JP4838591B2 - Silicone coagulation mold and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン融液を凝固させる際に用いるシリコン凝固用鋳型、及びその製造方法に関し、さらに詳しくは、太陽電池用の基板等を製造するための多結晶シリコンを得るために用いる鋳型、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a silicon solidification mold used for solidifying a silicon melt and a method for producing the same, and more specifically, a mold used to obtain polycrystalline silicon for producing a substrate for solar cells, and the like. It relates to the manufacturing method.
太陽電池に使用されるシリコン(Si)については、一般に99.9999%(6N)程度の純度が必要とされ、各種の金属不純物が0.1質量ppm以下であり、ボロン(B)が少なくとも0.3質量ppm以下であることが必要であるとされている。この条件を満たすシリコンとしては、シーメンス法を用いて製造した半導体用シリコン、すなわち、シリコン塩化物を蒸留後に熱分解して得られる高純度シリコンがある。しかしながら、このシーメンス法はコストが嵩むため、大量のシリコンを必要として低コスト性が要求される太陽電池用のシリコンを製造するのには不向きである。 Silicon (Si) used for solar cells generally requires a purity of about 99.9999% (6N), various metal impurities are 0.1 mass ppm or less, and boron (B) is at least 0. .3 mass ppm or less is required. As silicon satisfying this condition, there is silicon for semiconductors manufactured using the Siemens method, that is, high-purity silicon obtained by pyrolyzing silicon chloride after distillation. However, since this Siemens method is expensive, it is unsuitable for producing silicon for solar cells, which requires a large amount of silicon and requires low cost.
そこで、太陽電池に使用可能な安価なシリコンを製造する技術が各種研究され、BとPを除く、Fe、Al、Ca等の各種金属不純物は、一方向凝固法で除去することが一般的に行なわれている。この一方向凝固法は、溶融状態のシリコン融液が固化する際、共存する溶融シリコンに金属不純物が多く分配し、固化したシリコンには金属不純物はわずかしか取り込まれないという現象を利用したものである。この一方向凝固法をはじめ、太陽電池に使用可能な安価なシリコンを製造するための各種技術では、シリコンを溶解・凝固させる工程が不可欠とされる場合が多々ある。 Accordingly, various techniques for producing inexpensive silicon that can be used for solar cells have been studied, and various metal impurities such as Fe, Al, and Ca except for B and P are generally removed by a unidirectional solidification method. It is done. This unidirectional solidification method utilizes the phenomenon that when a molten silicon melt is solidified, a large amount of metal impurities are distributed to the coexisting molten silicon, and only a small amount of metal impurities are taken into the solidified silicon. is there. In various techniques for manufacturing inexpensive silicon that can be used in solar cells, including this unidirectional solidification method, a process of melting and solidifying silicon is often indispensable.
従来において、シリコン融液を凝固させる際には、シリコンへの不純物混入のおそれが少ないとされる石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型が主に使用されている。ところが、これらの鋳型にシリコン融液を注湯すると、固化したシリコン塊が鋳型に固着してしまい、シリコンの回収歩留まりが低下するといった問題がある。また、石英製や黒鉛製の鋳型は、通常、製作には専門業者による作業を必要とし、かつ、2週間〜1ヶ月程度の長い製作時間を要するために非常に高価であり、一度使用した鋳型を繰り返し使用できずに廃棄してしまうのは不経済であるといった問題もある。 Conventionally, when a silicon melt is solidified, a quartz mold or a graphite mold, which is less likely to be mixed with impurities, is mainly used. However, when a silicon melt is poured into these molds, there is a problem that the solidified silicon lump is fixed to the mold and the silicon recovery yield is lowered. Quartz and graphite molds are usually very expensive because they require work by specialists for production and require a long production time of about 2 weeks to 1 month. There is also a problem that it is uneconomical to dispose of it without being able to use it repeatedly.
そこで、上記のような問題を解決するために、組み立て・分解が可能な黒鉛製の鋳型であって、シリコン融液が接触する鋳型の内壁面に離型剤を塗布して離型層を形成することで、シリコンが固化した後に鋳型を分解してシリコン塊を取り出す方法が検討されている。例えば、黒鉛製の組立鋳型の内壁面をシリコンの酸化物、窒化物又は炭化物で被覆しておくことで、鋳型を傷つけることなくシリコン塊を取り出す方法が提案されている(特許文献1及び2)。ところが、この(特許文献1及び2)では、黒鉛製の鋳型の内壁面をシリコンの酸化物等で被覆する具体的手段が説明されていない。
Therefore, in order to solve the above problems, a mold made of graphite that can be assembled and disassembled, and a mold release agent is applied to the inner wall surface of the mold that comes into contact with the silicon melt to form a mold release layer. Thus, a method has been examined in which a silicon lump is taken out by decomposing the mold after the silicon is solidified. For example, a method has been proposed in which a silicon lump is taken out without damaging the mold by coating the inner wall surface of a graphite assembly mold with silicon oxide, nitride, or carbide (
また、窒化珪素粉末と有機バインダーを溶剤中に溶解したスラリーで鋳型の内壁面をコーティングして離型層を形成する方法が提案されている(特許文献3)。この方法を開示する(特許文献3)では、有機バインダーとしてポリビニルアルコール、ポリビニルアセテート又はポリビニルブチレートを挙げるが(公報第4欄58〜60行)、これらはシリコンの融点以下の高温で離型層から脱離するものであり、なかでもポリビニルアルコールについては低温で脱離するため好ましいとしている(同第5欄9〜11行)。しかしながら、実際には、有機バインダーが離型層から脱離してしまうと、残された窒化珪素粉末同士はごく緩く焼結しているため、離型層自体の強度は弱く、離型層が破損する危険がある。離型層が破損すれば、その部分についてはシリコンが鋳型に固着してしまうという問題がある。離型層自体の強度を上げるためには、窒化珪素粉末よりも強固に焼結する粉末を選定することも考えられるが、焼結が強固になると、逆に焼結によって離型層に収縮が生じ、結果としてクラックが発生するおそれがあるため実用的ではない。すなわち、焼結し易い粉末は使用できないのが実情である。
Further, a method has been proposed in which a mold release layer is formed by coating the inner wall surface of a mold with a slurry in which silicon nitride powder and an organic binder are dissolved in a solvent (Patent Document 3). In this method (Patent Document 3), polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate or polyvinyl butyrate is exemplified as the organic binder (Japanese Patent Publication No. 4, column 58 to 60). These are release layers at a high temperature below the melting point of silicon. Among them, polyvinyl alcohol is preferable because it is desorbed at a low temperature (
更には、離型剤中に含まれる粉末の粒度の改善や、離型剤の組成比の改善、あるいは分散剤を添加する等によりシリコンの固着を防いだり、鋳型の繰り返し利用を可能にする方法が提案されている(特許文献4〜12)。しかしながら、これらの方法は、いずれも、本質的には粉末と有機バインダーを用いるものであり、使用される有機バインダーは高温にて離型層から脱離してしまう危険性は残る。例えば、上記の(特許文献11)では、450〜600℃でバインダーを脱脂することを特徴とし、バインダーとしては、前記したようなポリビニルアルコールであるのが好ましいとする。また、シリコンへの炭素取り込みを防止する観点から、バインダーは離型層より完全に除去するのがよいとする(特許文献11の段落[0007]〜[0011])。しかしながら、バインダーが除去されれば、当然ながら離型層自体の強度は低下し、破損するおそれが生じる。離型層が一部でも破損すると、そこからシリコンが鋳型に固着してしまい、シリコン回収の歩留まりが低下するとともに、これらの方法が目標とする鋳型の繰り返し使用も困難になる。
Furthermore, it is possible to prevent the silicon from sticking by improving the particle size of the powder contained in the release agent, improving the composition ratio of the release agent, or adding a dispersing agent, and enabling repeated use of the mold. Has been proposed (
