JP5492208B2 - 炭化ケイ素を主成分とする非−粘着性被膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、新規な型の様々な物質用の表面被膜、およびより詳しくは、高温条件下にある液状物質、例えば液状シリコンと接触させることになるルツボを提案するものであり、該ルツボは、その中で、該高温液状物質を固化させて、例えばインゴット等の形状とするためのものである。

光電池は、液体浴からのインゴットの固化を利用する、ダイ中で、主として単結晶または多結晶性シリコンから出発して製造される。次いで、該インゴットは、裁断されて、電池を製造するための基礎材料として機能するウエハとされる。
固化された材料のルツボに対する接着を防止するために、様々な技術が、既に文献に記載されている。
最も一般的に利用されている該技術は、溶融シリコンと接触することとなる、該ルツボの内面に、窒化ケイ素型の被膜の使用に基いている。この脱離を説明するために提案されたメカニズムは、該堆積ゾーンにおける、該シリコンインゴットと、このように表面処理されたシリカ製ルツボとの間の、膨張応力差による破壊である。具体的には、該堆積層の機械的な凝集力は低い。というのは、該粉末の焼結を開始するには低すぎる温度にて、アニール処理が行われているからである。

しかし、脱離を保証するその能力に加えて、このような被膜は、他の要件をも満足するものである必要がある。該被膜は、該液状シリコンとの接触段階において、十分な機械的強度を持つ必要がある。剥離傾向を持つ被膜は、固体セラミック粒子を溶解し、その成長中のシリコンへの組込みに導くが、これは許容できないことである。ところで、非-粘着性の被膜としての窒化ケイ素粉末の使用は、この第二の局面に関連して、全く満足なこととはいえない。特に、Buonassisi等(1)は、窒化ケイ素粉末中に存在する不純物が、該固化されたインゴットの光起電力特性に、悪影響を与える恐れがあることを明らかにしている。これらの著者は、また該固化されたインゴット中に含まれる窒化ケイ素粒子の存在をも指摘しており、その起源は、窒素のシリコンへの溶解、または該被膜の不十分な凝集力に起因する、窒化物粒子の脱離に関連する可能性がある。
その結果、これに代わる他の被膜および/またはこのような被膜を製造する技術が、並行して開発されている。

例えば、US 6,491,971は、ルツボの内側表面上に、広範囲に及ぶ被膜、例えば窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム、マグネシウムまたはバリウムジルコネート等の被膜を適用するための、全ての目的にかなう技術を記載している。
被覆材料としての炭化ケイ素の使用は、一見して、有利な代替法であると思われるかもしれない。不幸なことに、これは全く欠点を持たないわけではない。即ち、切出しの際の主な難点は、該インゴット中の炭化ケイ素沈積物の存在と関連している。光電池のp-n接合段階において、沈積した炭化ケイ素は、転位および他の結晶学的諸欠陥に対して、短絡として作用し、またその結果として該デバイスの性能特性を限定してしまう(2)。

そこで、本発明の主な目的は、まさに、上で略述した難点および制限を持たない、非-粘着性の被膜を製造する方法を提案することにある。
即ち、本発明は、ルツボ用の、より具体的にはシリコンインゴットまたはその他の材料の製造分野において利用するための、単純かつ経済的な被膜系を提案することにある。
本発明の目的の一つは、特に、以下において定義するような、炭化ケイ素および酸化ケイ素で作られた構造体から生成された、非-粘着性の被膜を製造するための経済的な方法を提案することにある。

より詳しくは、本発明は、材料面の表面に、非-粘着性の被膜、とりわけ固体シリコンに対する被膜を製造するのに有用な方法に係り、該方法は、少なくとも以下のものからなる工程を含む：
(1) 少なくとも1種の炭化ケイ素粒子の分散液を含む流動性媒体を調製する工程；
(2) 該媒体を、該処理すべき材料面の表面上に堆積させる工程、ここで、該堆積すべき媒体の量は、適用された組成物を乾燥した際に、少なくとも炭化ケイ素粒子から生成されたフィルムを与えるのに十分な値であり；および
(3) 前記工程(2)に従って処理された該材料を、酸化性雰囲気下で、かつ該炭化ケイ素粒子の表面に、酸化ケイ素の層を形成するのに十分な条件下で、熱処理に掛ける工程。
有利には、本発明に従って生成される該被膜は、シリカのナノメータオーダーの層で、少なくとも部分的に被覆された、炭化ケイ素粒子から形成された、少なくとも1つの多孔質層を含む。その多孔度は、30〜60体積％なる範囲内であり得る。これは、該流体の初期組成によって調節できる。

