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JP2017039614A - Silicon nitride powder - Google Patents

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JP2017039614A
JP2017039614A JP2015160515A JP2015160515A JP2017039614A JP 2017039614 A JP2017039614 A JP 2017039614A JP 2015160515 A JP2015160515 A JP 2015160515A JP 2015160515 A JP2015160515 A JP 2015160515A JP 2017039614 A JP2017039614 A JP 2017039614A
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nitride powder
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格 田中
Itaru Tanaka
格 田中
満 椎葉
Mitsuru Shiiba
満 椎葉
亮 吉松
Ryo Yoshimatsu
亮 吉松
宏幸 塩月
Hiroyuki Shiotsuki
宏幸 塩月
史博 中原
Fumihiro Nakahara
史博 中原
市川 恒希
Koki Ichikawa
恒希 市川
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Denka Co Ltd
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Denka Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon nitride powder suitable for a mold release agent, suppressing detachment of a mold release agent from a crucible, capable of preventing the mold release agent from contaminating in a polycrystalline silicon ingot as an impurity.SOLUTION: A silicon nitride powder has the total number of an imino group (-NH) and an amino group (-NH) of 1 to 10 pieces/nmper unit surface of the silicon nitride. A mold release agent uses the silicon nitride powder.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、窒化ケイ素粉末に関する。   The present invention relates to silicon nitride powder.

太陽電池は、クリーンな石油代替エネルギー源として、小規模な家庭用から大規模な発電システムまでの広い分野でその実用化が期待されている。これらは使用原料の種類によって結晶系太陽電池、アモルファス系太陽電池、及び化合物系太陽電池等に分類され、現在、市場に流通しているものの多くは結晶系シリコン太陽電池である。この結晶系シリコン太陽電池は、さらに単結晶型と多結晶型に分類されている。単結晶型シリコン太陽電池は、単結晶シリコン基板の品質が良いために変換効率の高効率化が容易であるという長所を有する反面、単結晶シリコン基板の製造コストが高いという短所を有している。   Solar cells are expected to be put to practical use in a wide range of fields from small households to large-scale power generation systems as a clean alternative energy source for oil. These are classified into crystalline solar cells, amorphous solar cells, compound solar cells and the like according to the type of raw materials used, and most of those currently on the market are crystalline silicon solar cells. This crystalline silicon solar cell is further classified into a single crystal type and a polycrystalline type. The single crystal silicon solar cell has the advantage that it is easy to increase the conversion efficiency because the quality of the single crystal silicon substrate is good, but has the disadvantage that the manufacturing cost of the single crystal silicon substrate is high. .

これに対して、多結晶型シリコン太陽電池は、従来から市場に流通してきているが、近年、環境問題への関心が高まる中で、発電総量の観点で現在の主力となっており、その需要は増加しており、より低コストで高い変換効率が求められている。こうした要求に対処するためには、多結晶シリコン基板の低コスト化、高品質化が必要であり、高純度のシリコンインゴットを歩留良く製造することが求められている。   On the other hand, polycrystalline silicon solar cells have been distributed in the market for a long time, but in recent years, as interest in environmental issues has increased, it has become the current mainstay in terms of total power generation. Therefore, there is a demand for higher conversion efficiency at lower cost. In order to cope with such a demand, it is necessary to reduce the cost and quality of the polycrystalline silicon substrate, and it is required to manufacture a high-purity silicon ingot with a high yield.

多結晶型シリコン太陽電池に用いる多結晶シリコン基板は、一般にキャスティング法と呼ばれる方法で製造されている。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、1500℃付近で加熱溶解し、多結晶の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。   A polycrystalline silicon substrate used for a polycrystalline silicon solar cell is generally manufactured by a method called a casting method. This casting method is a method in which raw material silicon is put into a quartz crucible or a graphite crucible and heated and melted at about 1500 ° C. in an inert atmosphere to form a polycrystalline silicon ingot. And the edge part of this silicon ingot is removed, it cut | disconnects by cutting to a desired magnitude | size, The sliced silicon ingot is sliced to desired thickness, and the polycrystal silicon substrate for forming a solar cell is obtained.

この多結晶シリコン基板を使用した太陽電池の発電効率は、多結晶シリコン基板内部に存在する不純物に依存している。鉄や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。   The power generation efficiency of a solar cell using this polycrystalline silicon substrate depends on impurities present inside the polycrystalline silicon substrate. It is known that metal impurities such as iron and aluminum, particularly iron, is an element that reduces power generation efficiency as a lifetime killer.

