JP2009167052A - Method for manufacturing single crystal silicon particle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、太陽電池等の光電変換装置に好適に用いられる単結晶シリコン粒子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing single crystal silicon particles suitably used for a photoelectric conversion device such as a solar cell.
光電変換装置は、光電変換効率等の性能の向上、シリコン等の半導体資源の有限性への配慮、製造コストの低減化等の市場ニーズに沿った開発が進められている。今後の市場において有望な光電変換装置の一つとして、太陽電池として使用される、結晶シリコン粒子等の結晶半導体粒子を用いた光電変換装置がある。 Photoelectric conversion devices are being developed in line with market needs such as improvement in performance such as photoelectric conversion efficiency, consideration of the finite nature of semiconductor resources such as silicon, and reduction in manufacturing costs. As one of promising photoelectric conversion devices in the future market, there is a photoelectric conversion device using crystalline semiconductor particles such as crystalline silicon particles used as a solar cell.
結晶シリコン粒子を製造するための原料としては、単結晶シリコンを粉砕した結果として発生するシリコンの微小粒子、または流動床法で気相合成された高純度シリコン等が用いられる。これらの原料から結晶シリコン粒子を製造するには、それらの原料をサイズまたは重量によって分別した後に、赤外線または高周波を用いて容器内で溶融し、その後に自由落下させる方法(例えば、特許文献1,2を参照)、または高周波プラズマを用いて容器内で溶融し、その後に自由落下させる方法(例えば、特許文献3を参照)によって、行うことができる。
しかしながら、上記従来の方法で製造された結晶シリコン粒子は、そのほとんどが多結晶シリコン粒子である。多結晶シリコン粒子は、微小な単結晶の集合体であるため、微小な単結晶間に粒界が存在する。この粒界は、多結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置の光電変換効率等の電気的特性を劣化させる。その理由は、粒界にはキャリアの再結合中心が集まっており、それによってキャリアの再結合が生ずることによって少数キャリアのライフタイムが大幅に低減するというものである。 However, most of the crystalline silicon particles produced by the conventional method are polycrystalline silicon particles. Since polycrystalline silicon particles are aggregates of minute single crystals, there are grain boundaries between the minute single crystals. This grain boundary deteriorates electrical characteristics such as photoelectric conversion efficiency of a photoelectric conversion device using polycrystalline silicon particles. The reason is that the recombination centers of carriers are gathered at the grain boundaries, and the recombination of carriers thereby causes the lifetime of minority carriers to be greatly reduced.
光電変換装置のように電気的特性が少数キャリアの寿命の増大とともに大幅に向上するものの場合、それに用いられる結晶シリコン粒子中の粒界の存在は、電気的特性を劣化させる。従って、結晶シリコン粒子を単結晶シリコン粒子として使用することができれば、光電変換装置の電気的特性を大幅に改善することができる。 In the case where the electrical characteristics are greatly improved with the increase of the minority carrier lifetime as in the photoelectric conversion device, the presence of the grain boundary in the crystalline silicon particles used for them deteriorates the electrical characteristics. Therefore, if the crystalline silicon particles can be used as single crystal silicon particles, the electrical characteristics of the photoelectric conversion device can be greatly improved.
また、多結晶シリコン粒子中の粒界は多結晶シリコン粒子の機械的強度を低下させることから、光電変換装置を製造する各工程の熱履歴、熱歪み、機械的な圧力等によって多結晶シリコン粒子が破壊され易いという問題点もあった。 In addition, since the grain boundaries in the polycrystalline silicon particles lower the mechanical strength of the polycrystalline silicon particles, the polycrystalline silicon particles are affected by the thermal history, thermal strain, mechanical pressure, etc. of each process of manufacturing the photoelectric conversion device. There was also a problem that was easily destroyed.
従って、結晶シリコン粒子を用いて光電変換装置を製造する場合、粒界等が存在しない、結晶性に優れた単結晶シリコン粒子を製造することがきわめて重要になる。 Therefore, when manufacturing a photoelectric conversion device using crystalline silicon particles, it is extremely important to manufacture single crystal silicon particles having no crystal grain boundaries and excellent crystallinity.
単結晶シリコン粒子を得る方法として、多結晶シリコン粒子または無定形シリコン粒子の表面にシリコンの酸化膜等の珪素化合物被膜を形成し、その珪素化合物被膜の内側のシリコンを溶融した後に冷却して固化させて、結晶性に優れた多結晶体または単結晶体から成る結晶シリコン粒子を製造する方法が知られている(例えば、特許文献4を参照)。 As a method for obtaining single crystal silicon particles, a silicon compound film such as a silicon oxide film is formed on the surface of polycrystalline silicon particles or amorphous silicon particles, and the silicon inside the silicon compound film is melted and then cooled and solidified. Thus, a method for producing crystalline silicon particles composed of a polycrystal or a single crystal having excellent crystallinity is known (see, for example, Patent Document 4).
しかしながら、多結晶シリコン粒子を加熱してその表面に形成された珪素化合物被膜、具体的には酸化珪素被膜の内側のシリコンを溶融させ、その後に凝固させた場合、シリコンの溶融の際に隣接した多結晶シリコン粒子同士が合体してしまうという問題点があった。また、この場合、チョクラルスキー法(CZ法)、フローティングゾーン法(FZ法)等の一般的なバルクのシリコン単結晶を製造する方法において使用される種結晶のような凝固起点がないため、一方向に凝固が起こらず、多数の核の発生による多結晶化が起こるという問題点がある。また、多結晶シリコン粒子を用いた光電変換装置は、特性劣化を引き起こすという問題点がある。 However, when the polycrystalline silicon particles are heated to melt the silicon compound film formed on the surface, specifically, the silicon inside the silicon oxide film and then solidified, the silicon particles are adjacent to each other when the silicon melts. There was a problem that the polycrystalline silicon particles were united. In this case, since there is no solidification starting point like a seed crystal used in a method for producing a general bulk silicon single crystal such as the Czochralski method (CZ method) or the floating zone method (FZ method), There is a problem that solidification does not occur in one direction and polycrystallization occurs due to the generation of a large number of nuclei. In addition, a photoelectric conversion device using polycrystalline silicon particles has a problem of causing characteristic deterioration.
また、結晶シリコン粒子を製造する際に、流動床法により気相合成された高純度の多結晶シリコン粒子を原料に用いた場合、多結晶リシコン粒子の出発原料に含まれる鉄、ニッケル等の金属不純物、また製造工程中に外部から混入する同様の金属不純物による汚染が問題となる。金属不純物は、シリコン中では化学的な結合手を持たない格子間拡散をすることから、シリコン格子の隙間を縫って不純物原子が拡散する。そして、拡散した金属不純物はシリコン内で深い準位を形成してキャリアの再結合中心として作用し、リーク電流の増加、光電変換によって生じたキャリアのライフタイムの低下の原因となって光劣化を引き起こす。 In addition, when producing crystalline silicon particles, if high-purity polycrystalline silicon particles synthesized in a gas phase by a fluidized bed method are used as raw materials, metals such as iron and nickel contained in the starting raw material of polycrystalline silicon particles Contamination due to impurities and similar metal impurities mixed from the outside during the manufacturing process becomes a problem. Since the metal impurity diffuses between the lattices having no chemical bond in silicon, the impurity atoms are diffused by sewing the gaps in the silicon lattice. The diffused metal impurity forms a deep level in silicon and acts as a carrier recombination center, resulting in an increase in leakage current and a decrease in carrier lifetime caused by photoelectric conversion. cause.
即ち、従来の結晶シリコン粒子の製造方法では、所望の高品質な単結晶シリコン粒子を製造することは困難であり、それによって得られた結晶シリコン粒子を用いて電気的特性に優れた光電変換装置を製造することは困難であった。 That is, it is difficult to produce desired high-quality single-crystal silicon particles by the conventional method for producing crystalline silicon particles, and the photoelectric conversion device having excellent electrical characteristics using the obtained crystalline silicon particles It was difficult to manufacture.
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、不純物の含有量を大幅に低減した球状に近似した形状の単結晶シリコン粒子を、多数個を一括的に製造できる結果、簡易的にまた低コストに単結晶シリコン粒子を製造することができる単結晶シリコン粒子の製造方法を提供することである。 Therefore, the present invention has been completed in view of the above-mentioned conventional problems, and the object thereof is to collect a large number of single crystal silicon particles having a shape approximating a sphere with a significantly reduced impurity content. As a result, it is possible to provide a method for producing single crystal silicon particles that can be produced simply and at low cost.
本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は、不純物が偏析した突起部を有するとともに表面に酸窒化膜が形成された単結晶シリコン粒子の前記突起部を、前記表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去するものである。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, the protrusions of the single crystal silicon particles having protrusions with segregated impurities and having an oxynitride film formed on the surface thereof are not substantially altered by processing. It is removed by polishing.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記研磨加工はバレル研磨加工である。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the polishing process is a barrel polishing process.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記バレル研磨加工は、直径が前記単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process uses an abrasive having a spherical shape having a diameter three to thirty times that of the single crystal silicon particles.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記研磨材は、材質がアルミナ,窒化珪素,炭化珪素,ムライト,シリカ及びジルコニアのうち少なくとも1種を含むものである。 In the method for producing single crystal silicon particles according to the present invention, preferably, the abrasive material includes at least one of alumina, silicon nitride, silicon carbide, mullite, silica and zirconia.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記バレル研磨加工は、バレルの回転速度が50乃至500rpmである。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process has a barrel rotation speed of 50 to 500 rpm.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は、坩堝のノズル部からシリコン融液を粒状に排出し、この粒状のシリコン融液を冷却して凝固させることによって、不純物が偏析した尖頭部を有する擬似単結晶化された結晶シリコン粒子を製造する工程と、前記結晶シリコン粒子の前記尖頭部を除去する工程と、前記結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜を形成する工程と、前記結晶シリコン粒子を加熱して酸窒化膜の内側を再溶融させ凝固させることによって、不純物が偏析した突起部を有するとともに表面に酸窒化膜が形成された単結晶シリコン粒子を製造する工程と、前記単結晶シリコン粒子の前記突起部を、前記表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去する工程と、を具備するものである。 Further, the method for producing single crystal silicon particles of the present invention is a method in which the silicon melt is discharged in a granular form from the nozzle portion of the crucible, and the granular silicon melt is cooled and solidified to thereby cause impurities to segregate. Manufacturing the quasi-single-crystallized crystalline silicon particles having: removing the cusps of the crystalline silicon particles; forming an oxynitride film on the surface of the crystalline silicon particles; Heating the silicon particles to remelt and solidify the inside of the oxynitride film to produce single crystal silicon particles having protrusions with segregated impurities and having an oxynitride film formed on the surface; Removing the protrusions of the crystalline silicon particles by polishing without substantially altering the surface.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記研磨加工はバレル研磨加工である。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the polishing process is a barrel polishing process.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記バレル研磨加工は、直径が前記単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process uses an abrasive having a spherical shape having a diameter three to thirty times that of the single crystal silicon particles.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記研磨材は、材質がアルミナ,窒化珪素,炭化珪素,ムライト,シリカ及びジルコニアのうち少なくとも1種を含むものである。 In the method for producing single crystal silicon particles according to the present invention, preferably, the abrasive material includes at least one of alumina, silicon nitride, silicon carbide, mullite, silica and zirconia.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記バレル研磨加工は、バレルの回転速度が50乃至500rpmである。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process has a barrel rotation speed of 50 to 500 rpm.
