JP2014162699A - Production method of silicon ingot - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリコンインゴットの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a silicon ingot.
太陽電池素子は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である。そして、太陽電池素子には、シリコン基板が半導体基板として広汎に適用されている。このシリコン基板は、単結晶または多結晶のシリコンインゴットがワイヤーソー装置等によって所望の厚さに薄切りにされることで得られる。 A solar cell element is an element that converts light energy into electrical energy. A silicon substrate is widely used as a semiconductor substrate in solar cell elements. This silicon substrate is obtained by slicing a single crystal or polycrystalline silicon ingot to a desired thickness by a wire saw device or the like.
ところで、単結晶のシリコンインゴットの製造方法としては、例えば、チョクラルスキー(CZ)法およびフローティングゾーン(FZ)法等が知られている。また、多結晶のシリコンインゴットの製造方法としては、例えば、キャスト法等が知られている。そして、多結晶のシリコンインゴットは、単結晶のシリコンインゴットよりも簡便に製造され得ることが一般に知られている。但し、半導体基板として多結晶のシリコン基板が用いられた太陽電池素子における光電変換効率は、結晶粒界等と言った結晶欠陥の存在に因って、単結晶のシリコン基板が用いられた太陽電池素子における光電変換効率よりも低いことが、一般的に知られている。 By the way, as a method for producing a single crystal silicon ingot, for example, the Czochralski (CZ) method and the floating zone (FZ) method are known. As a method for producing a polycrystalline silicon ingot, for example, a casting method or the like is known. It is generally known that a polycrystalline silicon ingot can be more easily produced than a single crystal silicon ingot. However, the photoelectric conversion efficiency in a solar cell element in which a polycrystalline silicon substrate is used as a semiconductor substrate is a solar cell in which a single crystal silicon substrate is used due to the presence of crystal defects such as crystal grain boundaries. It is generally known that the photoelectric conversion efficiency of the device is lower.
そこで、キャスト法を用いて、結晶粒界等の欠陥が少なく、結晶方位が揃ったシリコンインゴットを製造する方法が提案されている(例えば、下記の特許文献1,2等を参照)。この製造方法では、鋳型内の底面に種結晶としての単結晶のシリコンが配置された状態で、シリコン融液を鋳型内に注入することで、種結晶を起点として該シリコン融液を一方向に凝固させる方法(シードキャスト法とも言う)が採用されている。
In view of this, there has been proposed a method of manufacturing a silicon ingot with few defects such as crystal grain boundaries and having a uniform crystal orientation by using a casting method (see, for example,
しかしながら、シードキャスト法では、シリコン融液が鋳型内に注入される際に、鋳型内の底面に配置された種結晶に高温のシリコン融液が急に接触することで、局所的な熱膨張等に因って種結晶が割れ易い。また、鋳型内の底面に配置された種結晶の一部にシリコン融液が集中的に接触し続けることで、種結晶が局所的に溶融し易い。この場合、種結晶の割れおよび溶融が鋳型の底面まで到達すると、シリコンインゴットの底部の一部に相当する部分において種結晶を起点としない結晶成長が開始され得る。さらに、シリコン融液が鋳型内に注入される初期段階において、シリコン融液が種結晶の上面において外周部付近に飛散し易い。このとき、この外周部付近に飛散したシリコン融液が、急冷によって種結晶の結晶方位の影響を受けることなくランダムな結晶方位を有する形態で凝固し易い。これにより、種結晶を起点としない結晶成長がさらに生じ得る。すなわち、シードキャスト法では、シリコンインゴットの結晶性が低下し易い。 However, in the seed cast method, when the silicon melt is injected into the mold, the high temperature silicon melt suddenly comes into contact with the seed crystal disposed on the bottom surface in the mold, thereby causing local thermal expansion or the like. Therefore, the seed crystal is easily broken. Further, the silicon melt is kept in intensive contact with a part of the seed crystal disposed on the bottom surface in the mold, so that the seed crystal is likely to be locally melted. In this case, when the cracking and melting of the seed crystal reach the bottom surface of the mold, crystal growth not starting from the seed crystal can be started in a portion corresponding to a part of the bottom portion of the silicon ingot. Further, in the initial stage where the silicon melt is injected into the mold, the silicon melt is likely to be scattered near the outer peripheral portion on the upper surface of the seed crystal. At this time, the silicon melt scattered in the vicinity of the outer peripheral portion is easily solidified in a form having a random crystal orientation without being affected by the crystal orientation of the seed crystal by rapid cooling. As a result, crystal growth that does not start from the seed crystal may further occur. That is, in the seed cast method, the crystallinity of the silicon ingot tends to be lowered.
そこで、結晶方位が揃った高品質のシリコンインゴットを簡便に製造することができる製造方法が望まれている。 Therefore, a manufacturing method that can easily manufacture a high-quality silicon ingot having a uniform crystal orientation is desired.
上記課題を解決するために、一態様に係るシリコンインゴットの製造方法は、鋳型内の底面部上に板状単結晶シリコンの種結晶を配置して、該種結晶上に固体状態のシリコン塊を配する第1工程と、前記シリコン塊を溶融させて、前記種結晶の上面を第1シリコン融液で覆う第2工程と、前記種結晶の前記上面が前記第1シリコン融液で覆われている状態において、前記鋳型の前記底面部側からの前記第1シリコン融液の冷却、および前記鋳型内への第2シリコン融液の注入を行う第3工程と、前記第1シリコン融液および前記第2シリコン融液が混合された第3シリコン融液に対して、前記鋳型の前記底面部側から上方に向かう一方向凝固を行わせる第4工程とを有する。 In order to solve the above-described problem, a method for manufacturing a silicon ingot according to one aspect includes a plate-like single crystal silicon seed crystal disposed on a bottom surface in a mold, and a solid silicon mass is formed on the seed crystal. A first step of disposing, a second step of melting the silicon mass and covering an upper surface of the seed crystal with a first silicon melt, and an upper surface of the seed crystal being covered with the first silicon melt. A third step of cooling the first silicon melt from the bottom surface side of the mold and injecting the second silicon melt into the mold; and the first silicon melt and the And a fourth step of solidifying the third silicon melt mixed with the second silicon melt upward from the bottom surface side of the mold.
上記のシリコンインゴットの製造方法によれば、鋳型内に配置された種結晶の一部に高温の第2シリコン融液が集中的に接触せず、第2シリコン融液が種結晶の上面における周縁部に飛散し難いため、種結晶を起点としない結晶成長が生じ難い。したがって、結晶方位が揃った高品質のシリコンインゴットを簡便に製造することができる。 According to the above-described method for manufacturing a silicon ingot, the high-temperature second silicon melt does not intensively contact a part of the seed crystal disposed in the mold, and the second silicon melt has a peripheral edge on the upper surface of the seed crystal. Therefore, crystal growth that does not start from the seed crystal is difficult to occur. Therefore, a high-quality silicon ingot having a uniform crystal orientation can be easily produced.
以下、本発明の一実施形態および変形例を図面に基づいて説明する。なお、図面においては同様な構成および機能を有する部分については同じ符号が付されており、下記説明では重複説明が省略される。また、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は適宜変更され得る。なお、図1、図2、図4から図16、図19、図24および図25には、シリコンインゴットの製造装置の上方向(図1の図面視上方向)を+Z方向とする右手系のXYZ座標系が付されている。また、図2および図11から図15では、冷却板123の動きが黒塗りの矢印で示されており、熱の移動が白抜きの矢印で示されており、加熱による熱の付与が斜線のハッチングが付された矢印で示されている。さらに、図15および図19では、第3シリコン融液MS3の一方向凝固が進行する様子が太い破線の矢印で示されている。
Hereinafter, an embodiment and a modification of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, parts having the same configuration and function are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted in the following description. Further, the drawings are schematically shown, and the sizes and positional relationships of various structures in each drawing can be appropriately changed. 1, 2, 4 to 16, 19, 24, and 25, a right-handed system in which the upward direction of the silicon ingot manufacturing apparatus (the upward direction in the drawing of FIG. 1) is the + Z direction is shown. An XYZ coordinate system is attached. In FIGS. 2 and 11 to 15, the movement of the
<(1)一実施形態>
<(1−1)シリコンインゴットの製造装置>
図1で示されるように、シリコンインゴットを製造する製造装置100は、上部ユニット110、下部ユニット120および制御部130を備えている。
<(1) One Embodiment>
<(1-1) Silicon Ingot Manufacturing Equipment>
As shown in FIG. 1, the
上部ユニット110は、坩堝111、上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sを備えている。下部ユニット120は、鋳型121、鋳型保持部122、冷却板123、回転軸124、上部ヒーターH2u、下部ヒーターH2lおよび測温部CHA,CHBを備えている。坩堝111および鋳型121の素材は、シリコンの融点以上の温度において、溶融、変形および分解等が生じ難く、さらにシリコンとの反応が生じ難く、不純物が低減されたものであれば良い。
The
坩堝111は、本体部111b、上部開口部111uo、内部空間111iおよび下部開口部111boを備えている。本体部111bは、全体が有底の略円筒形状のものである。なお、坩堝111の素材は、例えば、石英硝子等であれば良い。上部ヒーターH1uは、上部開口部111uoの真上において平面視で円環状に配されている。側部ヒーターH1sは、本体部111bを側方から囲むように平面視で円環状に配されている。
The
ここで、シリコンインゴットの製造時には、坩堝111の内部空間111iに、例えば、上部開口部111uoからシリコンインゴットの原料である固体状態の複数のシリコンの塊(シリコン塊とも言う)が充填される。なお、このシリコン塊は粉末状態のものを含んでいても良い。この内部空間111iに充填されたシリコン塊は、上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによる加熱によって溶融される。そして、例えば、下部開口部111bo上に設けられたシリコン塊が加熱されて溶融されることで、内部空間111i内の溶融したシリコン(シリコン融液とも言う)が下部開口部111boを介して下部ユニット120の鋳型121に向けて注がれる。なお、坩堝111に下部開口部111boが設けられず、坩堝111が傾斜されることで、坩堝111内からシリコン融液が鋳型121に向けて注がれる構成が採用されても良い。
Here, at the time of manufacturing the silicon ingot, the
鋳型121は、全体が有底の筒形状のものである。具体的には、鋳型121は、底部121b、側壁部121s、内部空間121iおよび鋳型121の上部に配されている上部開口部121oを備えている。底部121bおよび上部開口部121oは、例えば、略正方形状であれば良い。そして、底部121bおよび上部開口部121oの一辺は、例えば、300mm以上で且つ800mm以下程度であれば良い。上部開口部121oは、坩堝111から内部空間121i内へのシリコン融液の注入を受け付ける。ここで、側壁部121sおよび底部121bの素材としては、例えば、シリカ等が採用され得る。側壁部121sは、さらに、例えば、炭素繊維強化炭素複合材料等、および断熱材としてのフェルト等と組み合わされることで形成されても良い。
The
また、図1で示されるように、上部ヒーターH2uは、鋳型121の上部開口部121oの真上において円環状に配されている。下部ヒーターH2lは、鋳型121の側壁部121sの+Z方向における下部から上部にかけた部分を側方から囲むように円環状に配されている。下部ヒーターH2lは、複数の領域に分割されて、各領域が独立して温度制御されるように構成されていても良い。
Further, as shown in FIG. 1, the upper heater H <b> 2 u is arranged in an annular shape directly above the upper opening 121 o of the
鋳型保持部122は、鋳型121を下方から保持するものであり、鋳型121の下面と密着している。鋳型保持部122の素材は、例えば、グラファイト等の伝熱性の高い材料であれば良く、さらに鋳型121の側壁部121sとの間に断熱部(不図示)を備えていても良い。これにより、側壁部121sよりも底部121bから冷却板123に優先的に熱が伝えられ得る。断熱部の素材は、例えば、フェルト等であれば良い。
The
冷却板123は、図2で示されるように、回転軸124の回転によって上昇し、鋳型保持部122の下面に接触する。なお、冷却板123が鋳型保持部122の下面に接触することを接地とも言う。冷却板123としては、例えば、中空の金属板等の内部に水あるいはガスが循環する構造のものであれば良い。シリコンインゴットの製造時には、内部空間121iにシリコン融液MSが充填された状態で、冷却板123が鋳型保持部122の下面に接触することで、シリコン融液MSから鋳型保持部122を介して冷却板123に熱が伝えられる抜熱が行われる。つまり、シリコン融液MSが冷却板123によって底部121b側から冷却される。
As shown in FIG. 2, the
測温部CHA,CHBは、温度を計測するための部分である。測温部CHA,CHBは、例えば、アルミナ製の細い管で被覆された熱電対等によって温度に係る測定が可能であり、図示を省略する温度検知部において、各測温部CHA,CHBにおいて生じる電圧に応じた温度が検出される。 The temperature measuring parts CHA and CHB are parts for measuring the temperature. The temperature measuring units CHA and CHB can measure the temperature with a thermocouple or the like covered with a thin tube made of alumina, for example. In the temperature detection unit (not shown), the voltage generated in each temperature measuring unit CHA and CHB. A temperature corresponding to is detected.
