太陽光発電は、世界で最も有望な新エネルギー産業となっています。多結晶シリコンやアモルファスシリコン太陽電池と比較して、太陽光発電材料としての単結晶シリコンは、高い光電変換効率と優れた商業的優位性を備えており、太陽光発電の主流となっています。チョクラルスキー法（CZ法）は、単結晶シリコンを製造する主な方法の一つです。チョクラルスキー単結晶炉は、炉システム、真空システム、ガスシステム、熱場システム、電気制御システムで構成されています。熱場システムは、単結晶シリコンの成長にとって最も重要な条件の一つであり、単結晶シリコンの品質は、熱場の温度勾配分布に直接影響されます。
熱場部品は主に炭素材料（グラファイト材料および炭素／炭素複合材料）で構成されており、図1に示すように、機能に応じて支持部品、機能部品、発熱体、保護部品、断熱材などに分類されます。単結晶シリコンの大型化に伴い、熱場部品に対するサイズ要件も高まっています。炭素／炭素複合材料は、その寸法安定性と優れた機械的特性により、単結晶シリコン用の熱場材料として第一の選択肢となっています。
チョクラルシアン単結晶シリコンの製造工程では、シリコン材料の溶融によりシリコン蒸気と溶融シリコン飛沫が発生し、炭素系熱伝導材料の珪化侵食を引き起こします。その結果、炭素系熱伝導材料の機械的特性と耐用年数が著しく低下します。そのため、炭素系熱伝導材料の珪化侵食をいかに低減し、耐用年数を向上させるかが、単結晶シリコンメーカーと炭素系熱伝導材料メーカーの共通の課題の一つとなっています。シリコンカーバイドコーティング優れた耐熱衝撃性と耐摩耗性により、カーボン/カーボン熱場材料の表面コーティング保護の第一選択肢となっています。
本稿では、単結晶シリコン製造に用いられるカーボン/カーボン熱場材料を例に、炭化ケイ素コーティングの主な製造方法、長所と短所を紹介する。その上で、カーボン/カーボン熱場材料の特性に応じて、カーボン/カーボン熱場材料における炭化ケイ素コーティングの応用と研究の進展を概観し、カーボン/カーボン熱場材料の表面コーティング保護に関する提案と開発の方向性を提示する。
1 調製技術シリコンカーバイドコーティング
1.1 埋め込み方法
C/C-SiC複合材料システムにおける炭化ケイ素の内面コーティングには、埋め込み法がよく用いられます。この方法は、まず混合粉末で炭素/炭素複合材料を包み込み、一定の温度で熱処理を行います。混合粉末とサンプル表面の間で、一連の複雑な物理化学反応が起こり、コーティングが形成されます。この方法の利点は、プロセスが簡単で、単一のプロセスで緻密で亀裂のないマトリックス複合材料を製造できることです。プリフォームから最終製品までのサイズ変化が小さく、あらゆる繊維強化構造に適しています。コーティングと基材の間に一定の組成勾配を形成でき、基材との良好な結合が得られます。しかし、高温での化学反応により繊維が損傷したり、炭素/炭素マトリックスの機械的特性が低下したりするなどの欠点もあります。重力などの要因によりコーティングの均一性を制御することが難しく、コーティングが不均一になります。
1.2 スラリーコーティング法
スラリーコーティング法は、コーティング材とバインダーを混合し、基材表面に均一に塗布します。不活性雰囲気下で乾燥させた後、コーティングされた試料を高温で焼結させることで、必要なコーティング層が得られます。メリットは、プロセスがシンプルで操作が容易であり、コーティング厚さの制御が容易なことです。デメリットは、コーティングと基材の接着強度が低く、コーティングの耐熱衝撃性が低く、コーティングの均一性が低いことです。
1.3 化学蒸気反応法
化学気相反応法（CVR法）は、固体シリコン材料を一定の温度で蒸発させてシリコン蒸気を発生させ、そのシリコン蒸気がマトリックスの内部と表面に拡散し、マトリックス内の炭素とin situで反応してシリコンカーバイドを生成するプロセス方法です。その利点は、炉内の雰囲気が均一で、反応速度が一定で、コーティングされた材料の堆積厚さがどこでも一定であることです。プロセスはシンプルで操作しやすく、シリコン蒸気圧、堆積時間などのパラメータを変更することでコーティング厚さを制御できます。欠点は、サンプルが炉内の位置によって大きく影響を受け、炉内のシリコン蒸気圧が理論的な均一性に到達できず、コーティング厚さが不均一になることです。
1.4 化学蒸着法
化学蒸着法（CVD）は、炭化水素をガス源とし、高純度のN2/Arをキャリアガスとして混合ガスを化学蒸着反応器に導入し、一定の温度と圧力下で炭化水素を分解、合成、拡散、吸着、分解させて、炭素/炭素複合材料の表面に固体膜を形成するプロセスです。その利点は、コーティングの密度と純度を制御できることです。また、より複雑な形状のワークピースにも適しています。蒸着パラメータを調整することで、製品の結晶構造と表面形態を制御できます。欠点は、蒸着速度が低すぎること、プロセスが複雑であること、生産コストが高いこと、ひび割れ、メッシュ欠陥、表面欠陥などのコーティング欠陥が発生する可能性があることです。
まとめると、埋め込み法は技術的特性が限られており、実験室や小型材料の開発・生産に適しています。一方、コーティング法は均一性が低いため、量産には適していません。CVR法は大型製品の量産に対応できますが、設備と技術に対する要件が高くなります。CVD法は、SICコーティングしかし、プロセス制御が難しいため、CVR 方式よりもコストが高くなります。
投稿日時: 2024年2月22日