JP3208216U - 多結晶シリコンインゴット - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥の割合が低い多結晶シリコンインゴットを提供する。【解決手段】成長容器から剥離する底面ＳＢを有し、複数のシリコングレイン１１０を含む多結晶シリコンインゴット１００であって、シリコングレイン１１０は底面ＳＢから成長方向Ｄに沿って成長し、シリコングレイン１１０の平均グレインサイズは底面ＳＢから成長方向Ｄに沿って増加する。【選択図】図１

Description

本考案はインゴットに関するものであり、特に多結晶シリコンインゴットに関するものである。

シリコンウェハーは半導体産業において極めて重要な役割を果たしている。シリコンウェハーの品質が悪い場合、前記シリコンウェハーを応用した半導体デバイスの効率や電気特性のふるまいは悪い影響を与える。太陽電池を例とすると、太陽電池の光電変換効率はシリコンウェハーの品質によって制限される。用いられたインゴットの違いに基づき、現在の太陽電池は、単結晶シリコン型太陽電池と多結晶シリコン型太陽電池が主に含まれる。単結晶シリコン型太陽電池に対して、多結晶シリコン型太陽電池で使用される多結晶シリコンインゴットは成長レートが速く、切り出しやすい等の利点が有る。しかしながら、現在の多結晶シリコンインゴットの製造方法は、多結晶シリコンインゴットの欠陥の割合を効率的に低減させることはできず、多結晶シリコンインゴットのスライシング歩留まりは良くなく、後工程で製造される太陽電池の光電変換効率は良くない。したがって、欠陥の割合が低い多結晶シリコンインゴットを研究することは、研究者が注目するテーマの一つである。

本考案は欠陥の割合が低い多結晶シリコンインゴットを提供する。

本考案における多結晶シリコンインゴットは、成長容器から剥離する底面を有する。多結晶シリコンインゴットは複数のシリコングレインを含む。シリコングレインは底面から成長方向に沿って成長し、シリコングレインの平均グレインサイズは底面から成長方向に沿って増加する。

上述に基づき、結晶成長過程において、グレインの成長は小さいものから大きくなり、この結晶成長方法の制御の下、グレインは単一の方向に成長するのに寄与し、悪いグレイン欠陥が抑えられる。したがって、本考案の多結晶シリコンインゴットは欠陥の割合を低くすることができる。

本考案の上述した特徴と利点を更に明確化するために、以下、幾つかの実施例を挙げて図面と共に詳細な内容を説明する。

図１は、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットの断面図である。

図２Ａから図２Ｅは、図１の多結晶シリコンインゴットの製造フローの断面図である。

図３Ａから図３Ｃは、それぞれウェハーの外観写真であり、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットの頂面に近い部分、中間部分及び底面に近い部分のグレインサイズを示すのに用いられる。

図４Ａから図４Ｃは、それぞれウェハーの外観写真であり、比較例における多結晶シリコンインゴットの頂面に近い部分、中間部分及び底面に近い部分のグレインサイズを示すことに用いられる。

図５は、高さ-平均グレインサイズの関係図であり、本考案の実施例と比較例の多結晶シリコンインゴットの異なる高さにおける平均グレインサイズの比較に用いられる。

図６は、高さ-欠陥の割合の関係図であり、本考案の実施例と比較例の多結晶シリコンインゴットの異なる高さにおける欠陥の割合の比較に用いられる。

図１は、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットの断面図である。図１を参照すると、多結晶シリコンインゴット１００は底面ＳＢ、側壁面ＳＳ及び頂面ＳＴを備える。底面ＳＢと頂面ＳＴは互いに向かい合っており、側壁面ＳＳは底面ＳＢと頂面ＳＴに連結される。

多結晶シリコンインゴット１００は複数のシリコングレイン１１０を含む。シリコングレイン１１０は底面ＳＢから成長方向Ｄに沿って成長し、シリコングレイン１１０の平均グレインサイズは底面ＳＢから成長方向に沿って増加する。前記成長方向Ｄは、側壁面ＳＳに平行且つ底面ＳＢから頂面ＳＴを向く。

図２Ａから図２Ｅは、図１の多結晶シリコンインゴットの製造フローの断面図である。図２Ａを参照すると、成長容器２００を提供する。成長容器２００は例えば、石英坩堝であるが、これに限定しない。

シリコン原料を成長容器２００に入れる前に、まず、成長容器２００の底面ＳＢ’に核形成層２１０を形成する。核形成層２１０は例えば、複数のシード２１２と剥離層２１４を含む。シード２１２は成長容器２００の底面ＳＢ’に配置して、後続する結晶成長時の核形成サイトを供給するのに適する。剥離層２１４はシード２１２とそれによってさらされた底面ＳＢ’を覆い、且つ、剥離層２１４の最大厚みはシード２１２の最大厚みにほぼ等しい。さらに、シード２１２を覆う剥離層２１４の厚みは薄くする必要があり、後続する昇温製造工程で、シード２１２を覆う剥離層２１４が熱溶融して各シード２１２の部分的な領域をさらして、核形成サイトを供給してもよい。