ここで、測温部CHAは、下部ヒーターH2lの近傍に配されている。測温部CHBは、鋳型121の底部121bの中央部の下面付近に配されている。
Here, the temperature measuring part CHA is arranged in the vicinity of the lower heater H2l. The temperature measuring part CHB is arranged near the lower surface of the central part of the bottom 121b of the
制御部130は、製造装置100の全体を制御する部分である。制御部130は、例えば、プロセッサ、メモリおよび記憶部等を有し、記憶部内に格納されているプログラムが、プロセッサによって実行されることで、各種制御が行われるものであれば良い。例えば、制御部130によって、上部ヒーターH1u,H2u、側部ヒーターH1sおよび下部ヒーターH2lの出力が制御される。なお、制御部130では、例えば、各測温部CHA,CHBによって得られる温度および時間の経過のうちの少なくとも一方に応じて、各ヒーターH1s,H1u,H2l,H2uの出力が制御される。
The
<(1−2)シリコンインゴットの製造方法>
次に、製造装置100が用いられたシリコンインゴットの製造方法について説明する。図3で示されるように、本実施形態に係るシリコンインゴットの製造方法では、ステップSp1〜Sp4の第1〜4工程が順に行われることで、結晶方位が揃った高品質のシリコンインゴットが簡便に製造される。本実施形態では、ステップSp1の第1工程では、ステップSp11〜Sp14の4工程が順に行われ、ステップSp3の第3工程では、ステップSp31〜Sp33の3工程が順に行われる。図4から図15では、各工程における鋳型121および坩堝111の少なくとも一方の状態が模式的に示されている。
<(1-2) Manufacturing method of silicon ingot>
Next, a method for manufacturing a silicon ingot using the
<(1−2−1)第1工程>
ステップSp1の第1工程では、鋳型121内の底面部上に板状単結晶シリコンの種結晶200sが配置されて、この種結晶200sの上に固体状態のシリコンであるシリコン塊PS1が配される。ここで、第1工程において順に行われるステップSp11〜Sp14の4工程について説明する。
<(1-2-1) First step>
In the first step of Step Sp1, a plate-like single crystal
ステップSp11では、図4で示されるように、鋳型121の内壁面に離型材が塗布されることで離型材層Mr1が形成される。この離型材層Mr1の存在によって、第1シリコン融液MS1が凝固する過程における鋳型121の内壁へのシリコンインゴットの融着が低減される。離型材層Mr1の材質としては、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素等が採用され得る。離型材層Mr1は、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素の1以上を含むスラリーが、鋳型121の内壁に塗布もしくはスプレー等によってコーティングされることで形成され得る。ここで、スラリーは、例えば、窒化珪素、炭化珪素および酸化珪素のうちの何れか1つまたは2以上の混合物の粉末が、PVA(ポリビニルアルコール)等の有機バインダーと溶剤とを主に含む溶液中に混合されたものが攪拌されることで形成され得る。
In Step Sp11, as shown in FIG. 4, a release material layer Mr1 is formed by applying a release material to the inner wall surface of the
ステップSp12では、図5および図6で示されるように、鋳型121内の底面部上としての底部121bの内壁面上に種結晶200sが配置される。ここでは、例えば、ステップSp11において鋳型121の内壁面に形成された離型材層Mr1が乾燥される際に、種結晶200sが離型材層Mr1に貼り付けられれば良い。本実施形態では、種結晶200sとしては、第1主面とこの第1主面とは反対側に位置する第2主面とを有している板状の単結晶シリコンが採用される。
In step Sp12, as shown in FIGS. 5 and 6,
ここで、種結晶200sの上面における面方位は、例えば、ミラー指数における(100)であれば良い。この場合、種結晶200sが容易に製造され得るとともに、後述する第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる際における結晶成長の速度が向上し得る。種結晶200sの形状は、例えば、図6で示されるように、平面視した際に、円形状であれば良い。この場合、種結晶200sの径は、例えば、180mm以上で且つ300mm以下程度であれば良い。また、種結晶200sの厚さは、第2シリコン融液MS2が鋳型121内に注入される際に、底部まで溶けない程度の厚さに設定される。種結晶200sの厚さは、例えば、20mm以上であり且つ40mm以下程度であれば良い。
Here, the plane orientation on the upper surface of the
なお、種結晶200sの盤面の形状は、例えば、略角形状であっても良い。この場合、各角部が面取りされていても良い。また、シリコンインゴットの底面積の大型化による鋳造効率の向上ならびに種結晶200sの大型化の難しさ等が考慮されて、図7および図8で示されるように、鋳型121内の底面部上としての底部121bの内壁面上に複数の種結晶200sが配置されても良い。この場合、各種結晶200sの一辺は、例えば、150mm以上で且つ200mm以下程度であれば良い。そして、例えば、図7および図8で示されるように、略正方形の盤面を有する4枚の種結晶200sが、略正方形を成すように鋳型121の底部121b上に敷き詰められる態様が採用され得る。この場合、例えば、鋳型121の底部121b上の略中央に間隙GA2が形成されるように4枚の種結晶200sが配列される態様が採用され得る。このような間隙GA2が設けられれば、後述する第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる際に、間隙GA2の真上に位置する領域に歪みを緩和する領域(歪み緩和領域とも言う)が形成され、シリコンインゴットの結晶性の向上に資する。
The shape of the surface of the
ところで、種結晶200sは、例えば、該種結晶200sの外周部と鋳型121の内周側面部としての内壁の側面部とが間隙GA1を有して離隔するように配されれば良い。これにより、後述する第3シリコン融液MS3が凝固する際に、第3シリコン融液MS3と固体状態のシリコンとの境界Bd2が、上方向に張り出すような凸形状となり得る。このような第3シリコン融液MS3の凝固形態によって、第3シリコン融液MS3中における不純物が鋳型121の内周側面部近傍に排出され、シリコンインゴットの中央部分を中心とした広い範囲で、不純物の化合物の析出による転位および欠陥の発生が低減され得る。その結果、シリコンインゴットの結晶性が向上し得る。
By the way, the
具体的には、例えば、鋳型121内の底面積Sa(単位:mm2)と、種結晶200sの上面の面積(上面積とも言う)Sb(単位:mm2)と、種結晶200sの厚さd(単位:mm)とが式〔I〕および〔II〕の関係を満たせば良い。底面積Saは、鋳型121における底部121bの内壁面の面積である。なお、鋳型121の底部121b上に複数の種結晶200sが敷き詰められる場合、種結晶200sの上面積Sbは、複数の種結晶200sの上面の合計の面積Sbであれば良い。つまり、式〔I〕を満足する鋳型121内に、式〔II〕を満足する種結晶200sが配置されれば良い。
Specifically, for example, the bottom area Sa (unit: mm 2 ) in the
0.21≦Sb/Sa<1 ・・・〔I〕
Sb1/2/d≦9.8 ・・・〔II〕。
0.21 ≦ Sb / Sa <1 [I]
Sb 1/2 /d≦9.8 (II).