高温下で加熱して、原料シリコンを溶解して多結晶シリコンインゴットを形成する方法は、溶融シリコンの高い活性により、ルツボなど周辺部材からの不純物を取り込みやすい。このため、多結晶シリコンインゴットを形成する方法では、不純物混入防止対策が行われている。   A method of forming a polycrystalline silicon ingot by melting raw material silicon by heating at a high temperature easily takes in impurities from peripheral members such as a crucible due to the high activity of molten silicon. For this reason, in the method of forming a polycrystalline silicon ingot, measures for preventing contamination with impurities are taken.

原料シリコンを溶解し、多結晶シリコンインゴットを形成する場合、石英ルツボや黒鉛ルツボが溶解用ルツボとして使用されているが、多結晶シリコンインゴットとルツボが張り付いてしまい、多結晶シリコンインゴットにダメージを与えることを防止する目的として、また、ルツボ自身に含まれる不純物が溶融シリコン中に拡散することを防止する目的として、ルツボ内壁にあらかじめ離型剤を塗布することが行われている(特許文献1)。   When melting raw material silicon to form a polycrystalline silicon ingot, quartz crucibles and graphite crucibles are used as melting crucibles, but the polycrystalline silicon ingot and crucible stick together, causing damage to the polycrystalline silicon ingot. For the purpose of preventing the above, and for the purpose of preventing impurities contained in the crucible itself from diffusing into the molten silicon, a release agent is applied to the inner wall of the crucible in advance (Patent Document 1). ).

この離型剤は、不純物混入防止の観点から、シリコンを主成分とし、かつ、高温で化学的に安定な成分を含む粉末が望ましい。この条件を満たすものの代表が窒化ケイ素である。   The mold release agent is preferably a powder containing silicon as a main component and a chemically stable component at a high temperature from the viewpoint of preventing impurities from being mixed. A representative material that satisfies this condition is silicon nitride.

離型剤は、溶媒と混合してルツボに塗布することが行われている。離型剤を溶媒と混合してなるスラリーは、離型剤が凝集しやすく、ルツボに塗布した離型剤層に隙間が生じやすい。そのため、分散性の高い離型剤スラリーが要求される。   The release agent is mixed with a solvent and applied to the crucible. In a slurry obtained by mixing a release agent with a solvent, the release agent is likely to aggregate, and a gap is likely to occur in the release agent layer applied to the crucible. Therefore, a release agent slurry with high dispersibility is required.

離型剤がスラリー溶液中で凝集しないようにするために、例えば、ポリカルボン酸型アニオン系界面活性剤の分散剤を0.01〜2質量%程度用いてスラリーを作製されることもある(特許文献2)。しかし、分散剤から生じる金属化合物および炭素化合物は多結晶シリコンインゴットに不純物として取り込まれることがあるため、太陽電池の特性低下の懸念があった。   In order to prevent the release agent from aggregating in the slurry solution, for example, a slurry may be prepared using about 0.01 to 2% by mass of a polycarboxylic acid type anionic surfactant dispersant ( Patent Document 2). However, since the metal compound and the carbon compound generated from the dispersant may be incorporated as impurities into the polycrystalline silicon ingot, there is a concern about deterioration of the characteristics of the solar cell.

ルツボ内では溶融シリコンが、離型剤の窒化ケイ素粉末に接することになるため、シリコンへの不純物拡散防止を目的として、不純物含有量の少ない、例えば、鉄不純物が20ppm程度の高純度窒化ケイ素粉末を離型剤に使用し、太陽電池の特性向上を図ることが提案された(特許文献3)。   In the crucible, since the molten silicon comes into contact with the silicon nitride powder as a release agent, a high-purity silicon nitride powder with a small impurity content, for example, about 20 ppm of iron impurities, is used for the purpose of preventing impurity diffusion into silicon. It has been proposed to improve the characteristics of solar cells by using as a release agent (Patent Document 3).

D50とD90は粉体の粒度分布(体積分布)の指標となる粒径であり、D50を境に粒径の小さい側と大きい側が等量になり、D90を境に粒径小さい側の累積分布が90%、大きい側の累積分布が10%になる。   D50 and D90 are particle sizes that serve as an index of the particle size distribution (volume distribution) of the powder. The smaller and larger sides of D50 are the same, and the cumulative distribution of D90 is the smaller particle size. Is 90%, and the cumulative distribution on the larger side is 10%.

