JP5486190B2 - 光電変換用単結晶成型シリコンおよび単結晶成型シリコン本体の製造方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、エネルギ省(DOE)の契約第DE−AC36−98GO10337号の下において、DOEが裁定した、国家更新可能エネルギ実験(NREL:National Renewable Energy Laboratory)下請け契約第ZDO−2−30628−03号の下における米国政府支援を受けて行われた。米国政府は、本発明において、一定の権利を有する。
(関連出願)
本願は、2006年1月20日に出願した米国仮特許出願第60/760,453号、2006年5月30日に出願した米国仮特許出願第60/808,954号、2006年8月24日に出願した米国仮特許出願第60/839,672号、および2006年8月24日に出願した米国仮特許出願第60/839,670号の優先権の恩恵を主張する。これらは、ここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
(技術分野)
本発明は、一般的には、光電変換の分野、ならびに光電変換用途のための成型シリコンの製造方法および装置に関する。更に、本発明は、光電変換セルやその他の半導体デバイスのようなデバイスを製造するために用いることができる成型シリコンの新しい形態に関する。新しいシリコンは、単結晶構造を有することができ、成型プロセスで製造することができる。
本発明の別の実施形態によれば、太陽電池も提供し、該太陽電池は、半径方向に分散する不純物および欠陥がないかまたは実質的になく、少なくとも2つの寸法が、各々、少なくとも約25cmであり、第3の寸法が少なくとも約20cmである連続単結晶シリコンの本体から形成したウェハと、ウェハ内にあるp−n接合と、ウェハの表面上にある任意の反射防止被膜と、任意に裏面電界およびパシベーション層から選択した少なくとも1つの層と、ウェハ上にある導電性コンタクトとを備えている。
本発明の別の実施形態によれば、太陽電池も提供し、該太陽電池は、半径方向に分散する不純物および欠陥がないかまたは実質的になく、少なくとも2つの寸法が、各々、少なくとも約25cmであり、第3の寸法が少なくとも約20cmである準単結晶シリコンの本体から形成したウェハと、ウェハ内にあるp−n接合と、ウェハの表面上にある任意の反射防止被膜と、任意に裏面電界およびパシベーション層から選択した少なくとも1つの層と、ウェハ上にある導電性コンタクトとを備えている。
例1
シードの準備。0.3ppmaの硼素を有する純粋なチョクラルスキ(CZ)シリコン(単結晶)のブールをMEMCから得て、その長さに沿って、ダイアモンド被膜帯鋸を用いて切断し、1辺当たり14cmの正方形断面を有するようにした。得られた単結晶シリコンのブロックを、その断面に沿って、同じ鋸を用いて切断し、厚さが約2cmから約3cmのスラブを得た。これらのスラブを、単結晶シリコン・シード結晶、即ち、「シード」として用いた。シリコン・ブールの(100)結晶極方位(crystallographic pole orientation)を維持した。次に、得られた単結晶シリコン・スラブを、クオーツ坩堝の底面に配列し、スラブの(100)方向が上を向き、(110)方向を坩堝の1つの側面に対して平行を維持するようにした。クオーツ坩堝は、1辺が68cmの正方形断面を有し、深さが約40cm、壁の厚さが約1.8cmである。スラブは、その長手寸法が坩堝の底面に平行となり、その側面が接触して、坩堝の底面上にこのようなスラブの単一の完全な層を形成するように、坩堝の底面に配列した。
例2
シードの準備。シードの半分については、(110)方向が正方形シードの辺から45度の角度をなし、他方の半分は約20度の角度をなすように、単結晶シリコン・シードを切断したことを除いて、シーディングは例1におけると同様に行った。2つの異なるシード方位が交互する市松模様状に、正方形片を坩堝の底面に敷設した。即ち、(110)方向は坩堝の側面の方位から45度および20度の角度をなした。互いに対して、シードは25度または155度の誤方位を有した。しかしながら、正方形状シードのサイズの不一致により、シーディング層における一部の間隙は、被覆されないまま残された。坩堝は、正方形の辺の各々が約33cmであり、高さが約22cmであった。
シードの準備。坩堝の底面に敷設するために用いられる23kgの正方形(100)板によってシーディングを行い、63cm×63cmの被覆領域(coverage area)、および側面において中心における3cmから1.8cmの範囲の厚さが得られた。全ての板は、その(110)方向が坩堝の壁から45゜の角度をなすように配列した。
Claims (33)
- 成型シリコンの製造方法であって、
少なくともシリコンの融点まで加熱した1つ以上の側面と、少なくとも1つの冷却用の壁とを有する坩堝において、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップと、
溶融の範囲を測定することによって、前記複数のシード結晶の望ましい部分を溶融させるステップと、
結晶化を制御するために前記溶融シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップであって、該ステップは、少なくとも初期状態において前記少なくとも1つの冷却用の壁と平行となる前記溶融シリコンの縁端において固体−液体界面を形成するステップを含み、前記界面が、前記溶融シリコンと前記少なくとも1つの冷却用の壁との間の距離が増大する方向に移動するように前記冷却中に制御される、ステップと、
