JP4413050B2 - 板状半導体、それを用いた太陽電池および板状半導体製造用下地板 - Google Patents

Description

本発明は、板状半導体、板状半導体を作製するための下地板および板状半導体を用いた太陽電池に関する。

従来、半導体素子を作製するための多結晶シリコンは、シリコン融液を鋳型に流し込んで徐冷し、得られた多結晶インゴットをスライスして製造されていたため、スライスによるシリコンの損失やスライスにかかるコストが問題となっていた。スライスを必要とせず、低コストで多結晶シリコンウェハの大量生産が可能な方法として、下記特許文献１に記載の方法が提案されている。この方法は、シリコン融液に凹凸形状をもつ下地板を浸漬し、その下地板上にシリコンを結晶成長させ、板状シリコンを得る方法である。特に、平面状の凸部を有する下地板を浸漬し、板状シリコンに平面部を形成させることで、平面部が補強の役目を果たし、板状シリコンの強度が向上するというものである。

また、シリコン融液に下地板を浸漬し、所定のサイズの板状シリコンを得る方法として、下地板の板状シリコン端部に対応する部分の凹凸形状または材料を変えることにより、固相シリコンが成長しない現象を利用し、所定のサイズの板状シリコンを得るというものも提案されている。

上記の従来技術においては、下地板に平面状の凸部を有するので、これを用いて作製した板状シリコン中に他の部分よりも厚く平坦な部分が存在するが、厚い平坦部が周辺部に存在しない場合、プロセス中、クラックが、周辺部において最も板厚が薄い部分から入るという問題があり、特に板厚が薄い場合にその傾向は顕著である。
特開２００１−２２３１７２号公報

本発明は上記従来の技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、板状半導体において、周縁部の最低板厚を内側の最低板厚よりも厚い部分を有する板状半導体により、当該板状半導体の強度をより向上させることを目的とする。

本発明は、表面に凹凸形状を有する板状半導体において、該板状半導体は主面部と周縁部とからなり、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該板状半導体の主面部における凹部の最低板厚よりも厚いことを特徴とする板状半導体を提供する。

具体的には、本発明の第１の態様の板状半導体は、表面に凹凸形状を有する板状半導体であって、該板状半導体は主面部と周縁部とからなり、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該板状半導体の主面部における凹部の最低板厚よりも厚く、上記主面部における凹凸形状は、点状の凹凸形状であり、上記周縁部が線状の凹凸形状を有することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様の板状半導体は、表面に凹凸形状を有する板状半導体であって、該板状半導体は主面部と周縁部とからなり、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該板状半導体の主面部における凹部の最低板厚よりも厚く、上記主面部における凹凸形状は、点状の凹凸形状であり、上記周縁部における凹凸の間隔が、上記主面部の凹凸の間隔よりも小さいことを特徴とする。

好ましくは、上記周縁部が平滑部を有する。また、上記第１の態様においては、好ましくは、周縁部における凹凸の間隔が、主面部の凹凸の間隔よりも小さい。

好ましくは、周縁部が、上記線状と平滑および主面部の凹凸よりも間隔が小さい凹凸とからなる。

本発明は、上記のいずれかに記載の板状半導体を用いた太陽電池を提供する。
本発明はまた、板状半導体を成長させる面に凹凸形状を有する、上記の第１の態様のいずれかに記載の板状半導体を製造するために用いる下地板であって、上記成長させる面の周縁部は線状の凸部を有し、該周縁部の内側にある主面部は点状の凹凸形状を有することを特徴とする板状半導体製造用下地板を提供する。

本発明はまた、板状半導体を成長させる面に凹凸形状を有する、上記の第２の態様のいずれかに記載の板状半導体を製造するために用いる下地板であって、上記成長させる面の周縁部は、点状の凸部を有し、該周縁部の凹凸間隔は該周縁部の内側にある主面部の凹凸間隔よりも狭く、該周縁部の内側にある主面部は点状の凹凸形状を有することを特徴とする板状半導体製造用下地板を提供する。

本発明の板状半導体によれば、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該周縁部の内側にある主面部における凹部の板厚よりも厚いので、強度が大きく、当該板状半導体をデバイスに用いる際のプロセスにおいてもクラックなどの欠陥も生じない。

本発明の板状半導体は、表面に凹凸形状を有し、該板状半導体は主面部と周縁部とからなり、第一に、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該板状半導体の主面部における凹部の最低板厚よりも厚いことを特徴とする。

本発明の板状半導体について図１〜１２を用いて説明する。図１（Ａ）は、板状半導体の主面部および周縁部を説明するための概略斜視図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の板状半導体において周縁部および主面部の最低板厚の場所を通る一点鎖線Ｘ１ａで切断した時の板状半導体の断面図である。本発明において、板状半導体の主面部とは、板状半導体の表面の中央に凹凸部が形成されている部分のことをいい、板状半導体の周縁部とは、上記主面部の外側の表面に形成された、主面部における形状と区画された形状の部分をいう。たとえば、図１（Ａ）を例にとれば、板状半導体の主面部は、図１（Ａ）のｉの部分であり、板状半導体の周縁部とは、図１（Ａ）のｏの部分をいう。図１（Ａ）の板状半導体は、主面部において点状の凹凸形状を有する。また、図１（Ａ）および図１（Ｂ）において周縁部は平滑な形状で示しているが、本発明において板状半導体の周縁部は、後述の図３（Ａ）および図３（Ｂ）等のように、少なくとも一部に凹凸形状を有する。

