JP2006273668A - Method for production of semiconductor ingot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体インゴットの製造方法に関し、特に半導体インゴットの比抵抗を調整する技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor ingot, and more particularly to a technique for adjusting the specific resistance of a semiconductor ingot.
現在、太陽電池用半導体基板としてシリコンインゴットが多く用いられており、太陽電池のさらなる高性能化のため、その品質のさらなる向上が求められている。 At present, silicon ingots are often used as semiconductor substrates for solar cells, and further improvements in the quality of the solar cells are demanded for higher performance of solar cells.
その中で、シリコンインゴットの比抵抗を所定範囲内に調整するために、特定の計算式でドーパント量を算出して、シリコン融液中にIII価あるいはV価の不純物元素であるドーパント材を添加する手法が用いられている。このドーパント材は、通常、不純物元素を高濃度に含んだ粒状シリコン結晶の形で供給され、これをシリコン材料と同時に融解して、所望のドーパント濃度をもつシリコン融液を得る。 Among them, in order to adjust the specific resistance of the silicon ingot within a predetermined range, the dopant amount is calculated by a specific calculation formula, and a dopant material which is an III-valent or V-valent impurity element is added to the silicon melt. Is used. This dopant material is usually supplied in the form of granular silicon crystals containing an impurity element at a high concentration, and this is melted simultaneously with the silicon material to obtain a silicon melt having a desired dopant concentration.
このようなシリコン融液を凝固させた際、結晶成長方向において比抵抗値の変動が生じるという問題がある。 When such a silicon melt is solidified, there is a problem that the resistivity value varies in the crystal growth direction.
すなわち、シリコン融液中のドーパント元素は、凝固成長に際して偏析現象により一定の比率でシリコン固体結晶中に取り込まれていく。このときの結晶中のドーパント濃度(CS)は、CS=kCL (k:偏析係数、CL:融液中のドーパント濃度)で表されるが、鋳型底部から上方にかけて一方向凝固する場合、比抵抗を低下させるドーパント濃度は鋳型底部から上方にかけて上昇する。従って、その比抵抗は鋳型底部が最も高く、高さ方向に減少する。それ故、所望の比抵抗値の範囲を逸脱し、その部分は製品として使用できなくなるという問題が生じていた。 That is, the dopant element in the silicon melt is taken into the silicon solid crystal at a certain ratio by the segregation phenomenon during the solidification growth. At this time, the dopant concentration (CS) in the crystal is expressed by CS = kCL (k: segregation coefficient, CL: dopant concentration in the melt). The dopant concentration that lowers the temperature increases from the bottom of the mold to the top. Accordingly, the specific resistance is highest at the bottom of the mold and decreases in the height direction. Therefore, there has been a problem that the desired specific resistance value is deviated and the portion cannot be used as a product.
この問題に対しては、CZ法による単結晶シリコンを育成する場合の比抵抗調整技術として、以下のような方法が提案されている。 In order to solve this problem, the following method has been proposed as a specific resistance adjustment technique when single crystal silicon is grown by the CZ method.
例えば、第一ドーパント材を含むシリコン融液から単結晶を引き上げる途中で、第一ドーパント材とは逆の導電型を呈する第二ドーパント材を供給する方法(例えば、特許文献1参照)、或いは、初期シリコン融液に、第一ドーパント材のホウ素濃度に対して25〜35%の濃度の第二ドーパント材のリンを添加する方法(例えば、特許文献2参照)、などによってシリコンインゴット全体の比抵抗値の均一化を図るものが挙げられる。
しかしながら、特許文献1のような単結晶を引き上げる途中で逆の導電型を呈する第二ドーパント材を供給する方法では、第二ドーパント材を供給するタイミングによって、引き上げられたシリコン単結晶のテール部の比抵抗は大きく変動してしまうという問題がある。特に、引上げ高さからシリコン凝固率を推定容易なCZ法とは異なり、キャスト法によって鋳型底部からシリコン融液を凝固させる場合、外部から固液界面を観察することが難しく、第二ドーパント材を供給するタイミングを制御することが極めて困難であった。 However, in the method of supplying the second dopant material exhibiting the opposite conductivity type while pulling up the single crystal as in Patent Document 1, the tail portion of the pulled silicon single crystal is controlled depending on the timing of supplying the second dopant material. There is a problem that the specific resistance varies greatly. In particular, unlike the CZ method, in which the silicon solidification rate can be easily estimated from the pulling height, when the silicon melt is solidified from the bottom of the mold by the casting method, it is difficult to observe the solid-liquid interface from the outside. It was extremely difficult to control the supply timing.