D50を1.1μm以下、D90を4μm以下の高純度シリコンの加工屑を原料として、窒化して、高純度の窒化ケイ素微粉末を製造する方法が提案された(特許文献4)。特許文献4における窒化ケイ素粉末はD50、D90、及びD100を規定しているものの、離型剤を石英ルツボの内面に塗布することによって、離型剤が太陽電池用の多結晶シリコンインゴットへ不純物として混入することを防ぐことができることについては全く記載されていない。またこのような製造方法では窒化ケイ素粒子の表面にイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH)が存在しないため、窒化ケイ素を用いた離型剤がシリコンインゴットに付着するという問題があった。 There has been proposed a method of producing high-purity silicon nitride fine powder by nitriding using high-purity silicon processing scraps of D50 of 1.1 μm or less and D90 of 4 μm or less (Patent Document 4). Although the silicon nitride powder in Patent Document 4 defines D50, D90, and D100, the release agent is applied to the polycrystalline silicon ingot for solar cells as an impurity by applying the release agent to the inner surface of the quartz crucible. There is no description of what can be prevented from mixing. In addition, such a manufacturing method has a problem that a release agent using silicon nitride adheres to the silicon ingot because imino groups (—NH) and amino groups (—NH 2 ) do not exist on the surface of the silicon nitride particles. It was.

特表2009−510387号公報Special table 2009-510387 特開2002−239682号公報JP 2002-239682 A 特開2007−261832号公報JP 2007-261832 A 特開2011−051856号公報JP 2011-051856 A

本発明はかかる課題に対処すべく発明されたものであり、離型剤のルツボからの剥がれを抑制し、離型剤が不純物として多結晶シリコンインゴットへ混入するのを防ぐことができる離型剤に適した窒化ケイ素粉末を提供するものである。 The present invention has been invented to cope with such a problem, and can release the release agent from the crucible and prevent the release agent from being mixed into the polycrystalline silicon ingot as an impurity. A silicon nitride powder suitable for the above is provided.

本発明者らは、上記の目的を達成するべく鋭意研究を進めたところ、これを達成する窒化ケイ素粉末を見いだした。本発明はかかる知見に基づくものであり、以下の要旨を有する。
(1)窒化ケイ素粉末の単位表面積当りにおけるイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH)の総数が1〜10個/nmであることを特徴とする窒化ケイ素粉末。
(2)前記(1)に記載の窒化ケイ素粉末を用いた離型剤。
The inventors of the present invention have made extensive studies to achieve the above object, and have found a silicon nitride powder that achieves this. The present invention is based on such knowledge and has the following gist.
(1) A silicon nitride powder, wherein the total number of imino groups (—NH) and amino groups (—NH 2 ) per unit surface area of the silicon nitride powder is 1 to 10 / nm 2 .
(2) A mold release agent using the silicon nitride powder according to (1).

本発明の窒化ケイ素粉末を離型剤として用いると、離型層のルツボからの剥がれを抑制できるため、シリコンインゴット中に離型剤が混入しなくなり、不純物の少ない多結晶シリコンインゴットが得られる。   When the silicon nitride powder of the present invention is used as a release agent, peeling of the release layer from the crucible can be suppressed, so that the release agent is not mixed in the silicon ingot, and a polycrystalline silicon ingot with few impurities is obtained.

窒化ケイ素粉末の製造装置の一例を示す。An example of the manufacturing apparatus of silicon nitride powder is shown. 本発明の窒化ケイ素粉末を離型剤として用いた離型層を有する石英ルツボの断面図。Sectional drawing of the quartz crucible which has a mold release layer which used the silicon nitride powder of this invention as a mold release agent.

