JP2009513469A - シリコンまたは他の結晶性物質のリボンを製造する装置および方法 - Google Patents

Abstract

シリコンまたは他の結晶性物質のリボンを作るための装置および製造方法。この装置は、底部(２)および側壁(３)を有したるつぼ(１)を備える。このるつぼ(１)は、側壁(３)の底部に水平に配置された少なくとも一つの横方向スリット(４)を有している。横方向スリット(４)は、５０ｍｍより大きく、好ましくは１００ｍｍ〜５００ｍｍの幅を具備する。スリット(４)の高さ（Ｈ）は、５０〜１０００マイクロメートルである。結晶性物質は、横方向スリット(４)を介してるつぼから取り出されて結晶リボン(Ｒ)を形成する。この方法は、横方向スリット(４)から取り出される材料に種結晶(１３)を接触させる段階、およびリボン(Ｒ)を水平移動させる段階(１４)を含む。

Description

本発明は、制御された結晶化によって結晶性物質のリボンを製造する装置に関する。

液体シリコン浴からのシリコンの凝固は典型的に、制御された結晶化、すなわち最初に凝固した部分、特に結晶核あるいは局部的な冷却によって結晶化した初層からの凝固前面（固相／液相界面）の移動によって得られる。これにより、固体シリコンの塊は液浴からの供給によって徐々に成長する。従来使用されている２つの方法は、チョクラルスキー法およびブリッジマン法あるいはその変形である。チョクラルスキー法においては、多くの場合に固体シリコンの結晶軸に対して方向付けられた種結晶は、溶融物と接触しつつ上方にゆっくりと引き上げられる。液体シリコン浴および温度勾配は静止したままである。一方、ブリッジマン法によると、浴が温度勾配に対して移動し、あるいは温度勾配が浴に対して移動する。

例えばワイヤソーによる鋸引きのような、シリコンウエハを製造する技術における進歩は、半導体業界および光電子業界における極めて経済的な前進を可能とした。内周刃（ＩＤソー）による鋸引きに比較すると、より大きな生産性、および切断を実行する際に失われる材料の減少により、疑いの余地のない利益が生じるからである。しかしながら、損失は大きいままであり、かつワイヤソー装置のコストはきわめて高い。さらに鋸引きは、費用がかさむ追加の化学表面洗浄および修復段階を必要とする。

半導体材料の切断の問題を克服するために、例えば溶融液からのリボンの引き上げあるいは基質上での連続的なリボンの成長といった、異なるウエハの製造方法が提案されてきた。しかしながら、基質上におけるリボンの成長は、リボンと基質とを分離させる追加の工程を必要とするとともに、基質によってリボンが汚染されるリスクがある。他の技術は、その上にシリコンが結晶化する炭素リボンを使用することを含み、その炭素リボンを燃焼させると２つのシリコンリボンが残る。しかしながら、得られるウェーハの結晶配列の制御は多かれ少なかれ困難であり、その電子的な性質は月並みである。特に光電子の用途においては、電荷担体の拡散距離が小さい大型の装置が必要となる。このことは、例えば多結晶シリコンの場合、多結晶粒界が表面に対して、より正確には光起電力電池のＰ／Ｎ接続に対して垂直である場合にのみ可能である。

結晶材料品質を得てその後における光起電力電池の製造を可能とするためには、原料（例えばシリコン供給材料）からの残留不純物の除去が不可欠である。１つの公知の方法は、偏析係数の低い成分の分離である。しかしながら、不純物を液相内に残存させるためには、この界面の所定の前進速度において固体／液体境界面が十分に安定し、シリコン結晶の制御されない等軸化あるいは樹枝状の成長が回避されるように温度勾配を確立させなければならない。

さらに、従来技術の方法は、液体シリコンからのシリコンウエハの生産の光起電力電池生産ラインへの統合を可能としない。

"Cast Ribbon For Low Cost Solar Cells" by Hide et al. (01608371/88/0000-1400, 1988 IEEE)は、０．５ミリメートルの厚さおよび１００ミリメートルの幅を有した光起電力シリコンリボンの鋳造方法について記載している。この方法は、るつぼの中央開口の下方に配置されている継ぎ合わされた型内へのるつぼの外開きを用いる。この継ぎ合わされた型は、るつぼの軸線から水平方向に離れるように移動する細長い金型を構成する、狭く細長い案内チャネルを形成するように後退する。出発原料は、るつぼ内の電子品質のシリコン溶融液である。それが完全に溶解したあと、シリコンは継ぎ合わされた型に注入され、それによって大気圧がるつぼ内に負荷される。凝固は狭いチャネル内に生じる。結晶は狭いチャネル内において上方に成長し、凝固前面(solidification front)は大きく傾く。

