JP2020121888A - シリコン粉塵の空気輸送方法、捕集方法、および処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン微粒子を、粉塵爆発させることなく、安全に空気輸送ないし集塵するための技術を提供すること。【解決手段】本発明では、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を捕集するに際し、破砕場所からダクト内を空気輸送されたシリコン粉塵を湿式のスクラバーに導き、先ず、該スクラバー内でシリコン粉塵に水噴霧して水中に沈降させる（第１の工程）。その後に、輸送空気を強制的に湾曲させる空気抵抗部に導いて輸送空気中のシリコン粉塵を該空気抵抗部で捕捉する（第２の工程）。例えば、サイロ１０の上部（排出口近傍）に、輸送空気を強制的に湾曲させる空気抵抗部１５を設け、この空気抵抗部１５に輸送空気を導いて残余のシリコン粉塵を捕捉する。このような空気抵抗部１５を通過させた空気中に含まれるシリコン粉塵量は、０．０１ｇ/ｍ３未満となる。【選択図】図１

Description

本発明は多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を安全に空気輸送するための技術、および、上記シリコン粉塵を安全に捕集するための技術に関する。

半導体デバイス等の製造に不可欠な単結晶シリコンは、殆どの場合、シーメンス法により製造された多結晶シリコンロッドやこれを粉砕して得られた多結晶シリコン塊を原料として、ＦＺ法やＣＺ法により育成される。シーメンス法とは、トリクロロシランやモノシラン等のシラン原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により気相成長
（析出）させる方法である。

多結晶シリコン塊は、シーメンス法により合成された多結晶シリコンロッドを反応器から取り出した後にハンマー等で破砕し、この破砕物の表面に付着した汚染物を取り除くために、フッ硝酸等による薬液エッチングを行い、高い清浄度の表面状態とされて製品化される。市場に流通する多結晶シリコン塊は、一般に、概ね２０〜８０ｍｍ程度の径のサイズのものである。

ところで、多結晶シリコン棒の破砕に伴い、上記多結晶シリコン塊よりもはるかに小径のシリコン微粒子が発生する。そのようなシリコン微粒子の発生量は、破砕条件にもよるが、破砕対象の多結晶シリコンの全重量に対し０．５ｗｔ％程度発生する場合もある。このようなシリコン微粒子のうち、長径が１ｍｍ以下のサイズのものは空気中を漂う。

児玉ほか、「粉体空気輸送における静電気帯電に関する安全評価」、産業安全研究所特別研究報告、ＮＩＩＳ−ＳＲＲ−Ｎ０．１７（１９９９）ｐ．４３〜４９．

破砕により生じたシリコン微粒子のうち、１００μｍ以下のサイズの微粒子はその濃度が増加すると粉塵爆発を起こす危険性がある（紛体の粉塵爆発については、例えば、非特許文献１を参照）。

一般に、粉体は局所排気装置により吸引されて集塵装置で捕集されるが、多くの粉塵爆発は、ダクト内部と集塵装置のサイロ内で発生している。このような粉塵爆発は、粉体同士の衝突と配管内壁との摩擦により発生・蓄積した静電気に起因し、サイロ内の静電界強度が高まった気相空間で発生する静電気放電が引き起こすと考えられている。

多結晶シリコン棒は高純度シリコン単結晶を育成するための原料となるため、不純物は極力排除される条件で合成されるから、その比抵抗は極めて高い。従って、その粉砕に伴って発生するシリコン微粒子の比抵抗も必然的に高いものであるから、静電気を発生させ易いと考えられる。

従って、破砕により生じたシリコン微粒子は、その集塵作業に際して粉塵爆発を引き起こす危険性が高いと考えられるが、これまでは殆ど検討課題とされてこなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、例えばシーメンス法により合成した多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン微粒子を、粉塵爆発させることなく、安全に空気輸送ないし集塵するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るシリコン粉塵の空気輸送方法は、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を空気輸送する方法であって、破砕場所とスクラバーの間に設けられたダクト内の前記シリコン粉塵の濃度を２，０００ｇ/ｍ^３以下と
する、ことを特徴とする。