好ましい一態様によれば、上記工程(1)の組成物は、また少なくとも1種のバインダをも含む。この変法において、上記工程(2)の完了後に得られる乾燥フィルムは、炭化ケイ素粒子および該バインダで構成され、また上記工程(3)において略述した熱処理は、このフィルムの脱離を保証することができる。
一変形態様によれば、該工程(2)は、該工程(3)を行う前に、1またはそれ以上の回数に渡り繰り返すことができる。
もう一つの変形態様によれば、上に定義した本発明の方法は、該工程(3)の完了後に繰り返すことができる。この変形態様において、シリカのナノメータオーダーの層で被覆された、炭化ケイ素粒子から形成された該層は、新たな厚みの、上記工程(1)において定義したような流動性組成物で覆われており、またこの堆積された層は、その後の該工程(3)の処理を受ける。

本発明との関連で形成された該被膜は、多くの点において有利である。即ち、これは、該ルツボを構成する基礎材料に対する良好な接着性、このルツボに注ぎ込まれた該液状シリコンの固化により製造される該インゴットに関する満足な非-粘着性、および液状シリコンに対する良好な機械的抵抗性を、同時に示す。
炭化ケイ素粒子から製造した該多孔質層は、5μm〜1mmなる範囲および特に10〜200nmなる範囲の厚みを持つことができる。
該炭化ケイ素粒子の表面に形成された該シリカ層に関連して、これは、2〜100nmなる範囲およびとりわけ10〜30nmなる範囲内の厚みを持つことができる。

その他の本発明の特徴並びに利点は、以下の説明からより一層明確になるであろう。以下の説明は、本発明の特定の態様に対応するものであり、純粋に非-限定的な例示として与えられるものである。
炭化ケイ素被膜
上記説明から明らかな如く、本発明の方法は、炭化ケイ素粒子を主成分とする（based on）流動性媒体を、処理すべき材料面の表面上に適用するための第一の工程を含む。
これから誘導される該被膜は、完全にまたは部分的にシリカで被覆された炭化ケイ素粒子から製造されたものであることを特徴とする。
この被膜を製造するための該炭化ケイ素粒子は、一般的に特定のサイズ、および該粒子を、従来の方法に従って噴霧することによる適用と相溶性を持つものとするのに適した分散性を持つ。

即ち、本発明との関連で考察中の該炭化ケイ素粒子は、5μm未満のサイズを持つことができる。より具体的には、これら粒子のサイズは、20nm〜5μmなる範囲および特に200nm〜1μmなる範囲内にある。
上記被膜を得るのに必要な該炭化ケイ素粒子の量は、該処理すべき物質の表面積と直接関連している明確な理由から決定される。その見積もりは、明らかに当業者の能力の範囲内にある。
これらの粒子は、安価な液状媒体、およびより具体的には水中に懸濁された状態に維持される。
該炭化ケイ素粒子以外にも、この液状媒体は、有効量の、少なくとも1種の有機バインダを含むことができ、該バインダは、伝統的な装置を用いた、得られる液状被覆混合物の適用を容易にするのに十分な化学的および物理的諸特性を持つ。