核形成層２１０を形成する方法は、シード２１２を底面ＳＢ’に配置してから、剥離材料をシード２１２とそれによってさらされた底面ＳＢ’に形成し（例えば、スプレー）、剥離層２１４を形成してもよい。又は、シード２１２を剥離材料に混ぜてから、シード２１２が混ぜられた材料を底面ＳＢ’に形成し（例えば、スプレー）てもよい。シード２１２の材質は例えば二酸化シリコンであり、且つ、シード２１２の平均サイズは例えば０．０５ｍｍから５０ｍｍの間にあり、密集した核形成サイトを供給して、多結晶シリコンインゴット１００の底部に形成される大きなサイズのシリコングレインの分布比率を大量に低減する。剥離層２１４の材質は例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）であるが、これに限定しない。

本実施例において、成長容器２００の側壁面ＳＳ’に剥離層２１４をさらに形成してもよい。このように、後続する剥離時に、多結晶シリコンインゴット１００の側壁面ＳＳが成長容器２００から分離するのに寄与する。また、剥離層２１４’は不純物を受け付けない作用を備えて、シリコンメルトが成長過程において、成長容器２００中の不純物を吸着して、多結晶シリコンインゴット１００の品質に影響することを避けることができる。剥離層２１４’の材質は例えば窒化シリコンであるが、これに限定しない。

図２Ｂを参照すると、成長容器２００にシリコン原料２２０が入れられる。シリコン原料２２０は複数のシリコンブロックを含む。シリコンブロックは大きいサイズのシリコンブロックと小さいサイズのシリコンブロックを含む。

図２Ｃを参照すると、シリコン原料２２０が入れられた成長容器２００は方向性凝固システム（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ， ＤＳＳ）にセットされ、成長容器２００を加熱して、シリコン原料２２０を全てシリコンメルト２３０に融解させる。この昇温製造工程で、剥離層２１４も熱溶融されて各シード２１２を剥離層２１４によって部分的にさらされ、且つ、シード２１２のさらされた部分とシリコンメルト２３０が接触する。補充説明として、シリコン原料２２０を全てシリコンメルト２３０に融解させる温度は剥離層２１４’、剥離層２１４及びシード２１２の融点より低い。

図２Ｄを参照すると、方向性凝固システムの製造工程に基づき、成長方向Ｄの温度場を制御して、シリコンメルト２３０の溶融温度を維持させ、且つ、成長容器２００の底部の温度はシリコンメルト２３０の溶融温度より低くさせて、シリコングレイン１１０をシード２１２で核形成し、成長方向Ｄに沿って成長を促進する。固液界面（シリコングレイン１１０とシリコンメルト２３０の界面）の温度勾配を制御することで、熱応力を低減し、欠陥の発生を減少させることができる。

図２Ｅを参照すると、シリコンメルト２３０が全て凝固するまで、多結晶シリコンインゴット１００を形成する。それから、剥離製造工程に続いて、多結晶シリコンインゴット１００を取り出してもよい。剥離前に、多結晶シリコンインゴット１００の底面ＳＢと核形成層２１０が接触し、且つ、多結晶シリコンインゴット１００の側壁面ＳＳと剥離層２１４’が接触する。剥離する過程で、多結晶シリコンインゴット１００の側壁面ＳＳと剥離層２１４’が分離され、多結晶シリコンインゴット１００の底部は例えば、図２Ｅの拡大図の点線に沿って割断され、多結晶シリコンインゴット１００の底面ＳＢと核形成層２１０が分離させられる。割断面の面積は非常に小さいことから、多結晶シリコンインゴット１００の底面ＳＢの表面粗さ（Ｒａ）に与える影響はごく僅かであり、したがって、多結晶シリコンインゴット１００の底面ＳＢの表面粗さの大きさは主に核形成層２１０の剥離層２１４によって決まる。剥離層２１４と剥離層２１４’が同じ材質を用いる状況下で、多結晶シリコンインゴット１００の底面ＳＢと側壁面ＳＳの表面粗さはほとんど同じになる。

以下に図３Ａから図６によって、本考案の多結晶シリコンインゴットと従来技術の多結晶シリコンインゴットの差異について説明する。図３Ａから図３Ｃは、それぞれウェハーの外観写真であり、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットの頂面に近い部分、中間部分及び底面に近い部分のグレインサイズを示すのに用いられる。図４Ａから図４Ｃは、それぞれウェハーの外観写真であり、比較例における多結晶シリコンインゴットの頂面に近い部分、中間部分及び底面に近い部分のグレインサイズを示すことに用いられる。図５は、高さ-平均グレインサイズの関係図であり、本考案の実施例（インゴットＡと標記する）と比較例（インゴットＢと標記する）の多結晶シリコンインゴットの異なる高さにおける平均グレインサイズの比較に用いられる。図６は、高さ-欠陥の割合の関係図であり、本考案の実施例（インゴットＡと標記する）と比較例（インゴットＢと標記する）の多結晶シリコンインゴットの異なる高さにおける欠陥の割合の比較に用いられる。前記比較例の多結晶シリコンインゴットは従来技術が提供する方法に基づき製造された多結晶シリコンインゴットであり、ここでは繰り返さない。

