(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコン粉末成形体の湿式プレス装置およびそれを用いたシリコン粉末成形方法を提供する。【解決手段】湿式プレス装置１は、ダイ９、上パンチ２、下パンチ３、ベース８などが備えられている。鋼製のダイ９の内面には、シリコン板１０がライニングされている。上パンチ２は、スラリーと接する面にシリコン製フィルター４ａを、その後方にステンレス製フィルター５ａ、さらに鋼製の排水口７ａを持つブロック６ａがある。ブロック６ａには、フッ素樹脂製のオーリング１９ａが取付けられる。ダイ９には、後方に下パンチ３に配置される。下パンチ３は、シリコン製フィルター４ｂを、その後方にステンレス製フィルター５ｂ、さらに鋼製の排水口７ｂを持つブロック６ｂがある。このブロック６ｂには、フッ素樹脂製のオーリング１９ｂが取付けられる。ブロック６ｂの後方には、下パンチ３を上下に移動する下プレスシリンダー１３が取付けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン粉末と水のスラリーを、湿式プレス装置を用いて脱水成形してシリコン成形体を製作する方法を特徴とする。
【請求項２】
本発明は、シリコン粉末と水のスラリーを充填する加圧容器と、該加圧容器内で前記シリコンスラリーに圧力を付与する圧力付与部材と前記加圧容器の内壁面の一部に多孔質材を介して前記加圧容器から溶媒を排出する排出口を有する湿式プレス装置であって、加圧容器の内壁面、圧力付与部そして多孔質材がシリコンであることを特徴とする湿式プレス装置。
【請求項３】
シリコン粉末と水のスラリー中のシリコン粉末の純度以上のシリコンにより加圧容器の内壁面、圧力付与部そして多孔質材を作成することを特徴とする請求項２の湿式プレス装置。
【請求項４】
シリコン粉末と水のスラリーを充填する加圧容器と、該加圧容器内で前記シリコンスラリーに圧力を付与する圧力付与部材と前記加圧容器の内壁面の一部に多孔質材を介して前記加圧容器から溶媒を排出する排出口を有する湿式プレス装置であって、加圧容器の内壁面、圧力付与部そして多孔質材が石英ガラスまたは窒化ケイ素であることを特徴とする湿式プレス装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、加圧容器内でシリコンのスラリーに圧力を加えてシリコン成形体を得る湿式プレス装置及びこれを用いたシリコン成形体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  本発明者は、多結晶シリコン太陽電池の原料として、シリコンの切断加工、研磨加工時などに発生する平均粒径が１ミクロン以下の超微粉末を、湿式プレス装置を用いて成形体を製造する方法により再利用することを考案した。湿式プレス装置は短時間で紛体の体積に比較して水の体積を１０％以下にして成形できる方法であり、量産が可能である他にそのような方法はない。なお太陽電池用シリコンの製造においては、所定の光電変換効率を確保するためシリコン原料は６Ｎ以上の純度が必要であると、例えば特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平１１−３１４９１１号公報
【０００３】  湿式プレス装置は、例えば、特許文献２に記述されているように、成形型内にスラリーを充填した後、型の一部に設けた可動部に圧力を加えて成形型の容積を減少させることで、スラリー中の粉末の流動を極力おさえた状態で、スラリー中の液体へ有効に圧力を伝えることができる。さらに、脱液のための多孔型材を可動部およびそれに対向する面に設置することで加圧されたスラリー中の液の流れが均一となり成形体内外部で粉末充填構造が一様となり密度ばらつきの小さい成形体が得られる。
