있고, 상기 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법 및 그 제조에 적합한 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 바, 파쇄 장치내에서 파쇄된 다결정 실리콘이, 자유 낙하하는 과정에서 흡인됨으로써 500㎛∼1㎜ 정도의 다결정 실리콘 분말을 효율적으로 제거할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

상기 목적을 달성하는 본원 발명은 하기의 요지를 포함한다.

즉, 다결정 실리콘 파쇄물은 다결정 실리콘 덩어리를 파쇄하여 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물로서, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.1∼40ppmw이다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물은 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 3∼140ppmw이어도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물은 상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90질량% 이상이 2∼90㎜의 입자 사이즈를 가져도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물은 상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90중량% 이상이 4∼60㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 1∼30ppmw이고, 나아가 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 10∼60ppmw이어도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물은 상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90중량% 이상이 2∼40㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 2∼40ppmw이고, 나아가 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 20∼140ppmw이어도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물은 상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90중량% 이상이 20∼90㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.5∼25ppmw이고, 나아가 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 5∼50ppmw이어도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물은 금속에 의한 표면 오염이 0.5∼50ppbw이어도 되고, 표면 오염의 금속이 Na, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Co 및 W로 이루어지는 군을 포함해도 된다.

본 발명에 따른 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치는,

원료 투입구에서 투입된 원료 다결정 실리콘 덩어리를 외력 부하 부재의 가동에 의해 기계적으로 파쇄하여, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말을 포함하는 다결정 실리콘 파쇄물을 생성하고, 이것을 배출구에서 내보내는 파쇄부와,

상기 파쇄부의 아래쪽으로 이어져 있으며, 상기 배출구에서 나온 상기 다결정 실리콘 파쇄물을 중력에 따라서 낙하 이동시키는 낙하 이동부와,

상기 낙하 이동부의 아래쪽에 위치하고, 상기 낙하 이동부를 상기 낙하 이동한 후 상기 다결정 실리콘 파쇄물을 받아들이는 수용부를 가지며,

상기 낙하 이동부는, 상기 다결정 실리콘 파쇄물에 동반하는 상기 다결정 실리콘 분말의 적어도 일부를, 상기 낙하 이동의 방향과는 다른 방향으로 흡인하여 제거하는 흡인 제거부를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 예를 들면, 상기 외력 부하 부재는, 가동하는 가동톱니와 고정된 고정톱니를 가지며, 상기 파쇄부는, 위쪽의 상기 원료 투입구에서 투입된 상기 원료 다결정 실리콘 덩어리를 상기 가동톱니와 상기 고정톱니의 사이에 끼워서 파쇄하고, 이것을 아래쪽의 상기 배출구에서 내보내는 구조이어도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치는, 상기 외력 부하 부재의 가동에 따라 슬라이딩(摺動)하는 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애(塵埃)를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부를 가져도 된다.

또한, 예를 들면, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법은 상기의 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치를 이용해도 된다.

또한, 예를 들면, 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법은, 상기 수용부에서 받아들인 상기 다결정 실리콘 파쇄물에 에어를 분사하는 에어 블로 공정을 가져도 된다.

또한, 예를 들면, 본 발명에 따른 다결정 실리콘 파쇄물은, 상기의 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법에 의해 얻어진다.

또한, 본 발명자는, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 의해 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 금속 오염의 원인은 상기 다결정 실리콘 덩어리를 파쇄하는 외력 부하 부재에 유래할 뿐만 아니라, 외력 부하 부재의 가동에 의해 슬라이딩하는 슬라이딩부에서의 슬라이딩 진애가 비산되어 상기 파쇄물 표면에 부착되는 양도 상당한 양임을 밝혀냈다. 그리고, 이 지견(知見)을 바탕으로, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 있어서, 해당 슬라이딩 진애를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부를 마련함으로써, 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 금속 오염은 더욱 저감할 수 있는 것을 발견했다.

이러한 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치는, 원료 다결정 실리콘 덩어리에 대하여 외력을 더하는 외력 부하 부재의 가동에 의해, 원료 다결정 실리콘 덩어리를 기계적으로 파쇄하여 다결정 실리콘 파쇄물을 생성하는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 있어서,

상기 외력 부하 부재의 가동에 의해 슬라이딩하는 슬라이딩부를 가지고 있으며, 상기 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 다결정 실리콘 로드의 커다란 파쇄물인 원료 다결정 실리콘 덩어리를 파쇄하여, 다결정 실리콘 파쇄물을 얻을 때 파쇄된 다결정 실리콘 파쇄물이 파쇄 장치내를 자유 낙하하는 사이에, 그 낙하 방향과는 다른 방향으로 흡인하기 때문에, 미세한 실리콘 더스트 뿐만 아니라, 비교적 입자 사이즈가 큼직한 다결정 실리콘 분말까지 효율적으로 제거할 수 있다. 이것은 다결정 실리콘 파쇄물이 중첩되어, 비교적 큰 파쇄물의 간극에 다결정 실리콘 분말이나 실리콘 더스트가 들어가기 전의 상태이며, 파쇄물이 낙하 공간에 확산되어, 상기 다결정 실리콘 분말이나 실리콘 더스트도 대부분이 파쇄물에 산재하는 상태로 흡인되기 때문에, 상기 다결정 실리콘 분말도 효율적으로 제거할 수 있는 것이라고 생각된다. 또한, 흡인시에 다결정 실리콘 파쇄물은 파쇄 직후이며, 파단면에 산화막은 형성되어 있지 않고, 해당 표층의 산화막에 다결정 실리콘 분말이나 실리콘 더스트가 일체화하여 부착될 일이 없는 것도 영향이 있는 것은 아닐까 생각된다.

얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물은, 입자 사이즈 500∼1000㎛의 다결정 실리콘 분말의 함유량이 대폭적으로 저하되기 때문에, 특히 단결정 실리콘 잉곳을 제조할 때의 조작성, 생산성 향상에 기여할 수 있다.

또한, 파쇄 장치 내부의 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부를 갖는 실시 형태를 이용하여 원료 다결정 실리콘 덩어리를 파쇄한 경우에는, 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애는 효율적으로 흡인 제거된다. 따라서, 장치내를 비산하는 슬라이딩 진애량을 저감할 수 있으며, 제조되는 다결정 실리콘 파쇄물 표면에의 부착을 크게 억제할 수 있다. 그 결과, 표면 금속 오염이 고도로 저감된 다결정 실리콘 파쇄물을 효율적으로 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치의 개략 사시도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치의 단면 구조를 나타내는 개념도이다.

