JP5511945B2

JP5511945B2 - Ｕｍｇ−ｓｉ材料精製のためのプロセス管理

Info

Publication number: JP5511945B2
Application number: JP2012508494A
Authority: JP
Inventors: カメルアウナジェラ; マルチンヴァレリシアク; アニスジュイニ; マティアスホイヤー; オマルシデルケイル; アラインブロス; フリッツキルシュ
Original assignee: シリコーマテリアルズインコーポレイテッド
Priority date: 2009-04-29
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-02-10
Also published as: KR20120014011A; US20100310445A1; EP2425454A4; CN102598272B; WO2010126639A1; JP2012525322A; JP2012525316A; KR20120013413A; WO2010126639A8; EP2467329A1; EP2467329A4; CN102598272A; EP2425454A1; CN102498062A

Description

分野
本発明は、概して、シリコン処理の分野に関し、特にアップグレードされた冶金級シリコンの精製に関する。

本出願は、2009年11月11日に出願された米国特許仮出願第61/260,391号の恩典を主張する。

発明の背景
太陽光発電(PV)産業は、急速に成長しており、集積回路(IC)用途としてのより従来の使用を超えるシリコンの消費量増加に関与している。今日、太陽電池産業におけるシリコンのニーズは、IC産業におけるシリコンのニーズに匹敵し始めている。現在の製造技術では、集積回路(IC)および太陽電池産業の両方とも、出発材料として、純化かつ精製されたシリコン原料を必要としている。

太陽電池材料の選択肢は、単結晶の電子グレード(EG)シリコンから、比較的低純度の冶金級(MG)シリコンに及ぶ。EGシリコンは、理論的限界に近い効率を有するが、法外な価格の太陽電池をもたらす。他方で、MGシリコンは、典型的に、実用的な太陽電池を作れない。多結晶シリコンを使用した初期の太陽電池は、約6％と達成効率が非常に低かった。これに関連して、効率とは、収集され電流に変換されるエネルギーに対する、電池に入射するエネルギーの割合の測定値である。しかし、太陽電池処理に有用であり得るその他の半導体材料があるかもしれない。しかし、実際には、ほぼ90％の市販の太陽電池が結晶シリコンで作られている。

効率が24％である現在利用可能な市販の電池は、より高純度な材料、および改善された処理技術により可能にされている。これらの工学技術の進歩により、業界は、31％の単一接合シリコン太陽電池効率の理論的限界に近づくことができた。

高純度のシリコン原料を獲得し使用するための高コストおよび複雑な処理要件、そしてIC産業の競争的な需要のために、太陽電池に有用なシリコンのニーズは、公知の処理技術を用いているEG、MG、または他のシリコン製造者のいずれによっても満たされそうにない。この不十分な状況が続く限り、大規模な電気エネルギー産生用の経済的な太陽電池は達成できないかもしれない。

いくつかの因子によって、太陽電池加工に有用であり得るシリコン原材料の品質が決まる。シリコン原料の品質は、材料中に存在する不純物の量によって変動することが多い。シリコン原料品質を改善するために制御かつ除去されるべき主な元素は、ボロン(B)、リン(P)、およびアルミニウム(Al)である。なぜなら、これらはシリコンの抵抗率に有意に影響を及ぼすからである。アップグレードされた冶金(UM)シリコンに基づくシリコン原材料は、ボロンおよびリンを同様の量で含むことが非常に多い。化学分析を使用して特定の元素の濃度を決定できるが、このアプローチが必要とするサンプルサイズは小さ過ぎ(数グラム)、変動的な結果を出すことが多い。例えば、存在するボロンの量は、重量百万分率(parts per million by weight)(ppmw)で0.5〜1ppmwにわたり得る。さらに、異なるバッチに対する化学分析は、一貫性のあるボロンおよびリン濃度を提供したが、電気パラメータには極端な変動があった。これらの信頼性のない結果は、比較的少ない不純物がもたらす大きな影響によるものかもしれない。

抵抗率は、太陽電池を製造するのに使用されるシリコン(Si)の最も重要な特性の1つである。これは、太陽電池効率が抵抗率に敏感に依存するからである。最先端の太陽電池技術は、典型的に、0.5Ωcm〜5.0Ωcmの範囲の抵抗値を必要とする。現在生成されているUMシリコンに基づく原材料は、太陽電池製造業者によって典型的に指定される0.5Ωcmの最小抵抗率を下回るベース抵抗を伴うことが多い。これには単純な理由がある：すなわち、UM-Siをアップグレードするためのプロセスが高価であるのは、ドーパント原子BおよびPを含む非金属を取り除くことに主に関係している。コストを抑えるために、このような処理を最小限にする、すなわち、UM-Siは、典型的に、高濃度のドーパント原子を含んだままであるという傾向が明らかである。

