JP2005272230A - 結晶成長方法、及び結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】種々の材料結晶を安価に作製できるとともに、その配向を所定の方向に揃えることのできる新規な結晶成長方法及び結晶成長装置を提供する。
【解決手段】結晶成長を開始する坩堝１１の先端部１１１の壁面１１１Ａを傾斜させる。次いで、前記結晶成長を行う際に過冷却を行うとともに、坩堝１１の先端部１１１を強制冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶成長方法、及び結晶成長装置に関する。

従来、太陽電池用のＳｉ結晶を成長する方法として、チョコラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）を例示することができる。これらの方法においては、種結晶を予め準備しておき、この種結晶から結晶成長を行って単結晶を作製する。しかしながら、これらの方法は操作が複雑であって、製造コストが高いという問題がある。

また、同じく太陽電池用のＳｉ結晶を成長する方法として、キャスト法を例示することができる。この方法は、操作が比較的簡単であって、製造コストが低いという利点があるが、得られるＳｉ結晶は多結晶であって、この多結晶を切り出して得たウエハにおいては、結晶粒の面方位がばらばらとなってしまうという問題があった。この結果、前記ウエハに対して種々の膜作製技術を施し、太陽電池を作製した場合、均一な表面テクスチャ構造を得ることができず、前記太陽電池の変換効率を十分に向上させることができないという問題があった。

このような観点から、Ｓｉ結晶を初めとする、種々の材料結晶を安価に作製できるとともに、その配向を揃えることのできる結晶成長方法の確立が望まれている。

本発明は、種々の材料結晶を安価に作製できるとともに、その配向を所定の方向に揃えることのできる新規な結晶成長方法及び結晶成長装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
結晶成長を開始する坩堝の先端部の壁面を傾斜させる工程と、
前記結晶成長を行う際に過冷却を行う工程と、
前記坩堝の前記先端部を強制冷却する工程とを具え、
キャスト法により結晶成長を行うことを特徴とする、結晶成長方法に関する。

また、本発明は、
結晶成長を開始する先端部の壁面を傾斜させた坩堝と、
前記結晶成長を行う際に過冷却を行うための過冷却手段と、
前記坩堝の前記先端部を強制冷却するための強制冷却手段とを具え、
キャスト法により結晶成長を行うようにしたことを特徴とする、結晶成長装置に関する。

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討を実施した。その結果、所定の材料結晶を安価に作製できるという観点からキャスト法に着目し、このキャスト法において前記材料結晶の配向を所定方向に揃えるようにするために鋭意検討を実施した。

その結果、結晶成長を開始する坩堝の先端部の壁面を傾斜させるとともに、その結晶成長の過程で過冷却を施し、さらに前記結晶成長を開始する前記坩堝の前記先端部を強制冷却することによって、前記坩堝の前記先端部から上方に向けて配向性を有しながら結晶成長が進行することを見出したものである。

なお、前記強制冷却は、前記結晶成長を行うための種付けの機能を果たすものであって、前記坩堝の前記壁面の傾斜度合い及び前記過冷却の度合いが、主として前記材料結晶の前記配向性を制御するものである。したがって、前記坩堝の前記壁面の傾斜度合い及び前記過冷却の度合いは、結晶成長させるべき材料の種類や揃えるべき配向を考慮して、適宜に制御する。

前記坩堝の前記壁面の傾斜角度は、前記坩堝の長さ方向における中心線から５度〜４５度の範囲に設定することができる。前記傾斜角度をこのような範囲内で適宜に設定すれば、過冷却の度合いを適宜に制御することにより、任意の材料の結晶成長においてその配向を任意の方向に揃えることができるようになる。

また、前記坩堝は、その先端部が円錐状を呈するように形成することができる。これによって、前記坩堝の前記先端部は傾斜した壁面のみを有するようになるので、前記坩堝底部からの結晶成長を抑制して、上述した配向を揃えた結晶成長のみを行うことができるようになる。したがって、得られる結晶の配向性をより向上させることができる。

さらに、本発明は、キャスト法を用いているため、前記坩堝を所定の温度勾配を有する雰囲気下に配置するとともに、前記坩堝の前記雰囲気内における移動速度を制御することによって、前記過冷却を行うことができる。したがって、前記過冷却の度合いは、前記温度勾配の大きさ及び前記移動速度を制御することによって調整することができる。