本発明の目的は、公知の装置の欠点を改善することにあり、より詳しくは、制御された結晶化によって結晶質リボンを製造する装置および方法を提供し、インゴットのシャーリング、得られたインゴットのブリックへの切断、ブリックのワイヤ鋸引きによるウェーハへのスライスといった追加の工程を必要とすることなく、液体原料からウェーハを直接得ることができるようにすることにある。本発明の更なる目的は、光起電力電池の生産ラインに対してウェーハの生産を直接的に統合することにある。

本発明によると、この目的は添付の請求の範囲によって、より詳しくは、この装置が底部および側壁を有したるつぼを備え、このるつぼが側壁の底部に水平に配置された少なくとも一つの横方向スリットを有し、この横方向スリットが５０ｍｍ以上の幅および５０〜１０００マイクロメートルの高さを呈するという事実によって達成される。

そのような装置はまた、分離による精製の実行を可能とするとともに、およびきわめて純粋な電子的品位のシリコンよりも費用がかからない冶金学的シリコンのようなより純粋でないシリコンからのシリコンリボンの獲得を可能とする。

本発明の更なる目的は、本発明の装置により、この装置の引っ張り軸に対して実質的に垂直な結晶化軸に沿わせた制御された結晶化による結晶性物質のリボンの製造方法を提供することにある。

他の利点および特徴は、非限定的な実施形態として提示され、かつ添付の図面に表された、本発明の特別な実施形態の以下の説明から明らかとなる。

図１に示した装置は、底部２および側壁３を有したるつぼ１を備えている。このるつぼ１は、図１の右側の側壁の底部に配置された横方向スリット４を有している。この横方向スリット４は、５０ｍｍより大きい、好ましくは１００ｍｍ〜５００ｍｍの幅Ｌ（図１に対して垂直）を有している。スリット４の高さＨは、５０〜１０００マイクロメートルである。結晶性物質のリボンＲは、横方向スリット４から取り出される材料の制御された結晶化によって得られ、かつ図１中に矢印５で示されているように引っ張られる。結晶性物質は、例えばシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、砒化ガリウム(GaAs)、燐化ガリウム(GaP)等である。

リボンＲの厚みは、スリット４の高さＨおよび引っ張り速度によって定まる。引っ張り速度が高いほどリボンＲの厚みは減少する。リボンＲの幅は、スリット４の幅Ｌによって定まる。リボンＲは、その後でウェーハに切断することができ、ウェーハの表面はリボンＲの表面によって直接的に形成される。

凝固前面、すなわち固相／液相界面はスリット４内に位置している。図１に示したように、本発明の装置によるリボンおよびウェーハの製造は、この装置の引っ張り軸線Ｔに対して実質的に垂直な結晶化軸線Ｃに沿った、制御された結晶化の達成を可能とする。

本発明によると、温度勾配は、リボンＲに対し、および／または液体原料を含んでいるるつぼの開口から離れるリボンの引っ張り方向に対し、実質的に垂直に確立される。温度勾配は、好ましくは、例えばスリット４のような、るつぼの開口に位置している。結晶化軸Ｃは、とりわけ温度勾配の方向によって定まる。これにより、結晶化軸Ｃはリボンに対し、したがってウェーハに対し実質的に垂直である。多結晶物質の粒界は、ウェーハの表面に対して垂直であり、かつ光電子の用途においては光起電力電池のＰ／Ｎ接続に対して垂直であり、したがって材料の電気的性質および光起電力電池の性能が改善する。

るつぼは、最高１５００℃の温度に耐えるとともに、結晶化させる材料、例えばシリコンに対する反応性が低くなければならない。るつぼ１は、例えば石英、シリコンナイトライド、グラファイト、およびシリコンナイトライドあるいは他の耐火材料で覆われた石英から製造される。

図１において、横方向スリット４は、るつぼ１の底部２と対応する側壁３との間に配置されるとともに、底部２対して間隔を明けるように保たれなければならない。図１に示したように、スリット４の高さＨは、るつぼの外側に配置されるとともに横方向スリット４の高さＨを変更できるようにする高さ調整可能な追加の壁６により、必要に応じて調整することができる。追加の壁６の適切な材料は、好ましくはるつぼ１の材料と同一である。