本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は、不純物が偏析した突起部を有するとともに表面に酸窒化膜が形成された単結晶シリコン粒子の前記突起部を、前記表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去することから、原料に含まれていた鉄,ニッケル等の金属不純物及び製造工程で入り込んだ炭素等の不純物を、突起部を除去することによって除去することができるとともに、酸窒化膜によって表面が保護された単結晶シリコン粒子から表面を実質的に加工変質させずに突起部を除去することができる。その結果、後に酸窒化膜をエッチング等によって除去した際に、単結晶シリコン粒子の表面に先端部が丸みを帯びた凸部を有する微細な凹凸を形成することができる。従って、単結晶シリコン粒子を用いて光電変換装置を作製する際に、単結晶シリコン粒子を導電性基板に押圧して接合するときに押圧に用いられる治具と接することによって生じる、単結晶シリコン粒子の表層部の第2導電型の半導体部の削れの発生を低減でき、優れた光電変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, the protrusions of the single crystal silicon particles having protrusions with segregated impurities and having an oxynitride film formed on the surface thereof are not substantially altered by processing. In addition, the metal impurities such as iron and nickel contained in the raw material and the impurities such as carbon introduced in the manufacturing process can be removed by removing the protrusions and oxynitriding. The protrusions can be removed from the single crystal silicon particles whose surface is protected by the film without substantially modifying the surface. As a result, when the oxynitride film is later removed by etching or the like, fine irregularities having convex portions with rounded tips can be formed on the surface of the single crystal silicon particles. Therefore, when producing a photoelectric conversion device using single crystal silicon particles, single crystal silicon particles generated by contacting the jig used for pressing when the single crystal silicon particles are pressed and joined to the conductive substrate. The occurrence of abrasion of the second conductivity type semiconductor portion of the surface layer portion can be reduced, and a photoelectric conversion device having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
また、突起部が除去されることによって、単結晶シリコン粒子は真球状に近い形状となり、光電変換装置を製造する際に導電性基板上に多数の単結晶シリコン粒子を位置精度を高めて配列できる。その結果、光電変換装置の光電変換効率等の電気的特性が向上する。 Further, by removing the protrusions, the single crystal silicon particles have a nearly spherical shape, and a large number of single crystal silicon particles can be arranged on the conductive substrate with high positional accuracy when manufacturing a photoelectric conversion device. . As a result, electrical characteristics such as photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device are improved.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記研磨加工はバレル研磨加工であることから、多数の単結晶シリコン粒子を回転するバレル内において互いに擦れ合わせることにより、効率的に突起部を除去することができる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the polishing process is a barrel polishing process. Therefore, by efficiently rubbing a large number of single crystal silicon particles with each other in a rotating barrel, protrusions can be efficiently performed. Part can be removed.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、バレル研磨加工は、直径が単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いることから、単結晶シリコン粒子の表面に、擦れ合うことによって発生する加工変質層が実質的に形成されないようにすることができる。即ち、直径が単結晶シリコン粒子よりも大きい球状の研磨材は、直径が単結晶シリコン粒子よりも小さい球状の研磨材と比べて、単結晶シリコン粒子と擦れ合っても単結晶シリコン粒子の表面を傷付けて加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。さらに、直径が単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いることによって、単結晶シリコン粒子と擦れ合っても単結晶シリコン粒子の表面を傷付けて加工変質層が形成されるのをより効果的に抑制できる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process uses an abrasive having a spherical shape whose diameter is 3 to 30 times that of the single crystal silicon particles. In addition, the work-affected layer generated by rubbing can be substantially prevented from being formed. In other words, a spherical abrasive having a diameter larger than that of single crystal silicon particles, compared with a spherical abrasive having a diameter smaller than that of single crystal silicon particles, does not cause the surface of single crystal silicon particles to be affected by rubbing with single crystal silicon particles. It can suppress effectively that a process-affected layer is formed by scratching. Further, by using an abrasive having a spherical shape that is 3 to 30 times the diameter of the single crystal silicon particles, even if the abrasive is rubbed with the single crystal silicon particles, the surface of the single crystal silicon particles is damaged and a work-affected layer is formed. Can be suppressed more effectively.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、研磨材は、材質がアルミナ,窒化珪素,炭化珪素,ムライト,シリカ及びジルコニアのうち少なくとも1種を含むものであることから、これらの材質から成る研磨材は、単結晶シリコン粒子よりも硬度が低く、単結晶シリコン粒子の表面に加工変質層を形成せずに突起部を除去できる。 In the method for producing single crystal silicon particles according to the present invention, preferably, the abrasive is made of at least one of alumina, silicon nitride, silicon carbide, mullite, silica, and zirconia. The resulting abrasive has a lower hardness than the single crystal silicon particles, and the protrusions can be removed without forming a work-affected layer on the surface of the single crystal silicon particles.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、バレル研磨加工は、バレルの回転速度が50乃至500rpmであることから、単結晶シリコン粒子の表面から効率的に突起部を除去できるとともに、単結晶シリコン粒子の表面に加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process has a barrel rotation speed of 50 to 500 rpm, so that the protrusions can be efficiently removed from the surface of the single crystal silicon particles. The formation of a work-affected layer on the surface of single crystal silicon particles can be effectively suppressed.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は、坩堝のノズル部からシリコン融液を粒状に排出し、この粒状のシリコン融液を冷却して凝固させることによって、不純物が偏析した尖頭部を有する擬似単結晶化された結晶シリコン粒子を製造する工程と、結晶シリコン粒子の尖頭部を除去する工程と、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜を形成する工程と、結晶シリコン粒子を加熱して酸窒化膜の内側を再溶融させ凝固させることによって、不純物が偏析した突起部を有するとともに表面に酸窒化膜が形成された単結晶シリコン粒子を製造する工程と、単結晶シリコン粒子の突起部を、表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去する工程と、を具備することから、不純物が偏析した尖頭部を有する擬似単結晶化された結晶シリコン粒子から尖頭部を除去し、さらに不純物が偏析した突起部を有する単結晶シリコン粒子から突起部を除去するため、不純物濃度が大幅に低減された良好な結晶性を有する単結晶シリコン粒子が得られる。 Further, the method for producing single crystal silicon particles of the present invention is a method in which the silicon melt is discharged in a granular form from the nozzle portion of the crucible, and the granular silicon melt is cooled and solidified to thereby cause impurities to segregate. A step of manufacturing quasi-single-crystallized crystalline silicon particles having a shape, a step of removing the tip of the crystalline silicon particles, a step of forming an oxynitride film on the surface of the crystalline silicon particles, and heating the crystalline silicon particles And re-melting and solidifying the inside of the oxynitride film to produce single crystal silicon particles having protrusions with segregated impurities and having an oxynitride film formed on the surface, and protrusions of the single crystal silicon particles And a step of removing the portion by polishing without substantially modifying the surface, so that a quasi-single-crystallized crystalline silicon having a pointed head where impurities are segregated is provided. In order to remove the protrusions from the single crystal silicon particles having protrusions with segregated impurities, the single crystal silicon particles having good crystallinity with greatly reduced impurity concentration are obtained. can get.
また、後に酸窒化膜をエッチング等によって除去した際に、単結晶シリコン粒子の表面に先端部が丸みを帯びた凸部を有する微細な凹凸を形成することができる。従って、単結晶シリコン粒子を用いて光電変換装置を作製する際に、単結晶シリコン粒子を導電性基板に押圧して接合するときに押圧に用いられる治具と接することによって生じる、単結晶シリコン粒子の表層部の第2導電型の半導体部の削れの発生を低減でき、優れた光電変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。 Further, when the oxynitride film is later removed by etching or the like, fine irregularities having convex portions with rounded tips can be formed on the surface of the single crystal silicon particles. Therefore, when producing a photoelectric conversion device using single crystal silicon particles, single crystal silicon particles generated by contacting the jig used for pressing when the single crystal silicon particles are pressed and joined to the conductive substrate. The occurrence of abrasion of the second conductivity type semiconductor portion of the surface layer portion can be reduced, and a photoelectric conversion device having excellent photoelectric conversion efficiency can be obtained.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、前記研磨加工はバレル研磨加工であることから、多数の単結晶シリコン粒子を回転するバレル内において互いに擦れ合わせることにより、効率的に突起部を除去することができる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the polishing process is a barrel polishing process. Therefore, by efficiently rubbing a large number of single crystal silicon particles with each other in a rotating barrel, protrusions can be efficiently performed. Part can be removed.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、バレル研磨加工は、直径が単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いることから、単結晶シリコン粒子の表面に、擦れ合うことによって発生する加工変質層が実質的に形成されないようにすることができる。即ち、直径が単結晶シリコン粒子よりも大きい球状の研磨材は、直径が単結晶シリコン粒子よりも小さい球状の研磨材と比べて、単結晶シリコン粒子と擦れ合っても単結晶シリコン粒子の表面を傷付けて加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。従って、直径が単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いることによって、単結晶シリコン粒子と擦れ合っても単結晶シリコン粒子の表面を傷付けて加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process uses an abrasive having a spherical shape whose diameter is 3 to 30 times that of the single crystal silicon particles. In addition, the work-affected layer generated by rubbing can be substantially prevented from being formed. In other words, a spherical abrasive having a diameter larger than that of single crystal silicon particles, compared with a spherical abrasive having a diameter smaller than that of single crystal silicon particles, does not cause the surface of single crystal silicon particles to be affected by rubbing with single crystal silicon particles. It can suppress effectively that a process-affected layer is formed by scratching. Therefore, by using an abrasive having a spherical shape that is 3 to 30 times the diameter of the single crystal silicon particles, the surface of the single crystal silicon particles is scratched even if they are rubbed with the single crystal silicon particles, thereby forming a work-affected layer. Can be effectively suppressed.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、研磨材は、材質がアルミナ,窒化珪素,炭化珪素,ムライト,シリカ及びジルコニアのうち少なくとも1種を含むものであることから、これらの材質から成る研磨材は、単結晶シリコン粒子よりも硬度が低く、単結晶シリコン粒子の表面に加工変質層を形成せずに突起部を除去できる。 In the method for producing single crystal silicon particles according to the present invention, preferably, the abrasive is made of at least one of alumina, silicon nitride, silicon carbide, mullite, silica, and zirconia. The resulting abrasive has a lower hardness than the single crystal silicon particles, and the protrusions can be removed without forming a work-affected layer on the surface of the single crystal silicon particles.
また、本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法は好ましくは、バレル研磨加工は、バレルの回転速度が50乃至500rpmであることから、単結晶シリコン粒子の表面から効率的に突起部を除去できるとともに、単結晶シリコン粒子の表面に加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。 In the method for producing single crystal silicon particles of the present invention, preferably, the barrel polishing process has a barrel rotation speed of 50 to 500 rpm, so that the protrusions can be efficiently removed from the surface of the single crystal silicon particles. The formation of a work-affected layer on the surface of single crystal silicon particles can be effectively suppressed.
以下、本実施の形態の単結晶シリコン粒子の製造方法について詳細に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the single crystal silicon particle of this Embodiment is demonstrated in detail.