【特許文献２】特開平５−２２０７１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、上に述べた湿式プレス装置においては、可動部と成形型とが接触することにより、スラリー中に可動部と成形型の接触により脱落する可動部と成形型の破片が混入する虞がある。成形体の純度が要求される分野においては好ましくない。【０００５】  本発明の目的は、シリコン成形体の純度を保持する湿式プレス装置及びこれを用いた多結晶シリコンインゴット用のシリコン成形体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明は、シリコン粉末と水のスラリーを、湿式プレス装置を用いて脱水成形してシリコン成形体を製作する方法とするものである。【０００７】  本発明はまた、シリコン粉末と水のスラリーを充填する加圧容器と、該加圧容器内で前記シリコンスラリーに圧力を付与する圧力付与部材と前記加圧容器の内壁面の一部に多孔質材を介して前記加圧容器から溶媒を排出する排出口を有する湿式プレス装置であって、加圧容器の内壁面、圧力付与部そして多孔質材がシリコンである湿式プレス装置とするものである。【０００８】  本発明はまた、前記湿式プレス装置において、シリコン粉末と水のスラリー中のシリコン粉末の純度以上のシリコンにより加圧容器の内壁面、圧力付与部そして多孔質材を作成するものである。【０００９】  本発明はまた、シリコン粉末と水のスラリーを充填する加圧容器と、該加圧容器内で前記シリコンスラリーに圧力を付与する圧力付与部材と前記加圧容器の内壁面の一部に多孔質材を介して前記加圧容器から溶媒を排出する排出口を有する湿式プレス装置であって、加圧容器の内壁面、圧力付与部そして多孔質材が石英ガラスまたは窒化ケイ素である湿式プレス装置とするものである。
【発明の効果】
【００１０】  本発明の湿式プレス装置を用いた成形により、シリコン粉末に不純物を混入させることなくシリコンの成形体を作成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  以下、本発明に関わる湿式プレス装置１の実施の形態について図１の構造概略図を用いて説明する。湿式プレス装置１は、ダイ９、上パンチ２、下パンチ３、ベース８などが備えられている。【００１２】  鋼製のダイ９の内面には、シリコンの純度が７Ｎ以上のシリコン板１０が接着剤を用いてライニングされている。ダイ９は、成形体の形状に合わせて貫通孔が形成されている。【００１３】  ダイ９には、上方に上パンチ２に配置される。上パンチ２は、シリコン粉末と水のスラリーと接する面にシリコンの純度が７Ｎ以上のシリコン製フィルター４ａを、その後方にステンレス製フィルター５ａ、さらに鋼製の排水口７ａを持つブロック６ａがある。そしてブロック６ａには、ダイ９と上パンチ２を密閉するためのフッ素樹脂製のオーリング１９ａが取付けられる。排水口７ａを持つブロック６ａは、２つの部材を接合して作成している。排水口７ａは、成形プロセスにおいてシリコン粉末と水のスラリーから水が分離され、出てくるのを図示しない吸水ポンプにより排出するためのものである。【００１４】  そして排水口７ａを持つブロック６ａの後方には、成形圧を受けるための鋼製のベース８が位置している。【００１５】  ダイ９には、後方に下パンチ３に配置される。下パンチ３はダイ９の中を上下に移動できる。下パンチ３は、シリコン粉末と水のスラリーと接する面にシリコンの純度が７Ｎ以上のシリコン製フィルター４ｂを、その後方にステンレス製フィルター５ｂ、さらに鋼製の排水口７ｂを持つブロック６ｂがある。このブロック７ｂには、ダイ９と下パンチ３を密閉するためのフッ素樹脂製のオーリング１９ｂが取付けられる。排水口７ｂを持つブロック６ｂは、２つの部材を接合して作成している。【００１６】  排水口７ｂを持つブロック６ｂの後方には、下パンチ３を上下に移動する下プレスシリンダー１３が取付けられている。【００１７】  以上の構成において、シリコン粉末と水のスラリーと接する面は、すべてシリコンである。したがって、ダイ９が下パンチ３と接触しながら上下に移動する際、ダイ９とシリコン製フィルター４ｂが磨耗するが、両方とも材料がシリコンであり、しかもシリコン粉末と水の混合物中のシリコン粉末の純度以上であるので、磨耗粉は、むしろシリコン粉末の純度を上げる。