方向性凝固中の分離による精製は、アップグレードされた冶金シリコンを得るためのプロセスにおいて使用されることが多い。不純物除去法は、得られるシリコンインゴットの最後の部分(多くの場合、インゴットの上部)にB、P、Al、C、および遷移金属等の不純物を濃縮して結晶化させる方向性凝固を含む。完全なケースにおいては、方向性凝固プロセス中の結晶化は上部から底部まで均一であり、固液界面はインゴット全体にわたって平面であるはずである。これにより、インゴットの上部から底部まで一貫性のある不純物濃度プロファイルが得られ、インゴットの上部を除去するようなインゴットを横断する1つの平面切断によりインゴット中の不純物が除去される。

しかし、方向性凝固プロセスの間の温度場を制御することは難しく、シリコンインゴットにおいて結晶の不均一な成長を生じることが多い。これにより、インゴットの上部から底部(すなわち、インゴットの一方の端から他方の端)まで一様でない不純物濃度プロファイルが生じる。この影響は、大量のシリコンの大量生産においてはさらに増幅される。インゴットの異なる領域が異なる不純物プロファイル、つまり異なる抵抗率プロファイルを有するため、インゴットを横断する平面切断は、濃縮された不純物の大部分を除去しながら、有効なシリコン収率を最大限に引き出せない。

概要
従って、最適な不純物管理を提供するUMG材料精製プロセスに対するニーズが生じている。本方法は、有用かつ十分に純粋なUMG-Si材料を犠牲にすることなく不純物を正しく除去するように費用効果が高くなければならない。さらに、所望の不純物濃度閾値を満たすUMG-Siを産生するために、UMG-Siインゴット中の不純物濃度プロファイルをより正確に特定し、不純物除去用のトリミングラインを規定するというニーズがある。またさらに、UMG-Siインゴット中の不均一な不純物濃度を除去するための改善された方法に対するニーズがある。

さらには、良好なインゴット収率、ならびに改善された機械的および電気的特性(後者は太陽電池品質に関する)を有するUMG基質多結晶シリコン材料を送達する簡単なプロセスについてニーズがある。このようなプロセスは、例えば、CZ技術またはFZ技術を適用して、単結晶シリコン材料を結晶化するために部分的にまたは単独で使用されるより上級の非UMG原料シリコンに簡単に転用可能でなければならない。

開示の主題によれば、先に開発されたUMG-Si精製方法に伴う不都合および問題を実質的に無くすか減らす、UMG-Siを精製する方法が提供される。

本開示は、方向性凝固プロセスによりUMG-Siインゴット中の不純物を濃縮する方法を提供する。インゴットをブリックに分割し、その後、各ブリックについての抵抗率プロファイルをマッピングし、各ブリックについてその抵抗率プロファイルに基づいて最適なトリミングラインを算出し、濃縮された不純物を除去する。抵抗率マップは、インゴットの不純物プロファイルの正確な測定を提供する。その後、最適なトリミングラインに沿って各ブリックをトリミングして、有意に精製されたUMG-Siを得る。開示の方法は、不純物の大部分を除去しながら、有用なシリコン収率を最大にする。

開示の主題の一局面によれば、最適なトリミングラインは、所望の閾値不純物濃度に基づいて算出される。これらの不純物としては、ボロン、リン、およびアルミニウムが挙げられるがこれらに限定されない。開示の主題の別の態様によれば、最適なトリミングラインは、抵抗率プロファイル、および抵抗率プロファイルにおいて特定されるP/N転換に基づいて算出される。

開示の主題のさらに別の局面によれば、UMG-Siインゴット中の不純物は、均質かつ実質的に平坦な分離層を作るために双方向性凝固炉により濃縮される。

本開示の技術的な利点としては、有用なシリコン収率の増加、UMG-Siプロセス管理の改善、ならびにUMG-Si製造およびコストの改善が挙げられる。インゴットの抵抗率プロファイルに基づいてインゴットトリミングラインを算出することのさらなる技術的利点としては、より一貫性のある正確な不純物濃度測定が挙げられる。インゴットをブリックに分割する技術的利点としては、シリコン収率の増加、およびより効率的な有用なシリコン製造プロセスが挙げられる。