また、前記強制冷却は、所定の冷却ガスを前記坩堝の前記先端部に吹き付けることによって行うことができる。これによって、前記強制冷却を簡易な構成の装置を用いて簡易に行うことができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、種々の材料結晶を安価に作製できるとともに、その配向を所定の方向に揃えることのできる新規な結晶成長方法及び結晶成長装置を提供することができる。

以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の結晶成長装置の一例を示す構成図であり、図２は、図１に示す装置の坩堝を拡大して示す構成図である。また、図３は、本発明の結晶成長の態様を説明するための図である。

図１に示す結晶成長装置１０は、坩堝１１とこの坩堝１１の下方に設けられた内部が空洞状の坩堝駆動シャフト１３とを具えている。坩堝１１及び坩堝駆動シャフト１３は所定の円筒容器１５内に配置されており、円筒容器１５の周囲にはヒータ１２が設けられている。また、坩堝駆動シャフト１３の下方には、その空洞内部を通じて坩堝１１の下部に冷却ガスを吹き付けるための冷却ガス供給装置１４が設けられている。なお、ヒータ１２によって、坩堝１１を含む雰囲気内に図１示すような急峻な温度勾配を形成する。

また、図２に示すように、坩堝１１は円錐状の先端部１１１と、略円筒形状の本体部１１２とから構成される。先端部１１１において、その壁面１１１Ａは坩堝１１の長さ方向における中心線Ｉからθだけ傾斜するように形成する。

図１及び２に示す装置を用いた結晶成長は、次のようにして行う。最初に、坩堝１１内に、結晶成長を行う材料の、例えば粉末状の原料を入れる。次いで、前記原料をヒータ１２によって加熱溶融し、融液Ｍとする。次いで、坩堝１１を坩堝駆動シャフト１３を介して下方に引き下げる。このとき、坩堝１１は前述した急峻な温度勾配が形成された雰囲気中を移動するようになるので、坩堝１１内の融液Ｍは過冷却を受けることになる。また、この過冷却と同時に、坩堝１１の下部、すなわち先端部１１１を冷却ガス供給装置１４から供給された冷却ガスによって強制冷却する。

すると、図３に示すように、前記強制冷却が前記結晶成長を行うための種付けの機能を果たし、坩堝１１の先端部１１１の壁面１１１Ａにおいて、結晶成長の種（核）Ｃｓが生成され、この種Ｃｓが壁面１１１Ａ上において横方向に成長するとともに、坩堝１１の下方への引き下げに応じて、種Ｃｓから図中の矢印で示すような上方向に結晶成長が生じるようになる。このような結晶成長の結果、融液Ｍが総て結晶に転換されて所定の材料結晶が形成されるものである。

上述したように、前記強制冷却は前記結晶成長を行うための種付けの機能を果たすものである。一方、上述した結晶成長では、坩堝１１の引き下げに応じ、主として種Ｃｓから上方に向けて結晶成長が行われるため、その結晶成長における配向性は坩堝１１の先端部１１１の壁面１１１Ａの傾斜角度θ及び前記過冷却の度合いによって大きく影響される。したがって、結晶成長させるべく材料の種類及び配向性に応じて、傾斜角度θ及び前記過冷却の度合いを適宜に制御する。

なお、図１に示す装置において、前記過冷却の度合いは、前記急峻な温度勾配及び坩堝１１の引き下げ速度に依存するので、これらのパラメータを制御することによって、前記過冷却の度合いを制御する。具体的には、前記温度勾配を２０℃／ｃｍ〜６０℃／ｃｍの範囲で制御し、及び／又は前記引き下げ速度を０．１ｍｍ／分〜１．０ｍｍ／分の範囲で制御するようにすれば、キャスト法で結晶成長し得るほぼ総ての材料に対して本発明の結晶成長方法及び結晶成長装置を適用することができ、坩堝１１の傾斜角度θと、前記パラメータを前記範囲内で適宜に制御することにより、前記キャスト法で結晶成長し得る前記ほぼ総ての材料において、その結晶成長方向、すなわち配向性を制御することができる。

前記過冷却の度合いは、前記温度勾配及び前記坩堝の引き下げ速度に依存するので、これらのパラメータを構成するヒータ１２及び坩堝駆動シャフト１３は過冷却手段を構成することになる。

また、坩堝１１の壁面１１１Ａの傾斜角度θは、５度〜４５度の範囲に設定することができる。傾斜角度θをこのような範囲内で適宜に設定すれば、過冷却の度合いを適宜に制御することにより、キャスト法で結晶成長し得る前記ほぼ総ての材料において、その結晶成長方向、すなわち配向性を制御することができる。