本発明において、例えば図１（Ｂ）に示すように、板状半導体の周縁部ｏの最低板厚ｄｏは、板状半導体の内側ｉの最低板厚ｄｉに比べ大きいことを特徴とする。周縁部の板厚が主面部の最低板厚よりも厚いので、板状半導体の強度が増し、周縁部からの割れが減少する。これにより主面部における最低板厚を薄くしても強度の低下を抑えることができ、作製した板状半導体を製品化のプロセスに流す工程における歩留まりを維持することができる。また、本発明において、周縁部の平滑部の幅Ｗ１ａは広ければ広いほど強度は増す。

図２（Ａ）は、下地板の主面部および周縁部を説明するための概略斜視図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の主面部の凸部の頂点を通る一点鎖線Ｘ２ａで切断した時の下地板の断面図である。板状半導体が成長する下地板の周縁部は平面状の凸形状からなり、主面部は点状の凹凸形状からなる。ここで、下地板における主面部および周縁部は、上述の板状半導体の主面部および周縁部の定義において板状半導体を下地板によみかえるものとする。

図２（Ｂ）における周縁部の平面状の凸形状部分の幅Ｗ２ｂは２０ｍｍ以下が望ましい。周縁部の平面状の凸形状部分の幅Ｗ２ｂが広いほど、作製した板状半導体の強度は増すが、後述する作製方法では、下地板の平面状の凸形状部分において凸部の占める面積が増すと作製した板状半導体の剥離が困難になることがあるからである。また、下地板の平面状の凸形状部分の幅Ｗ２ｂが広がると、作製される板状半導体はデンドライド成長を反映した凹凸を有することになり、特にデンドライドの周辺が薄くなるからである。

次に、本発明の別の板状半導体について図３および４を用いて説明する。図３（Ａ）は本発明の板状半導体の概略斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の周縁部および主面部の最低板厚の場所を通る一点鎖線Ｘ３ａで切断したときの板状半導体の断面図である。図３（Ａ）の板状半導体において、主面部ｉには点状の凹凸形状が形成され、周縁部ｏには線状の凹凸形状が形成されている構造である。図３（Ｂ）において、板状半導体の周縁部ｏの最低板厚ｄｏは、板状半導体の主面部ｉの最低板厚ｄｉに比べ大きいことを特徴とする。また、図３（Ａ）の板状半導体において、線状の凹凸部の幅Ｗ３ａは広ければ広いほど強度は増す。

図４（Ａ）は、図３（Ａ）の板状半導体を後述する板状半導体の製造方法により作製した際に用いる下地板の概略斜視図である。

また、図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の主面部の凸部の頂点を通る一点鎖線Ｘ３ａで切断した時の下地板の断面図である。図４（Ａ）において、板状半導体が成長する下地板表面の周縁部は線状の凸部からなり、主面部は点状の凹凸部からなる。図４（Ａ）の下地板において、線状の凸部の間隔Ｐ４ｏは好ましくは０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。線状の凸部の間隔Ｐ４ｏを０．３ｍｍ以下にした場合、下地板の耐久性に問題がある。また、線状の凸部の間隔Ｐ４ｏが５ｍｍを超えると成長起点からの距離が遠い場所があるため、最低板厚は薄くなり、作製した板状半導体において主面部の最低板厚よりも周縁部の最低板厚の方が薄くなるためである。

半導体材料を含有する融液に図４（Ａ）に示した下地板を浸漬し、作製した本発明の板状半導体を太陽電池基板として使用することを考えた場合、線状の凹凸部を有する周縁部の幅Ｗ４ｂは太陽電池基板の一辺の長さの１０％以下が好ましい。線状の凹凸部において結晶成長した板状半導体の部分は平均粒径が小さいため、変換効率が下がるためである。

また、図４（Ｂ）の下地板において、周縁部における線状の凸部の先端角度δ４ｏは４５°以上１５０°以下が好ましい。先端角度δ４ｏが４５°未満であると耐久性に問題があり、成長速度も遅くなるためである。また、先端角度δ４ｏが１５０°を超えると融液が凹部に入り込み剥離が困難になるためである。

本発明の別の板状半導体について図５および６を用いて説明する。図５（Ａ）は板状半導体の概略斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の周縁部および主面部の最低板厚の場所を通る一点鎖線Ｘ５ａで切断した時の板状半導体の断面図である。図５（Ｂ）において、板状半導体の周縁部ｏの最低板厚ｄｏは、板状半導体の主面部ｉの最低板厚ｄｉに比べ大きいことを特徴とする。理由は、図１および３における場合と同様である。また、図５（Ａ）の板状半導体は、主面部および周縁部において点状の凹凸形状を有する。図５の板状半導体において、周縁部の幅Ｗ５ａが広ければ広いほど強度の強い部分が増え板状半導体の強度は大きくなる。

