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、単結晶シリコンは、太陽光発電材料として高い光電変換効率と優れた商業的利点を持ち、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要な方法の1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1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（黒鉛材料および炭素／炭素複合材料）で構成されており、図1に示すように、その機能に応じて支持部、機能部、発熱体、保護部、断熱材などに分類されます。単結晶シリコンのサイズが拡大し続けるにつれて、熱場部品のサイズ要件も増加しています。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。
チョクラルシアン法による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の飛散が発生し、炭素／炭素系熱伝導材の珪化侵食を引き起こします。これにより、炭素／炭素系熱伝導材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／炭素系熱伝導材の珪化侵食を低減し、耐用年数を向上させる方法は、単結晶シリコンメーカーと炭素／炭素系熱伝導材メーカーにとって共通の課題となっています。炭化ケイ素コーティング優れた耐熱衝撃性と耐摩耗性により、炭素／炭素系熱場材料の表面コーティング保護材として第一の選択肢となっている。
本稿では、単結晶シリコン製造に用いられる炭素／炭素系熱処理材料を起点として、炭化ケイ素コーティングの主な製造方法、利点、欠点について概説する。さらに、炭素／炭素系熱処理材料の特性に基づき、炭素／炭素系熱処理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捗状況を概観し、炭素／炭素系熱処理材料の表面コーティング保護に関する提言と開発方向を提示する。
1. 製造技術炭化ケイ素コーティング
1.1 埋め込み方法
埋め込み法は、C/C-sic複合材料系における炭化ケイ素の内部コーティングを作製するためによく用いられる。この方法は、まず混合粉末を用いて炭素/炭素複合材料を包み込み、次に一定温度で熱処理を行う。混合粉末と試料表面と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る。この方法の利点は、工程が簡便で、単一の工程で緻密で亀裂のないマトリックス複合材料を作製できること、プリフォームから最終製品へのサイズ変化が小さいこと、あらゆる繊維強化構造に適していること、コーティングと基材との間に一定の組成勾配を形成でき、基材との結合が良好であることなどである。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る。また、重力などの要因によりコーティングが不均一になるなど、コーティングの均一性を制御することが難しい。
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た後、不活性雰囲気下で乾燥させ、コーティングされた試料を高温で焼結することで、所望のコーティングを得る方法です。利点は、工程が簡単で操作が容易であり、コーティングの厚さを容易に制御できることです。欠点は、コーティングと基材との密着性が弱く、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 化学気相反応法
化学気相反応（CVR）法は、固体シリコン材料を一定温度でシリコン蒸気に蒸発させ、その後、シリコン蒸気がマトリックスの内部および表面に拡散し、マトリックス中の炭素とin situで反応して炭化ケイ素を生成するプロセス方法です。この方法の利点としては、炉内の雰囲気が均一で、反応速度とコーティング材料の堆積厚さがどこでも一定であること、プロセスがシンプルで操作が容易であること、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ることなどが挙げられます。欠点としては、試料が炉内の位置に大きく影響され、炉内のシリコン蒸気圧が理論的な均一性に達しないため、コーティング厚さが不均一になることが挙げられます。
1.4 化学気相成長法
化学気相成長法（CVD）は、炭化水素をガス源とし、高純度N2/Arをキャリアガスとして混合ガスを化学気相反応器に導入し、一定の温度と圧力下で炭化水素を分解、合成、拡散、吸着、溶解させて炭素/炭素複合材料の表面に固体膜を形成するプロセスです。利点は、コーティングの密度と純度を制御できること、より複雑な形状のワークピースにも適していること、成膜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ることです。欠点は、成膜速度が低すぎること、プロセスが複雑であること、製造コストが高いこと、亀裂、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。
要約すると、埋め込み法はその技術的特性に制約があり、実験室や小型材料の開発・製造に適しています。コーティング法は均一性が低いため、大量生産には適していません。CVR法は大型製品の大量生産に対応できますが、設備や技術に対する要求水準が高くなります。CVD法は理想的な製造方法です。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る。
投稿日時：2024年2月22日