ここで、式〔I〕で示されるように、種結晶200sの上面積Sbを鋳型121内の底面積Saで除して得られる値Sb/Saが1未満であれば、種結晶200sの外周部と鋳型121の内壁の側面部とが離隔され得る。また、Sb/Saが0.21以上であれば、後述する鋳型121内における第3シリコン融液MS3の凝固によって、XY断面の面積が十分大きな単結晶の領域(単結晶領域とも言う)を有するシリコンインゴットが生成され得る。なお、種結晶200sの上面積Sbが小さければ、種結晶200sの製造コストが低減し得る。その一方で、種結晶200sの上面積Sbが大きければ、シリコンインゴットにおける単結晶領域が拡大し得る。すなわち、シリコンインゴットの結晶性が向上し得る。
Here, as shown by the formula [I], if the value Sb / Sa obtained by dividing the top area Sb of the
また、上記〔II〕で示されるように、種結晶200sの上面積Sbの平方根を種結晶200sの厚さdで除した値Sb1/2/dが9.8以下であれば、種結晶200sが過度に薄い形状とはならない。これにより、後述する鋳型121内に配されたシリコン塊PS1の溶融および鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が行われる際に、種結晶200sにおける溶融のばらつきが生じ難い。その結果、シリコンインゴットにおける単結晶領域が拡大し得る。すなわち、シリコンインゴットの結晶性が向上し得る。
As shown in [II] above, if the value Sb 1/2 / d obtained by dividing the square root of the upper area Sb of the
ステップSp13では、図9で示されるように、ステップSp12において配置された種結晶200s上に固体状態のシリコン塊PS1が配される。ここでは、鋳型121内の下部の領域にシリコン塊PS1が充填されれば良い。ここで、シリコン塊PS1は、例えば、シリコンインゴットの原料の一部としてのポリシリコンの塊であれば良い。このポリシリコンの塊は、例えば、比較的細かいブロック状のシリコンの塊であれば良い。なお、種結晶200sとシリコン塊PS1との合計の重量は、例えば、3kg以上で且つ20kg以下程度であれば良い。
In step Sp13, as shown in FIG. 9, the solid silicon block PS1 is arranged on the
ステップSp14では、図10で示されるように、坩堝111の内部空間111iにシリコン塊PS2が導入される。ここでは、坩堝111内の下部の領域から上部の領域に向けてシリコン塊PS2が充填されれば良い。このとき、例えば、シリコンインゴットにおいてドーパントとなる元素がシリコン塊PS2と混合されていれば良い。ここで、シリコン塊PS2は、例えば、シリコンインゴットの原料としてのポリシリコンの塊であれば良い。このポリシリコンの塊は、例えば、比較的細かいブロック状のシリコンの塊であれば良い。なお、p型のシリコンインゴットが製造される場合、ドーパントとなる元素は、例えば、ホウ素およびガリウム等であれば良い。n型のシリコンインゴットが製造される場合、ドーパントとなる元素は、例えば、リン等であれば良い。また、ここでは、坩堝111の下部開口部111boの上を塞ぐようにシリコン塊PS3が充填される。これにより、内部空間111iから下部開口部111boに至る経路が塞がれる。
In Step Sp14, as shown in FIG. 10, the silicon block PS2 is introduced into the
なお、第2工程が開始される前に、鋳型保持部122の下面に冷却板123が接地されていない状態に設定される。
In addition, before the 2nd process is started, it sets to the state by which the
<(1−2−2)第2工程>
ステップSp2の第2工程では、図11で示されるように、鋳型121内に配されたシリコン塊PS1が溶融されて、種結晶200sの上面が溶融状態の第1シリコン融液MS1に覆われた状態に設定される。ここでは、種結晶200sよりも種結晶200s上のシリコン塊PS1が先に溶融することで、種結晶200sの上面の全体が略均一に加熱され易く、種結晶200sの上面側の表層部が略均一に溶融し得る。
<(1-2-2) Second step>
In the second step of step Sp2, as shown in FIG. 11, the silicon lump PS1 disposed in the
具体的には、ここでは、例えば、鋳型121の上方および側方に配置された上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって、シリコン塊PS1が融点以上である1414℃以上で且つ1500℃以下程度の温度域まで加熱されれば良い。このとき、例えば、下部ヒーターH2lの出力よりも上部ヒーターH2uの出力の方が高められることで、種結晶200sよりもシリコン塊PS1の方が優先的に溶融されれば良い。種結晶200sは、鋳型121の底部121bに密着しているため、種結晶200sから底部121bへの熱伝達によって溶解せずに残存する。なお、このとき、上部ヒーターH2uによる加熱によって、坩堝111の下部開口部111boの上を塞いでいるシリコン塊PS3の一部分が溶融されて、鋳型121に滴下されても構わない。
Specifically, here, for example, by the upper heater H2u and the lower heater H2l disposed above and to the side of the
<(1−2−3)第3工程>
ステップSp3の第3工程では、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1で覆われている状態において、鋳型121の底面部側からの第1シリコン融液MS1の冷却、および鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が行われる。ここで、第3工程において順に行われるステップSp31〜Sp33の3工程について説明する。
<(1-2-3) Third step>
In the third step of step Sp3, in the state where the upper surface of the
ステップSp31では、図12で示されるように、鋳型保持部122の下面に冷却板123が接地される。これにより、第1シリコン融液MS1から鋳型保持部122を介した冷却板123への抜熱が開始される。つまり、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1で覆われている状態において、冷却板123による底部121b側からの第1シリコン融液MS1の冷却が開始される。鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地の直前には、例えば、上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの出力が低減されれば良い。この鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地によって、種結晶200sの上面近傍において第1シリコン融液MS1が若干凝固され始めても良い。
In step Sp31, as shown in FIG. 12, the
ここで、鋳型保持部122の下面に冷却板123が接地されるタイミング(接地タイミングとも言う)は、例えば、第2工程における加熱の開始時点から予め設定された第1所定時間が経過したタイミングであれば良い。なお、接地タイミングは、例えば、シリコン塊PS1の溶融の開始時点から予め設定された第2所定時間が経過したタイミングであっても良い。シリコン塊PS1の溶融の開始は、例えば、製造装置100に設けられた覗き穴等を介して視認され得る。また、接地タイミングは、例えば、測温部CHA,CHB等の製造装置100内の測温部によって検出される温度に応じて制御されても良い。
Here, the timing at which the
ステップSp32では、図13で示されるように、坩堝111内に配されたシリコン塊PS2が加熱によって溶融され、坩堝111内に第2シリコン融液MS2が貯留された状態に設定される。ここでは、例えば、坩堝111の上方および側方に配置された上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによって、シリコン塊PS2が融点を超える1414℃以上で且つ1500℃以下程度の温度域まで加熱されて、第2シリコン融液MS2とされれば良い。なお、坩堝111内のシリコン塊PS2が溶融され始めるタイミングは、例えば、接地タイミングの直後であれば良い。
In step Sp32, as shown in FIG. 13, the silicon lump PS2 disposed in the
ステップSp33では、図14で示されるように、坩堝111の下部開口部111boの上を塞いでいるシリコン塊PS3が加熱されることで、シリコン塊PS3が溶融される。この加熱手段としてはヒーター等を用いても良い。これにより、坩堝111における内部空間111iから下部開口部111boに至る経路が開通した状態となる。その結果、坩堝111内の第2シリコン融液MS2が、下部開口部111boを介して鋳型121内に注がれる。このため、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1で覆われている状態において、鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が行われる。これにより、鋳型121内において、第1シリコン融液MS1と第2シリコン融液MS2とが混合されて、第3シリコン融液MS3となる。
In step Sp33, as shown in FIG. 14, the silicon lump PS3 covering the lower opening 111bo of the
このとき、鋳型121内の底面に配置された種結晶200sの一部に第2シリコン融液MS2が集中的に接触しない。このため、局所的な熱膨張等に因る種結晶200sの割れ、および種結晶200sの溶融が鋳型121の底部121b上まで到達する不具合の発生が低減され得る。また、第2シリコン融液MS2が鋳型121内に注入される初期段階において、第2シリコン融液MS2が種結晶200sの上面において外周部付近に飛散する不具合が生じ難い。これにより、種結晶200sを起点としないシリコンの結晶成長が生じ難い。すなわち、シリコンインゴットの結晶性が向上し易い。
At this time, the second silicon melt MS2 does not intensively contact with a part of the
ここで、シリコン塊PS3の加熱が開始されるタイミングは、例えば、第2工程における加熱の開始時点から予め設定された第3所定時間が経過したタイミングであれば良い。 Here, the timing at which the heating of the silicon block PS3 is started may be, for example, a timing at which a preset third predetermined time has elapsed since the heating start time in the second step.
<(1−2−4)第4工程>
ステップSp4の第4工程では、図15で示されるように、鋳型121内の第1シリコン融液MS1と第2シリコン融液MS2とが混合された第3シリコン融液MS3が底面部側から冷却される。これによって、第3シリコン融液MS3の底面部側から上方に向かう一方向の凝固(一方向凝固とも言う)が行われる。つまり、第1シリコン融液MS1と第2シリコン融液MS2とが混合された第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる。
<(1-2-4) Fourth step>
In the fourth step of Step Sp4, as shown in FIG. 15, the third silicon melt MS3 in which the first silicon melt MS1 and the second silicon melt MS2 in the
このとき、例えば、製造装置100内の測温部CHA,CHB等によって検出される温度に応じて、鋳型121の上方および側方に配置された上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの出力が制御される。ここでは、上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの付近の温度が、例えば、シリコンの融点の近傍程度に保持されれば良い。これにより、鋳型121の側方からのシリコンの結晶成長が生じ難く、上方としての+Z方向への単結晶シリコンの結晶成長が生じ易い。なお、このとき、例えば、複数に分割された下部ヒーターH2lを用いて、上部ヒーターH2uおよび分割された下部ヒーターH2lの一部によって第3シリコン融液MS3が加熱され、分割された下部ヒーターH2lの他の一部では第3シリコン融液MS3が加熱されないようにしても良い。
At this time, for example, the outputs of the upper heater H2u and the lower heater H2l arranged above and on the side of the
そして、第3シリコン融液MS3の一方向凝固がゆっくりと進行することで、鋳型121内においてシリコンインゴットが製造される。
And the silicon ingot is manufactured in the
<(1−3)シリコンインゴットの具体例>
図16には、上述した本実施形態に係る製造方法によって製造されたシリコンインゴットの断面写真を模式的に示した断面図が例示されている。
<Specific example of (1-3) silicon ingot>
FIG. 16 illustrates a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional photograph of a silicon ingot manufactured by the manufacturing method according to this embodiment described above.