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の窒化ケイ素粉末は、単位表面積当りにおけるイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH)の総数が1〜10個/nmである。
窒化ケイ素粒子の表面にあるイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH)は、窒化ケイ素粉末を離型剤に用いた場合に、離型剤層とシリコンインゴット層、および離型剤層と石英ルツボ層の接着に影響を及ぼす。
単位表面積当りにおけるイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH)の総数が1個/nmよりも少ないとシリコンインゴットとの離型性が悪くなり、10個/nmよりも多いと離型剤層が石英ルツボから剥がれやすくなる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
In the silicon nitride powder of the present invention, the total number of imino groups (—NH) and amino groups (—NH 2 ) per unit surface area is 1 to 10 / nm 2 .
The imino group (—NH) and amino group (—NH 2 ) on the surface of the silicon nitride particles are obtained by using a release agent layer, a silicon ingot layer, and a release agent layer when silicon nitride powder is used as a release agent. And affects the adhesion of the quartz crucible layer.
When the total number of imino groups (—NH) and amino groups (—NH 2 ) per unit surface area is less than 1 / nm 2 , the releasability from the silicon ingot is deteriorated, and when the total number is more than 10 / nm 2. The release agent layer is easily peeled off from the quartz crucible.

窒化ケイ素粉末の製法には、イミド熱分解法や直接窒化法が挙げられる。窒化ケイ素粉末の製法に特に制限はないが、イミド熱分解法では製造工程において窒化ケイ素表面にイミノ基やアミノ基を付与することができないため、製造後に表面改質が必要となる。一方直接窒化法では、アンモニアを含む非酸化性雰囲気で製造することにより製造工程内でイミノ器やアミノ基を窒化ケイ素粒子の表面に付与することができるため、本発明においては直接窒化法により製造することが好ましい。 Examples of the method for producing the silicon nitride powder include an imide pyrolysis method and a direct nitridation method. Although there is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of a silicon nitride powder, Since imino group and an amino group cannot be provided to the silicon nitride surface in a manufacturing process in an imide thermal decomposition method, surface modification is needed after manufacture. On the other hand, in the direct nitridation method, imino vessels and amino groups can be imparted to the surface of silicon nitride particles within the production process by producing in a non-oxidizing atmosphere containing ammonia. It is preferable to do.

直接窒化法の原料として用いる金属シリコンとしては、鉄・アルミニウムの混入量が少ない高純度のシリコン原料を用いる必要がある。鉄・アルミニウムの混入量は100ppm以下、好ましくは10ppm以下であり、例えば半導体用とのシリコンから加工・研磨時に得られるシリコン屑が使用できる。 As the metal silicon used as the raw material for the direct nitriding method, it is necessary to use a high-purity silicon raw material with a small amount of iron and aluminum mixed therein. The amount of iron / aluminum mixed is 100 ppm or less, and preferably 10 ppm or less. For example, silicon scrap obtained during processing and polishing from silicon for semiconductors can be used.

直接窒化法に用いる反応炉に特に限定はなく、例えばバッチ炉や竪型連続反応炉、流動層反応炉などが使用されるが、本発明では生産性が高く、窒化反応後の粉砕工程を必要としない竪型連続反応炉を使用することが好ましい。 There is no particular limitation on the reaction furnace used for the direct nitriding method. For example, a batch furnace, a vertical continuous reactor, a fluidized bed reactor, etc. are used, but in the present invention, productivity is high and a pulverization step after the nitriding reaction is required. It is preferable to use a vertical continuous reactor that does not.

竪型連続反応炉を使用する場合には、例えば原料供給部、反応部、捕集部からなる図1に示すような装置を使用することができる。原料供給部は原料タンク1、原料供給機2からなっており、原料である金属シリコンを原料量タンク1に投入したのち、原料供給機2から搬送ガスである窒素ガスとともに竪型反応炉の炉頂部へ供給される。ここで使用される原料供給機に特に制限はなく、スクリューフィーダーやテーブルフィーダー、サークルフィーダーなどが用いられる。 In the case of using a vertical continuous reaction furnace, for example, an apparatus as shown in FIG. 1 comprising a raw material supply unit, a reaction unit, and a collection unit can be used. The raw material supply unit is composed of a raw material tank 1 and a raw material supply machine 2, and after introducing metal silicon as a raw material into the raw material quantity tank 1, a furnace of a vertical reactor together with nitrogen gas as a carrier gas from the raw material supply machine 2 Supplied to the top. There is no restriction | limiting in particular in the raw material supply machine used here, A screw feeder, a table feeder, a circle feeder, etc. are used.

竪型連続反応炉の炉頂部には金属シリコンと窒素ガスを炉内に噴霧する原料供給管3と反応ガスであるアンモニアガスを供給するためのアンモニアガス供給管4が設置されている。   A raw material supply pipe 3 for spraying metallic silicon and nitrogen gas into the furnace and an ammonia gas supply pipe 4 for supplying ammonia gas as a reaction gas are installed at the top of the vertical continuous reaction furnace.