図２に示したように、るつぼは、例えば対向している側壁３にそれぞれ配置される、いくつかの横方向スリット４を備えることができる。したがって、結晶性物質の２つのリボンＲを同時に得ることができる。図２において、横方向スリット４は、対応する側壁３の底部に機械加工される。図３は、対応する側壁３の底部においてその幅Ｌの方向に水平に延びる横方向スリット４を示している。

好ましくはこの装置は、図２中に矢印８で示したように、結晶化させる材料を連続的につぼに供給する供給源７を備える。材料は、固相であるいは液相で供給することができる。後者の場合、この装置は原料浄化系に統合することができる。例えば、追加の加熱システムおよびサイホン作用による供給を想定することができるとともに、精製は例えばプラズマによって実行することができる。るつぼ１の内側に温度勾配を確立するために、るつぼはその最上部が加熱されるとともにその底部２を介して冷却される。冷却速度は、材料の結晶化を可能にするとともに結晶化に対応する潜熱を吸収するために必要な大きさとしなければならない。不純物に応じて、過冷現象を考慮しなければならない。

液相／固相の分離を横方向スリット４の高さに位置決めするために、るつぼは、好ましくは横方向スリット４の高さで、例えばその底部２に接触するように配置されたいくつかの冷却コイルの巻き付けによって局所的に冷却される。水あるいはヘリウムのような冷媒が、コイル状の巻き付けの内部を循環する。図４に示した特別な実施形態においては、この装置は、例えば耐火性プレート９と、この耐火性プレート９に冷媒を供給する噴霧器１０とを備える。その他の局部的な冷却装置もまた想定することができる。

冷却位置は、種結晶と接触したときに結晶化することができるスリット４の高さに形成される溶融材料のメニスカスが得られるように制御されなければならない。例えばシリコンの場合には、対応する凝固温度は１４００℃から１４５０℃であり、かつるつぼに含まれているシリコン溶融物は１４２０℃から１５５０℃の温度に加熱することができる。その結果、シリコンはスリット４から流出し、スリット４から取り出されて結晶化する。図４において、側壁３の厚みはスリット４から離れるにつれて増加している。

図４において、この装置はまた、側壁３およびスリット４の高さで凝固するシリコンを局所的に加熱する、スリット４の上方に配置された追加の加熱要素１５を備えている。したがってスリット４は、スリット４の上方に配置された熱供給源とスリット４の下方に配置された冷却源の間に配置される。このことは、シリコンが凝固する間における温度勾配の確立および制御を可能とすし、それによって制御された結晶化の配向を制御する。高さ調節自在な追加の壁６を用いるときには、後者を追加の加熱要素１５に接触させて配置することができる。したがって、追加の壁６はスリット４に熱を供給する熱導体として用いることができる。

温度勾配は、実質的に垂直であり、かつ、シリコンを冷却する間には５〜２０℃／ｃｍである。この勾配は、不純物の分離、および実質的に垂直な温熱軸に沿った結晶の成長のために必要である。その結果、結晶の成長方向はリボンＲの上面に対して垂直である。

この装置は、るつぼ１の横方向スリット４から取り出された結晶性物質のリボンＲを掴むための装置１１を備えている。この装置１１は、例えば横方向スリット４から取り出された材料と接触するように種結晶１３を配置できる、種結晶１３を支持するための支持部１２を備える。単結晶あるいは多結晶のシリコン種結晶１３は、好ましくは、引っ張り方向への結晶の成長を制限するために、低い成長速度の軸、例えば＜１１２＞軸あるいは＜１１０＞軸に沿って切断される。種結晶の適切な材料は、好ましくは結晶化させる材料と同一である。しかしながら種結晶は、例えば石英、窒化物、多結晶シリコン、あるいはムライトといった、結晶化させる材料とは異なる材料から作ることができるが、その本質的な特質はその溶融を防止するとともに不純物を生じさせないようなものである。種結晶１３の厚みおよび幅は、リボンＲの厚みおよび幅に対応する。

好ましくは、この装置１１はまた、図４に矢印１４で示されるような、結晶性物質のリボンＲを引っ張るための移動モータを備える。したがって、リボンＲを所望の長さに引っ張っり、かつスリット４のレベルで切断することができる。