図1は、本実施の形態の単結晶シリコン粒子の製造方法の1例を示し、単結晶シリコン粒子の製造方法に用いるバレル研磨装置の断面図である。図2は、単結晶シリコン粒子3の断面図である。
FIG. 1 shows an example of a method for producing single crystal silicon particles according to the present embodiment, and is a cross-sectional view of a barrel polishing apparatus used in the method for producing single crystal silicon particles. FIG. 2 is a cross-sectional view of the single
本実施の形態(第1の実施の形態)の単結晶シリコン粒子の製造方法は、不純物が偏析した突起部12を有するとともに表面に酸窒化膜11が形成された単結晶シリコン粒子3の突起部12を、単結晶シリコン粒子3の表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去する。
The method for producing single crystal silicon particles according to the present embodiment (first embodiment) has a protrusion 12 having impurities segregated and a protrusion of single
上記の構成により、原料に含まれていた鉄,ニッケル等の金属不純物及び製造工程で入り込んだ炭素等の不純物を、突起部12を除去することによって除去することができるとともに、酸窒化膜11によって表面が保護された単結晶シリコン粒子3から表面を実質的に加工変質させずに突起部12を除去することができる。その結果、後に酸窒化膜11をエッチング等によって除去した際に、単結晶シリコン粒子3の表面に先端部が丸みを帯びた凸部を有する微細な凹凸を形成することができる。従って、単結晶シリコン粒子3を用いて光電変換装置を作製する際に、単結晶シリコン粒子3を導電性基板に押圧して接合するときに押圧に用いられる治具と接することによって生じる、単結晶シリコン粒子3の表層部の第2導電型の半導体部の削れの発生を低減でき、優れた光電変換効率を有する光電変換装置を得ることができる。また、突起部12が除去されることによって、単結晶シリコン粒子3は真球状に近い形状となり、光電変換装置を製造する際に導電性基板上に多数の単結晶シリコン粒子3を位置精度を高めて配列できる。その結果、光電変換装置の光電変換効率等の電気的特性が向上する。
With the above configuration, metal impurities such as iron and nickel contained in the raw material and impurities such as carbon introduced in the manufacturing process can be removed by removing the protrusions 12, and the oxynitride film 11 The protrusion 12 can be removed from the single
酸窒化膜11をエッチングによって除去するためのエッチング処理に用いられるエッチング処理溶液は、水酸化ナトリウムと、イソプロピルアルコール、ラウリル酸及びn−オクタン酸からなる群から選ばれる少なくとも1種と、を含むことが好ましい。これにより、エッチング処理溶液のエッチングの異方性が低くなるため、得られる凸部の先端を緩やかな曲面状に制御することができる。 The etching treatment solution used for the etching treatment for removing the oxynitride film 11 by etching contains sodium hydroxide and at least one selected from the group consisting of isopropyl alcohol, lauric acid and n-octanoic acid. Is preferred. Thereby, since the anisotropy of etching of the etching treatment solution is lowered, the tip of the obtained convex portion can be controlled to have a gently curved shape.
さらに、本実施の形態(第2の実施の形態)の単結晶シリコン粒子の製造方法は、坩堝のノズル部からシリコン融液を粒状に排出し、この粒状のシリコン融液を冷却して凝固させることによって、不純物が偏析した尖頭部を有する擬似単結晶化された結晶シリコン粒子を製造する工程と、結晶シリコン粒子の尖頭部を除去する工程と、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜11を形成する工程と、結晶シリコン粒子を加熱して酸窒化膜11の内側を再溶融させ凝固させることによって、不純物が偏析した突起部12を有するとともに表面に酸窒化膜11が形成された単結晶シリコン粒子3を製造する工程と、単結晶シリコン粒子3の突起部12を、表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去する工程と、を具備する。
Furthermore, in the method for producing single crystal silicon particles of the present embodiment (second embodiment), the silicon melt is discharged in a granular form from the nozzle portion of the crucible, and the granular silicon melt is cooled and solidified. Thus, a step of manufacturing the quasi-single-crystallized crystalline silicon particles having a cusp with segregated impurities, a step of removing the cusp of the crystalline silicon particle, and the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particle And a step of heating the crystalline silicon particles to remelt and solidify the inside of the oxynitride film 11 to thereby have a projection 12 having segregated impurities and a single crystal having the oxynitride film 11 formed on the surface thereof A step of manufacturing the
この場合、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜11を形成する工程において、窒素ガスおよび酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子をシリコンの融点以下の温度に加熱して、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜11を形成する。次に、窒素ガスおよび酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子を加熱して酸窒化膜11の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化し、次に、単結晶シリコン粒子3の突起部12を研磨加工により除去する。
In this case, in the step of forming the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particles, the crystalline silicon particles are below the melting point of silicon in an atmospheric gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or an atmospheric gas containing nitrogen gas as a main component. By heating to a temperature, an oxynitride film 11 is formed on the surface of the crystalline silicon particles. Next, the crystalline silicon particles are heated in an atmosphere gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or in an atmosphere gas composed of oxygen gas and inert gas to melt the silicon inside the oxynitride film 11 and to cool and solidify. Then, the single crystallization is performed, and then the protrusions 12 of the single
単結晶シリコン粒子3の突起部12は、結晶シリコン粒子を加熱して酸窒化膜11の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させた際に、酸窒化膜11の内側のシリコンが体積膨張を起こすことによって形成される。
The protrusions 12 of the single
まず、結晶シリコン粒子の材料として、半導体集積回路等に用いられる半導体の品質である半導体グレード、またはソーラーグレードの結晶シリコンを用い、これを赤外線や高周波誘導コイルまたは抵抗加熱等によって容器内で溶融し、しかる後に溶融したシリコンを粒状のシリコン融液として自由落下させる溶融落下法(ジェット法)等によって多結晶の結晶シリコン粒子を得る。 First, as the material of the crystalline silicon particles, semiconductor grade, which is the quality of semiconductors used in semiconductor integrated circuits, or solar grade crystalline silicon is used, and this is melted in a container by infrared rays, high frequency induction coils or resistance heating. Thereafter, polycrystalline crystalline silicon particles are obtained by a melt dropping method (jet method) or the like in which the molten silicon is freely dropped as a granular silicon melt.
溶融落下法に用いる結晶シリコン粒子の製造装置(ジェット装置)において、溶融シリコンを収容する坩堝は、シリコンの融点より高い融点を有する材料から成る。また坩堝は、シリコン融液との反応性が小さい材料からなることが好ましく、シリコン融液との反応が大きい場合、坩堝の材料が不純物として結晶シリコン粒子中へ多量に混入することとなるため好ましくない。 In a crystal silicon particle manufacturing apparatus (jet apparatus) used in the melt-drop method, a crucible containing molten silicon is made of a material having a melting point higher than that of silicon. The crucible is preferably made of a material having low reactivity with the silicon melt. When the reaction with the silicon melt is large, the crucible material is preferably mixed in the crystalline silicon particles in a large amount as an impurity. Absent.
例えば、坩堝の材料としては、炭素,炭化珪素質焼結体,炭化珪素結晶体,窒化ホウ素質焼結体,酸窒化珪素質焼結体,石英,水晶,窒化珪素質焼結体,酸化アルミニウム質焼結体,サファイア,酸化マグネシウム質焼結体等が好ましい。また、これらの材料の複合体、混合体または化合物体であってもよい。また、上記材料から成る基体の表面に炭化珪素膜,窒化珪素膜,酸化珪素膜をコーティングしたものでもよい。また、坩堝内において原料を融点以上に加熱する加熱方法としては、電磁誘導加熱法や抵抗加熱法等が、原料に直接接することなく急速に加熱できる方法であることから好適である。 For example, the material of the crucible includes carbon, silicon carbide sintered body, silicon carbide crystal, boron nitride sintered body, silicon oxynitride sintered body, quartz, quartz crystal, silicon nitride sintered body, aluminum oxide Sintered sapphire, sapphire, magnesium oxide sintered body and the like are preferable. Moreover, the composite of these materials, a mixture, or a compound body may be sufficient. Further, the surface of the substrate made of the above material may be coated with a silicon carbide film, a silicon nitride film, or a silicon oxide film. As a heating method for heating the raw material to the melting point or higher in the crucible, an electromagnetic induction heating method, a resistance heating method, or the like is preferable because it can be rapidly heated without directly contacting the raw material.
ノズル部は、炭化珪素(炭化珪素結晶体または炭化珪素質焼結体),窒化珪素(窒化珪素質焼結体)等から成る。 The nozzle portion is made of silicon carbide (silicon carbide crystal or silicon carbide sintered body), silicon nitride (silicon nitride sintered body), or the like.
溶融落下法で作製された多結晶の結晶シリコン粒子には、所望の導電型及び抵抗値にするために、通常は不純物(ドーパント)がドーピングされる。シリコンに対するドーパントとしては、ホウ素,アルミニウム,ガリウム,インジウム,リン,ヒ素,アンチモン等があるが、シリコンに対する偏析係数が大きい点、及びシリコン溶融時の蒸発係数が小さい点から、ホウ素あるいはリンを用いることが好ましい。また、ドーパント濃度としては、シリコンの結晶材料に1×1014〜1×1018atoms/cm3程度添加される。 Polycrystalline silicon particles produced by the melt drop method are usually doped with impurities (dopants) in order to obtain a desired conductivity type and resistance value. Examples of dopants for silicon include boron, aluminum, gallium, indium, phosphorus, arsenic, and antimony. However, boron or phosphorus should be used because it has a large segregation coefficient for silicon and a low evaporation coefficient when silicon is melted. Is preferred. The dopant concentration is about 1 × 10 14 to 1 × 10 18 atoms / cm 3 added to the silicon crystal material.
この溶融落下法によって結晶シリコン粒子を得た時点では、結晶シリコン粒子の形状は、ほぼ球形状の他に、涙滴型、流線形型、あるいは複数個の粒子が連結した連結型等である。溶融落下法によって得られたままの多結晶の結晶シリコン粒子を用いて光電変換装置を作製した場合、良好な光電変換特性は得られにくい。その原因は、多結晶の結晶シリコン粒子中に通常含有されているFe,Cr,Ni,Mo等の金属不純物、及び多結晶の結晶シリコン粒子の結晶粒界におけるキャリアの再結合効果によるものである。 At the time when the crystalline silicon particles are obtained by this melting and dropping method, the crystalline silicon particles have a substantially spherical shape, a teardrop type, a streamline type, or a connected type in which a plurality of particles are connected. When a photoelectric conversion device is manufactured using polycrystalline crystalline silicon particles as obtained by the melt drop method, it is difficult to obtain good photoelectric conversion characteristics. The cause is due to metallic impurities such as Fe, Cr, Ni, and Mo usually contained in the polycrystalline crystalline silicon particles, and the carrier recombination effect at the crystal grain boundaries of the polycrystalline crystalline silicon particles. .
これを改善するために、窒素ガス及び酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で、温度制御した加熱炉の中で多結晶の結晶シリコン粒子をシリコンの融点(1414℃)以下の温度(500〜1400℃)に加熱して、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜11を形成し、その後、窒素ガス及び酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子を加熱して、酸窒化膜11の内側のシリコンを溶融させて降温して凝固させて単結晶化する。結晶性を向上させるためにはこの工程を複数回繰り返す。 In order to improve this, polycrystalline crystalline silicon particles are melted at a melting point of silicon (1414 ° C.) in a temperature-controlled heating furnace in an atmosphere gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or an atmosphere gas containing nitrogen gas as a main component. ) The following temperature (500 to 1400 ° C.) is heated to form the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particles, and then the atmosphere gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or the atmosphere composed of oxygen gas and inert gas In the gas, the crystalline silicon particles are heated, and the silicon inside the oxynitride film 11 is melted, cooled, and solidified to form a single crystal. In order to improve crystallinity, this process is repeated several times.
この時点では、まだ単結晶シリコン粒子3は大小様々な突起部を有するものが多数存在し、このままでは取り扱いが非常に困難であるため、突起部12を有する単結晶シリコン粒子3を選別し取り除くか、突起部12を研磨加工等によって除去する必要がある。
At this point, there are still a number of single
さて、第2の実施の形態において、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜11を形成する工程の前に、不純物が偏析した尖頭部を有する擬似単結晶化された結晶シリコン粒子を製造する工程と、結晶シリコン粒子の尖頭部を除去する工程とを付与する。擬似単結晶化された結晶シリコン粒子は、形状が涙滴型であり、粒界が数個程度しかない単結晶に近い結晶品質を有するものである。 Now, in the second embodiment, before the step of forming the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particles, the step of manufacturing the quasi-single-crystallized crystalline silicon particles having a pointed head where impurities are segregated. And a step of removing the cusps of the crystalline silicon particles. The quasi-single-crystallized crystalline silicon particles are teardrop-shaped and have a crystal quality close to that of a single crystal having only a few grain boundaries.