이하, 본 발명에 대하여 더 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 다결정 실리콘 파쇄물은 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말을 함유한다. 다결정 실리콘 파쇄물은 원료 다결정 실리콘 덩어리를 원하는 입자 사이즈로 파쇄하여 얻어진다. 원료 다결정 실리콘 덩어리는 어떠한 방법으로 얻어도 좋지만, 일반적으로는 지멘스법에 의해 얻어지는 다결정 실리콘 로드를 탄화 텅스텐 등의 경질 금속으로 구성된 해머 등에 의해 깨뜨려서 얻어진다. 원료 다결정 실리콘 덩어리를 후술하는 것처럼 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 의해 파쇄하는 것으로 다결정 실리콘 파쇄물이 얻어지고, 파쇄시에는 실리콘 더스트 외에, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말이 생성된다.

본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물은 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 비율이 0.1∼40ppmw, 바람직하게는 3∼35ppmw까지 저감되어 있다.

본 명세서에 있어서, 다결정 실리콘 분말의 입자 사이즈란, 1000㎛의 메쉬 필터를 통과하고, 500㎛의 메쉬 필터상에 포집되는 분말 상태를 의미하며, 그 함유량은 500㎛의 메쉬 필터에서 회수된 미분의 질량으로부터 산출된다. 구체적으로는 후술하는 실시예에서 설명하는 방법으로 측정된다.

또한, 본 명세서에 있어서 ppmw란, 중량 기준에서의 백만분율을 의미하며, ppbw는 중량 기준에서의 십억분율을 의미한다.

본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물은 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말량이 저감되어 있기 때문에, 특히 단결정 실리콘 잉곳 제조시의 조작성, 생산성의 향상에 기여할 수 있다. 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말량을 0.1ppmw 미만으로 하는 것은 고비용의 습식 화학 처리 이외의 수단으로는 어려우며, 또한 실리콘 잉곳 제조시의 조작성, 생산성이 더 크게 향상되는 것도 기대할 수 없고, 경제적 의의도 낮다. 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말량이 40ppmw를 초과하면, 그 유동성이 손상되며, 게다가 이것을 이용하여 얻어지는 단결정 실리콘 잉곳이 다결정화되는 경우가 있다.

다결정 실리콘 파쇄물은 제어된 입도(粒度) 분포를 갖는 것이 바람직하다. 다결정 실리콘 파쇄물은 실리콘 단결정의 육성 원료 등으로 바람직하게 이용되며, 용융 용기에 충전(充?)되어, 융해, 인상 등이 행하여 진다. 제어된 입도 분포를 갖는 다결정 실리콘 파쇄물은 용융 용기에의 충전시에 유동성이 일정하고, 안정적인 공급이 가능하게 된다.

다결정 실리콘 파쇄물은 그 사이즈에 따라, 더스트, 분말(粉), 칩, 너겟, 청크(chunk) 등으로 불리지만 엄밀한 분류기준은 없다. 본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물은 일반적으로는 칩, 청크라고 불리지만 너겟도 포함한다.

다결정 실리콘 파쇄물은 용융 용기로의 공급 장치에 적합한 입자 사이즈를 갖는 것이 바람직하고, 공급 장치의 사양 등에 의해 적절하게 설정된다. 또한 다결정 실리콘 파쇄물은 그 용도에 따른 입자 사이즈를 갖는 것이 바람직하다. 다결정 실리콘 파쇄물은 파쇄후에, 원하는 입자 사이즈, 입도 분포를 갖도록 선별, 분급해도 된다. 다만, 분급 후의 실리콘 파쇄물에도 미량의 다결정 실리콘 분말이 포함된다.

다결정 실리콘 파쇄물의 입도 분포는 특별히 제한되는 것은 아니고, 통상 2∼120㎜의 넓은 범위에서 채택된다. 본 명세서에서 개시된 입도 분포의 범위는 범위 자체를 개시할 뿐만 아니라, 범위의 경계도 포함시키며, 그 범위에 포함되는 어떠한 범위도 개시하는 것이다. 예를 들면, 2∼40㎜ 범위의 개시에는 2∼40㎜의 범위뿐만 아니라, 3㎜도, 4㎜도, 5㎜도, 6㎜도, 7㎜도, 34㎜도, 35㎜도, 그 밖의 이 범위에 포함되는 다른 수치도 포함된다. 또한, 예를 들면 2∼40㎜ 범위의 개시에는 2∼5㎜, 2∼35㎜도, 그 밖의 그 범위에 포함되는 다른 부분 범위와 마찬가지로 포함되며, 또한, 여기에서 개시한 범위와 등가(等價)의 범위도 마찬가지로 포함된다.

또한, 본 명세서에 있어서, 다결정 실리콘 파쇄물의 입자 사이즈란, 파쇄물의 장경(長徑)을 의미하며, 그 입도 분포는 캘리퍼스 등의 계측 기구에 의해 5kg분(分)의 파쇄물을 측정하는 것에 의해 구해진다.

나아가, 본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물은 상기 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 적을뿐만 아니라, 입자 사이즈 500㎛ 미만의 실리콘 더스트의 함유 비율도 적은 것이 바람직하고, 그 함유 비율이 3∼140ppmw인 것이 특히 바람직하다. 실리콘 더스트의 함유 비율이 적은 것에 의해, 표면 금속 오염이 쉽게 저감되어 바람직하다. 또한, 실리콘 더스트를 상기 하한값 이하로 감소시키는 것은 순도와 경제성의 밸런스 관점에서 효율적이지 않다.

또한, 본 명세서에 있어서, 실리콘 더스트의 입자 사이즈란, 500㎛의 메쉬 필터를 통과하는 미소입경의 분말 상태를 의미하고, 그 함유량은 1㎛ 메쉬의 여과지로 포집한 미분의 포집 전후의 여과지 질량차에 의해 측정된다. 구체적으로는 후술의 실시예에서 설명한 방법에 의해 측정된다.

본 발명의 바람직한 다결정 실리콘 파쇄물은, 그 90중량% 이상이 2∼90㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.1∼40ppmw, 특히 바람직하게는 3∼35ppmw이고, 나아가, 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 3∼140ppmw, 특히 바람직하게는 10∼120ppmw이다. 상기의 입도 분포를 갖는 것으로, 다결정 실리콘의 유동성이 일정하고, 용융 용기에의 안정적인 공급이 가능하게 된다.