開示の主題、および追加の新規特徴は、本明細書で提供する説明から明らかになろう。本概要の意図は、主張する主題の包括的な説明となるものではなく、むしろ主題の機能性の一部の簡単な概説を提供するものである。本発明のその他のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明から当業者には明らかとなろう。このような追加のシステム、方法、特徴、および利点は全て、本明細書に含まれ、添付の特許請求の範囲内にあることを意図する。
[本発明1001]
溶融UMG-Siの方向性凝固を実施して、シリコンインゴットを形成する工程；
該シリコンインゴットを複数のブリックに分割する工程；
該複数のブリックのそれぞれについて抵抗率プロファイルをマッピングする工程；
該抵抗率マップに基づいて、濃縮された不純物を除去するためのトリミングラインを該複数のブリックのそれぞれについて算出する工程；および
該トリミングラインに沿って該複数のブリックをそれぞれトリミングする工程
を含む、UMG-Si精製のための方法。
[本発明1002]
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値不純物濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1003]
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値ボロン濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1004]
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値リン濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1005]
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値アルミニウム濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1006]
トリミングラインを算出する前記工程が、前記シリコンインゴットのP/N転換に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1007]
方向性凝固を実施する前記工程が、前記シリコンインゴットの上部および片側に不純物を濃縮する双方向性凝固炉を使用する、本発明1001の方法。
[本発明1008]
抵抗率プロファイルをマッピングする前記工程が、抵抗率プロファイルを3D凝固界面としてマッピングすることをさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1009]
シリコンインゴットを複数のブリックに分割する前記工程が、シリコンインゴットを18キログラム未満の複数のブリックに分割することをさらに含む、本発明1001の方法。

開示の主題およびその利点をより完全に理解するために、添付の図面(図中、同様の符番は同様の特徴を示す)と併せて以下の説明について言及する。

図1(従来技術)は、シリコン中のボロン、リン、およびアルミニウム含量を減らすためのプロセスフローである。図2は、UMG原料の多様なバッチの実際に測定された不純物を示すグラフである。図3は、UMG-Siインゴット中の不純物ボロンおよびリンの濃度プロファイルを示すグラフである。図4は、図3で測定されたUMG-Siインゴットの抵抗率プロファイル(算出された抵抗率と測定された抵抗率の比)を示すグラフである。図5は、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を示す。図6は、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を、開示の主題に従って作成したトリミングラインと共に示す。図7は、シリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。図8は、UMG-Siインゴット中の不純物ボロン、リンおよびアルミニウムの濃度プロファイルを示すグラフである。図9は、図8に示すUMG-Siインゴットのアルミニウム濃度の断面図である。図10は、図8に示すUMG-Siインゴットのリン濃度の断面図である。図11は、図8に示すUMG-Siインゴットのボロン濃度の断面図である。図12は、双方向性凝固炉におけるシリコン材料の凝固の側面を示すプロセスフローである。図13は、双方向性凝固炉におけるシリコン材料の凝固の上面を示すプロセスフローである。図14は、双方向性凝固炉で作製されたシリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。図15は、複数の不純物濃度についての抵抗率プロファイルおよびトリミングラインを示すグラフである。図16〜18は、シリコンインゴットの抵抗率プロファイルと不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。図16〜18は、シリコンインゴットの抵抗率プロファイルと不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。図16〜18は、シリコンインゴットの抵抗率プロファイルと不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。図19は、図16〜18におけるシリコンインゴットの抵抗率プロファイル(凝固画分についてohm-cmで示す)を示すグラフである。図20は、図19の抵抗率プロファイルに対応する不純物濃度プロファイルを表す。

具体的な態様の詳細な説明
以下の説明は、限定の意味で取られるべきでなく、本開示の一般的な原理を説明する目的のためのものである。本開示の範囲は、請求の範囲を参照することで判断されるべきである。アルミニウム富化UMGシリコンの精製を参照して説明しているが、当業者は本明細書で考察する原理を任意のアップグレードされた冶金級材料に対して適用できるであろう。

開示の主題の好適な態様を、図面に示しており、同様の符番が、複数の図面において同様の部分および対応する部分を指すために使用されている。

図1は、シリコン中のボロン、リン、およびアルミニウム含量を低減するための従来技術プロセスフローを示す。工程2において、石英および石炭等の純原材料を選択して、ボロン含量の低いMG-Siを生成する。その後、工程4において、さらにMG-Si純化によりアルミニウム含量を低減する。さらに、例えば、酸素燃料バーナーを有する炉において、ボロン含量をさらに低減することができ、これが最終的にUMG-Siとなる。次に、ボロン、リン、およびアルミニウム等の不純物をさらに低減するために、シリコン原料が出荷可能状態になるまで、典型的にボロン濃度が特定の閾値濃度を下回る時点まで、方向性凝固系を介してUMG-Siを処理することが多い。第1のDSSパス6および第2のDSSパス8の両方において、インゴットの最大不純物濃度を有する部分(通常、上部部分)が切除されて、より純度の高いシリコンが生成される。第1のDSSパス8は、例えば、要求されている0.5重量百万分率よりも多い不純物を有するシリコンを産生し、第2のDSSパス10は要求されている0.5重量百万分率を下回る不純物を有するシリコンを産生し得る。