更にまた、鋳型の内壁面に離型剤を塗布して離型層を設ける際、この離型層の密度を鋳型側よりもシリコン融液と接触する側の方を高くする方法(特許文献13)や、窒化珪素、酸化珪素、又はこれらの混合物に金属シリコンを添加した離型剤からなる下地層と、窒化珪素、酸化珪素、又はこれらの混合物からなる離型剤によって形成した表面層との2層構造の離型層を設ける方法(特許文献14)が提案されている。しかしながら、これらいずれの方法も、プラズマ照射による離型層の形成を要するため、コストが高く、作業性に劣り、更には高価な黒鉛製の鋳型を使用しなければならないといった問題がある。
元来、溶融したシリコンを鋳型に注ぎ込む際にはシリコン融液が鋳型の内壁面と衝突するため、鋳型に離型層を設ける場合には、離型層自体が強固であって、かつ、鋳型に対して強く固着していることが必要とされる。しかしながら、上記で説明した通り、離型層について種々の検討がなされているものの、これらは未だ十分であるとは言えない。そこで、本発明者等は、特に離型層がなくても、シリコンへの不純物混入のおそれを石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型と同等レベルで排除でき、更には、簡便かつ短期間で作製できる鋳型について鋭意検討した結果、鋳型本体を実質的にシリカガラスとフェノール樹脂硬化物とから形成することによって、シリコン融液と接触する面を強固にすることができると共に、シリコン融液との塗れ性が悪くシリコンの固着を防ぐことができ、且つ、シリコンへの不純物拡散性が石英や黒鉛製の鋳型と少なくとも同等の性能を有し、更には、石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型に比べて簡便にかつ短期間で鋳型を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。 Originally, when molten silicon is poured into a mold, the silicon melt collides with the inner wall surface of the mold, so when providing a mold release layer on the mold, the mold release layer itself is strong and the mold It is required to be firmly attached to the surface. However, as described above, various studies have been made on the release layer, but these are still not sufficient. Therefore, the present inventors can eliminate the possibility of impurities being mixed into silicon at the same level as quartz molds and graphite molds, even without a release layer, and more easily and quickly. As a result of intensive studies on molds that can be made, it is possible to strengthen the surface in contact with the silicon melt by forming the mold body substantially from silica glass and a phenolic resin cured product, and to apply the silicon melt. It is difficult to prevent silicon from sticking, and the impurity diffusivity to silicon is at least equivalent to that of quartz or graphite molds. Furthermore, compared to quartz molds and graphite molds The present inventors have found that a template can be obtained easily and in a short period of time.
従って、本発明の目的は、特に離型層を設けなくてもシリコンの固着を防ぐことができると共に、シリコンへの不純物混入のおそれを石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型と同等レベルで排除でき、尚且つ、特に専門業者による作業を必要としなくても簡便に短期間で製造することができるシリコン凝固用鋳型を提供することにある。 Accordingly, the object of the present invention is to prevent the silicon from adhering even without providing a release layer, and to eliminate the possibility of impurities being mixed into the silicon at the same level as a quartz mold or a graphite mold. In addition, another object of the present invention is to provide a silicon coagulation mold that can be manufactured easily and in a short period of time without requiring any work by a specialist.
また、本発明の別の目的は、特に離型層を設けなくてもシリコンの固着を防ぐことができると共に、シリコンへの不純物混入のおそれを石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型と同等レベルで排除でき、尚且つ、特に専門業者による作業を必要としなくても簡便に短期間で得ることができるシリコン凝固用鋳型の製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to prevent silicon from sticking even without providing a release layer, and at the same level as the quartz mold and graphite mold to prevent impurities from entering silicon. Another object of the present invention is to provide a method for producing a silicon coagulation mold that can be eliminated and can be obtained easily and in a short period of time without requiring any special work.
すなわち、本発明は、シリコン融液を凝固させる際に用いる鋳型であって、鋳型本体が、実質的にシリカガラスとフェノール樹脂硬化物とからなることを特徴とするシリコン凝固用鋳型である。 That is, the present invention is a mold for use in solidifying a silicon melt, wherein the mold main body is substantially made of silica glass and a phenol resin cured product.
また、本発明は、シリコン融液を凝固させる際に用いる鋳型の製造方法であって、フェノール樹脂とシリカガラスとを混合した鋳型材料を200〜250℃の温度で熱硬化処理し、所定の形状の鋳型本体を得ることを特徴とするシリコン凝固用鋳型の製造方法である。 The present invention also relates to a method for producing a mold used for solidifying a silicon melt, wherein a mold material in which a phenol resin and silica glass are mixed is heat-cured at a temperature of 200 to 250 ° C. to obtain a predetermined shape. This is a method for producing a mold for silicon coagulation, characterized in that a mold body is obtained.
以下では、本発明のシリコン凝固用鋳型の製造方法について説明しながら、あわせてシリコン凝固用鋳型について説明する。
本発明においては、フェノール樹脂とシリカガラスとを混合した鋳型材料を200〜250℃の温度で熱硬化処理することにより、所定の形状の鋳型本体を得る。鋳型材料を形成するシリカガラスについては、粒径45〜150μmのシリカガラスが全シリカガラスに対して95質量%以上含まれるのが好ましい。シリカガラスの粒径が45μmより小さいと、フェノール樹脂との混合が均一にならないおそれがあり、反対に150μmより大きくなると、鋳型本体を得た際に鋳型本体の表面の空隙が大きく、ポーラス状になりやすい。そのため、シリコン融液を注湯したときにシリコン融液が含浸して固着しやすくなる。また、粒径45〜150μmのシリカガラスが全シリカガラスに対して95質量%未満であると、鋳型材料を形成する上でシリカガラスとフェノール樹脂との均一な混合物が得にくく、また、鋳型本体を形成した際に表面の空隙が大きくなってポーラス状になるおそれがあり好ましくない。
Below, while explaining the manufacturing method of the silicon coagulation mold of the present invention, the silicon coagulation mold will be described.
In the present invention, a mold body having a predetermined shape is obtained by thermosetting a mold material obtained by mixing a phenol resin and silica glass at a temperature of 200 to 250 ° C. About the silica glass which forms a casting_mold | template material, it is preferable that 95 mass% or more of silica glass with a particle size of 45-150 micrometers is contained with respect to all the silica glasses. If the particle size of the silica glass is smaller than 45 μm, the mixing with the phenol resin may not be uniform. Conversely, if the particle size is larger than 150 μm, the void on the surface of the mold body is large when the mold body is obtained, resulting in a porous shape. Prone. Therefore, when the silicon melt is poured, the silicon melt is impregnated and easily fixed. Further, when the silica glass having a particle size of 45 to 150 μm is less than 95% by mass with respect to the total silica glass, it is difficult to obtain a uniform mixture of silica glass and phenolic resin in forming the mold material, and the mold body When forming the film, the voids on the surface may become large and become porous, which is not preferable.
