JP2006111529A

JP2006111529A - シリコン鋳造用鋳型

Info

Publication number: JP2006111529A
Application number: JP2005322060A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yumoto; 芳明湯本; Katsuhiko Shirasawa; 勝彦白沢
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】
鋳型の変形や失透を防止すると共に、鋳型の破壊や組立・分解が不要なシリコン鋳造用鋳型を提供する。
【解決手段】
側壁部１ａと底部１ｂとを有してなるシリコン鋳造用鋳型１であって、底部１ｂは溝部分１ｆを有し、該溝部分１ｆに立てられた側壁部１ａをくさび１ｇで固定するものとする。
【選択図】図４

Description

本発明はシリコン鋳造用鋳型に関する。

シリコン鋳造用鋳型には、一体型のものと組立型のものがある。一体型の鋳型は図５に示すように、鋳型１の側壁１ａと底１ｂが一体になった箱状の鋳型である。この一体型の鋳型１は、石英や黒鉛などで形成される。なお図５（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。

また組立型の鋳型は図６に示すように、側壁１ａと底１ｂを別体に形成し、これら側壁１ａと底１ｂをボルト１２で固定して組み立てたものである（例えば特開昭６２−１０８５１５号公報参照）。この組立型の鋳型１は黒鉛などで形成される。

また、鋳型１の内面１ｃには、通常、二酸化珪素粉末などのシリコン酸化物、窒化珪素粉末などのシリコン窒化物、炭化珪素粉末などのシリコン炭化物あるいはそれらの混合物などから成る離型剤を塗布して使用する（例えば特開平６−１４４８２４号公報参照）。

例えば太陽電池用多結晶シリコンの鋳塊を製造する場合、シリコン融液は鋳型１の底１ｂ部分から上向きに一方向性凝固することが好ましい。これを実現する方法として、シリコン融液や凝固したシリコンの水平方向の温度分布を一定にし、垂直方向には底１ｂ部分から上へ向かって温度を高くする方法がある。例えば鋳型１の底面１ｂを水冷チルプレートで冷却し、鋳型１の周囲には複数個の発熱体を配置して鋳型１の側壁部１ａと上方の温度を高く保つことも提案されている（例えば特公平４−６８２７６号公報参照）。

ところが、鋳型１の材料として石英を用いる場合、鋳型１の変形や石英の失透のために数回しか使用できないという問題がある。

また、黒鉛製の一体型の鋳型１では、シリコン融液を凝固させて鋳塊を取り出す場合、鋳型１を破壊しなければならない。鋳型１の内面に鋳塊取出用のテーパーを付けると鋳型を破壊することなく鋳塊を取り出すことができるが、鋳塊の利用可能部分の歩留りが低くなるという問題を誘発する。

さらに、黒鉛製の組立型の鋳型１の場合、一回毎に、組立作業と分解作業が必要である。

一方、鋳型１の材料として黒鉛を用いる場合、鋳型１の肉厚が大きく、且つ、黒鉛自体の熱伝導率が大きいため、鋳型１の底部を冷却すると鋳型１の側壁部も冷却されてしまう。そのため、鋳型１の底部を冷却しながら、鋳型１の側壁部を高温に保ためには、鋳型１の側壁部に多量の熱を加え続ける必要があり、不経済である。また、鋳型１の側壁部に多量の熱を加えながら、鋳型１の底部を冷却すると、鋳型１の側壁部から鋳型１の底部へ流入する熱を多量に奪わなければならず、シリコン融液および凝固したシリコンの冷却速度が遅くなるという問題がある。

本発明に係るシリコン鋳造用鋳型は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、鋳型の変形や失透を防止すると共に、鋳型の破壊や組立・分解が不要なシリコン鋳造用鋳型を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るシリコン鋳造用鋳型は、側壁部と底部とを有してなるものであって、前記底部は溝部分を有し、該溝部分に立てられた前記側壁部をくさびで固定することを特徴とする。

炭素繊維強化炭素材料の熱膨張係数は、シリコンのそれに比べて１／１０以下もしくは１／１０程度である。そのため、融点温度に近い凝固直後のシリコン鋳塊の外径は、鋳型内径とほぼ一致しているが、鋳型とシリコン鋳塊の温度が下がるにつれて、鋳型とシリコン鋳塊の間に徐々に隙間ができ、常温になると鋳型を破壊することなく鋳塊を取り出すことができるようになる。そのため、鋳型に鋳塊取出用テーパーを付ける必要はなく、また組立型の鋳型を用いる必要もない。