図６（Ａ）は、後述の板状シリコンの製造方法により下地板表面上に半導体材料結晶成長させた図５（Ａ）の板状半導体を作製するための下地板の概略斜視図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の周縁部および主面部の頂点を通る一点鎖線Ｘ６ａで切断した時の下地板の断面図である。

図６（Ａ）の下地板において、板状半導体が成長する下地板表面の周縁部および主面部ともに点状の凹凸部からなるが、周縁部の点状の凸部の間隔Ｐ６ｏが、主面部の凸部の間隔Ｐ６ｉに比べて小さいことを特徴とする。点状の凸部の間隔が狭いほど最低板厚が厚くなるため、下地板において周縁部および主面部における凸部の間隔を上記のようにすることで作製した板状半導体における周縁部の最低板厚ｄｏが主面部の最低板厚ｄｉより大きくすることができる。好ましくは点状の凸部の間隔Ｐ６ｏは０．３ｍｍ以上である。線状の凸部の間隔Ｐ６ｏを０．３ｍｍ以下にした場合、作製した板状シリコンの耐久性に問題があるためである。

半導体材料を含有する融液に図６（Ａ）示した下地板を浸漬し、作製した本発明の板状半導体を太陽電池基板として使用することを考えた場合、好ましくは周縁部の幅Ｗ６ｂは太陽電池基板の一辺の長さの２０％以下である。下地板において周縁部における凸部の間隔Ｐ６ｏは主面部における凸部の間隔Ｐ６ｉよりも狭いため、核生成する場所の密度が増え、結晶成長した板状半導体の周縁部の平均結晶粒径は主面部における平均結晶粒径より小さい。平均粒径が小さくなると結晶粒界によるキャリアの再結合が増加する。したがって、下地板において周縁部の幅Ｗ６ｂが太陽電池基板の一辺の長さの２０％を超えると変換効率が下がるためである。

下地板において、周縁部における点状の凸部の先端角度δ６ｏは６０°以上１５０°以下が好ましい。先端角度δ６ｏが６０°未満であると作製した板状半導体の耐久性に問題があり、成長速度も遅くなるためである。また、先端角度δ６ｏが１５０°を超えると融液が凹部に入り込み剥離が困難になるためである。

本発明の別の板状半導体について図７〜１２を用いて説明する。図７（Ａ）、図９（Ａ）および図１１（Ａ）は、周縁部が図１，３，５の周縁部の形状を組み合わせた板状半導体の概略斜視図であって、図７は図１と図３に示した周縁部の組み合わせからなり、すなわち、図７（Ａ）において、対向する２組の周縁部は、１つは線状の凹凸形状であり、他方は平滑な形状となっている。図９は図１と図５に示した周縁部の組み合わせからなり、すなわち、図９（Ａ）において、対向する２組の周縁部は、１つは平滑な形状であり、他方は点状の凸形状を有する。図１１は図３と図５に示した周縁部の組み合わせからなり、対向する２組の周縁部は、１つは線状の凸形状であり、他方は点状の凸形状である。

図７、９および１１における（Ｂ）は、図７、９および１１における（Ａ）の周縁部および主面部の最低板厚の場所を通るそれぞれの一点鎖線Ｘ７ａ，Ｘ９ａおよびＸ１１ａで切断した時の下地板の断面図である。図７、９および１１の板状半導体において、板状半導体の周縁部ｏの最低板厚ｄｏは、板状半導体の主面部ｉの最低板厚ｄｉに比べ大きいことを特徴とする。このようにｄｏがｄｉに比べて大きくする理由は上述のとおりである。

図７，９および１１における（Ｃ）は、それぞれ図７、９および１１における（Ａ）の周縁部および主面部の最低板厚の場所を通る一点鎖線Ｙ７ａ、Ｙ９ａ、Ｙ１１ａで切断した時の板状半導体の断面図である。このように切断した場合においても本発明の板状半導体の周縁部ｏの最低板厚ｄｏは、板状半導体の主面部ｉの最低板厚ｄｉに比べ大きいことを特徴とする。このようにｄｏがｄｉに比べて大きくする理由は上述のとおりである。

図７（Ａ）および図９（Ａ）における周縁部の平滑部の好ましい形状は図１（Ａ）における周縁部の平滑部の好ましい形状と同じである。また、図７（Ａ）および図１１（Ａ）における周縁部の線状の凹凸部の好ましい形状は図３（Ａ）における周縁部の線状の凹凸部の好ましい形状と同じである。また、図９（Ａ）および図１１（Ａ）における周縁部の凹凸の好ましい形状は図５（Ａ）における周縁部の凹凸の好ましい形状と同じである。