また、上記シリカガラスについては、粒径45μm未満のシリカガラスが全シリカガラスに対して5質量%未満含まれているのが更に好ましい。本発明によって得た鋳型本体は、実際にシリコン融液を注湯してシリコンを凝固させる際には、通常、鋳型本体を予め1550℃前後まで予熱するが、鋳型本体が1300℃前後になると、図1(b)に示すような、隣接した粒径45〜150μmのシリカガラス同士が結合するネッキング現象を発現する(この温度を「ネッキング開始温度」と呼ぶ場合がある)。この際、粒径45μm未満のシリカガラスが存在していると、粒径45〜150μmのシリカガラスの隙間に粒径45μm未満のシリカガラスが入り込み〔図1(a)で示す状態〕、ネッキング補助材として機能する。すなわち、より強固なネッキングを得ることができる。粒径45μm未満のシリカガラスが全シリカガラスに対して5質量%以上含まれると、鋳型本体を予熱した際に、シリカガラスが焼結し過ぎて、鋳型本体が収縮してしまうため好ましくない。一方で、粒径45μm未満のシリカガラスが全シリカガラスに対して3質量%より少ない場合には、ネッキング補助材として実質的に作用し難くなる。尚、図1中、1aが粒径45〜150μmのシリカガラスを表し、1bが粒径45μm未満のシリカガラスを表す。 Moreover, about the said silica glass, it is still more preferable that the silica glass with a particle size of less than 45 micrometers is contained less than 5 mass% with respect to the total silica glass. When the mold body obtained by the present invention actually melts the silicon melt to solidify the silicon, the mold body is usually preheated to about 1550 ° C. in advance, but when the mold body reaches about 1300 ° C., As shown in FIG. 1B, a necking phenomenon in which adjacent silica glasses having a particle diameter of 45 to 150 μm are bonded to each other (this temperature may be referred to as “necking start temperature”). At this time, if silica glass having a particle size of less than 45 μm is present, the silica glass having a particle size of less than 45 μm enters the gap between the silica glasses having a particle size of 45 to 150 μm (state shown in FIG. 1A), and assists in necking. Functions as a material. That is, a stronger necking can be obtained. When the silica glass having a particle size of less than 45 μm is contained in an amount of 5% by mass or more based on the total silica glass, the silica glass is excessively sintered and the mold body shrinks when the mold body is preheated. On the other hand, when the silica glass having a particle size of less than 45 μm is less than 3% by mass with respect to the total silica glass, it hardly acts as a necking auxiliary material. In FIG. 1, 1a represents silica glass having a particle size of 45 to 150 μm, and 1b represents silica glass having a particle size of less than 45 μm.
また、本発明においては、鋳型材料が、シリカガラス100質量部に対して1〜10質量部のフェノール樹脂を含むのが好ましい。フェノール樹脂の含有量が1質量部より少ないと、鋳型本体の成型性に問題が生じるおそれがあり、反対に10質量部よりも多くなると、シリカガラスのネッキングが効率よく発現せず、シリコン融液を注湯してシリコンを凝固させる際に、保型性に問題を生じるおそれがある。 Moreover, in this invention, it is preferable that casting_mold | template material contains 1-10 mass parts phenol resin with respect to 100 mass parts of silica glass. If the phenol resin content is less than 1 part by mass, there may be a problem in moldability of the mold body. Conversely, if it exceeds 10 parts by mass, the silica glass necking does not occur efficiently, and the silicon melt There is a possibility that a problem may occur in the shape retention when the silicon is poured to solidify the silicon.
鋳型材料に用いるフェノール樹脂については、一般的に使用される公知の樹脂を用いることができ、いわゆるノボラック型のものであってもよく、レゾール型のものであってもよい。このフェノール樹脂は、常温で固形のものを鋳型材料として混合するようにしてもよく、通常使用される公知の溶媒を含んだフェノール樹脂溶液の状態で、鋳型材料として混合するようにしてもよい。 As the phenol resin used for the mold material, a commonly used known resin can be used, which may be a so-called novolac type or a resol type. This phenol resin may be mixed at room temperature as a mold material, or may be mixed as a mold material in a phenol resin solution containing a commonly used solvent.
鋳型材料を形成するフェノール樹脂が溶媒を含んだフェノール樹脂溶液の場合には、フェノール樹脂溶液の粘度については、25℃において2〜10Pa・Sであるのが好ましい。すなわち、粘度が2Pa・Sより小さいと、フェノール樹脂に対して溶媒の量が相対的に多いことを意味するため、後に鋳型材料を熱硬化処理する際、溶媒が揮発し難くなって熱硬化処理が必要以上に時間を要してしまう。反対に、10Pa・Sより大きくなると、粘性が高すぎてシリカガラスと均一に混合されなくなるおそれがある。 When the phenol resin forming the template material is a phenol resin solution containing a solvent, the viscosity of the phenol resin solution is preferably 2 to 10 Pa · S at 25 ° C. That is, when the viscosity is less than 2 Pa · S, it means that the amount of the solvent is relatively large with respect to the phenol resin. Will take more time than necessary. On the other hand, if it exceeds 10 Pa · S, the viscosity is too high and it may not be mixed with silica glass uniformly.
また、上記フェノール樹脂については、固体のフェノール樹脂の場合にはフェノール樹脂中の固定炭素が80質量%以上であるのが好ましく、一方、上記フェノール樹脂溶液を用いる場合には、フェノール樹脂溶液中の固定炭素が40質量%以上となるようにするのが好ましい。後述するように、鋳型材料を所定の温度で熱硬化処理すると、フェノール樹脂は硬化してフェノール樹脂硬化物となり、3次元ネットワークを形成するものと考えられる。そして、使用時の予熱で鋳型本体が1000℃前後になると、今度はフェノール樹脂硬化物の炭化が開始すると考えられる。したがって、固定炭素の割合が、それぞれ上記範囲未満であると、使用時の予熱で鋳型本体が更に1300℃前後まで熱せられた際に、残存するフェノール樹脂硬化物の量(すなわち、残炭率)が少なくなって、シリカガラス同士の焼結が進行し過ぎ、鋳型本体が収縮変形してしまうおそれがある。尚、固定炭素の量については、それぞれ示差熱・熱重量分析によって求めることができる。 As for the phenolic resin, in the case of a solid phenolic resin, the fixed carbon in the phenolic resin is preferably 80% by mass or more. On the other hand, when the phenolic resin solution is used, The fixed carbon is preferably 40% by mass or more. As will be described later, when the mold material is heat-cured at a predetermined temperature, the phenol resin is cured to become a phenol resin cured product, which is considered to form a three-dimensional network. And, when the mold main body becomes around 1000 ° C. by preheating at the time of use, it is considered that carbonization of the phenol resin cured product starts this time. Therefore, when the proportion of fixed carbon is less than the above range, the amount of phenol resin cured product remaining when the mold body is further heated to around 1300 ° C. by preheating at the time of use (that is, the residual carbon ratio). There is a risk that the sintering of the silica glass proceeds excessively, and the mold body shrinks and deforms. The amount of fixed carbon can be determined by differential thermal / thermogravimetric analysis.
また、本発明において、鋳型材料に用いるフェノール樹脂が、加熱してもそれ自身では硬化しないフェノール樹脂である場合には、鋳型材料に、フェノール樹脂100質量部に対して硬化剤を20質量部以上添加するようにしてもよい。硬化剤の量が20質量部より少ないと、フェノール樹脂の全てが硬化しない可能性がある。硬化剤の種類については、フェノール樹脂の硬化剤として使用されるものであれば制限はなく、具体例としてはヘキサミンを挙げることができる。尚、添加する硬化剤の量が30質量部を超えると、その効果が飽和するため、この値を上限とするのがよい。 In the present invention, when the phenol resin used for the mold material is a phenol resin that does not cure itself even when heated, the mold material contains 20 parts by mass or more of a curing agent with respect to 100 parts by mass of the phenol resin. You may make it add. If the amount of the curing agent is less than 20 parts by mass, all of the phenolic resin may not be cured. About the kind of hardening | curing agent, if used as a hardening | curing agent of a phenol resin, there will be no restriction | limiting, A hexamine can be mentioned as a specific example. In addition, since the effect will be saturated when the quantity of the hardening | curing agent to add exceeds 30 mass parts, it is good to make this value into an upper limit.
