JP4497943B2 - Silicon casting mold and silicon casting apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、太陽電池などを形成するのに好適に用いられる多結晶シリコンインゴットを鋳造するのに適したシリコン鋳造用鋳型と、それを用いたシリコン鋳造装置に関する。 The present invention relates to a silicon casting mold suitable for casting a polycrystalline silicon ingot suitably used for forming a solar cell and the like, and a silicon casting apparatus using the same.
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、アモルファス系、化合物系などに分類され、なかでも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。単結晶シリコン太陽電池は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、基板の製造コストが高いという短所を有する。 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 petroleum alternative energy source. These are classified into crystalline, amorphous, and compound types depending on the type of raw materials used, and most of them 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. Single crystal silicon solar cells have the advantage that the conversion efficiency is easy to increase because the quality of the substrate is good, but the disadvantage is that the manufacturing cost of the substrate is high.
これに対して多結晶シリコン太陽電池は従来から市場に流通してきたが、近年、環境問題への関心が高まる中で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, the demand is increasing as interest in environmental issues is increasing, and higher conversion efficiency is required 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 produce a high-purity silicon ingot with a high yield.
多結晶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る。このキャスティング法は、離型材を塗布した黒鉛などからなる鋳型内に高温で加熱溶解させたシリコン融液を注湯して鋳型底部より一方向凝固させたり、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、再び底部より一方向凝固させたりして、シリコンインゴットを形成する方法である。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る。 A polycrystalline silicon substrate used for a polycrystalline silicon solar cell is generally manufactured by a method called a casting method. In this casting method, a silicon melt melted by heating at a high temperature is poured into a mold made of graphite or the like coated with a release material and solidified in one direction from the bottom of the mold, or a silicon raw material is placed in the mold and dissolved once. Then, the silicon ingot is formed by unidirectionally solidifying from the bottom again. The ends of the silicon ingot are removed, cut into a desired size, and the cut silicon ingot is sliced to a desired thickness to obtain a polycrystalline silicon substrate for forming a solar cell.
このような多結晶シリコンインゴットを作製するための一般的なシリコン鋳造装置を図3に示す。 A general silicon casting apparatus for producing such a polycrystalline silicon ingot is shown in FIG.
上部には原料シリコン30を溶融するための溶解坩堝31が保持坩堝32に保持されて配置され、溶解坩堝31と保持坩堝32の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口33が設けられる。また、溶解坩堝31、保持坩堝32の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段34、側部加熱手段35が配置され、溶解坩堝31、保持坩堝32の下部にはシリコン融液24が注ぎ込まれる鋳型21が配置され、その外側に鋳型断熱材23が設けられる。さらに、鋳型21の下部には冷却手段29が設けられ、鋳型21の上部にはシリコン融液24の凝固を制御するための鋳型加熱手段8が配置される。
A melting crucible 31 for melting the
例えば高純度石英などからなる溶解坩堝31内に入れられたシリコン原料は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどからなる、上部および側部の上部加熱手段34、側部加熱手段35によって加熱溶融され、シリコン融液となって底部の出湯口33から下部にある鋳型21内に注湯される。
For example, the silicon raw material put in the melting crucible 31 made of high-purity quartz or the like is formed by the upper and side upper heating means 34 and the side heating means 35 made of a resistance heating type heater or induction heating type coil. It is heated and melted to form a silicon melt, which is poured from the bottom
このような鋳型21としては、通常、分割可能である黒鉛からなる鋳型の内表面に離型材を被覆したものや、一体構造であるシリカからなる鋳型の内表面に離型材を被覆したものが用いられる。一般的に離型材層22としてはシリコンの窒化物である窒化珪素(Si3N4)、シリコンの炭化物である炭化珪素(SiC)、シリコンの酸化物である二酸化珪素(SiO2)等の粉末が用いられ、これらの粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合して攪拌してスラリーとし、鋳型内壁に被覆もしくはスプレー等の手段でコーティングすることが公知の技術として知られている(例えば、非特許文献1参照)。 As such a mold 21, one in which a mold release material is coated on the inner surface of a mold made of graphite, or one in which a mold release material is coated on an inner surface of a mold made of silica, which is an integral structure, is used. It is done. Generally, as the release material layer 22, powder such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) which is a silicon nitride, silicon carbide (SiC) which is a silicon carbide, silicon dioxide (SiO 2 ) which is an oxide of silicon, or the like. It is known as a known technique that these powders are mixed in a solution composed of a suitable binder and solvent and stirred to form a slurry, and the inner wall of the mold is coated by means such as coating or spraying. (For example, refer nonpatent literature 1).