また、特許文献2のような初期融液に予め第二ドーパント材を添加する方法では、シリコンインゴットの種々の品質特性を制御するための諸条件(温度プロファイル、シリコンの引上げ速度及び種結晶の回転速度など)は比抵抗均一化を実現させる為だけの条件として限定されてしまい、その他の品質特性を向上させるための諸条件を同時に満たすことは難しいと考えられ、インゴット品質の均質化という観点から見た時にも好ましい方法とは言えなかった。 Further, in the method of adding the second dopant material in advance to the initial melt as in Patent Document 2, various conditions for controlling various quality characteristics of the silicon ingot (temperature profile, silicon pulling speed, and rotation of the seed crystal) Speed, etc.) is limited as a condition only to achieve uniform resistivity, and it is considered difficult to satisfy other conditions for improving other quality characteristics at the same time. From the viewpoint of homogenizing ingot quality Even when viewed, it was not a preferable method.
本発明は上記事情に鑑みなされたもので、キャスト法により半導体インゴットを製造する方法において、比抵抗ばらつきが小さく品質が均一で特性に優れた半導体インゴットを得るための方法を提案することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to propose a method for producing a semiconductor ingot having a small specific resistance variation, uniform quality and excellent characteristics in a method of manufacturing a semiconductor ingot by a casting method. To do.
本発明の半導体インゴットの製造方法は、第一導電型を規定する第一ドーパント材を含有する半導体融液を、鋳型内で所定方向に凝固させてなるものにおいて、前記凝固過程で、前記第一導電型と逆の第二導電型を規定する第二ドーパント材を、前記半導体融液中に供給することを特徴とする。 The method for producing a semiconductor ingot according to the present invention comprises solidifying a semiconductor melt containing a first dopant material defining a first conductivity type in a predetermined direction in a mold. A second dopant material defining a second conductivity type opposite to the conductivity type is supplied into the semiconductor melt.
また、前記第二ドーパント材は、前記鋳型の内表面で凝固開始前の前記半導体融液液面よりも上方に形成され、前記凝固過程で液面が上昇した前記半導体融液に溶けることを特徴とする。 The second dopant material is formed on the inner surface of the mold above the surface of the semiconductor melt before the start of solidification, and is dissolved in the semiconductor melt whose liquid level has increased during the solidification process. And
さらに、前記凝固過程で前記半導体融液の液面を測定し、該測定値に応じて前記第二ドーパント材を前記半導体融液中に供給することを特徴とする。 Furthermore, the liquid level of the semiconductor melt is measured in the solidification process, and the second dopant material is supplied into the semiconductor melt according to the measured value.
本発明の半導体インゴットの製造方法は、第一導電型を規定する第一ドーパント材を含有する半導体融液を、鋳型内で所定方向に凝固させてなるものにおいて、前記凝固過程で、前記第一導電型と逆の第二導電型を規定する第二ドーパント材を、前記半導体融液中に供給することから、主添加材である第一ドーパント材の見かけの偏析係数を大きくできるので、比抵抗バラツキが小さく品質が均一な半導体インゴットを製造することができる。 The method for producing a semiconductor ingot according to the present invention comprises solidifying a semiconductor melt containing a first dopant material defining a first conductivity type in a predetermined direction in a mold. Since the second dopant material defining the second conductivity type opposite to the conductivity type is supplied into the semiconductor melt, the apparent segregation coefficient of the first dopant material as the main additive can be increased, so that the specific resistance A semiconductor ingot with small variations and uniform quality can be manufactured.
また、前記第二ドーパント材は、前記鋳型の内表面で凝固開始前の前記半導体融液液面よりも上方に形成され、前記凝固過程で液面が上昇した前記半導体融液に溶けるようにしたことから、半導体融液が凝固による膨張を想定して第二ドーパント材の形成位置を調整するという簡易な方法によって、溶け出す第二ドーパント材のタイミング及び量を制御することが可能となる。 In addition, the second dopant material is formed on the inner surface of the mold above the surface of the semiconductor melt before the start of solidification, and is dissolved in the semiconductor melt that has risen in the solidification process. Accordingly, it is possible to control the timing and amount of the second dopant material to be melted by a simple method in which the semiconductor melt is adjusted to be expanded by solidification and the formation position of the second dopant material is adjusted.