上記鋳型材料を、本発明においては、200〜250℃の温度で熱硬化処理し、所定の形状の鋳型本体を得る。熱硬化処理の温度が200℃より低いと、鋳型材料中のフェノール樹脂の熱硬化が十分になされない可能性があり、反対に250℃より高くなってもその効果は飽和する。尚、熱硬化処理の時間については、形成する鋳型本体の形状等に応じて、適宜選択すればよい。 In the present invention, the mold material is heat-cured at a temperature of 200 to 250 ° C. to obtain a mold body having a predetermined shape. When the temperature of the thermosetting treatment is lower than 200 ° C., the phenol resin in the mold material may not be sufficiently cured by heat, and the effect is saturated even when the temperature is higher than 250 ° C. In addition, what is necessary is just to select suitably about the time of a thermosetting process according to the shape etc. of the mold main body to form.
上記熱硬化処理によって、鋳型材料を形成するフェノール樹脂は、熱硬化してフェノール樹脂硬化物となり(硬化剤を用いた場合には、フェノール樹脂と硬化剤とが反応してフェノール樹脂硬化物となり)、3次元ネットワークを形成するものと考えられる。一方、シリカガラスについては、熱硬化処理の温度ではネッキング等の変化は生じないものと考えられる。つまり、熱硬化処理して得た鋳型本体は、実質的にシリカガラスとフェノール樹脂硬化物とからなる。ここで、実質的にシリカガラスとフェノール樹脂硬化物とからなるとは、鋳型本体の保型性を維持する上で影響を及ぼさない程度に、熱硬化されずに残ったフェノール樹脂や硬化剤が含まれていてもよいことを意味する。また、鋳型本体が本発明における作用効果を奏する上で影響を及ぼさない程度であれば、その他第三成分が含まれていてもよいことを意味する。尚、熱硬化されないフェノール樹脂が影響を及ぼさない程度に残っていたとしても、鋳型本体を使用する際に、鋳型本体が予熱されるため、特に問題は生じない。 The phenol resin that forms the mold material by the thermosetting treatment is thermoset to a phenol resin cured product (when a curing agent is used, the phenol resin and the curing agent react to form a phenol resin cured product). It is considered to form a three-dimensional network. On the other hand, regarding silica glass, it is considered that no change such as necking occurs at the temperature of the thermosetting treatment. That is, the mold main body obtained by the thermosetting treatment is substantially composed of silica glass and a phenol resin cured product. Here, substantially consisting of silica glass and phenolic resin cured product includes phenolic resin and curing agent remaining without being thermally cured to the extent that it does not affect the mold retainability of the mold body. It means that it may be. Further, it means that the third component may be included as long as the mold body does not have an influence on the effects of the present invention. Even if the phenol resin that is not thermoset remains to the extent that it does not affect, there is no particular problem because the mold body is preheated when the mold body is used.
既に説明した内容と一部重複するが、熱硬化処理して得た、本発明の鋳型本体の好ましい形態は、シリカガラス100質量部に対して1〜10質量部のフェノール樹脂硬化物からなるのがよく、粒径45〜150μmのシリカガラスが全シリカガラスに対して95質量%以上含まれるのがよく、粒径45μm未満のシリカガラスが全シリカガラスに対して5質量%未満含まれるのがよい。 Although partially overlapping with the contents already described, the preferred form of the mold body of the present invention obtained by thermosetting treatment consists of 1 to 10 parts by mass of a phenol resin cured product with respect to 100 parts by mass of silica glass. The silica glass having a particle size of 45 to 150 μm is preferably contained in an amount of 95% by mass or more based on the total silica glass, and the silica glass having a particle size of less than 45 μm is contained in an amount of less than 5% by mass based on the total silica glass. Good.
また、本発明においては、例えば、次のような方法で鋳型材料を成型した上で、熱硬化処理するのがよい。
例えば、上部が開口して箱状に形成された箱状型枠と、この箱状型枠内に収容される中子との隙間に鋳型材料を充填して、鋳型材料を所定の形状に保持した上で、熱硬化処理を行えば、所定の形状の鋳型本体を成型することができる。この際、箱状型枠と中子の形状は、必要とする鋳型本体の形状に応じて適宜設計すればよい。
In the present invention, for example, the mold material is molded by the following method and then heat-cured.
For example, a mold material is filled in a gap between a box-shaped form formed in a box shape with an open top and a core accommodated in the box-shaped form frame, and the mold material is held in a predetermined shape. In addition, if a thermosetting process is performed, a mold body having a predetermined shape can be molded. At this time, the shape of the box-shaped form and the core may be appropriately designed according to the shape of the required mold body.
別の例としては、板状体を成型可能な板用型枠内に鋳型材料を充填したものを熱硬化処理することにより、所定の形状の板状鋳型部材を必要な枚数作製し、得られた板状鋳型部材を、鋳型本体の底面部及び側壁部に対応するように箱状に組み立てれば、所定の形状の鋳型本体を得ることができる。この際、板状鋳型部材の形状や必要枚数については、必要とする鋳型本体の形状に応じて適宜設計すればよい。 As another example, the required number of plate-shaped mold members having a predetermined shape can be produced by thermosetting a mold material for a plate that can be molded into a plate mold. If the plate-shaped mold member is assembled in a box shape so as to correspond to the bottom surface portion and the side wall portion of the mold body, a mold body having a predetermined shape can be obtained. At this time, the shape of the plate-shaped mold member and the required number of sheets may be appropriately designed according to the required shape of the mold body.
上記箱状型枠、中子、及び板用型枠の材質については、一般的に使用される金型、合成樹脂型等を挙げることができるが、寸法精度や汚染安定性等の観点から、好ましくは合成樹脂型であるのがよい。尚、これらの型枠は割り型が一般的であり、脱型を容易にするためにテトラフルオロエチレン等の離型剤をスプレーコーティングしてもよい。あるいは、型枠自体をテトラフルオロエチレンから形成してもよい。 Examples of the material of the box-shaped formwork, core, and plate formwork include commonly used molds, synthetic resin molds, etc., but from the viewpoint of dimensional accuracy and contamination stability, A synthetic resin type is preferable. Note that these molds are generally split molds, and a release agent such as tetrafluoroethylene may be spray coated to facilitate demolding. Alternatively, the mold itself may be formed from tetrafluoroethylene.
また、得られた鋳型本体の側面を形成する側壁部の厚みについては、好ましくは10〜15mmとなるようにするのがよい。厚みが10mmより薄いと鋳型の側面からの抜熱が大きくなり、製品として良好な柱状結晶のシリコンを得づらくなり、反対に、15mmより厚くなると抜熱に関する効果は変わらないため経済的ではない。一方、鋳型本体の底面となる底面部の厚みについては、2〜5mmとするのがよい。2mmより薄いと強度的に弱くなり、反対に5mmを超えると抜熱しにくくなる。 Moreover, about the thickness of the side wall part which forms the side surface of the obtained casting_mold | template main body, it is good to set it as 10-15 mm preferably. If the thickness is less than 10 mm, the heat removal from the side surface of the mold becomes large, and it becomes difficult to obtain silicon having a columnar crystal as a product. On the other hand, about the thickness of the bottom face part used as the bottom face of a casting_mold | template main body, it is good to set it as 2-5 mm. If it is thinner than 2 mm, it will be weak in strength, and if it exceeds 5 mm, it will be difficult to remove heat.