また炭素繊維強化炭素材料は割れにくいことから、鋳型の側壁を薄くすることができ、熱伝導率も小さいことから、鋳型の側壁部を流れる熱が減少し、鋳型の上方のみからシリコン融液を加熱するだけで、シリコン融液を一方向性凝固させることができるようになる。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の一実施形態を示す図であり、１ａは側壁部、１ｂは底、１は全体として鋳型を示す。鋳型１は炭素繊維強化炭素材料からなる。また、鋳型１の側壁部１ａの外側には、グラファイト質成形体などから成る断熱材２が設けられている。なお、図１（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。

図２に黒鉛と炭素繊維強化炭素材料の熱膨張係数（１０^-6／Ｋ）、熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、引張強さ（ＭＰａ）の一例を示す。図２から明らかなように、炭素繊維強化炭素材料は、従来鋳型材料に用いられていた黒鉛に比べて衝撃に強く、且つ引張強さも黒鉛の１０倍以上もしくは１０倍程度大きい。そのため、鋳型１の側壁部１ａの肉厚は１ｍｍ以上あれば十分である。なお、強度的には１ｍｍ未満の厚みのものでもよいが、１ｍｍ未満の炭素繊維強化炭素材料は製作が困難で、耐用回数も少なく不経済である。鋳型１の側壁部１ａの肉厚を薄くすることで、鋳型１の側壁部１ａから鋳型１の底部１ｂに流れる熱量は少なくなる。

また、黒鉛の熱伝導率が１１６Ｗ／ｍＫであるのに対して炭素繊維強化炭素材料の熱伝導率は面方向が２７Ｗ／ｍＫ、厚み方向が４Ｗ／ｍＫであり、炭素繊維強化炭素材料の方が遙に小さい。そのため、鋳型１の側壁部１ａに薄い炭素繊維強化炭素材料を使うことで、鋳型１の側壁部１ａから鋳型１の底面１ｂへ流れる熱量は、厚い黒鉛板を用いた場合に比べて、極端に少なくなる。これにより、シリコン融液を鋳型１の底部１ｂから上向きに一方向性凝固させる場合、鋳型１の側壁部１ａに加える熱量は少なくなる。また鋳型１の側壁部１ａの熱の流れが小さいため、鋳型１の側壁部１ａの外側を５０ｍｍ程度の厚みを有するグラファイトフェルトで断熱すれば、上方のみからの熱で結晶成長は概ね上向きになる。この場合は大幅に熱量が節約できる。

またこのことで、鋳型１の側壁部１ａから鋳型１の底部１ｂへ流入する熱量が小さくなり、鋳型１の底部１ｂからは主にシリコンそのものを冷却することになる。このため、シリコンの冷却速度を大きくして鋳塊の単位時間当たりの生産重量を大きくすることが容易になる。

上述したように、鋳型１の側壁部１ａの肉厚は１ｍｍ以上あれば十分であるが、鋳型１の側壁部１ａの肉厚が大きくなると上述の効果が小さくなると共に、鋳型１のコストが上昇するため、肉厚は６ｍｍまでがよい。したがって、鋳型１の側壁部１ａの肉厚は１〜６ｍｍの範囲内が望ましい。

炭素繊維強化炭素材料から成る鋳型１の内面には、二酸化珪素粉末と窒化珪素粉末の混合物を溶剤として水や有機性溶剤を使用して塗布する。二酸化珪素粉末と窒化珪素粉末の混合比率は、重量比で２：１から０．５：１の間にする。二酸化珪素粉末の重量比がこの比率よりも多くても少なくても鋳塊の離型性が低下する。塗布する層の厚みは０．３〜２ｍｍとする。０．３ｍｍ未満では離型性が低下し、２ｍｍより厚いとコスト高となり、実用的でない。なお、二酸化珪素粉末や窒化珪素粉末に限らず、窒化ホウ素粉末、炭化珪素粉末、石英などシリコンの融点よりも高い融点を有する各種材料を用いることができる。

−実施例１−
内径φ１２０ｍｍ、高さ１６５ｍｍ、厚み５ｍｍの側壁部材１ａと、厚み５ｍｍの底部材１ｂを組み合わせて図１に示す円筒状の鋳型１を形成し、鋳型１の内面に重量比で１．３：１の二酸化珪素粉末と窒化珪素粉末をポリビニルアルコールの水溶液で溶かしたペーストをはけ塗りして乾燥焼成した。この鋳型１の側壁部１ａの外側にグラファイトフェルトを巻いて断熱した円筒状鋳型をシリコン鋳造装置に設置して、４Ｋｇのシリコン融液を注湯し、鋳型１の上方に設置した発熱体で鋳型１とシリコン融液を１４５０℃程度に加熱し、鋳型１の底部１ｂを冷却して、シリコン融液を凝固させて冷却した。すなわち、底部には断熱材がないので、放射冷却される。鋳型１とシリコン鋳塊との間には、０．５ｍｍ程度の隙間ができ、鋳型１を逆さにして底部材１ｂを外して鋳塊を軽くたたくだけで、シリコン鋳塊を鋳型１ｂから容易に取り出すことができた。またシリコン鋳塊を切断したところ、結晶は鋳型の底部から概ね上向きに成長していた。上述のシリコン融液の注湯、凝固、鋳塊の取り出しを５回繰り返したが、鋳型に損傷は認められなかった。