図５は本発明の装置の他の特別な実施形態を示しているが、この装置は、るつぼの全く同一の側壁３に配置されたいくつかの横方向スリット４を備えており、かつ各スリットは例えば１５０ミリメートルの幅を有している。さらに、るつぼ内のシリコンは、例えばこれらの方法の誘導、抵抗、赤外線あるいはそれらの組合せによって加熱される。
どの方法を選択するかは、使用する材料に顕著に関連する。

他の工程および処理を、同じ生産ラインに続けて追加することができる。るつぼ１から離れると、リボンＲは例えばレーザーによって切断される。好ましくは、リボンＲは、リボンＲを破壊する引っ張り速度の短く急な加速によって切断される。それによって、リボンＲはスリット４から取り出された材料から分離するが、後続するリボンＲの最初の部分を取り上げるための第２の掴み装置１１を設置することができる。あるいは、横方向の把持システムが、１つのリボンもしくは複数のリボン（あるいは切断頻度によってはウェーハ）を次から次へと移動させるようにする。

この製造装置は、スリット４から取り出された材料のリボンＲをウェーハに切断する前であっても、光起電力電池の生産ラインに連続する形態で直接的に統合することができる。図６は、リボンＲが直接導入される拡散炉１６を示している。リボンＲを掴んで移動させる装置１１は、特にリボンＲを炉１６に対して取り込むことを可能としている。るつぼから取り出されたリボンＲはすでに高温であるので、このリボンＲを炉１６に導入する前の追加の予熱工程を経済的なものとする。

したがって、予め精製された液体のシリコンから最終的な太陽電池モジュールの組立に至る完全に統合した生産を達成することができる。実際に、この装置は、原料を受け取る上流側のラインおよび光起電力電池を生産する工程の下流側のラインの両方を統合することができる。

本発明の方法は、好ましくは、結晶化のための種結晶１３を横方向スリット４から取り出された材料に接触させる工程、およびリボンＲを水平方向に移動させる工程１４とを備える。

図７において、るつぼ１は、任意の機械的装置、例えば回動支持部により水平面１７に対して角度αをなして傾いている。リボンＲの引っ張り方向、したがってリボンＲは、水平面１７に対して角度βで傾いている。このことは、とりわけ、リボンＲの平面に対して垂直な方向への結晶の成長を容易にする。実際に、引っ張り速度が高いほど、この装置の引っ張り軸Ｔに対して結晶化軸Ｃが大きく傾く。るつぼ１および／または引っ張り方向の傾きは、この効果の修正を可能とし、かつ結晶化軸ＣがリボンＲに対して垂直に得られるようにする。角度αおよび角度βについては、結晶化軸Ｃを制御するためにマイナスとしあるいは反対の符号とすることも想定し得る。

図８に示されている本発明の特別な実施形態において、スリット４は、孔１８を通過した材料の細線が孔の出口において互いに接合してリボンＲを形成するように間隔を開けて配置された、一連の孔１８によって形成されている。実際に孔１８の間隔は、孔１８から取り出される個々の細線が毛管現象によって互いに接合するように調整することができる。

本発明は、説明した実施形態には限定されない。本発明のいくつかのるつぼを生産ラインにおいて統合することもまた想定し得る。したがって、るつぼ内のシリコン溶融物に対するドーピングに応じて、第１のるつぼがＮ型材料のリボンＲの製造を可能とし、かつ第２のるつぼがＰ形材料のリボンＲの製造を可能にする。

るつぼの側壁３の底部に配置された横方向スリット４について、スリット４の深さＤは、壁の厚みに対応して２．５〜１５ｍｍ、好ましくは４〜１０ｍｍである。このるつぼは、それに対応する全長のきわめて短い、すなわち数ミリメートルの流出路を有する。図４に示したように側壁３の厚さが変化するときには、横方向スリット４の深さはスリット位置における側壁３の厚みに対応する。全ての場合において、スリット４の深さＤ、あるいは一般的な態様における流出路の全長は２．５〜１５ｍｍ、好ましくは４〜１０ｍｍである。

各成分の偏析係数により、凝固は不純物の分離、すなわち固相における不純物濃度の減少および液相における不純物濃度の増加を生じさせる。本発明のスリットにより、凝固前面はるつぼの大きな容積の内側に配置され、あるいは少なくともそれに対してきわめて近い。その結果、不純物は、とりわけ通常の撹拌効果によってるつぼ内の全体容積内に分散する。したがって、固相は液相よりもかなり純度が高い。その結果、本発明の装置は、必要とされる最終的なシリコンよりも純粋ではない最初のシリコンの利用を効果的に可能とし、かつそれを結晶化の間に精製する。