【００１８】  次に本発明の湿式プレス装置１を用いたシリコン成形体の製造方法について説明する。まず、シリコン粉末と水のスラリーとして、水の体積に対して、シリコン粉末の体積は、脱液時間及びスラリーから成形体への容積減少率の面から１０％以上が好ましい。シリコン粉末の含有量が１０％以下では、成形型の容積が大きく、脱液時間が長くなるので好ましくない。シリコン粉末の含有量を増加させていくと、スラリーの粘性が増加して最終的にはゲル状態になるが、振動等によりスラリーに歪みを付与することで流動させ、成形型に充填してもよい。本発明においても上パンチなどを可動型にすることで、スラリーを配管を介さずキャビティー１１内に導入できるためシリコン粉末含有量の大きい粘度の高いスラリーからも支障なく成形できる。【００１９】  ここでスラリーにバインダーを添加することもできるが、シリコン粉末の重量に対して１ｐｐｍ以下が望ましいので、通常添加しない。また、バインダーの種類としては、ＰＶＡ、アクリル樹脂、セルロース系樹脂そしてビニル系樹脂などがある。【００２０】  まず、スラリーとしてシリコン粉末と水の混合物から多量の水をフィルタープレスなどの前処理により、水の体積に対して、シリコン粉末の体積を約２０％にする。なお、シリコン粉末の体積が約２０％以上ならさらに好ましい。【００２１】  次にキャビティー１１内にスラリーポンプにより供給パイプ１２を通してスラリーを供給する。【００２２】  次の工程として下プレスシリンダー１３を上昇させ、下パンチ３をダイ９内で上昇させ、成形圧１０ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した。圧力をかけられたスラリーは、キャビティー１１内で圧縮されていき、スラリー中の水は、上パンチ２のシリコン製フィルター４ａ、ステンレス製フィルター５ａ、さらに鋼製のブロック６ａの排水口７ａを通して吸水ポンプにより排出される。同様に下パンチ３のシリコン製フィルター４ｂ、ステンレス製フィルター５ｂ、さらに鋼製のブロック６ｂの排水口７ｂを通してスラリー中の水は、吸水ポンプにより排出される。そして、水が減少したスラリー中のシリコン粉末と水にさらに圧力を受けて成形される。【００２３】  その結果、体積にして約５％の水を含むシリコン成形体を得ることができる。【００２４】  ここで得られたシリコン成形体は、さらに真空中または丕活性雰囲気中において熱処理後、脱酸素を行うためにプラズマ溶解される。装置の真空度は７０Ｔｏｒｒとした。投入されたシリコン圧粉体は、溶解ハース上でプラズマトーチにより溶解され、溶湯状態で脱酸素処理が行われた。その後、溶湯は鋳造用モールド内に滴下され、１次溶解インゴットが鋳造された。１次インゴットの酸素濃度は約１０ｐｐｍ以下であった。上記に述べた１次溶解インゴットの鋳造方法以外にももちろん幾つかの方法はある。また、シリコン成形体は、平均粒径が１ミクロン以下の超微粉末を成形したものであり、反応性が高いと考えられるので、１次溶解インゴットの鋳造までの工程は真空中、または不活性雰囲気中で行うのが純度、安全上良いと考えられる。【００２５】  本発明に関わる別の湿式プレス装置１の実施の形態について図２の構造概略図を用いて説明する。湿式プレス装置１は、ダイ９、上パンチ２、下パンチ３、上プレスシリンダー１４、下プレスシリンダー１３などが備えられている。【００２６】  鋼製のダイ９の内面には、石英ガラス板１８が接着剤を用いてライニングされている。ダイ９は、成形体の形状に合わせて貫通孔が形成されている。【００２７】  ダイ９には、上方に上パンチ２に配置される。上パンチ２は、シリコン粉末と水のスラリーとが接する面に石英ガラス製フィルター１７ａを、その後方にステンレス製フィルター５ａ、さらに鋼製のフィルターカバー１５ａがある。このフィルターカバー１５ａには、ダイ９と上パンチ２を密閉するためのフッ素樹脂製のオーリング１６ａが取付けられる。フィルターカバー１５ａは、排水口７ａを持ち、成形プロセスにおいてシリコン粉末と水のスラリーから水が分離され、出てくる水を吸水ポンプにより排出する。