また、本発明においては、少なくともシリコン融液と接触する鋳型本体の内壁面(側壁部及び底面部の内側表面)に、窒化珪素を含んだ窒化珪素溶液を塗布し、乾燥させて実質的に窒化珪素からなる離型層を形成してもよい。鋳型本体自体が、シリコン融液と塗れ性が悪いため、シリコンを凝固させた後のシリコンの固着は十分に防止できるが、離型層を設けることでより確実にシリコンを離型できる。また、本発明の鋳型内壁面に形成された離型層は、親和性が良好なため、破損しにくい。万が一、離型層が破損し、シリコン融液が鋳型本体側に含浸したとしても、鋳型本体自体がシリコンの固着を防ぐことができるため問題はなく、離型層を設けることで、シリコンの固着を防ぐことができる効果を更に一層向上させることができる。尚、この離型層については、シリコンへの不純物混入等において影響を及ぼさない程度であれば、窒化珪素以外の成分が含まれていても問題はない。 In the present invention, a silicon nitride solution containing silicon nitride is applied to at least the inner wall surface (inner surface of the side wall portion and the bottom surface portion) of the mold main body that is in contact with the silicon melt, and is substantially nitrided by drying. A release layer made of silicon may be formed. Since the mold body itself has poor paintability with the silicon melt, it is possible to sufficiently prevent the silicon from adhering after the silicon is solidified, but it is possible to release the silicon more reliably by providing a release layer. In addition, the release layer formed on the inner wall surface of the mold of the present invention has a good affinity and is not easily damaged. Even if the mold release layer breaks and the silicon melt is impregnated on the mold body side, there is no problem because the mold body itself can prevent the silicon from sticking. The effect which can prevent can be improved further. It should be noted that there is no problem even if the release layer contains a component other than silicon nitride as long as it does not affect the contamination of silicon with impurities.
窒化珪素溶液とする溶媒については、水やエタノール等の通常用いられるものを挙げることができ、また、窒化珪素については、好ましくは粒径が50μm以下のものであるのがよい。粒径が50μmより大きなものであると、離型層における空隙が大きくなりすぎて、シリコン融液が含浸し易くなってしまう。そのため、離型層を設ける場合には、その効果を十分に発揮せしめるために、上記粒径の窒化珪素を用いるのが好ましい。 Examples of the solvent used as the silicon nitride solution include commonly used solvents such as water and ethanol. The silicon nitride preferably has a particle size of 50 μm or less. If the particle size is larger than 50 μm, the voids in the release layer become too large and the silicon melt is easily impregnated. Therefore, when a release layer is provided, it is preferable to use silicon nitride having the above particle size in order to sufficiently exhibit the effect.
本発明のシリコン凝固用鋳型は、鋳型本体が実質的にシリカガラスとフェノール樹脂硬化物とからなり、シリカガラスは比較的熱膨張率が小さいため、シリコンを凝固させる際に高温状態に晒されても、シリコン融液と接触する面を強固な状態のまま維持することができる。また、このシリコン融液と接触する面は、シリコン融液との塗れ性が悪くシリコンの固着を防ぐことができる。更には、シリコンへの不純物汚染を石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型と同等に排除することができる。
また、本発明においては、所定の鋳型材料を熱硬化処理することによって、所定の形状の鋳型本体を得ることが可能なため、石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型に比べて短期間にかつ簡便に鋳型を製造することができて、石英製鋳型や黒鉛製鋳型等と比べても低コストで製造することができる。
In the mold for solidifying silicon according to the present invention, the mold body is substantially composed of silica glass and a phenolic resin cured product, and silica glass has a relatively small coefficient of thermal expansion, so that it is exposed to a high temperature state when solidifying silicon. However, the surface in contact with the silicon melt can be maintained in a strong state. Further, the surface in contact with the silicon melt has poor paintability with the silicon melt and can prevent silicon from sticking. Furthermore, impurity contamination to silicon can be eliminated in the same manner as a quartz mold or a graphite mold.
In the present invention, a mold body having a predetermined shape can be obtained by heat-curing a predetermined mold material. Therefore, the mold body can be obtained in a short time and more easily than a quartz mold or a graphite mold. Thus, the mold can be manufactured at a lower cost than a quartz mold, a graphite mold, or the like.
以下、添付図面に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
図2は、上部が開口して箱状に形成された箱状型枠3と中子4とを用いて鋳型材料2を所定の形状に保ち、この鋳型材料2を熱硬化処理して成型することにより鋳型本体5を得る手順(概略)を示す断面説明図である。先ず、特定の粒径を有したシリカガラスとフェノール樹脂とをそれぞれ所定量用意し、これらを図示外のミキサーを用いて15〜20分間程度混合し、鋳型材料2を得る。尚、この鋳型材料2は、通常、粘土状の混練物になる。この際に用いるフェノール樹脂については、常温で固形のものを使用してもよく、例えばフェノール、エチレングリコール等の通常使用される公知の溶媒を含んだフェノール樹脂溶液の状態のものを使用してもよい。また、フェノール樹脂が自己硬化しないものを使用する場合には、別途、ヘキサミン等の硬化剤を添加するようにしてもよい。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
In FIG. 2, the
次いで、上記で得た鋳型材料2の一部を、鋳型本体5の底面部5aの厚さに相当する量となるように、箱状型枠3の底の部分に敷設し〔図2(1)の状態〕、この鋳型材料2の上に中子4を載せる。この際、中子4の側面と箱状型枠3の内壁面との間に、全て、所定の隙間(鋳型本体5の側壁部5bの厚みに相当する隙間)が形成されるようにする。次いで、上記箱状型枠3と中子4との隙間に鋳型材料2を充填して、鋳型本体5の形状となるように鋳型材料2の形状を保持させる〔図2(2)の状態〕。
Next, a part of the
上記のようにして準備した鋳型材料2を、箱状型枠3と中子4ごと図示外のオーブンに入れ、大気雰囲気下にて200〜250℃の温度で焼成する熱硬化処理を行う。熱硬化処理の時間については、鋳型本体5の形状にもよるが、通常4〜6時間かけて行うのがよい。熱硬化処理が終了したら、室温まで冷却させ、その後、中子4及び箱状型枠3を取り除けば、箱状の鋳型本体5からなるシリコン凝固用の鋳型を製造することができる〔図2(3)の状態〕。なお、必要に応じて、この鋳型本体5の内壁面に窒化珪素を含んだ窒化珪素溶液を刷毛やスプレー等の公知の方法を用いて塗布し、乾燥させることによって、実質的に窒化珪素からなる離型層6を設けたシリコン凝固用鋳型としてもよい。