본 발명의 다른 바람직한 다결정 실리콘 파쇄물은, 그 90중량% 이상이 4∼60㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 1∼30ppmw, 특히 바람직하게는 5∼25ppmw이고, 나아가, 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 10∼60ppmw, 특히 바람직하게는 15∼50ppmw인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 바람직한 다결정 실리콘 파쇄물은, 그 90중량% 이상이 2∼40㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 2∼40ppmw, 특히 바람직하게는 5∼35ppmw이고, 나아가, 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 20∼140ppmw, 특히 바람직하게는 30∼120ppmw인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 바람직한 다결정 실리콘 파쇄물은, 그 90중량% 이상이 20∼90㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.5∼25ppmw, 특히 바람직하게는 3∼20ppmw이고, 나아가 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 5∼50ppmw, 특히 바람직하게는 10∼40ppmw인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 바람직한 다결정 실리콘 파쇄물은 표면 산화층의 금속 오염이 저감되어 있다. 즉, 금속에 의한 표면 오염이 0.5∼50ppbw, 더 바람직하게는 2∼40ppbw이다. 상술한 바와 같이, 다결정 실리콘에서 다결정 실리콘 분말, 나아가 실리콘 더스트를 제거함으로 표면 금속 오염도 저감된다. 특히, 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트에는 장치로부터 유래하는 금속이 부착되기 쉽기 때문에, 이것을 저감하는 것에 의해 표면 금속 오염도 크게 저감된다. 그러나, 습식 화학 처리를 실시하여 저감할 수 있을 만큼 낮은 값으로 하는 것은 일반적으로 어렵다. 태양광 패널의 제조 등, 다결정 실리콘의 용도에 따라서는, 표면 금속 오염이 허용량 이하라면, 과도하게 순도를 높이지 않고 비용의 저하를 우선하는 경우가 있다. 이 때문에, 표면 금속 오염의 하한값은, 상기 범위라면 이러한 용도로 유용하게 사용할 수 있다.

본 발명의 다결정 실리콘의 표면 오염의 금속은, 바람직하게는 Na, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Co 및 W로 이루어지는 군을 포함한다. 표면 금속 오염은 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정한다.

또한, 지멘스법에 의한 다결정 실리콘에서는 붕소, 인, 탄소 및 모든 금속의 벌크 불순물은 매우 낮은 농도로 억제된다. 여기서 벌크 불순물은 표면 금속 오염과는 다르며, 로드나 실리콘 덩어리, 실리콘 파쇄물의 내부에, 제조 조건에 의존하여 불가피하게 포함되는 불순물을 의미하며, 표면 금속 오염 물질과는 다르다. 다만, 소정의 금속에 관한 벌크 불순물의 농도가 표면 금속 오염 물질에 비하여 충분히 낮은 경우나, 같은 다결정 실리콘 로드에서 실리콘 파쇄물을 얻는 경우는, 벌크 불순물의 존재를 허용오차의 범위내로 간주해도 좋다. 또한, 슬라이딩부에서 사용되고 있는 금속 원소에 착목(着目)하거나, 다결정 실리콘 파쇄물의 입자 사이즈를 변경하는 것에 의해(입자 사이즈가 작은 쪽이 표면 금속 오염의 영향이 커지는 경향이 있다), 슬라이딩 진애 흡인부(42, 44, 46)에 의한 표면 금속 오염의 변화를 분석할 수 있다.

여기서, 다결정 실리콘 파쇄물의 금속에 의한 표면 오염은, 파쇄물의 90중량% 이상이 2∼90㎜의 입자 사이즈를 갖는 경우는, 상기 0.5∼50ppbw, 특히 적합하게는 2∼40ppbw인 것이 바람직하다. 또한, 파쇄물의 90중량% 이상이 4∼60㎜의 입자 사이즈를 갖는 경우는, 2∼30ppbw, 특히 적합하게는 3∼15ppbw인 것이 바람직하다. 또한, 파쇄물의 90중량% 이상이 2∼40㎜의 입자 사이즈를 갖는 경우는, 10∼50ppbw, 특히 적합하게는 15∼30ppbw인 것이 바람직하다. 또한, 파쇄물의 90중량% 이상이 20∼90㎜의 입자 사이즈를 갖는 경우는, 1∼10ppbw, 특히 적합하게는 2∼8ppbw인 것이 바람직하다.

본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물은 필요에 따라, 입자 사이즈에 근거하여 선별해도 되며, 또한 선별기(選別機)나 분급 장치를 이용하여 원하는 입자 사이즈, 입도 분포를 달성해도 된다. 또한, 다결정 실리콘 파쇄물에는 임의적인 처리로서, 자력(磁力)이나 에어 블로를 이용한 불순물 제거 처리를 실시해도 된다.

한편, 산(酸)을 이용한 습식 화학 세정을 실시하지 않고, 상기 다결정 실리콘 분말의 함유량이나, 나아가 적합한 실리콘 더스트의 함유량을 달성하는 것이 비용적인 면에서 바람직하다. 습식 화학 세정을 실시하지 않을 경우, 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 금속 오염은 상기 하한값 정도를 초과하여 저감시키기 어려워지지만, 태양광 패널의 제조 등의 용도로는 양호하게 사용할 수 있다.

본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물을 얻는 방법은 특별히 한정은 되지 않지만, 이하에 설명하는 바와 같은 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치를 이용하는 방법으로 실시하는 것이 바람직하다. 즉, 원료 투입구에서 투입된 원료 다결정 실리콘 덩어리를 외력 부하 부재의 가동에 의해 기계적으로 파쇄하여, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말을 포함하는 다결정 실리콘 파쇄물을 생성하고, 이것을 배출구로부터 내보내는 파쇄부와,

상기 낙하 이동부의 아래쪽에 위치하고, 상기 낙하 이동부를 낙하 이동한 후 상기 다결정 실리콘 파쇄물을 받아들이는 수용부를 가지며,

상기 낙하 이동부는, 상기 다결정 실리콘 파쇄물에 포함되는 상기 다결정 실리콘 분말의 적어도 일부를, 상기 낙하 이동 방향과는 다른 방향으로 흡인하여 제거하는 흡인 제거부를 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치를 이용하는 방법이다.