鋳型断熱材23はシリコン融液をおさめた鋳型21からの抜熱を抑制するものであり耐熱性、断熱性などを考慮して主成分としてカーボンを含む材質のものが用いられる。鋳型加熱手段28は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどが用いられる。鋳型21の側壁部をグラファイト質成形体などからなる鋳型断熱材23で覆い、冷却手段29によって鋳型21内に注湯されたシリコン融液24を下部から冷却することによって、鋳型1の上方からシリコン融液を加熱するだけで、シリコン融液を下部から上部へ向けて一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを得ることができる(例えば、特許文献1参照)。なお、これらはすべて真空容器(図示せず)内に配置される。
ところが、窒化珪素などからなる離型材層22を黒鉛製鋳型やシリカ製鋳型の内表面に被覆してシリコンを鋳造するような場合、シリコン融液表面25より上部に当たる部分では、上部に位置する鋳型加熱手段28により鋳型内表面の離型材層22が加熱された状態になる。毛細管現象によりシリコン融液24がしみ上がり濡れた部分の融液が加熱された場合、融液の表面張力が減少し濡れ性が増加するため、しみ上がり部分が大きくなる。
However, in the case where silicon is cast by coating the release material layer 22 made of silicon nitride or the like on the inner surface of a graphite mold or silica mold, the mold located above the
その結果、鋳型の上端縁部26とシリコン融液のしみ上がり部分が接触し、脱型する際、シリコンと鋳型の熱膨張係数の違いから、シリコンインゴットの割れが生じる問題があった。
As a result, the
この問題を解決するため、従来は、シリコン融液がしみ上がっても鋳型の上端縁部26と接触しないように、例えば、シリコン融液の位置より鋳型の高さを充分に高くする、またはシリコン融液の投入量を減らすなどの手法が取られていた。また、鋳型加熱手段28から鋳型21の内表面に設けた離型材層22への加熱を減らしたり防止したりする工夫などもなされており、装置の大型化や鋳型のコストアップ、または生産性の低下という問題が生じていた。
In order to solve this problem, conventionally, for example, the height of the mold is made sufficiently higher than the position of the silicon melt or the silicon melt so that the silicon melt does not come into contact with the
また、黒鉛製鋳型の場合、再利用することが望ましいが、黒鉛製鋳型にシリコン融液がしみこむため、鋳型21の熱伝導性が変化する等の理由から再利用できなくなる問題が生じていた。 In the case of a graphite mold, it is desirable to reuse it. However, since the silicon melt soaks into the graphite mold, there is a problem that it cannot be reused because the thermal conductivity of the mold 21 changes.
本発明は、このような従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、離型材層を鋳型内面に被覆したシリコン鋳造用鋳型を用いて、シリコンを鋳造する際に、上部から加熱されたシリコン融液が離型材層をしみ上がっても、シリコン融液と鋳型とが接触することなく、シリコンインゴットの割れを防止することができる、低コストで高い生産性を有するシリコン鋳造用鋳型およびシリコン鋳造装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and was heated from above when silicon was cast using a silicon casting mold in which a mold release material layer was coated on the inner surface of the mold. Silicon casting mold and silicon that can prevent cracking of the silicon ingot without causing contact between the silicon melt and the mold even when the silicon melt soaks up the release material layer, and has high productivity at low cost. An object is to provide a casting apparatus.
上記目的を達成するため、本発明にかかるシリコン鋳造用の鋳型は、上方に向かって開口した開口部と鋳型内表面とを有するシリコン鋳造用の鋳型であって、前記鋳型内表面に被覆された内表面離型材層と、前記内表面離型材層と連続して、前記開口部の上端縁に被覆された開口部離型材層とを備え、前記内表面離型材層および前記開口部離型材層は、いずれも窒化珪素と二酸化珪素とを含み、前記内表面離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして60:40で混合したものを用い、前記開口部離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして10:90〜50:50で混合したものを用いた、ことを特徴とする。 To achieve the above object, a mold for silicon casting according to the present onset Ming is a template for silicon casting having an open openings and the mold inner surface upward, coated on the mold inner surface An inner surface mold release material layer, and an opening mold release material layer that is continuous with the inner surface mold release material layer and is coated on the upper edge of the opening , and the inner surface mold release material layer and the opening mold release material. Each layer includes silicon nitride and silicon dioxide, and the inner surface release material layer is a mixture of silicon nitride powder and silicon dioxide powder in a weight ratio of 60:40, and the opening release material layer. Is characterized by using a mixture of silicon nitride powder and silicon dioxide powder in a weight ratio of 10:90 to 50:50 .
本発明にかかるシリコン鋳造装置は、上記シリコン鋳造用鋳型と、前記シリコン鋳造用鋳型の上方に配設された鋳型加熱手段と、前記シリコン鋳造用鋳型の外周を囲繞して配設された鋳型断熱材と、前記シリコン鋳造用鋳型をその上部に配置してなる冷却手段と、を備えている。 Silicon casting apparatus according to the present onset Ming, the template for the silicon casting, a mold heating means disposed above the silicon casting mold, is disposed to surround the outer periphery of the silicon casting mold mold A heat insulating material, and a cooling means having the silicon casting mold disposed thereon.
以上のように本発明においては、上方に向かって開口した開口部を有する鋳型であって、鋳型内表面に被覆された内表面離型材層と、この内表面離型材層と連続して、前記開口部の上端縁に被覆された開口部離型材層とを備えていることから、鋳型の内表面を被覆している内表面離型材層が外部から加熱されて、毛細管現象によりシリコン融液がしみ上がり濡れた状態になっても、この内表面離型材層と連続した状態で鋳型の上端縁部に開口部離型材層が被覆されているために、シリコン融液と鋳型が接触することを抑制できる。その結果、シリコン融液を凝固して製造されたシリコンインゴットが割れることなく脱型することができる。さらに、黒鉛製鋳型を使用する場合には、シリコン融液と鋳型との接触により黒鉛製鋳型が再利用できなくなるという問題を抑制することができる。 As described above, in the present invention, a mold having an opening that opens upward, an inner surface release material layer coated on the inner surface of the mold, and the inner surface release material layer, Since the opening part release material layer coated on the upper edge of the opening part is provided, the inner surface release material layer covering the inner surface of the mold is heated from the outside, and the silicon melt is caused by capillary action. Even when the soaked and wet state is reached, the opening mold release material layer is coated on the upper edge of the mold in a state continuous with the inner surface mold release material layer, so that the silicon melt and the mold are in contact with each other. Can be suppressed. As a result, the silicon ingot produced by solidifying the silicon melt can be removed without breaking. Further, when a graphite mold is used, the problem that the graphite mold cannot be reused due to contact between the silicon melt and the mold can be suppressed.