形状が涙滴型で擬似単結晶化された結晶シリコン粒子は、以下のようにして製造歩留りを高くして製造できる。 Crystal silicon particles that are pseudo-single-crystallized in a teardrop shape can be manufactured with a high manufacturing yield as follows.
従来、溶融落下装置(ジェット装置)の上部に位置する坩堝のノズル部から排出された粒状のシリコン融液は、表面温度が急激に低下する過冷却状態(1214℃以下の温度状態)となり、その後粒状のシリコン融液の内部温度の影響で一旦シリコンの融点(1414℃)付近まで表面温度が高くなり、その後徐々に温度が低下し固化する。この際、過冷却状態の過冷却度(シリコンの融点(1414℃)−過冷却温度)が300℃程度以上と大きいために、粒状のシリコン融液の表面に多数の結晶核が発生し、多結晶の結晶シリコン粒子となる。また、殆どの結晶シリコン粒子の表面には、固化時の内部の体積膨張によって突起部が形成される。 Conventionally, the granular silicon melt discharged from the nozzle part of the crucible located at the upper part of the melting and dropping device (jet device) is in a supercooled state (temperature state of 1214 ° C. or lower) in which the surface temperature rapidly decreases, and thereafter Under the influence of the internal temperature of the granular silicon melt, the surface temperature once rises to near the melting point (1414 ° C.) of silicon, and then the temperature gradually decreases and solidifies. At this time, since the degree of supercooling in the supercooled state (melting point of silicon (1414 ° C.) − Supercooling temperature) is as large as about 300 ° C. or more, a large number of crystal nuclei are generated on the surface of the granular silicon melt. Crystalline crystalline silicon particles. In addition, protrusions are formed on the surface of most crystalline silicon particles due to internal volume expansion during solidification.
第2の実施の形態においては、過冷却度を40℃〜200℃程度と小さくすることにより、突起部の形成を抑制し、尖頭部を有する涙滴型の結晶シリコン粒子を製造する。涙滴型の結晶シリコン粒子には、最終固化部に尖頭部(尖った部分)が形成される。また、涙滴型の結晶シリコン粒子は、粒界が数個しかない単結晶に近い結晶品質を有する擬似単結晶粒子である。 In the second embodiment, by forming the supercooling degree as small as about 40 ° C. to 200 ° C., the formation of protrusions is suppressed, and teardrop-type crystalline silicon particles having a pointed head are manufactured. In the teardrop-type crystalline silicon particles, a pointed head (pointed portion) is formed in the final solidified portion. The teardrop-type crystalline silicon particles are pseudo single crystal particles having a crystal quality close to that of a single crystal having only a few grain boundaries.
過冷却度を小さくする手段としては、粒状のシリコン融液が落下する落下経路に過冷却度を制御するヒーターを設ける構成、坩堝から排出された直後の落下中の粒状のシリコン融液に酸化シリコン等の微粒子から成る結晶核を衝突させる方法等がある。 As a means for reducing the degree of supercooling, a heater for controlling the degree of supercooling is provided in the dropping path where the granular silicon melt falls, and silicon oxide is added to the dropping granular silicon melt immediately after being discharged from the crucible. There is a method of colliding crystal nuclei composed of fine particles such as.
また、尖頭部は、結晶シリコン粒子の尖頭部の先端点を含む領域であって、結晶シリコン粒子の体積の0.01〜16体積%程度の領域である。 Further, the cusp is a region including the tip of the cusp of the crystalline silicon particles, and is a region of about 0.01 to 16% by volume of the volume of the crystalline silicon particles.
なお、尖頭部あるいは突起部に含まれる炭素や窒素の不純物の濃度はSIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy:2次イオン質量分析)で結晶シリコン粒子の断面分析を行うことによって、確認することができる。 The concentration of carbon and nitrogen impurities contained in the apex or protrusion can be confirmed by performing a cross-sectional analysis of the crystalline silicon particles by SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy).
Fe,Ni,Cu等の金属不純物については、SIMSの検出下限以下の濃度であるためSIMSでは分析はできないが、偏析係数が炭素,窒素に比べ二桁以上小さいため、炭素,窒素のSIMS分析の結果から予想は可能である。それらの不純物の偏析状態については、結晶シリコン粒子の研磨断面をJIS規格Bエッチング液(HF:HNO3:CH3COOH:H2O=1:12.7:3:5.7(容積比))によりエッチングして、表面のエッチピットを観察することにより確認することができる。 Metal impurities such as Fe, Ni, and Cu cannot be analyzed by SIMS because the concentration is below the detection limit of SIMS. However, since the segregation coefficient is two orders of magnitude smaller than that of carbon and nitrogen, the SIMS analysis of carbon and nitrogen Prediction is possible from the results. As for the segregation state of these impurities, the polished cross-section of the crystalline silicon particles was changed to a JIS standard B etching solution (HF: HNO 3 : CH 3 COOH: H 2 O = 1: 12.7: 3: 5.7 (volume ratio). It can be confirmed by observing etch pits on the surface.
また、結晶シリコン粒子の尖頭部を除去する際に、尖頭部の表面から深さ20μm以上の部位を除去することがよい。尖頭部の表面から深さ20μm未満の部位を除去した場合、不純物の偏析部が残存する傾向がある。尖頭部の表面から深さ50μm以上の部位を除去した場合、尖頭部以外の結晶シリコン粒子の表面に損傷が生じる傾向がある。従って、尖頭部の表面から深さ20μm〜50μmの部位を除去することがよく、その場合、不純物を除去するとともに結晶欠陥の発生、金属不純物等の汚染を有効に低減することができる。 Further, when removing the cusp of the crystalline silicon particles, it is preferable to remove a part having a depth of 20 μm or more from the surface of the cusp. When a portion having a depth of less than 20 μm is removed from the surface of the pointed head, the segregated portion of impurities tends to remain. When a portion having a depth of 50 μm or more is removed from the surface of the cusp, damage tends to occur on the surface of the crystalline silicon particles other than the cusp. Accordingly, it is preferable to remove a portion having a depth of 20 μm to 50 μm from the surface of the pointed head. In this case, impurities can be removed and the occurrence of crystal defects and contamination of metal impurities can be effectively reduced.
尖頭部を除去する方法としては、機械的な研磨法によって除去する方法、エッチング液を用いたエッチング法によって除去する方法、ドライエッチング法等がある。 As a method for removing the pointed head, there are a method of removing by a mechanical polishing method, a method of removing by an etching method using an etching solution, a dry etching method and the like.
さて、第1及び第2の実施の形態において好ましくは、表面に酸窒化膜11が形成された単結晶シリコン粒子3の突起部を、単結晶シリコン粒子3の表面を実質的に加工変質させずに研磨加工によって除去するための研磨加工はバレル研磨加工である。これにより、多数の単結晶シリコン粒子3を回転するバレル内において互いに擦れ合わせることにより、効率的に突起部を除去することができる。
In the first and second embodiments, preferably, the protrusions of the single
バレル研磨加工による突起部12の除去について以下に説明する。図1は、本実施の形態の結晶シリコン粒子の製造方法に用いるバレル研磨装置の断面図である。図1において、1はバレルポット、2は研磨材、3は単結晶シリコン粒子、4はバレルポットの回転の中心軸(回転軸)、5はバレルポットの蓋である。バレルポット1の中に結晶シリコン粒子3、研磨材2及び水が投入され、バレルポット1が中心軸4を中心として回転する。
The removal of the protrusion 12 by barrel polishing will be described below. FIG. 1 is a cross-sectional view of a barrel polishing apparatus used in the method for producing crystalline silicon particles of the present embodiment. In FIG. 1, 1 is a barrel pot, 2 is an abrasive, 3 is single crystal silicon particles, 4 is a central axis (rotation axis) of rotation of the barrel pot, and 5 is a lid of the barrel pot.
さらに、バレルポット1は中心軸4を中心に回転するとともに、水平方向への往復直線運動、垂直方向への往復直線運動、水平方向及び垂直方向以外の方向への往復直線運動、公転軸周りの回転運動などの他の運動を伴ってもよい。バレルポット1は、単結晶シリコン粒子3及び研磨材2の欠け、クラック及び変質を防ぐために、硬質のゴム等のような弾性材料から成ることが好ましく、さらに研磨加工による摩擦により温度が上昇するため、100℃以上の融点を有する耐熱性のものが良い。また、バレルポット1の形状は円筒状、角筒状でもよく、バレルポット1の内容物が外に漏れ出ないように蓋5を設けてもよい。蓋5は、バレルポット1と同様の材料から成るが、変形防止のために蓋5の上面及び側面にステンレススチール等から成る硬質の保護層(保護板)を設けてもよい。
In addition, the
また、単結晶シリコン粒子3の突起部12を研磨加工によって除去するには、例えば、平均粒径約3mmの窒化珪素から成る研磨材2をバレルポット1内に容積の半分ほど収容し、単結晶シリコン粒子3を体積割合で研磨材2の10分の1乃至100分の1程度投入し、蓋5をセットしたバレルポット1を50乃至500rpmの好適な回転速度で回転させ、10乃至60分研磨加工を行う。これにより、単結晶シリコン粒子3の突起部12が、単結晶シリコン粒子3の表面を実質的に加工変質させずに除去される。
Further, in order to remove the protrusions 12 of the single
単結晶シリコン粒子3の表面を実質的に加工変質させないとは、単結晶シリコン粒子3の表面に深さ1μm程度以下のわずかな傷が付いていてもよいという意味である。また、加工変質層は、一般に、表面側から非晶質層、多結晶層、モザイク層、クラック層、歪層等が存在する構成のものであり、これらの5つの層を合わせて加工変質層と呼ぶ。本実施の形態においては、酸窒化膜により単結晶シリコン粒子3の表面の加工変質を防ぎ、最表面の非晶質層のみが形成される程度の研磨加工を行う。従って、単結晶シリコン粒子3の表面を実質的に加工変質させないとは、単結晶シリコン粒子3の表面に深さ1μm程度以下のわずかな傷が付いていてもよく、その結果、単結晶シリコン粒子3の表面に非晶質層のみが形成される状態をいう。勿論、単結晶シリコン粒子3の表面に傷も形成されておらず、非晶質層も形成されていない場合も含む。
The fact that the surface of the single
加工変質層は、一般に、表面側から非晶質層、多結晶層、モザイク層、クラック層、歪層等が存在する構成のものであり、これらの5つの層を合わせて加工変質層と呼ぶ。本実施の形態におけるバレル研磨加工では、酸窒化膜により単結晶シリコン粒子3の表面の加工変質を防ぎ、最表面の非晶質層のみが形成される程度の研磨加工を行う。最終的には酸窒化膜11を化学エッチングにより除去することによって非晶質層は取り除かれ、結晶品質の高い単結晶シリコン粒子3が得られる。加工変質層の存在は、ラマン分光法等により、ラマンスペクトルの半値幅の広がり等を確認することによって特定することができる。
The work-affected layer generally has a structure in which an amorphous layer, a polycrystalline layer, a mosaic layer, a crack layer, a strain layer, and the like exist from the surface side, and these five layers are collectively referred to as a work-affected layer. . In the barrel polishing process according to the present embodiment, the surface of the single
次に、酸窒化膜11の形成工程(単結晶化の前工程)における窒素ガス及び酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガスの圧力は、0.01〜0.2MPa程度がよい。0.01〜0.2MPa程度とすることによって、酸窒化膜11からの窒素、酸素の蒸発による酸窒化膜11の膜厚の低減及び膜質の劣化が生じにくくなり、また酸窒化膜11の厚みのバラツキが生じにくくなる。 Next, the pressure of the atmospheric gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or the atmospheric gas containing nitrogen gas as a main component in the step of forming the oxynitride film 11 (the pre-crystallization step) is about 0.01 to 0.2 MPa. Is good. By setting the pressure to about 0.01 to 0.2 MPa, the thickness of the oxynitride film 11 is not reduced and the film quality is hardly deteriorated due to evaporation of nitrogen and oxygen from the oxynitride film 11, and the thickness of the oxynitride film 11 is reduced. Variation is less likely to occur.