好ましくは、前記ダクト内を流れる空気の線速度を４ｃｍ/秒以上とする。

また、好ましくは、前記ダクトの一方端側に設けられた局所排気部の吸込口での空気の流速度を８ｍ/秒以上とする。

本発明に係るシリコン粉塵の捕集方法は、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を捕集する方法であって、破砕場所からダクト内を空気輸送された前記シリコン粉塵を湿式のスクラバーに導き、該スクラバー内で前記シリコン粉塵に水噴霧して水中に沈降させる第１の工程の後に、輸送空気を強制的に湾曲させる空気抵抗部に導いて輸送空気中のシリコン粉塵を該空気抵抗部で捕捉する第２の工程を備えている、ことを特徴とする。

本発明に係るシリコン粉塵の処理方法は、上述の捕集方法に続き、前記スクラバー内で水中に沈降した前記シリコン粉塵を、湿潤状態のまま排出して処理する工程を備えている、ことを特徴とする。

本発明では、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を空気輸送するに際し、破砕場所とスクラバーの間に設けられたダクト内のシリコン粉塵の濃度、ダクト内を流れる空気の線速度、ダクトの一方端側に設けられた局所排気部の吸込口での空気の流速度を、適正な範囲に設定する。

これにより、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン微粒子を、粉塵爆発させることなく、安全に空気輸送することが可能となる。

本発明で用いる湿式のスクラバーの構造を概念的に説明するための図である。

以下に、図面を参照して、本発明を実施する際の形態について説明する。

［予備実験］
多結晶シリコン棒を破砕して発生した粉塵についての、粉塵爆発の危険性について、予備的な実験を行った。

先ず、多結晶シリコン棒を破砕し、発生した粉塵の全量を孔径１μｍのフィルターに捕集した。この粉塵の粒径分布を、レーザー回折式乾式法で測定した。その結果、メジアン１０％径は２０．２μｍ、メジアン５０％径は７４μｍ、メジアン６０％径は８８μｍで
あり、粉塵粒径は、４．２μｍ〜７０４μｍの範囲で分布していた。

この粉塵について爆発下限濃度試験を行った。当該試験は、ＪＩＳ Ｚ ８８１８：２００２「可燃性粉塵の爆発下限濃度測定方法」で規定された公定法に則って行った。用いた装置は吹上式粉塵爆発試験装置（株式会社 環境衛生研究所、都田Ｌａｂ．製、ＤＥＳ−１０）であり、粉塵雲を発生させ、放電させた後の炎の着火状態により爆発下限濃度の判定を行った。なお、粉塵濃度は１００〜２０００ｇ／ｃｍ^３の範囲の水準とし、各水準につき５回の繰り返し測定を行った。

なお、この際の実験条件は、測定室の温度・相対湿度が２４℃、４６％、粉塵雲を作るための圧縮空気の圧力である圧縮空気吹き出し圧力が５０ｋＰａ、放電開始時間が０．１秒（つまり、粉塵雲形成後０．１秒に放電開始）、着火放電エネルギーが１０Ｊ（ネオントランス２次側出力：１５ｋＶ、２０ｍＡ）である。

着火ないし爆発の有無を評価した結果を表１に示す。

この表に示したように、シリコン粉塵の濃度２，０００ｇ/ｍ^３以下では、着火ないし
爆発は生じなかった。

続いて、圧力上昇速度、爆発指数（Kst）、粉塵爆発クラスの評価を行った。この評価
を行うに際し、ＪＩＳ Ｚ ８８０１７：２００２「可燃性粉塵の爆発圧力及び、圧力上昇速度の測定方法」の付属書２に規定された公定法に則った。具体的には、容量が３０リットル（０．０３ｍ^３）の球型試験装置内において、コンプレッサーエアーにより粉塵雲を発生させ、火薬に着火させ、爆発させた時の圧力波形を観測し圧力の最大値とそれに至るまでの時間から圧力上昇速度を算出した。なお、この評価方法は、爆発を発生させ、集塵機等の装置の爆発時の防護を目的とした放散口面積の設計に利用されるものである。