従って、本発明との関連で考察中の該有機バインダは、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールおよびカルボキシメチルセルロースから選択することができる。
例えば、該炭化ケイ素粒子/バインダの質量基準の比は、少なくとも3:1およびより具体的には5:1であり得る。
一般に、本発明に従って該被膜を製造するための該流動性媒体は、その全質量を基準として、0〜20質量％なる範囲の少なくとも1種のバインダと、20〜60質量％なる範囲の量の炭化ケイ素粒子とを組合せており、一般的には水である、該組合される液状媒体は、全体を100％とするに要する残部を構成する。
該対応する流動性媒体は、一般的には水である該液状媒体中に、該炭化ケイ素粒子および一般的にはバインダを配合することにより製造される。これらの配合に際しては、考察中の該物質の処理すべき面に適用するのに適した、液状混合物を生成するように、攪拌を行う。

該被膜を形成するためのこの混合物は、勿論噴霧および/または適用する時点におけるその諸特性を改善し、あるいは対応する該被膜に、関連する諸特性を与えるために、他の添加剤を含むことができる。
このような添加剤は、例えばポリカーボネート型の分散剤、例えばカルボン酸またはステアリン酸であり得る。
本発明との関連で考察中の該炭化ケイ素粒子、該バインダおよび該溶媒は、製造すべき該材料を汚染することのない、ルツボ上の被膜形成へと導くという利点を持つ。
本発明による方法の詳細な説明
本発明の方法は、少なくとも炭化ケイ素粒子を主成分とする流動性媒体を、処理すべき該材料面の表面上に適用するための第一の工程を含む。
本発明の目的にとって、該用語「流動性」とは、変形可能かつ流動可能な状態を表すものであり、従ってこの用語は、例えばブラシおよび/またはガンによる適用と相容れるものである。

ガンによって適用する場合には、該一般的に液状の流動性媒体は、圧縮空気圧下で、また所定の被膜の厚みを与えるように調節されたノズルを用いた、スプレーガンを介して放出される。
例えば、0.4mmのノズルを備えたこのようなガンは、約0.25MPa(2.5bar)なる圧縮空気圧にて使用することができる。
該液状被覆混合物のこの適用は、また他の適用方法、例えばブラシによる適用、あるいはまた浴中に該部品を浸漬することによって実施することも可能である。
これらの適用技術は、明らかに当業者の能力の範囲内にあり、従ってここで詳しい説明はしない。
上記被膜を形成するための該流動性混合物の適用は、室温または高温において行うことができる。従って、本発明に従って処理すべき該材料の面は、該適用される被膜層の迅速な乾燥に適するように加熱することができる。

この態様において、処理すべき該材料の面あるいは更に該材料(物質)全体は、25〜80℃なる範囲およびとりわけ30〜50℃なる範囲の温度にて加熱して、該溶媒を蒸発させることが可能である。
該被膜を形成するための該液状混合物は、乾燥中におけるあらゆる割れの発生を回避するのに適当な厚み、例えば50μm未満の厚みにて、該処理すべき面の表面に適用される。
必要ならば、該液状混合物の層を新たに適用して、適用されかつ乾燥された炭化ケイ素粒子の第一の層上に、即ち上記工程(2)の完了後に形成された層上に、被膜を形成することも可能である。
本発明の方法は、また該炭化ケイ素粒子の表面に、酸化ケイ素層の形成を可能とするに十分な温度および期間、酸化性雰囲気下で、熱処理に掛ける工程、あるいは更にバインダが存在する場合には、これを熱分解する工程を含む。
この工程は、幾つかの点において決定的なものである。

先ず初めに、これは、該被膜を形成する該炭化ケイ素粒子の表面に、酸化ケイ素の層を生成するという目的を持つ。
この熱処理は、従って酸化性雰囲気内で行われる。該酸化性雰囲気は、より具体的には空気である。
従って、該工程は、また必要ならば、該バインダが存在する場合には、これを除去することを可能とする。次いで、該有機バインダを完全に除去するのに十分な期間に渡り、熱処理を実施する。
有利には、この熱処理段階は、1095℃未満の温度にて行われる。
より具体的には、該酸化段階は、酸化性雰囲気中で、500〜1050℃なる範囲およびより具体的には800〜1050℃なる範囲の温度にて、1〜5時間に渡り行うことができる。
本発明との関連において、この熱処理は、実際には、生成される該被膜の多孔度を変更しないように、調節された温度にて行われる。

