JP2013071864A - 離型剤用窒化ケイ素粉末およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】粒度分布が、D50で1.6〜3.0μm、D90で3.9〜14.0μm、及びD100で11〜68μmである離型剤用窒化ケイ素粉末、β相の比率が30〜70質量%である該離型剤用窒化ケイ素粉末、不純物であるFe、Al、及びCaが各々100ppm以下である該離型剤用窒化ケイ素粉末、並びに、直接窒化法によって、製造された窒化ケイ素粉末を、振動ミルを使用して粉砕する該離型剤用窒化ケイ素粉末の製造方法を構成とする。
【選択図】図4
Description
このキャスティング法は、石英ルツボや黒鉛ルツボ中に原料シリコンを投入し、不活性雰囲気中において、1,500℃付近で加熱溶解し、多結晶シリコンインゴットを形成する方法である。そして、このシリコンインゴットの端部を除去し、所望の大きさに切断して切り出し、切り出したシリコンインゴットを所望の厚みにスライスして太陽電池を形成するための多結晶シリコン基板を得ている。
鉄とアルミニウムなどの金属不純物、特に、鉄は、ライフタイムキラーとして発電効率を低下させる元素であることが知られている。
この条件を満たすものの代表が窒化ケイ素である。また離型層の強度を高めることを目的として酸化ケイ素も一部添加されることもある。さらに、離型性の向上を目的として非晶質の酸窒化ケイ素を使用することもある(特許文献1、特許文献2)。
しかしながら、酸化ケイ素や酸窒化ケイ素は、シリコンと融点が近く、多結晶シリコンインゴットへの拡散が進みやすい。そのため、極力、多結晶シリコンインゴットに不純物の入らない、高い熱的安定性を持つ離型剤が要求されている。
離型剤中の不純物を低減することは、離型剤を使用する際に重要であるが、多結晶シリコンへの不純物の混入を低減するためには、離型剤中の不純物を低減するだけでは、不充分であり、離型剤中の不純物の多結晶シリコンインゴットへの拡散を防ぐ必要がある。
しかしながら、特許文献4には、D50、D90、及びD100を規定した窒化ケイ素粉末を、ルツボの内面に塗布する離型剤として使用することによって、太陽電池用のシリコンインゴットへの不純物混入を防止することや歩留まりを向上することについては全く記載されていない。
(1)粒度分布が、D50で1.6〜3.0μm、D90で3.9〜14.0μm、及びD100で11〜68μmであることを特徴とする離型剤用窒化ケイ素粉末である。
(2)β相の比率が10〜90質量%であることを特徴とする前記(1)の離型剤用窒化ケイ素粉末である。
(3)不純物であるFe、Al、及びCaが各々100ppm以下であることを特徴とする前記(1)又は(2)の離型剤用窒化ケイ素粉末である。
(4)直接窒化法によって、製造された窒化ケイ素粉末を、振動ミル又はジェットミルを使用して粉砕することを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか1の離型剤用窒化ケイ素粉末の製造方法である。
なお、本発明における部や%は、特に断らない限り質量規準で示す。
その理由は、粉砕することで、幅広い粒度分布を持たせることができ、離型剤としての分散性や細密充填の粒度分布を持つことが、離型剤の焼結特性や強度増加により有利となるからである。
後工程での汚染を考慮に入れて金属シリコン中のFeの不純物は10ppm以下であることが望ましい。半導体用途のシリコン端材から得られるシリコン屑は高純度であることから金属シリコン原料として好ましい。
特に、本発明では、β相の比率は10〜90%が好ましく、30〜70%がより好ましい。β相が10%未満では、α相の結晶粒子径が小さくなることから、粒度分布を調整しづらくなり、離型剤の取り外しの際、離型剤が大きく剥がれやすく、90%を超えると、β相の針状結晶が増加し、結晶が発達することになり、粉砕しづらくなり、離型相に金属が浸透し、離型剤が大きく剥がれやすくなる場合がある。