無駄を最小限にしながらより純度の高いシリコンを提供するためには、より効果的な不純物管理が必要である。第1のDSSパス8の後、かつトリミングにより不純物を除去する前のシリコンインゴットの抵抗率測定は、シリコン収率を実質的に改善するであろう。同様に、第2のDSSパス10の後、かつ第2のトリミングにより不純物を除去する前のシリコンインゴットの抵抗率測定は、最終的なシリコン製品のシリコン収率を実質的に改善するであろう。

図2は、UMG原料の多様なバッチ中の選択された元素の実際に測定した濃度を重量百万分率で示すグラフである。異なる原料バッチ間における元素濃度の大きな差異に留意されたい。このばらつきは、主に、石英および石炭等の、UMG-Si原料の供給材料によるものである。不純物濃度の小さなばらつきが、インゴットの底部から上部までの抵抗率およびインゴット収率(n型部分とp型部分の比)のバッチ間でのばらつきに有意に影響しうる。アルミニウム40、ボロン42、およびリン44は、材料の抵抗率に有意に影響を及ぼすため、制御される主な元素である。

図3は、UMG-Siインゴット中のドーパントであるボロン50およびリン52の濃度プロファイル(凝固画分にわたる1立方センチメートル当たりの原子数)を示すグラフである。図3において、ボロン50の初期濃度は0.48重量百万分率であり、リン52の初期濃度は1.5重量百万分率である。凝固画分(すなわち、インゴット高さ)に沿ったボロンおよびリンの濃度のばらつきは、元素固有の分離挙動によって生じる方向性凝固の間の一様でない分離を反映している。インゴットにおけるボロンおよびリンの一様でない分離は、およそ80％のインゴット高さにおいて、p型(ボロン、アルミニウム)からn型(リン)への導電型の変化を生じる。この導電型の変化は、B/P比54(図3においてB-P差の絶対値として示す)により示される。つまり、B/P比54のようなB/P比は、p型材料の収率を制限する。アルミニウム濃度が比較的高いUMG原材料の場合、アルミニウムもまた、それぞれの抵抗率プロファイルをシフトさせることにより、収率に影響を及ぼし得る。

図4は、図3に示すUMG-Siインゴットの抵抗率プロファイル(算出された抵抗率62および測定された抵抗率60)を示すグラフである。抵抗率は、ohm-センチメートルを単位として測定し、インゴット高さは底部から上部へのパーセント(凝固画分gに変換)として測定する。抵抗率は、ボロンおよびリンの濃度の絶対差(図3においてabs(B-P)54と示す)である、材料の正味ドーピング(net-doping)から決定される。抵抗率プロファイルは、インゴットにおいて、図3に示すようなおよそ80％のインゴット高さにおけるボロンおよびリンの分離特性によって生じる導電型変化を反映することに留意されたい。

図5は、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を示す。不純物ライン70は、Al富化UMG-Si原料に基づいて、典型的なインゴットにおける測定された導電型変化を映し出している。このインゴット断面図において、(不純物ライン70によって示される)インゴット収率ラインの激しいばらつきが見られ、インゴットの左側72において90％に近いインゴット収率、およびインゴットの右側74において60％に近いインゴット収率が示される。インゴットにわたる激しい収率のばらつきは、インゴットにわたる凝固中の不均一な熱条件を反映しており、これはドーパント元素B、P、およびAlについて不均一な分離条件をもたらす。

方向性凝固は、典型的に、インゴットの上部において不純物を濃縮し、その後最も多く不純物を有する上層が除去されて、より純度の高い下層を残してこれがさらに処理される。図5に示すように、層78は層77よりも不純物が少ない。しかし、UMG-Siインゴットは、方向性凝固後に平坦な平面不純物プロファイルを有することはめったにない。平坦なトリミングライン76は、インゴットの上部で濃縮された不純物を除去するために典型的に使用される平坦切除ラインを示す。しかし、平坦な切断は、材料中の不純物の一様でない不均一な分布(不純物ライン70で示される)に乗じないため、非効率かつ無駄なUMG-Si処理に通じる。