換言すれば、この温度は、該被膜の焼結を達成するに必要な温度未満に維持される。更に、このアニール処理の完了後に、該被膜は、該被膜が被る機械的な応力に対して、十分な硬さ、典型的には50ショアA硬さを持つ。
この熱処理の完了後、該部品は室温まで冷却される。
本発明の課題の一つは、また前に記載されたような方法によって形成される被膜を持つ物質を提供することにある。
本発明に従って処理される該物質は、有利にはルツボである。このルツボは、一般的にシリコン、例えばシリカまたは炭化ケイ素を主成分とするものであるが、グラファイトを主成分とするものであってもよい。

次に、本発明を、以下に与えられる実施例により説明するが、これら実施例は、勿論のこと、本発明の非-限定的な例示として与えられるものである。
実施例1
質量％で表された、23％の炭化ケイ素粉末、4％のポリビニルアルコール(PVA)および73％の水から製造したスリップを、該粉末の凝集を減じるための炭化ケイ素またはメノウビーズで満たされた遊星型ミル内に入れる。生成される該炭化ケイ素粒子のサイズは、500nm〜1μmなる範囲内にある。
この処理の目的は、該凝集を減じることのみにあるので、窒化ケイ素ビーズを使用することも可能であり、この際の窒素による汚染の恐れは、極めて限定的である。
次いで、このようにして形成された流動性媒体を、被覆すべきルツボ(化学的性質を持つ)の内面に、噴霧(約0.25MPa(2.5bar)なる圧縮空気圧、該下地から約30cmの位置に配置された0.4mmのノズル)する。

このようにして得た堆積物を、50℃未満の温度の高温空気を用いて乾燥する。
このようにして、PVA-結合炭化ケイ素粒子から形成した約50μmなる厚みを持つ下塗りが得られる。
この噴霧並びに乾燥手順を3回に渡り繰り返して、一つの層を得るが、この層は次に、バインダを除去しかつ該粉末を酸化するための、空気中での1050℃における3時間の処理段階に掛けられる。
これら条件下において、最終的に得られる被膜の厚みは、約200μmであり、また該炭化ケイ素粒子上の酸化物層の厚みは、約30nmである。
本発明により得られる該被膜は、極めて多孔質に富んでいる。
該ルツボ内へのシリコンの浸透を防止するために、またより厚い被膜を得るために、層を製造するための手順(中間的な乾燥工程を含む下塗りの堆積および引続き行われるバインダ除去および該粉末の酸化のための、高温アニール処理)を、数回に渡り繰り返すことができる。
一般的に、所定の非-粘着効果を得るためには、通常は2層で十分と考えられる。

実施例2
質量％で表された、52％の予め篩に掛けた粉末、16％のポリエチレングリコール(PEG)および32％の水から製造したスリップを、該粉末の凝集を減じるための炭化ケイ素またはメノウビーズを備えた遊星型ミル内に入れる。
また、このスリップを超音波処理に掛ける。
次いで、このスリップを、被覆すべきルツボに、噴霧(約0.25MPa(2.5bar)なる圧縮空気圧、該下地から約30cmの位置に配置された0.4mmのノズル)するか、あるいはブラシを用いて堆積させる。
このようにして得た堆積物を、周囲空気中でまたは加温空気(50℃未満の温度)中で乾燥する。
このようにして、PEG-含有粉末から形成した、厚み約50μmの下塗りを得る。該噴霧(または刷毛塗り)および乾燥工程のこの手順は、所定の層の厚みが得られるまで繰り返される。
この層は、該バインダの除去および該粉末の酸化のための、空気雰囲気下での900℃における3時間の処理段階に掛けられる。
これら条件下で、該炭化ケイ素粒子上に得られる該酸化物層の厚みは、約30nmである。