換言すれば、坩堝１１の壁面１１１Ａの傾斜角度θを５度〜４５度の範囲内で適宜に制御し、前記温度勾配を２０℃／ｃｍ〜６０℃／ｃｍの範囲で適宜に制御し、前記引き下げ速度を０．１ｍｍ／分〜１．０ｍｍ／分の範囲で適宜に制御するようにすれば、キャスト法で結晶成長し得る前記ほぼ総ての材料において、その結晶成長方向、すなわち配向性を制御することができる。

また、坩堝１１の先端部１１１は円錐状を呈しているが、この場合、坩堝１１は平坦な底部を有せず、傾斜した壁面１１１Ａのみから構成されるようになる。この結果、坩堝底部からの結晶成長を抑制して、上述した配向を揃えた結晶成長のみを行うことができるようになる。したがって、得られる材料結晶の配向性をより向上させることができる。

本発明の結晶成長方法及び結晶成長装置は、Ｓｉ結晶の結晶成長に対して特に好ましく用いることができる。Ｓｉ結晶をキャスト法を用いて作製しようとした場合、従来の方法では、坩堝の底部から（１１１）面方向に配向した多結晶Ｓｉについては簡易に得ることができたが、その他の結晶方向に配向したＳｉ結晶を得ることは制御性などの観点から極めて困難であり、結晶成長方法として十分に確立されていなかった。

しかしながら、本発明によれば、上述したように、坩堝の先端部における壁面の傾斜角度などを適宜に制御することによって、（１１１）面以外のあらゆる結晶方向に配向したＳｉ結晶を得ることができる。但し、従来のキャスト法同様に、得られるＳｉ結晶は一般には多結晶となる。

（実施例１）
図１及び２に示すような装置を用いて、Ｓｉ結晶の結晶成長を行った。なお、坩堝１１の先端部１１１における壁面１１１Ａの傾斜角度θは３５度とし、ヒータ１２による坩堝１１を含む雰囲気の温度勾配は約２０℃／ｃｍとし、坩堝駆動シャフト１３による引き下げ速度は０．２ｍｍ／分とした。図４は、得られたＳｉ結晶の縦断面に対してＳＥＭ−ＥＢＳＰ法による結晶方位解析を行って得た写真である。図４より、本実施例におけるＳｉ結晶は多結晶であり、（１１０）面に配向していることが判明した。

（実施例２）
図１及び２に示すような装置を用いて、Ｓｉ結晶の結晶成長を行った。なお、坩堝１１の先端部１１１における壁面１１１Ａの傾斜角度θは２０度とし、ヒータ１２による坩堝１１を含む雰囲気の温度勾配は約４０℃／ｃｍとし、坩堝駆動シャフト１３による引き下げ速度は０．４ｍｍ／分とした。実施例１と同様のＳＥＭ−ＥＢＳＰ法による結晶方位解析の結果、得られたＳｉ結晶は多結晶であり、（１００）面に配向していることが判明した。

（実施例３）
図１及び２に示すような装置を用いて、Ｓｉ結晶の結晶成長を行った。なお、坩堝１１の先端部１１１における壁面１１１Ａの傾斜角度θは４５度とし、ヒータ１２による坩堝１１を含む雰囲気の温度勾配は約２０℃／ｃｍとし、坩堝駆動シャフト１３による引き下げ速度は０．２ｍｍ／分とした。実施例１と同様のＳＥＭ−ＥＢＳＰ法による結晶方位解析の結果、得られたＳｉ結晶は多結晶であり、（１１２）面に配向していることが判明した。

（実施例４）
図１及び２に示すような装置を用いて、Ｓｉ結晶の結晶成長を行った。なお、坩堝１１の先端部１１１における壁面１１１Ａの傾斜角度θは４５度とし、ヒータ１２による坩堝１１を含む雰囲気の温度勾配は約２０℃／ｃｍとし、坩堝駆動シャフト１３による引き下げ速度は１．０ｍｍ／分とした。実施例１と同様のＳＥＭ−ＥＢＳＰ法による結晶方位解析の結果、得られたＳｉ結晶は多結晶であり、（１１３）面に配向していることが判明した。