이 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 있어서, 상기 파쇄부는 위쪽의 투입구에서 투입된 원료 다결정 실리콘 덩어리를, 가동하는 가동톱니와 고정된 고정톱니를 갖는 상기 외력 부하 부재에 의해, 상기 가동톱니와 상기 고정톱니의 사이에 끼워서 파쇄하고, 생성된 파쇄물을 아래 쪽의 배출구로부터 내보내는 구조를 한, 소위, 조 크러셔라고 불리는 파쇄 장치의 파쇄부 구조인 것이 파쇄 효율성이 높고 바람직하다. 이 밖에, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치의 파쇄부는, 원료 다결정 실리콘 덩어리를, 상기 외력 부하 부재이며, 서로 역방향으로 회전하는 2개의 롤 사이를 통하여 파괴하는 구조인, 소위, 롤 크러셔라고 불리는 파쇄 장치의 파쇄부 구조나, 나아가, 원료 다결정 실리콘 덩어리를, 상기 외력 부하 부재이며, 요동하는 해머의 두부(頭部)로 타격하여 파괴하는 구조인, 소위, 해머 크러셔라고 불리는 파쇄 장치의 파쇄부 구조 등이어도 된다.

또한, 이러한 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치는 가동톱니, 롤, 해머 등의 외력 부하 부재를 옮기기 위한 가동축이나 가동축을 지지하는 축받이 등에서 슬라이딩이 발생하고, 여기에서 슬라이딩 진애가 비산되어 다결정 실리콘 파쇄물 표면의 금속 오염의 원인이 되는 것이라고 생각된다. 그러나, 종래, 가동축이나 축받이 등을 포함하는 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애가, 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물 표면의 금속 오염에 대하여, 어느 정도 기여하고 있는지를 분석한 사례는 없고, 대응도 이루어지지 않았다. 그래서, 실시 형태에 나타난 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 있어서, 그 슬라이딩부에 슬라이딩 진애를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부를 마련함으로써, 표면 금속 오염에 대한 대응을 실시했다.

이하, 본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물을 얻는데 사용되는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 대하여, 상기 파쇄부가, 상기 조 크러셔의 파쇄부 구조인 경우를 예로 들어 설명한다. 도 1은, 이러한 구조의 조 크러셔(10)의 외관도이며, 도 2는, 조 크러셔(10)의 내부 구조를 나타내는 모식 단면도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 조 크러셔(10)는 원료 다결정 실리콘 덩어리(83)를 파쇄하는 파쇄부(30)와, 파쇄부(30)에서 제조된 다결정 실리콘 파쇄물(93)이 낙하 이동하는 낙하 이동부(32)와, 낙하 이동부(32)를 낙하 이동한 후 다결정 실리콘 파쇄물(85)을 받아들이는 수용부(34)를 갖는다.

파쇄부(30)에서는 파쇄부(30) 위쪽의 투입구(30a)에서 파쇄부(30)에 투입된 원료 다결정 실리콘 덩어리(83)를, 가동하는 가동톱니(24)와 고정된 고정톱니(14)의 사이에 끼워서 파쇄하고, 낙하 이동부(32)를 통과하기 전의 다결정 실리콘 파쇄물(93)을 생성한다. 이 다결정 실리콘 파쇄물(93)에는 다결정 실리콘 분말(91a)과 실리콘 더스트(91b)가 후술하는 다결정 실리콘 파쇄물(85)보다 많이 함유되어 있다. 여기서, 원료 다결정 실리콘 덩어리(83)는 지멘스법 등으로 제조된 다결정 실리콘 로드를 경질 금속의 해머 등을 이용하여 조 크러셔(10)에 투입 가능한 크기까지 대강 쪼개어 제조하면 된다.

고정톱니(14)는 프론트 프레임(12)에 고정되어 있다. 이에 대하여, 가동톱니(24)는 조 크러셔(10) 중앙부에 마련된 스윙 조(swing jaw)(22)에 고정되어 있다. 가동톱니(24)가 고정된 스윙 조(22)의 상부는 편심축(20)에 부착되어 있고, 스윙 조(22) 및 이에 고정된 가동톱니(24)는 편심축(20)의 편심 회전과 함께 요동한다. 편심축(20)의 양측(도 2의 지면의 깊이 방향의 양측)은, 편심되어 있지 않는 회전축(도시생략)을 통하여 구동용 풀리(60)에 접속되어 있다. 구동용 풀리(60)는, 도시하지 않은 구동용 전동 모터로부터의 구동력을 받아서 회전한다. 요동하는 스윙 조(22) 및 가동톱니(24)는 양측에서 축받이로 지지한다.

스윙 조(22)의 하부 선단부에는, 토글 플레이트(50) 및 텐션 로드(54)가 접속되어 있다. 토글 플레이트(50)는 스윙 조(22)의 선단하부와 리어 프레임에 고정된 플레이트받이(52)를 상대 이동이 가능하게 접속하고 있다. 텐션 로드(54)에는 스윙 조(22)의 하부 선단부를, 고정톱니(14)에 대하여 멀어지는 방향으로 탄성력을 가하는 텐션 스프링(56)이 부착되어 있다.

파쇄부(30)에서 생성된 다결정 실리콘 파쇄물(93)은 파쇄부(30) 아래쪽의 배출구(30b)에서 배출된다. 낙하 이동부(32)는 배출구(30b)의 아래쪽으로 이어져 있고, 배출구(30b)에서 나온 다결정 실리콘 파쇄물(93)은 낙하 이동부(32)내를 중력에 따라서 낙하 이동한다. 본 실시 형태에서는, 낙하 이동부(32)는 배출구(30b)를 덮는 배출구 커버(28)로 구성된다. 낙하 이동부(32)는 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 낙하 이동 경로의 도중에 위치하는 흡인 제거부(40)를 갖는다. 흡인 제거부(40)의 흡인 방향은 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 낙하 이동 방향과는 다른 방향이다. 흡인 제거부(40)의 흡인 방향은 특별히 한정되지 않지만, 도 2에 나타내는 바와 같이, 낙하 방향이 거의 연직(鉛直, vertical) 방향이며, 흡인 제거부(40)의 흡인 방향이 화살표(92)로 나타내는 바와 같이 거의 수평 방향인 것이 바람직하다.

