(57)【要約】ケーシングに装着されたピストンが空気圧によって後退位置から突出位置に駆動される型の空気圧式ピストン駆動手段と、ケーシングに連結され且つピストンの移動方向に延在する案内筒と、ハンマーヘッドとを具備するシリコン塊破砕工具。ハンマーヘッドはその後端部が案内筒の前端部内に移動自在に挿入されており、ピストンが後退位置から突出位置に駆動されると、ピストンの前端がハンマーヘッドの後端に衝突する。
2008047850.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
後退位置と突出位置との間を移動自在にケーシングに装着されたピストンが空気圧によって該後退位置から該突出位置に駆動される型の空気圧式ピストン駆動手段と、該ケーシングに連結され且つ該ピストンの移動方向に延在する案内筒と、ハンマーヘッドとを具備し、該ピストンが該後退位置に位置しているときには該ピストンの前端は該案内筒の後端部内に進入或いは該案内筒の後端よりも後方に位置し、該ハンマーヘッドはその後端部が該案内筒の前端部内に移動自在に挿入されており、該ピストンが該後退位置から該突出位置に駆動されると、該ピストンの前端が該ハンマーヘッドの後端に衝突する、ことを特徴とするシリコン塊破砕工具。
【請求項２】
該案内筒の前端から前方に離隔して配設されたハンマーヘッド案内部材を具備し、該案内部材には該ピストンの移動方向に延びる貫通案内孔が形成されており、該ハンマーヘッドの前端部は該貫通案内孔に挿通されている、請求項１記載のシリコン塊破砕工具。
【請求項３】
該ハンマーヘッドの長手方向中間部にはフランジが形成されており、該ハンマーヘッドは該フランジの後面が該案内筒の前端に当接する後退位置と該フランジの前面が該案内部材の後面に当接する突出位置との間を移動自在である、請求項３記載のシリコン塊破砕工具。
【請求項４】
該案内部材の後面には衝撃吸収部材が配設されている、請求項３記載のシリコン塊破砕工具。
【請求項５】
該ハンマーヘッドの前端は曲率半径が７５乃至３００ｍｍの半球形状である、請求項１から４までのいずれかに記載のシリコン塊破砕工具。
【請求項６】
該ハンマーヘッドの前端の曲率半径が１００乃至２００ｍｍの半球形状である、請求項５記載のシリコン塊破砕工具。
【請求項７】
該ハンマーヘッドの少なくとも前端部は超硬合金から形成されている、請求項１から６までのいずれかに記載のシリコン塊破砕工具。
【請求項８】
該案内筒、該ハンマーヘッド及び該案内部材は、該案内部材の前面における該貫通案内孔の領域を除いて、合成樹脂製シ−トで覆われている、請求項１から７までのいずれかに記載のシリコン塊破砕工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン塊の破砕、特に棒状多結晶シリコンを破砕してナゲットと称される拳大の小片にするのに好都合に適用することができるシリコン塊破砕工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知の如く、半導体デバイス製造のためのシリコンウエーハは、シーメンス法によって棒状多結晶シリコン塊を生成し、次いでこのシリコン塊を拳大の小片に破砕する。そして破砕されたシリコン小片を原材料として、チョコラルスキー法によって円柱形状の単結晶シリコンインゴットを生成し、このシリコンインゴットを切断し研削することによって製造されている。
特開平２−１５２５５４号公報には、上記棒状多結晶シリコン塊を複数個の円柱状高純度シリコン間で圧搾して小片に破砕する破砕装置が開示されている。また、特開平１０−６２４２号公報には、上記棒状多結晶シリコンに打撃を加えて小片に破砕するための手動ハンマーが開示されている。
上記特開平２−１５２５５４号公報に開示されている破砕装置は、その構成が相当複雑であると共に高馬力を必要とする等に起因して著しく高価である。また、本発明者等の経験によれば、上記特開平２−１５２５５４号公報に開示されている破砕装置には、破砕の際に、有効に使用することができない粉末が多量に生成され、それ故に小片の収率が低いという問題もある。一方、上記特開平１０−６２４２号公報に開示された手動ハンマーを利用した破砕には、作業負荷が著しく大きい、所要小片に破砕するのに熟練を要し、そしてまた相当な腕力を必要とするという問題がある。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、比較的安価な工具であるにも拘わらず、多量の粉末を生成することなく、過大な作業負荷を必要とすることなく、そしてまた熟練及び腕力を必要とすることなく、シリコン塊、特に棒状多結晶シリコン塊を所要寸法の小片に破砕することを可能にする、斬新なシリコン塊破砕工具を提供することである。