炉頂へ供給された金属シリコンと窒素ガスは炉頂部に設置された原料供給管3により、ガス流速25〜140m/sで1200〜1800℃に加熱された竪型連続反応炉に噴霧される。この噴霧ガス流速は搬送ガスである窒素ガスの流量と原料供給管3の内径により計算される。噴霧ガス流速が5m/s(Normal)未満では炉内に付着が生成しやすく、30m/s(Normal)を超えると十分な反応時間が得られず未窒化が生じてしまう。また、炉内の温度が1200℃を下回ると窒化反応が十分に進まず、1800℃を超えると生成した窒化ケイ素粉末の分解が生じてしまう。ここでNormalとは、標準状態(0℃、101.325kPa)を表す。   Metallic silicon and nitrogen gas supplied to the top of the furnace are sprayed by a raw material supply pipe 3 installed at the top of the furnace onto a vertical continuous reactor heated to 1200 to 1800 ° C. at a gas flow rate of 25 to 140 m / s. This spray gas flow velocity is calculated from the flow rate of nitrogen gas as the carrier gas and the inner diameter of the raw material supply pipe 3. If the spray gas flow rate is less than 5 m / s (Normal), adhesion is likely to occur in the furnace, and if it exceeds 30 m / s (Normal), sufficient reaction time cannot be obtained and non-nitridation occurs. Further, when the temperature in the furnace is lower than 1200 ° C., the nitriding reaction does not proceed sufficiently, and when it exceeds 1800 ° C., the generated silicon nitride powder is decomposed. Here, Normal represents a standard state (0 ° C., 101.325 kPa).

反応ガスであるアンモニアガスは炉頂に設置されたアンモニアガス供給管4より金属シリコン1kgに対して1.5〜3.0m(Normal)の割合で炉内に供給される。金属シリコン1kgに対するアンモニアガスの割合が1.5m(Normal)より少ないと金属シリコンの窒化反応が進みづらくなり、3.0m(Normal)を超えると炉内の反応場がアンモニアガスの分解により冷却され、窒化反応が進みづらくなる。 Ammonia gas, which is a reaction gas, is supplied into the furnace at a rate of 1.5 to 3.0 m 3 (Normal) with respect to 1 kg of metal silicon from an ammonia gas supply pipe 4 installed at the top of the furnace. If the ratio of ammonia gas to 1 kg of metal silicon is less than 1.5 m 3 (Normal), the nitridation reaction of metal silicon will be difficult to proceed, and if it exceeds 3.0 m 3 (Normal), the reaction field in the furnace will be decomposed by decomposition of ammonia gas. It is cooled and the nitriding reaction is difficult to proceed.

反応部は、例えば窒化ホウ素製などの反応管5の中心部外周に等方性黒鉛製などの発熱体6があり、残りの上下外周には例えば等方性黒鉛などの支管7を設置している。その周囲は例えば多孔質カーボンビーズやアルミナ繊維などからなる断熱材8で覆われている。この炉体外周に設置された高周波コイル9によって発熱体6を加熱し、炉内反応場の温度を制御する。   The reaction part has a heating element 6 made of isotropic graphite at the outer periphery of the center of the reaction tube 5 made of, for example, boron nitride, and a branch pipe 7 made of, for example, isotropic graphite is installed on the upper and lower outer periphery. Yes. The periphery is covered with a heat insulating material 8 made of, for example, porous carbon beads or alumina fibers. The heating element 6 is heated by the high-frequency coil 9 installed on the outer periphery of the furnace body to control the temperature of the reactor reaction field.

捕集部では、炉内から搬送されてきた窒化ケイ素粉末を窒素ガスやアンモニアガスから分離捕集される。その捕集装置10としてバグフィルターやサイクロンなどが使用される。   In the collection unit, the silicon nitride powder conveyed from the furnace is separated and collected from nitrogen gas or ammonia gas. A bug filter, a cyclone or the like is used as the collecting device 10.

反応ガスであるアンモニアガスとしては、純度99.8質量%以上の液化アンモニア、窒素ガスとしては、純度99.9容積%以上の窒素ボンベガスや液化窒素などが使用できる。 As ammonia gas which is a reaction gas, liquefied ammonia having a purity of 99.8% by mass or more can be used, and as nitrogen gas, nitrogen cylinder gas or liquefied nitrogen having a purity of 99.9% by volume or more can be used.