この際の実験条件は、測定室の温度・湿度が２５℃、５０％、着火剤の種類は火薬（総発熱量１０ｋＪ）、粉塵雲を作るための圧縮空気の圧力である圧縮空気吹き出し圧力が１．０ＭＰａ、圧縮空気を噴き上げている時間である吹き上げ時間が６３ｍｓ、起爆遅延時間が１８０ｍｓである。なお、爆発指数（Kst）の単位は１０^２ｋＰａ・ｍ／ｓであり、
１ｍ^３の容量をもつ測定機を用いて測定して得られる値に換算した値であり、本実験で用いた球型試験装置（容量０．０３ｍ^３）の場合のKstは、（０．０３ｍ^３）^１／３×最大
爆発圧力上昇速度で与えられる。

また、この爆発指数（Kst）に応じて、粉塵爆発クラスはＳｔ０〜３に分類される（Ｊ
ＩＳ Ｚ ８８１７：２００２）。具体的には、Ｋｓｔ値が０であればＳｔ０（燃焼、爆発性のない粉塵）、Ｋｓｔ値が１〜２００であればＳｔ１（爆発の激しさが弱い粉塵）、
Ｋｓｔ値が２０１〜３００であればＳｔ２（爆発の激しい粉塵）、そして、Ｋｓｔ値が３０１以上であればＳｔ３（爆発の激しさが特に大きい粉塵）となる。

評価結果を表２に示す。

この表に示したように、上述した試験で着火ないし爆発が生じなかったシリコン粉塵濃度２，０００ｇ/ｍ^３の場合、仮に何らかの原因で爆発を起こしたとしても、爆発の激し
さは弱いことが判明した。そこで、本発明では、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を空気輸送するに際し、破砕場所とスクラバーの間に設けられたダクト内のシリコン粉塵の濃度を２，０００ｇ/ｍ^３以下とする。

しかし、粒径分布が変化し、１００μｍ以下の小粒径が多くなった場合は、粉塵爆発の危険性が増すことが予想される。従って、粉塵の発生から、輸送、そして、最終処理に至る一連のプロセスで粉塵爆発を起こさせないことが重要となる。本発明者らは、そのための条件を検討した。

［粉塵爆発危険性回避の条件検討］
先ず、シーメンス法により製造した多結晶シリコン棒を破砕してＣＺシリコン単結晶製造用のナゲットを得た際の重量損失を確認した。投入重量が１１２．０ｋｇの時の重量損失は０．４３ｋｇ、投入重量が１０９．５ｋｇの時の重量損失は０．３８ｋｇ、投入重量が１１１．５ｋｇの時の重量損失は０．５４ｋｇであった。この重量損失は、破砕時に局所排気装置により吸引・輸送された粉塵の重量に当たる。なお、この粉塵の粒径分布を測定したところ、１００μｍ以下の粒径のものが６７．４％であった。

粉塵発生直後にその全量を吸引するために、粉砕作業台に吸引口を設置し、吸引口の線速度を８ｍ/ｓ以上になる様、開口面積を調節した。なお、風速の測定には熱線式風速計
を使用した。

その後、破砕場所とスクラバーの間に設けたダクト（直径５００ｍｍ）内に送る排風量を３０ｍ^３/時間に設定し、ダクト内の気流の線速度を求めたところ、４．２ｃｍ/秒であった。