本発明によれば、上記主たる目的を達成するシリコン塊破砕工具として、後退位置と突出位置との間を移動自在にケーシングに装着されたピストンが空気圧によって該後退位置から該突出位置に駆動される型の空気圧式ピストン駆動手段と、該ケーシングに連結され且つ該ピストンの移動方向に延在する案内筒と、ハンマーヘッドとを具備し、該ピストンが該後退位置に位置しているときには該ピストンの前端は該案内筒の後端部内に進入或いは該案内筒の後端よりも後方に位置し、該ハンマーヘッドはその後端部が該案内筒の前端部内に移動自在に挿入されており、該ピストンが該後退位置から該突出位置に駆動されると、該ピストンの前端が該ハンマーヘッドの後端に衝突する、ことを特徴とするシリコン塊破砕工具が提供される。
好ましくは、該案内筒の前端から前方に離隔して配設されたハンマーヘッド案内部材を具備し、該案内部材には該ピストンの移動方向に延びる貫通案内孔が形成されており、該ハンマーヘッドの前端部は該貫通案内孔に挿通されている。該ハンマーヘッドの長手方向中間部にはフランジが形成されており、該ハンマーヘッドは該フランジの後面が該案内筒の前端に当接する後退位置と該フランジの前面が該案内部材の後面に当接する突出位置との間を移動自在であるのが好適である。該案内部材の後面には衝撃吸収部材が配設されているのが好ましい。好適には、該ハンマーヘッドの前端は曲率半径が７５乃至３００ｍｍ、特に１００乃至２００ｍｍ、の半球形状である。該ハンマーヘッドの少なくとも前端部は超硬合金から形成されているのが好都合である。該案内筒、該ハンマーヘッド及び該案内部材は、該案内部材の前面における該貫通案内孔の領域を除いて、合成樹脂製シートで覆われているのが望ましい。
本発明のシリコン塊破砕工具は比較的安価に製造することができるにも拘わらず、本発明のシリコン塊破砕工具を使用すると、多量の粉末を生成することなく、過大な作業負荷を必要とすることなく、そしてまた熟練及び腕力を必要とすることなく、シリコン塊、特に棒状多結晶シリコン塊を所要寸法の小片に破砕することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本発明に従って構成されたシリコン塊破砕工具の好適実施形態を示す正面図。
図２は、図１のシリコン塊破砕工具の一部を示す断面図。
図３は、図１のシリコン塊破砕工具を使用してシリコン塊を破砕する一様式を示す部分断面図。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明に従って構成されたシリコン塊破砕工具の好適実施形態を図示している添付図面を参照して、更に詳述する。
図１には、本発明に従って構成されたシリコン塊破砕工具の好適実施形態の全体が図示されている。図示のシリコン塊破砕工具は、空気圧式ピストン駆動手段２、案内筒４、ハンマーヘッド６及びハンマーヘッド案内部材８から構成されている。
図１と共に図２を参照して説明を続けると、空気圧式ピストン駆動手段２は、ピストル形状のケーシング１０、このケーシング１０に図２において実線で示す後退位置と二点鎖線で示す突出位置との間を移動自在に装着されたピストン１２、ケーシング１０に装着された引金１４及びケーシング１０に付設されたプラグ１６を含んでいる。プラグ１６はホース（図示していない）を介して空気圧縮機（図示していない）に接続される。引金１４に指を掛けて弾性偏倚ばね（図示していない）の偏倚作用に抗して引金１４を引くと高圧空気の作用によってピストン１２が後退位置から突出位置に駆動され、引金１４を開放するとピストン１０が突出位置から後退位置に戻される。ピストン１０を駆動するための高圧空気の圧力は、各種部材の強度及び操作安全性の点から０．５乃至１．０ＭＰａ程度であるのが好都合である。空気圧式ピストン駆動手段２自体は周知の形態のものでよく、例えば日立工機株式会社から商品名「ＮＶ  １００Ｈ」として販売されている高圧ロール釘打機に使用されている空気圧式ピストン駆動手段、即ち着脱自在に装着される釘打マガジンを除く本体部、を好都合に使用することができる。従って、空気圧式ピストン駆動手段２の詳細な説明については、本明細書においては省略する。
図２に明確に図示するとおり、空気圧式ピストン駆動手段２のケーシング１０には連結部材１８が固定されている。金属、合成樹脂で被覆した金属或いは合成樹脂等の適宜の材料から形成することができる連結部材１８は、比較的大径の基部２０と比較的小径の主部２２とを有する。連結部材１８には中心軸線方向に貫通する貫通孔２４が形成されている。横断面形状が円形である貫通孔２４の後端部、即ち図２において右側端部、は比較的大径に拡大されている。連結部材１８の後面には後方に突出する環状突条２５が形成されている。更に、連結部材１８の基部２０には周方向に間隔をおいて複数個（例えば４個）の貫通孔２６が形成されている。かような連結部材１８は、その環状突条２５をケーシング１０の環状凹部２７内に位置させ、その基部２０に形成されている貫通孔２６を通して締結ボルト２８をケーシング１０のねじ孔に螺合することによってケーシング１０に固定されている。金属、合成樹脂で被覆した金属或いは合成樹脂等の適宜の材料から形成することができる上記案内筒４は連結部材１８の貫通孔２４内に圧入等の適宜の様式によって固定されている。円筒形状である案内筒４の後端部は貫通孔２４の拡大後端部内に位置し、前端部は貫通孔２４を超えて前方に延出している。図２から明確に理解される如く、案内筒４は空気圧式ピストン駆動手段２のピストン１２の移動方向に延在しており、案内筒４の内径はピストン１２の外径に対応している。図示の実施形態においては、ピストン１２が上記後退位置に位置しているときには、ピストン１２の前端は案内筒４の後端部内に位置する。所望ならば、ピストン１２が上記後退位置に位置しているときには、ピストン１２の前端が案内筒４の後端よりも後方に位置するように構成することもできる。ピストン１２が突出位置に駆動されると、ピストン１２の前端は案内筒４の前端部内に位置する。