The
一方、図3は、板状体を成型可能な板用型枠11を用いて、これに鋳型材料2を充填し、熱硬化処理することで板状鋳型部材12を作製し、複数用意した板状鋳型部材12を箱状に組み立てることによって、鋳型本体13を製造する工程を示す断面説明図である。先ず、上記と同様にして得た鋳型材料2を板用型枠11内に充填し〔図3(1)の状態〕、これを板用型枠11ごと図示外のオーブンに入れ、上記と同様の熱硬化処理を行う。熱硬化処理が終了した後、室温まで冷却し、板用型枠11を取り外せば1枚の板状鋳型部材12を得ることができる。同様の作業を必要な分だけ行い、所定枚数(この場合は合計5枚)の板状鋳型部材12を作製する〔図3(2)の状態〕。
On the other hand, FIG. 3 shows a plate-shaped
次に、上記で得た5枚の板状鋳型部材12を鋳型本体13の底面部13a及び側壁部13bに対応するように箱状に組み立てれば〔図3(3)の状態〕、鋳型本体13からなるシリコン凝固用鋳型を製造することができる。この際、鋳型本体13の側壁部13bに対応する板状鋳型部材12は、その自重によって箱状に組み立てた状態を維持することはできるが、板状鋳型部材12の接合部分を液状の速乾性フェノール樹脂等の接着剤を用いて固定するようにしてもよく、あるいは、側壁部13bに対応する板状鋳型部材12が倒れないように、箱状に組み立てた後に、側壁部13bに対応する板状鋳型部材12を黒鉛製の紐で縛って固定するようにしてもよい。更には、図3(3)の実線で囲んだ中に示すように、板状鋳型部材12の接合部分を互いに相補的な形状にしておくことで、箱状に組み立てた状態が維持され易くなるようにしてもよい。尚、箱状に組み立てた鋳型本体13の内壁面には、先の図2の場合で説明したように、離型層を形成するようにしてもよい。
Next, if the five plate-
ところで、鋳型本体を使用してシリコンを凝固させる際には、鋳型本体の外壁面外側に抵抗式ヒーター等を配置して、予め1450℃程度まで予熱しておくことが一般的である。この際、1000℃前後では鋳型本体を形成するフェノール樹脂硬化物の炭化が開始するが、そのほとんどは残炭すると考えられ、更に1300℃前後からは、その残炭率は徐々に低下していくものと考えられる。一方、シリカガラスについては、1300℃程度でシリカガラス同士が結合するネッキングが開始すると考えられるため、図3を用いて説明したように、板状鋳型部材12を箱状に組み立てて鋳型本体13を形成する場合には、板状鋳型部材12の接合部分は、このシリカガラスのネッキングによって接着する。そのため、板状鋳型部材12を用いて鋳型本体13を形成する場合には、板状鋳型部材12を組み立てた際に、箱状の状態がある程度維持できるのであれば特に問題は生じない。
By the way, when silicon is solidified by using the mold body, it is common to preheat to about 1450 ° C. in advance by disposing a resistance heater or the like outside the outer wall surface of the mold body. At this time, carbonization of the phenolic resin cured product forming the mold body starts around 1000 ° C., but most of it is considered to be residual carbon, and from about 1300 ° C., the residual carbon ratio gradually decreases. It is considered a thing. On the other hand, for silica glass, it is considered that necking in which silica glass is bonded to each other at about 1300 ° C. Therefore, as described with reference to FIG. 3, the plate-shaped
ところで、図2においては一体型の鋳型本体5を用いて説明し、図3においては、板状鋳型部材12を合計5枚用意して箱状に組み立てた組み立て型の鋳型本体13を用いて説明しているが、本発明における鋳型本体は、これらの形状のものに限定されるものではない。すなわち、上部が開口してシリコン融液を流し込むことができるものであれば、鋳型本体の形状に特に制限はなく例えば、鋳型本体の底面部が、矩形のものであったり、円形、楕円形、三角形以上の多角形等の形状のものであってもよい。また、鋳型本体の側壁部の形状についても、任意の形状を選択することができ、凝固させて得るシリコン塊が必要な形状となるように、適宜設計することができる。
By the way, in FIG. 2, the description will be made using the
[鋳型の製造]
シリカガラス、フェノール樹脂、及び硬化剤を、それぞれ表1に示す量となるように用意し、これらをミキサーでおよそ20分間混練し、粘土状の鋳型材料2を得た。シリカガラスについては、篩を使用して粒径45〜150μmのシリカガラスと、粒径45μm未満のシリカガラスを準備し、全シリカガラスに対して、粒径45〜150μmのシリカガラスが95質量%、及び粒径45μm未満のシリカガラスが5質量%となるようにした。また、フェノール樹脂としては、フェノールにフェノール樹脂が溶けたフェノール樹脂溶液を用いた。このフェノール樹脂溶液は、固定炭素が40質量%含まれており、25℃における粘度は5Pa・Sであった。更に、硬化剤としてはヘキサミン(純度99.5%)を使用し、シリカガラス100質量部に対して0.35質量部となるようにした。
[Mold production]
Silica glass, a phenol resin, and a curing agent were prepared so as to have the amounts shown in Table 1, respectively, and these were kneaded with a mixer for about 20 minutes to obtain a clay-
次いで、上記で得た鋳型材料2を、図2に示すような箱状型枠3と中子4を用いて鋳型本体5の形状に保持した。箱状型枠3はテフロン(登録商標)樹脂製であって、上部が開口した立方体形状をした箱状の型枠であり、開口部分が400mm×400mm、及び深さが400mm(ともに内径)である。また、中子4はテフロン(登録商標)樹脂製であって、一辺の長さと高さがともに370mmの立方体である。先ず、箱状型枠3の底の部分に、厚さ2mmとなるように鋳型材料2の一部を敷設した。次に、この鋳型材料2の上に中子4を載せ、中子4の側面と箱状型枠3の内壁面との間に全て15mmの隙間を設けるようにした。次いで、中子4の側面と箱状型枠3の内壁面との間に形成された隙間を全て埋めるように鋳型材料2を充填し、箱状型枠3及び中子4ごと図示外のオーブンに入れて、鋳型材料2を200℃で4時間加熱する熱硬化処理を行った。
Next, the
熱硬化処理が終了した後、室温まで放冷して、中子4と箱状型枠3を取り外すことで、外径が縦400mm×横400mm×高さ400mm、及び内径が370mm×370mm×深さ398mmの鋳型本体5を得て、シリコン凝固用鋳型を完成した。この実施例1においては、シリコン凝固用鋳型の製造に要した時間は6時間であった。
After completion of the thermosetting treatment, the product is allowed to cool to room temperature and the
[性能評価]
上記で得た鋳型本体5を、誘導加熱式の溶解炉を有するチャンバーの中に設置し、チャンバー内をアルゴンガスで置換した。チャンバー内がアルゴンガス大気圧に置換された後、溶解炉では高純度シリコン(99.999999999質量%以上)1000kgを1550℃で溶解し、鋳型本体5については抵抗式ヒーターにて、毎分5℃の昇温速度で1550℃まで加熱した。次いで、溶解炉内の溶融シリコン(シリコン融液)100kgを鋳型本体5内へ傾注し、その後、鋳型本体5の温度を徐々に下げて、シリコンを下方から徐々に凝固させた。シリコン全体が凝固した後に、抵抗式ヒーター等の電源を切り、室温まで炉冷した。室温まで冷却した後、鋳型本体5と凝固したシリコンとを分離させたところ、鋳型本体5には何ら損傷は認められず、溶融シリコンの液漏れもなかった。また、凝固したシリコンを取り出す際には鋳型本体5とシリコンとは容易に剥離し、鋳型本体5へのシリコンの固着は無く、370mm×370mm×高さ約310mmのシリコン塊を得ることができた(回収率99%)。
[Performance evaluation]
The
また、得られたシリコン塊の中心部分から分析用サンプルを採取し、ICP−AES(ICP-発光)分析法による定性分析を行った。その結果、Fe、Al、B、及びPは検出されず、これらの金属不純物による汚染は無いことが確認された。尚、上記ICP−AES分析法における検出限界値は、Fe:0.02質量ppm、Al:0.02質量ppm、B:0.05質量ppm、及びP:0.05質量ppmである。
上記の性能評価の結果をまとめて表2に示す。
In addition, a sample for analysis was collected from the central portion of the obtained silicon lump, and qualitative analysis was performed by ICP-AES (ICP-luminescence) analysis. As a result, Fe, Al, B, and P were not detected, and it was confirmed that there was no contamination with these metal impurities. The detection limit values in the ICP-AES analysis method are Fe: 0.02 mass ppm, Al: 0.02 mass ppm, B: 0.05 mass ppm, and P: 0.05 mass ppm.
The results of the performance evaluation are summarized in Table 2.