さらに、前記凝固過程で前記半導体融液の液面を測定し、該測定値に応じて前記第二ドーパント材を前記半導体融液中に供給することから、凝固の進行に応じて適量の第二ドーパント材を供給することができ、比抵抗バラツキをより効果的に抑制することが可能となる。 Further, the liquid level of the semiconductor melt is measured in the solidification process, and the second dopant material is supplied into the semiconductor melt according to the measured value. The dopant material can be supplied, and the specific resistance variation can be more effectively suppressed.
以下、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<製造装置>
図2は一般的なシリコン鋳造装置の構成を示す概略断面図、図3はシリコン鋳造装置における凝固部の概略断面図である。図中の101aは溶融坩堝、101bは保持坩堝、102は注湯口、103は鋳型、104は加熱手段、105はシリコン材料(半導体材料)、106は第一ドーパント材、107はシリコン融液(半導体融液)、108は離型材層、110は鋳型断熱材、111は冷却手段、112は鋳型加熱手段を示す。
<Manufacturing equipment>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a general silicon casting apparatus, and FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a solidified portion in the silicon casting apparatus. In the figure, 101a is a melting crucible, 101b is a holding crucible, 102 is a pouring spout, 103 is a mold, 104 is a heating means, 105 is a silicon material (semiconductor material), 106 is a first dopant material, 107 is a silicon melt (semiconductor) (Melt), 108 is a release material layer, 110 is a mold heat insulating material, 111 is a cooling means, and 112 is a mold heating means.
図2に示すように、溶融坩堝101aは、投入された第一ドーパント材106とシリコン材料105を内部に保持して加熱溶融したシリコン融液を鋳型103に注ぐものである。なお、溶融坩堝101aで溶融されて鋳型103に注がれたシリコン融液107が冷却・凝固したシリコンインゴットは、例えば太陽電池用多結晶シリコン基板材料などに用いられる。また、第一ドーパント材106はドーピング元素そのものであってもよいし、あるいは予めドーピング元素が高い濃度でドープされているシリコン材料であっても構わない。
As shown in FIG. 2, the
溶融坩堝101aは、溶融したシリコン融液内に不純物を含有させないように、公知の高純度石英などを利用することができるが、シリコン材料の融解温度以上の温度において、融解、蒸発、軟化、変形、分解などを生じにくく、かつ太陽電池特性を落とさない純度であれば特に限定されない。また、溶融坩堝101aは高温になると軟化して、形を保てないために、グラファイトなどからなる保持坩堝101bで保持される。また、溶融坩堝101a、保持坩堝101bの寸法は、一度に溶融する溶融量に応じたシリコン材料を内包できる寸法とする必要がある。シリコン材料の溶融量は、例えば1kgから250kgの範囲とする。
As the
溶融坩堝101a、保持坩堝101bの周囲には加熱手段104が配置されている。加熱手段104によって、溶融坩堝101a内部のシリコン材料を加熱溶融して、シリコン融液が得られる。なお、加熱手段104としては、例えば、抵抗加熱式のヒーターや誘導加熱式のコイルなどを用いることができる。
A
図3に示すように、上記の溶融坩堝101a、保持坩堝101bの下部に配置される鋳型103は、上方に向かって開放した開放部を有し、注がれたシリコン融液をこの開放部によって受けるとともに、その内部においてこのシリコン融液を保持しつつ、下方から上方へ向けて一方向凝固させる役割を有する。
As shown in FIG. 3, the
この鋳型103は、黒鉛、酸化珪素などからなり、一体成型鋳型や、分割、組み立て可能な分割鋳型などで構成される。また、鋳型103の内面には離型材層108を設ける。鋳型103の内部のシリコン融液107を凝固した後に、鋳型103の内壁とシリコンインゴットとが融着することを抑制することができる。離型材層108の材質としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素、酸化珪素などによって形成することができる。この離型材層108を設ける方法としては、上述の粉末を適当なバインダーと溶剤とから構成される溶液中に混合して攪拌してスラリーとし、塗布もしくはスプレーなどの手段でコーティングする周知の手法を用いればよい。
The
鋳型103の周りには、鋳型側面からの抜熱を抑制するため鋳型断熱材110が設置される。鋳型断熱材110は耐熱性、断熱性等を考慮してカーボンフェルト等の材質が一般的に用いられる。また、鋳型103の下方には注がれたシリコン融液を下方から抜熱して冷却・固化するために、金属板の内部に水などの冷媒を循環させる冷却板等の冷却手段111を設置しても良い。さらに、鋳型103を上方から加熱可能な、カーボンヒーター等から成る鋳型加熱手段112を配置しても良く、これによって鋳型103に注いだシリコン融液107の表面を適度に加熱し、下方から上方に向けた温度勾配をより正確に制御することができる。このとき、固体シリコンの密度が2.33g/cm3なのに対し、液体シリコンの密度が2.54g/cm3であり、液体が固化する際に1割弱もの体積膨張が生じるため、一方向凝固させることにより、凝固とともに増える体積を上へ逃がしながら凝固させることができる。そのため、凝固が進むにつれてシリコン融液表面は上昇する。
A mold
なお、これらの鋳造装置は、真空容器(不図示)内に配置し、不活性ガス等の還元雰囲気下で行うようにすることが、不純物の混入や酸化を防ぐ点で望ましい。 These casting apparatuses are preferably placed in a vacuum vessel (not shown) and performed in a reducing atmosphere such as an inert gas from the viewpoint of preventing contamination and oxidation of impurities.
