(57)【要約】【課題】  電子デバイスなどの用途に使用可能な、球状化率の高いシリコン球状粉末を提供する。【解決手段】  実質的にＳｉでなる凝固ままの粉末であって、粉末粒子数に占める、下記式で定義された個々の真球度が９５％以上の粉末粒子数の割合である球状化率が８０％以上であることを特徴とするシリコン球状粉末である。粉末粒子の真球度の定義式：個々の粉末粒子の断面において、（最大径／断面積から算出される円相当径）×１００  高い球状化率を有するシリコン球状粉末は、原料シリコン粉末を熱プラズマ中に投入して溶融させ、溶融した液滴を熱プラズマ外で凝固させる熱プラズマ処理にて、その熱プラズマのプラズマ動作ガスに水素ガスを添加し、あるいはさらに、凝固は液滴に水素を含む冷却ガスを接触させて行なう製造方法により、達成が可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的にＳｉでなる凝固ままの粉末であって、粉末粒子数に占める、下記式で定義された個々の真球度が９５％以上の粉末粒子数の割合である球状化率が８０％以上であることを特徴とするシリコン球状粉末。
粉末粒子の真球度の定義式：個々の粉末粒子の断面において、
（最大径／断面積から算出される円相当径）×１００
【請求項２】
原料シリコン粉末を熱プラズマ中に投入して溶融させ、溶融した液滴を熱プラズマ外で凝固させる熱プラズマ処理により球状粉末を得るシリコン球状粉末の製造方法であって、熱プラズマのプラズマ動作ガスに水素ガスを添加することを特徴とするシリコン球状粉末の製造方法。
【請求項３】
原料シリコン粉末を熱プラズマ中に投入して溶融させ、溶融した液滴を熱プラズマ外で凝固させる熱プラズマ処理により球状粉末を得るシリコン球状粉末の製造方法であって、凝固は液滴に水素を含む冷却ガスを接触させて行なうことを特徴とするシリコン球状粉末の製造方法。
【請求項４】
原料シリコン粉末を熱プラズマ中に投入して溶融させ、溶融した液滴を熱プラズマ外で凝固させる熱プラズマ処理により球状粉末を得るシリコン球状粉末の製造方法であって、熱プラズマのプラズマ動作ガスに水素ガスを添加しかつ、凝固は液滴に水素を含む冷却ガスを接触させて行なうことを特徴とするシリコン球状粉末の製造方法。
【請求項５】
熱プラズマのプラズマ動作ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素から選ばれる１種以上のプラズマ動作ガスに、３ｖｏｌ％以上の水素ガスを添加したことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載のシリコン球状粉末の製造方法。
【請求項６】
冷却ガスは、水素を３ｖｏｌ％以上含むことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載のシリコン球状粉末の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子デバイスなどの用途に使用可能な、球状化率の高いシリコン粉末およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、いわゆる球状粉末と呼ばれるものは、溶湯をガス、遠心力などで吹き飛ばすアトマイズと呼ばれる手法で製造されていた。このような手法で製造された粉末は、比較的球状を呈してはいるものの、溶湯を引きちぎる際に無理な力が掛かっているために、個々の粉末にはサテライトと呼ばれる衛星状の小さな微小球が付着したり、真円度が低かったりする問題があった。そして、溶湯流という分布を持った流束を用いるために粒径のバラツキが広く、凝固に要する落下距離が粒子毎に異なっているという問題があった。
【０００３】
また、Ｓｉのように反応性の高い元素の場合には、溶湯の保持に用いる耐火物との反応の問題があり、安定した溶解、アトマイズそのものが、まず極めて困難であった。このため、球状化率が高く粒径の揃ったシリコンの球を製造する場合には単結晶片から研磨するという方法が採られている。この手法の場合には、研磨のされる粗球に仕上げるまでの工程が最も大変であり、もし何らかの方法で粗球を容易に製造することができれば、製造工程は格段に簡略化される。しかし、後述の本発明が提案するような高い球状化率のシリコン球状粉末を、効率よく達成するような手法は、確認されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