図6は、開示の主題に従ってトリミングラインを作成した、方向性凝固後のUMG-Siインゴットの断面図を示す。ボロン、リン、およびアルミニウム等の不純物はシリコン中で活性なドーピングであり、インゴットブリックの抵抗率に影響を及ぼす。インゴット中のドーパントおよび金属性不純物の絶対濃度をまとめて低減するために、抵抗率測定は、インゴットの汚染部分のどこを除去すべきかの正確な決定を提供する。

最も低い不純物濃度は、クールゾーン80(最初に凝固する領域)で見られる。不純物の最大濃度は、ホットゾーン82(最後に凝固する領域)で見られる。不純物の分離は、方向性凝固中に溶融状態から最後に凝固するインゴット部分に濃縮される。このため、不純物プロファイルがインゴット中の領域ごとに異なる。インゴットブリック86およびインゴットブリック94において不純物レベルが異なることに留意されたい。各ブリックに対してトリミングラインをカスタマイズして不純物除去を管理するために、インゴットをブリック状に切る。方向性凝固後に、インゴットブリック86、88、90、92および94が切られた。切断ライン84は、画像においてブリック区切りを反映している。

ブリックを切断した後、底部から上部へのインゴットの抵抗率を測定し、これらの算出値をグラフまたは3D抵抗率マップ上にマッピングすることにより、インゴットの抵抗率プロファイルを作成する。インゴットの抵抗率測定は、インゴットをブリック状に切断する前に行ってもよい。さらに、ブリックの大きさは、シリコンインゴットの大きさ、シリコンインゴットの不純物濃度、正確な抵抗率プロファイルを得るために必要な大きさ、および製造効率要件を含む(ただしこれらに限定されない)多くの因子に応じてカスタマイズできる。

図6において、不純物ラインは、インゴット中の閾値要求レベルにある不純物濃度を反映する。標準切断は、不純物除去とシリコン材料収率とのバランスを取ることを試みた平坦なトリミングラインを示す。管理された切断は、各ブリックについて、そのブリックの抵抗率プロファイルに基づいてカスタマイズされたトリミングラインを示す。管理された切断ラインは、各個別のブリックについてそのブリックの抵抗率プロファイルに基づいて算出されたトリミングラインを規定する。従って、シリコン材料収率を保ちながら、濃縮された不純物を含む部分のみが除去される。これにより、有効なシリコンを犠牲にすることなく、不純物の最適な除去が可能になる。この切断は、各ブリックの上部から底部までの抵抗率を測定することによって算出される。

開示のプロセスに従って管理された切断を行わない従来の標準切断は、ブリック94のインゴット領域のようにインゴット中に多くの不純物を残すため、別の方向性凝固を行って、そのようなインゴットに由来する材料をさらに精製する必要がある。

図7は、シリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。凝固を管理するのは難しいため、インゴット結晶化中の固液界面は平面ではなく、図7に示すように不均一な分離層を生じる。方向性凝固の後、インゴットの上部で不純物が濃縮される。しかし凝固層90、92、および94は、有意に一様ではなく、つまり凝固層は、平面ではなく、むしろインゴット中で上下垂直に変化し、インゴットにわたり厚みが変化する。このため、インゴット中の領域間の不純物プロファイルが異なり、これによって一様でないシリコンインゴット不純物プロファイルが生じる。一様でない凝固層は、高収率シリコンを犠牲にすることなく、またはインゴット中に余分に不純物を残すことなく、濃縮された不純物を容易かつ効率的に除去することを難しくする。

図8は、UMG材料インゴット中の、ドーパントであるボロン100、リン102、およびアルミニウム106の濃度プロファイル(インゴット高さパーセントにわたる1立方センチメートル当たりの原子数で、凝固画分gに変換)を示すグラフである。図8において、ボロンの初期濃度は0.411ppmw、リンの初期濃度は1.3ppmw、およびアルミニウムの初期濃度は23.08ppmwである。方向性凝固中のボロン、リン、およびアルミニウムの異なる分離係数により、約87％のインゴット高さにおいて導電型の変化がある。この変化は、図8において104として示す、ボロンおよびリンの絶対濃度にアルミニウム濃度を加算したものabs(B-P+Al)に反映され、これはp型材料収率の限界を規定する。

図9は、図8に示すUMG-Siインゴットのアルミニウム濃度プロファイルの断面図である。ここでも、方向性凝固プロセス中の温度場の管理が困難なために、結晶化層は一様でない産出および一様でない不純物濃度プロファイルを生じる。アルミニウムの濃度は、インゴットの上部で上昇し、不純物ライン110で示すようにインゴットの断面にわたって変動する。これは、インゴット全体にわたってアルミニウムおよび他の不純物を効率的に除去することを困難にする。