<第一の実施形態>
以下、図1を用いて、本発明の半導体インゴットの製造方法に係る第一の実施形態を説明する。なお、第一ドーパント材106をP型ドーパント(第一導電型)とし、第一ドーパント材106と逆の第二導電型を有する第二ドーパント材109をN型ドーパントとして説明する。
<First embodiment>
Hereinafter, a first embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor ingot of the present invention will be described with reference to FIG. The
図1に示すように、離型材層108が形成された鋳型103の内表面で、凝固開始前の半導体融液107の液面よりも上方に、第二ドーパント材109が固着形成されている。
As shown in FIG. 1, on the inner surface of the
第二ドーパント材109として、例えばN型単結晶シリコンのトップ、テールなどのスプラップ材を粉砕、洗浄して形成した微細粉末を、適当な有機バインダーで混合、攪拌して作製したスラリー状の材料を用いる。このスラリー状の第二ドーパント材109を、凝固前(凝固率0%)のシリコン融液表面付近から最終凝固(凝固率100%)したときのシリコン融液表面までに位置する任意の範囲内に塗布する。このように、N型の第二ドーパント材109の塗布位置をシリコン融液の上部側、さらには凝固前のシリコン融液表面よりも上部の領域に設定することによって、シリコン融液の凝固初期時においては第二ドーパント材109からのドナー元素の溶出量が抑えられ、主添加材であるP型元素の見かけの偏析係数は変わらないので、シリコンインゴット底部の比抵抗値が所望の値より大きくずれることはない。そして、シリコン融液の凝固が進むとシリコン融液が上昇するため、N型の第二ドーパント材109からのドナー元素の溶出量が多くなり、主添加材であるP型元素の見かけの偏析係数を大きくできるので、比抵抗の低下を抑えることができ、比抵抗のバラツキが小さく、品質が均一な多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
As the
また、第二ドーパント材109が固着する位置は、凝固前(凝固率0%)のシリコン融液表面より上部の位置から最終凝固(凝固率100%)したときのシリコン融液表面までに位置する任意の範囲内にあったほうが望ましい。このように、凝固前(凝固率0%)のシリコン融液表面より上の位置に第二ドーパント材109を固着させておけば、シリコン融液が凝固膨張して、そのシリコン融液表面が上昇しドーパント材の固着位置に到達するまでの間に、ドーパント材113からドナー元素がシリコン融液中に溶出し、シリコンインゴット底部の比抵抗値が所望の値より大きくずれることを確実に抑制することができる。
The position where the
さらに、シリコン融液の凝固率が50%のときにおけるシリコン融液表面から最終凝固(凝固率100%)したときのシリコン融液表面までに位置する任意の範囲内であればより望ましく、比抵抗のバラツキが小さく、品質が均一な多結晶シリコンインゴットを製造することができ、さらには製造条件の自由度が制約されることはなく、凝固速度をコントロールすべく種々の温度条件も自由に変更することができるので、太陽電池特性を向上させるための諸条件を同時に満たすことも可能となる。 Furthermore, it is more desirable if it is within an arbitrary range located from the surface of the silicon melt when the solidification rate of the silicon melt is 50% to the surface of the silicon melt when the solidification rate is 100%. Can produce polycrystalline silicon ingots with small variations in quality and uniform quality. Furthermore, there are no restrictions on the manufacturing conditions, and various temperature conditions can be changed freely to control the solidification rate. Therefore, it is possible to simultaneously satisfy various conditions for improving the solar cell characteristics.