説明の便宜上、ハンマーヘッド６の説明に先立ってハンマーヘッド案内部材８について説明すると、金属、合成樹脂で被覆した金属或いは合成樹脂等の適宜の材料から形成することができる案内部材８は円板形状であり、その中央には横断面形状が円形である貫通孔３０が形成されている。案内部材８には、更に、その周縁部に周方向に間隔をおいて複数個（例えば４個）の貫通孔３２が形成されている。横断面形状が円形である貫通孔３２の各々の前端部は大径に拡大されている。かような案内部材８は、貫通孔３２を通して締結ボルト３４を上記連結部材１８の前端部に形成されたねじ孔に螺合することによって連結部材１８に固定される。締結ボルト３４の頭部は貫通孔３２の拡大部内に収容される。図２に明確に図示する如く、案内部材８は案内筒４の前端から前方に離隔して位置する。案内部材８の中央に形成されている貫通孔３０の中心軸線は案内筒４の中心軸線と合致している。案内部材８の後面にはリング形状の衝撃吸収部材３６が固着されているのが好適である。かかる衝撃吸収部材３６は硬質合成ゴムの如き適宜の衝撃吸収材から形成することができる。
図示の実施形態におけるハンマーヘッド６は全体として丸ロッド形状であり、その長手方向中央部には環状フランジ３８が形成されている。フランジ３８よりも後方に位置する後部の外径は上記案内筒４の内径に対応している。フランジ３８よりも前方に位置する前部の外径は後部の外径よりも幾分大きく、案内部材８の中央に形成されている貫通孔３０の内径に対応している。
ハンマーヘッド６の前端は曲率半径が７５乃至３００ｍｍ、特に１００乃至２００ｍｍ、の半球形状であるのが好適である。後述する実験例から理解されるとおり、曲率半径が過小になると、シリコン塊の内部まで亀裂が伝播せず、シリコン塊を破砕するには過大なエネルギーが必要になり、シリコン塊を所要サイズの小片に破砕するためにシリコン塊にハンマーを衝突させる回数が過大になり、そしてまた有効に使用できない粉末（寸法が過小である片）が多量に発生してしまう。一方、曲率半径が過大になると、シリコン塊に対するハンマーヘッド角度が幾分か変動した場合、ハンマーヘッドの角部がシリコン塊と衝突することになり、破砕に要するエネルギーを効果的にシリコン塊に付与することが困難になる傾向があり、そしてまた曲率半径が過小な場合と同様にシリコン塊を所要サイズの小片に破砕するためにシリコン塊にハンマーを衝突させる回数が過大になり、有効に使用できない粉末（寸法が過小である片）が多量に発生してしまう。
ハンマーヘッド６の後端部は案内筒４の前端部内に挿入され、前端部は案内部材８の貫通孔３０に挿通される。従って、ハンマーヘッド６はそのフランジ３８の後面が案内筒４の前端に当接する後退位置（図２に二点鎖線で示す位置）とそのフランジ３８の前面が案内部材８の後面、更に詳しくはそこに固着された衝撃吸収部材３６、に当接する突出位置（図２に実線で示す位置）との間を移動自在である。ハンマーヘンド６の少なくとも前端部は、ロックウエルＡ硬度（ＨＲＡ）が８０以上の超硬合金、例えばタングステンカーバイトとコバルトとを主成分として含有する超硬合金、から形成されていることが望ましい。ハンマーヘッド６の全体を超硬合金から形成することもできるし、超硬合金から形成した前端部を他の適宜の金属から形成された残部に溶接の如き適宜の様式で固着することもできる。
図２に二点鎖線で簡略に図示しているとおり、図示の実施形態においては、案内部材８の前面における貫通孔３０の領域を除いて、案内部材８、締結ボルト３４、ハンマーヘッド６及び連結部材１８は合成樹脂フィルム４０によって覆われている。合成樹脂フィルム４０は、シリコンが接触した場合にシリコンに悪影響を及ぼす成分を含有していないことが重要である。
次に、図１及び図２と共に図３を参照して、図示のシリコン塊破砕工具を使用してシリコン塊を破砕する好適様式について説明する。小片に破砕すべき棒状多結晶シリコン４２は、適宜の合成樹脂から形成されたテーブル４４上に載置される。そして、図３に図示する如く、シリコン塊破砕工具における案内部材８の前面がシリコン４２上に当接される。かくすると、ハンマーヘッド６はその前端が案内部材８の前面と実質上合致する位置まで突出位置から後退される。かかる状態においてピストン駆動手段２の引金１４を引くと、ピストン１２が図２に実線で示す後退位置から図２に二点鎖線で示す突出位置まで高圧空気によって駆動され、ピストン１２の前端がハンマーヘッド６の後端に衝突する。かくして、ハンマーヘッド６を介してシリコン４２に所要の衝撃が加えられ、シリコン４２が破砕される。