単結晶金属シリコンから円筒研削により削れられた金属シリコンスラッジを使用し、それを乾燥し、平均粒径2〜3μmに粉砕した金属シリコンを出発原料として、1,450℃、常圧のバッチ炉で、160時間窒化して、窒化ケイ素を製造した。
製造した窒化ケイ素を、ジョークラッシャーとアルミナロールダブルロールクラッシャーで粗粉砕し、内壁に窒化ケイ素ライニングし、かつ、窒化ケイ素ボールを充填した振動ミル又はジェットミルにより粉砕し、表1に示す離型剤用窒化ケイ素粉末を調製した。
調製した窒化ケイ素粉末の粒度分布は図1のとおりである。
調製した離型剤用窒化ケイ素粉末を、5%のポリビニールアルコール水溶液に加え、5,000cPの粘度になるように調整したスラリーを作製し、底面が220mm角で高さが300mmの石英ルツボの内壁に、乾燥後の厚みが0.3mmになるように均一にスラリーを塗布し、120℃×1時間の条件で加熱乾燥した。その後、大気中1,000℃で2時間、脱バインダー処理を行った。
その後、その内部に純度が7Nである高純度シリコン粉末を10kg投入し、アルゴン雰囲気中で1,570℃まで加熱し、1,480℃で10時間維持した後冷却した。
生成した高純度シリコンインゴットを取り出した後、石英ルツボ内壁の離型剤を塗布した面積に対する、離型剤が剥がれた面積から、離型剤の剥がれ状態を評価した。
比較のため、製法の異なるイミド熱分解法による窒化ケイ素粉末を使用して同様の実験を行った。結果を表2に示す。
金属シリコン:信越半導体社製、円筒研削金属シリコンスラッジ、水分25%、乾燥後の特性:水分0.2%、比表面積8.9m2/g、平均粒径2.9μm、純度;O<1.0%、C<0.1%、Fe、Al、及びCa<50ppm
市販窒化ケイ素粉末:イミド熱分解法による窒化ケイ素粉末、宇部興産社製高純度窒化ケイ素粉末グレード、商品名「SN−E10」、比表面積9〜13m2/g、純度;O<2.0%、C<0.2%、Cl<100ppm、Fe<100ppm、Al、及びCa<50ppm、結晶相95%
粒度分布 :ヘキサメタリン酸ナトリウム20%水溶液2mlを混ぜた純水200cc中に、測定サンプル60mgを投入し、超音波ホモジナイザー(日本精機製作所製、商品名「US−300」)で3分間分散させた後、マイクロトラック(日機装社製、商品名「MT3300EXII)により測定した。マイクロトラックの循環器の溶媒には純水を使用し、測定サンプルが適正濃度になるまで調整した。
β相の含有率:次式のβ化率から求めた。β化率については、粉末X線回折により、α相の(102)面及び(210)面の回折線強度Ia102及びIa210と、β相の(101)面及び(210)面の回折線強度Ib101及びIb210から次式により算出した。
β化率={(Ib101+Ib210)/(Ia102+Ia210+Ib101+Ib210)}×100%
表3に示す粒度分布を持つ、β相比率50%の窒化ケイ素粉末を製造し、振動ミル又はジェットミルを使用して表3に示す離型剤用窒化ケイ素粉末を調製したこと以外は実験例1と同様に行った。結果を表3に併記する。
表4に示す量のβ相を有する窒化ケイ素粉末を製造し、振動ミルを使用して粉砕して、D50が1.6μm、D90が14μm、及びD100が68μmの離型剤用窒化ケイ素粉末を調製したこと以外は実験例1と同様に実験を行った。結果を表4に併記する。
Claims (4)
- 粒度分布が、D50で1.6〜3.0μm、D90で3.9〜14.0μm、及びD100で11〜68μmであることを特徴とする離型剤用窒化ケイ素粉末。
- β相の比率が10〜90質量%であることを特徴とする請求項1に記載の離型剤用窒化ケイ素粉末。
- 不純物であるFe、Al、及びCaが各々100ppm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の離型剤用窒化ケイ素粉末。
- 直接窒化法によって、製造された窒化ケイ素粉末を、振動ミル又はジェットミルを使用して粉砕することを特徴とする請求項1〜請求項3のうちのいずれか1項に記載の離型剤用窒化ケイ素粉末の製造方法。
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