図８，１０および１２における（Ａ）は、後述の板状半導体の製造方法によって下地板表面上に半導体材料を結晶成長させた図７、９および１１の（Ａ）に示される板状半導体を作製するための下地板の概略斜視図である。図８，１０および１２の（Ｂ）は、図８、１０および１２の（Ａ）の周縁部および主面部の凸部の頂点を通る一点鎖線Ｘ８ａ、Ｘ１０ａ、Ｘ１２ａで切断した時の下地板の断面図である。図８，１０および１２の（Ｃ）は、図８，１０および１２の（Ａ）の周縁部および主面部の凸部の頂点を通る一点鎖線８ａ、Ｙ１０ａおよびＹ１２ａで切断した時の下地板の断面図である。

図８（Ａ）および図１０（Ａ）における周縁部の平面状の凸部の好ましい形状は図３（Ａ）における周縁部の平面状の凸部の好ましい形状と同じである。また、図８（Ａ）および図１２（Ａ）における周縁部の線状の凸部の好ましい形状は図４（Ａ）における周縁部の線状の凸部の好ましい形状と同じである。また、図１０（Ａ）および図１２（Ａ）における周縁部の点状の凸部の好ましい形状は図６（Ａ）における周縁部の点状の凸部の好ましい形状と同じである。

上述のとおり、図１、３および５に示した板状半導体の周縁部の組み合わせた板状半導体によっても強度を増すことができる。なお、図１〜１２までに示した下地板の主面部における点状の凸部の間隔Ｐｎｉ（ｎは２，４，６，８，１０，１２のいずれかである）は０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲が望ましく、主面部における凸部の先端角度δｎｉ（ｎは２，４，６，８，１０，１２のいずれかである）は９０°から１５０°が好ましい。

次に、本発明の板状半導体についての理解を容易にするために、ここに従来の凹凸形状を有する板状半導体を説明する。図１３（Ａ）は従来の板状半導体の概略斜視図であり、図１３（Ｂ）は図１３（Ａ）における一点鎖線Ｘ１３ａで切断した時の板状半導体の断面図である。従来の凹凸形状を有する板状半導体では板の周縁部においても凹凸形状を有し、板厚の薄い部分が存在する。この薄い部分が周縁部にあることにより強度が弱くなる。その結果、凹凸を有する板状半導体を薄板化する場合、板状半導体の板厚は凹凸の薄い部分により強度の観点から制限される。

図１４（Ａ）は図１３（Ａ）の板状半導体を作製する際に融液に浸漬した下地板の概略斜視図である。図１４（Ｂ）は図１４（Ａ）における一点鎖線Ｙ１４ａで切断した時の下地板の断面図である。板状半導体が成長する下地板表面は点状の凸部からなる。

図２，４，６，８，１０，１２に示す下地板において、使用可能な材料としては特に限定されないが、熱伝導性の良い材料や耐熱性に優れた材料であることが好ましい。例えば、高純度黒鉛、炭化ケイ素、石英、窒化硼素、アルミナ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、金属などを使用することが可能であるが、目的に応じて最適な材質を選択すれば良い。高純度黒鉛は、比較的安価であり、加工性に富む材質であるためより好ましい。下地板の材質は、工業的に安価であること、得られる板状半導体の下地板品質などの種々の特性を考慮し、適宜選択することが可能である。さらに、下地板に金属を用いる場合、常に冷却し続けるなど、下地板の融点以下の温度で使用し、得られた板状半導体の特性にさほど影響を与えなければ、特に問題はない。

（板状半導体の製造装置）
本発明の板状半導体の製造装置について説明する。本発明の板状半導体を得る装置は、図１５に示した装置を用いる場合に、特に効果がある。しかしながら、本発明を実現する装置は、これに限定されることはない。本発明の板状半導体を作製するための製造装置内の概略断面図を図１５に示す。

図１５に示す板状半導体の製造装置は、結晶成長された板状半導体Ｓ、下地板Ｃ、坩堝８１、加熱用ヒーター８２、原料融液８３、坩堝台８４、断熱材８５、坩堝昇降用台８６、下地板に固定された軸８７、下地板を保持するための固定台８８を備えている。

図１５に示すように、原料融液温度以下の下地板Ｃが、図中左側から、矢印Ｚに示す軌跡で、坩堝８１中にある原料融液８３に浸漬され、融液中で結晶が成長し、融液から引き上げられる。このとき、原料融液８３は、加熱用ヒーター８２により融点以上に保持されている。安定して板状半導体Ｓを得るためには、融液温度の調節と、チャンバー内の雰囲気温度と、下地板Ｃの温度を厳密に制御できるような装置構成にする必要がある。

下地板Ｃには、温度制御が容易に制御できる構造を設けることが好ましい。下地板の材質は、特に限定されないが、熱伝導性の良い材料や耐熱性に優れた材料であることが好ましい。例えば、高純度黒鉛、炭化ケイ素、石英、窒化硼素、アルミナ、酸化ジルコニウム、窒化アルミ、金属などを使用することが可能であるが、目的に応じて最適な材質を選択すれば良い。高純度黒鉛は、比較的安価であり、加工性に富む材質であるためより好ましい。下地板の材質は、工業的に安価であること、得られる板状半導体の下地板品質などの種々の特性を考慮し、適宜選択することが可能である。さらに、下地板に金属を用いる場合、常に冷却し続けるなど、下地板の融点以下の温度で使用し、得られた板状半導体の特性にさほど影響を与えなければ、特に問題はない。