[鋳型の製造]
フェノール樹脂として固形状のもの(固定炭素85%)を用い、表1に示す量のシリカガラス、フェノール樹脂、及び硬化剤を使って、実施例1と同様にして、外径が縦400mm×横400mm×高さ400mm、及び内径が370mm×370mm×深さ398mmの鋳型本体5を得た。次いで、この鋳型本体5の内壁面(鋳型本体5の底面部5a及び側壁部5bの内側表面)に、粒径50μmの窒化珪素を50質量部、及びエタノールを50質量部含んだ窒化珪素溶液を約0.3mmの厚さの塗布量となるように刷毛を用いて塗布し、25℃で1時間乾燥させて窒化珪素からなる離型層6を形成し、シリコン凝固用鋳型を完成させた。この実施例2において、シリコン凝固用鋳型の製造に要した時間は6.5時間であった。
[Mold production]
A solid resin (85% fixed carbon) was used as the phenol resin, and the outer diameter was 400 mm × width in the same manner as in Example 1 using the amount of silica glass, phenol resin, and curing agent shown in Table 1. A
[性能評価]
上記で得たシリコン凝固用鋳型の性能評価について、実施例1と同様にして行なったところ、凝固したシリコンが取り除かれた後の鋳型本体5には何ら損傷は認められず、溶融シリコンの液漏れもなかった。また、凝固したシリコンを取り出す際には鋳型本体5とシリコンとは容易に剥離し、鋳型本体5へのシリコンの固着は無く、370mm×370mm×高さ約310mmのシリコン塊を得ることができた(回収率99%)。更には、ICP−AES分析法による定性分析の結果、不純物金属による汚染は無かった。
結果を表2に示す。
[Performance evaluation]
The performance evaluation of the silicon solidification mold obtained above was performed in the same manner as in Example 1. As a result, no damage was observed in the
The results are shown in Table 2.
[鋳型の製造]
図3に示すような板用型枠11を5つ用意した。このうちの4つは、内径が400mm×400mm×深さ15mmのテフロン(登録商標)製の板用型枠11であり、鋳型本体13の側壁部13bに対応する板状鋳型部材12を作製するためのものである。残りの1つは、内径が400mm×400mm×深さ2mmのテフロン(登録商標)製の板用型枠11であり、鋳型本体13の底面部13aに対応する板状鋳型部材12を作製するためのものである。これらの板用型枠11内に、それぞれ実施例1と同様にして用意した鋳型材料2を充填し、鋳型材料2が充填された板用型枠11をまとめて図示外のオーブンに入れて、鋳型材料2を200℃で4時間加熱する熱硬化処理を行った。熱硬化処理後は、それぞれの板用型枠11から板状鋳型部材12を取り出し、鋳型本体13の底面部13a及び側壁部13bに対応するように、板状鋳型部材12を箱状に組み立てた。このようにして、外径が縦400mm×横400mm×高さ400mm、及び内径が370mm×370mm×深さ398mmの鋳型本体13を作製し、シリコン凝固用鋳型を完成させた。この実施例3においては、シリコン凝固用鋳型の製造に要した時間は6.5時間であった。
[Mold production]
Five
[性能評価]
上記で得たシリコン凝固用鋳型の性能評価について、実施例1と同様にして行なったところ、凝固したシリコンが取り除かれた後の鋳型本体13には何ら損傷は認められず、溶融シリコンの液漏れもなかった。また、凝固したシリコンを取り出す際には鋳型本体13とシリコンとは容易に剥離し、鋳型本体5へのシリコンの固着は無く、370mm×370mm×高さ約310mmのシリコン塊を得ることができた(回収率99%)。更には、ICP−AES分析法による定性分析の結果、不純物金属による汚染は無かった。
結果を表2に示す。
[Performance evaluation]
The performance evaluation of the silicon solidification mold obtained above was performed in the same manner as in Example 1. As a result, no damage was observed on the mold body 13 after the solidified silicon was removed, and the molten silicon leaked. There was not. Further, when the solidified silicon was taken out, the mold body 13 and the silicon were easily peeled off, and there was no silicon sticking to the
The results are shown in Table 2.
[鋳型の製造]
実施例3と同じ板用型枠11を5つ用意し、この板用型枠11内に実施例2と同じ鋳型材料を充填し、実施例3と同様にして、外径が縦400mm×横400mm×高さ400mm、及び内径が370mm×370mm×深さ398mmの鋳型本体13を作製した。次いで、この箱状に組み立てた鋳型本体13の側壁部13bに対応する4つの板状鋳型部材12の外周を、黒鉛製の紐でくくり固定した。そして、この鋳型本体13の内壁面に、粒径50μmの窒化珪素を50質量部、及びエタノールを50質量部含んだ窒化珪素溶液を約0.3mmの厚さの塗布量となるようにスプレーを用いて塗布し、25℃で1時間乾燥させて窒化珪素からなる離型層を形成し、シリコン凝固用鋳型を完成させた。この実施例4のシリコン凝固用鋳型を製造するのに要した時間は7時間であった。
[Mold production]
Five
[性能評価]
上記で得たシリコン凝固用鋳型の性能評価について、実施例1と同様にして行なったところ、凝固したシリコンが取り除かれた後の鋳型本体13には何ら損傷は認められず、溶融シリコンの液漏れもなかった。また、凝固したシリコンを取り出す際には鋳型本体13とシリコンとは容易に剥離し、鋳型本体5へのシリコンの固着は無く、370mm×370mm×高さ約310mmのシリコン塊を得ることができた(回収率99%)。更には、ICP−AES分析法による定性分析の結果、不純物金属による汚染は無かった。
結果を表2に示す。
[Performance evaluation]
The performance evaluation of the silicon solidification mold obtained above was performed in the same manner as in Example 1. As a result, no damage was observed on the mold body 13 after the solidified silicon was removed, and the molten silicon leaked. There was not. Further, when the solidified silicon was taken out, the mold body 13 and the silicon were easily peeled off, and there was no silicon sticking to the
The results are shown in Table 2.
[比較例1]
実施例1で得た鋳型本体と同じ形状であって、黒鉛製の鋳型本体を用意した。窒化珪素100質量部、ポリビニルアルコール5質量部、及び純水100質量部からなる窒化珪素溶液を、上記黒鉛製鋳型の内壁面に厚さ約0.3mmとなるように刷毛を用いて塗布し、20℃で24時間乾燥させて離型層を形成し、比較例1に係る鋳型を完成させた。尚、上記黒鉛製の鋳型本体を製造するには専用の製造装置と技術者を要し、離型層の形成を含めると、鋳型の完成までには1週間を要した。
[Comparative Example 1]
A graphite mold body having the same shape as the mold body obtained in Example 1 was prepared. A silicon nitride solution consisting of 100 parts by mass of silicon nitride, 5 parts by mass of polyvinyl alcohol, and 100 parts by mass of pure water was applied to the inner wall surface of the graphite mold using a brush so that the thickness was about 0.3 mm. A release layer was formed by drying at 20 ° C. for 24 hours, and the mold according to Comparative Example 1 was completed. In order to manufacture the above-mentioned graphite mold main body, a dedicated manufacturing apparatus and an engineer are required. When the release layer is formed, it takes one week to complete the mold.