単結晶シリコン粒子3の表面に形成される酸窒化膜11の厚みは100nm〜10μm程度であればよく、100nm〜10μm程度とすることにより、単結晶シリコン粒子3内部のシリコンの溶融時に酸窒化膜11が破れるのを抑制し、また、単結晶シリコン粒子3内部のシリコンの溶融時に表面張力で球形化するのを容易にする。
The thickness of the oxynitride film 11 formed on the surface of the single
後工程(単結晶化のための再溶融(リメルト)工程)における窒素ガス及び酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガスの圧力は、0.01〜0.2MPa程度がよい。0.01〜0.2MPa程度とすることにより、酸窒化膜11からの窒素及び酸素の蒸発により酸窒化膜11の膜厚の低減及び膜質の劣化が生じにくくなり、また単結晶シリコン粒子3内部のシリコンの溶融時に形状を安定に保つことが容易になる。 The pressure of the atmospheric gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or the atmospheric gas composed of oxygen gas and inert gas in the subsequent process (remelting (remelting process for single crystallization)) is about 0.01 to 0.2 MPa. Good. By setting the pressure to about 0.01 to 0.2 MPa, evaporation of nitrogen and oxygen from the oxynitride film 11 makes it difficult for the film thickness of the oxynitride film 11 to be reduced and the film quality to be deteriorated. It becomes easy to keep the shape stable when the silicon melts.
後工程において酸素ガス及び不活性ガスを使用する場合、酸素ガスを20体積%以上含み、アルゴンガス等の不活性ガスを80体積%以下含むものであればよい。 When oxygen gas and inert gas are used in the post-process, the oxygen gas and the inert gas may be contained as long as they contain 20% by volume or more and the inert gas such as argon gas contains 80% by volume or less.
再溶融(リメルト)法によって単結晶シリコン粒子3を作製するには、まず多数個(例えば、数100乃至数1000個程度)の多結晶の結晶シリコン粒子を台板の上面に載置する。台板上への多数個の結晶シリコン粒子の載置は、一層で載置してもかまわないが、重層的に載置した方がよい。重層的に載置することにより、結晶シリコン粒子を高密度に配置することができ、多数個の結晶シリコン粒子を一度に単結晶化することができ、安価に量産性よく単結晶シリコン粒子3を製造することが可能となる。従って、光電変換装置等に使用する単結晶シリコン粒子3を効率的に製造できる。
In order to produce the single
多数個の結晶シリコン粒子を台板上に重層的に載置する場合、その層数は特に限定するものではないが、例えば2〜150層程度とすればよい。 When a large number of crystalline silicon particles are stacked on the base plate, the number of layers is not particularly limited, but may be, for example, about 2 to 150 layers.
台板上に載置された多数個の結晶シリコン粒子は、それら同士が接触していても構わない。台板は、上蓋がない箱状か板状のものが望ましく、板状の場合には複数段に積み上げて使用してもよい。台板の材質は、結晶シリコン粒子との反応を抑えるために、石英ガラス,ムライト,酸化アルミニウム,炭化珪素,単結晶酸化アルミニウム(サファイヤ)等が適するが、耐熱性,耐久性,耐薬品性に優れコストも安く、かつ扱い易いという点からは、石英ガラスが好適である。 The large number of crystalline silicon particles placed on the base plate may be in contact with each other. The base plate is preferably a box-like or plate-like one without an upper lid, and in the case of a plate-like shape, it may be used by being stacked in multiple stages. Quartz glass, mullite, aluminum oxide, silicon carbide, single crystal aluminum oxide (sapphire), etc. are suitable for the material of the base plate to suppress reaction with crystalline silicon particles, but it has excellent heat resistance, durability, and chemical resistance. Quartz glass is preferred because it is excellent in cost and easy to handle.
次に、結晶シリコン粒子を載置した台板を加熱炉(図示せず)内に導入し、結晶シリコン粒子を加熱していく。加熱炉としては、半導体材料の種類に応じて種々のものが使用できるが、半導体材料としてシリコンを用いるので、セラミックスの焼成等に用いられる抵抗加熱型や誘導加熱型の雰囲気焼成炉、あるいは半導体素子の製造工程で一般的に用いられる横型酸化炉等が適している。セラミックスの焼成等に用いられる抵抗加熱型の雰囲気焼成炉は、1500℃以上の昇温も比較的容易であり、単結晶シリコン粒子の量産が可能な大型のものも比較的安価に入手できるので望ましい。 Next, the base plate on which the crystalline silicon particles are placed is introduced into a heating furnace (not shown), and the crystalline silicon particles are heated. Various types of heating furnaces can be used depending on the type of semiconductor material, but since silicon is used as the semiconductor material, a resistance heating type or induction heating type atmosphere firing furnace used for firing ceramics, or a semiconductor element A horizontal oxidation furnace or the like generally used in the manufacturing process is suitable. A resistance heating type atmosphere firing furnace used for firing ceramics is desirable because it is relatively easy to raise a temperature of 1500 ° C. or higher, and a large-sized one capable of mass production of single crystal silicon particles can be obtained at a relatively low cost. .
雰囲気焼成炉による加熱を行う前に、結晶シリコン粒子の表面に付着した金属や異物等を除去するために、RCA法(RCA社による洗浄方法)、弗酸による洗浄法などによって、予め溶液洗浄をしておくことが望ましい。RCA法とは、シリコンウェハの標準的洗浄工程として半導体素子の製造工程で一般的に用いられている洗浄方法であり、3段の工程のうち1段目の工程において水酸化アンモニウムと過酸化水素との水溶液により、シリコンウェハ表面の酸化膜とシリコン表層部とを除去し、2段目の工程においてフッ化水素水溶液により前段の工程で付いた酸化膜を除去し、3段目の工程において塩化水素と過酸化水素との水溶液により重金属等を除去して自然酸化膜を形成するというものである。 Before heating in the atmosphere firing furnace, in order to remove the metal or foreign matter adhering to the surface of the crystalline silicon particles, the solution is previously cleaned by the RCA method (cleaning method by RCA), the cleaning method by hydrofluoric acid, etc. It is desirable to keep it. The RCA method is a cleaning method generally used in a semiconductor device manufacturing process as a standard cleaning process for silicon wafers. In the first stage of three stages, ammonium hydroxide and hydrogen peroxide are used. The oxide film and the silicon surface layer on the surface of the silicon wafer are removed with an aqueous solution of, and the oxide film attached in the previous step is removed with a hydrogen fluoride aqueous solution in the second step, and chlorination is performed in the third step. A natural oxide film is formed by removing heavy metals and the like with an aqueous solution of hydrogen and hydrogen peroxide.
また、加熱炉内における炉材や発熱体等からの汚染を防止するためには台板上に載置した結晶シリコン粒子を覆うようなベルジャーを加熱炉内に設置することが望ましい。ベルジャーの材質は、石英ガラス,ムライト,酸化アルミニウム,炭化珪素,サファイヤ等が適するが、耐熱性,耐久性,耐薬品性に優れコストも安く扱い易いという点からは、石英ガラスが好適である。 In order to prevent contamination from furnace materials and heating elements in the heating furnace, it is desirable to install a bell jar in the heating furnace that covers the crystalline silicon particles placed on the base plate. Quartz glass, mullite, aluminum oxide, silicon carbide, sapphire, and the like are suitable as the material for the bell jar, but quartz glass is preferred from the viewpoint of excellent heat resistance, durability, chemical resistance, and low cost and easy handling.
加熱炉内で結晶シリコン粒子を窒素ガス及び酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは窒素ガスを主成分として含む雰囲気ガス中で加熱して、シリコンの融点(1414℃)より低い温度へ昇温していく過程で、結晶シリコン粒子の表面には酸窒化膜が形成される。酸窒化膜の形成温度は500℃乃至1400℃が好ましい。500℃乃至1400℃とすることにより、酸窒化膜の成長速度を十分なものとして所望の厚みとするのに時間がかからないようにでき、また酸窒化膜の厚みを均一にし、さらに結晶シリコン粒子に一部溶融が生じたり形状が崩れるのを抑制することができる。 The process of heating crystalline silicon particles in an atmosphere gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or an atmosphere gas containing nitrogen gas as a main component in a heating furnace to raise the temperature to a temperature lower than the melting point of silicon (1414 ° C.). Thus, an oxynitride film is formed on the surface of the crystalline silicon particles. The formation temperature of the oxynitride film is preferably 500 ° C. to 1400 ° C. By setting the temperature to 500 ° C. to 1400 ° C., the growth rate of the oxynitride film can be increased so that it does not take time to obtain the desired thickness, and the thickness of the oxynitride film is made uniform. It is possible to suppress partial melting and shape collapse.
結晶シリコン粒子の表面に形成される酸窒化膜11は、酸化膜等と比べて、被膜の密度が高くて単位膜厚当りの強度が高いため、汚染物及び不純物等が単結晶シリコン粒子3の内部へ拡散するのを阻止する拡散阻止力が大きいという効果を有する。
Since the oxynitride film 11 formed on the surface of the crystalline silicon particles has a higher coating density and higher strength per unit film thickness than an oxide film or the like, contaminants, impurities, and the like are present in the single
また、酸窒化膜11の酸素含有量は、10モル%程度以下がよい。10モル%以下とすることにより、酸窒化膜11中の結晶構造の変化及び結晶欠陥の増加によって膜質が劣化するのを抑制できる。また、酸窒化膜11は酸素を含んでいることにより膜の柔軟性が向上する。 Further, the oxygen content of the oxynitride film 11 is preferably about 10 mol% or less. By setting it to 10 mol% or less, it is possible to suppress deterioration of the film quality due to a change in crystal structure and an increase in crystal defects in the oxynitride film 11. Further, since the oxynitride film 11 contains oxygen, the flexibility of the film is improved.
また、結晶シリコン粒子の表面に酸窒化膜11を形成する際の加熱炉内の雰囲気ガスは、窒素ガス分圧が70%以上であることが好ましい。窒素ガス分圧が70%以上であることにより、後の単結晶化工程において、結晶シリコン粒子同士の合体が発生するのを抑制し、また酸窒化膜11の強度を向上させて、多数の結晶シリコン粒子を重層的に載置した状態で上側の結晶シリコン粒子の重さにより下側の結晶シリコン粒子が溶融時につぶれるのを抑制することができる。 In addition, the atmospheric gas in the heating furnace when forming the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particles preferably has a nitrogen gas partial pressure of 70% or more. When the nitrogen gas partial pressure is 70% or more, the occurrence of coalescence of crystalline silicon particles is suppressed in the subsequent single crystallization step, and the strength of the oxynitride film 11 is improved, thereby increasing the number of crystals. It is possible to prevent the lower crystalline silicon particles from being crushed when melted due to the weight of the upper crystalline silicon particles in a state where the silicon particles are stacked in layers.