흡인 제거부(40)는 다결정 실리콘 파쇄물(93)에 포함되는 다결정 실리콘 분말(91a) 및 실리콘 더스트(91b)의 적어도 일부를, 나머지 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 낙하 방향과는 다른 방향으로 흡인하여 제거한다. 이에 의해, 다결정 실리콘 파쇄물(93)에 포함된 다결정 실리콘 분말(91a) 및 실리콘 더스트(91b)가 감소되고, 다결정 실리콘 파쇄물(93)에 포함된 미세한 입자 및 불순물의 양을 저감할 수 있다. 더 중요한 점은, 이 흡인 제거부(40)에서의 흡인에 의해, 실리콘 더스트(91b)뿐만 아니라, 다결정 실리콘 파쇄물(93)이 낙하하여 중첩된 후에는 제거하기 어려운 다결정 실리콘 분말(91a)도 고도로 제거할 수 있는 것이다. 특히, 파쇄 직후에 낙하중인 다결정 실리콘 파쇄물(93)에 있어서는, 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 표면 산화막이 거의 형성되어 있지 않기 때문에, 다른 다결정 실리콘 파쇄물(93)과 실리콘 더스트(91b)나 다결정 실리콘 분말(91a)이 결합하지 않거나, 또는 다른 다결정 실리콘 파쇄물(93)과 이들과의 결합력은 매우 작다고 생각되며, 이에 의해 그 제거성이 높아질 것으로 추정된다. 이 때문에, 흡인 제거부(40)는 파쇄 직후에 낙하중인 다결정 실리콘 파쇄물(93)을 흡인함으로써, 실리콘 더스트(91b)는 물론, 다결정 실리콘 분말(91a)도 효과적으로 제거하고, 낙하 이동부(32)를 통과한 후의 다결정 실리콘 파쇄물(85)에 포함되는 불순물량을 저감할 수 있다.

상기 흡인 제거부(40)에서의 흡인 효과를 양호하게 발휘시키기 위해서는, 낙하 이동부(32)를 낙하하는 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 낙하 밀도가 적당하고, 나아가, 이 낙하 밀도로 낙하하는 다결정 실리콘 파쇄물(93)에 걸리는 흡인력이 충분하게 강할 것이 요구된다. 이 관점에서, 낙하 이동부(32)에 대한 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 공급량은 낙하 이동부(32)의 단위 단면적(㎠)당 20∼160g/분(分)인 것이 바람직하고, 30∼130g/분인 것이 보다 바람직하다. 또한, 흡인 제거부(40)의 구경(口徑)은 그 단면적이 낙하 이동부(32)에서의 해당 흡인 제거부(40)가 마련된 부분의 단면적의 2∼40%인 것이 바람직하고, 3∼30%인 것이 보다 바람직하고, 이 구경의 흡인 제거부(40)에서 1∼20㎥/분, 보다 적합하게는 2∼15㎥/분의 흡인량으로 흡기하는 것이 바람직하다.

또한, 낙하 이동부(32)는 20∼80㎝의 길이, 보다 적합하게는 30∼70㎝의 길이로 마련하는 것이 바람직하다. 또한, 흡인 제거부(40)는 낙하 이동부(32)의 원주 방향 및 길이 방향으로 2군데 이상에 마련해도 된다.

흡인 제거부(40)는 흡인력을 발생 또는 전달하고, 다결정 실리콘 분말(91a)을 흡인 가능한 것이면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 도시하지 않은 부압(負壓) 형성 펌프에 접속된 흡인관 등을 흡인 제거부(40)로서 채용할 수 있다.

낙하 이동부(32)를 낙하 이동한 후의 다결정 실리콘 파쇄물(85)은, 낙하 이동부(32)의 아래쪽에 위치하는 수용부(34)에 의해 받아들여진다. 수용부(34)는 도 2에 나타난 바와 같이, 다결정 실리콘 파쇄물(85)을 반송할 수 있는 벨트 콘베이어로 구성되어 있어도 되지만, 다결정 실리콘 파쇄물(85)을 수납하는 수납 상자 등이어도 상관없다.

이상에 의해, 입자 사이즈 500∼1000㎛의 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.1∼40ppmw인, 본 발명의 다결정 실리콘 파쇄물(85)을 제조할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 수용부(34)에 받아들여진 다결정 실리콘 파쇄물(85)은 분급 공정 등으로 반송된다.

또한, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 조 크러셔(10)는 가동톱니(24)의 가동에 따라 슬라이딩하는 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부(42, 44, 46)를 갖는 것이 바람직하다. 슬라이딩 진애 흡인부의 구체적 구성은, 슬라이딩 진애를 흡인하는 것이면 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 슬라이딩부를 덮는 커버 등에 접속되어 있어, 슬라이딩 진애를 흡인하는 흡인관을 갖는다. 조 크러셔(10)에 있어서, 슬라이딩 진애 흡인부(42)는 중앙 커버(26)에 접속된 흡인관으로 구성되어 있다. 중앙 커버(26)는 조 크러셔(10)의 중앙 상부에 마련되어 있고, 스윙 조(22), 편심축(20) 및 회전축 등을 덮고 있으며, 슬라이딩 진애 흡인부(42)는 스윙 조(22), 편심축(20) 및 회전축에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인한다.

슬라이딩 진애 흡인부(44)는 구동용 풀리(60)를 덮는 사이드 커버(62)에 접속된 흡인관으로 구성되어 있고, 구동용 풀리(60)에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인한다. 또한, 슬라이딩 진애 흡인부(46)는 토글 플레이트(50) 및 텐션 로드(54) 등을 덮는 리어 커버(58)에 접속된 흡인관으로 구성되어 있고, 토글 플레이트(50) 및 텐션 로드(54) 또는 이들과 스윙 조(22) 및 리어 프레임 등의 접속 부분에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인한다.

이와 같은 슬라이딩 진애 흡인부(42, 44, 46)를 구비한 조 크러셔(10)는, 생성되는 다결정 실리콘 파쇄물(85)에 포함되는 불순물의 양을 저감할 수 있고, 특히 슬라이딩 진애에 포함된 금속에 의한 다결정 실리콘 파쇄물(93, 85)의 표면 오염을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 흡인 제거부(40)가 조 크러셔(10) 내부에서 발생한 슬라이딩 진애를 흡인함으로써, 슬라이딩 진애와 다결정 실리콘 파쇄물(93, 85)과의 접촉 기회가 증가하는 문제를 방지할 수 있다.