さらに、鋳型の上端縁部とシリコン融液とが接触することがないようにするため、シリコン融液の位置より鋳型の高さを充分に高くする、またはシリコン融液の投入量を減らしたりする必要がなくなり、低コストで良好な生産性を得ることができる。 Furthermore, in order to prevent the upper edge of the mold from coming into contact with the silicon melt, the height of the mold is made sufficiently higher than the position of the silicon melt, or the amount of silicon melt input is reduced. There is no need, and good productivity can be obtained at low cost.
また、上端縁部に被覆する開口部離型材層は、窒化珪素と二酸化珪素とを含み、前記窒化珪素は、その重量比率が二酸化珪素の重量比率よりも小さくすることで、開口部離型材層とシリコン融液との濡れ性をより小さくすることができ、シリコン融液のしみ上がりによる浸透を有効に抑制し、また離型材層と鋳型との融着をも防ぐことができる。 The opening release material layer covering the upper edge includes silicon nitride and silicon dioxide, and the silicon nitride has a weight ratio smaller than the weight ratio of silicon dioxide, so that the opening release material layer And the silicon melt can be further reduced, so that the penetration of the silicon melt can be effectively suppressed, and fusion between the mold release layer and the mold can be prevented.
また、本発明のシリコン鋳造用鋳型は、その主成分をシリカとする材料、あるいは炭素繊維強化黒鉛材料からなる場合、本発明の構成を有する離型材層を被覆することによって、その発明の効果を顕著に奏するものとなる。 Further, when the silicon casting mold of the present invention is made of a material whose main component is silica or a carbon fiber reinforced graphite material, the effect of the present invention can be obtained by coating the release material layer having the structure of the present invention. It will play remarkably.
そして、上述の本発明のシリコン鋳造用鋳型と、このシリコン鋳造用鋳型の上方に配設された鋳型加熱手段と、このシリコン鋳造用鋳型の外周を囲繞して配設された鋳型断熱材と、このシリコン鋳造用鋳型をその上部に配置してなる冷却手段とを備えた、シリコン鋳造装置は、シリコンを鋳造する際に、鋳型加熱手段によって上部から加熱されたシリコン融液が離型材層をしみ上がっても、シリコン融液と鋳型とが接触することなく、シリコンインゴットの割れを防止することができる。したがって、このシリコン鋳造装置は、加熱条件に対するマージンを広くすることができ、シリコンインゴットを最適に一方向凝固することができる。 And the above-described silicon casting mold of the present invention, a mold heating means disposed above the silicon casting mold, a mold heat insulating material disposed around the outer periphery of the silicon casting mold, The silicon casting apparatus provided with a cooling means in which the silicon casting mold is arranged on the upper part of the silicon casting apparatus, when casting silicon, the silicon melt heated from the upper part by the mold heating means soaks the release material layer. Even if it rises, the silicon ingot can be prevented from cracking without the silicon melt and the mold coming into contact with each other. Therefore, this silicon casting apparatus can widen the margin for the heating conditions, and can optimally solidify the silicon ingot in one direction.
以下、各請求項にかかる発明を添付図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the invention according to each claim will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明にかかるシリコン鋳造装置の一実施形態の断面模式図である。シリコン融液4が注ぎ込まれる本発明にかかる鋳型1は、その外周を囲繞するように鋳型断熱材3が配設されている。さらに、鋳型1の下部には冷却手段9が設けられ、鋳型1の上部にはシリコン融液4の凝固を制御するための鋳型加熱手段8が配置される。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an embodiment of a silicon casting apparatus according to the present invention. The
図1の実施形態は、鋳型1に外部から溶融したシリコン融液を注湯する方式の鋳造装置である。鋳型1の上部には原料シリコン10を溶融するための溶解坩堝11が保持坩堝12に保持されて配置され、溶解坩堝11と保持坩堝12の底部にはシリコン融液を出湯するための出湯口13が設けられる。また、溶解坩堝11、保持坩堝12の上部と側部にはそれぞれ上部加熱手段14、側部加熱手段15が配置された構成となっている。
The embodiment of FIG. 1 is a casting apparatus of a type in which a silicon melt melted from the outside is poured into a
次に、このシリコン鋳造装置を用いたシリコンインゴットの製造方法について説明する。まず、本発明の構成を有する鋳型1を70〜90Torrに減圧したアルゴン(Ar)雰囲気中に置き、鋳型1をシリコン融液4と同程度か若干低い温度で加熱しておく。ここで、例えば高純度石英などからなる溶解坩堝11内に入れられたシリコン原料は、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイル等からなる上部および側部の上部加熱手段14、側部加熱手段15によって加熱溶融され、シリコン融液となって底部の出湯口13から下部にある鋳型1内に注湯される。しかる後、冷却手段9によって鋳型1の底部から徐々に降温させてシリコン融液4を鋳型の底部から徐々に凝固させる。最後に鋳型1を分割してシリコンのインゴットを取り出すことにより完成する。
Next, a method for manufacturing a silicon ingot using this silicon casting apparatus will be described. First, the
図2は、本発明にかかるシリコン鋳造用鋳型の一例を示し、(a)は斜視図、(b)は断面構造図である。 2A and 2B show examples of a silicon casting mold according to the present invention, in which FIG. 2A is a perspective view and FIG. 2B is a cross-sectional structure diagram.
