JP5793035B2 - シリコンインゴット鋳造用積層ルツボ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[1] シリコン原料を溶解し、鋳造してシリコンインゴットを製造するためのシリコンインゴット鋳造用積層ルツボであって、
鋳型の内側に設けられた内層シリカ層と、
前記内層シリカ層の内側に設けられ、0.2〜4.0μmの窒化ケイ素粉末を75〜90重量%含有するとともに残部が10〜6000ppmのナトリウムを含有するシリカから構成される混合体素地層を少なくとも1層含む窒化ケイ素コーティング層と、
前記窒化ケイ素コーティング層の表面に設けられたバリウムコーティング層と、を備えることを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[2」 前記バリウムコーティング層が、平均粒径0.01〜0.1μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含むことを特徴とする前項1に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[3] 前記バリウムコーティング層が、0.1〜1μmの厚さであることを特徴とする前項1又は2に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[4] 前記バリウムコーティング層から、前記窒化ケイ素コーティング層及び前記内層シリカ層の一部又は全部にバリウムが拡散していることを特徴とする前項1乃至3のいずれか一項に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[5] 前記窒化ケイ素コーティング層及び前記内層シリカ層中のバリウム濃度が、前記鋳型側よりも前記バリウムコーティング層側で高いことを特徴とする前項1乃至4のいずれか一項に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[6] 前記内層シリカ層が、
前記鋳型の内側に設けられ、50〜300μmの微細溶融シリカ砂が、10〜6000ppmのナトリウムを含有するシリカから構成されるシリカ素地により結合された内層スタッコ層を少なくとも1層含むことを特徴とする前項1乃至5のいずれか一項に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
[7」 鋳型の内側に、溶融シリカ粉末と10〜6000ppmのナトリウムを含有するコロイダルシリカとからなるスラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成する工程と、
前記内層スタッコ層の上に、10〜6000ppmのナトリウムを含有するコロイダルシリカに0.2〜4.0μmの窒化ケイ素粉末を混合して得られた窒化ケイ素スラリーを塗布または吹き付けて混合体素地層を形成する工程と、
前記混合体素地層の最表面に、平均粒径0.01〜0.1μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末からなるバリウムスラリーを塗布または吹き付けてバリウムコーティング層を形成する工程と、
乾燥及び焼成する工程と、を備えることを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。
[8] 前記内層スタッコ層を形成する工程を一回又は複数回繰り返して行なって内層シリカ層を形成するとともに、前記混合体素地層を形成する工程を一回又は複数回繰り返して行なって窒化ケイ素コーティング層を形成することを特徴とする前項7に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。
ここで、微細溶融シリカ砂31の粒径を50〜300μmに限定したのは、以下の理由による。すなわち、微細溶融シリカ砂31の粒径が、300μmよりも粗い溶融シリカ砂であると、内層シリカ層3の表面粗さが大きくなってしまうために好ましくない。一方、微細溶融シリカ砂31の粒径が、50μmよりも微細であると、十分な厚さを保つことができなくなるために好ましくない。
ここで、シリカ素地6を構成するシリカのナトリウム含有量が、10〜6000ppmの範囲であることが好ましいのは、以下の理由による。すなわち、ナトリウム含有量が10ppm未満では、内層シリカ層3の微細溶融シリカ砂31に対する十分な密着性が得られないため好ましくない。一方、シリカのナトリウム含有量が6000ppmを越えると、ナトリウムがシリコンインゴットに許容範囲以上の不純物として含まれるようになるので好ましくない。シリカに含まれるナトリウム含有量の一層好ましい範囲は、500〜6000ppmである。