図３Ａから図３Ｃ、図５及び図６を参照すると、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴット（インゴットＡと標記する）は、高さが約５０ｍｍから１００ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが５ｍｍから９ｍｍの間にある。高さが約１００ｍｍから１５０ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが９ｍｍから１２ｍｍの間にある。高さが約１５０ｍｍから２００ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが１２ｍｍから１６ｍｍの間にある。高さが約２００ｍｍから２５０ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが１６ｍｍから２０ｍｍの間にある。換言すると、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットにおいて、シリコングレインのサイズは底面から成長方向に沿って増加する。また、高さが約５０ｍｍから１００ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が３％未満である。高さが約１００ｍｍから１５０ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が５％未満である。高さが約１５０ｍｍから２００ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が７％未満である。高さが約２００ｍｍから２５０ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が９％未満である。

図３Ａから図４Ｃの金属組織写真及び図５と図６の関係図から、従来技術の多結晶シリコンインゴット（インゴットＢと標記する）は成長容器の底部で大きなグレインに成長し、欠陥の割合が低い領域になる。高さが増加するにつれて、シリコングレインの平均グレインサイズは小さくなるが、多結晶シリコンインゴットの欠陥の割合は急増して、多結晶シリコンインゴット全体の品質を悪くする。

これに対して、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴット（インゴットＡと標記する）は、核形成層を設けることでシリコンメルトに密集した核形成サイトを供給し、核形成時に、大量の核形成サイトを供給することでグレインを速やかに成長させる。グレインサイズは小さいものから大きくなり、この結晶成長方法の制御の下、グレインは単一の方向に成長するのに寄与し、悪いグレイン欠陥が抑えられる。したがって、多結晶シリコンインゴットの欠陥の割合が低いと、後続して製造された半導体デバイス（例えば、太陽電池デバイスであるが、これに限定しない）も優れた効率又は電気特性のふるまいを備えることができる。実施例において、高純度のシードによって欠陥の割合をさらに低減して、多結晶シリコンインゴットの品質を向上させることができる。

本考案は以上の実施例のように示したが、これに限られるものではなく、当業者が本考案の精神の範囲から逸脱しない範囲において、変更又は修正することが可能であるが故に、本考案の保護範囲は均等の範囲にまで及ぶものとする。

本考案は欠陥の割合が低い多結晶シリコンインゴットを提供する。

１００：多結晶シリコンインゴット
１１０：シリコングレイン
２００：成長容器
２１０：核形成層
２１２：シード
２１４、２１４’：剥離層
２２０：シリコン原料
２３０：シリコンメルト
Ｄ：成長方向
ＳＢ、ＳＢ’：底面
ＳＳ、ＳＳ’：側壁面
ＳＴ：頂面

本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットの断面図である。

図１の多結晶シリコンインゴットの製造フローの断面図である。

それぞれウェハーの外観写真であり、本考案の実施例における多結晶シリコンインゴットの頂面に近い部分、中間部分及び底面に近い部分のグレインサイズを示すのに用いられる。

それぞれウェハーの外観写真であり、比較例における多結晶シリコンインゴットの頂面に近い部分、中間部分及び底面に近い部分のグレインサイズを示すことに用いられる。

高さ-平均グレインサイズの関係図であり、本考案の実施例と比較例の多結晶シリコンインゴットの異なる高さにおける平均グレインサイズの比較に用いられる。

高さ-欠陥の割合の関係図であり、本考案の実施例と比較例の多結晶シリコンインゴットの異なる高さにおける欠陥の割合の比較に用いられる。

Claims (9)

1. 成長容器から剥離する底面を有し、複数のシリコングレインを含む多結晶シリコンインゴットであって、
   前記シリコングレインは前記底面から成長方向に沿って成長し、前記シリコングレインの平均グレインサイズは前記底面から前記成長方向に沿って大きくなる多結晶シリコンインゴット。
2. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが５０ｍｍから１００ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが５ｍｍから９ｍｍの間にある請求項１に記載の多結晶シリコンインゴット。
3. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが１００ｍｍから１５０ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが９ｍｍから１２ｍｍの間にある請求項１または２に記載の多結晶シリコンインゴット。
4. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが１５０ｍｍから２００ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが１２ｍｍから１６ｍｍの間にある請求項１乃至３のいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット。
5. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが２００ｍｍから２５０ｍｍの間にあるスライシングした平均グレインサイズが１６ｍｍから２０ｍｍの間にある請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット。
6. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが５０ｍｍから１００ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が３％未満である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット。
7. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが１００ｍｍから１５０ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が５％未満である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット。
8. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが１５０ｍｍから２００ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が７％未満である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット。
9. 前記多結晶シリコンインゴットの高さが２００ｍｍから２５０ｍｍの間にあるスライシングした欠陥の割合が９％未満である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の多結晶シリコンインゴット。