鋳型1は、上方に向かって開口した開口部を備え、その内部にシリコン融液4を保持・凝固させることができるようになっている。この鋳型1は、黒鉛、シリカ部材、炭素繊維強化炭素材料(C/C材)などから成り、鋳型の底部を構成する一つの底部材1aと、鋳型の側部を構成する4つの側部材1bを組み合わせた分割、組み立て可能な分割鋳型等で構成される。
The
なお、底部材1aと側部材1bは、ボルト(不図示)などで固定することによって分割可能に組み立てられたり、底部材1aと側部材1bが丁度嵌まる枠部材(不図示)で固定されたりして分割可能に組み立てられる。 The bottom member 1a and the side member 1b are assembled so as to be separable by being fixed with bolts (not shown) or the like, or fixed with a frame member (not shown) in which the bottom member 1a and the side member 1b are just fitted. And assembled in a splittable manner.
鋳型1の内表面には、内表面離型材層2が被覆されている。このような内表面離型材層2によって、鋳型1の内部のシリコン融液4を凝固した後に鋳型1の内壁とシリコンインゴットとが融着することがなく、底部材1aや側部材1bを何回も繰り返して使用することができる。このような内表面離型材層2としては、例えば、窒化珪素(Si3N4)の粉体をポリビニルアルコール水溶液で混ぜ合わせて鋳型1の内面に塗布・乾燥して被覆する。窒化珪素をポリビニルアルコール水溶液などで混合することによって、粉体である窒化珪素がスラリー状となり、黒鉛製の鋳型1に塗布しやすくなる。
An inner surface
窒化珪素の粉体としては、0.4〜0.6μm程度の平均粒径を有するものが用いられ、このような窒化珪素と濃度が5〜15重量%程度のポリビニルアルコール水溶液に混合してスラリー状とし、へらや刷毛などで鋳型1の内表面に被覆する。通常、粉体とポリビニルアルコールなどの有機バインダー水溶液を混合してスラリー状にした内表面離型材層2を被覆するような場合、その後の加熱で有機バインダーの熱分解性生成物がシリコン融液中に混入することを防止するために脱脂処理が行われ、自然乾燥または、ホットプレートに載せて乾燥させて脱脂処理した後、鋳型1内にシリコン融液4を注湯する。
As the silicon nitride powder, one having an average particle diameter of about 0.4 to 0.6 μm is used, and mixed with such silicon nitride and a polyvinyl alcohol aqueous solution having a concentration of about 5 to 15% by weight. The inner surface of the
鋳型1の内表面への内表面離型材層2の塗布は、窒化珪素と二酸化珪素の粉体を混合したものを、塗布することも可能である。また、スラリーを塗布するだけではなく、プラズマ溶射機を用いて直接、内表面離型材層2を設けても良い。
The inner surface mold
なお、塗布の方法としては、刷毛、へらなどを用いたり、スプレー法などを用いたりすることが可能であるが、生産性の観点から、一度の塗布で塗布厚を確保できる刷毛を用いることが望ましい。さらに乾燥方法としては、ホットプレート、オーブンなどの従来周知の方法を用いることができる。 In addition, as a coating method, a brush, a spatula, or the like can be used, or a spray method or the like can be used. From the viewpoint of productivity, a brush that can secure a coating thickness by a single coating is used. desirable. Further, as a drying method, a conventionally known method such as a hot plate or an oven can be used.
従来の課題でも述べたように、シリコン融液4を一方向凝固させるため、シリコン融液表面5より上部に当たる部分では、上部に位置する鋳型加熱手段8により鋳型内表面の内表面離型材層2が加熱された状態になる。毛細管現象によりシリコン融液4がしみ上がり濡れた部分の融液が加熱された場合、融液の表面張力が減少し濡れ性が増加するため、しみ上がり部分が大きくなる。その結果、従来では、鋳型1の上端縁部6とシリコン融液のしみ上がり部分が接触し、脱型する際、シリコンと鋳型材料との熱膨張係数の違いから、シリコンインゴットの割れが生じる結果となっていた。そこで、本発明のシリコン鋳造用鋳型では、図1、図2(b)に示すように、鋳型1の内表面に設けられた内表面離型材層2と連続して、上端縁部6に開口部離型材層7が被覆されるように構成することによって、この問題を解決した。
As described in the conventional problem, in order to solidify the
すなわち、鋳型加熱手段8により鋳型1の内表面を被覆している内表面離型材層2が加熱された状態になり、シリコン融液4がしみ上がり濡れた状態になっても、内表面離型材層2と連続して、鋳型1の上端縁部6が開口部離型材層7で被覆されているために、シリコン融液4と鋳型1とが接触することを抑制し、シリコンインゴットが割れることなく脱型することができる。さらに、黒鉛製鋳型を使用する場合には、シリコン融液と鋳型との接触により黒鉛製鋳型が再利用できなくなるという問題が生じることはない。
That is, even if the inner surface mold
シリコン融液の密度は約2.55g/cm3、シリコンインゴットの密度は約2.33g/cm3であり、液体から固体へ移行するときに約9%の体積膨張が生じるため、鋳型の高さは、凝固開始前のシリコン融液表面5に約9%の体積膨張としみ上がり領域を加えた高さが最低限必要になる。通常、内表面離型材層2、温度のバラツキによる濡れ性の違いが生じるために安全を見てさらに鋳型を高くする必要があった。しかし、上端縁部6を開口部離型材層7で被覆することで、シリコン融液4と鋳型1との接触を避けられるために、鋳型の高さを必要以上に高くする、またはシリコン融液の投入量を減らす必要がなくなる。その結果、鋳型のコストを下げたり、または生産性を向上させたりすることが可能となる。
The density of the silicon melt is about 2.55 g / cm 3, the density of the silicon ingot is about 2.33 g / cm 3, for about 9% volume expansion occurs when the transition from liquid to solid, the mold high The minimum required height is that the