温度制御を容易にするには、銅製の下地板を保持するための固定台８８を用いると都合がよい。固定台８８とは、軸８７と下地板Ｃを連結する部分のことを指す。固定台８８や下地板Ｃは冷却する手段と連結されているのが好ましい。冷却機構と連結されていることで、下地板Ｃの温度調節がより容易になるためである。さらに、下地板Ｃを加熱する加熱機構を有する方が好ましい。すなわち、下地板の温度は、冷却機構を備えているだけでなく、加熱機構を備えている方が好ましい。原料融液中へ進入した下地板は、その下地板表面に板状半導体Ｓが成長する。その後、下地板は原料融液から脱出するが、下地板側は原料融液から熱を受け、下地板の温度が上昇する傾向にある。しかし、次に同じ下地板を同じ温度で原料融液へ浸漬させようとすると、下地板の温度を下げるための冷却機構が必要となる。すなわち、一度原料融液から脱出した下地板は、冷却機構で冷却され、次に原料融液に浸漬される前までに、加熱機構を用いて、成長下地板の温度制御を行う方が良い。加熱機構は、高周波誘導加熱方式、抵抗加熱方式、ランプ加熱方式でも構わない。このように、冷却機構と加熱機構を併用することで、板状半導体の安定性は、格段に上昇する。

下地板の温度制御と共に重要なのは、原料融液の温度管理である。融液の温度を融点近傍で設定していると、下地板が融液に接することで原料融液の湯面が凝固を起こす可能性があるため、融液の温度は、融点以上であることが好ましい。これは複数の熱電対もしくは、放射温度計などを用いて厳密に制御することができる。

融液温度を厳密に制御するには、熱電対を融液中に浸漬させるのが直接的で好ましいが、熱電対の保護管などからの不純物が融液に混入する恐れがあるために、汚染を防止する構造にする必要がある。制御方法は、坩堝などに熱電対を挿入するなどして、間接的に制御するか、放射温度計によりシリコン融液の温度を測定できるような構造にすることが好ましい。

融液の入った坩堝８１は、坩堝台８４を介して断熱材８５の上に設置されている。これは、融液温度を均一に保持するためと、坩堝底からの抜熱を最小限に抑制するために用いられている。その断熱材８５の上には、坩堝台８４が設置されており、坩堝昇降軸８６が接続されており、昇降機構が設けられている。これは、下地板Ｃ上で板状半導体が成長するため、常に下地板Ｃが、原料融液の湯面から同じ深さで浸漬できるように上下動させるためである。湯面から同じ深さで浸漬できるようにする方法は、これに限定されない。湯面位置を一定に保つ、すなわち、板状半導体として取り出された分の原料を補充する方法なども適用可能である。これは、原料の多結晶体（塊）を溶融させて投入したり、融液のまま順次投入したり、粉体を順次投入する方法などを用いることが可能である。但し、できるだけ融液の湯面を乱さないようにすることが好ましい。融液の湯面を乱すと、そのときに発生する波形状が得られる板状半導体の融液面側に反映され、得られる板状半導体の均一性を損ない、品質の安定性を損なう可能性があるためである。

次に、別の板状半導体の製造装置を、図１６を用いて説明する。図１６において、坩堝昇降機構９６および坩堝保持部９４，９５に付設された坩堝９１上に熱遮蔽板１０２の開口部１０３を有し、その開口部１０３を移動することが可能な固定台９８と基板Ｃが固定脚９７に接続され、その固定脚９７は、冷却器９９に接続されている。また、この冷却器９９は、角度が変更できる関節部１００を有するアーム１０１に接続されている。ただし、この図において、アームや関節部を移動させる手段、真空排気ができるようなチャンバーなどの装置は示していない。本装置においては、坩堝９１上には、熱遮蔽板１０２が開口されており、基板Ｃは任意の軌道を描けるような構成になっている。その基板Ｃ上で結晶が成長し、板状半導体Ｓが形成されるのである。このとき、基板Ｃの温度、半導体融液９３の温度などを制御することにより、形成される板状半導体の厚みを制御することが可能になる。この装置においては、アーム１０１が関節部１００を有することにより、基板Ｃが移動する構成であるが、アーム１０１ごと移動する構成であっても構わない。このように、アームごと移動させるような機構を設けることで、基板Ｃを半導体融液の湯面から同じ深さで浸漬させることが可能となる。

（板状シリコンの製造方法）
次に、図１５に示す板状半導体の製造装置に、本発明の下地板を用いた場合の板状半導体の製造方法について説明する。特に、ここでは、原料にシリコンを用いた場合について、説明する。

まず、得られる板状シリコンの比抵抗が０．５〜５Ω・ｃｍになるようにボロンの濃度を調整したシリコン塊（原料）を、高純度黒鉛製坩堝８１に一杯になるまで充填する。その坩堝を、図１５に示すような装置内に設置する。次に、チャンバー内の真空引きを行い、チャンバー内を所定の圧力まで減圧する。その後、チャンバー内にＡｒガスを導入し、常に１０Ｌ／ｍｉｎの流速で、チャンバー上部よりＡｒガスを流したままにする。このように常にガスを流し続けるのは、清浄なシリコン湯面を得るためである。