また、第二ドーパント材109中のN型不純物濃度は、第一ドーパント材106中のP型不純物濃度の20%以上40%未満に設定するのが望ましい。N型不純物濃度が20%より小さいの場合は、P型不純物を打ち消す効果が減少し、また、N型不純物濃度が40%以上の場合は、インゴット上部において比抵抗が大きく上昇したり、導電型の逆転が生じてしまうので好ましくない。
The N-type impurity concentration in the
以上のような製造方法によって製造された多結晶シリコンインゴットの比抵抗値は、シリコンインゴットの底部と上部の比抵抗の差が、0.2Ω・cm〜0.5Ω・cmという比抵抗のバラツキが小さいものであり、所望の比抵抗範囲が狭い場合でも、その所望の範囲を逸脱することがなく、逸脱した部分は製品として使用できなくなるという問題を抑制することができる。 The specific resistance value of the polycrystalline silicon ingot manufactured by the above manufacturing method is such that the difference in specific resistance between the bottom and top of the silicon ingot is 0.2Ω · cm to 0.5Ω · cm. Even if the desired specific resistance range is narrow, the problem that the deviated portion cannot be used as a product without deviating from the desired range can be suppressed.
<第二の実施形態>
以下、本発明の半導体インゴットの製造方法に係る第二の実施形態を説明する。
<Second Embodiment>
Hereinafter, a second embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor ingot of the present invention will be described.
まず、溶融坩堝101a内に所定量のシリコン材料105と、インゴット底部の比抵抗が所望の値となるべく調整された量の、ホウ素、ガリウムなどのP型不純物を含む第一ドーパント材106を投入したのち、加熱手段104によって溶融坩堝内のシリコン材料105を融解し、所望の温度のシリコン融液107とする。このとき、ドーパント材は不純物元素そのものであっても構わないし、あるいは予め不純物元素が高い濃度でドープされているシリコン材料であっても構わない。
First, a predetermined amount of
次に溶融坩堝101aを傾倒させて鋳型103内に加熱融解したシリコン融液107を注ぎ込む。所定量のシリコン融液107が満たされた鋳型103は凝固工程に移り、鋳型保持台の下面に冷却板111を接触させると同時に、鋳型加熱手段112によりシリコン融液107を上方より加熱する。鋳型加熱手段112の出力は、シリコン融液107が鋳型103の底部から上部にかけて徐々に凝固が進行するように調整される。
Next, the
ここで、固体シリコンの密度が2.33g/cm3なのに対し、液体シリコンの密度が2.54g/cm3であり、液体が固化する際に約10%の体積膨張することに着目し、シリコン融液107の液面の高さを指標としてシリコン融液107の凝固率を推定し、そして、シリコン融液107の液面高さが所望の凝固率に応じた高さに到達した時点で、第一ドーパント材106と逆の導電型を呈する第二ドーパント材109を鋳型103内に供給する。
Here, while the density of solid silicon is 2.33 g / cm 3 , the density of liquid silicon is 2.54 g / cm 3 , and attention is paid to the fact that the liquid expands by about 10% when the liquid solidifies. Estimating the solidification rate of the
このような方法を用いることによって、シリコン融液107の凝固初期時において、予め第二ドーパント材109がシリコン融液107内に添加されていないため、主添加材であるP型不純物元素の見かけの偏析係数は変わらないので、シリコンインゴット底部の比抵抗値が所望の値より大きくずれることはない。そして、シリコン融液107の液面の高さからシリコン融液107の凝固率を推定し、第二ドーパント材109を加えることにより、主添加材であるP型不純物元素の見かけの偏析係数を大きくできるので、比抵抗の低下を抑えることができ、比抵抗のバラツキが小さく、品質が均一な多結晶シリコンインゴットを製造することができる。
By using such a method, since the
また、シリコン融液107は鋳型103底部から凝固されており、第二ドーパント材109は鋳型加熱手段8により加熱されたシリコン融液107表面に供給されるため、シリコンの固液界面付近におけるP型不純物元素の見かけの偏析係数が急激に変化することはなく、シリコン融液107中に生じる熱対流等により均一に拡散される。さらには製造条件の自由度が制約されることはなく、凝固速度をコントロールすべく種々の温度条件も自由に変更することができるので、太陽電池特性を向上させるための諸条件を同時に満たすことも可能となる。
Further, since the