ここでは、径が222mmの略円形の盤面を有し且つ厚さが30mmである種結晶200sが用いられるとともに、ドーパントとなる元素としてホウ素が用いられてp型のシリコンインゴットが製造された。そして、シリコンインゴットのY方向の略中央部が、バンドソーによってXZ平面に沿って薄切りにされることで、シリコンの板が形成された。その後、このシリコンの板に対して、鏡面仕上げ用のエッチング(ミラーエッチングとも言う)が施された。また、ミラーエッチングが施されたシリコンの板に対して、結晶欠陥を顕在化するためのエッチング(選択エッチングとも言う)が施された。その後に、シリコンの板の盤面が撮影されることで、図16で示されるような断面写真が得られた。
Here, a
ミラーエッチングでは、シリコンの板に対して、フッ硝酸溶液への180秒間の浸漬、水洗、フッ酸水溶液への30秒間の浸漬、水洗および乾燥が順に施された。ここで、フッ硝酸溶液は、70%硝酸と50%フッ酸とが7:2の割合で混合されることで生成された。フッ酸水溶液は、純水と50%フッ酸とが20:1の割合で混合されることで生成された。また、選択エッチングでは、シリコンの板に対して、JIS規格H0609に記載の選択エッチング液、すなわち70%硝酸と99%酢酸と50%フッ酸と水とが、1:12.7:3:3.7の割合で混合された溶液への5分間の浸漬、水洗および乾燥が順に施された。 In the mirror etching, the silicon plate was sequentially immersed in a hydrofluoric acid solution for 180 seconds, washed with water, immersed in a hydrofluoric acid aqueous solution for 30 seconds, washed with water, and dried. Here, the hydrofluoric acid solution was generated by mixing 70% nitric acid and 50% hydrofluoric acid in a ratio of 7: 2. The hydrofluoric acid aqueous solution was produced by mixing pure water and 50% hydrofluoric acid in a ratio of 20: 1. In the selective etching, a selective etching solution described in JIS standard H0609, that is, 70% nitric acid, 99% acetic acid, 50% hydrofluoric acid, and water is applied to the silicon plate at 1: 12.7: 3: 3. 5 minutes immersion in a solution mixed at a ratio of .7, washing with water and drying were sequentially performed.
図16で示されるように、種結晶200sが残存している領域(種結晶領域とも言う)A1sd上に、幅Wd1を有する単結晶の領域(単結晶領域とも言う)A1scが形成されていた。なお、幅Wd1は、217mmであった。また、種結晶領域A1sdおよび単結晶領域A1scの側方には転位および欠陥の比較的高い多結晶の領域(多結晶領域とも言う)A1pが形成されていた。ここで、種結晶領域A1sdと単結晶領域A1scとの境界Bd1は、目視による識別および顕微鏡の観察で得られるエッチピットの密度(EPD)の明らかな変化によって確認された。なお、EPDの明らかな変化は、加熱によって種結晶200s内に生じる若干の転位によるものと推測された。図16では、境界Bd1に沿って破線が付されている。また、単結晶領域A1scは、EBSD(電子後方散乱回折法)による結晶方位の解析によって確認された。
As shown in FIG. 16, a single crystal region (also referred to as a single crystal region) A1sc having a width Wd1 was formed on a region (also referred to as a seed crystal region) A1sd where the
また、種結晶領域A1sdの+Z方向における厚さHT1は、シリコンインゴットの略中央部で約26mmと最も大きく、種結晶領域A1sdの±X方向の端部に近づけば近づく程、小さくなっていた。なお、種結晶領域A1sdの±X方向の端部近傍では、厚さHT1は、約8mmであった。そして、種結晶200sの割れ、および種結晶200sの溶融が鋳型121の底部121b上まで到達する不具合が生じていないことが確認された。このような割れおよび不具合は、鋳型121内の底面に配置された種結晶200sに第2シリコン融液MS2が集中的に接触しない本実施形態に係る製造方法によって生じなかったものと推定された。また、第2シリコン融液MS2が鋳型121内に注入される初期段階において、第2シリコン融液MS2が種結晶200sの上面において外周部付近に飛散することで種結晶200sを起点としないシリコンの結晶成長が生じる不具合が生じていないことが確認された。つまり、シリコンインゴットの外周部付近を除く広範囲にわたって結晶性に優れた単結晶領域A1scが形成されることが分かった。さらに換言すれば、シリコンインゴットの広い範囲で結晶方位が揃った高品質のシリコンインゴットが製造され得ることが分かった。
Further, the thickness HT1 in the + Z direction of the seed crystal region A1sd is the largest at about 26 mm at the substantially central portion of the silicon ingot, and it becomes smaller as it approaches the end of the seed crystal region A1sd in the ± X direction. In the vicinity of the end portion in the ± X direction of seed crystal region A1sd, thickness HT1 was about 8 mm. It was confirmed that there was no problem that the
また、上述した選択エッチングが施されたシリコンの板について、表面と裏面との間における電気抵抗が測定されることで、ドーパントとしてのホウ素の濃度分布に対応する比抵抗(ρb値)の分布が得られた。図17には、シリコンインゴットの下面から上面まで至る距離を100とした場合に、シリコンインゴットの下面からの距離が、30、60および90である各部分における規格化したρb値の分布が示されている。図17では、縦軸が規格化したρb値を示し、横軸がシリコンインゴットにおける横方向(±X方向)の位置を示している。そして、シリコンインゴットの下面からの距離が30である部分における規格化したρb値の分布が一点鎖線で示されている。シリコンインゴットの下面からの距離が60である部分における規格化したρb値の分布が破線で示されている。シリコンインゴットの下面からの距離が90である部分における規格化したρb値の分布が実線で示されている。 Further, by measuring the electrical resistance between the front surface and the back surface of the silicon plate subjected to the selective etching described above, the distribution of specific resistance (ρb value) corresponding to the concentration distribution of boron as a dopant is obtained. Obtained. FIG. 17 shows the distribution of the normalized ρb value in each part where the distance from the lower surface of the silicon ingot is 30, 60, and 90, where the distance from the lower surface to the upper surface of the silicon ingot is 100. ing. In FIG. 17, the vertical axis represents the normalized ρb value, and the horizontal axis represents the position in the horizontal direction (± X direction) in the silicon ingot. And the distribution of the normalized ρb value in the portion where the distance from the lower surface of the silicon ingot is 30 is indicated by a one-dot chain line. The distribution of the normalized ρb value in the portion where the distance from the lower surface of the silicon ingot is 60 is indicated by a broken line. The distribution of the normalized ρb value in the portion where the distance from the lower surface of the silicon ingot is 90 is shown by a solid line.
図17で示されるように、シリコンインゴットの下面からの距離に応じて、ρb値が低下することが確認された。これにより、シリコンインゴットの下面からの距離に応じて、ホウ素の濃度が高まることで、ρb値が低下しているものと推定された。このようなρb値の傾向は、第3シリコン融液MS3が凝固する際に、凝固の初期から凝固の終期にかけて、第3シリコン融液MS3中における不純物としてのホウ素の濃度が上昇する傾向を示すことと整合するものと考えられた。 As shown in FIG. 17, it was confirmed that the ρb value decreased according to the distance from the lower surface of the silicon ingot. Thereby, it was estimated that the ρb value was lowered by increasing the boron concentration according to the distance from the lower surface of the silicon ingot. Such a tendency of the ρb value indicates that when the third silicon melt MS3 solidifies, the concentration of boron as an impurity in the third silicon melt MS3 increases from the initial stage of solidification to the end of solidification. It was thought to be consistent with this.