ピストン駆動手段２の引金１４を開放すると、ピストン１２は図２に実線で示す後退位置に戻される。シリコン４２に対する案内部材８の位置を適宜に移動して、ピストン駆動手段２の引金１４の操作を繰り返し遂行することによって棒状多結晶シリコン４２の全体を適宜の寸法の小片に破砕することができる。破砕すべきシリコン４２に加えられる衝撃の大きさは、ピストン１２を駆動する高圧空気の圧力を適宜に選定する（上述したとおり、高圧空気の圧力は０．５乃至１．０ＭＰａ程度であるのが好適である）ことによって調整することができる。かような次第であるので、特に熟練を必要とすることなく、そしてまた大きな腕力を必要とすることなく、充分容易にシリコン４２の破砕を遂行することができる。加えて、後述する実験例から理解されるとおり、ハンマーヘッド６の前端の曲率半径を適宜に設定すると共にハンマーヘッド６からシリコン４２に加えられる衝撃の大きさを適宜に設定することによって、シリコン４２を破砕する際の粉体の発生を充分に抑制できる。
実験例
実験例１
シーメンス法によって生成した、長さ２００ｍｍ、直径１２０ｍｍ（従って曲率半径６０ｍｍ）の円柱形状の多結晶シリコン塊を、図１および図２に図示するとおりの形態のシリコン塊破砕工具を使用して、図３を参照して説明したとおりの様式で破砕した。ハンマーヘッドの先端はシリコン塊の周表面に衝突させた。２回目以降の衝突においては、比較的大きな塊として残留している部分の、初期状態における周表面がそのまま維持されている周表面にハンマーを衝突させた。ハンマーヘッドの先端の曲率半径は２５ｍｍで、ピストンを駆動するために供給した高圧空気の圧力は０．９ＭＰａで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数は１８回であった。破砕された小片を、小片の最大長さが１２０ｍｍを超えるもの（チョコラルスキー法における原材料としては過大）、１０乃至１２０ｍｍのもの（チョコラルスキー法における原材料としては適切）及び１０ｍｍ未満（チョコラルスキー法における原材料としては過小）に分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例２
ハンマーヘッドの先端の曲率半径が７５ｍｍで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が６回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例３
ハンマーヘッドの先端の曲率半径が１００ｍｍで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が４回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例４
ハンマーヘッドの先端の曲率半径が１５０ｍｍで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が４回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例５
ハンマーヘッドの先端の曲率半径が２００ｍｍで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が５回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例６
ハンマーヘッドの先端の曲率半径が３００ｍｍで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が８回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例７
ハンマーヘッドの先端の曲率半径が３５０ｍｍで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が１４回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例８
高圧空気の圧力が１．８ＭＰａで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が４回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例９
高圧空気の圧力が１．８ＭＰａで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が３回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
実験例１０
高圧空気の圧力が２．２ＭＰａで、シリコン塊に対するハンマーヘッドの衝突回数が３回であったことを除いて、実験例１と同様な実験を遂行し、破砕された小片を分別して夫々の重量割合を求めた。その結果は表１に示すとおりであった。
【表１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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