これに対して、Hide他による上記の論文に記載されている装置は、不純物が極めて少ない電子的品位のシリコンの使用に限定される。Hide他に記載されている装置は、実際に、凝固前面のレベルにおける分離が狭いチャネル内への不純物の閉じ込めを生じさせるため、得られる液相の全体容積にわたる不純物の良好な分散を可能とはしない。このチャネル内の不純物は必然的に固相内、特にリボンの最上層に含まれるため、リボンの品質の低下を生じさせる。

本発明の装置の３つの特定の実施形態を示す断面図。 本発明の装置の３つの特定の実施形態を示す断面図。 図２中の破断線Ａ−Ａに沿った、図２中のるつぼの他の３つの実施形態を示す断面図。 本発明の装置の３つの特定の実施形態を示す断面図。 図２中の破断線Ａ−Ａに沿った、図２中のるつぼの他の３つの実施形態を示す断面図。 本発明の装置の光起電力電池生産ラインへの直接的な統合を示す図。 本発明の装置の特定の実施形態における、るつぼおよびリボンの傾斜を示す図。 図２中の破断線Ａ−Ａに沿った、図２中のるつぼの他の３つの実施形態を示す断面図。

Claims (15)

1. 制御された結晶化によって結晶性物質のリボン（Ｒ）を製造する装置であって、
   底部（２）および側壁（３）を有したるつぼ（１）を備え、
   前記るつぼ（１）は、前記側壁（３）の底部に水平に配置された少なくとも一つの横方向スリット（４）を有しており、
   前記横方向スリット（４）は、５０ｍｍより大きな幅（Ｌ）および５０〜１０００マイクロメートルの高さ（Ｈ）を有していることを特徴とする装置。
2. 前記横方向スリット（４）の幅が、１００ｍｍ〜５００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記横方向スリット（４）が、前記るつぼ（１）の底部（２）と１つの側壁（３）との間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記横方向スリット（４）が、前記側壁（３）に機械加工されることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の装置。
5. 前記横方向スリット（４）の高さ（Ｈ）が変更可能であることを特徴とする請求項１〜３のうちのいずれか一項に記載の装置。
6. 結晶化させる原料を前記るつぼ（１）に連続的に供給する手段（７）を備えていることを特徴とする請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の装置。
7. 前記横方向スリット（４）の高さにおいて前記るつぼ（１）の底部（２）を局所的に冷却する冷却手段（９、１０）を備えることを特徴とする請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の装置。
8. 前記横方向スリット（４）の高さにおいて前記側壁（３）を局所的に加熱するための加熱手段（１５）を備えることを特徴とする請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載の装置。
9. 前記るつぼ（１）の前記横方向スリット（４）から取り出される結晶性物質のリボン（Ｒ）を把持する手段（１２）を備えることを特徴とする請求項１〜８のうちのいずれか一項に記載の装置。
10. 前記結晶性物質のリボン（Ｒ）を引っ張るための変位手段（１１）を備えることを特徴とする請求項１〜９のうちのいずれか一項に記載の装置。
11. 前記横方向スリット（４）は、孔（１８）を通過した材料の細線がこの孔（１８）の出口において互いに接合してリボン（Ｒ）を形成するように間隔を開けて配置された一連の孔（１８）によって形成されていることを特徴とする請求項１〜１０のうちのいずれか一項に記載の装置。
12. 請求項１〜１１のうちのいずれか一項に記載の装置により、結晶化軸（Ｃ）に沿った制御された結晶化による結晶性物質のリボン（Ｒ）を製造する方法であって、前記結晶化軸（Ｃ）が前記装置の引っ張り軸（Ｔ）に対して垂直であることを特徴とする方法。
13. 前記結晶性物質が前記横方向スリット（４）介して取り出され、
    前記方法は、前記横方向スリット（４）を介して取り出される材料に結晶化のための種結晶（１３）を接触させる段階と、前記リボン（Ｒ）を水平移動させる段階（１４）を含むことを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記製造装置を光起電力電池の生産ラインに直接的に集積化させる段階を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載の製造方法。
15. 前記るつぼ（１）および／または前記リボン（Ｒ）を水平面（１７）に対して傾斜させる段階を含むことを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の製造方法。

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