また、シリコンインゴットの下面からの距離が同一であれば、シリコンインゴットの横方向(±X方向)の端部に近づけば近づく程、ρb値が低下する傾向が見られた。このため、鋳型121の底部121bからの距離が同一であれば、鋳型121の側壁部121sから離れれば離れる程、第3シリコン融液MS3がより早く凝固したものと推定された。なお、略円形の盤面を有する種結晶200sの代わりに、図7および図8で示されるように、一辺が150mmの略正方形の盤面を有し且つ厚さが40mmの4つの種結晶200sが配列された場合にも、図18で示されるように、同様な傾向の結果が得られた。但し、この場合、4つの種結晶200sのうちの相互に隣接する2つの種結晶200sの略中央部を含むXZ平面に沿った領域が、バンドソーによってXZ平面に沿って薄切りにされることで、シリコンの板が形成された。
In addition, when the distance from the lower surface of the silicon ingot was the same, the ρb value tended to decrease as it approached the lateral end (± X direction) of the silicon ingot. For this reason, if the distance from the bottom 121b of the
このため、図17および図18で示される結果から、図19で示されるように、第3シリコン融液MS3が凝固する際には、第3シリコン融液MS3と固体状態のシリコンとの境界Bd2が、上方向に張り出すような凸形状となっていたものと推定された。このような第3シリコン融液MS3の凝固形態によれば、第3シリコン融液MS3に含まれる不純物が、鋳型121の側壁部121s側である内周側面部に偏析し易くなるものと推察された。その結果、図16で示されたように、シリコンインゴットのうちの鋳型121内の側面部近傍の多結晶領域A1pに不純物の析出物および欠陥等が形成されるものと推定された。そして、シリコンインゴットの中央部分を中心とした広い範囲で結晶性に優れた単結晶領域A1scが形成されるものと推定された。
Therefore, from the results shown in FIGS. 17 and 18, as shown in FIG. 19, when the third silicon melt MS3 is solidified, the boundary Bd2 between the third silicon melt MS3 and the solid silicon is obtained. However, it was estimated that it had a convex shape projecting upward. According to such solidification mode of the third silicon melt MS3, it is presumed that impurities contained in the third silicon melt MS3 are likely to segregate on the inner peripheral side surface portion on the
表1および図20には、上述した本実施形態に係る製造方法に従って種結晶200sの寸法を異ならせた9つの条件で製造された9つのシリコンインゴットについての種結晶200sの残存状況および単結晶領域の形成状態に係る評価結果が例示されている。
Table 1 and FIG. 20 show the remaining state and single crystal region of the
ここでは、底部121bの内壁面の形状が、一辺が約350mmの略正方形である鋳型121が用いられた。このため、表1で示されるように、底部121bの内壁面の面積(底面積とも言う)Saが、約122500mm2とされた。そして、条件1,2では、鋳型121の底部121b上に、一辺が約313mmの略正方形の盤面を有する4枚の種結晶200sが敷き詰められた。また、条件3〜9では、鋳型121の底部121b上に、直径が約222、205、180または150mmの略円形の盤面を有する1枚の種結晶200sが載置された。つまり、種結晶200sの上面積Sbは、条件1,2では約97969mm2、条件3〜6では約38708mm2、条件7では約33006mm2、条件8では約25447mm2、条件9では約17671mm2とされた。これにより、上面積Sbを底面積Saで除した値(Sb/Sa)は、条件1,2では約0.80、条件3〜6では約0.32、条件7では約0.27、条件8では約0.21、条件9では約0.14とされた。また、種結晶200sの厚さdは、条件1,3では約40mm、条件2,4では約30mm、条件8では約24mm、条件5,7,9では約20mm、条件6では約18mmとされた。これにより、上面積Sbの平方根を厚さdで除した値(Sb1/2/d)は、条件1では約7.8、条件2では約10.4、条件3では約4.9、条件4,8,9では約6.6、条件5では約9.8、条件6では約10.9、条件7では約9.1とされた。
Here, a
そして、各シリコンインゴットの下面が観察されることで、種結晶200sの残存状況が確認された。また、バンドソーによって各シリコンインゴットがXZ平面に沿って薄切りにされることでシリコンの板が形成され、該シリコンの板にミラーエッチングが施された後に、単結晶領域の大きさが目視によって確認された。
And the remaining condition of the
表1で示されるように、条件1,3,4,7に係るシリコンインゴットについては、加熱される前の種結晶200sのうちの−Z側の部分(底面部とも言う)の形状が殆どそのまま維持されていることが確認された。そして、種結晶200sが残存している種結晶領域A1sd上に、単結晶領域A1scが広い範囲で形成されていることが確認された。すなわち、条件1,3,4,7によれば、広い範囲で結晶性に優れた単結晶領域A1scが形成されている非常に良好なシリコンインゴットが得られることが分かった。したがって、条件1,3,4,7については、非常に良好な評価結果が得られた。また、条件5,8に係るシリコンインゴットについては、加熱される前の種結晶200sの底面部のうちの外縁部の一部が溶融しているものの、種結晶200sの底面部の形状がある程度維持されていることが確認された。そして、種結晶200sが残存している種結晶領域A1sd上に、単結晶領域A1scがある程度広い範囲で形成されていることが確認された。すなわち、条件5,8によれば、ある程度広い範囲で結晶性に優れた単結晶領域A1scが形成されている良好なシリコンインゴットが得られることが分かった。したがって、条件5,8については、良好な評価結果が得られた。
As shown in Table 1, for the silicon ingots according to the
一方、条件2,6に係るシリコンインゴットについては、種結晶200sがその底面部まで溶融している部分が条件5,8よりも広く確認された。そして、単結晶領域A1scの形成範囲がある程度小さい状態にあることが確認された。さらに、条件9に係るシリコンインゴットについては、加熱される前から種結晶200sの直径が過小であり、単結晶領域A1scの形成範囲がある程度狭い範囲に限られることが確認された。
On the other hand, with respect to the silicon ingots according to the
ここで、図20で示されるように、条件1〜9に係るSb/SaおよびSb1/2/dの値をプロットすると、上述した式〔I〕および〔II〕を満たす場合に、シリコンインゴットにおける広い範囲で結晶性に優れた単結晶領域A1scが形成されることが確認された。なお、図20では、横軸がSb/Saの値を示し、縦軸がSb1/2/dの値を示している。また、図20では、評価結果が非常に良好であった条件1,3,4,7のプロットが二重の丸印、評価結果が良好であった条件5,8のプロットが普通の丸印、評価結果が他の場合と比べて良好でなかった条件2,6,9のプロットが三角印でそれぞれ示されている。そして、図20では、上述した式〔I〕および〔II〕を満たす数値の範囲に、砂地のハッチングが付されている。
Here, as shown in FIG. 20, when the values of Sb / Sa and Sb 1/2 / d according to the
<(1−4)太陽電池素子>
上述した本実施形態に係る製造方法によって製造されたシリコンインゴットから切り出されるシリコン基板は、太陽電池素子10の半導体基板として用いられ得る。
<(1-4) Solar cell element>
The silicon substrate cut out from the silicon ingot manufactured by the manufacturing method according to this embodiment described above can be used as a semiconductor substrate of the
ここで、太陽電池素子10の基本構成について説明する。図21から図23で示されるように、太陽電池素子10は、光が入射する受光面(図23における上面)10aと、この受光面10aの反対側の面である非受光面(図23における下面)10bとを有している。この太陽電池素子10は、半導体基板1を有している。この半導体基板1は一導電型の半導体層である第1半導体層1pと、この第1半導体層1pの受光面10a側に設けられた逆導電型の半導体層である第2半導体層1nとを有している。また、半導体基板1の受光面10a側の第1主面1a上には、反射防止層2が設けられている。また、太陽電池素子10は、半導体基板1の受光面10a側の第1主面1a上に設けられた第1電極4と、半導体基板1の非受光面10b側の第2主面1b上に設けられた第2電極5とを有している。
Here, the basic configuration of the
次に、太陽電池素子10のより具体的な構成例について説明する。まず、半導体基板1として一導電型(例えば、p型)を有するシリコン基板が用意される。シリコン基板としては、本発明に係るシリコンインゴットの製造方法によって製造されたシリコンインゴットが、所望の形状のブロックに切り出された後に、マルチワイヤーソー装置等が用いられて薄切りにされることで基板状にされたものが用いられ得る。半導体基板1の厚さは、例えば、300μm以下であれば良く、さらに、200μm以下であれば、資源の有効利用等による太陽電池素子10の製造コストの低減が図られ得る。
Next, a more specific configuration example of the
シリコンインゴットの導電型がp型とされるためのドーパントとなる元素としては、例えば、ホウ素が用いられる。シリコンインゴットにおけるホウ素の濃度が、1×1016〜1×1017[atoms/cm3]程度であれば、シリコン基板における比抵抗は、0.2〜2Ω・cm程度となる。シリコン基板に対するホウ素のドーピング方法としては、例えば、適量のホウ素元素の単体、あるいはホウ素の含有濃度が既知である適量のシリコン塊が、シリコンインゴットの製造時に混合される方法が採用されれば良い。 For example, boron is used as an element serving as a dopant for making the conductivity type of the silicon ingot p-type. If the boron concentration in the silicon ingot is about 1 × 10 16 to 1 × 10 17 [atoms / cm 3 ], the specific resistance of the silicon substrate is about 0.2 to 2 Ω · cm. As a method for doping boron into the silicon substrate, for example, a method in which an appropriate amount of boron element alone or an appropriate amount of silicon block having a known boron concentration is mixed at the time of manufacturing the silicon ingot may be employed.
半導体基板1がp型の導電型を呈するシリコン基板である場合、半導体基板1における第1主面1a側の表層部にリン等の不純物が拡散されることで、第2半導体層1nが形成され得る。そして、第1半導体層1pと第2半導体層1nとはpn接合領域を形成している。
When the
反射防止層2は、受光面10aにおける所望の波長領域の光に対する反射率を低減させて、半導体基板1内に所望の波長領域の光が吸収され易くする役割を果たす。これにより、半導体基板1における光電変換によって生成されるキャリアの量が増大され得る。反射防止層2の素材としては、例えば、窒化シリコン、酸化チタンおよび酸化シリコン等が採用され得る。反射防止層2の厚さは、反射防止層2の素材によって適宜設定されることで、適当な入射光が殆ど反射しない条件(無反射条件とも言う)が実現されれば良い。例えば、半導体基板1がシリコン基板である場合、反射防止層2の屈折率は、1.8〜2.3程度であれば良く、反射防止層2の厚さは、500〜1200Å程度であれば良い。
The
半導体基板1の第2主面1b側には、BSF(Back-Surface-Field)領域1Hpが設けられている。このBSF領域1Hpは、半導体基板1の第2主面1b側に内部電界を形成し、第2主面1bの近傍におけるキャリアの再結合を低減する役割を有している。これにより、太陽電池素子10における光電変換効率の低下が低減され得る。BSF領域1Hpは、第1半導体層1pと同一の導電型を呈しており、BSF領域1Hpが含有する多数キャリアの濃度は、第1半導体層1pが含有する多数キャリアの濃度よりも高い。なお、半導体基板1がp型を呈する場合、例えば、半導体基板1の第2主面1b側の表層部にホウ素またはアルミニウム等のドーパントとなる元素が拡散されることで、BSF領域1Hpが形成され得る。このとき、BSF領域1Hpにおけるドーパントの濃度は、例えば、1×1018〜5×1021atoms/cm3程度であれば良い。
A BSF (Back-Surface-Field) region 1Hp is provided on the second
第1電極4は、図21で示されるように、第1出力取出電極4aと、複数の線状の第1集電電極4bとを有している。第1出力取出電極4aの少なくとも一部は、第1集電電極4bと交差している。第1出力取出電極4aの線幅は、例えば、1.3〜2.5mm程度であれば良い。一方、第1集電電極4bの線幅は、第1出力取出電極4aの線幅よりも狭く、例えば、50〜200μm程度であれば良い。また、複数の第1集電電極4bは間隔を有して配されている。この間隔は、1.5〜3mm程度であれば良い。また、第1電極4の厚さは、10〜40μm程度であれば良い。なお、第1電極4には、複数の第1集電電極4bの一端部同士および他端部同士をそれぞれ繋ぐ線状の補助電極4cが含まれていても良い。補助電極4cの線幅は、例えば、第1集電電極4bの線幅と同等であれば良い。上記構成を有する第1電極4は、例えば、銀ペーストが、半導体基板1の第1主面1a上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。銀ペーストは、例えば、銀の粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等が混合されることで生成されれば良い。銀ペーストの塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法等であれば良い。
As shown in FIG. 21, the first electrode 4 has a first
第2電極5は、図22で示されるように、第2出力取出電極5aと第2集電電極5bとを有している。第2出力取出電極5aの厚さは、例えば、10〜30μm程度であれば良い。第2出力取出電極5aの線幅は、1.3〜7mm程度であれば良い。この第2出力取出電極5aは、上述の第1電極4と同等の材質および製法で形成され得る。例えば、銀ペーストが、半導体基板1の第2主面1b上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。また、第2集電電極5bの厚さは、15〜50μm程度であれば良い。この第2集電電極5bは、半導体基板1の第2主面1bの第2出力取出電極5aが形成される領域の大部分を除く略全面に形成されている。この第2集電電極5bは、例えば、アルミニウムペーストが、半導体基板1の第2主面1b上における所望のパターンの領域に塗布された後に、焼成されることで形成され得る。アルミニウムペーストは、例えば、アルミニウムの粉末、ガラスフリットおよび有機ビヒクル等が混合されることで生成されれば良い。アルミニウムペーストの塗布方法は、例えば、スクリーン印刷法等であれば良い。
As shown in FIG. 22, the
<(1−5)太陽電池素子の具体例>
以下に、上述した本実施形態に係る太陽電池素子10をさらに具体化した実施例について説明する。
<Specific example of (1-5) solar cell element>
Below, the Example which further actualized the
ここでは、図1で示されたシリコンインゴットの製造装置および図3から図15で示されたシリコンインゴットの製造方法が用いられて、シリコンインゴットが製造された。 Here, the silicon ingot was manufactured by using the silicon ingot manufacturing apparatus shown in FIG. 1 and the silicon ingot manufacturing method shown in FIGS.