を備えており、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 前記配置するステップは、更に、坩堝の底面に前記複数のシリコン・シード結晶を配置するステップを含み、更に、前記冷却は、前記少なくとも1つの冷却用の壁と平行な縁端を維持しつつ、前記坩堝の底面から離れる方向に前記固体−液体界面を移動させる、請求項1に記載の方法。
- 更に、特定の極方向が前記坩堝の底面に対して垂直となるように、前記複数のシード結晶を配列するステップを備えている、請求項2に記載の方法。
- 前記溶融シリコンを配置するステップは、更に、前記坩堝とは別個の溶融容器においてシリコン供給原料を溶融するステップ、前記坩堝およびシリコンをシリコンの融点まで加熱するステップ、前記坩堝における前記複数のシード結晶が完全に溶融しないように前記加熱を制御するステップ、及び前記溶融シリコンを前記溶融容器から前記坩堝に移すステップを含む、請求項2に記載の方法。
- 更に、前記複数のシード結晶を含むように、前記本体の一部を形成するステップを含む、請求項2に記載の方法。
- 成型シリコンの製造方法であって、
少なくともシリコンの融点まで加熱した1つ以上の側面と、少なくとも1つの冷却用の壁とを有する坩堝において、少なくとも1つの表面上に、六角形または八角形方位のパターンで単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶の幾何学的配列を配置するステップであって、前記幾何学的配列が密接に敷き詰めた六角形または八角形を含む、ステップと、
前記シリコン・シード結晶の幾何学的配列と接触するように溶融シリコンを配置するステップと、
溶融の範囲を測定することによって、前記複数のシード結晶の望ましい部分を溶融させるステップと、
結晶化を制御するために前記溶融シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップであって、該ステップは、前記少なくとも1つの冷却用の壁と平行となる前記溶融シリコンの縁端において固体−液体界面を形成するステップを含み、前記界面が、前記溶融シリコンと前記少なくとも1つの冷却用の壁との間の距離が増大する方向に移動するように前記冷却中に制御される、ステップと、
を備えており、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
坩堝の少なくとも2つの表面上に、所定のパターンで単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶を配列するステップと、
前記単結晶シリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップと、
結晶化を制御するために前記坩堝の少なくとも2つの表面において前記溶融シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップであって、該ステップが、前記溶融シリコンと前記坩堝の少なくとも2つの表面との間の距離が増大する方向に移動するように、前記冷却中に前記溶融シリコンの縁端において個体−液体界面を制御するステップを含む、ステップと、
を備えており、
前記坩堝の少なくとも2つの表面は垂直であり、
前記坩堝の少なくとも1つの表面に沿ったシリコン・シード結晶の配列は六角形または八角形方位のパターンであり、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
少なくとも1つの表面上に、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように、シリコン供給原料を配置するステップと、
前記シリコン供給原料および前記複数のシリコン・シード結晶をシリコンの融点まで加熱するステップと、
前記複数のシリコン・シード結晶が完全に溶融しないように、前記加熱を制御するステップであって、該ステップが、前記坩堝におけるいずれかの部位においてシリコンの融点に達した後、前記坩堝の外面において測定して、0.1℃/分以下のΔTを維持するステップを含む、ステップと、
一旦前記複数のシリコン・シード結晶が部分的に溶融したなら、前記シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成るシリコン本体を形成するステップと、
を備えている、方法。 - 前記配置するステップは、更に、坩堝の底面に前記複数のシリコン・シード結晶を配置するステップを含む、請求項7または8に記載の方法。
- 更に、前記複数のシード結晶を含むように、前記本体の一部を形成するステップを含む、請求項7または8に記載の方法。
- 成型シリコンの製造方法であって、
坩堝の少なくとも1つの表面に、六角形または八角形方位のパターンで単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶の幾何学的配列を配置するステップであって、前記幾何学的配列は密接に敷き詰めた六角形または八角形を含む、ステップと、
前記少なくとも1つの表面において、前記複数のシリコン・シード結晶と接触するように、シリコン供給原料を配置するステップと、