以上の方法により製造された窒化ケイ素粒子の表面にはイミノ基やアミノ基が存在する。窒化ケイ素粒子表面のイミノ基やアミノ基の数は、アンモニアガスと窒素ガスの割合により変化する。本発明では炉内に供給されるアンモニアガスと窒素ガスの体積割合(アンモニアガス:窒素ガス、Normal)を1:5〜1:15に制御することにより、窒化ケイ素粉末の単位表面積あたりにおけるイミノ基とアミノ基の総数を1〜10個/nmに制御することができる。 An imino group and an amino group are present on the surface of the silicon nitride particles produced by the above method. The number of imino groups and amino groups on the surface of silicon nitride particles varies depending on the ratio of ammonia gas and nitrogen gas. In the present invention, by controlling the volume ratio of ammonia gas and nitrogen gas (ammonia gas: nitrogen gas, normal) supplied into the furnace to 1: 5 to 1:15, imino groups per unit surface area of the silicon nitride powder. And the total number of amino groups can be controlled to 1 to 10 / nm 2 .

本発明に適した窒化ケイ素粉末の粒度分布は、D50が0.8〜2.7μm、D90が2.0〜14.0μm、及びD100が8〜68μmであることが好ましい。粒度分布がこの範囲では、水系スラリーの分散性が良好で、塗布性が良く、石英ルツボからの離型剤層の剥がれが極めて少ない。 The particle size distribution of the silicon nitride powder suitable for the present invention is preferably such that D50 is 0.8 to 2.7 μm, D90 is 2.0 to 14.0 μm, and D100 is 8 to 68 μm. When the particle size distribution is in this range, the dispersibility of the aqueous slurry is good, the coating property is good, and the release agent layer is not peeled off from the quartz crucible.

本発明の窒化ケイ素粉末を用いた水系スラリーは、窒化ケイ素粉末と水を混合・撹拌することにより作製される。水は純水又はイオン交換水であることが好ましく、導電率は、1.0(μS/cm)以下であることが好ましい。
スラリー濃度は10〜50質量%が好ましく、30〜50質量%がより好ましい。スラリー濃度が10質量%未満では離型剤が石英ルツボから剥がれやすくなり、50質量%を超えるとスラリーの分散性が低下し塗布性が悪化する。
The aqueous slurry using the silicon nitride powder of the present invention is produced by mixing and stirring the silicon nitride powder and water. The water is preferably pure water or ion-exchanged water, and the conductivity is preferably 1.0 (μS / cm) or less.
The slurry concentration is preferably 10 to 50% by mass, and more preferably 30 to 50% by mass. When the slurry concentration is less than 10% by mass, the release agent is easily peeled off from the quartz crucible, and when it exceeds 50% by mass, the dispersibility of the slurry is lowered and the applicability is deteriorated.

本発明の窒化ケイ素粉末を用いた水系スラリーは、pHを7以上にする必要があり、pH9以上がより好ましい。pHが7より低いとスラリー中の窒化ケイ素粉末に凝集が生じ、石英るつぼに均一に塗布することが困難となる。上記スラリー濃度の範囲において低濃度側ではpHが7を下回ることがある。このような場合にはアンモニア水など塩基性物質をスラリーに加えることでpHを調節することができる。   The aqueous slurry using the silicon nitride powder of the present invention needs to have a pH of 7 or more, more preferably 9 or more. When the pH is lower than 7, the silicon nitride powder in the slurry is agglomerated and it is difficult to uniformly apply it to the quartz crucible. In the above slurry concentration range, the pH may be lower than 7 on the low concentration side. In such a case, the pH can be adjusted by adding a basic substance such as aqueous ammonia to the slurry.

本発明の窒化ケイ素粉末を用いた水系スラリーは、ヘラや刷毛を用いた塗布や、スプレー処理をするなどしてルツボ内壁に塗布する。ルツボ内壁に均一に塗布することや塗布作業の作業性を考慮するとスプレー処理による塗布が好ましい。   The aqueous slurry using the silicon nitride powder of the present invention is applied to the inner wall of the crucible by application using a spatula or a brush, or spraying. In consideration of uniform application to the inner wall of the crucible and workability of application work, application by spraying is preferable.