슬라이딩 진애 흡인부(42, 44, 46)에서의 슬라이딩 진애의 흡인 효과를 충분히 높이기 위해서는, 슬라이딩 진애 흡인부(42)에 대해서는, 구경이 중앙 커버(26)의 내용량에 대하여 0.5∼10㎜/L이 바람직하고, 1.5∼8㎜/L이 보다 바람직하고, 이 구경의 슬라이딩 진애 흡인부(42)에서 1∼15㎥/분, 보다 적합하게는 1∼10㎥/분의 흡인량으로 흡기하는 것이 바람직하다. 또한, 슬라이딩 진애 흡인부(44)의 구경에 대해서는, 구동용 풀리(60)를 덮는 사이드 커버(62)의 내용량에 대하여 0.1∼1.5㎜/L이 바람직하고, 0.3∼1.3㎜/L이 보다 바람직하고, 이 구경의 슬라이딩 진애 흡인부(44)에서 0.5∼5㎥/분, 보다 적합하게는 1∼3㎥/분의 흡인량으로 흡기하는 것이 바람직하다. 또한, 슬라이딩 진애 흡인부(46)의 구경에 대해서는, 토글 플레이트(50) 및 텐션 로드(54) 등을 덮는 리어 커버(58)의 내용량에 대하여 0.2∼5㎜/L이 바람직하고, 0.5∼4㎜/L이 보다 바람직하고, 이 구경의 슬라이딩 진애 흡인부(46)에서 1∼20㎥/분, 보다 적합하게는 2∼15㎥/분의 흡인량으로 흡기하는 것이 바람직하다. 흡인량을 상기 하한값 이하로 감소시키는 것은, 충분한 흡인 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 또한, 상기 상한값 이상으로 증가시키는 것은, 표면 금속 오염과 경제성의 밸런스의 관점에서 효율적이지 않다.

또한, 슬라이딩 흡인부에 의한 흡인의 대상이 되는 슬라이딩부의 양태는 특별히 한정되지 않고, 축과 축받이로 구성되는 슬라이딩부나, 직선 또는 원호형상의 왕복 운동을 행하는 부재와 이것을 지지하는 부재로 구성되는 슬라이딩부 등이 예시된다. 또한, 슬라이딩 흡인부에 의한 흡인의 대상이 되는 슬라이딩부는 가동 부재와 정지 부재의 조합에 의한 것이어도, 2개의 가동 부재로 구성되는 것이어도 된다.

또한, 조 크러셔(10)는 투입구(30a)를 덮는 투입구 커버(16)에 접속된 흡인관으로 구성되어 있고 파쇄부(30)에서의 파쇄시에 날아 올라가는 분진 등을 흡인하는 투입구 흡인부(48)를 가지고 있다. 투입구 흡인부(48)의 흡인량은 바람직하게는 0.5∼5㎥/분이며, 보다 바람직하게는 1∼3㎥/분이다. 또한, 상술한 흡인 제거부(40), 슬라이딩 진애 흡인부(42, 44, 46) 및 투입구 흡인부(48)의 일부 또는 전부는 공통의 부압 형성 펌프에 접속되어 있어도 되며, 다른 부압 형성 펌프에 접속되어 있어도 된다.

이와 같이 하여 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물은 표면의 금속 오염이 저감되고 있어 바람직하다. 즉, 실시 형태에 나타내는 슬라이딩 진애 흡인부(42, 44, 46)를 마련함으로써, 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물의 금속에 의한 표면 오염을 0.5∼50ppbw정도까지 저감시킬 수 있다.

본 실시 형태에 따른 슬라이딩 진애 흡인부는 외력 부하 부재(본 실시 형태에서는 고정톱니(14), 가동톱니(24))의 재질을 경질 금속으로 하는 등의 다른 표면 금속 오염의 방지 수단과 조합시킴으로써, 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 금속 오염을 더욱 저감하는 것이 가능하다. 다른 표면 금속 오염의 방지 수단과 조합시킨 양태에서도, 슬라이딩 진애 흡인부를 갖는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 의해 얻어진 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 오염은 바람직하게는 0.5∼50ppbw이고, 보다 바람직하게는 2∼40ppbw이다.

또한, 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 금속 오염은 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에서 얻어진 파쇄물에 대하여, 산에 의한 습식 화학 처리를 실시함으로써, 더욱 저감시키는 것이 가능하며, 예를 들면 요구되는 불순물 농도의 값이 매우 작을 경우는, 얻어진 파쇄물에 대하여 추가로 습식 화학 처리를 실시한다. 이 경우도, 습식 화학 처리를 실시하기 전의 파쇄물을 본 발명의 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치를 이용하여 준비함으로써, 습식 화학 처리의 정도를 줄일 수 있어 바람직하다.

또한, 다결정 실리콘 파쇄물에는, 예를 들면, 태양광 패널의 제조 원료 등과 같이, 과도한 순도는 요구되지 않으며, 비용이 중시되는 용도도 있다. 그러한 용도로 이용하는 다결정 실리콘 파쇄물을 준비하는 경우, 본 발명의 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 의하면, 가령 습식 화학 처리를 실시하지 않아도, 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물에서의 표면 금속 오염의 값을 허용치 이하로 할 수 있다. 즉, 본 발명의 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 의해 얻어진 다결정 실리콘 파쇄물은 상기 습식 화학 처리를 실시하지 않아도, 이러한 용도에 대하여 유용하게 사용할 수 있기 때문에, 비용의 저하나 제조에 따른 환경 부하의 저감을 실현할 수 있다.

상기 조 크러셔(10)에 공급하는 원료 다결정 실리콘 덩어리(83)는 지멘스법 등으로 제조된 다결정 실리콘 로드를, 경질 금속의 해머 등을 이용하여 조 크러셔(10)에 투입 가능한 크기까지 대강 쪼개어 제조하면 된다. 그 크기는 조 크러셔(10)에 투입 가능한 사이즈까지 대강 쪼개면 되며, 특별히 한정되지 않지만 장경이 10∼30㎝정도, 보다 적합하게는 15∼25㎝ 정도인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치에 의해 제조된 다결정 실리콘 파쇄물은, 계속해서 분급 공정, 에어 블로 공정으로서의 청정화 공정 등으로 보내져 처리되는 것이 바람직하다. 이 다음 공정의 다결정 실리콘 파쇄물의 반송은, 반송용 벨트 콘베이어 등에 의해 이루어진다. 분급 공정에서는, 다결정 실리콘 파쇄물은 원하는 입자 사이즈로 분급된다. 분급 공정에서 이용되는 분급 장치는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 진동 체별기(篩別機)나 롤러식 분급기 등이 이용된다.