ダクトの全長距離は２０ｍであり、破砕場所からスクラバーに至る送風経路には３箇所の屈曲部がある。このダクトで、延べ１，７８７ｋｇの粉塵をスクラバーへと導いた。その後、ダクトの３箇所の屈曲部の近傍を開放してダクト内部の様子を確認したところ、全吸引粉塵の０．１５ｗｔ％に相当するシリコン粉塵の滞留が認められた。そして、この滞留分の粒径分布を測定したところ、１００μｍ以下の粒径分の濃縮は認められず、むしろ４４．１％に減少していた。即ち、１００μｍ以下の粒径のものと１００μｍより大きな粒径のものが分離されたこととなる。

上述のとおり、破砕により生じたシリコン微粒子のうち、１００μｍ以下のサイズの微粒子はその濃度が増加すると粉塵爆発を起こす危険性がある。従って、上記の空気輸送条件（ダクト内の気流の線速度）は、ダクト内での１００μｍ以下のサイズの微粒子の滞留防止に適切であることを意味している。つまり、ダクト内の気流の線速度が所定値以上であれば、シリコン粉塵を空気輸送する際の
粉塵爆発を抑止することができることを意味している。

そこで、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を空気輸送するに際し、破砕場所とスクラバーの間に設けられたダクト内のシリコン粉塵の濃度を２，０００ｇ/
ｍ^３以下とし、更に、ダクト内を流れる空気の線速度を４ｃｍ/秒以上とすることが好ま
しい。

［粉塵爆発危険性回避のスクラバーの構造検討］
図１は、本発明で用いる湿式のスクラバーの構造を概念的に説明するための図である。

本発明では、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を捕集するに際し、破砕場所からダクト内を空気輸送されたシリコン粉塵を湿式のスクラバーに導き、先ず、該スクラバー内でシリコン粉塵に水噴霧して水中に沈降させる（第１の工程）。その後に、輸送空気を強制的に湾曲させる空気抵抗部に導いて輸送空気中のシリコン粉塵を該空気抵抗部で捕捉する（第２の工程）。

上記第１の工程で殆どのシリコン粉塵が捕捉されるが、粒径の小さなシリコン粉塵の捕捉が十分ではない場合もあるため、本発明では上記第２の工程を設けている。

また、本発明では、上記の捕集の後に、スクラバー内で水中に沈降したシリコン粉塵を、湿潤状態のまま排出して処理する。このような方法であれば、シリコン粉塵は上記湿潤状態にあるため、粉塵爆発の危険性はない。

図１に例示した湿式スクラバー１００では、サイロ１０にシリコン粉塵を空気輸送（図中にＡで示した）により導き、この内積が８７０リットルのサイロ１０（直径１２００ｍｍで高さ４０５０ｍｍ）内において、ポンプ２０により水（図中にＷで示した）を循環させ（流量２９０リットル/分）、上部より水を噴霧させる。粒径の大きいシリコン粉塵は
この水噴射により沈殿槽３０に沈降するが、粒径の小さなシリコン粉塵の捕捉が十分ではない場合もある。このような非捕捉のシリコン粉塵を捕集して定量したところ、０．０１ｇ／ｃｍ^３であった。なお、この値は、粒径１μｍ以上のシリコン粉塵を対象とし、ＪＩＳ Ｚ ８８０８の等速吸引・濾紙捕集法により定量して得られたものである。

そこで、本発明では、サイロ１０の上部（排出口近傍）に、輸送空気を強制的に湾曲させる空気抵抗部１５を設け、この空気抵抗部１５に輸送空気を導いて残余のシリコン粉塵を捕捉する。

シリコン粉塵は、スクラバー１００外へと排出される前に、この空気抵抗部１５の表面に、湿潤状態で付着し、やがて滴となって沈殿槽３０へと落下し、沈降する。

このような空気抵抗部１５は、例えば、透明硬質ＰＶＣ製の厚さ０．５ｍｍのシートを２０ｍｍ間隔にて重ね、３００ｍｍの距離範囲に６箇所の湾曲部を設けた構造としたものである。このような空気抵抗部１５を通過させた空気中に含まれるシリコン粉塵量は、０．０１ｇ/ｍ^３未満となる。