また、鋳型の上端縁部6に被覆する開口部離型材層7は、窒化珪素と二酸化珪素とを含み、窒化珪素の重量比率が二酸化珪素の重量比率よりも小さくなるようにすることが望ましい。二酸化珪素は窒化珪素よりもシリコン融液4との濡れ性が小さいので、このような構成の離型材を開口部離型材層7に適用することによって、内表面離型材層2を上端縁部6までしみ上がってきたシリコン融液を有効に抑制し、開口部離型材層7と鋳型1との融着を防ぐことができる。
Further, it is desirable that the opening
窒化珪素の重量比率が二酸化珪素よりも大きくなると、鋳型1の上端縁部6を被覆する開口部離型材層7の濡れ性が大きくなるため、内表面離型材層2を上端縁部6までしみ上がったシリコン融液が、開口部離型材層7に対してもしみこむ恐れがあり、鋳型外面と接触して、シリコンインゴットの割れや鋳型の再利用不可となる可能性が生じる。
When the weight ratio of silicon nitride is larger than that of silicon dioxide, the wettability of the opening
なお、二酸化珪素の重量比率の上限は、90%とすることが望ましい。これ以上の重量比率とした場合、特に黒鉛製の鋳型を用いた場合に二酸化シリコンは黒鉛と付着性がよく、また二酸化シリコンとシリコンインゴットとも付着性がよいために、鋳型1が開口部離型材層7を介してシリコンインゴットに付着し、脱型するときにシリコンインゴットの一部に欠けが発生する可能性が生ずるからである。
Note that the upper limit of the weight ratio of silicon dioxide is desirably 90%. When the weight ratio is higher than this, particularly when a graphite mold is used, silicon dioxide has good adhesion to graphite, and both silicon dioxide and silicon ingot have good adhesion. This is because there is a possibility that a part of the silicon ingot may be chipped when adhering to the silicon ingot via the
開口部離型材層7についても基本的な形成方法についても、内表面離型材層2と同様である。ここでは、窒化珪素と二酸化珪素とを含む離型材層を形成する場合について説明する。
The basic method for forming the opening
原料となる窒化珪素の粉体としては、0.4〜0.6μm程度の平均粒径を有するものが用いられ、二酸化珪素の粉体としては、20μm程度の平均粒径を有するものが用いられる。このような窒化珪素と二酸化珪素の粉体を、所定重量比となるように秤量し、5〜15重量%程度のPVA水溶液に混合、撹拌して離型材の混合物スラリーを得る。そして、この離型材スラリーを鋳型1の上端縁部6に対して、内表面離型材層2から連続させて途切れないように塗布・乾燥することによって、本発明のシリコン鋳造用鋳型の開口部離型材層7を形成することができる。
As the raw material silicon nitride powder, one having an average particle size of about 0.4 to 0.6 μm is used, and as silicon dioxide powder, one having an average particle size of about 20 μm is used. . Such a powder of silicon nitride and silicon dioxide is weighed so as to have a predetermined weight ratio, and is mixed and stirred in a PVA aqueous solution of about 5 to 15% by weight to obtain a release material mixture slurry. Then, the mold release material slurry is continuously applied from the inner surface mold
開口部離型材層7の密度は1g/cm3以上2g/cm3以下とすることが望ましい。密度が小さくなると、開口部離型材層7がよりポーラスな構造となるため、しみ上がったシリコン融液が開口部離型材層7に対して浸透しやすくなる。密度を最適に調整するためには、有機バインダーのPVAの濃度を調整したり、使用する窒化珪素と二酸化珪素粉末の平均粒径を調整したり、形状を調整したりすればよい。例えば、密度を減少させるためには、有機バインダー濃度を上昇させる、粉末の平均粒径を大きくする、線形度を上げるなどの操作が効果的である。なお、線形度とは粒子1粒の最大長と面積(最大の断面積)の比率であり((絶対最大長)2/面積)*π/4で表す。真円の場合、線形度は1となり、楕円の場合は扁平率が高くなるほど線形度は大きくなる。線形度は走査型レーザー顕微鏡で測定することができる。
The density of the opening
そして、開口部離型材層7の厚みは0.1mm以上1mm以下の範囲とすることが望ましい。厚みが0.1mmより小さければ、しみ上がったシリコン融液が開口部離型材層7を浸透し、シリコン融液と鋳型が接触する可能性が生じる。また、1mmより大きければ、鋳型の上端縁部6に被覆した開口部離型材層7が鋳型加熱手段8によって加熱される鋳型1の上部と冷却手段9によって冷却される鋳型1の下部との温度分布を変えてしまい、形成される多結晶シリコン基板の品質に悪い影響を与える可能性があり、また開口部離型材層7の塗布重量が増加し、コストアップにつながるため不適である。
And it is desirable for the thickness of the opening part
また、鋳型1として、その主成分をシリカとする材料とした場合に本発明の構成を適用することが望ましい。通常シリカ材料は、例えば、黒鉛からなる鋳型に比べて鉄やアルミ等の不純物を多く含んでいるため、鋳型1とシリコン融液4が接触すると、シリコン融液中に鉄やアルミ等の不純物が溶け込み、太陽電池特性に悪影響を及ぼす可能性がある。しかしながら、本発明にかかる鋳型1の上端縁部6を開口部離型材層7で被覆した構造によれば、しみ上がったシリコン融液4と鋳型1との接触を防ぎ、鉄やアルミ等の不純物のシリコン融液4中への溶け込みを抑制することができるからである。
Further, when the
また、鋳型1として黒鉛を用いる場合は、高強度で破損しにくい炭素繊維強化炭素材料を用いることが望ましく、この鋳型1の厚み方向に炭素繊維強化炭素材料が積層されるように構成することがより望ましい。このようにすれば、鋳型1の熱伝導率は鋳型1の厚み方向は低く、面方向で高くなるため、インゴットの一方向凝固性を上げることができるようになる。しかしこの場合、鋳型1を構成する炭素繊維強化炭素材料は、内側に向いた面よりも側面、すなわち鋳型1の上端縁部6が存在する部分において、シリコン融液4のしみ込みが大きくなる。よって、鋳型の上端縁部6とシリコン融液のしみ上がり部分が接触すると脱型する際、シリコンインゴットの割れが生じやすくなってしまう。そこで本発明により鋳型1の上端縁部6を開口部離型材層7で被覆することによって、シリコン融液4と鋳型1との接触を防ぐことができる。