シリコン融液107の液面の高さは、例えば、鋳造装置に設けた覗き窓等から随時観察することにより、鋳型103内のシリコン融液107の凝固率を推定することができる。なお、予め鋳型103の側面に塗布された離型材層108の表面に目盛等の目印を設けておくことにより、より正確に凝固率を推定することが可能となる。また、ビデオカメラ等を用いて液面をモニタリングして、第二ドーパント材109の供給を制御することも可能である。
For example, the solidification rate of the
また、第二ドーパント材109は第一ドーパント材106がP型不純物である場合には、逆の導電型のリンやアンチモン等のN型不純物からなり、第二ドーパント材109は、通常、不純物元素が高い濃度で含有された粒状、あるいは顆粒状のシリコン結晶として供給され、鋳型加熱手段112の出力を調整することによりシリコン融液107に完全に溶融したのち、再度凝固を進行させ、比抵抗のばらつきの小さいシリコンインゴットを鋳造することができる。また、第二ドーパント材109を含むシリコン融液107を別途作製し、鋳型103内に供給することも可能である。
Further, when the
ここで、第二ドーパント材109を供給する時のシリコン融液107の凝固率は、30%〜80%の間であることが好ましい。シリコン融液107の凝固率が30%より小さい場合、インゴット頭部での比抵抗の上昇を打ち消すために必要な第二のドーパント濃度が大きくなり好ましくない。また、シリコン融液107の液面の上昇が小さく検知し難くなるという問題がある。また、シリコン融液107の凝固率を80%まで進行させた場合、第一のドーパント材の偏析により比抵抗がインゴット底部に比べて30%程度高くなっており、それ以上の凝固率で第二のドーパント材を供給しても、比抵抗のばらつき低減の効果は小さい。
Here, the solidification rate of the
また、第二ドーパント材109のN型ドーパント濃度は、第一ドーパント材106のP型ドーパント濃度に対して20%〜40%に設定するのが好ましい。N型ドーパント濃度が20%より小さい場合は、P型不純物を打ち消す効果が減少し、N型ドーパント濃度が40%以上の場合は、インゴット上部において比抵抗が大きく上昇したり、導電型の逆転が生じてしまうので好ましくない。
The N-type dopant concentration of the
さらには、複数回に分けて第二ドーパント材109をシリコン融液107中に供給しても構わない。
Further, the
なお、本発明の実施形態は上述の例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることはもちろんである。 It should be noted that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described example, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、溶融坩堝から鋳型103にシリコン融液107を注ぐ場合において、上記方法以外によって注いでも構わない。例えば、溶融坩堝の底部に排出口を設けて、底部からシリコン融液107を下部に設置した鋳型103内に注いでもよい。この場合、シリコン材料が完全に溶融する前に排出口から溶融前のシリコン材料や一部溶融したシリコン融液107が漏れないように、排出口付近に機械的な栓や排出口を塞ぐようなシリコン材料を設置するなど、注ぐことを制御することのできる注湯制御手段が設けられる。
For example, when the
また、上述の説明では、上方に溶融坩堝を備えた注湯式のシリコン鋳造装置として説明したが、これに限るものではなく、鋳型103の内部でシリコン材料を溶融してシリコン融液107を形成する鋳型内融解型のシリコン鋳造装置であっても構わない。鋳型103内でシリコン材料を投入し、鋳型103の底部や側面に設けた加熱手段によって第二ドーパント材109が塗布されている部分の加熱を抑えつつシリコン材料を溶融してシリコン融液107を形成することで、第二ドーパントがシリコン材料の溶融中に溶け込むことなく、凝固工程においてシリコン融液107の表面が上昇することにより、第二ドーパントがシリコン融液107中に溶け出すため本発明の効果を満たすことができる。
Further, in the above description, the pouring type silicon casting apparatus provided with the melting crucible on the upper side has been described. However, the present invention is not limited to this, and the silicon material is melted inside the
さらに、第一ドーパント材106がN型ドーパントであり、第一ドーパント材106と逆の導電型を有する第二ドーパント材109がP型ドーパントであっても本発明の効果を満たすことができる。また、N型ドーパントとしてはP(リン)、As(ヒ素)、Sb(アンチモン)などのドナー元素が用いられ、P型ドーパントとしてはB(ホウ素)、Ga(ガリウム)、In(インジウム)、Al(アルミニウム)などのアクセプタ元素が用いられる。
Furthermore, even if the
本発明に係る半導体インゴットを以下のように製造した。 A semiconductor ingot according to the present invention was manufactured as follows.