次に、シリコン溶融用のヒーター８２の温度を１５００℃に設定し、坩堝８１内のシリコン塊を完全に溶融状態にする。このとき、シリコン原料は溶融することで液面が低くなることから、シリコン融液の湯面が、坩堝８１の上面から１ｃｍ下の位置になるように、新たにシリコン粉末を投入する。シリコン溶融用のヒーターは、一度に１５００℃に上げるのではなく、約１３００℃まで５〜５０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱し、その後、所定温度まで上げるのが好ましい。これは、急激に温度を上げると、坩堝の角部に熱応力が集中的にかかり、坩堝の破損に繋がるためである。

その後、シリコンが完全に溶融したのを確認したのち、シリコン融液温度を１４１０℃に設定し、３０分間そのまま保持し、融液温度の安定化を図る。次に、坩堝昇降機構８６を用いて、坩堝８１を所定の位置まで移動させる。このときのシリコン融液温度は、１４００℃以上、１５００℃以下が好ましい。シリコンの融点が１４１０℃付近であるため、１４００℃以下に設定すると、坩堝壁から徐々に湯面が固まってくるためである。また、１５００℃以上に設定すると、得られる板状シリコンの成長速度が遅くなり、生産性が悪くなるため余り好ましくない。

次に、板状シリコンを成長させるが、図２，４，６，８，１０および１２に示すような下地板を図１５中の左側から右側へ矢印Ｚの軌道のように進行させる。このとき、下地板の表面、例えば図１の成長面１側をシリコン融液に接触させ、下地板の前方部Ｆ１が進行方向側になるように、下地板を移動させる。このように、下地板の表面がシリコン融液に接することで、板状シリコンが、成長面１側に形成される。板状シリコンを下地板上に成長させる軌道は、特に限定されない。例えば、円軌道や、楕円軌道や、それらの組み合わせた軌道など、任意の軌道を実現できるような構造にしておく方が好ましい。

図２，４，６，８，１０および１２において、下地板Ｃの進行方向部分Ｆの形状は、平面で形成されているが、特に限定されない。より好ましい形状は、成長面１上に成長した板状シリコンが落下しないような形状にすることが好ましい。

シリコン融液への進入時の基板の表面温度は、シリコン融液の凝固点以下であることが必要である。より好ましくは、１１００℃以下である。これは、基板の温度が１１００℃以上であると、基板を１１００℃まで加熱するのに時間を要するだけでなく、板状シリコンの成長速度が遅くなり、生産性が悪くなるため好ましくない。基板の温度を調整するには、冷却機構と加熱機構の両方を備えているために、生産性が向上するだけでなく、製品の歩留まり向上、さらには、品質の安定化を図ることができる。

また、下地板の表面温度を再現性よく制御する方法として、シリコン融液からの輻射熱の届かない、もしくは、その影響が少ない位置で、固定台への下地板の装着を行い、その後、直ぐにシリコン融液へ進入させる方法を採用することで、下地板の温度を制御しない装置構成も可能である。

ここでは、板状シリコンの製造方法について説明を行ってきたが、前述のように、成長に使用する下地板の材質や形状などを適宜変更することで、金属や、ＩＶ族（ＩＶ−ＩＶ族）半導体や、ＩＩＩ−Ｖ族半導体や、ＩＩ−ＶＩ族半導体などの、板状半導体の作製などにも容易に転用することが可能である。

さらに、ここでは、図１５に示した製造装置を用いて説明しているため、下地板Ｃの下側に板状シリコンが成長する。しかしながら、図１５とは、違った装置構成で、下地板の上下を逆さまにすることで、下地板Ｃの上側にも板状シリコンを作製することも可能となる。

次に、図１６に示す板状シリコン製造装置を用いて、本発明による板状シリコンの製造方法について説明する。ここでは図１６の板状シリコン製造装置を用いた板状シリコンを製造方法の一例を示すが、本発明は製造装置にかかわらず前記基板を、融液に接触させることに特徴がある。また、本発明は基板の材質、坩堝材質等にも限定されない。

得られる板状シリコンの比抵抗が１Ω・ｃｍになるようにボロンの濃度を調節したシリコン原料を、高純度カーボン製坩堝に保護された石英坩堝９１内に充填し、図１６にあるような装置内に設置する。その後、本体チャンバー内の圧力を３００Ｐａになるまでロータリーポンプを用いて排気を行い、その後、６Ｐａになるまで、メカニカルブースターポンプを用いてさらに排気を行う。

次に、坩堝を坩堝加熱用ヒーター９２に周波数４ｋＨｚ、電力８０ｋＷのインバーターを用いて、４℃／ｍｉｎの昇温レートにて５００℃まで昇温する。本体チャンバー内の圧力を６Ｐａ、坩堝温度を５００℃を維持した状態で９０分間保持することにより、カーボン製坩堝に含まれている水分を除去する。また、一度に昇温しないのは、坩堝の角部などに熱応力が集中的にかかり、坩堝の破損を防止するのが目的である。