When graphite is used as the
次に、上述のような本発明にかかるシリコン鋳造用鋳型を用いたシリコン鋳造装置の構成およびその作用について、図1を用いてより詳細に説明する。 Next, the configuration and operation of the silicon casting apparatus using the silicon casting mold according to the present invention as described above will be described in more detail with reference to FIG.
本発明の鋳型1の上方には鋳型加熱手段8が配設されている。この鋳型加熱手段8としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。この鋳型加熱手段8を設ける目的は、鋳型1の内部に保持したシリコン融液4に対して、上部から熱を供給することによって、その凝固を制御し、後述する鋳型断熱材3、冷却手段9との協同作用によって、一方向凝固を行うことにある。
A mold heating means 8 is disposed above the
また本発明の鋳型1の外周には、この鋳型1を囲繞するように鋳型断熱材3が配設されている。鋳型断熱材3としては、グラファイトフェルトなどの主成分をカーボンとする材質が望ましく、特にその表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったものを用いれば、シリコン融液が付着したときに、劣化するという問題を減少させることができるので望ましい。この鋳型断熱材3を設ける目的は、シリコン融液4を鋳型1に保持したときに、鋳型1の側部からの抜熱を抑制し、上述した鋳型加熱手段8と、後述する冷却手段9とによる協同作用を発現させて、一方向凝固を行いやすくすることにある。通常、シリコン融液4の表面からの抜熱が大きいためにシリコン融液表面が凝固した状態でシリコン融液4が内部に取り残されると、取り残されたシリコン融液が凝固した際の膨張によりシリコンインゴットが噴火した状態となりシリコンインゴットに割れが生じる問題があるが、この鋳型断熱材3によってこの問題を防止することができる。
A mold
そして、冷却手段9は、鋳型1をその上部に配置するように構成されている。冷却手段9としては、例えばステンレス(SUS)などの金属板を用いることができ、内部に水などの冷媒を循環させるなどして、鋳型1の内部のシリコン融液4から効果的に抜熱できるように構成されている。この冷却手段9は、鋳型1の内部に保持したシリコン融液4に対して、その下方から抜熱するという作用を有している。
And the cooling means 9 is comprised so that the casting_mold |
すなわち、鋳型加熱手段8によって、本発明の鋳型1の内部に保持されたシリコン融液4を上方から加熱しながら、この冷却手段9によって下方から抜熱し、さらに鋳型断熱材3によって鋳型1の側部からの抜熱を防止することによって、これら各部による協同作用が良好に発現される。その結果、シリコン融液4の下部から上部へと向けて適切な温度勾配を設けることができ、シリコン融液4を下方から上方へと一方向凝固させて、良好な特性を有するシリコンインゴットを得ることができる。
That is, while the
前述したように図3に示す従来の鋳造装置においては、鋳型21の内表面に設けた離型材層22が鋳型加熱手段28によって加熱され温度が上がりすぎると、シリコン融液24がこの離型材層22をしみ上がって鋳型21の上端縁部と接触し問題を生ずる。そのため、鋳型加熱手段28の加熱条件は、この問題を防止するため、ある一定の強度以上に加熱することができないなどの制約が生じていた。
As described above, in the conventional casting apparatus shown in FIG. 3, when the release material layer 22 provided on the inner surface of the mold 21 is heated by the mold heating means 28 and the temperature rises too much, the
これに対して、本発明の鋳型1を用いた本発明のシリコン鋳造装置では、内表面離型材層2が鋳型加熱手段8によって加熱されてシリコン融液4がこの内表面離型材層2をしみ上がっても、内表面離型材層2と連続して鋳型1の上端縁部6に設けられた開口部離型材層7によって、鋳型1とシリコン融液4とが接触して問題を生ずることがない。
On the other hand, in the silicon casting apparatus of the present invention using the
このように本発明のシリコン鋳造装置においては、鋳型加熱手段8の加熱条件がこの問題に縛られることがなく、より自由な範囲で設定できる。その結果、シリコン融液4を一方向凝固させる際の条件のマージンが広がり、より広い条件の中から最適な凝固条件を選択することができるので、上述の鋳型断熱材3、冷却手段9についても、これに合わせて最適な条件となるように選ぶことによって、より良好な特性を有するシリコンインゴットを得ることができる。
Thus, in the silicon casting apparatus of the present invention, the heating condition of the mold heating means 8 is not restricted by this problem and can be set in a more free range. As a result, the margin of conditions for unidirectionally solidifying the
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。 It should be noted that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、上述の説明では図1において、シリコン原料を外部において坩堝で溶解してから本発明の鋳型に注湯する方式について述べたが、これに限るものではなく、シリコン原料を鋳型内に入れて一旦溶解した後、再び底部より一方向凝固させて、シリコンインゴットを形成するようにしても構わない。 For example, in the above description, the method in which the silicon raw material is melted in the crucible externally in FIG. 1 and then poured into the mold of the present invention is described, but the present invention is not limited to this, and the silicon raw material is placed in the mold. After melting once, it may be solidified again from the bottom to form a silicon ingot.