원하는 입자 사이즈로 분급된 다결정 실리콘 파쇄물은, 반송용 벨트 콘베이어에의 재치(載置)나 반송, 나아가 분급 공정에서의 각종 분급기에의 투입, 분급 처리를 받는 과정에서, 파쇄물끼리 서로 충돌하여 입자의 직경이 큰 다결정 실리콘 분말이 발생할 정도는 아니지만, 미세한 실리콘 더스트에 대해서는 약간의 양이 다시 생성된다. 따라서, 이 실리콘 더스트의 청정화(제거) 처리를 하는 것이 바람직하다. 이 청정화 공정에서는, 다결정 실리콘 파쇄물에 에어 블로를 하여 함유된 실리콘 더스트를 날려버리는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 다결정 실리콘 파쇄물을 벨트 콘베이어에서 반송하면서, 위쪽 또는 벨트 콘베이어가 그물코 형상인 경우는 아래쪽에 마련한 에어 블라스트(吹飛)용 기류 분사기를 이용하여, 벨트 콘베이어상의 다결정 실리콘 파쇄물에 에어를 분사함으로써, 다결정 실리콘 파쇄물에 함유된 실리콘 더스트를 제거하여 청정화를 행한다. 한편, 이렇게 하여 벨트 콘베이어상에 밀집 또는 중첩된 다결정 실리콘 파쇄물에 대한 에어 블로로는 각 파쇄물에 부착되어 함유되는 입자의 직경이 큰 다결정 실리콘 분말을 효과적으로 제거하는 것이 어려운 것은 전술한 바와 같다.

에어 블로 처리에 있어서, 에어 블라스트용 기류 분사기에서 분사되는 기류는, 분사구 단위면적(㎟)당 8∼82L/분의 분출량인 것이 바람직하고, 16∼60L/분인 것이 보다 바람직하다. 분사되는 기류의 온도는 20∼25℃인 것이 일반적이다. 다결정 실리콘 파쇄물을 재치하는 벨트 콘베이어의 주행 속도는 1∼15m/분인 것이 바람직하고, 2∼9m/분인 것이 보다 바람직하다.

[실시예]

이하, 본 발명을 추가로 상세한 실시예에 근거하여 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.

(실시예 1)

지멘스법에 의해 얻은 실리콘 로드를 탄화 텅스텐제의 해머로 깨뜨려, 원료 다결정 실리콘 덩어리를 얻었다. 도시되는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치로서의 조 크러셔(10)의 투입구에 원료 다결정 실리콘 덩어리를 투입하고, 다결정 실리콘 파쇄물의 90질량% 이상이 4∼60㎜의 입자 사이즈가 되도록 파쇄했다. 도시된 구성의 장치에 있어서, 흡인 유무 및 흡인 위치의 차이에 따라 하기의 4양태의 시험을 하였다.

A: 흡인 없음(비교예)

B: 낙하 이동부의 흡인만 하였다.

C: 낙하 이동부 및 토글 플레이트 주위의 슬라이딩부의 흡인을 하였다.

D: 낙하 이동부, 토글 플레이트 주위 및 편심 회전축 주위의 슬라이딩부 및 풀리 커버부의 흡인을 하였다.

또한, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치(10)는, 가동톱니(24)와 고정톱니(14)의 재질이 탄화 텅스텐이며, 낙하 이동부(32)의 길이는 50㎝였다. 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치(10)의 운전시에, 낙하 이동부(32)에 대한, 다결정 실리콘 파쇄물(93)의 공급량은 낙하 이동부(32)의 단위 단면적(㎠)당 80g/분이었다. 또한, 흡인 제거부(40)의 구경은 그 단면적이 낙하 이동부(32)에서의 해당 흡인 제거부(40)가 마련된 부분의 단면적의 15%이며, 흡인 제거부(40)로부터 5㎥/분의 흡인량으로 흡기 하여 파쇄를 실시했다.

한편, 슬라이딩 진애 흡인부(42)에 대해서는 3㎥/분의 흡인량으로 흡기하고, 슬라이딩 진애 흡인부(44)에 대해서는 2㎥/분의 흡인량으로 흡기하고, 슬라이딩 진애 흡인부(46)에 대해서는 5㎥/분의 흡인량으로 흡기했다. 투입구 흡인부(48)에 대해서는 1㎥/분의 흡인량으로 흡기했다.

얻어진 다결정 실리콘 파쇄물에 대하여, 입자 사이즈 500∼1000㎛의 다결정 실리콘 분말의 함유량 및 500㎛ 미만의 실리콘 더스트량을 측정했다. 또한, 표면 금속 오염에 대하여, Na, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Co 및 W의 함유량을 측정했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

또한, 다결정 실리콘 분말의 양, 실리콘 더스트량 및 표면 금속 오염은 이하와 같이 측정했다.

(1) 다결정 실리콘 분말 및 실리콘 더스트의 각 함유량

약1kg의 다결정 실리콘 파쇄물을 2L 비커에 넣고, 해당 다결정 실리콘 파쇄물이 완전히 잠기도록 초순수(超純水) 1L를 넣었다. 비커를 좌우로 천천히 흔들어 다결정 실리콘 파쇄물의 표면이 완전히 초순수와 접촉하고, 표면상의 미분을 초순수중에 부유시켰다. 얻어진 미분의 부유액을 1000㎛ 메쉬 필터에 통액(通液)한 후, 500㎛ 메쉬 필터에 통액하고, 그 후 1㎛ 메쉬의 여과지로 미분을 포집했다.

포집된 500㎛ 메쉬 필터 및 1㎛ 메쉬의 여과지는 110℃의 건조 창고에서 12시간 이상 건조시켜, 500㎛ 메쉬 필터에서 회수된 미분의 질량 및 미분의 포집 전후의 여과지 질량 차이로, 500㎛ 미만의 미분의 질량을 산출하고, 본 분석에서 사용된 다결정 실리콘의 질량을 이용하여 다결정 실리콘 분말 및 실리콘 더스트 함유량을 산출했다.