シリコンインゴットの製造装置では、坩堝111の素材として、石英硝子が採用された。また、鋳型121は、側壁部121sの内部空間121i側の部分および底部121bを含む第1層を有し、さらに、側壁部121sにおいて、第1層の周囲に第2層および第3層が順に配されているものが採用された。ここで、第1層の素材として、シリカが採用され、第2層の素材として、炭素繊維強化炭素複合材料が採用され、第3層の素材として、断熱材としてのフェルトが採用された。
In the silicon ingot manufacturing apparatus, quartz glass is adopted as the material of the
種結晶200sとしては、表裏面の面方位がミラー指数における(100)である単結晶シリコンが準備された。具体的には、具体例1に係る種結晶200sとして、径が222mmであり且つ厚さが40mmである円盤状の単結晶シリコンが準備された。また、具体例2に係る種結晶200sとして、一辺が150mmであり且つ厚さが30mmである正方形状の盤面を有する単結晶シリコンの4隅が面取りされたような構成を有するものが4枚準備された。
As the
まず、図4で示されたように、鋳型121の内壁面に離型材が、単位面積当りの塗布重量が約0.1g/cm2となるように塗布されることで、離型材層Mr1が形成された。ここでは、平均粒径が約0.5μmである窒化シリコンの粉末、平均粒径が約20μmである酸化シリコンの粉末、およびバインダー溶液としてのPVA水溶液が混合されてスラリー状とされた離型材が用いられた。
First, as shown in FIG. 4, the release material is applied to the inner wall surface of the
次に、鋳型121内の底面部上としての底部121bの内壁面上に種結晶200sが配置された。ここでは、例えば、鋳型121の内壁面に形成された離型材層Mr1が乾燥される際に、種結晶200sが離型材層Mr1に貼り付けられた。ここで、具体例1では、図5および図6で示されたように、種結晶200sとしての円盤状の単結晶シリコンが、鋳型121の底部121b上の略中央に配置された。このとき、種結晶200sの外周部と鋳型121における側壁部121sの内周側面部とが間隙GA1を有するように離隔されている状態とされた。また、具体例2では、図7および図8で示されたように、4枚の種結晶200sとしての略正方形の盤面を有する単結晶シリコンが、略正方形を成すように鋳型121の底部121b上に敷き詰められた。より具体的には、鋳型121の底部121b上の略中央に間隙GA2が形成されるように4枚の種結晶200sが配列された。このとき、4枚の種結晶200sの外周部と鋳型121における側壁部121sの内周側面部とが間隙GA1を有するように離隔されている状態とされた。
Next,
そして、図9で示されたように、鋳型121内の下部の領域において、種結晶200s上に比較的細かいシリコン塊PS1が充填された。このとき、具体例1では、1枚の種結晶200sとシリコン塊PS1との合計の重量が、10kgとされた。具体例2では、4枚の種結晶200sとシリコン塊PS1との合計の重量が、10kgとされた。また、図10で示されたように、坩堝111内に総量が90kgの多数のシリコン塊PS2が投入された。
Then, as shown in FIG. 9, in the lower region in the
次に、鋳型121の周囲に配された上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって、鋳型121内のシリコン塊PS1が加熱によって溶解された。これにより、図11で示されたように、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1に覆われた状態に設定された。このとき、第1シリコン融液MS1の温度は、約1420℃まで上昇された。
Next, the silicon mass PS1 in the
鋳型121におけるシリコン塊PS1のほぼ全てが溶解したタイミングで、図12で示されたように、鋳型保持部122の下面に冷却板123が接地された。これによって、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1で覆われている状態において、冷却板123による底部121b側からの第1シリコン融液MS1の冷却が開始された。その直後に、坩堝111の周囲に配置された上部ヒーターH1uおよび側部ヒーターH1sによって、坩堝111内に配されたシリコン塊PS2の加熱が開始された。これによって、図13で示されたように、坩堝111内に配されたシリコン塊PS2が溶解されて、第2シリコン融液MS2が坩堝111内に貯留されている状態とされた。このとき、第2シリコン融液MS2の温度は、約1420℃まで上昇された。
As shown in FIG. 12, the
坩堝111内に配されたシリコン塊PS2のほぼ全てが溶解したタイミングで、坩堝111の下部開口部111boの上を塞いでいるシリコン塊PS3が不図示のヒーター等の加熱手段によって加熱された。これにより、図14で示されたように、シリコン塊PS3が溶融されて、坩堝111内の第2シリコン融液MS2が、下部開口部111boを介して鋳型121に注がれた。すなわち、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1で覆われている状態において、鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が行われた。これにより、鋳型121内において、第1シリコン融液MS1と第2シリコン融液MS2とが混合された第3シリコン融液MS3が生じた。
At the timing when almost all of the silicon lump PS2 disposed in the
その後、図15で示されるように、鋳型121内の第3シリコン融液MS3が底部121b側から冷却されることで、第3シリコン融液MS3の底部121b側から上方に向かう一方向凝固が生じた。このとき、上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lの付近の温度が、シリコンの融点の近傍である1413〜1414℃程度に保持された。なお、このとき、第3シリコン融液MS3は、上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによって加熱された。これにより、第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われ、その後、空冷されることで、鋳型121内にシリコンインゴットが作製された。
Thereafter, as shown in FIG. 15, the third silicon melt MS3 in the
また、参考例として、鋳型121内の下部の領域に、シリコン塊PS1が配置されることなく、坩堝111内の第2シリコン融液MS2が、下部開口部111boを介して鋳型121に注がれることで、シリコンインゴットが作製された。このとき、種結晶200sの配置は具体例1と同様な条件で行い、および鋳型121内のシリコン塊PS1の溶融以外の工程については、上記具体例1および具体例2と同様な条件で行われた。
As a reference example, the second silicon melt MS2 in the
ここで、具体例1および具体例2に係るシリコンインゴットの断面が目視によって観察されることで、種結晶200sの割れ、および種結晶200sの溶融が鋳型121の底部121b上まで到達する不具合が生じていないことが確認された。さらに、具体例1、具体例2および参考例に係るシリコンインゴットの断面が目視によって観察されることで、具体例1および具体例2に係るシリコンインゴットの外周部近傍を除く広い範囲に種結晶200sを起点として単結晶が成長していることが確認された。これに対して、参考例に係るシリコンインゴットの断面が目視によって観察されることで、参考例に係るシリコンインゴットの略全域が多結晶のシリコンによって構成され、種結晶200sを起点として単結晶が成長していないことが確認された。
Here, when the cross section of the silicon ingot according to the specific example 1 and the specific example 2 is visually observed, there is a problem that the
次に、具体例1、具体例2および参考例に係るシリコンインゴットが、シリコンインゴットの底面に平行な面に沿って薄切りにされることで、半導体基板1に相当するシリコン基板が作製された。そして、ここで得られたシリコン基板を半導体基板1とする太陽電池素子10(図21から図23参照)が、以下の工程によって作製された。
Next, the silicon ingot according to the specific example 1, the specific example 2 and the reference example was sliced along a plane parallel to the bottom surface of the silicon ingot, so that a silicon substrate corresponding to the
ここでは、まず、シリコンインゴットがそれぞれ薄切りにされることで、シリコン基板が作製された。このとき、ワイヤーソー装置によって、厚さが200μmであり且つ一辺が150mmの正方形の盤面を有するシリコン基板が作製された。このとき、シリコン基板の表層においてシリコンインゴットの切断時に生じたダメージ層が、水酸化ナトリウム溶液によるエッチングによって除去された。 Here, first, a silicon substrate was fabricated by slicing each silicon ingot. At this time, a silicon substrate having a square board surface with a thickness of 200 μm and a side of 150 mm was produced by a wire saw device. At this time, the damaged layer generated when the silicon ingot was cut in the surface layer of the silicon substrate was removed by etching with a sodium hydroxide solution.