また、上述の説明では、本発明のシリコン鋳造装置において、鋳型1の外周を囲繞するように配置された鋳型断熱材3は一体的に形成された例によって説明したが、これに限るものではなく、例えば、鋳型断熱材3を鋳型の縦方向、横方向などに分割できるように構成してもよい。また、鋳型断熱材3は鋳型1の外周を完全に覆っていなくてもよく、一部が露出していても構わない。
In the above description, in the silicon casting apparatus of the present invention, the mold
また、上述の説明では、鋳型1の上端縁部6を1種類の開口部離型材層7で被覆する方法について述べたが、複数種類の離型材層によって構成することも可能である。このとき、上述の条件(混合比、密度、必要厚み)を満たすようにすることが望ましい。
In the above description, the method of coating the
また、内表面離型材層2と開口部離型材層7とを同じ材料構成として、一括で設けてもよいし、異なる材料構成であったとしてこれらを同時に塗布し、その後一括して乾燥することによって、同時に形成するようにしても構わない。
Also, the inner surface
さらに、上述の説明では内表面離型材層2や開口部離型材層7を設ける方法として、離型材スラリーを刷毛によって塗布・乾燥する方法によって形成した例によって説明したが、これに限るものではなく、塗布法では、刷毛以外に、ディスペンサーやスクリーン印刷を用いて形成してもよいし、塗布法以外の方法として、プラズマ溶射法を用いて形成しても構わない。
Furthermore, in the above description, the method of providing the inner surface
平均粒径0.5μmの窒化珪素粉末と平均粒径20μmの二酸化珪素粉末を秤量し、重量比率にして60:40で混合した後、混合粉末と8.7%のポリビニルアルコール水溶液で攪拌混合してスラリー状にし、図2に示す形状を有する黒鉛製の鋳型1の内表面に刷毛で被覆してホットプレートに載せて乾燥し、内表面離型材層2を得た。
A silicon nitride powder having an average particle size of 0.5 μm and a silicon dioxide powder having an average particle size of 20 μm are weighed and mixed at a weight ratio of 60:40, followed by stirring and mixing with the mixed powder and an 8.7% aqueous polyvinyl alcohol solution. Then, the inner surface of the
その後、平均粒径0.5μmの窒化珪素粉末と平均粒径20μmの二酸化珪素粉末を秤量し、重量比率にして5:95〜40:60の間で混合した後、混合粉末と8.7%のポリビニルアルコール水溶液で攪拌混合してスラリー状にした離型材を密度1.69g/cm3、厚み0.2mmの条件で鋳型1の上端縁部6に内表面離型材層2と連続するように被覆し、同様にホットプレートに載せて乾燥し、開口部離型材層7を得た。
Thereafter, a silicon nitride powder having an average particle size of 0.5 μm and a silicon dioxide powder having an average particle size of 20 μm are weighed and mixed in a weight ratio of 5:95 to 40:60, and then mixed with the mixed powder to 8.7%. The release material made into a slurry by stirring and mixing with an aqueous solution of polyvinyl alcohol was continuous with the inner surface
その後、図1に示す構造のシリコン鋳造装置を用いて、鋳型1を80Torrに減圧したアルゴン雰囲気中に置いた。鋳型1の周囲には、表面をカーボンの粉体でコーティング処理を行ったグラファイトフェルトの鋳型断熱材3を配設し、さらに鋳型1は内部に冷媒として水を循環させたステンレス製の金属板からなる冷却手段9の上に載置した。
Thereafter, the
そして、黒鉛ヒーターからなる鋳型加熱手段8によって、1000℃に加熱した状態で鋳型1の内部にシリコン融液70kgを注湯し、8時間かけて徐々に凝固させた。
Then, 70 kg of silicon melt was poured into the
冷却後、鋳型1を分割して固化したシリコンインゴットを取り出し、鋳型へのシリコンの付着の有無、シリコンインゴットの割れ、欠けを調べた。
After cooling, the
なお、比較例として、開口部離型材層7を設けない従来構造の鋳型も作製し、本発明の実施例と全く同様にして評価を実施した。これらの結果を表1に示す。
表1に示すように、鋳型の上端縁部が離型材層で被覆されていない従来構造の鋳型を用いた試料No.1では鋳型へのシリコンの付着が見られ、シリコンインゴットを鋳型から脱型した際、シリコンインゴットに割れが見られた。 As shown in Table 1, a sample No. using a mold having a conventional structure in which the upper edge of the mold is not covered with a release material layer. In No. 1, silicon adhered to the mold, and when the silicon ingot was removed from the mold, the silicon ingot was cracked.
