JP5514444B2 - 幾何学的多結晶成型シリコンの製造方法および装置および光電変換用多結晶成型シリコン本体 - 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、本発明波、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、幾何学的に揃った多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。
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 (30)
- 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ける少なくとも1つの表面上に、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と、
前記単結晶シリコン・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、
前記複数のシード結晶の少なくとも1つの所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
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、幾何学的に揃った多結晶シリコンから成り、任意に各々少なくとも10cmの寸法の長方形状の底面を有す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、前記冷却中に前記溶融シリコンの縁端において固体−液体界面を制御するステップを含む、ステップと、
を備えている、方法。 - 太陽電池の製造方法であって、
請求項1記載の方法で成型シリコンの本体を用意するステップと、
前記本体から少なくとも1つのウェハを形成するステップと、
前記ウェハの表面上において、任意に清浄手順を実行するステップと、
任意に、前記表面上において模様形成ステップを実行するステップと、
p−n接合を形成するステップと、
任意に前記表面上に反射防止被膜を堆積するステップと、
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つの層を任意に形成するステップと、
前記ウェハ上に導電性コンタクト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、
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の少なくとも2つの表面上に、所定のパターンで複数のシリコン・シード結晶を配列するステップと、
前記複数の単結晶シリコン・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、
前記複数のシード結晶の少なくとも1つの所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
結晶化を制御するために前記坩堝の少なくとも2つの表面から前記溶融シリコンを冷却するによって、幾何学的に揃った多結晶シリコンから成り、任意に各々少なくとも10cmの寸法の長方形状の底面を有する固体本体を形成するステップであって、該ステップは、前記坩堝における前記溶融シリコンと単結晶シリコン・シード結晶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前記固体−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1つの表面に複数のシリコン・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・シード結晶を接触するように、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の少なくとも1つの所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
前記少なくとも1つのシリコン・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、該ステップは、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、約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。 - 太陽電池の製造方法であって、
請求項4記載の方法で成型シリコンの本体を用意するステップと、
前記本体から少なくとも1つのウェハを形成するステップと、
前記ウェハの表面上において、任意に清浄手順を実行するステップと、
任意に、前記表面上において模様形成ステップを実行するステップと、
p−n接合を形成するステップと、
任意に前記表面上に反射防止被膜を堆積するステップと、
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つの層を任意に形成するステップと、
前記ウェハ上に導電性コンタクト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、複数のシリコン・シード結晶を所定のパターンで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の少なくとも1つの所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
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、該ステップは、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、約0.1℃/分以下のΔTを維持するステップを含む、ステップと、
一旦前記少なくとも1つのシリコン・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。 - 太陽電池の製造方法であって、
請求項6記載の方法で成型シリコンの本体を用意するステップと、
前記本体から少なくとも1つのウェハを形成するステップと、
前記ウェハの表面上において、任意に清浄手順を実行するステップと、
任意に、前記表面上において模様形成ステップを実行するステップと、
p−n接合を形成するステップと、
任意に前記表面上に反射防止被膜を堆積するステップと、
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つの層を任意に形成するステップと、
前記ウェハ上に導電性コンタクト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、
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の少なくとも1つの表面に、少なくとも1つの幾何学的多結晶シリコン・シード結晶を配列するステップと、
前記少なくとも1つのシリコン・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、
前記複数のシード結晶の少なくとも1つの所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
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、幾何学的に揃った多結晶シリコンから成り、任意に各々少なくとも10cmの寸法の長方形状の底面を有する固体本体を形成するステップであって、該ステップは、前記坩堝における前記溶融シリコンと少なくとも1つの幾何学的多結晶シリコン・シード結晶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固体−液体界面を制御するステップを含む、ステップと、
を備えている、方法。 - 太陽電池の製造方法であって、
請求項8記載の方法で成型シリコンの本体を用意するステップと、
前記本体から少なくとも1つのウェハを形成するステップと、
前記ウェハの表面上において、任意に清浄手順を実行するステップと、