ここで、窒化ケイ素粉末41の粒径を0.2〜4.0μmに限定したのは、以下の理由による。すなわち、窒化ケイ素粉末41の粒径が、0.2μm未満では粉末がコロイダルシリカ中で凝集するので好ましくない。一方、窒化ケイ素粉末41の粒径が、4.0μmを越えると、窒化ケイ素粉末の製造コストがかかり過ぎるために好ましくない
ここで、バリウム含有化合物51の平均粒径を0.01〜0.1μmに限定したのは、以下の理由による。すなわち、バリウム含有化合物51の平均粒径が0.01μm未満であると、凝集するために好ましくない。一方、バリウム含有化合物51の平均粒径が0.1μmを超えると、均一に分散し難くなるために好ましくない。
本実施形態のルツボ1の製造方法は、鋳型2の内側に内層シリカ層3を形成する工程と、内層シリカ層3の上に窒化ケイ素コーティング層4を形成する工程と、窒化ケイ素コーティング層4の上にバリウムコーティング層5を形成する工程と、乾燥及び焼成する工程と、を備えて概略構成されている。以下に、各工程について詳細に説明する。
先ず、10〜6000ppmのナトリウムを含有し、平均粒径1〜10nmの超微細溶融シリカ粉末:30容量%を含有するコロイダルシリカ100部に対して、平均粒径:30〜100μmの溶融シリカ粉末200〜400部の割合で混合してスラリーを調製する。
10〜6000ppmのナトリウムを含有し、平均粒径1〜10nmの超微細溶融シリカ粉末:30容量%を含有するコロイダルシリカ100部に対して、平均粒径が0.2〜4.0μmの窒化ケイ素粉末を20〜50重量%となるように混合して窒化ケイ素スラリーを調製する。
純水に、平均粒径0.01〜0.1μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末を1〜20容量%となるように混合してバリウムスラリーを調製する
内層シリカ層3の形成工程は、先ず、鋳型2の内側に、溶融シリカ粉末とコロイダルシリカからなるスラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成する。次に、このスラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂31を散布して内層スタッコ層30を形成する。この内層スタッコ層30を形成する操作を、一回又は複数回繰り返して行なうことにより、内層シリカ層3を形成する。
窒化ケイ素コーティング層4の形成工程は、内層シリカ層3(内層スタッコ層30)の上に、調製した上記窒化ケイ素スラリーを塗布または吹き付けて混合体素地層40を形成する。この混合体素地層40を形成する操作を、一回又は複数回繰り返して行なうことにより、窒化ケイ素コーティング層4を形成する。
バリウムコーティング層5の形成工程は、窒化ケイ素コーティング層4の最表面に、調製したバリウムスラリーを塗布または吹き付けてバリウムスラリー層を形成する。
乾燥および焼成工程は、まず、内側に内層シリカ層3、窒化ケイ素コーティング層4及びバリウムスラリー層が積層された鋳型2を、温度20℃、湿度50%の環境下で24時間かけて乾燥する。次に、大気雰囲気下で約1000℃、2時間かけて焼成する。これにより、窒化ケイ素コーティング層4の表面にバリウムコーティング層5が形成される。
次に、下部を冷却して、下部から上部にかけて一方向凝固させてシリコンインゴットを製造する。
なお、シリカ層の結晶化度は、例えば、XRD(X線回折装置)により測定することが可能である。また、シリコンインゴット中の酸素濃度は、例えば、FT−IR法によって測定することが可能である。
内径:170mm、外径:190mm、深さ:150mmの寸法を有する石英ガラス鋳型を用意した。
また、ナトリウムを0.5%含有する平均粒径10nm以下の超微細溶融シリカ粉末:30容量%を含有するコロイダルシリカ100部に対して、平均粒径:40μmの溶融シリカ粉末200部の割合で混合してスラリーを作製した。
さらに、ナトリウムを0.5%含有する平均粒径10nm以下のコロイド状シリカ:30容量%を含有し、残部:水からなるコロイダルシリカを用意し、このコロイダルシリカに対して平均粒径:1.0μmの窒化ケイ素粉末を混合して窒化ケイ素スラリーを作製した。
更にまた、平均粒径:0.1μm以下の水酸化バリウム(又は炭酸バリウム):10容量%を含有し、残部:水からなるバリウムスラリーを作製した。
また、得られた一方向凝固シリコンインゴットに含まれる格子間酸素量を測定したところ、0.5×10−18(atm/cc)であった。