前記シリコン供給原料および前記複数のシリコン・シード結晶をシリコンの融点まで加熱するステップと、
前記複数のシード結晶が完全に溶融しないように、前記加熱を制御するステップであって、該ステップが、前記坩堝におけるいずれかの部位においてシリコンの融点に達した後、前記坩堝の外面において測定して、0.1℃/分以下のΔTを維持するステップを含む、ステップと、
一旦前記複数のシリコン・シード結晶が部分的に溶融したなら、前記シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成るシリコン本体を形成するステップと、
を備えている、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
坩堝の少なくとも2つの表面に、所定のパターンとした単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶を配列するステップと、
前記少なくとも2つの表面において、前記複数のシリコン・シード結晶と接触するように、シリコン供給原料を配置するステップと、
前記シリコン供給原料および前記複数のシリコン・シード結晶をシリコンの融点まで加熱するステップと、
前記複数のシード結晶が完全に溶融しないように、前記加熱を制御するステップであって、該ステップが、前記坩堝におけるいずれかの部位においてシリコンの融点に達した後、前記坩堝の外面において測定して、0.1℃/分以下のΔTを維持するステップを含む、ステップと、
一旦前記複数のシリコン・シード結晶が部分的に溶融したなら、前記シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップと、
を備えており、
前記坩堝の少なくとも2つの表面は垂直であり、
前記坩堝の少なくとも1つの表面に沿ったシリコン・シード結晶の配列は六角形または八角形方位のパターンである、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
1つ以上の側面が少なくともシリコンの融点に加熱されている坩堝において、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップであって、前記複数のシリコン・シード結晶を、前記坩堝の表面領域全体または実質的に領域全体を覆うように配列する、ステップと、
溶融の範囲を測定することによって、前記複数のシード結晶の望ましい部分を溶融させるステップと、
結晶化を制御するように前記溶融シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップと、
を備えており、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 前記冷却は、熱を水冷壁に放射するために、ヒート・シンク材料を用いることを含む、請求項1、2、6、7、8、11、12または13に記載の方法。
- 更に、スワール欠陥が実質的になく、更に酸素誘発積層障害欠陥(fault defect)も実質的にない前記本体を形成するステップを備えている、請求項1、2、6、7、8、11、12または13に記載の方法。
- 更に、少なくとも1つの寸法が少なくとも50mmであるウェハを形成するステップを備えている、請求項1、6、7、8、11、12または13に記載の方法。
- 更に、スワール欠陥が実質的になく、更に酸素誘発積層障害欠陥も実質的にない前記ウェハを形成するステップを備えている、請求項16に記載の方法。
- 更に、前記複数のシード結晶を含むように、前記本体の一部を形成するステップを含む、請求項6、7、8、11または12に記載の方法。
- 前記溶融シリコンを配置するステップは、更に、前記坩堝とは別個の溶融容器においてシリコン供給原料を溶融するステップ、前記坩堝およびシリコンをシリコンの融点まで加熱するステップ、前記坩堝における複数のシード結晶が完全に溶融しないように前記加熱を制御するステップ、及び前記溶融シリコンを前記溶融容器から前記坩堝に移すステップを含む、請求項6、7、11及び12のいずれかに記載の方法。
- 前記溶融シリコンを配置するステップは、更に、前記坩堝とは別個の溶融容器においてシリコン供給原料を溶融するステップ、前記坩堝およびシリコンをシリコンの融点まで加熱するステップ、前記坩堝における前記複数のシード結晶が完全に溶融しないように前記加熱を制御するステップ、及び前記溶融シリコンを前記溶融容器から前記坩堝に移すステップを含む、請求項1、8及び13のいずれかに記載の方法。
- 更に、前記シード結晶間における共通極方向が前記坩堝の底面に対して垂直となるように、前記複数のシード結晶を配列するステップを含む、請求項6又は11に記載の方法。
- 更に、前記方法にしたがって既に成型してあるシリコンの本体から切断したシード結晶を用いて、別のシリコンの固体本体を形成するステップを備えている、請求項1、2、6、7、8、11、12又は13に記載の方法。
- 前記溶融シリコンを配置するステップは、更に、前記坩堝および前記シリコンをシリコンの融点まで加熱し、前記坩堝におけるいずれかの部位においてシリコンの融点に達した後、前記坩堝の外面において測定して、0.1℃/分以下のΔTを維持するように前記加熱を制御するステップを含む、請求項6または7に記載の方法。