比較例1に係る鋳型の性能評価を、実施例1と同様にして行なった。室温まで冷却された凝固シリコンと黒鉛製鋳型とを分離したところ、鋳型の側壁部での離型が悪く、各側壁部の内側表面にはシリコンの固着が確認された。鋳型側壁部にシリコンが固着した部分を観察したところ、離型層が剥離していることが確認された。シリコンが固着した部分については、鋳型を昇温させた際に、離型層中のポリビニルアルコールが分解し、気化しため、離型層が機能を発揮しなかったことが予想される。このため、鋳型の損傷が確認され、溶融シリコンの液漏れも認められた。また、得られたシリコン塊は、四角柱の状態では取り出すことはできず、鋳型に固着したシリコンは回収不能であった(回収率87%)。尚、ICP−AES分析法による定性分析の結果では、不純物金属による汚染は無かった。
結果を表2に示す。
The performance evaluation of the mold according to Comparative Example 1 was performed in the same manner as in Example 1. When the solidified silicon cooled to room temperature and the graphite mold were separated, the mold release at the side wall portions of the mold was poor, and silicon was confirmed to adhere to the inner surface of each side wall portion. When the portion where the silicon was fixed to the mold side wall was observed, it was confirmed that the release layer was peeled off. As for the portion to which silicon is fixed, it is expected that when the temperature of the mold is raised, polyvinyl alcohol in the release layer is decomposed and vaporized, so that the release layer does not function. For this reason, damage to the mold was confirmed, and liquid leakage of molten silicon was also observed. Further, the obtained silicon lump could not be taken out in the state of a quadrangular prism, and silicon fixed to the mold could not be recovered (recovery rate 87%). In addition, as a result of the qualitative analysis by the ICP-AES analysis method, there was no contamination with impurity metals.
The results are shown in Table 2.
[比較例2]
実施例1で得た鋳型本体と同じ形状であって、石英製の鋳型本体を用意した。窒化珪素100質量部、ポリビニルアルコール5質量部、及び純水100質量部からなる窒化珪素溶液を、上記黒鉛製鋳型の内壁面に厚さ約0.3mmとなるようにスプレーを用いて塗布し、20℃で24時間乾燥させて離型層を形成し、比較例2に係る鋳型を完成させた。尚、上記黒鉛製の鋳型本体を製造するには専用の製造装置と技術者を要し、離型層の形成を含めると、鋳型の完成まで4週間を要した。
[Comparative Example 2]
A quartz mold body having the same shape as the mold body obtained in Example 1 was prepared. A silicon nitride solution consisting of 100 parts by mass of silicon nitride, 5 parts by mass of polyvinyl alcohol, and 100 parts by mass of pure water was applied to the inner wall surface of the graphite mold using a spray so that the thickness was about 0.3 mm. A release layer was formed by drying at 20 ° C. for 24 hours, and a mold according to Comparative Example 2 was completed. In order to manufacture the above-mentioned graphite mold main body, a dedicated manufacturing apparatus and an engineer are required. When the release layer is formed, it takes four weeks to complete the mold.
比較例2に係る鋳型の性能評価を、実施例1と同様にして行なったところ、凝固したシリコンが取り除かれた後の鋳型には何ら損傷は認められず、溶融シリコンの液漏れもなかった。また、凝固したシリコンを取り出す際には鋳型とシリコンとは容易に剥離し、鋳型へのシリコンの固着は無く、370mm×370mm×高さ約310mmのシリコン塊を得ることができた(回収率99%)。更には、ICP−AES分析法による定性分析の結果、不純物金属による汚染は無かった。
結果を表2に示す。
When the performance of the mold according to Comparative Example 2 was evaluated in the same manner as in Example 1, no damage was observed in the mold after the solidified silicon was removed, and there was no leakage of molten silicon. Further, when the solidified silicon was taken out, the mold and the silicon were easily peeled off, and the silicon was not fixed to the mold, and a silicon mass of 370 mm × 370 mm × height about 310 mm could be obtained (recovery rate 99). %). Furthermore, as a result of qualitative analysis by ICP-AES analysis, there was no contamination with impurity metals.
The results are shown in Table 2.
[比較例3]
一般耐火用であるシリカ−マグネシア系キャスタブルを用いて、実施例1で得た鋳型本体と同じ形状の鋳型本体を作製した。また、この鋳型本体の内壁面に、比較例1と同様にして離型層を形成し、比較例3に係る鋳型を完成させた。尚、この鋳型を作製するのには2日間を要した。
[Comparative Example 3]
A mold body having the same shape as the mold body obtained in Example 1 was produced using a silica-magnesia castable for general fire resistance. Further, a release layer was formed on the inner wall surface of the mold body in the same manner as in Comparative Example 1, and the mold according to Comparative Example 3 was completed. It took two days to produce this mold.
比較例3に係る鋳型の性能評価を、実施例1と同様にして行なったところ、凝固したシリコンが取り除かれた後の鋳型には何ら損傷は認められず、溶融シリコンの液漏れもなかった。また、凝固したシリコンを取り出す際には鋳型とシリコンとは容易に剥離し、鋳型へのシリコンの固着は無く、370mm×370mm×高さ約310mmのシリコン塊を得ることができた(回収率99%)。しかしながら、ICP−AES分析法による定性分析の結果、シリコン中には、Al:200質量ppm、P:15質量ppm、B:10質量ppm、及びFe:150質量ppmの各濃度での不純物金属による汚染が確認された。
結果を表2に示す。
When the performance of the mold according to Comparative Example 3 was evaluated in the same manner as in Example 1, no damage was observed in the mold after the solidified silicon was removed, and there was no leakage of molten silicon. Further, when the solidified silicon was taken out, the mold and the silicon were easily peeled off, and the silicon was not fixed to the mold, and a silicon mass of 370 mm × 370 mm × height about 310 mm could be obtained (recovery rate 99). %). However, as a result of the qualitative analysis by the ICP-AES analysis method, silicon contains impurity metals at respective concentrations of Al: 200 mass ppm, P: 15 mass ppm, B: 10 mass ppm, and Fe: 150 mass ppm. Contamination was confirmed.
The results are shown in Table 2.
本発明におけるシリコン凝固用鋳型は、シリコン融液が接触又は衝突する面が強固であって、シリコンを凝固させた際に石英製の鋳型や黒鉛製の鋳型と同程度に不純物汚染を回避することができ、また、鋳型本体の表面はシリコン融液との塗れ性が悪いため、シリコンの固着を可及的に防ぐことができる。そのため、一方向凝固法等を利用して太陽電池用の基板等に用いる多結晶シリコンを製造する鋳型として好適である。また、本発明によれば、上記のようなシリコン凝固用鋳型を、石英製鋳型や黒鉛製鋳型と比べて簡便にかつ短期間で製造することができるため、コストや作業性の面においても工業的に極めて有利である。 The silicon solidification mold according to the present invention has a strong surface that contacts or collides with the silicon melt, and avoids impurity contamination to the same extent as a quartz mold or a graphite mold when silicon is solidified. In addition, since the surface of the mold main body has poor paintability with the silicon melt, it is possible to prevent silicon from being fixed as much as possible. Therefore, it is suitable as a mold for producing polycrystalline silicon used for a solar cell substrate or the like using a unidirectional solidification method or the like. Further, according to the present invention, since the above-mentioned silicon solidification mold can be manufactured easily and in a short period of time compared to a quartz mold or a graphite mold, it is also industrial in terms of cost and workability. Is extremely advantageous.
1:シリカガラス、1a:シリカガラス(粒径45〜150μm)、1b:シリカガラス(粒径45μm以下)、2:鋳型材料、3:箱状型枠、4:中子、5,13:鋳型本体、5a,13a:底面部、5b,13b:側壁部、6:離型層、11:板用型枠、12:板状鋳型部材。 1: Silica glass, 1a: Silica glass (particle size: 45 to 150 μm), 1b: Silica glass (particle size: 45 μm or less), 2: Mold material, 3: Box-shaped frame, 4: Core, 5, 13: Mold Main body, 5a, 13a: bottom portion, 5b, 13b: side wall portion, 6: release layer, 11: plate formwork, 12: plate mold member.
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