球状素子を用いた電子デバイス分野の場合、例えば太陽電池という用途がある。太陽電池素子を球状化することにより、微小な部品に取り付ける場合でも、受光面積を広く取ることが可能になるというもので、携帯電話やイヤホンなどの小型の低消費電力機器を動作させるために利用することが検討されている。
【０００５】
本発明の目的は、例えば球状素子太陽電池等の用途に最適なシリコン球状粉末と、それを製造するための有効な方法を提供することである。つまり、シリコン球状粉末の球状化率を高め得る手法であって、例えばこれを上記の粗球粉末として、続く研磨等の真球状化処理を行なえば、製造工程が簡略化できる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
まず、本発明者は、上記の球状素子太陽電池等の用途にも最適なシリコン球状粉末として、必要かつ最適な球状化率（真球度）を見いだした。つまり、本発明の指定する高い真球度で定義される粉末粒子の球状化率が所定値以上であれば、上記の粗球粉末としても後工程での研磨に耐え得ることを見いだした。そして、この所定値以上の、しかも高い球状化率を、高い量産性と安定性により製造可能な方法は、原料をプラズマ中に投入して溶融させ、凝固させる方法の、その冷却効率を向上させることにある。
【０００７】
すなわち、本発明のシリコン球状粉末は、実質的にＳｉでなる凝固ままの粉末であって、粉末粒子数に占める、下記式で定義された個々の真球度が９５％以上の粉末粒子数の割合である球状化率が８０％以上であることを特徴とするシリコン球状粉末である。
粉末粒子の真球度の定義式：個々の粉末粒子の断面において、
（最大径／断面積から算出される円相当径）×１００
【０００８】
そして、本発明のシリコン球状粉末の製造方法は、原料シリコン粉末を熱プラズマ中に投入して溶融させ、溶融した液滴を熱プラズマ外で凝固させる熱プラズマ処理により球状粉末を得るシリコン球状粉末の製造方法であって、熱プラズマのプラズマ動作ガスに水素ガスを添加することを特徴とするシリコン球状粉末の製造方法である。好ましくは、熱プラズマのプラズマ動作ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素から選ばれる１種以上のプラズマ動作ガスに、３ｖｏｌ％以上の水素ガスを添加したものである。
【０００９】
また、本発明のシリコン球状粉末の製造方法は、原料シリコン粉末を熱プラズマ中に投入して溶融させ、溶融した液滴を熱プラズマ外で凝固させる熱プラズマ処理により球状粉末を得るシリコン球状粉末の製造方法であって、凝固は液滴に水素を含む冷却ガスを接触させて行なうことを特徴とするシリコン球状粉末の製造方法である。好ましくは、冷却ガスは、水素を３ｖｏｌ％以上含む。これらのシリコン球状粉末の製造方法は、上記の各方法を併合してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、例えば電子デバイス用などに適したシリコン球状粉末とすることができる。そして、このような、球状化率の高いシリコン球状粉末を、安定して量産することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第一の特徴は、上記の球状素子太陽電池等の用途に最適なシリコン球状粉末として、必要かつ最適な球状化率（真球度）を見いだしたところにある。つまり、凝固ままの状態において、該粉末粒子数に占める、個々の真球度が９５％以上の粉末粒子数の割合が８０％以上を占める球状化率であれば、上記の粗球粉末としても、後工程での研磨を簡略化できる。そして、このような球状化率のシリコン球状粉末であれば、例えば太陽電池の素子の分野においては十分な受光面積を、下記する通りでもある高い安定性かつ量産性をもって、達成することができる。
【００１２】
なお、本発明の球状化率を特定するために導入する、個々の粉末粒子の真球度は、下記で定義することが必要である。すなわち、個々の粉末粒子の断面において、
（最大径／断面積から算出される円相当径）×１００
で算出される値である。
【００１３】