それに対して、本発明にかかる鋳型を用いた試料No.2〜No.6については、鋳型へのシリコンの付着の有無についても、シリコンインゴットの割れ、欠けについても、資料No.1と比べて向上した結果が得られた。 In contrast, sample No. using the mold according to the present invention. 2-No. 6 regarding the presence or absence of silicon adhering to the mold and the cracking and chipping of the silicon ingot. An improved result compared to 1 was obtained.
特に、本発明の試料No.3〜5では、鋳型へのシリコンの付着は見られず、シリコンインゴットに割れ、欠けは確認されなかった。それに対して、窒化珪素の重量比率が二酸化珪素よりも大きくなるように作製した試料No.6では、鋳型の外面にシリコンの付着が見られ、シリコンインゴットにスライス工程で除去できる程度の欠けが見られ、効果がやや乏しかった。また、窒化珪素の重量比率が10%より小さい試料No.2では、鋳型へのシリコンの付着は見られなかったものの、鋳型が離型材層を介してシリコンインゴットに付着し、シリコンインゴットにスライス工程で除去できる程度の欠けが見られ、効果がやや乏しかった。 In particular, sample no. In 3-5, the adhesion of the silicon | silicone to a casting_mold | template was not seen, but the crack and notch | chip were not confirmed by the silicon ingot. On the other hand, Sample No. produced so that the weight ratio of silicon nitride is larger than that of silicon dioxide. In No. 6, the adhesion of silicon was observed on the outer surface of the mold, and the silicon ingot was chipped to such an extent that it could be removed by the slicing process, and the effect was somewhat poor. In addition, the sample No. 1 in which the weight ratio of silicon nitride is smaller than 10%. In No. 2, silicon was not attached to the mold, but the mold was attached to the silicon ingot via the release material layer, and the silicon ingot was chipped to such an extent that it could be removed by a slicing process, and the effect was slightly poor. .
以上の結果から、本発明の効果を確認することができた。 From the above results, the effect of the present invention could be confirmed.
1:鋳型
1a:底部材
1b:側部材
2:内表面離型材層
3:鋳型断熱材
4:シリコン融液
5:シリコン融液表面
6:上端縁部
7:開口部離型材層
8:鋳型加熱手段
9:冷却手段
10:原料シリコン
11:溶解坩堝
12:保持坩堝
13:出湯口
14:上部加熱手段
15:側部加熱手段
21:鋳型
22:離型材層
23:鋳型断熱材
24:シリコン融液
25:シリコン融液表面
26:上端縁部
28:鋳型加熱手段
29:冷却手段
30:原料シリコン
31:溶解坩堝
32:保持坩堝
33:出湯口
34:上部加熱手段
35:側部加熱手段
1: Mold 1a: Bottom member 1b: Side member 2: Inner surface release material layer 3: Mold heat insulating material 4: Silicon melt 5: Silicon melt surface 6: Upper edge 7: Opening part release material layer 8: Mold heating Means 9: Cooling means 10: Raw material silicon 11: Melting crucible 12: Holding crucible 13: Outlet 14: Upper heating means 15: Side heating means 21: Mold 22: Release material layer 23: Mold heat insulating material 24: Silicon melt 25: Silicon melt surface 26: Upper edge 28: Mold heating means 29: Cooling means 30: Raw material silicon 31: Melting crucible 32: Holding crucible 33: Hot water outlet 34: Upper heating means 35: Side heating means
Claims (2)
前記鋳型内表面に被覆された内表面離型材層と、
前記内表面離型材層と連続して、前記開口部の上端縁に被覆された開口部離型材層とを備え、
前記内表面離型材層および前記開口部離型材層は、いずれも窒化珪素と二酸化珪素とを含み、
前記内表面離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして60:40で混合したものを用い、
前記開口部離型材層は、窒化珪素粉末と二酸化珪素粉末を重量比率にして10:90〜50:50で混合したものを用いた、ことを特徴とするシリコン鋳造用鋳型。 A mold for silicon casting having an opening portion opened upward and an inner surface of the mold,
An inner surface release material layer coated on the inner surface of the mold;
Continuing with the inner surface release material layer, an opening release material layer coated on the upper edge of the opening ,
The inner surface release material layer and the opening release material layer both include silicon nitride and silicon dioxide,
The inner surface release material layer is a mixture of silicon nitride powder and silicon dioxide powder in a weight ratio of 60:40,
The silicon mold for casting, wherein the opening parting material layer is a mixture of silicon nitride powder and silicon dioxide powder in a weight ratio of 10:90 to 50:50 .
前記シリコン鋳造用鋳型の上方に配設された鋳型加熱手段と、
前記シリコン鋳造用鋳型の外周を囲繞して配設された鋳型断熱材と、
前記シリコン鋳造用鋳型をその上部に配置してなる冷却手段と、を備えたシリコン鋳造装置。 A silicon casting mold according to claim 1 ;
A mold heating means disposed above the silicon casting mold,
A mold heat insulating material disposed around the outer periphery of the silicon casting mold, and
A silicon casting apparatus comprising: cooling means having the silicon casting mold disposed thereon.
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