【００２８】  そして、フィルターカバー１５ａは上プレスシリンダー１４に接続される。【００２９】  ダイ９には、後方に下パンチ３に配置される。下パンチ３はダイ９中を上下に移動できる。下パンチ３は、シリコン粉末と水のスラリーと接する面に石英ガラス製フィルター１７ｂを、その後方にステンレス製フィルター５ｂ、さらに鋼製のフィルターカバー１５ｂがある。このフィルターカバー１５ｂには、ダイ９と下パンチ３を密閉するためのフッ素樹脂製のオーリング１６ｂが取付けられる。フィルターカバー１５ｂは、排水口７ｂを持ち、成形プロセスにおいてシリコン粉末と水のスラリーから水が分離され、出てくる水を吸水ポンプにより排出する。【００３０】  そして、フィルターカバー１５ｂは下プレスシリンダー１３に接続される。【００３１】  以上の構成において、シリコン粉末と水のスラリーと接する面は、すべて石英ガラスである。したがって、ダイ９が下パンチ３と接触しながら上下に移動する際、ダイ９と石英ガラス製フィルター１７ｂが磨耗するが、両方とも材料が石英ガラスであるので磨耗粉は、石英ガラスある。石英ガラスはシリコンと酸素の化合物であるので、分解すれば、シリコンとなるのでシリコンの純度を大きく変化させない。【００３２】  次に本発明の湿式プレス装置１を用いたシリコン成形体の製造方法について説明する。まず、図示しないフィルタープレスによりスラリーを脱水して水の体積に対して、シリコン粉末の体積を約３０％にする。そして上プレスシリンダー１４を上方に移動して、ダイ９中にフィルタープレスにより濃縮されたスラリーを投入する。【００３３】  次にダイ９の所定の位置に上パンチ２が来るように上プレスシリンダー１４を下方に移動する。そして、所定の位置で例えばボルトによりダイ９の上端に固定する。【００３４】  その後、下プレスシリンダー１３を上昇させ、下パンチ３をダ９イ内で上昇させ、成形圧１２ｔｏｎ／ｃｍ２で成形した。圧力をかけられたスラリーは、キャビティー１１内で圧縮されていき、スラリー中の水は、上パンチ２、下パンチ３の石英ガラス製フィルター１７ａ、１７ｂ、ステンレス製フィルター５ａ、５ｂ、さらに鋼製のフィルターカバー１５ａ、１５ｂの排水口７ａ、７ｂを通して吸水ポンプにより排出される。水が減少したスラリー中のシリコン粉末と水にさらに圧力を受けて成形される。そして、体積にして約４％の水を含むシリコン成形体を得ることができる。【００３５】  次に上パンチ２の固定ボルトを外し、上パンチ２と下パンチ３を同時に上方に移動して、ダイ９の外にシリコン成形体を移動させ、さらに上パンチ２だけを移動してシリコン成形体を取り出す。【００３６】  ここで、シリコン粉末と水のスラリーと接する面の材料を、石英ガラスとしたが石英ガラスと同じで窒化珪素でもよい。また、磨耗粉が少ない構成であるなら、シリコン粉末と水のスラリーと接する面の材料は、例えば超硬材料などの金属材料、アルミナなどのセラミックでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００３７】  本発明の湿式プレス装置及びこれを用いた成形体の製造方法は、多結晶シリコンインゴット用の原料になるシリコン粉末成形体に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の構成の湿式プレス装置を示す構造概略図である。
【図２】本発明の別の構成の湿式プレス装置を示す構造概略図である。
【符号の説明】
【００３９】１    湿式プレス装置
２    上パンチ
３    下パンチ
４    シリコン製フイルター
５    ステンレス製フィルター
６    ブロック
７    排出口
８    ベース
９    ダイ
１０  シリコン板
１１  キャビティー
１２  供給口
１３  下プレスシリンダー
１４  上プレスシリンダー
１５  フィルターカバー
１６  オーリング
１７  石英ガラス製フィルター
１８  石英ガラス板
１９  オーリング
【図１】
2011201707.tif 000003
【図２】
2011201707.tif 000004