- 前記溶融シリコンを配置するステップは、更に、前記坩堝および前記シリコンをシリコンの融点まで加熱するステップ、及び前記坩堝におけるいずれかの部位においてシリコンの融点に達した後、前記坩堝の外面において測定して、0.1℃/分以下のΔTを維持するように前記加熱を制御するステップを含む、請求項1又は13に記載の方法。
- 更に、前記坩堝の少なくとも2つの表面の間に粒子境界が形成されないように、前記シード結晶の共通極方向が前記坩堝の少なくとも2つの表面の1つに対して垂直となるように、前記複数のシード結晶を配列するステップを含む、請求項7に記載の方法。
- 更に、前記所定のパターンのいずれかの角において一致するシード結晶縁端が6つ以下であるように、前記複数のシード結晶を配列するステップを備えている、請求項7または8に記載の方法。
- 更に、ディップ・ロッドを用いることによって、溶融の進展を監視するステップを備えている、請求項1、6、7、8、11、12または13に記載の方法。
- 前記形成するステップは、単結晶シリコンまたは準単結晶シリコンの固体本体を形成するステップから成る、請求項1、6、7、8、11、12または13に記載の方法。
- 前記配置するステップは、前記坩堝の表面領域全体または実質的に領域全体を覆うように、前記複数のシリコン・シード結晶を配列するステップを含む、請求項1に記載の方法。
- 成型シリコンの製造方法であって、
少なくともシリコンの融点まで加熱した1つ以上の側面と、少なくとも1つの冷却用の壁とを有する坩堝において、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップと、
溶融の範囲を測定することによって、前記複数のシード結晶の望ましい部分を溶融させるステップと、
結晶化を制御するために前記溶融シリコンを冷却することによって、準単結晶から成る固体本体を形成するステップであって、該ステップが、少なくとも初期状態において前記少なくとも1つの冷却用の壁と平行となる溶融シリコンの縁端において、固体−液体界面を形成するステップを含み、前記界面が、前記溶融シリコンと前記少なくとも1つの冷却用の壁との間の距離が増大する方向に移動するように前記冷却中に制御される、ステップと、
を備えており、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
1つ以上の側面が少なくともシリコンの融点に加熱されている坩堝において、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップであって、前記複数のシリコン・シード結晶を、前記坩堝の表面領域全体または実質的に領域全体を覆うように配列する、ステップと、
溶融の範囲を測定することによって、前記複数のシード結晶の望ましい部分を溶融させるステップと、
結晶化を制御するように前記溶融シリコンを冷却することによって、準単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップと、
を備えており、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
少なくともシリコンの融点まで加熱した1つ以上の側面と、少なくとも1つの冷却用の壁とを有する坩堝において、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップと、
結晶化を制御するために前記溶融シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップであって、該ステップは、少なくとも初期状態において前記少なくとも1つの冷却用の壁と平行となる前記溶融シリコンの縁端において固体−液体界面を形成するステップを含み、前記界面が、前記溶融シリコンと前記少なくとも1つの冷却用の壁との間の距離が増大する方向に移動するように前記冷却中に制御される、ステップと、
を備えており、
前記溶融シリコンを配置するステップは、前記坩堝とは別個の溶融容器においてシリコン供給原料を溶融するステップ、前記坩堝における前記複数のシード結晶が完全に溶融しないように前記坩堝の前記加熱を制御するステップ、及び前記溶融シリコンを前記容器から前記坩堝に移すステップを含み、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。 - 成型シリコンの製造方法であって、
1つ以上の側面が少なくともシリコンの融点に加熱されている坩堝において、六角形または八角形方位のパターンで配列された単結晶シリコンから成る複数のシリコン・シード結晶と接触するように溶融シリコンを配置するステップであって、前記複数のシリコン・シード結晶を、前記坩堝の表面領域全体または実質的に領域全体を覆うように配列する、ステップと、
結晶化を制御するように前記溶融シリコンを冷却することによって、単結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップと、
を備えており、
前記溶融シリコンを配置するステップは、更に、前記坩堝とは別個の溶融容器においてシリコン供給原料を溶融するステップ、前記坩堝およびシリコンをシリコンの融点まで加熱するステップ、前記坩堝における前記複数のシード結晶が完全に溶融しないように前記加熱を制御するステップ、及び前記溶融シリコンを前記溶融容器から前記坩堝に移すステップを含み、
前記固体本体の底面は正方形状又は矩形状であり、その2つの寸法は各々少なくとも10cmである、方法。
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