(実施例1)
離型材層108を内面に形成した石英製の鋳型103の側壁に、シリコン融液107の凝固率が50%〜100%の位置にN型シリコンの微細粉末と適当なバインダーから作製したスラリーを塗布した鋳型103(実施例)と、第二ドーパント材109を塗布しない鋳型(比較例)を準備し、シリコン鋳造装置の真空容器(不図示)内に配置した。
Example 1
A slurry made of fine N-type silicon powder and an appropriate binder is applied to the side wall of the
次いで、高純度石英製の溶融坩堝101aをグラファイト製の保持坩堝101bで保持し、溶融坩堝101a内に100kgのシリコン材料と、インゴット底部の比抵抗が1.5Ω・cmとなるように予め計算した所定量の第一ドーパント材106を収容し、加熱手段104によって溶融坩堝101a内のシリコン材料105と第一ドーパント106を加熱溶融して得られたシリコン融液107を、上述の条件にて準備した鋳型103内に注いだ。注いだ後、鋳型103内のシリコン融液107を底部から上部にかけて一方向凝固させて、多結晶シリコンインゴットを得た。次いで、得られたシリコンインゴットの中央縦断面を切断して、その断面の比抵抗値を4端子測定器にて測定した。
Next, the high-purity
(実施例2)
高純度石英からなる溶融坩堝1を黒鉛からなる保持坩堝2で保持し、溶融坩堝内に、100kgのシリコン材料と、鋳造したインゴット底部の比抵抗が1.5Ω・cmとなるように予め計算した所定量のホウ素からなる第一ドーパントを投入した。加熱手段104により坩堝内の材料を加熱融解してシリコン融液を形成し、石英製の鋳型5内に注湯した。シリコン融液9が注湯された鋳型5は凝固工程において、底部から冷却板7により抜熱し、上部から鋳型加熱手段8により加熱することで、底部から上部にかけての一方向凝固を開始した。そして、ビデオカメラを用いてシリコン融液の液面をモニタリングしてシリコン融液の凝固率を推定し、凝固率が50%となった時点で、第一ドーパントの濃度に対して20%の濃度のリンからなる第二ドーパントを鋳型5内に供給した。鋳型加熱手段8の出力を調整し、該第二ドーパントが完全に融解したことを確認した後にシリコン融液を凝固させ、多結晶シリコンインゴットを得た。次いで、得られたシリコンインゴットの中央縦断面を切断して、その断面の比抵抗値を4端子測定器にて測定した。
(Example 2)
The molten crucible 1 made of high-purity quartz was held by a holding crucible 2 made of graphite, and 100 kg of silicon material and the specific resistance at the bottom of the cast ingot were calculated in advance so that the specific resistance was 1.5 Ω · cm. A first dopant composed of a predetermined amount of boron was added. The material in the crucible was heated and melted by the heating means 104 to form a silicon melt, and poured into the quartz mold 5. In the solidification process, the mold 5 poured with the silicon melt 9 was removed from the bottom by the cooling plate 7 and heated from the top by the mold heating means 8 to start unidirectional solidification from the bottom to the top. Then, the surface of the silicon melt is monitored using a video camera to estimate the solidification rate of the silicon melt. When the solidification rate reaches 50%, the concentration of the first dopant is 20%. A second dopant comprising phosphorus was fed into the mold 5. After adjusting the output of the mold heating means 8 and confirming that the second dopant was completely melted, the silicon melt was solidified to obtain a polycrystalline silicon ingot. Subsequently, the center longitudinal cross section of the obtained silicon ingot was cut, and the specific resistance value of the cross section was measured with a four-terminal measuring instrument.