以下、実施例、比較例をあげて本発明を詳細に説明する。
(実施例1〜3)
D50が1.0μmの金属シリコンを出発原料として、図2に示される装置を用い窒化ケイ素粉末を製造した。原料タンク1に投入された原料は原料供給機2のスクリューフィーダーにより1kg/hで、窒素ガスとともに炉頂に設置されたフィード管3に搬送され、炉内温度が1500℃に保持された竪型連続反応炉に50〜140m/sの流速で噴霧した。同時に炉頂部に設置されたアンモニアガス供給管より、2.0m/h(Normal)の割合かつ30m/sの流速で炉内に供給した。このとき、アンモニアガスと窒素ガスの割合は1:5〜1:15の間で制御した。これら条件は表1の通りである。製造した窒化ケイ素粉末を純水中で混合・撹拌して濃度50質量%のスラリーを作製した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and comparative examples.
(Examples 1-3)
A silicon nitride powder was produced using metal silicon having a D50 of 1.0 μm as a starting material and using the apparatus shown in FIG. The raw material charged in the raw material tank 1 is 1 kg / h by the screw feeder of the raw material supply machine 2 and is transported to the feed pipe 3 installed at the top of the furnace together with nitrogen gas, and the vertical temperature is maintained at 1500 ° C. The continuous reactor was sprayed at a flow rate of 50 to 140 m / s. Simultaneously, it was supplied into the furnace at a rate of 2.0 m 3 / h (Normal) and a flow rate of 30 m / s from an ammonia gas supply pipe installed at the top of the furnace. At this time, the ratio of ammonia gas to nitrogen gas was controlled between 1: 5 and 1:15. These conditions are as shown in Table 1. The manufactured silicon nitride powder was mixed and stirred in pure water to prepare a slurry having a concentration of 50% by mass.

窒化ケイ素粉末の単位面積当たりのイミノ基とアミノ基の総数は、下記の分析により行った。作製したスラリーに、0.24gの安息香酸(和光純薬工業株式会社、試薬特級、分子量122.12g/mol)を添加し、攪拌機にて撹拌を回転数300rpmで1分間行った。撹拌終了後、窒化ケイ素粉末スラリーを静置し、撹拌終了から1、2、3、5、8時間後の上澄み液を2mL抽出し、紫外可視分光光度計(日本分光社製、商品名「V−630紫外可視分光光度計」)を用いて上澄み溶液中の安息香酸濃度を251nmの紫外光を用いて測定した。
この時の透過率とあらかじめ作成しておいた検量線とを比較することで、窒化ケイ素粉末に吸着した安息香酸量を計算し、安息香酸量から窒化ケイ素粉末に吸着していたイミノ基とアミノ基の単位表面積当たりの総数を計算した。その結果は表1の通りである。
The total number of imino groups and amino groups per unit area of the silicon nitride powder was determined by the following analysis. 0.24 g of benzoic acid (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., reagent grade, molecular weight 122.12 g / mol) was added to the prepared slurry, and stirring was performed with a stirrer at 300 rpm for 1 minute. After completion of stirring, the silicon nitride powder slurry is allowed to stand, and 2 mL of the supernatant liquid is extracted after 1, 2, 3, 5, 8 hours from the end of stirring, and an ultraviolet-visible spectrophotometer (trade name “V” manufactured by JASCO Corporation) -630 UV-visible spectrophotometer ") was used to measure the concentration of benzoic acid in the supernatant solution using 251 nm UV light.
By comparing the transmittance at this time with a calibration curve prepared in advance, the amount of benzoic acid adsorbed on the silicon nitride powder was calculated, and the imino group adsorbed on the silicon nitride powder and the amino acid were calculated from the amount of benzoic acid. The total number of units per unit surface area was calculated. The results are shown in Table 1.

作製したスラリーをスプレー処理により石英ルツボ内壁に塗布し、1000℃の大気雰囲気中で3時間焼き付けを行い、図2のような離形層を作製した。ソーラーグレードの多結晶シリコンを投入し、アルゴン雰囲気下にて1500℃で10時間保持し、生成したシリコンインゴットを取り出して離形層の状態を観察した。   The produced slurry was applied to the inner wall of the quartz crucible by spraying, and baked in an air atmosphere at 1000 ° C. for 3 hours to produce a release layer as shown in FIG. Solar grade polycrystalline silicon was charged and held at 1500 ° C. for 10 hours under an argon atmosphere. The formed silicon ingot was taken out and the state of the release layer was observed.