なお、加熱炉内の雰囲気ガス中の各ガス分圧は、全ガス流量に対する各ガス流量で調整できる。雰囲気ガスは、例えばガス流量計やマスフロー計等のガス供給手段からガスフィルタを通してベルジャー内に供給されるが、このガス供給手段にガスを供給する装置がガス圧力とガス濃度とを調整可能な機構を持つものであればよい。 In addition, each gas partial pressure in the atmospheric gas in a heating furnace can be adjusted with each gas flow rate with respect to the total gas flow rate. Ambient gas is supplied into the bell jar through a gas filter from a gas supply means such as a gas flow meter or a mass flow meter. A mechanism for adjusting a gas pressure and a gas concentration by a device that supplies the gas to the gas supply means Anything that has
次に、窒素ガス及び酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガス中で、結晶シリコン粒子をシリコンの融点(1414℃)より高い温度(1414℃を超え1480℃以下)へ昇温していく。この工程は、別に行っても連続して行ってもかまわない。 Next, in an atmosphere gas composed of nitrogen gas and oxygen gas or an atmosphere gas composed of oxygen gas and inert gas, the crystalline silicon particles are heated to a temperature higher than the melting point (1414 ° C.) of silicon (above 1414 ° C. and less than 1480 ° C.). The temperature rises. This step may be performed separately or continuously.
台板は、結晶シリコン粒子を溶融後に冷却し固化させて単結晶化させるときの固化起点を生じさせるものとしても機能する。このように台板の上面に多数個の結晶シリコン粒子を載置することにより、それぞれの結晶シリコン粒子と台板との接触部分に固化起点を設定することができるため、固化起点を一方の極としてこの一方の極から上方の対向する極に向けて固化(単結晶化)方向を設定することができる。その結果、種結晶を用いることなく一方向に凝固させることが可能となり、サブグレイン等の発生を抑制して単結晶シリコン粒子3の結晶性を大幅に向上させることができる。
The base plate also functions as a solidification starting point when the crystalline silicon particles are cooled and solidified after being melted to form a single crystal. By placing a large number of crystalline silicon particles on the top surface of the base plate in this way, a solidification starting point can be set at the contact portion between each crystalline silicon particle and the base plate. The solidification (single crystallization) direction can be set from this one pole toward the upper facing pole. As a result, it is possible to solidify in one direction without using a seed crystal, and generation of subgrains and the like can be suppressed, and the crystallinity of the single
また、多数個の結晶シリコン粒子を重層的に載置させた状態であるので、先に単結晶化した台板上の単結晶シリコン粒子3との接触部分を固化起点にして、その上に隣接する結晶シリコン粒子が固化することが可能となり、重層的に載置されたことにより上部の方へ固化が連鎖反応的に広がるので、多数個の単結晶シリコン粒子3の結晶性を大幅に向上させることができる。
In addition, since a large number of crystalline silicon particles are placed in a multi-layered manner, a contact portion with the single
結晶シリコン粒子の大きさは、通常は形状がほぼ球状であることから、その平均粒径は1500μm以下が良く、その形状が球により近いことが好ましい。ただし、結晶シリコン粒子の形状は球状に限られるものではなく、立方体状、直方体状、その他の不定形の形状であってもよい。 Since the size of the crystalline silicon particles is usually almost spherical, the average particle size is preferably 1500 μm or less, and the shape is preferably closer to the sphere. However, the shape of the crystalline silicon particles is not limited to a spherical shape, and may be a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, or other irregular shapes.
結晶シリコン粒子の平均粒径が1500μm以下であることにより、結晶シリコン粒子の表面に形成される酸窒化膜11の厚みが結晶シリコン粒子本体に対して相対的に薄くなることがなく、結晶シリコン粒子の内側のシリコンの溶融時における結晶シリコン粒子の形状を安定に保つことができる。また、結晶シリコン粒子の内側のシリコンを完全に溶融させることができ、サブグレインが生じることを効果的に抑制できる。 Since the average particle diameter of the crystalline silicon particles is 1500 μm or less, the thickness of the oxynitride film 11 formed on the surface of the crystalline silicon particles does not become relatively thin with respect to the crystalline silicon particle body, and the crystalline silicon particles It is possible to keep the shape of the crystalline silicon particles stable when the silicon inside the silicon melts. Moreover, the silicon inside the crystalline silicon particles can be completely melted, and the occurrence of subgrains can be effectively suppressed.
結晶シリコン粒子の平均粒径は30μm以上がよく、この場合、結晶シリコン粒子の内側のシリコンの溶融時に結晶シリコン粒子の形状を安定に維持することができる。 The average particle size of the crystalline silicon particles is preferably 30 μm or more. In this case, the shape of the crystalline silicon particles can be stably maintained when the silicon inside the crystalline silicon particles is melted.
従って、単結晶シリコン粒子3の平均粒径(平均直径)は30μm乃至1500μmであることが好ましく、これによって結晶シリコン粒子の形状を安定に維持して、サブグレインの発生がない球形状で良質な結晶性を有する単結晶シリコン粒子3を安定して作製することができる。
Therefore, the average particle diameter (average diameter) of the single
結晶シリコン粒子をシリコンの融点(1414℃)より高い温度へ昇温していく単結晶化工程(後工程)での加熱炉内の雰囲気ガスは、酸素ガスから成る雰囲気ガスまたは酸素ガス及び不活性ガスから成る雰囲気ガスとする。不活性ガスとしては、アルゴンガス,窒素ガス,ヘリウムガス,水素ガスが適するが、コストが低いという点及び扱い易いという点からは、アルゴンガスあるいは窒素ガスが好適である。加熱炉内の雰囲気ガス中の各ガス分圧は、全ガス流量に対する各ガス流量で調整できる。雰囲気ガスは例えばガス供給手段からガスフィルタを通してベルジャー内に供給されるが、このガス供給手段にガスを供給する装置がガス圧力とガス濃度とを調整可能な機構を持つものであればよい。 The atmosphere gas in the heating furnace in the single crystallization process (post process) in which the crystalline silicon particles are heated to a temperature higher than the melting point of silicon (1414 ° C.) is an atmosphere gas composed of oxygen gas or oxygen gas and inert. The atmosphere gas is a gas. As the inert gas, argon gas, nitrogen gas, helium gas, and hydrogen gas are suitable, but argon gas or nitrogen gas is preferred from the viewpoint of low cost and easy handling. Each gas partial pressure in the atmospheric gas in the heating furnace can be adjusted by each gas flow rate with respect to the total gas flow rate. For example, the atmospheric gas is supplied from the gas supply means into the bell jar through the gas filter. Any device that supplies gas to the gas supply means may have a mechanism capable of adjusting the gas pressure and the gas concentration.
後工程での加熱炉内の雰囲気ガスが酸素ガス及び不活性ガスから成る場合、酸素ガス分圧が20%以上であることが好ましい。この場合、酸窒化膜11からの酸素の蒸発が抑制され、また結晶シリコン粒子内部のシリコンの溶融時に形状を安定に保つことができる。 When the atmospheric gas in the heating furnace in the subsequent process is composed of oxygen gas and inert gas, the oxygen gas partial pressure is preferably 20% or more. In this case, the evaporation of oxygen from the oxynitride film 11 is suppressed, and the shape can be kept stable when the silicon inside the crystalline silicon particles is melted.
結晶シリコン粒子はシリコンの融点(1414℃)以上で、好ましくは1480℃以下の温度まで加熱される。この間に結晶シリコン粒子において表面の酸窒化膜11の内側のシリコンが溶融する。このとき、結晶シリコン粒子の表面に形成された酸窒化膜11によって、内側のシリコンを溶融させながらも結晶シリコン粒子の形状を維持することが可能である。ただし、結晶シリコン粒子の形状を安定に維持するのが困難となるような温度、例えば1480℃を超える温度まで昇温させた場合、結晶シリコン粒子の内部のシリコンの溶融時に結晶シリコン粒子の形状を安定に保つことが難しくなり、隣接する結晶シリコン粒子同士の合体が生じやすくなり、また結晶シリコン粒子が台板と融着し易くなる。 The crystalline silicon particles are heated to a temperature not lower than the melting point (1414 ° C.) of silicon and preferably not higher than 1480 ° C. During this time, silicon inside the surface oxynitride film 11 is melted in the crystalline silicon particles. At this time, the oxynitride film 11 formed on the surface of the crystalline silicon particles can maintain the shape of the crystalline silicon particles while melting the inner silicon. However, when the temperature is raised to a temperature at which it is difficult to stably maintain the shape of the crystalline silicon particles, for example, a temperature exceeding 1480 ° C., the shape of the crystalline silicon particles is changed when the silicon inside the crystalline silicon particles is melted. It becomes difficult to keep stable, and it becomes easy for the adjacent crystalline silicon particles to coalesce, and the crystalline silicon particles are easily fused to the base plate.