上記の捕集の後に、スクラバー内で水中に沈降したシリコン粉塵を、湿潤状態のまま排出して処理する。サイロ１０に供給した水は、粉塵の沈降後に上澄み液として、一般排水として排出されるが、水質汚濁防止法における浮遊物質量ＳＳは、排水基準の４０ｍｇ/
ｌ以下であった。対象粒径は、１μｍ以上である。

沈殿槽３０内に沈降した粉塵は、上澄み液を除去することにより湿った状態のまま取り出し、回収、運搬され、産業廃棄物として処理する。湿った状態のままハンドリングされることが重要であり、乾燥させないことで、発塵性を抑え、粉塵爆発の危険性を回避する。人間に対する、作業環境的にも安全である。

［粉塵吸引パラメータの検討］
続いて、局所排気部の吸込口（フード）での空気の適切な流速度について検討した。表３に、５つの条件で行った検討結果を纏めた。

局所排気部の吸込口（フード）での空気の流速（線速）が８ｍ／秒以上の場合には、ダクト内に滞留する粒径１００μｍ以下の粉塵比率が０．１ｗｔ％を切っている。

この結果から、ダクトの一方端側に設けられた局所排気部の吸込口（フード）での空気の流速度を８ｍ/秒以上とすることが好ましいことが分かる。

本発明は、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン微粒子を、粉塵爆発させることなく、安全に空気輸送ないし集塵するための技術を提供する。

１０ サイロ
１５ 空気抵抗部
２０ ポンプ
３０ 沈殿槽
１００ スクラバー

この粉塵について爆発下限濃度試験を行った。当該試験は、ＪＩＳ Ｚ ８８１８：２００２「可燃性粉塵の爆発下限濃度測定方法」で規定された公定法に則って行った。用いた装置は吹上式粉塵爆発試験装置（株式会社 環境衛生研究所、都田Ｌａｂ．製、ＤＥＳ−１０）であり、粉塵雲を発生させ、放電させた後の炎の着火状態により爆発下限濃度の判定を行った。なお、粉塵濃度は１００〜２０００ｇ／ｍ ³の範囲の水準とし、各水準につき５回の繰り返し測定を行った。

その後、破砕場所とスクラバーの間に設けたダクト（直径５００ｍｍ）内に送る排風量を３０ｍ³/時間に設定した。

そこで、多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を空気輸送するに際し、破砕場所とスクラバーの間に設けられたダクト内のシリコン粉塵の濃度を２，０００ｇ/ｍ³以下とすることが好ましい。

Claims (5)

1. 多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を空気輸送する方法であって、
   破砕場所とスクラバーの間に設けられたダクト内の前記シリコン粉塵の濃度を２，０００ｇ/ｍ^３以下とする、シリコン粉塵の空気輸送方法。
2. 前記ダクト内を流れる空気の線速度を４ｃｍ/秒以上とする、請求項１に記載のシリコ
   ン粉塵の空気輸送方法。
3. 前記ダクトの一方端側に設けられた局所排気部の吸込口での空気の流速度を８ｍ/秒以
   上とする、請求項１または２に記載のシリコン粉塵の空気輸送方法。
4. 多結晶シリコンを破砕した際に発生するシリコン粉塵を捕集する方法であって、
   破砕場所からダクト内を空気輸送された前記シリコン粉塵を湿式のスクラバーに導き、該スクラバー内で前記シリコン粉塵に水噴霧して水中に沈降させる第１の工程の後に、輸送空気を強制的に湾曲させる空気抵抗部に導いて輸送空気中のシリコン粉塵を該空気抵抗部で捕捉する第２の工程を備えている、シリコン粉塵の捕集方法。
5. 請求項４に記載の捕集方法に続き、前記スクラバー内で水中に沈降した前記シリコン粉塵を、湿潤状態のまま排出して処理する工程を備えている、シリコン粉塵の処理方法。