−実施例２−
厚み２ｍｍの側壁部材１ａと厚み８ｍｍの底部材１ｂを組み合わせて、内寸２３０ｍｍ×２３０ｍｍ、深さ２００ｍｍとした図３に示す鋳型１を形成し、鋳型１の内面に重量比で１．３：１の二酸化珪素粉末と窒化珪素粉末をポリビニルアルコールの水溶液で溶かしたペーストをはけ塗りして乾燥焼成した。なお、図３に示す鋳型は、側壁１ａと底１ｂを別体に形成し、側壁１ａを支持部材１_Cにボルト１ｄで固定すると共に、側壁１ａと底１ｂを受台１ｅ上で組み立てたものである。このように支持材１ｃを側壁１ａの外側に設けて、ボルト１ｄで固定すると、側壁１ａが極めて薄い場合でも、組立型鋳型を形成できる。

この鋳型１の側壁部１ａの外側にグラファイトフェルトを巻いて断熱した角形鋳型をシリコン鋳造装置に設置して２１Ｋｇのシリコン融液を注湯し、鋳型１の上方に設置した発熱体で鋳型１とシリコン融液を加熱し、鋳型の底部１ｂを冷却してシリコン融液を凝固させて冷却した。この場合も上記実施例と同様の効果が得られた。

−実施例３−
厚み２ｍｍの側壁部材１ａと厚み８ｍｍの底部材１ｂを組み合わせて、内寸２３０ｍｍ×２３０ｍｍ、深さ２００ｍｍとした図４に示す鋳型１を形成し、鋳型１の内面に重量比で１．３：１の二酸化珪素粉末と窒化珪素粉末をポリビニルアルコールの水溶液で溶かしたペーストをはけ塗りして乾燥焼成した。なお、図４に示す鋳型は、側壁１ａと底１ｂを別体に形成し、底１ｂの溝１ｆ部分に側壁１ａを立てて、くさび１ｇで固定したものである。

この鋳型１の側壁部１ａの外側にグラファイトフェルトを５０ｍｍ程度の厚さで巻き付けて側壁部１ａを充分に断熱した角形鋳型をシリコン鋳造装置に設置して２１Ｋｇのシリコン融液を注湯し、鋳型１の上方に設置した発熱体で鋳型１とシリコン融液を加熱し、鋳型１の底部１ｂを冷却してシリコン融液を一方向性凝固させて冷却した。冷却後、容易に離型することができた。この鋳型１を２０回繰り返して使用した結果、側壁部１ａが消耗して少し薄くなったが、離型性には全く問題なかった。

以上のように、本発明に係るシリコン鋳造用鋳型によれば、鋳型の材料として炭素繊維強化炭素材料を使用することから、テーパーの無い一体型の鋳型が使用できる。また組立型の鋳型としても、毎回の組立作業や分解作業は必要なく、一度組み立てた後は、分解することなく鋳塊を取り出すことができる。

また、鋳型の側壁部の外側を断熱すれば、上からの加熱のみで結晶の成長方向が概ね上向きとなり、従来の方法に比べ大幅に熱量が節約できる。また従来のように、鋳型の側面を加熱する場合でも鋳型の側面に加える熱量は従来法に比べて少なくなり、熱量が節約できる。さらに鋳塊の単位時間当たりの生産重量を容易に大きくできる。

炭素繊維強化炭素材料から成る鋳型の内面を、二酸化珪素と窒化珪素を２：１〜０．５：１の割合で混合したもので被覆すると、鋳塊を鋳型から容易に離型できる。

本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の一実施形態を示す図である。黒鉛と炭素繊維強化炭素材料の物性値の一例を示す図である。本発明に係るシリコン鋳造用鋳型の他の実施形態を示す図である。本発明に係るシリコン鋳造用鋳型のその他の実施形態を示す図である。従来の一体型鋳型を示す図である。従来の組立型鋳型を示す図である。

符号の説明

１・・・鋳型
１ａ・・側壁部
１ｂ・・底部
２・・・断熱材

Claims

側壁部と底部とを有してなるシリコン鋳造用鋳型であって、
前記底部は溝部分を有し、該溝部分に立てられた前記側壁部をくさびで固定して成ることを特徴とするシリコン鋳造用鋳型。
前記側壁部は、炭素繊維強化炭素材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコン鋳造用鋳型。
前記底部は、炭素繊維強化炭素材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１記載のシリコン鋳造用鋳型。