(比較例)
高純度石英からなる溶融坩堝1を黒鉛からなる保持坩堝2で保持し、溶融坩堝内に、100kgのシリコン材料と、鋳造したインゴット底部の比抵抗が1.5Ω・cmとなるように予め計算した所定量の第一のドーパント原料を投入した。上部加熱手段3aおよび側部加熱手段3bにより坩堝内の原料を加熱融解してシリコン融液を形成し、石英製の鋳型5内に注いだ。シリコン融液9が注がれた鋳型5は凝固工程において、底部から冷却板7により抜熱し、上部から鋳型加熱手段8により加熱することで、底部から上部にかけての一方向凝固を行い、シリコンインゴットを得た。次いで、得られたシリコンインゴットの中央縦断面を切断して、その断面の比抵抗値を4端子測定器にて測定した。
(Comparative example)
The molten crucible 1 made of high-purity quartz was held by a holding crucible 2 made of graphite, and 100 kg of silicon material and the specific resistance at the bottom of the cast ingot were calculated in advance so that the specific resistance was 1.5 Ω · cm. A predetermined amount of the first dopant raw material was charged. The raw material in the crucible was heated and melted by the upper heating means 3a and the side heating means 3b to form a silicon melt, which was poured into the quartz mold 5. In the solidification process, the mold 5 poured with the silicon melt 9 is removed from the bottom by the cooling plate 7 and heated from the top by the mold heating means 8 to perform unidirectional solidification from the bottom to the top. Got. Subsequently, the center longitudinal cross section of the obtained silicon ingot was cut, and the specific resistance value of the cross section was measured with a four-terminal measuring instrument.
図4に示すように、実施例1及び2の多結晶シリコンインゴットの上部と底部の比抵抗値の差は0.2Ω・cmであるのに対して、比較例のシリコンインゴットの上部と底部の比抵抗値の差は0.7Ω・cmとバラツキが大きいものであった。 As shown in FIG. 4, the difference in specific resistance between the top and bottom of the polycrystalline silicon ingots of Examples 1 and 2 is 0.2 Ω · cm, whereas the top and bottom of the silicon ingot of the comparative example The difference in specific resistance value was as large as 0.7 Ω · cm.
また、上記方法によって得られた多結晶シリコン基板(上記実施例及び比較例)を用いて、一般的なバルク型太陽電池素子を作製し、その特性として太陽電池素子の変換効率を評価した。その結果、実施例1及び2においては変換効率15.9%となったが、比較例では、15.4%であった。このように、実施例の多結晶シリコン基板を用いて形成した太陽電池素子は、従来例のものよりも良好な特性が得られたが、これは、本発明の半導体インゴットの製造方法を用いて形成されたシリコンインゴットは、不純物濃度が均一で比抵抗バラツキが小さい品質を有するとともに、主添加材であるイオン半径が小さいボロンが存在する近傍に、イオン半径が大きいリンをドープしたことにより歪軽減され、これによる応力誘起転位の影響が小さくなったものと推測される。 Moreover, the general bulk type solar cell element was produced using the polycrystalline silicon substrate (the said Example and comparative example) obtained by the said method, and the conversion efficiency of the solar cell element was evaluated as the characteristic. As a result, in Examples 1 and 2, the conversion efficiency was 15.9%, but in the comparative example, it was 15.4%. As described above, the solar cell element formed using the polycrystalline silicon substrate of the example obtained better characteristics than those of the conventional example, but this was achieved using the method for manufacturing a semiconductor ingot of the present invention. The formed silicon ingot has the quality of uniform impurity concentration and small specific resistance variation, and distortion is reduced by doping phosphorus with a large ionic radius in the vicinity of boron with a small ionic radius as the main additive. Therefore, it is presumed that the effect of stress-induced dislocations is reduced.
101a:溶融坩堝
101b:保持坩堝
102 :注湯口
103 :鋳型
104 :加熱手段
105 :シリコン材料(半導体材料)
106 :第一ドーパント材
107 :シリコン融液(半導体融液)
108 :離型材層
109 :第二ドーパント材
110 :鋳型断熱材
111 :冷却手段
112 :鋳型加熱手段
101a: melting
106: First dopant material 107: Silicon melt (semiconductor melt)
108: Release material layer 109: Second dopant material 110: Mold heat insulating material 111: Cooling means 112: Mold heating means
Claims (3)
前記凝固過程で、前記第一導電型と逆の第二導電型を規定する第二ドーパント材を、前記半導体融液中に供給することを特徴とする半導体インゴットの製造方法。 In a method for producing a semiconductor ingot obtained by solidifying a semiconductor melt containing a first dopant material defining a first conductivity type in a predetermined direction in a mold,
A method for producing a semiconductor ingot, wherein a second dopant material defining a second conductivity type opposite to the first conductivity type is supplied into the semiconductor melt in the solidification process.
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2005
- 2005-03-29 JP JP2005096341A patent/JP2006273668A/en active Pending
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