이 작업을 재차 실시하여 새롭게 산출된 다결정 실리콘 분말 및 실리콘 더스트의 각 함유량을 각각, 먼저 산출한 값에 가산하고, 나아가 해당 작업을 이 가산에 의한 각각의 증가량이, 각 가산전의 함유량에 대하여 5% 이내로 작아지는 일정 값에 도달할 때까지 반복해서, 이것을 최종값으로 다결정 실리콘 분말의 함유량 및 실리콘 더스트의 함유량을 확정했다.

(2) 표면 금속 오염

표면 금속 오염은, 다결정 실리콘 파쇄물의 표면 산화층을 불소질산혼합용액에 의해 분해 제거하고, 샘플중의 각 금속 원소를 유도 결합 플라즈마 질량 분석(ICP-MS)으로 분석하여 정량했다.

[표 1]

(에어 블로의 비교예)

실시예 1에 있어서, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치의 흡인 양태A에서 파쇄하여 얻은 90질량% 이상이 4∼60㎜의 입자 사이즈인 다결정 실리콘 파쇄물 5kg을, 960㎠의 범위내에 꼭대기의 높이가 10㎝인 원추형상으로 쌓아, 상기 다결정 실리콘 파쇄물의 꼭대기 위쪽 5㎝의 높이에, 구경 3㎜φ의 분사구를 갖는 에어 분사 노즐을 설치하고, 여기에서 에어를 200L/min의 분출량으로 아래 방향으로 5초간 분출시켰다.

이러한 블로 처리 후, 상기 다결정 실리콘 파쇄물 더미의 꼭대기 부근의 1kg분(分)에 대하여, 다결정 실리콘 분말 및 실리콘 더스트의 각 함유량을 측정한 바, 다결정 실리콘 분말의 양은 44ppm이고, 실리콘 더스트의 양은 32ppm이었다.

(실시예 2)

실시예 1에 있어서, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치(10)에 의한 원료 다결정 실리콘 덩어리의 파쇄를, 다결정 실리콘 파쇄물의 입자 사이즈가 90질량% 이상이 2∼40㎜가 되도록 파쇄하는 것 이외에, 실시예 1과 동일하게 실시했다. 그 결과를 표 2에 나타냈다.

[표 2]

(실시예 3)

실시예 1에 있어서, 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치(10)에 의한 원료 다결정 실리콘 덩어리의 파쇄를, 다결정 실리콘 파쇄물의 입자 사이즈가 90질량% 이상이 20∼90㎜가 되도록 파쇄하는 것 이외에, 실시예 1과 동일하게 실시했다. 그 결과를 표 3에 나타냈다.

[표 3]

10: 조 크러셔(다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치)
14: 고정톱니
24: 가동톱니
30: 파쇄부
30a: 투입구
30b: 배출구
32: 낙하 이동부
34: 수용부
40: 흡인 제거부
42, 44, 46: 슬라이딩 진애 흡인부

Claims

다결정 실리콘 덩어리를 파쇄하여 얻어지는 다결정 실리콘 파쇄물로서,
입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.1∼40ppmw인 다결정 실리콘 파쇄물.
제1항에 있어서,
입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 3∼140ppmw인 다결정 실리콘 파쇄물.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90질량% 이상이 2∼90㎜의 입자 사이즈인 다결정 실리콘 파쇄물.
제1항에 있어서,
상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90중량% 이상이 4∼60㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 1∼30ppmw이고, 나아가 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 10∼60ppmw인 다결정 실리콘 파쇄물.
제1항에 있어서,
상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90중량% 이상이 2∼40㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 2∼40ppmw이고, 나아가 입자 사이즈가 500㎛ 미만인 실리콘 더스트의 함유 비율이 20∼140ppmw인 다결정 실리콘 파쇄물.
제1항에 있어서,
상기 다결정 실리콘 파쇄물의 90중량% 이상이 20∼90㎜의 입자 사이즈를 가지며, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말의 함유 비율이 0.5∼25ppmw이고, 나아가 입자 사이즈 500㎛ 미만의 실리콘 더스트의 함유 비율이 5∼50ppmw인 다결정 실리콘 파쇄물.
제1항, 제2항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
금속에 의한 표면 오염이 0.5∼50ppbw인 다결정 실리콘 파쇄물.
제7항에 있어서,
표면 오염의 금속이 Na, Cr, Fe, Ni, Cu, Zn, Co 및 W로 이루어진 군을 포함하는 다결정 실리콘 파쇄물.
원료 투입구에서 투입된 원료 다결정 실리콘 덩어리를 외력 부하 부재의 가동에 의해 기계적으로 파쇄하여, 입자 사이즈가 500∼1000㎛인 다결정 실리콘 분말을 포함하는 다결정 실리콘 파쇄물을 생성하고, 이것을 배출구로부터 내보내는 파쇄부와,
상기 파쇄부의 아래쪽으로 이어져 있으며, 상기 배출구로부터 나온 상기 다결정 실리콘 파쇄물을 중력에 따라 낙하 이동시키는 낙하 이동부와,
상기 낙하 이동부의 아래쪽에 위치하고, 상기 낙하 이동부를 상기 낙하 이동한 후의 상기 다결정 실리콘 파쇄물을 받아들이는 수용부를 가지며,
상기 낙하 이동부는, 상기 다결정 실리콘 파쇄물에 포함된 상기 다결정 실리콘 분말의 적어도 일부를, 상기 낙하 이동의 방향과는 다른 방향으로 흡인하여 제거하는 흡인 제거부를 갖고,
상기 흡인 제거부는 1∼20㎥/분의 흡인량으로 흡기하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치.
제9항에 있어서,
상기 외력 부하 부재는 가동하는 가동톱니와 고정된 고정톱니를 가지며, 상기 파쇄부는, 위쪽의 상기 원료 투입구에서 투입된 상기 원료 다결정 실리콘 덩어리를 상기 가동톱니와 상기 고정톱니의 사이에 끼워서 파쇄하고, 이것을 아래쪽의 상기 배출구로부터 내보내는 구조인 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 외력 부하 부재의 가동에 따라 슬라이딩하는 슬라이딩부에서 발생하는 슬라이딩 진애를 흡인하는 슬라이딩 진애 흡인부를 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치.
제9항 또는 제10항에 기재된 다결정 실리콘 덩어리 파쇄 장치를 이용하는 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 수용부에서 받아들인 상기 다결정 실리콘 파쇄물에 에어를 분사하는 에어 블로 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 파쇄물의 제조 방법.
제12항의 제조 방법으로 얻어진 다결정 실리콘 파쇄물.