図10は、図8に示すUMG-Siインゴットのリン濃度プロファイルの断面図である。リンの濃度は、インゴットの上部で上昇し、不純物ライン112で示すようにインゴットの断面にわたって変動する。リンの濃度は、インゴットの特定の部分において有意に高く、インゴット全体にわたって1つの平坦なトリミングラインによってリン不純物を最適に除去することを困難にする。

図11は、図8に示すUMG-Siインゴットのボロン濃度プロファイルの断面図である。ボロンの濃度は、インゴットの上部で上昇し、不純物ライン114で示すようにインゴットの断面にわたって変動する。ボロンの濃度は、インゴットの特定の部分で有意により高く、インゴット全体にわたって1つの平坦トリミングラインによってリン不純物を最適に除去することを困難にする。

図12は、双方向性凝固炉におけるシリコン材料の凝固化の側面図を示すプロセスフローである。双方向性凝固炉とは、上部および側面ヒーター(多くの場合、インゴットの上部を温める1つのヒーター、およびインゴットの側面を温める複数のヒーターが配置される)を備え、得られるシリコンインゴットの上部および片側に不純物を濃縮する凝固炉である。図12の双方向性凝固系は、上部ヒーター122、ならびに側面ヒーター120および124を利用して、上部ヒーター122に近接するインゴットの上部、ならびに側面ヒーター120が配置されるインゴット側面の両方において不純物を濃縮する。液体シリコンは、濃縮された不純物を含み、汚染領域としても知られる。1500℃の炉温度において、シリコンは完全に液体である。工程126では、炉温度は1450℃まで下げられ、溶融シリコンは部分的に凝固化し、シリコン溶解物の下のインゴットの底部において凝固したシリコン層が形成される。上部ヒーター122に近接するシリコンは溶融したままで、上部ヒーター122から離れたシリコンは結晶化し、不純物は溶融シリコンに濃縮される。工程126の間、側面ヒーター120および側面ヒーター124は、一定の温度に設定され、凝固するシリコンの垂直な勾配が形成され、シリコンの水平方向の凝固勾配は一定のままである。

工程128では、1420℃の炉温度において、シリコンはほとんど結晶化されており、上部ヒーター122および側面ヒーター120に近接する領域のみが溶融しており、残りのシリコンは結晶化している。側面ヒーター124および上部ヒーター122が冷まされることにより側面ヒーター124および上部ヒーター122に近接するシリコンが結晶化され、溶融シリコンは側面ヒーター120付近に移る。加熱された側面ヒーター120に近接するインゴットの上部角にある残りの液体シリコンに不純物が濃縮される。従って、上部ヒーター122および側面ヒーター120に最も近い溶融領域にて不純物は濃縮される。ここが、完全に結晶化されたシリコンインゴットを精製するために除去される領域である。双方向性凝固炉は、1つは中心、4つが角にある5つの穴が上部に開けられており、凝固するシリコン部分(単純な石英ロッドを使用することが多い)の高さを管理および測定できる。工程130では、1400℃の炉温度で、側面ヒーター120は冷やされ、シリコンインゴットが完全に凝固する。不純物は、上部ヒーター122および側面ヒーター120に最も近い結晶化領域で濃縮される。ここで、インゴットは、ブリックに分割可能となり、不純物が除去される。双方向性凝固炉は、ヒーター付近のホットゾーンを使用して、不純物を濃縮して、シリコンが完全に結晶化した後に効率的に除去する。

進行中、インゴット中の溶融シリコンが凝固し始めると、垂直なシリコン凝固勾配が作られる。インゴットの底部のシリコンが冷却すると共に、凝固化し、不純物(ボロン、リン、およびアルミニウム)が残りの溶融シリコンに移動する。固液界面が導電型の転換領域(通常、80％のインゴット凝固の範囲)に到達する前に、側面ヒーターの温度を調節して、水平なシリコン凝固化勾配を作り、これにより残りの溶融シリコンをインゴットの片側(より温かい側面ヒーターに近い側)に向かわせる。

図13は、双方向性凝固炉(上部ヒーターは図示せず)におけるシリコン材料の凝固の上面を示すプロセスフローである。側面ヒーター132および側面ヒーター134は、共に調節されて水平なシリコン凝固勾配を作り、側面ヒーター132付近に不純物を濃縮する。最初に、1500℃の炉温度にて、るつぼ中のシリコン全体は溶融している。工程136では、炉温度は1450℃に調節され、るつぼの底部の溶融シリコンが凝固し始め(双方向性凝固炉におけるシリコン凝固の側面については図12を参照)、溶融シリコンは上部ヒーター付近に移動する。