そして、本発明の第二の特徴は、このような球状化率の高いシリコン球状粉末を高い量産性と安定性をもって製造するために、原料をプラズマ中に投入して溶融・凝固させる熱プラズマ処理を導入して、しかもその冷却効率を向上させたところにある。つまり、プラズマという強力な熱源と冷却能力の高い水素の効果を併用する点である。プラズマを用いることにより、金属系に限定されず、セラミックスやシリコンといった高融点、高反応性の物質の球状粉末を得ることができ、かつ水素の効果を併用することによって、その効率を飛躍的に高めることができる。以下に詳述する。
【００１４】
まず、上記の８０％以上といった、高い球状化率のシリコン球状粉末を製造可能な方法は幾つかが考えられるが、その中でも量産性と安定性の高い製造方法は、原料をプラズマ中に投入して溶融させ、凝固させる熱プラズマ処理方法、具体的には原料をプラズマ中で落下させながら溶融、凝固させる処理方法である。
【００１５】
従来、シリコン球状粉末は、単結晶片から直接研磨することで球形状に製造してもいたが、特にこのような手法のための単結晶片を製造するまでには、莫大な工数が割かれていた。また、研磨前の粗球粉末として、アトマイズ法による球状粉末の製造もあるが、シリコンの場合には、既述の通りの溶湯とるつぼや湯道の反応性の問題があって、アトマイズは困難であった。また、仮にアトマイズによる粗球粉末の作製が出来たとしても、その球状化率は劣っていた。
【００１６】
そこで、このアトマイズ法の問題点について更に追求したところ、アトマイズ法によるシリコン粗球粉末は、その球状化率の悪さに加えて、概ね凝固応力が強く残存しているために、上記の単結晶片に比べると極めて割れ易く、特には中途半端に球状化が進行した粒子が最も割れ易い傾向であることを知見した。これは、中途半端に球状化した粒子では冷却が不均一になり、このため残存する応力場が不均一になっているためと推測される。また、球状化率が一桁の非常に低いシリコン粒子では、そもそも殆どがアトマイズの時点で溶けていなかったため、若干割れにくい傾向にはあったが、球状を呈していない時点で使用が困難である。
【００１７】
よって、本発明では、プラズマという強力な熱源を使用することで、高融点のシリコンであっても十分な溶融化を達成するものであり、上記の溶融不足による根本的な球状化率の低下課題を解消できるものである。そして、最初より粉末形状のシリコン原料を出発として、それらを熱プラズマ中に投入すれば十分な溶融が遂行し、あとは熱プラズマから脱した溶滴がその落下中に凝固することで、アトマイズによる無理な力の加わらない、表面張力を利用した球状化も進行するのである。
【００１８】
しかし、特に大径の粉末作製になってくると、原料が溶融から凝固までの落下に要する距離が著しく長くなり、凝固が完了する前に容器や堆積した被処理物と接触してしまうと球状を維持できなかったり、極端な場合には融着して回収が出来なかったりすることがある。これを回避するためには落下塔（距離）を長くする必要があるが、粒径が大きくなると数十ｍに及ぶ落下塔が必要となる場合があり、現実的に利用することは非常に困難である。
【００１９】
そこで、本発明では、水素の高い冷却能力に着目した。この水素の冷却能力には二通りの意味がある。ひとつは、単純に冷却ガスとして添加した場合で、水素を用いた場合の熱伝達係数が大きくなるために冷却速度が高まる効果である。もうひとつは、プラズマ動作ガスとして用いた場合で、プラズマ中で解離した水素イオンないしは水素原子が持つ極めて高い熱伝達能力が働く効果である。つまり、いずれの効果にせよ、熱プラズマ処理に水素の導入を併用することによって、高い球状化率を達成することが可能となり、しかも落下塔の高さをも低くすることもできる。このようなプロセスによって、球状化率が８０％以上のシリコン球状化粉末を得ることが可能である。
【００２０】
そして、上記の効果を達成するのに好ましくは、熱プラズマのプラズマ動作ガスは、アルゴン、ヘリウム、窒素から選ばれる１種以上のプラズマ動作ガスに、３ｖｏｌ％以上の水素ガスを添加するものであり、あるいはさらに、冷却ガスは、水素を３ｖｏｌ％以上含むものである。これら本発明のシリコン球状粉末の製造方法は、上記の各方法を併合してもよい。本発明の水素を利用した熱プラズマ処理のプロセスによって、例えば凝固に要する落下距離を、水素を導入しない場合に比して半分以下にすることもできる。
【００２１】