以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上述した具体例では、坩堝の先端部を円錐状に形成し、その壁面に所定の傾斜角度を持たせるようにしているが、図５に示すように、実質的に平坦な底部を有する坩堝を用い、その底部に複数の円錐状の溝部を設けたり、図６に示すように、実質的に平坦な底部を有する坩堝を用い、その底部に複数の円筒形状の溝部を設けることによっても同様の作用効果を得ることができる。

本発明の結晶成長装置の一例を示す構成図である。 図１に示す装置の坩堝を拡大して示す構成図である。 本発明の方法及び装置における結晶成長の態様を説明するための図である。 本発明に方法及び装置によって得たＳｉ結晶の、ＳＥＭ−ＥＢＳＰ法による結晶方位解析を行って得た写真である。 図２に示す坩堝の変形例を示す概略構成図である。 同じく、図２に示す坩堝の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１０ 結晶成長装置
１１ 坩堝
１２ ヒータ
１３ 坩堝駆動シャフト
１４ 冷却ガス供給装置
１５ 円筒容器
１１１ 坩堝の先端部
１１２ 坩堝の本体部
１１１Ａ 坩堝の先端部における壁面

Claims (18)

1. 結晶成長を開始する坩堝の先端部の壁面を傾斜させる工程と、
   前記結晶成長を行う際に過冷却を行う工程と、
   前記坩堝の前記先端部を強制冷却する工程とを具え、
   キャスト法により結晶成長を行うことを特徴とする、結晶成長方法。
2. 前記壁面の傾斜角度を、前記坩堝の長さ方向における中心線から５度〜４５度の範囲に設定することを特徴とする、請求項１に記載の結晶成長方法。
3. 前記坩堝の前記先端部は円錐状を呈することを特徴とする、請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
4. 前記過冷却は、前記坩堝を所定の温度勾配を有する雰囲気下に配置するとともに、前記坩堝の前記雰囲気内における移動速度を制御することによって行うことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の結晶成長方法。
5. 前記雰囲気の前記温度勾配を２０℃／ｃｍ〜６０℃／ｃｍの範囲に設定することを特徴とする、請求項４に記載の結晶成長方法。
6. 前記坩堝の前記移動速度を０．１ｍｍ／分〜１．０ｍｍ／分の範囲に設定することを特徴とする、請求項５に記載の結晶成長方法。
7. 前記強制冷却は、所定の冷却ガスを前記坩堝の前記先端部に吹き付けることによって実施することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の結晶成長方法。
8. 前記結晶成長はＳｉの結晶成長であり、前記坩堝内において（１１１）面以外の方向に結晶成長させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の結晶成長方法。
9. 前記結晶成長によりＳｉ多結晶を得ることを特徴とする、請求項８に記載の結晶成長方法。
10. 結晶成長を開始する先端部の壁面を傾斜させた坩堝と、
    前記結晶成長を行う際に過冷却を行うための過冷却手段と、
    前記坩堝の前記先端部を強制冷却するための強制冷却手段とを具え、
    キャスト法により結晶成長を行うようにしたことを特徴とする、結晶成長装置。
11. 前記壁面の傾斜角度を、前記坩堝の長さ方向における中心線から５度〜４５度の範囲に設定したことを特徴とする、請求項１０に記載の結晶成長装置。
12. 前記坩堝の前記先端部は円錐状を呈することを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の結晶成長装置。
13. 前記過冷却手段は、前記坩堝を配置する所定の温度勾配を有する雰囲気を形成するための加熱手段と、前記坩堝の前記雰囲気内における移動速度を制御するための移動手段とを含むことを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一に記載の結晶成長装置。
14. 前記加熱手段によって、前記雰囲気の前記温度勾配を２０℃／ｃｍ〜６０℃／ｃｍの範囲に設定することを特徴とする、請求項１３に記載の結晶成長装置。
15. 前記移動手段によって、前記坩堝の前記移動速度を０．１ｍｍ／分〜１．０ｍｍ／分の範囲に設定することを特徴とする、請求項１４に記載の結晶成長装置。
16. 前記強制冷却手段は、所定の冷却ガスを前記坩堝の前記先端部に吹き付けるように構成した冷却ガス吹付手段であることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一に記載の結晶成長装置。
17. 前記結晶成長はＳｉの結晶成長であり、前記坩堝内において（１１１）面以外の方向に結晶成長させることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一に記載の結晶成長装置。
18. 前記結晶成長によりＳｉ多結晶を得ることを特徴とする、請求項１７に記載の結晶成長装置。

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