実施例3
質量％表示で、57％の予め篩掛けした粉末および43％の水から製造したスリップを、該粉末の凝集を減じるための炭化ケイ素またはメノウビーズを備えた遊星型ミルに入れる。
また、このスリップを超音波処理に掛ける。
次いで、このスリップを、被覆すべきルツボに、噴霧(約0.25MPa(2.5bar)なる圧縮空気圧、該下地から約30cmの位置に配置された0.4mmのノズル)するか、あるいは刷毛塗りを用いて堆積させる。
このようにして得た堆積物を、周囲空気中でまたは加温空気(50℃未満の温度)中で乾燥する。
このようにして、ファンデルワールス力により結合した粉末から形成した、厚み約50μmの下塗りを得る。該噴霧(または刷毛塗り)および乾燥工程のこの手順は、所定の層の厚みが得られるまで繰り返される。
この層は、該バインダの除去および該粉末の酸化のための、空気雰囲気下での900℃における3時間の処理段階に掛けられる。
これら条件下で、該炭化ケイ素粒子上に得られる該酸化物層の厚みは、約30nmである。

文献の参照
(1) Buonassisi et al., J. Crystal Growth 287 (2006) 402-407
(2) Bauer et al., Phys. Stat. Sol. (a). 204 (2007) 2190-2195

Claims (15)

1. 材料面の表面において、シリカのナノメータオーダーの層で、少なくとも部分的に被覆された、炭化ケイ素粒子から製造した、多孔質で非-粘着性被膜を製造する方法であって、少なくとも以下のものからなる工程：
   (1) 少なくとも1種の炭化ケイ素粒子の分散液を含む流動性媒体を調製する工程；
   (2) 該媒体を、該処理すべき材料面の表面上に堆積させる工程、ここで、該堆積すべき媒体の量は、適用された組成物を乾燥した際に、少なくとも炭化ケイ素粒子から生成されたフィルムを与えるのに十分な値であり；および
   (3) 前記工程(2)に従って処理された該材料を、酸化性雰囲気下で、かつ該炭化ケイ素粒子の表面に、酸化ケイ素の層を形成するのに十分な条件下で、1〜5時間、800〜1050℃なる範囲の温度での熱処理に掛けて、該炭化ケイ素から製造した多孔質で非-粘着性被膜を得る工程、
   を含むことを特徴とする、前記方法。
2. 前記工程(2)を、前記工程(3)を実施する前に、1またはそれ以上の回数に渡り繰り返す、請求項1記載の方法。
3. 前記工程(2)および前記工程(3)の全てを、該工程(3)の完了後に少なくとも一回繰り返す、請求項1および2の何れか1項に記載の方法。
4. 前記工程(1)の組成物が、少なくとも1種の有機バインダをも含む、請求項1〜3の何れか1項に記載の方法。
5. 前記バインダが、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコールおよびカルボキシメチルセルロースから選択される、請求項4記載の方法。
6. 前記工程(1)において含まれる前記流動性媒体が、水を主成分とするものである、請求項1〜5の何れか1項に記載の方法。
7. 前記工程(1)の前記流動性媒体が、0〜20質量％なる範囲の量の少なくとも1種のバインダと、20〜60質量％なる範囲の量の炭化ケイ素とを併合する、請求項1〜6の何れか1項に記載の方法。
8. 前記工程(2)の乾燥を、25〜80℃なる範囲内の温度にて行う、請求項1〜7の何れか1項に記載の方法。
9. 前記工程(2)の堆積を、ブラシおよび/またはガンを用いて行う、請求項1〜8の何れか1項に記載の方法。
10. 前記炭化ケイ素粒子から製造された多孔質層が、30〜60体積％の多孔度を有する、請求項1〜9の何れか1項に記載の方法。
11. 前記炭化ケイ素粒子から製造された前記多孔質層が、5μm〜1mmなる範囲内の厚みを持つ、請求項1〜10の何れか1項に記載の方法。
12. 前記炭化ケイ素粒子の表面に形成された、前記シリカ層が、2〜100nmなる範囲内の厚みを持つ、請求項1〜11の何れか1項に記載の方法。
13. 前記材料が、シリカ、炭化ケイ素およびグラファイトから選択される、請求項1〜12の何れか1項に記載の方法。
14. 請求項1〜13の何れか1項に記載の方法に従って製造された、被膜を持つことを特徴とする物質。
15. 前記物質が、ルツボである、請求項14記載の物質。