さらに、得られた一方向凝固シリコンインゴットをスライスして光発電用シリコン基板を作製し、その光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は約15.5%であった。
実施例1と同様に、上記スラリーを前記石英ガラス鋳型の内側に塗布してスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に平均粒径:250μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成し、この操作を2回繰り返して内層シリカ層を形成した。
また、得られた一方向凝固シリコンインゴットに含まれる格子間酸素量を測定したところ、1.0×10−18(atm/cc)であった。
さらに、得られた一方向凝固シリコンインゴットをスライスして光発電用シリコン基板を作製し、その光電変換効率を測定した結果、光電変換効率は約15%であった。
2・・・鋳型
3・・・内層シリカ層
4・・・窒化ケイ素コーティング層
5・・・バリウムコーティング層
6・・・シリカ素地
30・・・内層スタッコ層
31・・・微細溶融シリカ砂
40・・・混合体素地層
41・・・窒化ケイ素粉末
51・・・バリウム含有化合物
Claims (8)
- シリコン原料を溶解し、鋳造してシリコンインゴットを製造するためのシリコンインゴット鋳造用積層ルツボであって、
鋳型の内側に設けられた内層シリカ層と、
前記内層シリカ層の内側に設けられ、0.2〜4.0μmの窒化ケイ素粉末を75〜90重量%含有するとともに残部が10〜6000ppmのナトリウムを含有するシリカから構成される混合体素地層を少なくとも1層含む窒化ケイ素コーティング層と、
前記窒化ケイ素コーティング層の表面に設けられたバリウムコーティング層と、を備えることを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。 - 前記バリウムコーティング層が、平均粒径0.01〜0.1μmの水酸化バリウム又は炭酸バリウムを含むことを特徴とする請求項1に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
- 前記バリウムコーティング層が、1〜10μmの厚さであることを特徴とする請求項1又は2に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
- 前記バリウムコーティング層から、前記窒化ケイ素コーティング層及び前記内層シリカ層の一部又は全部にバリウムが拡散していることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
- 前記窒化ケイ素コーティング層及び前記内層シリカ層中のバリウム濃度が、前記鋳型側よりも前記バリウムコーティング層側で高いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。
- 前記内層シリカ層が、
前記鋳型の内側に設けられ、50〜300μmの微細溶融シリカ砂が、10〜6000ppmのナトリウムを含有するシリカから構成されるシリカ素地により結合された内層スタッコ層を少なくとも1層含むことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボ。 - 鋳型の内側に、溶融シリカ粉末と10〜6000ppmのナトリウムを含有するコロイダルシリカとからなるスラリーを塗布または吹き付けてスラリー層を形成し、このスラリー層の表面に50〜300μmの微細溶融シリカ砂を散布して内層スタッコ層を形成する工程と、
前記内層スタッコ層の上に、10〜6000ppmのナトリウムを含有するコロイダルシリカに0.2〜4.0μmの窒化ケイ素粉末を混合して得られた窒化ケイ素スラリーを塗布または吹き付けて混合体素地層を形成する工程と、
前記混合体素地層の最表面に、平均粒径0.01〜0.1μmの水酸化バリウム粉末又は炭酸バリウム粉末からなるバリウムスラリーを塗布または吹き付けてバリウムコーティング層を形成する工程と、
乾燥及び焼成する工程と、を備えることを特徴とするシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。 - 前記内層スタッコ層を形成する工程を一回又は複数回繰り返して行なって内層シリカ層を形成するとともに、前記混合体素地層を形成する工程を一回又は複数回繰り返して行なって窒化ケイ素コーティング層を形成することを特徴とする請求項7に記載のシリコンインゴット鋳造用積層ルツボの製造方法。
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