次に、ドライエッチング法によって半導体基板1の第1主面1aに微細な凹凸によるテクスチャ構造が形成された。そして、POCl3が拡散源とされた気相熱拡散法によって第2半導体層1nならびに該第2半導体層1n上の燐ガラスが形成された。このとき、第2半導体層1nのシート抵抗は、70Ω/□であった。さらに、フッ酸溶液が用いられたエッチングによる燐ガラスの除去ならびにレーザービームによるpn分離が行なわれた後に、第1主面1a上にPECVD法によって反射防止層2としての窒化シリコン膜が形成された。
Next, a texture structure with fine irregularities was formed on the first main surface 1a of the
その後、半導体基板1の第2主面1bにアルミニウムペーストが略全面に塗布され、このアルミニウムペーストが焼成されることで、BSF領域1Hpと第2集電電極5bとが形成された。また、半導体基板1の第1主面1a上ならびに第2主面1b上に銀ペーストが塗布され、この銀ペーストが焼成されることで、第1電極4と第2出力取出電極5aとが形成された。これにより、太陽電池素子10が作製された。
Thereafter, an aluminum paste was applied to the second
そして、具体例1、具体例2および参考例に係るシリコンインゴットから得られた半導体基板1が用いられた各太陽電池素子10が対象とされて、光電変換効率の測定が行われた。この光電変換効率の測定は、JIS C 8913(1998)に準拠して行われた。この測定結果が、表2に示されている。表2には、シリコンインゴットの下面から上面まで至る距離が100とされた場合に、シリコンインゴットの下面からの距離が、16、50および82である各部分の半導体基板1が用いられた各太陽電池素子10についての光電変換効率が示されている。但し、表2に示されている光電変換効率は、シリコンインゴットの下面からの距離が82の場合の参考例に係る太陽電池素子10の光電変換効率を100として規格化して示されている。
And each
表2で示されるように、参考例に係る太陽電池素子10の光電変換効率が、94.7〜100であったのに対して、具体例1および具体例2に係る太陽電池素子10の光電変換効率は、102.1〜103.5であった。これらの結果から、結晶方位が揃った高品質のシリコンインゴットから得られた半導体基板1が用いられた太陽電池素子10について、光電変換効率が向上することが確認された。
As shown in Table 2, the photoelectric conversion efficiency of the
<(1−6)まとめ>
以上のように、一実施形態に係るシリコンインゴットの製造方法では、鋳型121内で種結晶200s上に配されたシリコン塊PS1が溶融されて、種結晶200sの上面が第1シリコン融液MS1で覆われた状態とされる。そして、その状態で、坩堝111から鋳型121内へ第2シリコン融液MS2が注入される。これにより、鋳型121内に配置された種結晶200sに高温の第2シリコン融液MS2が集中的には接触しない。このため、種結晶200sの割れ、および種結晶200sの溶融が鋳型121の底部121b上まで到達する不具合が生じ難い。また、第2シリコン融液MS2が鋳型121内に注入される初期段階において、第2シリコン融液MS2が種結晶200sの上面において外周部付近に飛散することで種結晶200sを起点としない結晶成長が生じる不具合も生じ難い。その結果、シリコンインゴットの外周部付近を除く広範囲にわたって結晶性に優れたシリコン単結晶が形成され得る。すなわち、結晶方位が揃った高品質のシリコンインゴットが製造され得る。
<(1-6) Summary>
As described above, in the method for manufacturing a silicon ingot according to an embodiment, the silicon block PS1 disposed on the
また、種結晶200sよりも種結晶200s上のシリコン塊PS1が先に溶融することで、種結晶200sの上面の全体が略均一に加熱され易く、種結晶200sの上面側の表層部が略均一に溶融し得る。つまり、種結晶200sの上面に凹凸が生じて第3シリコン融液MS3の一方向凝固が阻害される不具合が生じ難い。さらに、ここでは、鋳型121内において種結晶200s上に配されるシリコン塊PS1の重量を調整することが可能であるため、鋳型121内において、種結晶200sの上面を覆う第1シリコン融液MS1の高さが調整され得る。このため、第2シリコン融液MS2が鋳型121に注がれる際に第2シリコン融液MS2による種結晶200sの割れおよび不均一な溶融が生じない範囲で、第1シリコン融液MS1の量が低減されれば、第1第1シリコン融液MS1の温度が容易に制御され得る。例えば、上部ヒーターH2uおよび下部ヒーターH2lによる加熱、ならびに鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地によって、第1シリコン融液MS1の温度が容易に制御され得る。
Further, since the silicon block PS1 on the
<(2)その他>
なお、本発明は上述の一実施形態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において種々の変更、改良等が可能である。
<(2) Other>
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and improvements can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、上記一実施形態に係る製造方法では、第1工程において、鋳型121内にシリコン塊PS1が充填された後に、坩堝111内にシリコン塊PS2が充填されたが、これに限られない。例えば、坩堝111内にシリコン塊PS2が充填された後に、鋳型121内にシリコン塊PS1が充填されても良い。
For example, in the manufacturing method according to the above-described embodiment, in the first step, after the silicon block PS1 is filled in the
また、上記一実施形態に係る製造方法では、第3工程において、鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地、坩堝111内のシリコン塊PS2の溶融および鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が、この順で行われたが、これに限られない。例えば、坩堝111内のシリコン塊PS2の溶融が開始された後に、鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地が行われても良い。また、例えば、鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が開始された後に、鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地が行われても良い。さらに、例えば、鋳型保持部122の下面への冷却板123の接地と、鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入の開始とが略同時に行われても良い。
In the manufacturing method according to the above embodiment, in the third step, the
但し、第2工程では、上部ヒーターH2u、下部ヒーターH2lおよび鋳型121の第2、3層に含まれる炭素と、第1シリコン融液MS1から蒸発したSiOの蒸気とが反応して生じるCOガスが、第1シリコン融液MS1に溶け込む。ここで、第1シリコン融液MS1へのCOガスの溶け込みを低減するための蓋部等の構造物が設けられれば、第1シリコン融液MS1からの不純物の蒸発が阻害されるとともに、鋳型121内に熱が籠もり易く、第3シリコン融液MS3の一方向凝固の速度が低下し得る。また、製造装置100に不純物の蒸発を促進するための排気経路等が付加されれば、製造装置100の大型化、複雑化および製造コストの上昇等と言った種々の不具合が生じる。
However, in the second step, the CO gas generated by the reaction of the carbon contained in the second and third layers of the upper heater H2u, the lower heater H2l and the
そこで、第3工程において、鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が開始される前に、鋳型121内における第1シリコン融液MS1の冷却が開始されれば、種結晶200sの溶融を制御できて、第1シリコン融液MS1内に含有されている炭素が炭化珪素の形態で析出される析出工程が実行され得る。なお、この析出工程は、上記一実施形態のステップSp31において実行され得る。これにより、種結晶200sの近傍で凝固する第1シリコン融液MS1において炭化珪素が積極的に析出され、この炭化珪素の析出物を起点とした転位の発生が促進される。その結果、種結晶200sの近傍において、第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる際に固化したシリコンにおいて生じる歪みを緩和する領域(歪み緩和領域とも言う)が形成され得る。この歪み緩和領域は、第3シリコン融液MS3の一方向凝固の初期段階における結晶性の向上に資する。また、この歪み緩和領域は、第1〜3シリコン融液MS1〜MS3における不純物を欠陥等によって捕捉する領域となり得る。その結果、シリコンインゴットの外周部を除く広い範囲に結晶性に優れた単結晶シリコンが生成され得る。
Therefore, in the third step, if the cooling of the first silicon melt MS1 in the
そして、析出工程の後に、坩堝111から鋳型121内への第2シリコン融液MS2の注入が行われることで、鋳型121内の第1シリコン融液MS1が、炭素濃度が低められた第3シリコン融液MS3とされる。つまり、鋳型121内の第1シリコン融液MS1における炭素濃度が低減される注入工程が実行され得る。これにより、第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる際には、一方向凝固の終期まで第3シリコン融液MS3における炭素濃度が高まり難い。その結果、シリコンインゴットの上端部近傍に炭化珪素が析出し、シリコンインゴットの外周部を除く広い範囲において結晶性に優れた単結晶シリコンが形成され得る。すなわち、シリコンインゴットを占める結晶性に優れた単結晶シリコンの領域が増大され得る。
Then, after the deposition step, the second silicon melt MS2 is injected from the
上記のように製作されたシリコンインゴットのうち、炭化珪素の析出物、転位、欠陥および不純物が比較的多く含有された歪み緩和層を含むシリコンインゴットの外周部付近の領域が切除されることで、比較的大きな単結晶シリコンが取得され得る。すなわち、単結晶シリコンの製造における歩留まりが向上され得る。 Of the silicon ingot produced as described above, the region near the outer peripheral portion of the silicon ingot including the strain relaxation layer containing a relatively large amount of silicon carbide precipitates, dislocations, defects, and impurities is excised. Relatively large single crystal silicon can be obtained. That is, the yield in the production of single crystal silicon can be improved.
また、析出工程では、第1シリコン融液MS1が冷却板123によって底部121b側から冷却される度合いが大きければ、種結晶200sにより近い領域に炭化珪素が析出し易い。このため、析出工程では、冷却速度および温度の低下量が、鋳型121の側面側よりも鋳型121の下面側において大きくなるように第1シリコン融液MS1が冷却されれば良い。つまり、鋳型121の下面側における冷却速度(第1冷却速度)および温度の低下量(第1低下量)が、鋳型121の側面側における冷却速度(第2冷却速度)および温度の低下量(第2低下量)よりも大きくなるように第1シリコン融液MS1が冷却されれば良い。
Further, in the precipitation step, if the first silicon melt MS1 is cooled by the
ここで、上記一実施形態に係る製造方法のうちの種結晶200sの配置が省略された製造方法によって製造されたシリコンインゴットIG2をバンドソーでXZ平面に沿って薄切りにし、得られたシリコンの板の盤面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。なお、SEMによる観察前に、シリコンの板にミラーエッチングが施された。この観察の結果、図24で示されるように、シリコンインゴットIG2の底面からの距離(高さとも言う)H1離れた領域AR1(図中の破線で示される線状の領域)に沿って10μm程度の径を有する炭化珪素の析出物が集中して存在していることが確認された。
Here, the silicon ingot IG2 manufactured by the manufacturing method in which the arrangement of the
また、ここで、析出工程における第1冷却速度、第2冷却速度、温度の第1低下量および温度の第2低下量を異ならせた製造条件で、シリコンインゴットIG2を製造することで、領域AR1の高さH1の違いが確認された。 Further, here, by manufacturing the silicon ingot IG2 under manufacturing conditions in which the first cooling rate, the second cooling rate, the first temperature decrease amount, and the second temperature decrease amount in the precipitation process are made different, the region AR1 The difference in height H1 was confirmed.
ここで、3つの製造条件でシリコンインゴットIG2が製造された際における、シリコン塊PS1の加熱が開始された時点から経過した時間と、測温部CHA,CHBによって検出された温度との関係(温度履歴)について説明する。 Here, when the silicon ingot IG2 is manufactured under the three manufacturing conditions, the relationship between the time elapsed from the time when the heating of the silicon lump PS1 is started and the temperature detected by the temperature measuring units CHA and CHB (temperature (History) will be described.