工程138では、1420℃の炉温度にて、側面ヒーター132が加熱され、側面ヒーター134が冷却され、水平なシリコン凝固勾配が作られる。側面ヒーター134付近のシリコンが冷やされて凝固化すると、溶融シリコンは側面ヒーター132付近に移動する。不純物は、側面ヒーター132付近の溶融シリコンに集積される。工程140で炉温度を1400℃に下げると、濃縮された不純物レベルを有する残りの溶融シリコンが凝固し、側面ヒーター132付近のインゴット領域に不純物が捕捉される。

図14は、双方向性凝固炉において作製されたシリコンインゴットの3D凝固界面のグラフィック描写である。図中、インゴット結晶化の間の固液界面は実質的に平面なままであり、実質的に均一かつ平面の凝固層を生じる。従って、上部から底部までの不純物プロファイルは、シリコンインゴットのどの領域においても実質的に同じである。図7の層90、92、および94とは異なり、凝固層150、152、および154は、インゴットにわたり平面である。さらに、上から見ると、汚染凝固層は、図13に示すようなもののように、双方向性凝固炉の使用により側面156においてさらに濃縮されている。この構造により、開示のプロセスによって簡単にトリミングできる領域における不純物の濃縮が可能になる。双方向性凝固炉は、長方形、非二次(non-quadratic)断面のるつぼを使用して運転されることが好ましく、るつぼの短い方の側面が側面ヒーターに面している。

図15は、複数の不純物濃度についての、抵抗率プロファイル(凝固画分gについてohm-cmでグラフ化)、およびトリミングラインを示すグラフである。抵抗率プロファイルは、不純物濃度に強く依存する。これは、抵抗率プロファイル上の各点での不純物濃度の決定を可能にする。トリミングライン166、168、および170は、インゴットの抵抗率プロファイルに依存する。トリミングラインは、最終製品について許容される閾値シリコン不純物濃度に基づいて決定され得る。

インゴット抵抗率プロファイル160は、0.45ppmwのボロン濃度、1.59ppmwのリン濃度、および0.087ppmwのアルミニウム濃度を有する。トリミングライン166は、抵抗率プロファイル160に対応し、抵抗率プロファイル160について正確な不純物濃度閾値量を産生する管理された切断ラインである。

インゴット抵抗率プロファイル162は、0.45ppmwのボロン濃度、1.45ppmwのリン濃度、および0.079ppmwのアルミニウム濃度を有する。トリミングライン168は、抵抗率プロファイル162に対応し、抵抗率プロファイル162について正確な不純物濃度閾値量を産生する管理された切断ラインである。

インゴット抵抗率プロファイル164は、0.45ppmwのボロン濃度、1.59ppmwのリン濃度、および0.119ppmwのアルミニウム濃度を有する。トリミングライン170は、抵抗率プロファイル164に対応し、抵抗率プロファイル164について正確な不純物濃度閾値量を産生する管理された切断ラインである。

図16〜18は、インゴットの抵抗率プロファイルと、同インゴットの不純物濃度プロファイルとの関係を示すグラフである。管理されたトリミングラインは、特定の不純物の所望の閾値濃度に応じて算出され得る。図16〜18は、0.5ppmwのアルミニウム濃度に基づいてトリミングラインを示しているが、トリミングラインは、任意の濃度の多くの様々な不純物(ボロンまたはリン等)に基づき得る。

図16は、同じシリコンインゴットについての抵抗率プロファイルおよび不純物濃度プロファイルに基づく、トリミングラインの算出を例示している。上のグラフは、0.45ppmwのボロン濃度、1.45ppmwのリン濃度、および0.079ppmwのアルミニウム濃度を有するシリコンインゴットについての抵抗率プロファイル182(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示す。下のグラフは、同じインゴットについての、ボロン186、リン184、およびアルミニウム188の濃度プロファイル(凝固画分パーセントについて1立方センチメートル当たりの原子数で表示)を示す。トリミングライン180は、0.5ppmwのアルミニウム濃度については、84.5％のインゴット高さであると算出された。つまり、トリミングライン180より下にあるインゴットは0.5ppmw未満のアルミニウム濃度を有し、トリミングライン180より上にあるインゴットは0.5ppmwを上回るアルミニウム濃度を有する。