剥離率の測定は以下のように行った。多結晶シリコンインゴットの作製に使用する場合と同じ石英ルツボを切断し、その石英板に窒化ケイ素スラリーをスプレー塗布し乾燥を行い、離形層を作製した。この離形層に市販のセロハンテープを接着し、これを引きはがしてテープに付着していた窒化ケイ素粉末の重量を測定して窒化ケイ素粉末の剥離率を測定した。剥離率が10%を超えると多結晶シリコンインゴットの収率や太陽光発電装置としての性能が低下することがわかっている。 The peel rate was measured as follows. The same quartz crucible as that used in the production of the polycrystalline silicon ingot was cut, and a silicon nitride slurry was sprayed onto the quartz plate and dried to produce a release layer. A commercially available cellophane tape was adhered to the release layer, and the peeled rate of the silicon nitride powder was measured by measuring the weight of the silicon nitride powder adhered to the tape. It has been found that when the peeling rate exceeds 10%, the yield of the polycrystalline silicon ingot and the performance as a solar power generation device are lowered.

(比較例1〜3)
アンモニアガスと窒素ガスの割合が1:5〜1:15の範囲外であることを除いて実施例1〜5と同様に実施した。
(Comparative Examples 1-3)
It implemented like Example 1-5 except the ratio of ammonia gas and nitrogen gas being outside the range of 1: 5 to 1:15.

(比較例4)
窒化ケイ素粉末に市販の宇部興産社製高純度窒化ケイ素粉末(グレード名 E10)を使用した以外は、実施例1〜3および比較例1〜3と同様に行った。
(Comparative Example 4)
It carried out similarly to Examples 1-3 and Comparative Examples 1-3 except having used the commercially available high purity silicon nitride powder (grade name E10) by Ube Industries, Ltd. for silicon nitride powder.

実施例と比較例を比較することにより、単位表面積当たりのイミノ基とアミノ基の総数が1個/nmよりも少ないと離型剤とシリコンインゴットの離型性が悪化し、10個/nmよりも多い場合は石英ルツボからの剥離率が高くなることがわかる。 By comparing the example and the comparative example, if the total number of imino groups and amino groups per unit surface area is less than 1 / nm 2 , the releasability of the release agent and the silicon ingot deteriorates and 10 / nm. When the number is more than 2, it can be seen that the peeling rate from the quartz crucible increases.


本発明の窒化ケイ素粉末は、窒化ケイ素粒子の表面の官能基であるイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH2)の量を制御したものであり、今後、フィラーや表面改質剤として、幅広く使用できる可能性がある。
The silicon nitride powder of the present invention controls the amount of imino group (-NH) and amino group (-NH2), which are functional groups on the surface of silicon nitride particles, and will be used as a filler and surface modifier in the future. It can be used widely.

1 原料タンク
2 原料供給機
3 原料供給管
4 アンモニアガス供給管
5 反応管
6 発熱体
7 支管
8 断熱材
9 高周波コイル
10 捕集装置
11 窒素ガス
12 アンモニアガス
13 排気ガス
14 窒化ケイ素粉末
15 シリコン鋳造用鋳型(石英ルツボ)
16 窒化ケイ素離型剤層

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material tank 2 Raw material supply machine 3 Raw material supply pipe 4 Ammonia gas supply pipe 5 Reaction pipe 6 Heat generating body 7 Branch pipe 8 Thermal insulation material 9 High frequency coil 10 Collection apparatus 11 Nitrogen gas 12 Ammonia gas 13 Exhaust gas 14 Silicon nitride powder 15 Silicon casting Mold (quartz crucible)
16 Silicon nitride release agent layer

Claims (2)

窒化ケイ素粉末の単位表面積当りにおけるイミノ基(−NH)及びアミノ基(−NH)の総数が1〜10個/nmであることを特徴とする窒化ケイ素粉末。 A silicon nitride powder, wherein the total number of imino groups (—NH) and amino groups (—NH 2 ) per unit surface area of the silicon nitride powder is 1 to 10 / nm 2 . 請求項1に記載の窒化ケイ素粉末を用いた離型剤。
A mold release agent using the silicon nitride powder according to claim 1.
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