なお、本発明の方法で製造したシリコン球状粉末は、粒子中に残存している凝固応力の除去・緩和の目的で、適宜熱処理と組み合わせて使用することが望ましい。熱処理条件としては、１１００℃以上での焼鈍が有効であるが、この前段階として、１０００℃以下での予備酸化処理といった、表面皮膜の形成処理を組み合わせることも可能である。これにより、保護性の高い皮膜で表面を覆って粒子同士の焼結を防止するとともに、サテライトなどを取り除くことができる。
【００２２】
本発明のシリコン球状粉末の製造装置について説明する。図１は、該製造装置の構成の一例を示すものである。熱源としては、図１では高周波プラズマの例を示すが、直流プラズマにも適用可能である。但し、直流プラズマはプラズマの速度が速いために、原料粉末のプラズマ滞在時間が短く、溶融を促進するためには高周波プラズマを使用することが好ましい。原料シリコン粉末１を原料給粉機２から高周波プラズマトーチ３により発生させた熱プラズマ４中へ投入して溶融させる。そして、熱プラズマ４外へ脱した溶滴が冷却ガス６に接触しながら落下・凝固してシリコン球状粉末７となり、チャンバ８の底部回収容器９から被処理物として回収される。プラズマ動作ガス５は導入口１０および１１から導入される。冷却ガス６は導入口１２から導入される。ガスは排気ポンプ１３を通じて排気される。
【実施例】
【００２３】
図１の装置（チャンバ長１．５ｍ）を使用して、シリコン球状粉末を作製した。投入する原料粉末としては、平均粒径１５０μｍの半導体用シリコン片の粉砕粉および、１ｍｍ角に定寸切断した切断片を用いた。そして、これらの原料粉末を、流量１ＮＬ／ｍｉｎのＡｒガスと混ざった状態で、毎分２０ｇづつ熱プラズマ中に投入した。熱プラズマの発生には、出力１００ｋＷの大型高周波プラズマ発生装置を用い、動作ガスはＡｒに水素の添加条件を変えて実験を実施した。
【００２４】
冷却ガスについては、同一チャンバ内で導入されている動作ガスが基本組成を構成しているものとできる。よって、冷却ガス中の水素濃度は、動作ガス中のそれに等しいものとでき、そして、冷却ガス用に新たな水素を追加導入すれば、冷却ガス中の水素濃度は、動作ガス組成に追加水素を加えた組成により算出されるものである。以上の操業条件により装置を１０分間稼動した後、６０分間冷却してから粉末を回収し、回収した粉末を樹脂に埋め込んで研磨し、粒子断面の球状化率を電子顕微鏡と画像解析により測定した。動作ガスおよび冷却ガスとしての水素の添加条件と、得られたシリコン粉末の球状化率の関係を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１の結果より、本発明は優れた球状化率を達成していることがわかる。また表１において、割れ性とは、得られたシリコン粉末を研磨板に挟んで３０秒間手動にて転動し、割れの度合いを評価したものである。○は実体顕微鏡観察（倍率×５）で割れが確認できなかったもの、△は割れたものと割れていないものが混在していたもの、×はほぼ全数が割れていたものであるが、やはり球状化率の優れる本発明のシリコン球状粉末は、均一な冷却工程により、割れが抑制されていることがわかる。なお、本発明のシリコン球状粉末の組織は、多結晶構造を有していた。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明であれば、例えば電子デバイス等の用途に最適なシリコン球状粉末を、高い安定性と量産性をもって提供することができる。これにより得られたシリコン球状粉末は、高い球状化率を有することから、太陽電池素子などの分野に利用して、最適なものになり得る。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明を達成するための、シリコン球状粉末製造装置の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  原料シリコン粉末、２  原料給粉機、３  （高周波）プラズマトーチ、４  熱プラズマ、５  動作ガス、６  冷却ガス、７  シリコン球状粉末、８  チャンバ、９  底部回収容器、１０  動作ガス導入口１、１１  動作ガス導入口２、１２  冷却ガス導入口、１３  排気ポンプ
【図１】
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