このようなベーキングを経た後、一旦インバーターの出力を停止し、坩堝の加熱を停止する。この状態で、本体チャンバーの圧力を８００ｈＰａになるまでＡｒガスを充填する。本体チャンバー内が８００ｈＰａに達した時点で、再び坩堝を昇温レート１０℃／ｍｉｎにて加熱し、坩堝温度が１５５０℃になるまで昇温する。坩堝温度を１５５０℃で安定させることにより、坩堝内のシリコン塊はやがて全て溶融して、シリコン融液となる。シリコン塊が完全に溶解したのを確認し、シリコン湯面の高さが坩堝上端より１５ｍｍになるように、シリコン塊もしくはシリコン粉末を追加投入する。追加投入したシリコン塊が全て溶融したことを確認したのち、坩堝の設定温度を１４３０℃まで落として、シリコン融液の温度安定化のため３０分間その状態を保持する。

次に、板状シリコンを下地板Ｃ上に成長させるが、下地板の成長面が、シリコン融液に接触するように移動させる。このように、下地板の成長面がシリコン融液に接することで、下地板の表面に板状シリコンＳが成長する。下地板Ｃ上に板状シリコンＳを作製するための軌道は、円軌道、楕円軌道であってもよい。特に、任意の軌道を実現できるような図１６のような装置構造にすることで、得られる板状シリコンＳの歩留まりを向上させることができる。

図１６にあるように、下地板Ｃと板状シリコンＳはチャンバー内で剥離してもいいし、チャンバー外へ搬出しても構わない。特に、生産速度を上げるのであれば、チャンバー内で、下地板Ｃから剥離し、板状シリコンＳだけをチャンバー外へ搬出するのが好ましい。このようにすることで、下地板Ｃをチャンバー外へ搬出することがなくなるだけでなく、Ａｒガスの消費量も大幅に低減することが可能となり、より安価な板状シリコンを提供することが可能となる。

（板状シリコンの作製）
比抵抗が２Ω・ｃｍになるようにボロン濃度を調整したシリコン原料を、高純度カーボン製坩堝に保護された石英製坩堝内に入れ、図１５に示すような装置内に固定した。

まずチャンバー内を１．３×１０^−３Ｐａ程度まで真空引きし、常圧までＡｒガスで置換し、その後Ａｒガスを１０Ｌ／ｍｉｎでフローしたままにした。次に、シリコン原料をヒーターにより溶融するが、シリコン溶解用ヒーターを１０℃／ｍｉｎの昇温速度で１５００℃まで昇温し、シリコン原料が完全に溶解したことを確認したのち、坩堝温度を１４２５℃に保持し、安定化を図った。図２，４，６，８，１０，１２および図１４の下地板の成長面の温度を２００℃に制御し、成長面１が湯面から８ｍｍ下の部分を通過するように浸漬し、板状シリコンを成長させた。用いた下地板の成長面１は、縦１５５ｍｍ、横１５５ｍｍであり、下地板の厚み３０ｍｍであった。図２，４，６，８，１０，１２および図１４の下地板の主面部は図１４（Ａ）に示すような四角錘の凸部を有する形状とした。また、凸部は格子状に存在しており、その主面部または主面の凸部の間隔Ｐｎｉ（ｎは２，４，６，８，１０，１２，１４）は１．５ｍｍ、凸の深さｈｎｉ（ｎは２，４，６，８，１０，１２，１４）は０．３ｍｍとした。

図２（Ｂ）の下地板を用いた場合において、周縁部の幅Ｗ２ｂｏを３ｍｍおよび９ｍｍとした場合をそれぞれ参考例１および２とした。図４（Ｂ）の下地板を用いた場合において、周縁部における線状の凸の間隔Ｐ４ｏは１ｍｍ、凸の深さｈ４ｏは０．２ｍｍと一定にし、周縁部の幅Ｗ４ｏを３ｍｍおよび９ｍｍとした場合をそれぞれ実施例１および２とした。また、周縁部における線状の凸の間隔Ｐ４ｏが１．５ｍｍ、凸の深さｈ４ｏが０．３ｍｍ、周縁部の幅Ｗ４ｏが９ｍｍの場合を実施例３とした。

図６（Ｂ）の下地板を用いた場合において、周縁部における点状の凸の間隔Ｐ６ｏを０．７５ｍｍにし、凸の深さｈ６ｏを０．１５ｍｍと一定にし、周縁部の幅Ｗ６ｏを３ｍｍおよび９ｍｍとした場合をそれぞれ実施例４および５とした。また、周縁部における点状の凸の間隔Ｐ６ｏが０．５ｍｍ、凸の深さｈ６ｏが０．１ｍｍ、周縁部の幅Ｗ６ｏが３ｍｍの場合を実施例６とした。

また、図１４の下地板を用いた場合を比較例１とした。
（太陽電池の作製）
次に、成長させた板状シリコンにおいて、下地板の平面Ｆ１から成長した部分のみを切断し、太陽電池のプロセスに通し、太陽電池を作製した。