なお、結晶シリコン粒子の表面に形成される酸窒化膜11の厚みは、結晶シリコン粒子の上記平均粒径の範囲において、100nm以上であることが好ましい。この場合、結晶シリコン粒子内部のシリコンの溶融時に、結晶シリコン粒子表面の酸窒化膜11が破れにくくなる。また、結晶シリコン粒子内部のシリコンがその溶融時には表面張力で球形化しようとするのに対し、上記の温度領域であれば酸窒化膜11は充分に変形可能であるため、内部を単結晶化して得られる単結晶シリコン粒子3を真球に近い形状とすることができる。
The thickness of the oxynitride film 11 formed on the surface of the crystalline silicon particles is preferably 100 nm or more in the above average particle diameter range of the crystalline silicon particles. In this case, when the silicon inside the crystalline silicon particles is melted, the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particles is not easily broken. In addition, while silicon inside the crystalline silicon particles tends to be spheroidized by surface tension when it is melted, the oxynitride film 11 can be sufficiently deformed in the above temperature range. The obtained single
一方、酸窒化膜11の厚みは10μm以下が好ましい。この場合、酸窒化膜11が上記の温度領域で変形し易くなり、得られる単結晶シリコン粒子3の形状が真球に近い形状となる。
On the other hand, the thickness of the oxynitride film 11 is preferably 10 μm or less. In this case, the oxynitride film 11 is easily deformed in the above temperature range, and the resulting single
従って、結晶シリコン粒子の表面の酸窒化膜11の厚みは、上記の平均粒径の範囲(30μm乃至1500μm)に対して、100nm乃至10μmであることが好ましい。これにより、真球に近い良好な形状の単結晶シリコン粒子3を安定して得ることができる。また、この単結晶シリコン粒子3を光電変換装置に用いることによって光電変換効率に優れた光電変換装置を得ることができる。
Therefore, the thickness of the oxynitride film 11 on the surface of the crystalline silicon particles is preferably 100 nm to 10 μm with respect to the above average particle diameter range (30 μm to 1500 μm). Thereby, the single
次に、結晶シリコン粒子における酸窒化膜11の内側の溶融したシリコンを固化させるために、シリコンの融点以下の約1400℃以下の温度まで降温させて固化させる。この際、シリコンの融点以下の比較的高温の温度(1360℃程度)に維持して固化させるが、この場合結晶シリコン粒子と台板との接触部分を固化起点(一方の極)として上方の対向する極へ向けて一方向に固化が進行するので、すでに固化した単結晶シリコン粒子3との接触点を固化の起点として一方向性の固化が発生する。そして、そのまま多数個の結晶シリコン粒子の全体に一方向性の固化が継承されて、多数個の単結晶シリコン粒子3が一括的に得られる。
Next, in order to solidify the molten silicon inside the oxynitride film 11 in the crystalline silicon particles, the temperature is lowered to a temperature of about 1400 ° C. or lower, which is lower than the melting point of silicon, and is solidified. At this time, it is solidified while being maintained at a relatively high temperature (about 1360 ° C.) below the melting point of silicon. In this case, the contact portion between the crystalline silicon particles and the base plate is set as a solidification starting point (one pole) and facing upward. Since solidification proceeds in one direction toward the pole to be solidified, unidirectional solidification occurs with the point of contact with the already solidified single
また、内部が溶融した結晶シリコン粒子を固化させる途中で単結晶シリコン粒子3に対して熱アニール処理、例えば1000℃以上の一定温度で30分間以上の熱アニール処理を行うことが好ましい。この熱アニール処理を行うことによって、固化時に発生した単結晶シリコン粒子3の結晶中の歪み、単結晶シリコン粒子3の表面の酸窒化膜11と内側の単結晶シリコンとの界面に発生した界面歪み等を緩和除去して、良好な結晶性の単結晶シリコン粒子3とすることができる。
Moreover, it is preferable to perform a thermal annealing treatment on the single
しかしながら、以上のようにして得られた単結晶シリコン粒子3は炭素及び金属不純物が偏析した大小さまざまな突起部12を有している。次に、これらの突起部12を研磨加工によって除去する。この場合、研磨材2の平均粒径(平均直径)は単結晶シリコン粒子3の平均粒径(平均直径)の3倍乃至30倍である球状のものが好ましい。この場合、単結晶シリコン粒子3の表面に、擦れ合うことによって発生する加工変質層が実質的に形成されないようにすることができる。即ち、直径が単結晶シリコン粒子3よりも大きい球状の研磨材は、直径が単結晶シリコン粒子3よりも小さい球状の研磨材と比べて、単結晶シリコン粒子3と擦れ合っても単結晶シリコン粒子3の表面を傷付けて加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。従って、直径が単結晶シリコン粒子の3倍乃至30倍の球状である研磨材を用いることによって、単結晶シリコン粒子3と擦れ合っても単結晶シリコン粒子3の表面を傷付けて加工変質層が形成されるのを効果的に抑制できる。なお、3倍より小さい場合は突起部12を除去することが難しいうえに単結晶シリコン粒子3の表面を傷付け易く、30倍より大きい場合でも単結晶シリコン粒子3の表面に加工変質層及び傷を形成し易くなる。
However, the single
バレルポット1の回転速度は50rpm乃至500rpmが好ましい。50rpm乃至500rpmとすることによって、研磨材2と単結晶シリコン粒子3がバレルポット1内で分離せずに効率的に衝突して突起部12を除去でき、また、研磨材2の運動エネルギーが非常に大きくなって単結晶シリコン粒子3の表面を傷つけ、加工変質層を形成することを抑制できる。
The rotation speed of the
また、本実施の形態の単結晶シリコン粒子3の製造方法においては、単結晶シリコン粒子3から突起部12を除去した後に酸窒化膜11を除去することが好ましい。これにより、単結晶シリコン粒子3の表層部に偏析した、Fe,Cr,Ni,Mo等の金属不純物含有部を除去することができ、本発明の製造方法によって得られた単結晶シリコン粒子3を光電変換装置に用いた場合、良好な光電変換特性を得ることができる。
In the method for manufacturing single
次に、図3に本実施の形態の光電変換装置の一例を示す。図3において、16は第1導電型(例えばp型)の単結晶シリコン粒子、17は導電性基板、18は単結晶シリコン粒子16と導電性基板17との接合層、19は絶縁物質、20は第2導電型(例えばn型)の半導体層(半導体部)、21は透光性導体層、22は電極である。
Next, FIG. 3 illustrates an example of the photoelectric conversion device of this embodiment. In FIG. 3, 16 is a first conductivity type (for example, p-type) single crystal silicon particles, 17 is a conductive substrate, 18 is a bonding layer between the single
本実施の形態の単結晶シリコン粒子16を用いた光電変換装置においては、導電性基板17の一主面、この例では上面に、第1の導電型(例えばp型)の単結晶シリコン粒子16が多数個、その下部を例えば接合層18によって導電性基板17に接合され、単結晶シリコン粒子16の隣接するもの同士の間に絶縁物質19を介在させるとともにそれら単結晶シリコン粒子16の上部を絶縁物質19から露出させて配置されて、これら単結晶シリコン粒子16に第2の導電型の半導体層20及び透光性導体層21が順次設けられた構成となっている。
In the photoelectric conversion device using the single
なお、電極22は、この光電変換装置を太陽電池として使用する際に、透光性導体層21の上に所定のパターン形状に被着形成されるものであり、例えばフィンガー電極及びバスバー電極である。
In addition, when using this photoelectric conversion apparatus as a solar cell, the
そして、上記構成の光電変換装置における単結晶シリコン粒子16は、上記の本実施の形態の単結晶シリコン粒子の製造方法によって製造されたものである。単結晶シリコン粒子16が本実施の形態の単結晶シリコン粒子の製造方法によって製造されたものであることから、不純物濃度が極めて低い高品質の単結晶シリコン粒子16を得ることができるので、高い光電変換効率を得るために重要な因子となる少数キャリアの寿命を向上させることができる。従って、光電変換装置の構成部品として好ましい単結晶シリコン粒子16を得ることができる。
And the single-
本実施の形態の光電変換装置における単結晶シリコン粒子16の製造方法は、上述した単結晶シリコン粒子の製造方法と同様である。単結晶シリコン粒子16の出発材料である単結晶シリコン粒子は、所望の抵抗値になるように第1の導電型のドーパントとしてp型の半導体不純物がドーピングされていることが好ましい。p型ドーパントとしては、ホウ素,アルミニウム,ガリウム等が好ましく、その添加量は1×1014〜1×1018atoms/cm2が好ましい。以上の本発明の単結晶シリコン粒子の製造方法によって製造された単結晶シリコン粒子16は、光電変換装置を作製するために使用される。そして、この光電変換装置を発電手段として用い、この発電手段からの発電電力を負荷に供給するように成した光発電装置とすることができる。
The method for producing single
図3に示した例は、以上のようにして得られた単結晶シリコン粒子16を用いて作製された光電変換装置である。この光電変換装置を得るには、まず、単結晶シリコン粒子16の表面に形成された窒化珪素膜をフッ酸でエッチング除去する。さらに、窒化珪素膜と単結晶シリコン粒子16との界面歪み、及び単結晶シリコン粒子16の表面に偏析されたp型ドーパントや酸素,炭素や金属等の不純物を除去するために、単結晶シリコン粒子16の表面をフッ硝酸等でエッチング除去しても構わない。その際に除去される単結晶シリコン粒子16の表面層の厚みは、径方向で100μm以下であることが好ましい。
The example shown in FIG. 3 is a photoelectric conversion device manufactured using the single
次に、アルミニウム等から成る導電性基板17の上に単結晶シリコン粒子16を多数個配置する。そして、これを還元雰囲気中にて全体的に加熱して生じた接合層18を介して、単結晶シリコン粒子16を導電性基板17に接合させる。なお、接合層18は、例えばアルミニウムとシリコンとの合金である。
Next, a large number of single
このとき、導電性基板17を、アルミニウム基板とするか、または表面にアルミニウムを少なくとも含む金属基板にすることにより、低温で単結晶シリコン粒子16を接合することができ、軽量かつ低価格の光電変換装置を提供することができる。また、導電性基板17の表面を粗面にすることにより、導電性基板17の表面の非受光領域に到達する入射光の反射をランダムにすることができ、非受光領域で入射光を斜めに反射させて、光電変換装置の表面側へ再反射させることができ、これを単結晶シリコン粒子16の光電変換部でさらに光電変換することにより、入射光を有効に利用することができる。
At this time, the
次に、接合された単結晶シリコン粒子16の隣接するもの同士の間に介在するように、導電性基板17上に絶縁物質19を、これら単結晶シリコン粒子16の上部、少なくとも天頂部を絶縁物質19から露出させて配置する。
Next, an insulating
ここで、隣接する単結晶シリコン粒子16同士の間の絶縁物質19の表面形状を、単結晶シリコン粒子16側が高くなっている凹形状をしているものとすることにより、絶縁物質19とこの上を被って形成される透明封止樹脂との屈折率の差により、単結晶シリコン粒子16の無い非受光領域における、単結晶シリコン粒子16への入射光の乱反射を促進することができる。
Here, the surface shape of the insulating
次に、これら単結晶シリコン粒子16の露出した上部に第2の導電型(例えばn型)の半導体層20及び透光性導体層21を設ける。半導体層20は、アモルファスまたは多結晶の半導体層20を成膜することにより、あるいは熱拡散法等により半導体層20を形成することにより設けられる。このとき、単結晶シリコン粒子16はp型であるので、半導体層20であるシリコン層はn型の半導体層20とする。さらに、その半導体層20上に透光性導体層21を形成する。そして、太陽電池として所望の電力を取り出すために所定のパターン形状に銀ペースト等を塗布して、グリッド電極あるいはフィンガー電極及びバスバー電極等の電極22を形成する。このようにして、導電性基板17を一方の電極にし、電極22を他方の電極とすることにより、太陽電池としての光電変換装置が得られる。
Next, a second conductive type (for example, n-type)
なお、第2の導電型の半導体層20を形成するには、単結晶シリコン粒子16の導電性基板17への接合に先立って、単結晶シリコン粒子16の表面に工程コストの低い熱拡散法により形成してもよい。この場合、例えば、第2の導電型のドーパントとして、V族のP,As,SbやIII族のB,Al,Ga等を用い、石英からなる拡散炉に単結晶シリコン粒子16を収容し、ドーパントを導入しながら加熱して単結晶シリコン粒子16の表面に第2の導電型の半導体層20を形成する。
In order to form the
以下に単結晶シリコン粒子の製造方法の実施例について説明する。 Examples of the method for producing single crystal silicon particles will be described below.
[涙滴型の結晶シリコン粒子の製造工程]
Arガスから成る不活性雰囲気ガス中で、坩堝にシリコン原料を充填して昇温し溶解したシリコンの融液を、坩堝の下端部に形成されたノズル部のノズル孔より噴出させて固化させる方法、いわゆる溶融落下法(ジェット法)により、涙滴型の擬似単結晶から成るp型の結晶シリコン粒子を作製した。なお、p型のドーパントとして、結晶シリコン粒子にホウ素を含有させた。また、結晶シリコン粒子の平均粒径は約500μmとした。
[Production process of teardrop-shaped crystalline silicon particles]
A method of solidifying a melt of silicon melted by filling a crucible with a silicon raw material in an inert atmosphere gas composed of Ar gas from a nozzle hole of a nozzle portion formed at the lower end of the crucible Then, p-type crystalline silicon particles composed of teardrop-type pseudo single crystals were produced by a so-called melt-drop method (jet method). Note that boron was included in the crystalline silicon particles as a p-type dopant. The average particle size of the crystalline silicon particles was about 500 μm.
涙滴型の擬似単結晶から成る結晶シリコン粒子を形成するために、粒状のシリコン融液が落下する石英製の落下管の途中に抵抗加熱式のヒーターを設けて、坩堝から排出された直後の粒状のシリコン融液の過冷却度が64℃程度(粒状のシリコン融液の温度が1350℃程度)となるように制御した。これにより、粒状のシリコン融液に結晶核が数個のみ発生し、粒界が数個しかない擬似単結晶粒子が得られた。 In order to form crystalline silicon particles composed of teardrop-type pseudo single crystals, a resistance heating heater is provided in the middle of a quartz drop tube in which granular silicon melt falls, immediately after being discharged from the crucible. The degree of supercooling of the granular silicon melt was controlled to be about 64 ° C. (the temperature of the granular silicon melt was about 1350 ° C.). Thereby, only a few crystal nuclei were generated in the granular silicon melt, and pseudo single crystal particles having only a few grain boundaries were obtained.