図17は、同じシリコンインゴットについての抵抗率プロファイルおよび不純物濃度プロファイルに基づく、トリミングラインの算出を例示している。上のグラフは、0.45ppmwのボロン濃度、1.45ppmwのリン濃度、および0.117ppmwのアルミニウム濃度を有するシリコンインゴットについての抵抗率プロファイル202(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示す。下のグラフは、同じインゴットについての、ボロン208、リン204、およびアルミニウム206の濃度プロファイル(凝固画分パーセントについて1立方センチメートル当たりの原子数で表示)を示す。トリミングライン200は、0.5ppmwのアルミニウム濃度については、77％のインゴット高さであると算出された。つまり、トリミングライン200より下にあるインゴットは0.5ppmw未満のアルミニウム濃度を有し、トリミングライン200より上にあるインゴットは0.5ppmwを上回るアルミニウム濃度を有する。

図18は、同じシリコンインゴットについての抵抗率プロファイルおよび不純物濃度プロファイルに基づく、トリミングラインの算出を例示している。上のグラフは、0.45ppmwのボロン濃度、1.8ppmwのリン濃度、および0.079ppmwのアルミニウム濃度を有するシリコンインゴットについての抵抗率プロファイル224(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示す。下のグラフは、同じインゴットについての、ボロン228、リン226、およびアルミニウム230の濃度プロファイル(凝固画分パーセントについて1立方センチメートル当たりの原子数で表示)を示す。トリミングライン222は、0.5ppmwのアルミニウム濃度については、84.5％のインゴット高さであると算出された。つまり、トリミングライン222より下にあるインゴットは0.5ppmw未満のアルミニウム濃度を有し、トリミングライン222より上にあるインゴットは0.5ppmwを上回るアルミニウム濃度を有する。トリミングライン220も、インゴットがp型からn型に移るP/N転換における抵抗率プロファイルから、83％のインゴット高さであると算出された。このトリミングラインは、インゴットから得られるp型シリコン材料の最も高い収率を保つ最適切断ラインを反映する。

図19は、図16〜18のシリコンインゴットの抵抗率プロファイル(凝固画分パーセントについてohm-cmで表示)を示すグラフである。抵抗率プロファイル182は、図16のインゴットの抵抗率、および84.5％のインゴット高さにおいて0.5ppmwのアルミニウム濃度について算出されたトリミングライン180を示す。抵抗率プロファイル102は、図17のインゴットの抵抗率、および77％のインゴット高さにおいて0.5ppmwのアルミニウム濃度について算出されたトリミングライン200を示す。抵抗率プロファイル224は、図18のインゴットの抵抗率、および83.5％のインゴット高さにおいてP/N転換について算出されたトリミングライン220を示す。

図20は、図19の抵抗率プロファイル182、202、および224に対応する、ボロン、リン、およびアルミニウムの濃度プロファイルを表す。

実施中、開示の主題は、インゴットの抵抗率プロファイルに基づいて、管理されたUMG-Siインゴット不純物除去用のトリミングラインを特定することによって、UMG-Siインゴットから不純物を除去する方法を提供する。有用なシリコン収率を増加するために、インゴットをブリックに分割し、各ブリック抵抗率プロファイルに基づいて、そのブリックについてのトリミングラインを算出する。

開示の主題を詳細に述べてきたが、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、様々な変化、置換、および変更が可能であることが理解されよう。

Claims

溶融UMG-Siの方向性凝固を実施して、シリコンインゴットを形成する工程；
該シリコンインゴットを複数のブリックに分割する工程；
該複数のブリックのそれぞれについて抵抗率プロファイルをマッピングする工程；
該抵抗率マップに基づいて、濃縮された不純物を除去するためのトリミングラインを該複数のブリックのそれぞれについて算出する工程；および
該トリミングラインに沿って該複数のブリックをそれぞれトリミングする工程
を含む、UMG-Si精製のための方法。
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値不純物濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、請求項1記載の方法。
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値ボロン濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、請求項1〜2のいずれか一項記載の方法。
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値リン濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、請求項1〜3のいずれか一項記載の方法。
トリミングラインを算出する前記工程が、閾値アルミニウム濃度に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、請求項1〜4のいずれか一項記載の方法。
トリミングラインを算出する前記工程が、前記シリコンインゴットのP/N転換に基づいて該トリミングラインを算出することをさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項記載の方法。
方向性凝固を実施する前記工程が、前記シリコンインゴットの上部および片側に不純物を濃縮する双方向性凝固炉を使用する、請求項1〜6のいずれか一項記載の方法。
抵抗率プロファイルをマッピングする前記工程が、抵抗率プロファイルを3D凝固界面としてマッピングすることをさらに含む、請求項1〜7のいずれか一項記載の方法。
シリコンインゴットを複数のブリックに分割する前記工程が、シリコンインゴットを18キログラム未満の複数のブリックに分割することをさらに含む、請求項1〜8のいずれか一項記載の方法。