得られた板状シリコンの洗浄のため、水酸化ナトリウムによるアルカリエッチングを行った後、ＰＯＣｌ_３拡散により当該板状シリコンをｐ型基板とし、さらにｎ^＋層を形成した。板状シリコン表面に形成されているＰＳＧ膜をフッ酸で除去した後、太陽電池の受光面側となるｎ^＋層上にプラズマＣＶＤを用いてシリコン窒化膜を形成した。次に、太陽電池の裏面側となる面に形成されているｎ^＋層を硝酸とフッ酸との混合溶液でエッチング除去し、ｐ型基板を露出させ、その上に裏面電極およびｐ^＋層を同時に形成した。次に、受光面側の電極をスクリーン印刷法を用いて形成した。その後、半田ディップを行い、太陽電池を作製した。ＡＭ１．５、１００ｍＷ／ｃｍ^２の照射下にて、「結晶系太陽電池セル出力測定方法（ＪＩＳ Ｃ ８９１３（１９８８））」に従って、太陽電池の特性評価を行った。このようにして作製した太陽電池について、条件を表１に、結果を表２に示す。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

板状半導体の主面部および周縁部を説明するための図である。 板状半導体を製造するための下地板の一例の図である。 本発明の板状半導体を示す図である。 図３の板状半導体を製造するための下地板の図である。 本発明の板状半導体を示す図である。 図５の板状半導体を製造するための下地板の図である。 本発明の板状半導体を示す図である。 図７の板状半導体を製造するための下地板の図である。 本発明の板状半導体を示す図である。 図９の板状半導体を製造するための下地板の図である。 本発明の板状半導体を示す図である。 図１１の板状半導体を製造するための下地板の図である。 従来の板状半導体を示す図である。 図１３の板状半導体を製造するための下地板の図である。 本発明の板状半導体を製造するための製造装置の一例を示す概略断面図である。 本発明の板状半導体を製造するための製造装置の一例を示す模式図である。

８１ 坩堝、８２ ヒーター、８３ 原料融液、８４ 坩堝台、８５ 断熱材、８６ 坩堝昇降機構、８７ 軸、８８ 固定台、９１ 坩堝、９２ 坩堝加熱用ヒーター、９３ 半導体融液、９４，９５ 坩堝保持部、９６ 坩堝昇降機構、９７ 固定脚、９８ 固定台、９９ 冷却器、１００ 関節部、１０１ アーム、１０２ 熱遮蔽板、１０３ 開口部、ｉ 主面部、ｏ 周縁部、ｄｉ 主面部の最低板厚、ｄｏ 周縁部の最低板厚、Ｆ 進行方向部分、Ｐ２ｉ，Ｐ４ｉ，Ｐ４ｏ，Ｐ６ｉ，Ｐ６ｏ，Ｐ８ｉ，Ｐ１０ｉ，Ｐ１０ｏ，Ｐ１２ｉ，Ｐ１２ｏ，Ｐ１４ｂｉ 凸部間隔、Ｓ 板状半導体、Ｗ１ａ，Ｗ２ｂ，Ｗ３ａ，Ｗ４ｂ，Ｗ５ａ，Ｗ６ｂ 周縁部の幅、δ 先端角度。

Claims (8)

1. 表面に凹凸形状を有する板状半導体において、該板状半導体は主面部と周縁部とからなり、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該板状半導体の主面部における凹部の最低板厚よりも厚く、
   前記主面部における凹凸形状は、点状の凹凸形状であり、
   前記周縁部が線状の凹凸形状を有することを特徴とする、板状半導体。
2. 表面に凹凸形状を有する板状半導体において、該板状半導体は主面部と周縁部とからなり、該板状半導体の周縁部における最低板厚が、該板状半導体の主面部における凹部の最低板厚よりも厚く、
   前記主面部における凹凸形状は、点状の凹凸形状であり、
   前記周縁部における凹凸の間隔が、前記主面部の凹凸の間隔よりも小さいことを特徴とする、板状半導体。
3. 前記周縁部が平滑部を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の板状半導体。
4. 前記周縁部における凹凸の間隔が、前記主面部の凹凸の間隔よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の板状半導体。
5. 前記周縁部が、上記線状の凹凸形状と平滑および主面部の凹凸よりも間隔が小さい凹凸とからなることを特徴とする、請求項１または２に記載の板状半導体。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の板状半導体を用いた太陽電池。
7. 板状半導体を成長させる面に凹凸形状を有する、請求項１に記載の板状半導体を製造するために用いる下地板であって、前記成長させる面の周縁部は線状の凸部を有し、該周縁部の内側にある主面部は点状の凹凸形状を有することを特徴とする、板状半導体製造用下地板。
8. 板状半導体を成長させる面に凹凸形状を有する、請求項２に記載の板状半導体を製造するために用いる下地板であって、前記成長させる面の周縁部は点状の凸部を有し、該周縁部の凹凸間隔は該周縁部の内側にある主面部の凹凸間隔よりも狭く、該周縁部の内側にある主面部は点状の凹凸形状を有することを特徴とする、板状半導体製造用下地板。

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