[尖頭部の除去工程]
次に、不純物が偏析した尖頭部を有する涙滴型の擬似単結晶化された結晶シリコン粒子とムライトメディアとしての研磨石と純水とを、円筒状の容器内に収容して、回転数200rpmで60分間回転させることにより、結晶シリコン粒子の尖頭部の表面から深さ20μmまでの部位を研磨除去した。
[Point head removal process]
Next, tear-drop-type pseudo-single-crystallized crystalline silicon particles having a cusp with segregated impurities, polishing stones and pure water as mullite media are accommodated in a cylindrical container, and the number of rotations By rotating at 200 rpm for 60 minutes, a portion from the surface of the tip of the crystalline silicon particles to a depth of 20 μm was removed by polishing.
この後、結晶シリコン粒子の表面に付着した異物、金属イオン、及び結晶シリコン粒子の表面に形成された微小なクラック、酸化膜等を除去するために、結晶シリコン粒子の表面をフッ酸及びフッ硝酸により洗浄しエッチング処理を行った。エッチング処理による除去は、結晶シリコン粒子の表面から約5μm深さの部分まで行った。 Thereafter, the surface of the crystalline silicon particles is removed with hydrofluoric acid and hydrofluoric acid in order to remove foreign matters, metal ions, and minute cracks, oxide films, etc. formed on the surface of the crystalline silicon particles. Then, it was washed and etched. The removal by the etching treatment was performed from the surface of the crystalline silicon particles up to a depth of about 5 μm.
[酸窒化膜の形成工程]
次に、結晶シリコン粒子を単結晶化させるために、再溶融工程(リメルト工程)を実施した。まず、石英ガラス製の箱状の台板上に、ホウ素濃度が0.6×1016atoms/cm3であり、平均粒径が500μmの多数(1000個)の結晶シリコン粒子を重層的に載置し、加熱炉である雰囲気焼成炉の内部に設置した石英ガラス製のベルジャー内に収容した。そして、窒素ガス及び酸素ガスをガス供給装置から導入しながら加熱し、ガス圧力0.1MPaでシリコンの融点以下の1300℃まで加熱し60分間保持して、結晶シリコン粒子の表面に厚み0.5μmの酸窒化膜を形成した。1300℃で60分間の加熱を行った後、室温まで降温させた。
[Formation process of oxynitride film]
Next, a remelting step (remelting step) was performed in order to crystallize the crystalline silicon particles. First, a large number (1000 particles) of crystalline silicon particles having a boron concentration of 0.6 × 10 16 atoms / cm 3 and an average particle diameter of 500 μm are stacked on a quartz glass box-shaped base plate. And placed in a quartz glass bell jar installed inside an atmosphere firing furnace as a heating furnace. Then, heating is performed while introducing nitrogen gas and oxygen gas from a gas supply apparatus, and the gas pressure is 0.1 MPa and heated to 1300 ° C. below the melting point of silicon and held for 60 minutes. An oxynitride film was formed. After heating at 1300 ° C. for 60 minutes, the temperature was lowered to room temperature.
[単結晶化工程及び突起部の形成工程]
次に、窒素ガス及び酸素ガスまたは混合ガス(窒素ガスと酸素ガスとアルゴンガス)をガス供給装置から導入しながら、ガス圧力0.02MPaでシリコンの融点以上の1440℃まで単結晶シリコン粒子を加熱し5分間保持して、単結晶シリコン粒子表面の酸窒化膜の内側のシリコンを溶融させた後、降温速度を毎分2℃として冷却しながら単結晶シリコン粒子を固化させた。その後、さらに1250℃まで降温させてから、120分間の熱アニール処理を行った。この熱アニール処理後に室温付近まで降温させた。このとき、単結晶シリコン粒子には、1/4程度の個数割合(表1)で、長さ10μm程度の突起部が形成された。
[Single crystallization process and protrusion formation process]
Next, while introducing nitrogen gas and oxygen gas or mixed gas (nitrogen gas, oxygen gas and argon gas) from the gas supply device, the single crystal silicon particles are heated to 1440 ° C. above the melting point of silicon at a gas pressure of 0.02 MPa. This was held for 5 minutes to melt the silicon inside the oxynitride film on the surface of the single crystal silicon particles, and then the single crystal silicon particles were solidified while cooling at a rate of 2 ° C. per minute. Thereafter, the temperature was further lowered to 1250 ° C., and then a thermal annealing treatment was performed for 120 minutes. After this thermal annealing treatment, the temperature was lowered to around room temperature. At this time, protrusions having a length of about 10 μm were formed on the single crystal silicon particles at a ratio of the number of about 1/4 (Table 1).
[突起部の除去工程]
次に、1000個の平均粒径500μmの単結晶シリコン粒子と、2000個の平均粒径10mmのムライトから成る研磨材を、長さ200mm、直径200mmの円筒状の硬質ゴムから成るバレルポットの内部に収容した。水を単結晶シリコン粒子と研磨材がすべて浸るようにバレルポット内に入れ、硬質ゴムから成る蓋5を閉じた。
[Projection removal process]
Next, 1000 pieces of single crystal silicon particles having an average particle diameter of 500 μm and 2000 abrasives made of mullite having an average particle diameter of 10 mm are placed inside a barrel pot made of cylindrical hard rubber having a length of 200 mm and a diameter of 200 mm. Housed in. Water was placed in the barrel pot so that the single crystal silicon particles and the abrasive were all immersed, and the lid 5 made of hard rubber was closed.
次に、バレルポットを回転軸(円筒の中心軸)周りに200rpmで回転させ、さらにバレルポットを水平方向(横方向)に直線往復運動させ、10分間単結晶シリコン粒子の研磨処理をした。研磨処理された単結晶シリコン粒子は、突起部が除去されており、さらに加工変質層が形成されていないことが、ラマン分光法によって特定できた。 Next, the barrel pot was rotated at 200 rpm around the rotation axis (the central axis of the cylinder), and the barrel pot was linearly reciprocated in the horizontal direction (lateral direction) to polish the single crystal silicon particles for 10 minutes. It was confirmed by Raman spectroscopy that the protrusions were removed from the polished single crystal silicon particles, and that a work-affected layer was not formed.
さらに、回収した単結晶シリコン粒子の表面に形成された酸窒化膜をフッ酸によって除去し、フッ硝酸で単結晶シリコン粒子の表面を深さ方向に20μmの厚み分をエッチング除去した。 Further, the oxynitride film formed on the surface of the collected single crystal silicon particles was removed with hydrofluoric acid, and the surface of the single crystal silicon particles was etched away by 20 μm in the depth direction with hydrofluoric acid.
[光電変換装置の製造工程]
次に、1000個の単結晶シリコン粒子を石英製ボート上に載せて、900℃に制御された石英管の中に導入し、POCl3ガスを窒素でバブリングさせて石英管に送り込み、熱拡散法によって30分で単結晶シリコン粒子の表層に約1μmの厚さのn型の半導体層(半導体部)を形成した。その後、フッ酸によって単結晶シリコン粒子の表面の酸窒化膜を除去した。
[Manufacturing process of photoelectric conversion device]
Next, 1000 single crystal silicon particles are placed on a quartz boat, introduced into a quartz tube controlled at 900 ° C., POCl 3 gas is bubbled with nitrogen and fed into the quartz tube, and a thermal diffusion method is performed. In 30 minutes, an n-type semiconductor layer (semiconductor portion) having a thickness of about 1 μm was formed on the surface layer of the single crystal silicon particles. Thereafter, the oxynitride film on the surface of the single crystal silicon particles was removed with hydrofluoric acid.
次に、導電性基板として縦50mm×横50mm×厚さ0.3mmのアルミニウム基板を用い、この上面に1000個の単結晶シリコン粒子を最密充填して配置した。その後、アルミニウムとシリコンとの共晶温度である577℃を超える600℃で、5体積%の水素ガスを含む窒素ガスの還元雰囲気炉中で加熱して、単結晶シリコン粒子の下部を導電性基板に接合させた。このとき、単結晶シリコン粒子が導電性基板と接触している部分には、アルミニウムとシリコンとの共晶から成る接合層が形成されており、強い接着強度を呈していた。 Next, an aluminum substrate having a length of 50 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 0.3 mm was used as the conductive substrate, and 1000 single crystal silicon particles were closely packed on the upper surface. Thereafter, heating is performed in a reducing atmosphere furnace of nitrogen gas containing 5% by volume of hydrogen gas at 600 ° C., which exceeds 577 ° C., which is the eutectic temperature of aluminum and silicon, and the lower portion of the single crystal silicon particles is electrically conductive substrate. To be joined. At this time, a bonding layer made of a eutectic of aluminum and silicon was formed in the portion where the single crystal silicon particles were in contact with the conductive substrate, and exhibited strong adhesive strength.
さらに、この上から単結晶シリコン粒子同士の間に、それらの上部を露出させてポリイミド樹脂から成る絶縁物質を塗布し乾燥させて、下部電極となる導電性基板と、上部電極となる透光性導体層とを電気的に絶縁分離するようにした。この上に上部電極としてのITOから成る透光性導体層を、スパッタリング法によって全面に約100nmの厚みで形成した。 Furthermore, between the single crystal silicon particles from above, an upper portion thereof is exposed and an insulating material made of polyimide resin is applied and dried, so that a conductive substrate serving as a lower electrode and a light transmitting material serving as an upper electrode The conductor layer is electrically insulated and separated. A translucent conductor layer made of ITO as an upper electrode was formed on the entire surface with a thickness of about 100 nm by sputtering.
最後に、銀ペーストをディスペンサーでグリッド状にパターン形成して、フィンガー電極及びバスバー電極からなる電極を形成した。なお、この銀ペーストのパターンは、大気中500℃で焼成を行った。これにより、光電変換装置を作製した。 Finally, silver paste was patterned in a grid shape with a dispenser to form an electrode composed of finger electrodes and bus bar electrodes. The silver paste pattern was fired at 500 ° C. in the atmosphere. This produced the photoelectric conversion apparatus.
そして、上記のように光電変換装置を製造するに際して、単結晶シリコン粒子にバレル研磨加工を施して突起部を除去した場合と、バレル研磨加工を実施しなかった場合について、突起部の残留割合と光電変換効率を測定した結果を表1に示す。光電変換装置の光電変換効率は、AM1.5のソーラーシミュレーターによって測定した。 And when manufacturing the photoelectric conversion device as described above, when the single crystal silicon particles are subjected to barrel polishing to remove the protrusions and when the barrel polishing is not performed, the remaining ratio of the protrusions and The results of measuring the photoelectric conversion efficiency are shown in Table 1. The photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion device was measured with an AM1.5 solar simulator.
なお、本発明は以上の実施の形態及び実施例に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で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、リメルト工程において単結晶シリコン粒子を加熱して溶融させるのに、加熱炉ではなく、台板の上面に載置した単結晶シリコン粒子の上方から光エネルギーを照射することによって溶融させる方法を用いてもよい。 In addition, this invention is not limited to the above embodiment and Example, A various change may be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the remelt process, single crystal silicon particles are heated and melted by using a method of melting by irradiating light energy from above the single crystal silicon particles placed on the upper surface of the base plate, not a heating furnace. May be.
1:バレルポット
2:研磨材
3:単結晶シリコン粒子
4:バレルポットの回転の中心軸(回転軸)
5:バレルポットの蓋
11:酸窒化膜
12:突起部
1: Barrel pot 2: Abrasive material 3: Single crystal silicon particles 4: Center axis (rotation axis) of rotation of barrel pot
5: Barrel pot lid 11: Oxynitride film 12: Projection
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JP2008006502A JP2009167052A (en) | 2008-01-16 | 2008-01-16 | Method for manufacturing single crystal silicon particle |
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- 2008-01-16 JP JP2008006502A patent/JP2009167052A/en active Pending
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