任意に、前記表面上において模様形成ステップを実行するステップと、
p−n接合を形成するステップと、
任意に前記表面上に反射防止被膜を堆積するステップと、
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つの層を任意に形成するステップと、
前記ウェハ上に導電性コンタクト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、
坩堝内の少なくとも1つの表面に複数のシリコン・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、前記複数のシリコン・シード結晶を、前記坩堝における少なくとも1つの表面の区域全体または実質的に区域全体を覆うように配列する、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、
前記複数のシード結晶の少なくとも1つの所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
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、任意に各々少なくとも10cmの寸法の長方形状の底面を有する幾何学的に揃った多結晶シリコンから成る固体本体を形成するステップと、
を備えている、方法。 - 太陽電池の製造方法であって、
請求項10記載の方法で成型シリコンの本体を用意するステップと、
前記本体から少なくとも1つのウェハを形成するステップと、
前記ウェハの表面上において、任意に清浄手順を実行するステップと、
任意に、前記表面上において模様形成ステップを実行するステップと、
p−n接合を形成するステップと、
任意に前記表面上に反射防止被膜を堆積するステップと、
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つの層を任意に形成するステップと、
前記ウェハ上に導電性コンタクト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、
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ベッセルにおいて、少なくとも1つの幾何学的に揃った多結晶シリコン・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であって、前記少なくとも1つの幾何学的に揃った多結晶シリコン・シード結晶を、前記ベッセルの表面の区域全体または実質的に区域全体を覆うように配列する、ステップと、
前記少なくとも1つの幾何学的に揃った多結晶シリコン・シード結晶の所望の部分を溶融し、そして少なくとも1つのディップ・ロッドを用いて溶融の程度を測定するステップと、
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、任意に各々少なくとも10cmの寸法の長方形状の底面を有する幾何学的に揃った多結晶シシリコンから成る固体本体を形成するステップと、
を備えている、方法。 - 太陽電池の製造方法であって、
請求項12記載の方法で成型シリコンの本体を用意するステップと、
前記本体から少なくとも1つのウェハを形成するステップと、
前記ウェハの表面上において、任意に清浄手順を実行するステップと、
任意に、前記表面上において模様形成ステップを実行するステップと、
p−n接合を形成するステップと、
任意に前記表面上に反射防止被膜を堆積するステップと、
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つの層を任意に形成するステップと、
前記ウェハ上に導電性コンタクトを形成するステップと、
を備えている、方法。 - 請求項1〜13のいずれか1項に記載の方法において、前記冷却するステップは、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、方法。
- 請求項1、3、4、6、8、10、12及び14のいずれか1項に記載の方法であって、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、方法。
- 請求項1、3、4、6、8、10、12及び14のいずれか1項に記載の方法であって、更に、少なくとも1つの寸法が少なくとも約50mmであるウェハを形成するステップを備えている、方法。
- 請求項2、5、7、9、11、13及び14のいずれか1項に記載の方法であって、更に、少なくとも1つの寸法が少なくとも約50mmとなるようにウェハを形成するステップを備えている、方法。
- 請求項16記載の方法であって、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ように、前記幾何学的に揃った多結晶シリコンの固体本体を形成するステップを備えている、方法。
- 請求項17記載の方法であって、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、方法。
- 請求項1、3、または10のいずれか1項に記載の方法において、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、方法。
- 請求項8または12のいずれか1項に記載の方法において、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、前記坩堝における少なくとも1つ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、方法。
- 請求項1、3、4、6、または10のいずれか1項に記載の方法であって、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、方法。
- 請求項1、3、4、6、8、10、または12のいずれか1項に記載の方法において、前記形成するステップは、共通極方向が前記幾何学的に揃った多結晶シリコンの表面に対して垂直となるように、平均粒子サイズが約0.5cmから約50cmである幾何学的に揃った多結晶シリコンを形成するステップから成る、方法。
- 請求項1、3、4、6、8、または10のいずれか1項に記載の方法であって、更に、前記方法にしたがって既に成型してある幾何学的に揃った連続多結晶シリコンの本体から得たシード結晶を用いて、幾何学的に揃った多結晶シリコンの別の固体本体を形成するステップを備えている、方法。
- 請求項1、3、または10のいずれか1項に記載の方法において、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、約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、方法。
- 請求項3または6のいずれか1項に記載の方法であって、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、前記シード結晶間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備えている、方法。
- 請求項3または6のいずれか1項に記載の方法であって、更に、最大で3つのシード結晶縁端が前記所定のパターンの少なくとも1つの角において一致するように、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、方法。
- 請求項3または6のいずれか1項に記載の方法であって、更に、前記坩堝の前記少なくとも1つの表面に沿って、前記所定のパターンを六角形または八角形方位に配列するステップを備えている、方法。
- 請求項3または6のいずれか1項に記載の方法において、前記坩堝の少なくとも2つの表面は垂直である、方法。
- 請求項1または4のいずれか1項に記載の方法において、前記複数の単結晶シリコン・シード結晶の幾何学的配列を配置するステップは、前記坩堝の表面の区域全体または実質的に区域全体を覆うように、前記シード結晶を配列するステップから成る、方法。
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