第1製造条件では、測温部CHBによる検出結果から得られた第1冷却速度および温度の第1低下量が、測温部CHAによる検出結果から得られた第2冷却速度および温度の第2低下量よりも小さくなるように第1シリコン融液MS1が冷却された。 Under the first manufacturing condition, the first cooling rate and the first decrease amount of the temperature obtained from the detection result by the temperature measuring unit CHB are the second cooling rate and the second temperature obtained from the detection result by the temperature measuring unit CHA. The first silicon melt MS1 was cooled so as to be smaller than the decrease amount.
一方、第2製造条件では、第1冷却速度および温度の第1低下量が、第2冷却速度および温度の第2低下量よりも若干大きくなるように第1シリコン融液MS1が冷却された。 On the other hand, under the second manufacturing condition, the first silicon melt MS1 was cooled such that the first cooling rate and the first decrease amount of the temperature were slightly larger than the second cooling rate and the second decrease amount of the temperature.
また、第3製造条件では、第1冷却速度および温度の第1低下量が、第2冷却速度および温度の第2低下量よりも数倍程度大きくなるように第1シリコン融液MS1が冷却された。 Further, under the third manufacturing condition, the first silicon melt MS1 is cooled such that the first cooling rate and the first decrease amount of the temperature are several times larger than the second cooling rate and the second decrease amount of the temperature. It was.
このように第1冷却速度、第2冷却速度、温度の第1低下量および温度の第2低下量を異ならせた結果、領域AR1の高さH1は、第1製造条件によれば、35mmとなり、第2製造条件によれば、25mmとなり、第3製造条件によれば、12mmとなった。つまり、第1冷却速度および温度の第1低下量が、第2冷却速度および温度の第2低下量よりも大きくなるように第1シリコン融液MS1が冷却されれば、領域AR1の高さH1が低くなることが確認された。また、第1冷却速度および温度の第1低下量が、第2冷却速度および温度の第2低下量よりも大きくなる程、領域AR1の高さH1が低くなることが確認された。これにより、シリコンインゴットIG2の良品領域を多く確保できることがわかった。 Thus, as a result of making the first cooling rate, the second cooling rate, the first decrease amount of the temperature, and the second decrease amount of the temperature different, the height H1 of the area AR1 becomes 35 mm according to the first manufacturing condition. According to the second manufacturing condition, it was 25 mm, and according to the third manufacturing condition, it was 12 mm. That is, if the first silicon melt MS1 is cooled such that the first cooling rate and the first decrease amount of the temperature are larger than the second cooling rate and the second decrease amount of the temperature, the height H1 of the area AR1. Was confirmed to be low. In addition, it was confirmed that the height H1 of the area AR1 is decreased as the first cooling rate and the first decrease amount of the temperature are larger than the second cooling rate and the second decrease amount of the temperature. Thereby, it turned out that many good quality areas of silicon ingot IG2 can be secured.
また、上記一実施形態では、第1工程において略正方形の盤面を有する4枚の種結晶200sが略正方形を成すように鋳型121の底部121b上に敷き詰められる態様について説明されたが、これに限られない。例えば、9枚、25枚等の2枚以上の種結晶200sが鋳型121の底部121b上に敷き詰められても良い。この場合、鋳型121の底部121b上に2以上の種結晶200sが間隙を挟んで配置されれば、図25で示されるように、シリコンインゴットのうちの間隙の真上において+Z方向に伸びる特定の領域A2に転位および欠陥を集中させることが可能である。なお、2以上の種結晶200sの盤面の形状は、例えば、略角形状であれば良い。
Further, in the above-described embodiment, the mode in which the four
この特定の領域A2は、2以上の種結晶200sの間の間隙の部分を起点として生じ得る。具体的には、第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる際に、2以上の種結晶200sの間の間隙部分から結晶欠陥(転位クラスター)が発生する。このとき、隙間部分から結晶成長が生じると、多結晶シリコンが成長する領域が生じ得るが、一方向凝固における結晶成長の方向である+Z方向に結晶欠陥も伸びるように形成され易い。このため、隙間の真上の位置において+Z方向に伸びる特定の領域A2に転位および欠陥が集中して生じ得る。
This specific region A2 can be generated starting from a gap portion between two or
そして、この特定の領域A2は、第3シリコン融液MS3の一方向凝固が行われる際に固化したシリコンに生じる歪みを緩和する領域(歪み緩和領域とも言う)として機能する。また、この歪み緩和領域A2は、第1〜3シリコン融液MS1〜MS3における不純物を欠陥等によって捕捉する領域となり得る。その結果、シリコンインゴットの外周部および歪み緩和領域A2を除く広い範囲に結晶性に優れた単結晶シリコンが生成され得る。具体的には、各種結晶200sの真上に単結晶領域A1scが形成され得る。そして、このように製作されたシリコンインゴットのうち、歪み緩和領域A2およびシリコンインゴットの外周部付近の領域が切除されることで、比較的大きな結晶性に優れた単結晶シリコンが取得され得る。
And this specific area | region A2 functions as an area | region (it also calls a distortion relaxation area | region) which relieve | moderates the distortion which arises in the silicon | silicone solidified when the unidirectional solidification of 3rd silicon melt MS3 is performed. Further, the strain relaxation region A2 can be a region where impurities in the first to third silicon melts MS1 to MS3 are captured by defects or the like. As a result, single crystal silicon having excellent crystallinity can be generated in a wide range excluding the outer peripheral portion of the silicon ingot and the strain relaxation region A2. Specifically, the single crystal region A1sc can be formed immediately above the
上記歪み緩和領域A2を生じさせる2以上の種結晶200sの間の間隙は、例えば、スリット状の間隙であっても良いし、2以上の種結晶200sによって囲まれる間隙であっても良い。2以上の種結晶200sによって囲まれる間隙としては、例えば、図7および図8で示されるような4以上の種結晶200sによって囲まれる間隙GA2が採用され得る。このような2以上の種結晶200sによって囲まれる間隙GA2が形成される態様では、歪み緩和領域A2が形成される領域が比較的小さな領域に限定され得る。これにより、シリコンインゴットから単結晶シリコンが切り出される際に、切除される歪み緩和領域A2が小さくなるため、単結晶シリコンの製造における歩留まりが向上され得る。なお、2以上の種結晶200sによって囲まれる間隙は、種結晶200sの表裏面の形状が適宜調整されることで、鋳型121の底部121b上に配置される2以上の任意の数の種結晶200sによって形成され得る。すなわち、第1工程において、鋳型121の底部121b上に間隙GA2を囲むように2以上の種結晶200sを配置することが出来る。
The gap between the two or
ところで、上記特許文献2の技術では、鋳型の底部上に多数の種結晶が隙間無く敷き詰められる態様が採用されている。この態様では、多数の種結晶の間において結晶方位のズレがあれば、シリコンの一方向凝固の成長とともに、各種結晶上に形成される単結晶領域どうしが衝突する界面付近において、シリコンの凝固によって生じる歪みに起因する欠陥およびクラックが発生し得る。これに対し、鋳型121の底部121b上に間隙を挟むように、または間隙GA2を囲むように2以上の種結晶200sが配置される態様では、欠陥が特定の領域としての歪み緩和領域A2に集中し得る。これにより、シリコンの凝固によって生じる歪みが歪み緩和領域A2で緩和され得る。このため、このような態様では、第1工程において鋳型121の底部121b上に2以上の種結晶200sが配置される際に、2以上の種結晶200sが精密に配置されなくても良い。したがって、第1工程が容易に実行され得る。
By the way, in the technique of the said
なお、上記一実施形態およびその他の各種態様をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。 Needless to say, all or a part of each of the above-described embodiment and other various aspects can be appropriately combined within a consistent range.
100 製造装置
111 坩堝
121 鋳型
121b 底部
122 鋳型保持部
123 冷却板
130 制御部
200s 種結晶
A1p 多結晶領域
A1sc 単結晶領域
A1sd 種結晶領域
A2 歪み緩和領域
Bd1,Bd2 境界
GA1,GA2 間隙
IG2 シリコンインゴット
MS1 第1シリコン融液
MS2 第2シリコン融液
MS3 第3シリコン融液
PS1〜PS3 シリコン塊
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記シリコン塊を溶融させて、前記種結晶の上面を第1シリコン融液で覆う第2工程と、
前記種結晶の前記上面が前記第1シリコン融液で覆われている状態において、前記鋳型の前記底面部側からの前記第1シリコン融液の冷却、および前記鋳型内への第2シリコン融液の注入を行う第3工程と、
前記第1シリコン融液および前記第2シリコン融液が混合された第3シリコン融液に対して、前記鋳型の前記底面部側から上方に向かう一方向凝固を行わせる第4工程とを有するシリコンインゴットの製造方法。 A first step of disposing a seed crystal of plate-like single crystal silicon on the bottom surface in the mold and disposing a solid silicon mass on the seed crystal;
A second step of melting the silicon mass and covering an upper surface of the seed crystal with a first silicon melt;
In a state where the upper surface of the seed crystal is covered with the first silicon melt, the first silicon melt is cooled from the bottom surface side of the mold, and the second silicon melt is poured into the mold. A third step of injecting
And a fourth step of causing the third silicon melt mixed with the first silicon melt and the second silicon melt to be unidirectionally solidified upward from the bottom surface side of the mold. Ingot manufacturing method.
[I] 0.21≦Sb/Sa<1
[II] Sb1/2/d≦9.8
(但し、Sa[mm2]:前記鋳型の前記底面部の面積、Sb[mm2]:前記種結晶の前記上面の面積、d[mm]:前記種結晶の厚み) 3. The method for producing a silicon ingot according to claim 2, wherein in the first step, the seed crystal satisfying the following formula [II] is arranged in the mold satisfying the following formula [I].
[I] 0.21 ≦ Sb / Sa <1
[II] Sb 1/2 /d≦9.8
(However, Sa [mm 2 ]: Area of the bottom surface of the mold, Sb [mm 2 ]: Area of the upper surface of the seed crystal, d [mm]: Thickness of the seed crystal)
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